CN111406447A - 用于短引线电源装置的冷却和压紧夹具 - Google Patents

Abstract

一种夹具被配置为联接到印刷电路板，以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部。所述夹具的第一导电柱被配置用以压紧第一电源装置引线和所述印刷电路板的第一印刷电路板迹线之间的第一电连接部，并将热能从所述第一电源装置引线带走。所述第一导电柱从负载散布板延伸。所述负载散布板为将从其延伸的紧固件与所述第一导电柱电隔离的绝缘体。所述紧固件被配置用以与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板，使所述负载散布板压紧所述第一导电柱以压紧所述第一电连接部，并将所述夹具接地。

Description

用于短引线电源装置的冷却和压紧夹具

相关申请的交叉引用

本申请为PCT申请，其要求2018年8月29日提交的美国专利申请No.16/115,692的优先权，并且还要求2017年10月3日提交的美国临时申请No.62/567,505的权益。上述申请的全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及一种用于经受反复的电力和热循环的电连接部的冷却和压紧夹具。

背景技术

本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

在正常使用期间经历反复的热膨胀和收缩的焊接的电连接部可能会发生焊接疲劳。焊接疲劳是射频(RF)功率转换系统中常见的挑战，射频(RF)功率转换系统在其应用寿命期间经历数千到数百万次的电力循环(例如，用于半导体制造的RF等离子体发生器)。决定焊点的最终寿命的关键参数包括温度偏移(ΔT)和由热膨胀系数(CTE)引起的机械应变。反复的电力和/或热循环可能导致焊接蠕变并可能断裂，从而造成高电阻连接和潜在的连接失效。

虽然目前这样的焊接连接适合于其预期用途，但它们还有待改进。本教导包括用于短引线电源装置的冷却和压紧夹具，其有利地减少焊接疲劳。如本文详细描述的且本领域技术人员将理解的，本教导提供了许多额外的优点和预料不到的结果。

发明内容

该部分提供公开的大致概要，并不是其全部范围或其所有特征的完全公开。

本教导包括一种夹具，其被配置用以联接到印刷电路板，以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部。所述夹具的第一导电柱被配置用以压紧位于第一电源装置引线和所述印刷电路板的第一印刷电路板迹线之间的第一电连接部，并将热能从所述第一电源装置引线带走。所述第一导电柱从负载散布板延伸。所述负载散布板为将从其延伸的紧固件与所述第一导电柱电隔离的绝缘体。所述紧固件被配置用以与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板，使所述负载散布板压紧所述第一导电柱以压紧所述第一电连接部，并将所述夹具接地。

本教导还包括一种夹具，其被配置用以联接到印刷电路板，以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部。所述夹具包括导电柱，其被配置用以压紧位于来自晶体管封装体的晶体管的漏极引线和向RF等离子体输出网络供应能量的印刷电路板迹线之间的电连接部。所述导电柱还被配置用以将热能从所述第一漏极引线带走以冷却所述第一漏极引线。所述导电柱从负载散布板延伸。紧固件从所述负载散布板延伸，所述负载散布板为将所述紧固件与所述导电柱电隔离的绝缘体。所述紧固件被配置用以：与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板；并使所述负载散布板压紧所述导电柱，以压紧所述电连接部。

本教导还包括用于RF等离子体发生器的电路板，其为薄膜处理设备提供固态电源(solid state power)。所述电路板包括利用保持构件安装至所述电路板的第一晶体管。第一漏极引线从所述第一晶体管延伸。第一印刷电路板迹线用于向RF等离子体输出网络供应能量。所述第一印刷电路板迹线连接至所述第一漏极引线以在它们之间提供第一电连接部。第一导电柱压紧位于所述第一印刷电路板迹线和所述第一漏极引线之间的所述第一电连接部，并被配置用以将热能从所述第一漏极引线带走以冷却所述第一漏极引线。第一导电柱从负载散布板延伸。紧固件从所述负载散布板延伸。所述负载散布板为将所述紧固件与所述第一导电柱电隔离的绝缘体。所述紧固件被配置用以：与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板；并使所述负载散布板压紧所述第一导电柱，以压紧所述第一电连接部。

进一步的适用领域从本文提供的描述将变得显而易见。本概要中的描述和具体示例仅用于例示目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

图1例示根据本教导的夹具，其联接到印刷电路板以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的电连接部；以及

图2为图1中的夹具的独立透视图；

在附图的若干视图中，对应的附图标记始终表示对应的部分。

具体实施方式

图1和图2例示根据本教导的冷却和压紧夹具10。夹具10被配置用以联接到印刷电路板110来冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部。夹具10包括第一柱12A。第一柱12A由任何合适的导电材料制成，例如铜。在所例示的示例中，柱12A包括腿部14A和足部16A，足部大致为柱12A的基底。足部16A的底面18A接触电连接部，以压紧该电连接部，并从该连接部传导热能，如本文解释的。为容纳电连接部，底面18A可以限定凹进20A。

为了便于从柱12A并最终从电连接部散发热能，柱12A可以包括一个或多个热能散发表面。热能散发表面可以位于柱12A上任何合适的位置，比如沿着腿部14A。热能散发表面可以为任何合适的表面特征，以利于释放从电连接部传导到柱12A的热量。在所例示的示例中，热能散发表面是第一凹槽22A的形式。

在所例示的示例中，除了第一柱12A之外，夹具10还包括第二柱12B。第二柱12B与第一柱12A相同或相似。因此，对第一柱12A的描述也可以描述第二柱12B。第二柱12B的与第一柱12A的特征相同或相似的特征在附图中以相同的附图标记指代，但是具有后缀“B”而不是“A”。

虽然夹具10被例示为包括第一柱12A和第二柱12B，但是夹具10可以被提供为仅具有一个柱，或者具有多于两个柱。例如，图1例示形式为双子封装体(Gemini package)的晶体管封装体130，如本文进一步解释的，其具有与其相关联的两个电连接部。因而，图1中的示例性夹具10包括两个柱12A和12B—每个待压紧和冷却的电连接部一个。夹具10所包括的柱的数量，通常将对应于待压紧和冷却的电连接部的数量。

夹具10还包括负载散布板30。负载散布板30为绝缘体，并可以由任何合适的绝缘材料制成，如玻璃纤维。第一柱12A和第二柱12B都从板30延伸。第一柱12A和第二柱12B以任何合适的方式连接到板30。例如，夹具10可以预组装为单独的单元，第一柱12A和第二柱12B通过销压铆的方式附接到负载散布板30。板30限定孔32，其延伸穿过板30。孔32被尺寸和成形为接纳任何合适的紧固件40，紧固件40被配置用以将夹具10固定到电路板110。在所例示的示例中，紧固件40为包括头部42和轴部44的螺钉，轴部44从头部42延伸。在紧固件40(特别是其头部42)和板30之间为压缩构件50。压缩构件50可以为任何合适的压缩构件，例如垫片或弹簧，其利于使板30压紧柱12A和12B，以将柱12A和12B压在电连接部上。如果第一柱12A、第二柱12B和紧固件40具有相同的电势能，那么板30可以替代地构造为导电材料。

螺纹46在轴部44的末端，其与电路板110的插孔配合，以将夹具10固定至电路板110。轴部44接地以使得夹具10接地。板30有利地将紧固件40与第一柱12A和第二柱12B电隔离。板30还隔离RF和DC信号。

如图1所示，夹具10被定位为使得第一柱12A位于在第一电源装置引线112A和第一印刷电路板迹线114A(或合适的金属表面)之间形成的第一电连接部上。第二柱12B被布置在第二电源装置引线112B和第二印刷电路板迹线114B(或合适的金属表面)之间的第二电连接部上。第一电源装置引线112A和第一印刷电路板迹线114A之间的电连接部以及第二电源装置引线112B和第二印刷电路板迹线114B之间的电连接部，可以为任何合适的电连接部，例如任何合适的焊接或非焊接的电连接部。

在所例示的示例中，第一电源装置引线112A为来自晶体管封装体130的第一漏极(或源极)引线，具体为来自其第一晶体管132A的第一漏极(或源极)引线。第二电源装置引线112B为来自晶体管封装体130的第二晶体管132B的第二漏极(或源极)引线。第一输入或栅极引线134A连接至第一晶体管132A，且第二输入或栅极引线134B连接至第二晶体管132B。晶体管封装体130还包括盖子140，其覆盖第一晶体管132A和第二晶体管132B。盖子140以任何合适的方式固定至电路板110，诸如利用第一保持构件142A和第二保持构件142B。在所例示的示例中，第一印刷电路板迹线114A和第二印刷电路板迹线114B向用于半导体制造的等离子体室210供应电力。

晶体管封装体130被例示为双子类型的封装体，其配置为用于宽带、低失真操作的推拉式配置。然而，可以使用任何其它合适的晶体管封装体。例如，可以使用仅包括单个晶体管的晶体管封装体，或者多个晶体管可以形成在单个芯片上。晶体管封装体130、第一电源装置引线112A、第二电源装置引线112B、第一输入引线134A和第二输入引线134B包含在RF电源150中。RF电源150可以是适合于向等离子体室210提供电力以产生波形的任何电源。本教导适用于与任何合适的RF等离子体发生器一起使用，例如任何合适的VHF发生器。夹具10还可以与MKS EDGE^TM平台发生器一起使用。

在夹具10如图1所示的那样布置的情况下，当紧固件40被拧到电路板110时，紧固件40使板30压紧第一柱12A和第二柱12B，这使第一柱12A压紧第一电源装置引线112A，并使第二柱12B压紧第二电源装置引线112B。夹具10在电连接部上提供的压紧是大致恒定的。甚至在可能造成连接部的膨胀和收缩的电连接部处的大的温度波动期间，这也保持第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B分别与第一印刷电路板迹线114A和第二印刷电路板迹线114B(或任何其它合适的金属表面)之间的电连接部。另外，夹具10有利地借助通过第一柱12A和第二柱12B的传导，将热能从第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B带走，这降低第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B的温度，由此减小焊接疲劳的可能性，并延长每个电连接部的寿命。柱12A和12B由诸如铜的高导热材料制成，铜是用于将热量从引线112A和112B传递到柱12A和12B的非常好的材料。积聚在铜上的能量继而通过对流和强制风冷的方式辐射到周围的空气。夹具10还有利地使得从第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B接地的寄生电容最小化，这维持良好的RF性能。

为了改善第一电源装置引线112A和第一柱12A之间的热传递，可以在其间布置热界面材料5OA。类似地，为了改善第二电源装置引线112B和第二柱12B之间的热传递，可在其间布置热界面材料5OB。热界面材料50A和50B可以是任何合适的热界面材料。例如，热界面材料50A和50B可以均为在一侧具有粘合剂的薄片(0.25-0.5mm厚)，其被切割成形，并分别粘合到柱12A和12B的底面18A和18B。

夹具10在第一电源装置引线112A和/或第二电源装置引线112B非常短(如3.0毫米)的应用中很有用，其将不使用用以将第一电源装置引线112A和/或第二电源装置引线112B固定至它们各自的迹线114A、114B的机械紧固件，诸如螺钉。当第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B非常短时，其还将不能在引线112A、112B内形成如本领域已知的欧米茄(Ω)环，以在其温度波动时容纳第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B的膨胀和收缩。

夹具10有利地降低第一电源装置引线112A和第二电源装置引线112B的温度，以减少其温度波动，并保持夹具10压紧引线112A和112B以减少由反复的热膨胀和收缩(热膨胀系数(CTE))所引起的机械应变。结果，如由以下公式估计的焊接连接部的渐进破坏减小：

在这个等式中：F＝工程系数，对于角焊接头(filleted SJs)约为1.2至0.7，对于非角焊接头(SJs without fillets)约为1.5到1.0；DNP＝距中性点/面的距离；ΔCTE＝CTE不匹配；ΔT＝循环温度偏移；h＝焊接接头。

实施例的前述描述是为了提供说明和描述的目的。其并不旨在穷尽或限制本公开。即使未具体示出或描述，特定实施例的单独的元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下可互换，并可用于选定的实施例中。其也可以许多方式变化。此类变化不应被视为脱离本公开，并且所有这中修改均旨在包含在本公开的范围内。

前述描述本质上仅仅是例示性的，决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的教导可以以各种各样的形式来实施。因此，虽然本公开包括特定示例，但本公开的真正范围不应有这样的限制，因为在对附图、说明书和所附权利要求书研究时其它修改将变得显而易见。应当理解，在不会改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以不同的顺序(或同步地)执行。此外，尽管每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的一个或多个可以在其它实施例中的任一个中和/或与其它任何实施例中的任一个的特征组合实施，即使没有明确描述该组合。换言之，所描述的实施例并不相互排斥，并且一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。

元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系用各种术语来描述，包括“连接”、“接合”、“联接”、“邻近”、“相邻”、“在上方”、“上方”、“下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接”，在以上公开中描述第一元件和第二元件之间的关系时，这种关系可以是在第一元件和第二元件之间不存在其它中间元件的直接关系，而且也可以是在第一元件和第二元件之间(空间或功能上)存在一个或多个中间元件的间接关系。如本文所使用的，在或时，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为表示使用非排它性的逻辑或的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中至少一个、B中的至少一个B和C中的至少一个”。

在图中，如箭头所示的箭头方向通常表示与例示有关的信息(如数据或指令)的流。例如，当元件A和元件B交换各种信息，但从元件A到元件B传输的信息与例示相关时，箭头可从元件A指向元件B。这个单向箭头并不意味着没有其它信息从元件B传输到元件A。此外，对于从元件A发送到元件B的信息，元件B可以向元件A发送对该信息的请求或接收确认。

在本应用中，包括以下定义，术语“模块”或术语“控制器”可替换为术语“电路”。术语“模块”可以是指下列、是下列的一部分或包括下列:专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享的、专用的或成组的)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享的、专用的或成组的)；提供所述功能的其它适合硬件组件；或以上的一些或全部的组合，例如在片上系统中。

模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在通过接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可以允许负载平衡。在另一示例中，服务器(也称为远程或云)模块可以代表客户端模块完成某些功能。

模块的一些或全部硬件特征可以使用硬件描述语言来定义，如IEEE标准1364-2005(通常称为“Verilog”)和IEEE标准1076-2008(通常称为“VHDL”)。硬件描述语言可用于制造和/或编程硬件电路。在一些实施方式中，模块的一些或全部特征可以由一种语言定义，如IEEE1666-2005(通常称为“系统C”)，其包含如下所述的代码以及硬件描述。

如上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例行程序、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路包括单个处理器电路，其执行来自多个模块的一些或全部代码。术语组处理器电路包括处理器电路，它与附加的处理器电路组合来执行来自一个或多个模块的一些或全部代码。对多个处理器电路的引用包括离散芯片上的多个处理器电路、单个芯片上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核、单个处理器电路的多个线程或上述的组合。术语共享存储器电路包括单个存储器电路，其存储来自多个模块的一些或全部代码。术语组存储器电路包括存储器电路，其与附加存储器组合来存储来自一个或多个模块的一些或全部代码。

术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的，术语计算机可读介质不包括通过介质(例如在载波上)传播的临时电信号或电磁信号；因此，术语计算机可读介质可以认为是有形的和非临时的。非临时计算机可读介质的非限制示例为非易失存储器电路(如闪存电路、可擦可编程只读存储器电路或掩模只读存储器电路)、易失存储器电路(如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(如CD、DVD或蓝光光盘)。

本申请中描述的设备和方法可以由专用计算机来部分或全部实施，其通过配置通用计算机来执行计算机程序中嵌入的一个或多个特定功能而创建。上述功能块和流程图元件作为软件说明，其可以通过熟练的技术人员或程序员的常规工作而转换成计算机程序。

计算机程序包括处理器可执行指令，其存储在至少一个非临时的计算机可读介质上。计算机程序也可以包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。

计算机程序可以包括：(i)待解析的描述性文本，如HTML(超文本标记语言)、XML(可扩展标记语言)或JSON(JavaScript对象表示法)，(ii)汇编代码，(iii)编译器从源代码生成的目标代码，(iv)解释器执行的源代码，(v)实时编译器编译并执行的源代码，等等。仅作为示例，源代码可以使用包括C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、

Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCamI、

html(超文本标记语言第5次修订)、Ada、ASP(活动服务器页面)、PHP(PHP:超文本预处理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、

Lua、MATLAB、SIMULINK和

在内的语言的语法编写。

权利要求中记载的元素均不旨在35U.S.C.§112(f)的含义中的手段加功能元素，除非元素使用短语“用于……手段”明确记载，或在使用短语“用于……操作”或“用于……的步骤”的权利要求中的情况下。

Claims (20)

1.一种夹具，其被配置用以联接到印刷电路板，以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部，所述夹具包括：

第一导电柱，被配置用以压紧位于第一电源装置引线和所述印刷电路板的第一印刷电路板迹线之间的第一电连接部，并将热能从所述第一电源装置引线带走以冷却所述第一电源装置引线；

负载散布板，所述第一导电柱从所述负载散布板延伸；和

从所述负载散布板延伸的紧固件，所述负载散布板为将所述紧固件与所述第一导电柱电隔离的绝缘体，所述紧固件被配置用以：与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板；并使所述负载散布板压紧所述第一导电柱，以压紧所述第一电连接部。

2.根据权利要求1所述的夹具，进一步包括第二导电柱，该第二导电柱被配置用以压紧位于第二电源装置引线和所述印刷电路板的第二印刷电路板迹线之间的第二电连接部，并将热能从所述第二电源装置引线带走以冷却所述第二电源装置引线；

其中所述负载散布板将所述第二导电柱与所述紧固件和所述第一导电柱二者电隔离；并且

其中所述紧固件被配置用以使所述负载散布板压紧所述第二导电柱，以压紧所述第二电连接部。

3.根据权利要求2所述的夹具，其中所述第一电源装置引线为来自晶体管封装体的第一晶体管的第一漏极引线；

其中所述第二电源装置引线为来自所述晶体管封装体的第二晶体管的第二漏极引线。

4.根据权利要求3所述的夹具，其中所述第一印刷电路板迹线和所述第二印刷电路板迹线向RF等离子体输出网络供应能量。

5.根据权利要求2所述的夹具，其中所述第一导电柱和所述第二导电柱都包括金属。

6.根据权利要求5所述的夹具，其中所述金属包括铜。

7.根据权利要求2所述的夹具，进一步包括在所述第一导电柱和所述第二导电柱二者上的热能散发表面，所述热能散发表面被配置用以释放从所述第一电源装置引线和所述第二电源装置引线传导至所述第一导电柱和所述第二导电柱的热能。

8.根据权利要求7所述的夹具，其中所述热能散发表面包括表面凹槽。

9.根据权利要求1所述的夹具，其中所述负载散布板包括玻璃纤维。

10.根据权利要求1所述的夹具，进一步包括在所述紧固件的头部和所述负载散布板之间的压缩垫片。

11.根据权利要求1所述的夹具，其中所述紧固件为螺钉。

12.根据权利要求2所述的夹具，其中所述第一电连接部和所述第二电连接部中的至少一个为焊接连接部。

13.根据权利要求2所述的夹具，其中所述第一电连接部和所述第二电连接部中的至少一个为非焊接连接部。

14.根据权利要求1所述的夹具，其中所述紧固件进一步被配置用以将所述夹具接地。

15.一种夹具，其被配置用以联接到印刷电路板，以冷却和压紧经受反复的电力和热循环的一个或多个电连接部，所述夹具包括：

导电柱，被配置用以压紧位于来自晶体管封装体的晶体管的漏极引线和向RF等离子体输出网络供应能量的印刷电路板迹线之间的电连接部，并被配置用以将热能从所述第一漏极引线带走以冷却所述第一漏极引线；

负载散布板，所述导电柱从所述负载散布板延伸；以及

从所述负载散布板延伸的紧固件，所述负载散布板为将所述紧固件与所述导电柱电隔离的绝缘体，所述紧固件被配置用以：与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板；并使所述负载散布板压紧所述导电柱，以压紧所述电连接部。

16.根据权利要求15所述的夹具，其中所述晶体管封装体为双子类型的封装体，其被配置为用于宽带、低失真操作的推拉式配置。

17.根据权利要求15所述的夹具，进一步包括在所述导电柱上的凹槽式热能散发表面。

18.根据权利要求15所述的夹具，其中所述紧固件将所述夹具接地。

19.一种用于RF等离子体发生器的电路板，其为薄膜处理设备提供固态电源，所述电路板包括：

利用保持构件安装至所述电路板的第一晶体管；

来自所述第一晶体管的第一漏极引线；

用于向RF等离子体输出网络供应能量的第一印刷电路板迹线，所述第一印刷电路板迹线连接至所述第一漏极引线以在它们之间提供第一电连接部；

第一导电柱，压紧位于所述第一印刷电路板迹线和所述第一漏极引线之间的所述第一电连接部，并被配置用以将热能从所述第一漏极引线带走以冷却所述第一漏极引线；

负载散布板，所述第一导电柱从所述负载散布板延伸；和

从所述负载散布板延伸的紧固件，所述负载散布板为将所述紧固件与所述第一导电柱电隔离的绝缘体，所述紧固件被配置用以：与所述电路板配合以将所述夹具连接到所述电路板；并使所述负载散布板压紧所述第一导电柱，以压紧所述第一电连接部。

20.根据权利要求19的所述电路板，进一步包括：

安装至所述电路板的第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管被包括在晶体管封装体中；

来自所述第二晶体管的第二漏极引线；

用于向所述RF等离子体输出网络供应能量的第二印刷电路板迹线，所述第二印刷电路板迹线连接至所述第二漏极引线以在它们之间提供第二电连接部；

第二导电柱，压紧位于第二印刷电路板迹线和第二漏极引线之间的所述第二电连接部，并被配置用以将热能从所述第一漏极引线带走以冷却所述第一漏极引线；

其中所述负载散布板将所述第二导电柱与所述紧固件和所述第一导电柱二者电隔离；并且

其中所述紧固件使所述负载散布板压紧所述第二导电柱，以压紧所述第二电连接部。

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