JP5109881B2 - 銅ボンディングワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子上の電極と外部電極とを接続するために用いる銅ボンディングワイヤに関するものである。

一般に半導体素子上の電極と外部電極との結線に用いられるボンディングワイヤの直径は１５〜７５μｍと非常に細く、また、化学的な安定性や大気中での取り扱いやすさから、従来は金線が用いられていた。
しかし、Ａｕ線の組成は、９９ｍａｓｓ％から９９．９９ｍａｓｓ％がＡｕであるため非常に高価であることから、金線使用量のＩＯピン数が非常に多いプラスチックボールグリッドアレイパッケージ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｌｌｅｙ Ｐａｃｋａｇｅ、以下ＰＢＧＡと記す。）や製品価格が安いメモリパッケージでは、細い線径の金線を用いることで、Ａｕの使用量を減らし、そのコストを下げたいとの要望があった。

一方、Ａｕの電気比抵抗は約２．３μΩｃｍであるが、線径を細くすることで、その電気抵抗も上昇するため、電流値を変化させたくない半導体パッケージでは細線化には限界があり、更にパッケージの高密度化における発熱の低減などの観点から、電気比抵抗が約１．７μΩｃｍとＡｕより低く、安価なＣｕに代替したいとの要望があった。

このような状況から銅ボンディングワイヤが開発、製品化されてきている。
しかしながら、銅ボンディングワイヤを最新の高集積度半導体パッケージに適用するためには、シリコンチップ上の脆弱なアルミ電極パッドへのダメージを回避する初期銅ボールの軟らかさと、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食を阻止するための銅組成、更には銅ボールとアルミニウム電極との接合界面に生成するアルミニウム銅合金層の酸化を阻止するための初期銅ボールの無酸素化、高集積化により狭まった隣接ワイヤループが樹脂封止時の樹脂流れによって起こる電気的短絡などを解消しなければならなかった。

ボールボンディングにおける接合界面の信頼性に最も強く影響する不純物元素は塩素であることが知られているが、特許文献１には、グロー放電質量分析法によって検出される塩素量が１質量ｐｐｍ以下の無酸素銅を使用することで銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食を阻止できることが開示されており、こうした銅ボンディングワイヤを使用することでＰＢＧＡの組立も金線から銅線への置き換えも可能となっている。

一方、銅ボンディングワイヤは表面が酸化しやすいため、酸化によってステッチボンディングの接合性が低下するという問題があり、特許文献２には、高純度銅極細線の表面にＰｄ被膜を形成して銅表面の酸化を防止する方法が開示されている。
更に、特許文献３には、Ｐｄ被覆銅ボンディングワイヤ表面のＰｄ被覆層と銅芯材との界面での剥離を防止するための方法が開示されており、被膜形成後に熱処理を施して銅パラジウム界面に濃度勾配を設けることが示されている。
又、最終線径まで伸線した後に銅芯材表面へパラジウム被膜を形成し、最終熱処理で拡散層を形成して界面の接合強度を高める方法も提案されている。

樹脂流れ性の向上については、銅ボール硬度の低減やステッチボンディング性向上のためにＰＢＧＡやメモリパッケージ向けの銅ボンディングワイヤは軟化処理によって弾性率は５２〜７０ＧＰａ程度と一般的な高強度金線の８０〜９０ＧＰａよりも低く、樹脂封止時のループへの流動応力に耐えずループが撓み、隣接するループと接触して電気的短絡を起こすことが問題となっていた。
このような樹脂封止時のループの接触による電気的短絡防止アイデアとしては、特許文献４及び特許文献５に、ワイヤ表面を電気絶縁性の物質で覆い、仮にループが接触してもワイヤ表面の絶縁性被膜が電気的短絡を回避するいわゆる絶縁ボンディングワイヤが提案されている。

ところで、絶縁ボンディングワイヤの芯材が金線である場合には、Ａｕは化学的に安定な金属であるため、例えば熱可塑性であるナイロンやアクリルといった樹脂を直接塗布する方法を用いることが可能であるが、芯材が銅線の場合には、延性がＡｕよりも低いＣｕではステッチボンディングでの銅ボールとアルミニウム電極との接合面積が小さくなり、ワイヤとリード電極との接合界面に延びた絶縁性被膜が残留し、金属接合を阻害するためにステッチボンディングが不十分となり、連続ボンディング性の低下による生産性の低下やボンドプル強度の低下の原因となっている。

又、絶縁性被膜として熱可塑性のナイロンやアクリル系の樹脂、あるいは熱硬化性のポリウレタンは、ボール形成時の熱影響部での樹脂の溶け上がり量が多く、ボール直上部のワイヤがむき出しになってしまうため、チップを多数積層させた最新のスタックドパッケージで要求される低ループでのクロス配線における電気的短絡回避を解決できないでいる。

更に、絶縁性確保のためには、所定の厚みの絶縁性被膜を設ける必要があるが、絶縁性被膜が厚くなるとステッチボンディング性が低下するというトレードオフの関係があるなか、高密度化を実現するためにワイヤの線径を細くしていくと、ステッチボンディングの接合面積は減少していくが、接合面積が小さくなっても高い接合強度を得るためには被膜樹脂が接合界面に残留しにくいことが重要であり、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂がこのような効果を示すことが知られている。
特願２００６−３１４８０５号 特開昭６２−９７３６０号公報 特開２００６−２１６９２９号公報 特許２７０５９７８号公報 特開２０００−１９５８９２号公報

しかしながら、Ｐｄの被膜形成速度は蒸着法にしてもメッキ法にしても遅く、又拡散層の形成に要する加熱工程も必要になるため、生産性の点からＰｄ被膜の形成は、ある程度の太線で行い、加熱無しに最終線径までの伸線を行うことでＰｄ被膜の形成を行ないたいが、無酸素銅、より高純度の銅にＰｄ被膜を設けて加熱せずに伸線を行うと、Ｐｄ被膜が剥がれ易くなって、芯材の銅線が剥き出しになりやすい問題がある。

又、絶縁性被膜に用いる熱硬化性樹脂は、ステッチボンディング性が良好となることは知られていたが、例えば絶縁性被膜として厚さ５０ｎｍと極めて薄いポリイミド被膜を用いた場合であっても、この極薄のポリイミド被膜中に存在する、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂の溶媒として極めて一般的に用いられるＮ−メチルピロリジノンとＣｕとが直接反応して銅線表面を黒く変色し、変色層が異物となってプラズマ放電によって得られるワイヤ先端のボール形状が真球になりにくい、或いはステッチボンディング強度が低いといった問題が生じていた。

即ち、本発明は係る課題に対して、銅表面にＰｄ被膜を安定して形成し、被膜形成後に加熱せずに最終線径まで伸線でき、ステッチ接合性の高い安価な銅ボンディングワイヤ、並びに樹脂封止時のワイヤ同士の接触による電気的短絡を防止する銅ボンディングワイヤの提供を目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明による銅ボンディングワイヤは、Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと不可避不純物とからなる無酸素銅の銅極細線を芯材とし、前記芯材の表面にＰｄ被膜が形成されていることを特徴とするものである。

更に、Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと残部不可避不純物とからなる無酸素銅の銅極細線を芯材とし、前記芯材の表面にＰｄ被膜を設け、前記Ｐｄ被膜の表面に熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜が形成されていることを特徴とする銅ボンディングワイヤである。

本発明に係る銅ボンディングワイヤによれば、芯材がＣｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以下の範囲で含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる無酸素銅の銅極細線であるため、アルミニウム電極とのボール接合界面での腐食が発生しにくく、Ｐｄ被膜とＣｕとの界面の接合強度も良好で、加熱を行わなくとも伸線によってボンディングに十分な強度が得られるために剥離の発生が無く、無酸素銅であるために、高温評価時に、Ｐｄが吸収する水素と銅中に存在する酸素とが反応して水蒸気を形成し、この水蒸気に起因するボール粒界での割れも発生しない。

更に、この銅極細線の表面にＰｄ被膜が設けられることで、絶縁性樹脂被膜の形成が銅と反応しやすいＮ−メチルピロリジノンなどの有機溶媒を使用した可溶性ポリイミドインクを用いた場合でも、この有機溶媒は、銅線とは直接には接触しないことから、可溶性ポリイミドインクをＰｄ被膜表面に塗布した後に、加熱によってポリイミド被膜となって接合信頼性が高く、絶縁性を有する銅ボンディングワイヤを容易に形成することが可能となる。

本発明の芯材となる銅極細線が、Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと不可避不純物とからなる無酸素銅であることで、形成される銅ボールの初期硬さをより柔らかくする効果を示すと共に、Ｐｄ被膜が吸収する水素との反応によるボール粒界での割れの発生を大きく抑制するものである。
尚、この不可避不純物は、純度９９．９９％の銅の不可避不純物レベル以下であることが望ましい。又、この銅極細線の製造においては、純度９９．９９％以上の銅原料を用いて、所定成分組成に溶解鋳造することが好ましく、特には酸素濃度は１０ｐｐｍ以下であると良い。

Ｃｌ含有量が１ｐｐｍ以下であると、銅ボールとアルミニウム電極との接合界面の腐食が防止されるもので、一方Ｐは、芯材の銅極細線とＰｄ被膜との接合強度を保ち、銅ボール形成時の銅ボールの酸化を防ぎ、又脱酸作用により銅ボールの表面硬さを硬くしないためにパッドダメージを発生させない働きを示すもので、そのＰ含有量が１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下の範囲において良好な効果を有する。

銅極細線の表面にＰｄ被膜を設けることは、絶縁性被膜を形成するときの絶縁性被膜成分による銅極細線の表面汚染や変色を防止する効果や銅ボール形成時のボールの真球度を悪化させない予防効果が得られるものである。
そのＰｄ被膜の厚みは、５ｎｍから１００ｎｍが望ましく、この範囲内では、銅線表面の変色を抑え、ワイヤ先端に溶融形成される銅ボール表面に濃縮するＰｄ層の厚みも薄くなり、チップダメージの損傷を抑えたボールボンディングが可能である。５ｎｍ未満では効果がなく、１００ｎｍを超える厚みのＰｄ被膜では、銅ボールを形成したときの真球度が低下するためで、望ましくは、１０ｎｍから３０ｎｍが良く、更に望ましくは１０ｎｍから１５ｎｍである。

本発明において、熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂を絶縁性被膜に用いるのは、塗布回数による被膜の厚み調整が容易で、又溶剤中にポリシランを混合してガラス転位温度や延性の調整も可能となるため、絶縁性が高くかつボンダビリティの高い絶縁性被膜を容易に形成するためである。
更に、熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂に対して、１０ｍａｓｓ％以下の範囲でポリシロキサンを添加しても良く、この添加された絶縁性被膜は、より高い絶縁性を示すが、１０ｍａｓｓ％を超えての含有は、ステッチボンディング強度を弱め、銅ボール形成時の真球度が悪化する。

その絶縁性被膜の厚みが、５０ｎｍから２００ｎｍであれば、連続ボンディング性を維持しつつ、良好な絶縁性も得られる。５０ｎｍ未満では、必要とする絶縁性が得られず、２００ｎｍを超える厚みでは、ステッチボンディング強度が必要とする強度より低下してしまう。より望ましくは、５０ｎｍから１００ｎｍにすると更に諸特性が良好となる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。
表１に示す芯材成分組成、Ｐｄ被膜、絶縁性被膜の組み合わせで被覆した実施例１〜１４、比較例１〜２５の銅ボンディングワイヤを以下の製造法で作製した。

実施例１〜７及び比較例１〜１０は、Ｐｄ被膜を有する銅ボンディングワイヤで、純度９９．９９９９％の電気銅（以下６Ｎ銅と記す）又は純度９９．９９％の電気銅（以下４Ｎ銅と記す）を使用して表１に示すＣｌ含有量、Ｐ含有量になるように溶解鋳造し、ダイスによる冷間伸線により線径１ｍｍまで縮径した後、アルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗を行い、０．１μｍ厚のＰｄストライクメッキを行い、さらに水洗し、所定厚みでＰｄメッキを行い、引き続き水洗、湯洗を行い、エアブロウして水分を除去した後、ダイスによる冷間伸線によって直径２５μｍまで縮径した。次いで、５％Ｈ_２−９５％Ｎ_２雰囲気の４００℃以上６００℃以下の温度に保たれた長さ５０ｃｍの炉中を線速５０ｍ／分以上の速度で連続的に焼鈍して加工歪みを除去した。
図１（ａ）にその断面形状を示す。１０ａはＰｄ被膜付きの銅ボンディングワイヤ、１は銅極細線、２はＰｄ被膜である。

実施例８〜１４及び比較例１１〜２５は、Ｐｄ被膜上に絶縁性被膜を施した銅ボンディングワイヤで、６Ｎ銅又は４Ｎ銅を使用してＣｌ含有量、Ｐ含有量になるように溶解鋳造し、ダイスによる冷間伸線により線径１ｍｍまで縮径した後、アルカリ脱脂、水洗、電解脱脂、水洗、酸活性、水洗を行い、０．１μｍ厚のＰｄストライクメッキを行い、更に水洗し、所定厚みでＰｄメッキを行い、その後水洗、湯洗を行い、ダイスによる冷間伸線を経て直径２５μｍまで縮径した。次いで、５％Ｈ_２−９５％Ｎ_２雰囲気の４００℃以上６００℃以下の温度に保たれた長さ５０ｃｍの炉中を線速５０ｍ／分以上の速度で連続的に焼鈍して加工歪みを除去した後、ワイヤ表面に可溶性ポリイミドインクを塗布し、直後に３００℃以上４００℃以下の温度に加熱し、硬化させてポリイミド樹脂被膜を形成する工程を、複数回行い、表１に示す所定の厚みのポリイミド樹脂被膜を形成した。
その断面形状を図１（ｂ）に示す。１０ｂはポリイミド樹脂被覆の銅ボンディングワイヤ、１は銅極細線、２はＰｄ被膜、３は熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜である。

Ｐｄ被膜を形成するＰｄメッキは、市販の高純度パラジウムメッキ液を用いて電気メッキ法で行った。
ポリイミド樹脂被膜の形成は、熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜では、テトラカルボン酸ジ無水物とジアミンとを環化反応させたブロック共重合型ポリイミドを、Ｎ−メチルピロリジノンを主とする溶媒に溶解した可溶性ポリイミドインクを用いて行い、熱硬化性変性型ポリイミド樹脂被膜では、ポリイミド分子中にフッ素を含有させて耐熱性を共重合型よりも向上させたポリイミドを、Ｎ−メチルピロリジノンを主とする溶媒に溶解した可溶性ポリイミドインクを用いて形成し、熱硬化性共縮合型ポリイミド樹脂被膜では、テトラカルボン酸ジ無水物とジアミンとを脱水縮合反応させて得るポリアミック酸を加熱し形成したポリイミドを、Ｎ−メチルピロリジノンを主とする溶媒に溶解した可溶性ポリイミドインクを用いて形成した。

この作製した銅ボンディングワイヤを用いて、各界面の接続強度、銅ボール形成能、ステッチ接合性、絶縁性の各特性を以下に示す方法で評価し、その結果を表２に示す。

Ｐｄ被膜と芯材の銅極細線との界面の接合強度については、ダイス伸線後のワイヤを２インチスプールへクロス巻で２００ｍ巻き取り、表面を実体顕微鏡観察して、銅表面が露出している場合を界面の接合強度が弱いと判断して「×」とし、露出が見られない場合を強いと判断して「○」とした。

Ｐｄ被膜と絶縁性被膜との界面の接合強度については、絶縁性被膜を形成後に、ワイヤを２インチスプールへクロス巻で２００ｍ巻き取り、表面を実体顕微鏡観察して、チョコレート色に変色している場合を「×」、変色が見られない場合を「○」と判断した。

ボール形成能は、新川社製ワイヤボンダＵＴＣ１０００を用いて、５％Ｈ_２−９５％Ｎ_２雰囲気下で直径５０μｍの初期銅ボールを５０個作成して評価した。
ボールの変形については、ボールの真球度（真円度と偏芯性）が目視観察で明らかに劣るものが１つでも発生した場合を「×」と判断し、発生しない場合を「○」として変形性を記した。
ボールの酸化については、ＳＥＭ観察によってボール表面に細かい凹凸が形成された場合は「×」と判断し、平滑な表面である場合には「○」と評価した。

パッドダメージについては、シリコンチップの酸化シリコン上に酸化チタン薄膜を形成し、さらに０．８μｍ厚のアルミニウム薄膜を形成したテストチップを用い、１００個のボールボンディングを１００回行い、試料を作製した。水酸化カリウム水溶液でテストチップの表層のアルミニウム薄膜を除去した後、実体顕微鏡でパッドを観察し、酸化チタンに割れ欠けといった損傷が確認された場合を「×」と判定し、損傷のない場合を「○」とした。

ステッチ接合性は、プラスチック基板上のＡｕメッキ面と、プラスチック基板にダイボンディンされたアルミニウム蒸着チップとの間でボールボンディングを行った後、ボンドプル強度を測定し、センタープル強度で３９ｍＮ未満となるワイヤが観察された場合を「×」と判定し、３９ｍＮ以上の場合を「○」とした。

絶縁性については、図２及び図３に示す、プラスチック基板２０上にダイボンディングされたアルミニウムパッド７を有するテストチップ６と、基板上のＡｕメッキリード８との間でワイヤボンディングを行なう際に、２本毎に外側ループワイヤ５を内側ループワイヤ４上で接触するように交差するクロスボンディングを行い一対とし、２本のリード間での電気抵抗を抵抗測定器９を用いて導通の有無を測定する絶縁性試験装置を用い、その導通が観察された場合を「×」とし、絶縁状態の場合を「○」判定した。

含まれるＣｌによる信頼性評価に関しては、Ｆｅ−４２％ＮｉリードフレームのＡｇメッキ面上にダイボンディングされた０．８μｍ厚のアルミニウム電極と、Ａｇメッキリード電極間をワイヤボンディングによって接続し、その後温度８５℃湿度８５％の環境で２１６時間放置してシア強度測定を行い、ボールが剥がれた後のパッド面に塩素による腐食変色が確認された場合をＮＧと判断した。

表２から明らかなように、本発明に係る実施例１から１４は、各界面の接合強度、銅ボール形成能、ステッチ接合性、絶縁性共に優れている。

実施例１〜７は、Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと不可避不純物の成分組成からなる銅極細線の表面にＰｄ被膜が形成されるために、銅極細線とＰｄ被膜との接合強度が強く、伸線前に焼鈍によってＰｄとＣｕとの界面で拡散接合を行わなくとも伸線後にＰｄが剥離して銅表面が露出することはない。
又、Ｐｄ被膜が剥離せずに芯材の銅極細線を覆っているために、銅ボール形成後の銅ボールの変形や芯ずれも発生せず、その酸化もなく、含まれるＰにより銅ボールの表面硬さが硬くならないためにパッドダメージも発生せず、ステッチ接合性も良好で、Ｃｌ含有量が１ｐｐｍ以下であるため湿度を含む信頼性評価においても、銅ボール接合界面の塩素濃化による銅ボール剥がれの発生が無いことがわかる。

実施例８〜１４は、銅極細線とＰｄ被膜との接合強度が強いために伸線前に焼鈍によってＰｄとＣｕとの界面で拡散接合を行わなくとも伸線後にＰｄが剥離して銅表面が露出することがないので、銅の変色を起こすことなくＮ−メチルピロリジノンを溶媒とした熱硬化性共重合型ポリイミドインク溶液を均一にＰｄ被膜上へ塗布し、加熱硬化させることでポリイミド被膜が容易に形成されている。

このＰｄ被膜上にポリイミド樹脂が被覆された銅ボンディングワイヤは、Ｐｄ被膜が剥離せずに芯材の銅極細線を覆っているために、銅ボール形成後の銅ボールの変形や芯ずれも発生せず、その酸化もなく、含まれるＰにより銅ボールの表面硬さが硬くならないためにパッドダメージも発生せず、ステッチ接合性も良好で、Ｃｌ含有量が１質量ｐｐｍ以下であるため湿度を含む信頼性評価においても、銅ボール接合界面の塩素濃化による銅ボール剥がれの発生が無いと共に、絶縁性を付与する被膜が熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂であるためステッチボンディング中に樹脂が微細に粉砕されて剥離するためにステッチ接合性も良好であり、熱硬化性樹脂であるため高温のクロスボンディングにおいてもワイヤが被膜樹脂にめり込んで芯材同士が接触する、電気的な短絡現象を起こすこともない。

一方、本発明の範囲を逸脱した比較例１〜２５では、何らかの特性が劣っていることがわかる。
Ｐの含有量が１０ｐｐｍ未満である比較例１、３、６、８、１１、１２、１３、１８、１９、２０及び２４は、いずれの場合もＰｄ被膜形成後の伸線工程でＰｄが剥離して芯材の地肌が露出してしまい、ボールの芯ズレも多発し、ステッチボンディング性も低下している。
一方、Ｐを２００ｐｐｍを超えて含有する比較例２、５、７、１０、１６及び２３では、いずれの場合もパッドダメージが観察されている。

Ｃｌが１ｐｐｍを超えて含有する比較例３、４、５、８、９、１０、１７、２４及び２５では、いずれの場合にも湿度を含む信頼性評価にて銅ボール接合界面での塩素濃化による腐食によって生じるボール剥離が観察されている。

又、絶縁被膜に熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂とは異なる熱硬化性縮合型ポリイミド樹脂や熱硬化性変性型ポリイミド樹脂を使用した比較例１２、１３、１４、１５、
１９、２０、２１及び２２では、ステッチボンディング性が大きく低下したり、ワイヤボンディングを完全に行ったクロスワイヤー対を用いた絶縁性の評価において、ボンディングワイヤが樹脂被膜にめり込んで発生する絶縁不良が観察されたりしている。

本発明に係る銅ボンディングワイヤの断面図で、（ａ）はＰｄ被覆銅ボンディングワイヤ、（ｂ）樹脂被覆の銅ボンディングワイヤである。 絶縁性試験装置の模式平面図である。 図２の絶縁性試験装置のボンディングループを表す側面図である。

符号の説明

１ 銅極細線
２ Ｐｄ被膜
３ 絶縁性被膜（熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜）
４ 内側ループワイヤ
５ 外側ループワイヤ
６ テストチップ
７ アルミニウムパッド
８ Ａｕメッキリード
９ 抵抗測定器
１０ａ 銅ボンディングワイヤ
１０ｂ 銅ボンディングワイヤ（絶縁性樹脂被覆）
２０ プラスチック基板

Claims (2)

1. Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと不可避不純物とからなる無酸素銅の銅極細線を芯材とし、前記芯材の表面にＰｄ被膜が形成されていることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。
2. Ｃｌを１ｐｐｍ以下、Ｐを１０ｐｐｍ以上、２００ｐｐｍ以下含み、残部Ｃｕと残部不可避不純物とからなる無酸素銅の銅極細線を芯材とし、前記芯材の表面にＰｄ被膜を設け、前記Ｐｄ被膜の表面に熱硬化性共重合型ポリイミド樹脂被膜が形成されていることを特徴とする銅ボンディングワイヤ。

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