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JP3509623B2 - 半導体スイッチ素子チップの温度検出構造および温度検出装置並びに半導体リレー - Google Patents

半導体スイッチ素子チップの温度検出構造および温度検出装置並びに半導体リレー

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JP3509623B2
JP3509623B2 JP11770399A JP11770399A JP3509623B2 JP 3509623 B2 JP3509623 B2 JP 3509623B2 JP 11770399 A JP11770399 A JP 11770399A JP 11770399 A JP11770399 A JP 11770399A JP 3509623 B2 JP3509623 B2 JP 3509623B2
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JP
Japan
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temperature
voltage
semiconductor
switch element
chip
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宏文 青木
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Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Dram (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体スイッチ素
子チップの温度検出構造および温度検出装置並びに半導
体リレーに関し、詳しくは、半導体スイッチ素子が形成
されたチップ上に形成され該チップの温度を検出可能な
温度検出構造および半導体スイッチ素子が形成されたチ
ップの温度を検出する温度検出装置並びに半導体スイッ
チ素子が形成されたチップの温度に基づいてオン状態の
該半導体スイッチ素子をオフする半導体リレーに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の半導体リレーとしては、
リレー出力端間に接続された半導体スイッチ素子近傍に
温度検出素子を設け、この温度検出素子からの信号によ
って半導体スイッチ素子をオフするものが提案されてい
る（例えば、特開平１０−２３３６６９号公報など）。
この半導体リレーでは、温度検出素子として負の温度−
電圧特性をもつダイオードを用いており、このダイオー
ドの電圧降下が低くなると、半導体スイッチ素子がオフ
されるよう構成されている。即ち、半導体スイッチ素子
に大電流が流れてその温度が上昇すると、ダイオードの
電圧降下が低くなって、半導体スイッチ素子がオフされ
るのである。この構造を採ることにより、半導体スイッ
チ素子に過電流が流れることに起因する半導体スイッチ
素子の熱破壊を防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た半導体リレーでは、半導体スイッチ素子に大電流が流
れていなくてもオフされる場合を生じるという問題があ
った。温度検出素子としてのダイオードの電圧降下は
０．７Ｖ程度であり、その温度−電圧特性は、半導体ス
イッチ素子のオフを考慮する温度領域では、−１．５〜
−２．４［ｍＶ／℃］の負の特性である。したがって、
こうしたダイオードを用いた温度検出構造は、その出力
電圧レベルが低いために外来ノイズの影響を受けやすい
ものとなり、ノイズによる誤動作を招いてしまう。
【０００４】本発明の半導体スイッチ素子の温度検出構
造は、ノイズの影響の少ない温度検出構造を提供するこ
とを目的の一つとする。また、本発明の半導体スイッチ
素子の温度検出構造は、この温度検出構造を備えること
により生じるチップの大型化を低減することを目的の一
つとする。本発明の半導体スイッチ素子の温度検出装置
は、上述の本発明の半導体スイッチ素子の温度検出構造
の目的の他、ノイズの影響を受けずに半導体スイッチ素
子が形成されたチップの温度をより正確に検出すること
を目的の一つとする。本発明の半導体リレーは、上述の
本発明の半導体スイッチ素子の温度検出装置の目的の
他、ノイズに起因する誤動作を防止することを目的の一
つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の半導体スイッチ素子チップの温度検出構造および
温度検出装置並びに半導体リレーは、上述の目的の少な
くとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】本発明の半導体スイッチ素子の温度検出構
造は、半導体スイッチ素子が形成されたチップの温度を
検出し、前記検出した温度に基づく電圧を発生する温度
検出構造であって、前記温度検出構造は、前記半導体ス
イッチ素子が形成されたチップ上に形成され、温度の変
化に対して所定の電圧特性を有する温度電圧特性素子
と、該温度電圧特性素子に接続され、前記温度電圧特性
素子に発生した電圧信号の高周波成分を除去するローパ
スフィルタとを備え、前記ローパスフィルタは、前記温
度電圧特性素子に直列に接続された抵抗と、該温度電圧
特性素子と並列に接続されたコンデンサとから構成され
てなるフィルタであることを要旨とする。
【０００７】この本発明の半導体スイッチ素子の温度検
出構造では、温度電圧特性素子に接続されたローパスフ
ィルタが高周波のノイズを除去する。これにより、温度
電圧特性素子から的確な温度の変化に対して所定の電圧
特性を取り出すことができる。また、こうすれば、チッ
プに容易にフィルタを構成することができる。
【０００８】こうした本発明の半導体スイッチ素子の温
度検出構造において、前記チップは、前記温度検出構造
の出力信号を外部に電気的接続をするためのボンディン
グパッドをチップ上面に備え、前記コンデンサは、前記
ボンディングパッドの下に形成されるものとすることも
できる。こうすれば、全体として小型化を図ることがで
きる。
【０００９】こうした本発明の半導体スイッチ素子の温
度検出構造において、前記温度電圧特性素子はダイオー
ドであるものとすることもできるし、前記温度電圧特性
素子は抵抗であるものとすることもできる。
【００１０】こうした本発明の半導体スイッチ素子の温
度検出構造において、前記半導体スイッチ素子は、電界
効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタである
ものとすることもできる。
【００１１】こうした本発明の半導体スイッチ素子の温
度検出構造において、前記コンデンサは、半導体酸化膜
を、ポリシリコンにより形成された第１の電極と前記チ
ップ基板に高濃度ドーピングし形成された第２の電極と
によって挟持する構造であるとすることもできる。ま
た、こうした本発明の半導体スイッチ素子の温度検出構
造において、前記半導体スイッチ素子は、電界効果トラ
ンジスタであり、前記半導体酸化膜は、前記電界効果ト
ランジスタのゲート酸化膜として形成した酸化膜の一部
を用いているものとすることもできる。こうすれば大容
量のコンデンサを構成することができる。
【００１２】本発明の半導体スイッチ素子チップの温度
検出装置は、半導体スイッチ素子が形成されたチップの
温度を検出し、前記検出した温度に基づく信号を出力す
る温度検出装置であって、前述の各態様のいずれかの本
発明の半導体スイッチ素子チップの温度検出構造と、前
記温度電圧特性素子に所定の電流を供給する電流供給部
と、前記温度電圧特性素子の電圧降下に基づく電圧を検
出する電圧検出部とを備えることを要旨とする。
【００１３】本発明の半導体スイッチ素子チップの温度
検出装置では、本発明の半導体スイッチ素子チップの温
度検出構造が、高周波のノイズの除去に基づいて温度電
圧特性素子から的確な温度の変化に対して所定の電圧特
性を取り出すことを可能とするから、チップの温度をよ
り正確に検出することができる。しかも、電流供給部か
ら温度電圧特性素子に所定の電流を供給するから、電流
の変化に起因して生じる温度−電圧特性の変化を防止す
ることができる。
【００１４】こうした本発明のスイッチ素子チップの温
度検出装置において、前記電圧検出部は、前記温度電圧
特性素子の電圧降下に基づく電圧と所定電圧とを比較
し、いずれの電圧が高いかを２値の信号で出力する比較
器であるものとすることもできる。温度電圧特性素子
は、温度の変化に対して所定の電圧特性を有するから、
チップの温度がこの特性における所定電圧に対応する温
度以上になったことを判定することができる。
【００１５】本発明の半導体リレーは、半導体スイッチ
素子が形成されたチップの温度に基づいてオン状態の該
半導体スイッチ素子をオフする半導体リレーであって、
前述した本発明の半導体スイッチ素子チップの温度検出
装置と、前記半導体スイッチ素子のオンオフを司る信号
を出力するオンオフ信号出力部と、前記電圧検出部によ
り検出された電圧が所定電圧以下または以上になったと
き、前記オンオフ信号出力部から前記半導体スイッチ素
子をオフする信号が出力されるよう該オンオフ信号出力
部にオフ信号を出力するオフ信号出力部とを備えること
を要旨とする。
【００１６】この本発明の半導体リレーでは、本発明の
半導体スイッチ素子チップの温度検出装置が、高周波の
ノイズの除去に基づいて温度電圧特性素子から的確な温
度の変化に対して所定の電圧特性を取り出し、チップの
温度をより正確に検出するから、ノイズにより誤動作す
ることなく、チップの温度に基づいてオン状態の半導体
スイッチ素子をオフすることができる。
【００１７】こうした本発明の半導体リレーにおいて、
温度検出装置は前記電圧検出部が前記比較器であり、前
記オフ信号出力部は前記２値の信号の一方をオフ信号と
する前記温度検出装置が備える比較器であるものとする
こともできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
半導体スイッチ素子チップの温度検出構造を備える半導
体リレー２０の構成の概略を示す構成図である。実施例
の半導体リレー２０は、図示するように、Ｎチャンネル
パワーＭＯＳ（電界効果トランジスタ）３２と温度検出
部４０とが形成された半導体チップ３０と、パワーＭＯ
Ｓ３２に駆動信号を出力する駆動部５６と半導体チップ
３０の温度検出部４０からの信号を処理する温度処理部
５２とを有する駆動回路５０とを備える。
【００１９】パワーＭＯＳ３２は、そのドレイン３３が
負荷４８に接続されており、ソース３５は接地されてい
る。負荷４８の他端は、負荷駆動用電源４９に接続され
ている。パワーＭＯＳ３２のゲート３４は、駆動回路５
０の駆動部５６に接続されている。したがって、パワー
ＭＯＳ３２は、駆動部５６からの駆動信号によりオンオ
フし、負荷４８の駆動スイッチとして機能する。
【００２０】パワーＭＯＳ３２と同一のチップに形成さ
れた温度検出部４０は、半導体チップ３０の温度を検出
するためのダイオード４１と、このダイオード４１と直
列に接続された抵抗４２と、ダイオード４１と並列に接
続されたコンデンサ４３とから構成されている。ダイオ
ード４１は、順方向バイアス電流が一定であれば、順方
向電圧が−１．５〜−２．４ｍＶ／℃の負の線形性の高
い温度電圧特性を示す一般的なダイオードとして構成さ
れており、抵抗４２とコンデンサ４３は、ダイオード４
１の端子間電圧に対してローパスフィルタとして機能す
るよう構成されている。
【００２１】駆動回路５０の温度処理部５２は、入力端
子の一方がパッド４５を介して温度検出部４０の抵抗４
２に接続されたコンパレータ５３と、このコンパレータ
５３の他方の入力端子に接続される温度に依存しない基
準電圧源５４とから構成されている。コンパレータ５３
は、基準電圧源５４からの基準電圧とダイオード４１の
順方向電圧とを比較し、その大小によって定まる２値の
信号を駆動部５６に出力する。即ち、コンパレータ５３
から駆動部５６の出力は、ダイオード４１の順方向電圧
が基準電圧より高いときにはＨＩであり、逆にダイオー
ド４１の順方向電圧が基準電圧以下になるとＬＯＷとな
る。基準電圧源５４は、負荷４８やパワーＭＯＳ３２が
正常に動作しているときの温度より高い異常と判定すべ
き温度のときのダイオード４１の順方向電圧が基準電圧
となるよう構成されている。したがって、コンパレータ
５３の出力がＨＩからＬＯＷに転じたときは、半導体チ
ップ３０が異常過熱の状態にあるときを意味する。な
お、半導体チップ３０のパッド４６は、駆動回路５０を
介して接地されている。
【００２２】駆動部５６は、コンパレータ５３から入力
される信号がＨＩのときには、図示しない回路からの信
号に基づいてパワーＭＯＳ３２のゲート３４に駆動信号
を出力し、コンパレータ５３から入力される信号がＨＩ
からＬＯＷに転じると、そのときまでパワーＭＯＳ３２
のゲート３４に出力していた駆動信号に拘わらず、パワ
ーＭＯＳ３２をオフするオフ信号をゲート３４に出力す
るよう構成されている。したがって、半導体チップ３０
が過熱状態となってダイオード４１の順方向電圧が基準
電圧以下になると、コンパレータ５３からの信号がＬＯ
Ｗとなり、駆動部５６がパワーＭＯＳ３２をオフする。
【００２３】次に、半導体チップ３０の温度検出部４０
を構成するローパスフィルタの配置について説明する。
図２は、半導体チップ３０のパッド４６を含む断面を例
示する断面図である。図示するように、温度検出部４０
を構成するローパスフィルタのコンデンサ４３は、Ｐ＋
のボディ３１に形成されたゲート酸化膜４３ｂをポリシ
リコンにより形成された電極４３ａとボディ３１に形成
されたＮ＋の電極４３ｃとによって挟持するものとし
て、パッドワイヤ４６ａに接続されるパッド４６の直下
に形成されている。カットオフ周波数の低いローパスフ
ィルタを構成するには、抵抗４２かコンデンサ４３を大
きくする必要があるが、いずれかを大きくすると、それ
に伴ってチップのサイズも大きくなる。一方、パワーＭ
ＯＳ系の素子のボンディングパッドは、通常、大電流に
対応できるよう太いワイヤを打つために大きなものが用
いられ、パッドの下には素子は配置されない。したがっ
て、実施例では、コンデンサ４３を容量の大きなものを
用いるものとし、これを通常何も配置されないパッドの
下に形成することにより、カットオフ周波数の低いロー
パスフィルタを構成すると共にチップの小型化を図って
いる。
【００２４】なお、図１に例示する温度検出部４０は本
発明の半導体スイッチ素子チップの温度検出構造の一実
施例を構成するものであり、温度検出部４０と温度処理
部５２は本発明の半導体スイッチ素子チップの温度検出
装置の一実施例を構成するものである。
【００２５】以上説明したように実施例の半導体リレー
２０によれば、温度検出部４０がローパスフィルタを備
えることにより、電磁傷害としての外来ノイズを除去す
ることができ、コンパレータ５３の誤動作を防止するこ
とができる。この結果、誤動作によるパワーＭＯＳ３２
のオフを防止することができる。しかも、通常、素子を
配置しないボンディングパッドの下に容量の大きなコン
デンサ４３を形成するから、カットオフ周波数の低いロ
ーパスフィルタを構成することができると共にチップの
小型化を図ることができる。
【００２６】この他、実施例の半導体リレー２０によれ
ば、ゲート酸化膜を用いてコンデンサ４３を構成したか
ら、コンデンサ４３の特性を測定することにより、半導
体チップ３０のゲート酸化膜の特性（例えば、膜厚な
ど）を推定することができる。この結果、パワーＭＯＳ
３２のカットオフ電圧や応答時間特性などを推定するこ
とができる。また、ローパスフィルタを接続したパッド
４５，４６には大きな容量のコンデンサ４３が接続され
るから、パッド４５，４６に印加された静電気は分圧さ
れ、内部の素子に印加されるエネルギも減衰される。こ
の結果、ローパスフィルタを接続した端子の静電気破壊
耐量を向上させることができる。
【００２７】実施例の半導体リレー２０では、Ｎチャン
ネルのパワーＭＯＳ３２が形成された半導体チップ３０
に温度検出部４０を形成したが、ゲート酸化膜を持つ構
成であれば如何なる半導体チップでもコンデンサ４３を
構成することができるから、他の半導体スイッチ素子が
形成された半導体チップに温度検出部４０を形成するも
のとしてもよい。例えば、図３に例示するＰチャンネル
のパワーＭＯＳ３２Ｂが形成された半導体チップ３０Ｂ
に温度検出部４０を形成した構成や、図４に例示するＮ
チャンネルのＩＧＢＴ３２Ｃが形成された半導体チップ
３０Ｃに温度検出部４０を形成した構成としてもよい。
なお、ゲート酸化膜を持たないタイプの半導体チップに
も温度検出部４０を形成することもでき、このタイプの
半導体スイッチ素子にも適用することができる。この場
合、酸化膜を用いないタイプのコンデンサによりローパ
スフィルタを形成してもいいし、酸化膜を形成してコン
デンサを構成し、このコンデンサによりローパスフィル
タを構成するものとしてもよい。
【００２８】実施例の半導体リレー２０では、半導体チ
ップ３０の温度を検出する素子としてダイオード４１を
用いたが、温度電圧特性を有するものであれば、如何な
る素子をも用いることができる。例えば、図５に例示す
るセンスソースに接続されたセンスソースの検出用の抵
抗４１Ｄを温度検出用の素子として用いる半導体チップ
３０Ｄとしてもよい。
【００２９】さらに、実施例の半導体リレー２０では、
抵抗４２とコンデンサ４３とによりローパスフィルタを
構成したが、図６に例示する半導体チップ３０Ｅのよう
に、パッド４６とローパスフィルタとの間に抵抗４４を
挿入するものとしてもよい。即ち、外来ノイズを除去で
きればローパスフィルタを如何なる構成としてもよい。
【００３０】実施例の半導体リレー２０では、温度処理
部５２を比較器であるコンパレータ５３により構成した
が、ダイオード４１の順方向電圧により半導体チップ３
０の温度を演算する回路により構成し、所定の温度にな
ったら駆動部５６にＬＯＷ信号を出力するものとしても
よい。
【００３１】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である半導体スイッチ素子
チップの温度検出構造を備える半導体リレー２０の構成
の概略を示す構成図である。
【図２】 半導体チップ３０のパッド４６を含む断面を
例示する断面図である。
【図３】 変形例の半導体チップ３０Ｂの概略の構成を
示す構成図である。
【図４】 変形例の半導体チップ３０Ｃの概略の構成を
示す構成図である。
【図５】 変形例の半導体チップ３０Ｄの概略の構成を
示す構成図である。
【図６】 変形例の半導体チップ３０Ｅの概略の構成を
示す構成図である。
【符号の説明】
２０ 半導体リレー、３０，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，
３０Ｅ 半導体チップ、３１ ボディ、３２ パワーＭ
ＯＳ、３２Ｂ ＰチャンネルのパワーＭＯＳ、３２Ｃ
ＮチャンネルのＩＧＢＴ、３３ ドレイン、３４ ゲー
ト、３５ ソース、４０ 温度検出部、４１ ダイオー
ド、４２ 抵抗、４３ コンデンサ、４４ 抵抗、４
５，４６ パッド、４６ａ パッドワイヤ、５０ 駆動
回路、５２温度処理部、５３ コンパレータ、５４ 基
準電圧源、５６ 駆動部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−73756（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260911（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−204814（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−115354（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−325761（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−133734（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−236709（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213441（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03K 17/14

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体スイッチ素子が形成されたチップ
    の温度を検出し、前記検出した温度に基づく電圧を発生
    する温度検出構造であって、 前記温度検出構造は、前記 半導体スイッチ素子が形成さ
    れたチップ上に形成され、 温度の変化に対して所定の電圧特性を有する温度電圧特
    性素子と、 該温度電圧特性素子に接続され、前記温度電圧特性素子
    に発生した電圧信号の高周波成分を除去するローパスフ
    ィルタとを備え、 前記ローパスフィルタは、前記温度電圧特性素子に直列
    に接続された抵抗と、該温度電圧特性素子と並列に接続
    されたコンデンサとから構成されてなるフィルタである
    ことを特徴とする 温度検出構造。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の温度検出構造であっ
    て、前記チップは、前記温度検出構造が発生した電圧を
    外部に電気的接続をするためのボンディングパッドをチ
    ップ上面に備え、 前記コンデンサは、前記ボンディングパッドの下に形成
    されることを特徴とする 温度検出構造。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の温度検出構造
    であって、 前記温度電圧特性素子は、ダイオードであることを特徴
    とする温度検出構造。
  4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項に記載の
    温度検出構造であって、 前記温度電圧特性素子は、抵抗であることを特徴とする
    温度検出構造。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
    温度検出構造であって、 前記半導体スイッチ素子は、電界効果トランジスタまた
    はバイポーラトランジスタであることを特徴とする 温度
    検出構造。
  6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項に記載の
    温度検出構造であって、 前記コンデンサは、半導体酸化膜を、ポリシリコンによ
    り形成された第１の電極と前記チップ基板に高濃度ドー
    ピングし形成された第２の電極とによって挟持する構造
    であることを特徴とする 温度検出構造。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の温度検出構造であっ
    て、 前記半導体スイッチ素子は、電界効果トランジスタであ
    り、 前記半導体酸化膜は、前記電界効果トランジスタのゲー
    ト酸化膜として形成した酸化膜の一部を用いていること
    を特徴とする 温度検出構造。
  8. 【請求項８】 半導体スイッチ素子が形成されたチップ
    の温度を検出し、前記検出した温度に基づく信号を出力
    する温度検出装置であって、 請求項１から７のいずれか１項に記載の温度検出構造
    と、 前記温度電圧特性素子に所定の電流を供給する電流供給
    部と、 前記温度電圧特性素子の電圧降下に基づく電圧を検出す
    る電圧検出部とを備える温度検出装置。
  9. 【請求項９】 前記電圧検出部は、前記温度電圧特性素
    子の電圧降下に基づく電圧と所定電圧とを比較し、いず
    れの電圧が高いかを２値の信号で出力する比較器である
    請求項８記載の温度検出装置。
  10. 【請求項１０】 半導体スイッチ素子が形成されたチッ
    プの温度に基づいてオン状態の該半導体スイッチ素子を
    オフする半導体リレーであって、 請求項８または９記載の温度検出装置と、 前記半導体スイッチ素子のオンオフを司る信号を出力す
    るオンオフ信号出力部と、 前記電圧検出部により検出された電圧が所定電圧以下ま
    たは以上になったとき、前記オンオフ信号出力部から前
    記半導体スイッチ素子をオフする信号が出力されるよう
    該オンオフ信号出力部にオフ信号を出力するオフ信号出
    力部とを備える半導体リレー。
  11. 【請求項１１】 前記オフ信号出力部は、前記２値の信
    号の一方をオフ信号とする前記温度検出装置が備える比
    較器である請求項９記載の温度検出装置を備える請求項
    １０記載の半導体リレー。
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