免清洗助焊劑配方分析
作者：百檢網 時間：2021-12-06 來源：互聯網
一.背景眾所周知，電子工業中使用的助焊劑，不但要提供優良的助焊性能，而且還不能腐蝕被焊材料，同時還要滿足一系列的機械和電學性能要求。隨著電子工業的飛速發展和市場的激烈競爭，焊料生產企業都希望能生產出焊接性能優異、價格低廉的產品。助焊劑作為焊膏的輔料（質量分數為10％~20％)，不僅可以提供優良的助焊性能，而且還直接影響焊膏的印刷性能和儲存壽命。因此，助焊劑的品質直接影響表面貼裝技術(簡稱SMT)的整個工藝過程和產品質量。助焊劑的品質直接影響電子工業的整個生產過程和產品質量。傳統的松香基助焊劑，能夠很好地滿足這一系列性能，但焊后殘留多、腐蝕性大、外觀欠佳，必須用氟里昂或氯化烴清洗印制板。但隨著氟利昂被禁止使用政策的實施，免清洗型助焊劑不可避免地成為這一領域的研究熱點。它在解決不使用氟里昂類清洗溶劑減少環境污染方面，特別是解決因細間隙、高密度元器件組裝帶來的清洗困難和元器件與清洗劑之間的相容問題方面具有重要的意義。因此免清洗助焊劑 是基于環境保護和電子工業發展的需要而產生的一種新型焊劑。另外它的推廣還可以節省清洗設備等物資成本，簡化工藝流程，縮短產品生產周期。二.常見助焊劑在目前生產中使用的助焊劑，根據其后繼清洗工藝分為溶劑清洗型、水清洗型和免清洗型三種，其中溶劑清洗型包括CFC(氟氯烴)清洗型及非CFC溶劑清洗型。2.1清洗型助焊劑在焊接結束后，某些助焊劑會有物質殘留在基板上，這些殘留物對電子元件性能影響*大，所以需要后續工藝清洗殘留物。根據助焊劑的成分和腐蝕性的差異，清洗工藝也有所不同。2.1.1溶劑清洗型助焊劑溶劑清洗型助焊劑通常含有天然松香、人造松香或樹脂，焊接后需要用有機溶劑清洗去除助焊劑殘留物。溶劑清洗型的特點是清洗溶劑的溶解能力強，清洗效果好，大部分溶劑都可回收再用，而且溶劑清洗技術成熟，適用性強，因此溶劑清洗型助焊劑在生產中得到廣泛應用。但清洗劑中含有CFC或者HCFC(氫氟氯烴)，這些物質對環境有一定的影響，所以需要為清洗劑尋找替代產品。根據清洗溶劑不同溶劑清洗型助焊劑主要分為CFC溶劑型和非CFC溶劑型，其中非CFC型又可分為可燃型和不可燃型兩種。這兩類溶劑型清洗型助焊劑逐步在淘汰。2.2水清洗型助焊劑水清洗型助焊劑中含有有機鹵化物、有機酸(0A)、胺和氨類化合物，這些物質在焊后還具有一定腐蝕性，特別是鹵素化合物，對基板影響很大，需要通過清洗減少腐蝕性。這些有機物通?？扇苡谒?，所以常用去離子水配上一定量的添加劑作為清洗劑。水清洗型助焊劑是指焊后用皂化水和去離子水清洗，主要是利用去離子水和水中溶解的活性劑、分散劑、pH緩沖劑、絡合劑等通過皂化反應去除印刷電路板上的雜質。水清洗型助焊劑在焊接生產中得到了應用，但是由于生產成本較高、焊接過程工序多而受到限制，特別是焊接生產中有廢水產生，既提高了生產成本也引起環境污染，所以此類型的助焊劑未能完全替代CFC溶劑清洗型助焊劑。2.3免清洗型助焊劑免清洗型助焊劑是一種不含鹵化物活性劑，焊接后不需要清洗的新型助焊劑。使用這類助焊劑不但能節約對清洗設備和清洗溶劑的投入，而且還可減少廢氣和廢水的排放對環境帶來的污染，所以用免清洗型助焊劑替代傳統助焊劑具有重要的經濟效益和社會效益。為此，國內外很多研究人員進行了免清洗助焊劑產品的研制。20世紀90年代初，我國的免清洗型助焊劑主要依靠進口，如美國Alpha grillo RF-12A助焊劑、日本的NC316助焊劑等。近年來，我國也相繼出現了一些免清洗助焊劑產品，如化工部晨光化工研究院成都分院研究的NCF低固含量免清洗助焊劑擴展率達84％，無鹵素，能滿足發泡、噴淋等多種涂布方式的工藝要求，在光通信設備、通訊手機、電子調諧器、傳真機、VCD、航空儀表、計算機及醫療設備等領域得到應用。北京工業大學的先進電子連接材料實驗室制備出焊接性能良好、腐蝕性低的無鉛焊料用助焊劑。這些助焊劑在外觀、物理穩定性、助焊性能等方面都達到了商用助焊劑的水平，具有很好的應用前景。國外一些大型企業已經開始使用免清洗型助焊劑代替傳統松香型助焊劑，如美國IBM公司、摩托羅拉公司，加拿大的北方電訊公司等都采用了免清洗助焊劑和焊膏。因此免清洗型助焊劑成為世界電子行業研究的一個熱點。免清洗助焊劑應滿足以下要求1)潤濕率或鋪展面積大；2)焊后無殘留物；3)焊后板面干燥，不粘板面；4)有足夠高的表面絕緣電阻；5)常溫下化學性能穩定，焊后無腐蝕；6)離子殘留應滿足免清洗要求；7)具有在線測試能力；8)不形成焊球，不橋連；9)無毒，無嚴重氣味，無環境污染，操作安全；lO)可焊性好，操作簡單易行；11)能夠用發泡和噴霧方式均勻涂覆。在使用含有溶劑清洗型和水清洗型助焊劑的焊料進行焊接時都會不同程度地帶來環境污染，特別是CFC型溶劑會排放出ODS，對臭氧層影響很大，所以各國都制定了相應的禁止使用的法律。非cFC型溶劑成本高，存在VOC污染和安全問題。而水清洗的設備投入大，且因多了一步清洗工藝導致操作成本提高，廢水排放問題也較嚴重。相對于溶劑清洗型和水清洗型助焊劑，使用含有免清洗型助焊劑的焊料時具有無環境污染、成本低、生產周期短、工藝簡單等優點。免清洗型助焊劑將是行業發展的趨勢。三.免清洗型助焊劑隨著電子行業的飛速發展，對電子封裝技術的要求越來越高，特別是在全球推廣無鉛化的進程中，無鉛焊料將成為一個發展熱點。而在各種助焊劑中，免清洗助焊劑具有環境友好、焊接生產周期短、成本低等優點，是助焊劑發展的趨勢。目前國內外對于無鉛焊料用免清洗型助焊劑的研究非常多，但是由于無鉛焊料的種類繁多，助焊劑成分也較復雜，配套性不好，所以無鉛焊料用免清洗助焊劑將成為研究熱點。另外由于目前助焊劑中的溶劑多為低沸點醇，這些醇類屬于易揮發的有機化合物(voc)，而VOC對人體和環境的影響較大，且由于容易燃燒而帶來安全隱患，所以已有學者研究使用去離子水代替VOC作為助焊劑溶劑，但由于某些活性劑和添加劑在去離子水中溶解度不大，所以優良無VOC免清洗助焊劑的研制是今后重要的發展方向。目前用于電子類產品的免清洗助焊劑根據是否含有松香來進行分類，即分為 含松香(樹脂)及不含松香(樹脂)的這樣兩個大類，此兩類焊劑固含量均可保證在2％左右或以下，所以，焊后表面殘留均能夠達到客戶的要求；同時，因為不含松香或松香含量較少，為加強可焊性能，從多加活化劑與潤濕劑方面努力提高助焊劑的可焊性能。有些資料上根據固含量分為 ：低固態免清洗助焊劑和高固態免清洗助焊劑。3.1免清洗助焊劑種類3.1.1低松香型免清洗助焊劑低松香型免清洗助焊劑是一種專為用于機器焊接**多層電路板的助焊劑。此類助焊劑助焊能力強，發泡性能好，不含鹵素，在焊接時產生的煙霧和其殘余物對焊料和裸銅無腐蝕性，在較高的預熱溫度100℃～130℃時得到*佳狀態。因此，它是一種較理想的免清洗助焊劑，在板子上具有*高的表面絕緣阻抗以及快干的效果，板子的粘膩感亦可以減少到*低的程度，能夠輕易地通過測試程序，適用于任何高檔線路板波峰焊、噴焊及手工焊。該助焊劑中溶劑既要對焊接表面具有良好的保護作用，又要有適當的黏度。高沸點的醇保護效果較好，但黏度大、使用不便；低沸點的醇黏度低，但保護性差，因而可以考慮選擇混合醇的方法。有資料表明，乙醇、乙二醇、丙三醇和乙二醇丁醚的配比(質量比)為2:8:8:1的混合溶劑效果*佳。松香選用經改良的電子用高穩定性松香樹脂，而且在焊接中必須加入一些溶解在松香中以改善焊接速度的添加劑，來除去金屬表面變暗的氧化層，以加強焊接能力，目前這方面*適宜的是將潤濕能力較強的有機胺和有機酸結合起來使用。如薛樹滿等人在專‘利中介紹了以脂肪族二元酸、芳香酸或氨基酸為活性成分，低級脂肪醇為溶劑，烴、醇、脂為成膜劑，助溶劑為醚、脂的無鹵素松香型低固含量免清洗助焊劑。3.1.2無松香型免清洗助焊劑該類助焊劑是采用無鹵素、無松香和合成樹脂以及新型活性劑的體系。無松香、無鹵素的免清洗型助焊劑主要由活化劑、溶劑、成膜物和抗氧化熱穩定劑組成。溶劑選用高沸點醇和低沸點醇的混合物；活化劑選用有機酸和有機胺的混合物；成膜物選用合成高分子樹脂材料，這類物質具有良好的電氣性能，常溫下起保護膜作用不顯活性，在200℃~300℃的焊接溫度下顯示活性。硅改性丙烯酸樹脂具有無腐蝕、防潮及三防性能優異的特點，可將其作為成膜劑。另外選用抗氧化熱穩定劑對苯二酚、保護劑苯駢三氮唑作為輔助成分。如以已二酸、癸二酸、苯駢三氮唑為活性成分，乙二醇單丁醚、乙醇、異丁醇為溶劑，美國托馬思兩性活性劑、碳氟離子表面活性劑、快速滲透劑OT為特殊成分的低固含量免清洗助焊劑。3.2免清洗助焊劑可靠性評價市場上常見的免清洗助焊劑雖然固體含量低，配制時將其活性成分的腐蝕性降為*小，但并不能完全排除焊后印制板上留有電介質殘留物。因此長時間的潮熱條件下工作的電路板，線路間在電場作用下會發生絕緣劣化及腐蝕現象。目前國內*常用的可靠性評價試驗主要為：表面絕緣阻抗測試，其次銅鏡腐蝕測試、離子濃度測試、軟釬焊性試驗等。3.2.1表面絕緣阻抗測試試驗時用規定的材質的梳型電*或環型電*，均勻地涂覆定量的焊劑，在約85℃的溫度下干燥30 rain作為試片。先在常態下測定上述試片的絕緣電阻，然后將試片置于溫度為(40±2)℃，濕度約90％的恒溫恒濕箱中，保持96 h后取出，再放人用在(20±2)℃溫度下的特級酒石酸鈉的飽和溶液調節濕度(90％)的干燥器中，在1 h內取出，然后在標準狀態下，使用絕緣電阻測定器測定表面絕緣電阻。表面絕緣電阻值大于108Ω才算符合可靠性要求。國外對于免清洗助焊劑的表面絕緣電阻要求較高，一般要求做加偏置電壓、長時間潮熱試驗。觀察焊后焊劑殘留物對表面絕緣電阻的時效影響，以此來衡量免清洗助焊劑的可靠性。3.2.2銅鏡腐蝕測試將欲測試的免清洗助焊劑滴在銅板(40.0mm×40.0 mm×0.2 mm)上，使其自然漫流，然后放人80℃的烘箱中烘2 h，取出冷卻后再放入潮濕箱(溫度40℃，濕度93％)中72 h查看銅板的顏色變化，如顏色變為深綠，則發生了腐蝕，如顏色無變化或有殘渣，則表明未發生腐蝕現象。3.2.3不粘附性試驗將粉筆末撒到此種涂有免清洗助焊劑焊料的表面，然后擦去，不粘附；用紗布方法試驗，紗布上看不到助焊劑殘留物，試板上也無明顯紗布痕跡。說明此種免清洗助焊劑的不粘附性性能優良。3.2.4軟釬焊性試驗在涂有免清洗助焊劑的清潔銅板(50 mm×50mm×1 mm)中央放上HLSnPb50(D8 mm×4 mm)釬料，釬料上分別滴上兩滴助焊劑，然后置于275℃的恒溫箱內1 min，取出測其漫流面積，據此可判斷助焊性能的強弱。 3.3免清洗助焊劑成分及作用作用免清洗型助焊劑的成分包括溶劑、活性劑和其它添加劑。其它添加劑又包括表面活性劑、緩蝕劑、成膜劑和防氧化劑等。用戶可根據焊料的種類、成分和焊接工藝條件等選擇合適的助焊劑，所以助焊劑的配方靈活，種類非常多。3.3.1溶劑：是溶解焊劑中的所含成分，作為各成分的載體，使之成為均勻的粘稠液體。目前常用溶劑主要以醇類為主，如乙醇、異丙醇等，甲醇雖然價格成本較低，但因其對人體具有較強的毒害作用，所以目前甲醇已很少有正規的助焊劑生產企業使用。有酮類，醇類，酯類中的一種或幾種混合物，常用的有乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、甲苯異丁基甲、醋酸乙酯、醋酸丁酯等作為液體成分，其主要作用是溶解助焊劑中的固體成分，使之形成均勻的溶液，便于待焊元件均勻涂布適量的助焊劑成分，同時它還可以清洗輕的臟污和金屬表面的油污。一般為高沸點和低沸點醇的混合物，有的使用水溶性的醇和不溶于水的醚作溶劑.3.3.2活化劑：以有機酸或有機酸鹽類為主，無機酸或無機酸鹽類在電子裝聯焊劑中基本不用，在其它特殊焊劑中有時會使用。如丁二酸，戊二酸，衣康酸，鄰羥基苯甲酸，葵二酸，庚二酸、蘋果酸、琥珀酸等，其主要功能是除去引線腳上的氧化物和熔融焊料表面的氧化物，是助焊劑的關鍵成分之一。A活化劑的作用機理活化劑主要作用是在焊接溫度下去除焊盤和焊料表面的氧化物，并形成保護層，防止基體的再次氧化，從而提高焊料和焊盤之間的潤濕性。助焊劑活化劑的成分一般為氫氣、無機鹽、酸類和胺類，以及它們的復配組合物。擴展力、電解活性、環境穩定性、化學官能團及其反應特性、流變特性、對通用清洗溶液和設備的適應性等。助焊劑的上述作用都是通過其中的活化劑、溶劑、表面活性劑等成分的作用來實現的。1)氫氣、無機鹽氫氣和無機鹽如氯化亞錫、氯化鋅?、氯化銨等是利用其還原性與氧化物反應，如：氣體助焊劑中的氫氣，在焊接之后水是其**的殘留物；而且氫的還原作用能有效地清除金屬表面的氧化物，把氧化物轉化為水。MxOy+yH2=xM+yH2O同時，氫還為金屬表面提供保護氣體，防止金屬表面在焊接完成之前再氧化。2)有機酸酸類活性劑(如鹵酸、羧酸、磺酸)主要是因為H+和氧化物反應，例如 ：有機酸的羧基和金屬離子以金屬皂的形式除去焊盤和焊料的氧化膜：CuO+2RCOOH---Cu(RCOO)2+H2O隨后有機酸銅發生分解，吸收氫氣，并生成有機酸與金屬銅：Cu(RCOO)2+H2+M一2RCOOH+M—Cu松香(Colophony)用分子式表示為C9H29COOH，由于它含有羧基，使得它在一定的溫度下，有一定的助焊作用；同時松香是一種大分子多環化合物，因此它具有一定的成膜性，在焊接過程中傳遞熱量和起覆蓋作用，能保護去除氧化膜后的金屬不再重新被氧化?，F在有單一有機酸作活化劑，也有混酸用作活化劑。這些酸的沸點和分解溫度有一定的差異，這樣組合，可以使助焊劑的沸點和活化劑分解溫度呈一 個較大的區間分布．3)有機鹵化物如羧酸鹵化物、有機胺的氫鹵酸鹽。張銀雪 以溴化水楊酸為活化劑，它在釬焊溫度時，可熱分解出溴化氫和水楊酸溶解基體金屬表面的氧化物；并且水楊酸的羥基、羧基在釬焊時可與Ⅲ樹脂反應交聯成高分子樹脂膜，覆蓋在焊點表面。有機胺的氫鹵酸鹽如鹽酸苯胺，在焊接時，熔融的助焊劑與基板的銅進行反應，并產生CuC1 和銅絡合物。結果生成的銅化合物主要與熔融的焊料中的錫產生反應生成了金屬銅，這些銅立即熔解到焊料之中，通過這些反應和銅在焊料中的熔解，使焊料在銅板上流布。反應如下：Cu+2C6H5NH2.HCl----CuC12+2C6H5NH2+H2CuCl2+2C6H5NH2.HCl----Cu[C6H5NH3]2Cl44)有機胺與酸復配使用有機胺本身含有氨基．NH：具有活性，加入有機胺可促進焊接效果。為了減小助焊劑對銅板的腐蝕作用，可在配制的助焊劑中加入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑通常選擇有機胺。有機酸和有機胺混合會發生中和反應，生成中和產物。這種中和產物是不穩定的，在焊接溫度下會迅速分解，重新生成有機酸和有機胺，這樣就能保證有機酸原有的活性，焊接結束后，剩余的有機酸又會被有機胺中和，使殘留物的酸性下降，減少腐蝕。因此加入了有機胺類以后，不僅可以調節助焊劑的酸度，可以使焊點光亮，在不降低焊劑活性的情況下，焊后腐蝕性降至*低.目前，這方面*適宜的是將潤濕能力較強的有機胺和有機酸結合起來使用。如薛樹滿等人在專利中介紹了以脂肪族二元酸、芳香酸或氨基酸為活性成分復配的助焊劑。此外，在焊劑中加入少量的甘油，不僅有助于焊劑的存儲穩定性，也有助于活化劑的活性發揮。張鳴玲在助焊劑中加入二溴丁二酸、二溴丁烯二醇、二溴苯乙烯等來增強助焊劑的活性嘲。低溫時活性緩和的是羧酸(包括二羧酸)，它們的高溫活性明顯提高：活性較高的是有機磷酸酯、磺酸、有機胺(包括肼)的氫鹵酸鹽或者有機酸鹽；鹵代物和其取代酸的活性大小取決于它們的具體結構。3.3.3表面活性劑:表面活性劑主要作用是降低焊劑的表面張力，增加焊劑對焊粉和焊盤的親潤性。與Sn-Pb(63．37)相比，非鉛焊料(如SAC3O5 等)的熔點更高、表面張力更大，在高溫時處理時間長，快速冷卻時產生的內應力大，所以表面活性劑在提高非鉛焊料焊接互連可靠性方面的作用更為突出。它們可以是非離子表面活性劑，陰離子表面活性劑，陽離子表面活性劑，兩性表面活性劑和含氟類表面活性劑。以烷烴類或氟碳類等高效表面活性劑為主。也有說用含鹵素的表面活性劑活性強，助焊能力高，但因鹵素離子很難清洗干凈，離子殘留度高，鹵素元素（主要是氯化物）有強腐蝕性，故不適合用作免洗助焊劑的原料，不含鹵素的表面活性劑，活性稍又弱，但離子殘留少，表面活性劑主要是脂肪酸族或芳香族的非離子型表面活性劑，其主要功能是減小焊料與引線腳金屬兩者接觸時產生的表面張力，增強表面潤濕力，增強有機酸活化劑的滲透力，也可起發泡劑的作用。3.3.4、松香（樹脂）：松香本身具有一定的活化性，但在助焊劑中添加時一般作為載體使有，它能夠幫助其他組份有效發揮其應有作用。大都為改性松香樹脂。松香是一種樹脂酸混合物，具有一個三環菲骨架且含有二個雙鍵的一元羧酸。按其雙鍵位置不同，可以分成兩大類：樅酸型樹脂酸和海松酸型辮脂酸，前者含量一般為70％一80％，后者含量為10％一20％。樅酸型樹脂酸具有活潑的共軛雙鍵，容易氧化，造成松香性能的不穩定。除樹脂酸外，松香中還有二萜醇、二萜醚、二萜烯等中性物，含量在10％左右，這些中性物會影響松香的使用特性，尤其是電學特性。因此，要制成高穩定性松香樹脂**要改變松香樹膀酸的共軛雙鍵，并除去中性物。一般通過氫像、歧化、聚合等方法，，消除樹脂中共軛雙鍵，制成各種改性產品。松香的改性成本較高，國外添加抗氧劑來提高松香的穩定性，如，如ciba公司產的多種抗氧劑Irganox 565、10lo、1330、1425等。也有采用松香異構的方法消除樹脂酸的共軛雙鍵，通過精致和后處理的工藝來消除中性物，并經過局部酯化提高產品的穩定性。有關報道有機酸和有機胺的混合物并配以少量的松香作為活性劑。有機酸酸性較弱，對基材帶來的腐蝕性小，一般不會造成較大的危害。此外加入有機胺可調節助焊劑的pH值，起到緩蝕劑的作用。 2.3.5.觸變劑：觸變劑其主要作用是賦予焊膏一定的觸變性，即焊膏在受力狀態下粘度變小，以便于焊膏印刷，印刷完畢，在不受力狀態下其粘度增大，以保持固有形狀，防止焊膏塌陷。觸變劑分為有機類和無機類兩種。2.3.6緩蝕劑:緩蝕劑一般為吡咯類，例如苯并三氮唑(BTA)，它是銅的高效緩蝕劑，其加入可以抑制助焊劑中的活性劑對銅板產生的腐蝕。一般認為苯并三氮唑與銅反應生成不溶性聚合物的沉淀膜。王偉科根據化學分析和x射線分析，認為膜的經驗式是BTA4Cu3 C12?H20和(BTA2Cu)2CuCI2?H2O，且聚合物和金屬銅的表面平行，非常穩定。BTA在Cu2O層上成膜比在CuO層上成膜更容易，而且膜的厚度厚了近一倍。BTA的濃度大于10。mol／L時，就可以很好地抑制銅的腐蝕。2.3.7防氧化劑防氧化劑主要功能是防止焊料氧化，一般為酚類(對苯二酚、鄰苯二酚、2、6．二叔丁基對甲苯酚)，抗壞血酸及其衍生物等。特別是在水溶性助焊劑中，一定要有防氧化劑。F?J?賈斯基在助焊劑中加入多核芳香族化合物，在加熱時釋放出N 形成惰性氣氛從而防止氧化。2.3.8成膜劑成膜劑選用烴、醇、脂，這類物質一股具有良好的電氣性能，常溫下起保護膜作用不顯活性，在200℃～300℃的焊接溫度下顯示活性，具有無腐蝕、防潮等特點。三.常見免清洗助焊劑配方：組分投料量（g/L）異丙醇50~100乙二醇50~100氧化聚乙烯蠟1~5戊二酸1~5四乙二醇二甲醚1~5氫化松香50~100棕櫚酸乙酯20~50苯并三氮唑1~5月桂醇聚氧乙烯醚1~5氯化鈣1~5甲醇50~100乙二胺1~5水余量四.市面常見助焊劑松香型助焊劑（松香不清洗型、松香清洗型、松香免清洗型）、免清洗低固態助焊劑、免清洗無殘留助焊劑（含松香樹脂）、免清洗無殘留助焊劑（不含松香樹脂）、搪錫用助焊劑、線路板預涂層助焊劑、線路板熱風整平助焊劑、水清洗助焊劑、水基助焊劑、無鉛焊料專用助焊劑、焊錫絲用助焊劑、SMT焊錫膏用助焊劑、免酸洗助焊劑、無鉛焊料水溶性助焊劑、高表面絕緣電阻的水溶性助焊劑、高活性免清洗助焊劑、用于錫銀鋅系無鉛焊料的水溶性助焊劑、免清洗無鉛焊料助焊劑、無鉛焊錫用助焊劑、無鉛焊錫絲用的無鹵素助焊劑、不含鹵素免清洗無鉛焊料助焊劑，電子零配件助焊劑，電子工業用無鹵助焊劑，低碳環保型水基助焊劑 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