パワー半導体ユニット
【課題】バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供する。
【解決手段】 パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３、パワー半導体素子２に給電するバスバー４、及び冷却器８を備える。バスバー４は、パワー半導体素子２への給電のための複数の導電部１０と、導電部１０を支持する基台１１と、基台１１に内蔵された冷却部１２とを有する。冷却部１２は、基台１１内に形成された密閉空間１３、その密閉空間１３に充填された二相冷媒１４から構成されている。
【解決手段】 パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３、パワー半導体素子２に給電するバスバー４、及び冷却器８を備える。バスバー４は、パワー半導体素子２への給電のための複数の導電部１０と、導電部１０を支持する基台１１と、基台１１に内蔵された冷却部１２とを有する。冷却部１２は、基台１１内に形成された密閉空間１３、その密閉空間１３に充填された二相冷媒１４から構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体ユニットに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられるパワー半導体ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に用いられるパワー半導体ユニットとして、特開２００９−１３５２７８号公報に記載されるように、パワー半導体素子が実装された絶縁基板と、パワー半導体素子にボンディングワイヤによって電気的に接続されるバスバーと、絶縁基板を搭載する冷却器とを有するものが知られている。そして、パワー半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、パワー半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達し、ユニット全体を冷却することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高直流電圧を車両のモータに印加して出力効率を高める場合、パワー半導体素子の発熱量が大きくなり、ボンディングワイヤからバスバーに伝達する熱量が増加してバスバーの温度が上昇するので、上述のパワー半導体ユニットの冷却構造では対応し難く、ユニットの冷却性能を高める必要がある。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、バスバーは、パワー半導体素子への給電のための複数の導電部と、複数の導電部を支持する基台と、基台の内部に設けられ複数の導電部を冷却する冷却部とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るパワー半導体ユニットでは、バスバーの導電部を支持する基台の内部に冷却部が設けられているので、バスバーの熱を吸収してバスバーを直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット全体の温度上昇を抑制することができる。
【０００８】
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷却部は、二相冷媒により構成されていることが好適である。この場合にあっては、二相冷媒を用いてバスバーの熱を効率良く吸収し冷却することができ、バスバーの温度上昇を抑えることができる。
【０００９】
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷却部は、複数の導電部に対して１対１に設けられていることが好適である。この場合にあっては、冷却部が複数の導電部の各々に対応してバスバーの熱を効率良く吸収することができ、バスバーの温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。
【図２】３相インバータを示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。図１に示すように、パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３と、パワー半導体素子２に給電するバスバー４と、パワー半導体素子２、絶縁基板３及びバスバー４を冷却する冷却器８とを備えている。パワー半導体素子２は、例えばインバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子やダイオード等である。
【００１４】
図２は、３相インバータを示す電気回路図である。図２に示すように、インバータの回路は、三相インバータブリッジによって構成されている。すなわち、このインバータの回路は、直列に接続された２つのＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２からなる組（ブリッジ）が３組並列に接続されて成り、ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のコレクタが正電圧側の直流電源ラインＰと接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のエミッタが負電圧側の直流電源ラインＮと接続されている。ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタとの接続点は、モータ（図示せず）の電源入力端子と接続されている。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２と並列に、ダイオードＤ１１，Ｄ１２が逆方向接続されている。
【００１５】
図１に示すように、パワー半導体素子２の表面側に位置するエミッタ２ａはボンディングワイヤ６によってバスバー４に電気的に接続されており、その裏面側に位置するコレクタ２ｂが半田層５によって絶縁基板３に固定されている。絶縁基板３は、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層３ａと、絶縁体である窒化アルミニウム層３ｂと、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層３ｃとを積層した構造を有している。上部金属層３ａは、半田層５を介してパワー半導体素子２のコレクタ２ｂに電気的に接続されている。下部金属層３ｃは、ロウ付けで冷却器８と接合されている。
【００１６】
冷却器８は、平板状に形成された冷却天板９を有する。冷却天板９の上面９ａには、絶縁基板３とバスバー４とがそれぞれ搭載されている。冷却器８は、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料により構成されている。
【００１７】
バスバー４は、パワー半導体素子２への給電のための複数の導電部１０と、導電部１０を支持する基台１１とを備えている。基台１１は、バスバー４のハウジングを構成しており、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料から形成されている。導電部１０は、電気伝導性の高いアルミニウムや銅等の材料により形成され、基台１１と共にインサート成型されている。また、導電部１０は、ボンディングワイヤ６，７を介してパワー半導体素子２のエミッタ２ａとコレクタ２ｂに電気的に接続されている。
【００１８】
基台１１の内部には、導電部１０を冷却する複数の冷却部１２が設けられている。これらの冷却部１２は、複数の導電部１０に対して１対１に配置され、基台１１に内蔵されている。具体的には、基台１１の内部であって導電部１０の各々の直下位置には、断面矩形状の密閉空間１３がそれぞれ形成されている。密閉空間１３の内部には、二相冷媒１４が充填されている。そして、密閉空間１３とその内部に充填された二相冷媒１４とは、冷却部１２を構成する。
【００１９】
冷却部１２は、導電部１０におけるボンディングワイヤ６，７との接合箇所の直下位置に配置されるのが好適である。このようにすれば、これらの接合箇所を直接冷却することができる。なお、二相冷媒１４としては、気液二相冷媒若しくは固体から液体になる融解熱で冷却するものが挙げられる。
【００２０】
このように構成されたパワー半導体ユニット１では、パワー半導体素子２が発生する熱量が、半田層５と絶縁基板３とを経由して冷却器８に伝わる。冷却器８は、その伝熱を吸収してパワー半導体素子２及び絶縁基板３を冷却する。また、パワー半導体素子２が発生する熱量の一部が、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わり、バスバー４が発生する熱量と共に、冷却部１２内の二相冷媒１４によって吸収される。これによって、パワー半導体素子２及びバスバー４は効率良く冷却される。なお、バスバー４の断面積は、溶断電流によって決まるため発熱温度が上昇するほど大きくなる。
【００２１】
本発明に係るパワー半導体ユニット１では、バスバー４の導電部１０を支持する基台１１に冷却部１２が内蔵されており、バスバー４の熱を吸収してバスバー４を直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を抑制することができる。その結果、バスバー４の薄型化が可能となり、パワー半導体ユニット１の小型化を図ることができる。
【００２２】
また、冷却部１２は、複数の導電部１９に対して１対１に設けられているので、導電部１０の各々に対応してこれらの発熱を吸収して冷却することにより、バスバー４の温度上昇を抑制することができる。しかも、冷却部１２は、基台１１の内部に形成された密閉空間１３とその密閉空間１３内に充填された二相冷媒１４とからなるため、バスバー４の熱を効率良く吸収することが可能となる。
【００２３】
更に、このようにバスバー４を直接冷却しユニット全体の温度上昇を抑制することにより、素子高温化に対応することが可能となる。すなわち、例えばパワー半導体素子２をＳｉ素子（ジャンクション温度１５０℃）からＳｉＣ素子（ジャンクション温度２５０℃）に切り替えた場合、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わる熱量によってバスバー４の温度上昇が高くなるが、冷却部１２がその伝熱を効率良く吸収してバスバー４を冷却することができるため、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を防止することが可能となる。
【００２４】
また、従来ではハウジング樹脂（例えばＰＰＳの場合）の耐熱温度が２００℃を超えた場合、その下に配置された冷却器を利用して冷却が必要であるが、本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、ハウジングを構成した基台１１の下に配置されている冷却器８のみならず、バスバー４の内部に配置された冷却部１２を利用してバスバー４の内部から熱を吸収することができるので、基台１１を効率良く冷却し、ハウジング樹脂の信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００２５】
更に、ボンディングワイヤ６及び７を含む配線の接合寿命は、パワー半導体素子２のパワーサイクルに起因している。本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、バスバー４の内部に内蔵された冷却部１２を利用しバスバー４の熱を吸収して直接冷却するので、配線とバスバー４の温度上昇を抑制することができ、接合寿命を延ばすことが可能となる。また、バスバー４の温度上昇を抑制することにより、基台１１の樹脂界面の剥離の発生を防止することができる。その結果、パワー半導体ユニット１の信頼性を高めることができる。
【００２６】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、上記の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係るパワー半導体ユニットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るパワー半導体ユニットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記の実施形態において、配線の接合方法として、ワイヤーボンドを用いたが、テープボンドやダイレクトリードボンドを用いてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１…パワー半導体ユニット、２…パワー半導体素子、４…バスバー、１０…導電部、１１…基台、１２…冷却部、１３…密閉空間、１４…二相冷媒。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体ユニットに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられるパワー半導体ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に用いられるパワー半導体ユニットとして、特開２００９−１３５２７８号公報に記載されるように、パワー半導体素子が実装された絶縁基板と、パワー半導体素子にボンディングワイヤによって電気的に接続されるバスバーと、絶縁基板を搭載する冷却器とを有するものが知られている。そして、パワー半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、パワー半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達し、ユニット全体を冷却することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高直流電圧を車両のモータに印加して出力効率を高める場合、パワー半導体素子の発熱量が大きくなり、ボンディングワイヤからバスバーに伝達する熱量が増加してバスバーの温度が上昇するので、上述のパワー半導体ユニットの冷却構造では対応し難く、ユニットの冷却性能を高める必要がある。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、バスバーは、パワー半導体素子への給電のための複数の導電部と、複数の導電部を支持する基台と、基台の内部に設けられ複数の導電部を冷却する冷却部とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るパワー半導体ユニットでは、バスバーの導電部を支持する基台の内部に冷却部が設けられているので、バスバーの熱を吸収してバスバーを直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット全体の温度上昇を抑制することができる。
【０００８】
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷却部は、二相冷媒により構成されていることが好適である。この場合にあっては、二相冷媒を用いてバスバーの熱を効率良く吸収し冷却することができ、バスバーの温度上昇を抑えることができる。
【０００９】
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷却部は、複数の導電部に対して１対１に設けられていることが好適である。この場合にあっては、冷却部が複数の導電部の各々に対応してバスバーの熱を効率良く吸収することができ、バスバーの温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。
【図２】３相インバータを示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。図１に示すように、パワー半導体ユニット１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３と、パワー半導体素子２に給電するバスバー４と、パワー半導体素子２、絶縁基板３及びバスバー４を冷却する冷却器８とを備えている。パワー半導体素子２は、例えばインバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子やダイオード等である。
【００１４】
図２は、３相インバータを示す電気回路図である。図２に示すように、インバータの回路は、三相インバータブリッジによって構成されている。すなわち、このインバータの回路は、直列に接続された２つのＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２からなる組（ブリッジ）が３組並列に接続されて成り、ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のコレクタが正電圧側の直流電源ラインＰと接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のエミッタが負電圧側の直流電源ラインＮと接続されている。ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタとの接続点は、モータ（図示せず）の電源入力端子と接続されている。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２と並列に、ダイオードＤ１１，Ｄ１２が逆方向接続されている。
【００１５】
図１に示すように、パワー半導体素子２の表面側に位置するエミッタ２ａはボンディングワイヤ６によってバスバー４に電気的に接続されており、その裏面側に位置するコレクタ２ｂが半田層５によって絶縁基板３に固定されている。絶縁基板３は、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層３ａと、絶縁体である窒化アルミニウム層３ｂと、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層３ｃとを積層した構造を有している。上部金属層３ａは、半田層５を介してパワー半導体素子２のコレクタ２ｂに電気的に接続されている。下部金属層３ｃは、ロウ付けで冷却器８と接合されている。
【００１６】
冷却器８は、平板状に形成された冷却天板９を有する。冷却天板９の上面９ａには、絶縁基板３とバスバー４とがそれぞれ搭載されている。冷却器８は、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料により構成されている。
【００１７】
バスバー４は、パワー半導体素子２への給電のための複数の導電部１０と、導電部１０を支持する基台１１とを備えている。基台１１は、バスバー４のハウジングを構成しており、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料から形成されている。導電部１０は、電気伝導性の高いアルミニウムや銅等の材料により形成され、基台１１と共にインサート成型されている。また、導電部１０は、ボンディングワイヤ６，７を介してパワー半導体素子２のエミッタ２ａとコレクタ２ｂに電気的に接続されている。
【００１８】
基台１１の内部には、導電部１０を冷却する複数の冷却部１２が設けられている。これらの冷却部１２は、複数の導電部１０に対して１対１に配置され、基台１１に内蔵されている。具体的には、基台１１の内部であって導電部１０の各々の直下位置には、断面矩形状の密閉空間１３がそれぞれ形成されている。密閉空間１３の内部には、二相冷媒１４が充填されている。そして、密閉空間１３とその内部に充填された二相冷媒１４とは、冷却部１２を構成する。
【００１９】
冷却部１２は、導電部１０におけるボンディングワイヤ６，７との接合箇所の直下位置に配置されるのが好適である。このようにすれば、これらの接合箇所を直接冷却することができる。なお、二相冷媒１４としては、気液二相冷媒若しくは固体から液体になる融解熱で冷却するものが挙げられる。
【００２０】
このように構成されたパワー半導体ユニット１では、パワー半導体素子２が発生する熱量が、半田層５と絶縁基板３とを経由して冷却器８に伝わる。冷却器８は、その伝熱を吸収してパワー半導体素子２及び絶縁基板３を冷却する。また、パワー半導体素子２が発生する熱量の一部が、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わり、バスバー４が発生する熱量と共に、冷却部１２内の二相冷媒１４によって吸収される。これによって、パワー半導体素子２及びバスバー４は効率良く冷却される。なお、バスバー４の断面積は、溶断電流によって決まるため発熱温度が上昇するほど大きくなる。
【００２１】
本発明に係るパワー半導体ユニット１では、バスバー４の導電部１０を支持する基台１１に冷却部１２が内蔵されており、バスバー４の熱を吸収してバスバー４を直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を抑制することができる。その結果、バスバー４の薄型化が可能となり、パワー半導体ユニット１の小型化を図ることができる。
【００２２】
また、冷却部１２は、複数の導電部１９に対して１対１に設けられているので、導電部１０の各々に対応してこれらの発熱を吸収して冷却することにより、バスバー４の温度上昇を抑制することができる。しかも、冷却部１２は、基台１１の内部に形成された密閉空間１３とその密閉空間１３内に充填された二相冷媒１４とからなるため、バスバー４の熱を効率良く吸収することが可能となる。
【００２３】
更に、このようにバスバー４を直接冷却しユニット全体の温度上昇を抑制することにより、素子高温化に対応することが可能となる。すなわち、例えばパワー半導体素子２をＳｉ素子（ジャンクション温度１５０℃）からＳｉＣ素子（ジャンクション温度２５０℃）に切り替えた場合、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わる熱量によってバスバー４の温度上昇が高くなるが、冷却部１２がその伝熱を効率良く吸収してバスバー４を冷却することができるため、パワー半導体ユニット１全体の温度上昇を防止することが可能となる。
【００２４】
また、従来ではハウジング樹脂（例えばＰＰＳの場合）の耐熱温度が２００℃を超えた場合、その下に配置された冷却器を利用して冷却が必要であるが、本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、ハウジングを構成した基台１１の下に配置されている冷却器８のみならず、バスバー４の内部に配置された冷却部１２を利用してバスバー４の内部から熱を吸収することができるので、基台１１を効率良く冷却し、ハウジング樹脂の信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００２５】
更に、ボンディングワイヤ６及び７を含む配線の接合寿命は、パワー半導体素子２のパワーサイクルに起因している。本実施形態に係るパワー半導体ユニット１では、バスバー４の内部に内蔵された冷却部１２を利用しバスバー４の熱を吸収して直接冷却するので、配線とバスバー４の温度上昇を抑制することができ、接合寿命を延ばすことが可能となる。また、バスバー４の温度上昇を抑制することにより、基台１１の樹脂界面の剥離の発生を防止することができる。その結果、パワー半導体ユニット１の信頼性を高めることができる。
【００２６】
本発明に係るパワー半導体ユニットは、上記の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明に係るパワー半導体ユニットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るパワー半導体ユニットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記の実施形態において、配線の接合方法として、ワイヤーボンドを用いたが、テープボンドやダイレクトリードボンドを用いてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１…パワー半導体ユニット、２…パワー半導体素子、４…バスバー、１０…導電部、１１…基台、１２…冷却部、１３…密閉空間、１４…二相冷媒。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、
前記バスバーは、前記パワー半導体素子への給電のための複数の導電部と、前記複数の導電部を支持する基台と、前記基台の内部に設けられ前記複数の導電部を冷却する冷却部とを有することを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項２】
前記冷却部は、二相冷媒により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項３】
前記冷却部は、前記複数の導電部に対して１対１に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項１】
パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、
前記バスバーは、前記パワー半導体素子への給電のための複数の導電部と、前記複数の導電部を支持する基台と、前記基台の内部に設けられ前記複数の導電部を冷却する冷却部とを有することを特徴とするパワー半導体ユニット。
【請求項２】
前記冷却部は、二相冷媒により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体ユニット。
【請求項３】
前記冷却部は、前記複数の導電部に対して１対１に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワー半導体ユニット。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１１４３０８（Ｐ２０１１−１１４３０８Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１９４８（Ｐ２００９−２７１９４８）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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