どうすればよいでしょうか サイズ、位置、およびソルダーマスク の PCBパッド内のビアは制御できるのでしょうか?

In PCB設計, ビア(スルーホール)、ブラインドビア(セミスルーホール)、および埋込ビア(内層ビア)は、層間の電気的接続を実現するための中核となる構造です。これらの設計の妥当性は、PCBのシグナルインテグリティ、機械的強度、および製造上の実現可能性に直接影響を与えます。 仕様は、サイズの整合、レイアウトルール、インピーダンス制御の3つの側面から確立する必要があります。 信号のクロストークやビア壁の破損などの問題を回避するため、用途に応じてパラメータを最適化する必要があります。本記事では、Geyuan ElectronicsのPCBエンジニアリングチームがまとめた、PCBパッド内のビアのサイズ、位置、ソルダーマスクの管理方法について解説します。関連する設計の考え方や基本原則について詳しく学ぶことができます。.

PCBにおけるパッドとビアの関係

パッドは基本的な設計オブジェクトです。パッドは、部品を回路基板に取り付け、部品のリードと基板上の配線との接続点を確立するために使用されます。 パッドには、表面実装デバイスのパッドのように単層に存在するものと、Z面(垂直方向)に円筒形の本体を持ち、各(水平)銅層上に平坦な領域を持つ三次元スルーホールパッドがあります。パッドの円筒形の本体は、 PCB製造 回路基板に穴を開け、その穴の壁面にメッキを施す際の工程。 X 面および Y 面において、パッドは円形、長方形、八角形、角丸長方形、面取り長方形、またはカスタム形状にすることができます。パッドは、設計内でフリーフォームのパッドとして単独で使用することもできますが、より一般的には、PCB ライブラリエディタ内で他の基本オブジェクトと組み合わせて、コンポーネントパッケージを形成するために使用されます。.

ビアは基本的な設計オブジェクトです。ビアは、PCB上の2つ以上の電気層間で垂直方向の電気的接続を確立するために使用されます。ビアは、Z面(垂直方向)に円筒形の本体を持ち、各(水平方向の)銅層上に平らな環状の領域を持つ3次元オブジェクトです。 ビアの円筒状の本体は、製造工程において穴を開け、穴の壁面にメッキを施すことで形成されます。ビアは、円形のパッドと同様に、X面およびY面において円形をしています。 ビアとパッドの主な違いは、ビアがPCBのすべての層(上面から下面まで)にまたがるだけでなく、表面層から内部層へ、あるいは2つの内部層の間を橋渡しすることもできる点にあります。.

PCBのパッドにおけるビアの設計は、なぜ重要なのでしょうか?

BGAやファインピッチパッケージを扱っている方なら、「スルーホールPCB」という言葉を耳にしたことがあるでしょう。エンジニアは、ビアをパッドの隣に配置するのではなく、パッドの内部に直接配置します。なぜでしょうか? これは、スペースを節約し、高速設計におけるインダクタンスを低減できるからです。 しかし、問題があります。これらのビアは充填およびメッキ処理を行わなければなりません。そうしないと、組み立て時のはんだがビア内に流れ込み、接続不良を引き起こしてしまうからです。そのため、スルーホールPCBの設計では、常に充填技術が採用されています。.

パッドの定義 PCB内

スルーホールパッドの外形は、通常、円形、正方形、または楕円形です。具体的な寸法の定義については、以下に詳述します。.

開口径実際のピンが円形の場合:穴の直径=実際のピンの直径+0.20~0.30mm(約8.0~12.0MIL); 実際のピンが正方形または長方形の場合:穴の直径 = 実際のピンの対角線長 + 0.10~0.20mm(約4.0~8.0MIL)。. 
パッドのサイズ標準的なパッドサイズは、穴の直径に0.50 mm(20.0 MIL)を加えた値とほぼ同じです。.

PCBパッドの設計仕様

PCB設計においては、パッドもIPC-7351規格に従って設計する必要があります。 IPC-7351は、部品の種類、サイズ、およびパッケージングに関するパッド設計ガイドラインを規定しており、これによりより多くの部品の使用が可能となり、材料使用量の削減にもつながります。一部の電子部品はこの規格に準拠していませんが、IPC-7351は正確な位置決めを支援し、ばらつきを低減するのに役立ちます。.

したがって、各パッドの最小直径は0.25mm以上とし、パッド全体の最大直径は部品穴径の3倍を超えてはなりません。 一般的に、スルーホール部品には、穴径の 1.8 倍以上の直径を持つ円形のパッドが使用されます。片面基板の場合、パッドの直径は 2mm 以上である必要があります。両面基板の場合、パッドサイズとスルーホール径の最適な比率は 2.5 です。 自動挿入機に適した部品の場合、両面基板のパッドサイズは、その標準穴径に+0.5~+0.6mmを加えた値とする必要があります。 .

2つのパッドの端同士の距離は0.4mm以上とし、波峰の方向に垂直な一列にある2つのパッドの端同士の距離は0.5mm以上とする (この場合、この一列のパッドは配線グループまたはソケットとみなすことができ、それらの間隔が近すぎると、ブリッジングが発生しやすくなる)。 .

配線が密集している場合は、楕円形や長方形のコネクタパッドの使用が推奨されます。片面PCBのパッドの直径または最小幅は1.6mmとするか、片面に0.2mmのはんだリングを備えた0.3mm厚の片面PCBを使用してください。パッドが大きすぎると、不要なブリッジが発生しやすくなります。 高密度配線の場合は、円形および長方形のパッドが推奨されます。これらのパッドの直径は通常1.4mm、あるいはそれ以下です。.

開口部が1.2mmを超えるパッド、またはパッドの直径が3.0mmを超えるパッドは、スター型またはクローバー型のパッドとして設計する必要があります。 スルーホール部品の場合、はんだ付け時の銅箔の破損を防ぐため、片面基板の接合部は銅箔で完全に覆う必要があります。一方、両面基板では、少なくともティアドロップ型のパッドを設ける必要があります。 .

すべてのコネクタおよびその他の荷重を受ける部品や重量のある部品については、リード線から2mm以内の範囲で銅箔の被覆面積を最大限に確保し、十分なはんだ吸収を確保するために空のパッドがないようにする必要があります。これにより、ソケットに外力が加わった際に銅箔が容易に剥がれるのを防ぐことができます。 大型部品(トランス、直径15.0mm以上の電解コンデンサ、大電流用ソケットなど)については、下図に示すように銅箔およびはんだの被覆面積を増やしてください。網掛け部分は、少なくともパッド面積と同等以上である必要があります。 あるいは、クインクンクス型または星型のパッドとして設計してください。.

機械的に絶縁されたすべての部品は、曲げ部で完全なはんだ接合が確保されるよう、曲げ方向に沿ってドリップパッドを配置して設計する必要があります。 水平配置の部品については、左右のリードを内側に曲げ、垂直配置の部品については、左のリードを外側に曲げ、右のリードを15°下向きに、左のリードを15°上向きに傾ける必要があります。部品と周囲のパッドとのエッジ間隔が0.4以上であることを確認してください。 .

プリント基板上に広範囲のグランド線や電源線(面積が500mm²を超える部分)がある場合は、その部分だけ開口部を設けるか、グリッドフィルとして設計する必要があります。.

PCBパッドにおけるビアの寸法、配置、およびソルダーマスクに関する基本的な設計ガイドライン

PCBパッド内のビアの設計は、はんだ付けの信頼性とシグナルインテグリティを直接左右します。ビアのサイズが大きすぎると、パッド上の銅箔が不足し(はんだ付け時にピンの固定が困難になる)、位置ずれが0.05mmを超えると、ビアの端がパッドからはみ出し(はんだの付着不良につながる)可能性があります。 「経験に基づく設計」という落とし穴とは異なり、科学的な設計では、サイズの整合、正確な位置決め、ソルダーマスクとの適合性、十分な銅箔の確保という4つの重要な仕様を遵守しなければなりません。各仕様には、その後の製造上の問題につながる設計上の欠陥を回避するための、明確なパラメータ基準と定量的な要件が定められています。 本稿では、パッド内ビアの主要な設計仕様を分析し、具体的なパラメータや事例研究を組み合わせることで、サイズからソルダーマスクに至るまでの重要な設計ポイントを習得できるよう解説します。.

寸法に関する参考資料 ViaおよびPadにおける制御 デザイン

ビアとパッドのサイズ比は、設計の核心となる要素です。「ビアがパッドの境界を越えないこと、およびはんだ付けのためにパッド上に十分な銅箔が残っていること」を確保する必要があります。主なパラメータと基準は以下の通りです:

1. 制御 ビアの直径(Dv)とパッドのサイズ(Dp)の比率

円形パッドビアの直径 Dv はパッドの直径 Dp の 1/2 以下とし、パッドの端部における残りの銅箔の幅は 0.1mm 以上とする(はんだ付け面積の最小要件)。.
例この部品の円形パッドの幅 Dp は 0.3mm で、最大 Dv は 0.15mm(0.3 × 1/2)です。 残りの銅箔の幅 = (0.3 – 0.15) / 2 = 0.075mm(0.1mmに近いので慎重に選択してください。Dv = 0.12mm、残りの幅 0.09mm とすることを推奨します)。この部品の円形パッドのDp = 0.4mm、Dvは最大0.2mmであり、残りの銅箔の幅 = (0.4 – 0.2) / 2 = 0.1mm(要件を満たしています)。.
四角いパッドビアの直径 Dv はパッドの辺の長さの 1/2 以下であり、パッドの両側に残る銅箔の幅は 0.1mm 以上であること。;
例この正方形のパッドは、一辺の長さが0.3mm×0.3mm、最大Dvが0.15mm、各辺の残りの幅が0.075mmです(Dvを0.12mmに縮小し、0.09mmを残す必要があります)。.
禁止の原則Dvはパッドの境界を超えてはなりません(すなわち、Dv > Dp)。そうしないと、ビアがパッドの外側に露出することになり、はんだ付け時のはんだがビアに流れ込んでしまい、パッド上のはんだ量が不足し、コールドソルダージョイントの発生率が10%を超えてしまいます。.

2. 部品ピンとの直径合わせによる接続

ビアの直径は、部品のリードサイズと適合している必要があります。そうすることで、(スルーホール部品の場合)リードが挿入できないことや、(表面実装部品の場合)はんだの充填が不十分になることを防ぐことができます。.

表面実装部品ビアの直径 Dv は、部品のリード幅よりも 0.05~0.1mm 小さくする必要があります(例えば、リード幅が 0.15mm の 0402 抵抗器の場合、 Dv = 0.1~0.12mm)とする必要があります。これにより、はんだがリードとビアを確実に覆うことができます。.
プラグインコンポーネントビアの直径 Dv は、部品のリード径よりも 0.05~0.1mm 大きく設定されます(例えば、リード径が 0.2mm の場合、Dv=0.25~0.3mm)。これは、リードの挿入を容易にし、ビアへのはんだ充填を確実にするためです。.
実例0402部品のパッド内にビアを設計した際、Dp=0.3mm、Dv=0.2mm(1/2スケール以上)としたところ、残りの銅箔幅はわずか0.05mmしかありませんでした。 はんだ付けの際、はんだがピンを完全に覆うことができず、その結果、冷はんだ接合率は15%となりました。Dvを0.12mmに調整したところ、残りの幅は0.09mmとなり、冷はんだ接合率は1.2%まで低下しました。. 

の配置は 設計におけるパッドおよびビアは、 ビアが中央に配置されるようにし、ずれが生じないようにしてください。.

配線の位置ずれにより、パッド上の銅箔の分布が不均一になり、片側の銅箔層が狭くなりすぎる(0.05mm未満)場合があります。これにより、はんだ付け時のはんだの流れに偏りが生じる可能性があります。主な仕様は以下の通りです:

1. ビアの中心とパッドの中心とのオフセット

オフセットは 0.05mm 以下(ビア径の約 1/3)とし、パッドの両側に残る銅箔の幅の差が 0.03mm 以下となるようにする。;

例:Dv=0.15mm、パッドDp=0.4mm。 オフセットが0.05mmの場合、片側の残りの幅=(0.4-0.15)/2-0.05=0.125-0.05=0.075mm、 もう一方の側の幅は 0.125+0.05=0.175mm となり、その差は 0.1mm です(許容範囲内)。オフセットが 0.08mm の場合、片側の残りの幅は 0.045mm となり、これは許容範囲外となります。.

高精度が求められる場合(RF信号層など):信号経路の非対称性によるインピーダンスの急激な変化を避けるため、オフセットは0.03mm以下とする(0.05mmのオフセットでは、インピーダンスの偏差が5%を超える可能性がある)。.

2. ビアとパッド端との最小距離

ビアの端とパッドの端との間の最小距離は、ビアがパッドの端に近すぎるために銅箔が破損するのを防ぐため、0.08mm以上とする必要があります(製造時の穴あけ加工により、パッドが損傷しやすいため)。.

計算方法:最小距離 = (パッドサイズ – ビアサイズ) / 2 – オフセット;;

例:Dp=0.4mm、Dv=0.2mm、オフセット0.03mm、最小距離=(0.4-0.2)/2 -0.03=0.1-0.03=0.07mm(0.08mmに近い。 オフセットを0.02mmに調整する必要があり、最小距離は0.08mmとなる)。.

はんだパッド、ビア、および ソルダーマスク ~すべき ソルダーマスクがはんだ付け工程に影響を与えないようにする。.

ソルダーマスクの設計が不適切だと、「ソルダーマスクがパッドを覆ってしまう」や「ソルダーマスクがビアに侵入する」といった問題が生じ、はんだの濡れ性に悪影響を及ぼす可能性があります。主な仕様は以下の通りです:

1. 溶接抵抗ウィンドウのサイズ

パッド内にあるビアのソルダーマスクの開口サイズは、ソルダーマスクがパッドを覆わないようにするため、パッドサイズより0.1~0.2mm大きく(各辺で0.05~0.1mm大きく)する必要があります。.

例円形パッド Dp の直径は 0.4mm で、ソルダーマスクの開口部の直径は 0.4 + 0.2 = 0.6mm です(両側でそれぞれ 0.1mm 大きくなっています)。.
禁止するウィンドウサイズはパッドサイズ以下である必要があります。そうでない場合、ソルダーレジストがパッドの端(幅0.05mm)を覆ってしまい、はんだ付け時のはんだの付着が妨げられ、「パッド上の銅の露出不足」という欠陥が生じます。.

2. スルーホールのはんだマスク処理

はんだ充填が必要なビアの場合:ビアの内部にはソルダーレジストを塗布する必要はありません(つまり、ソルダーレジストの開口部がビアを覆うようにします)。これにより、はんだがビアを確実に充填できるようになります(充填率 ≥ 80%)。.

はんだ充填を必要としないビア:ビア内部にはんだレジストを塗布(ビアプラグ)することで、はんだがビア内に流れ込み、パッド上のはんだ量が不足するのを防ぐことができます。 ただし、ソルダーレジストの充填面が平坦であること(突起量 ≤ 0.03mm)、および部品の実装に支障をきたさないことを確認する必要があります。.

パッドおよびビアの設計においては、, 銅箔の接続仕様 ~しなければならない 導電性と放熱性を確保する。.

パッド内のビアの銅箔接続は、「低インピーダンスかつ高放熱性」という要件を満たす必要があります。主な仕様は以下の通りです:

銅箔の厚さパッドの銅箔の厚さは、35μm(1オンス)以上である必要があります。 ビア周辺の銅箔は、オン抵抗の増加を防ぐため、切れ目や隙間(隙間幅 ≤0.03mm)がないように完全に覆われている必要があります(0.05mmの隙間があると、抵抗が20%増加する可能性があります)。.
放熱用銅箔高出力部品(LEDやパワー抵抗など)のパッドにあるビアについては、パッドの周囲に放熱用銅箔(面積がパッド面積の2倍以上)を設計する必要があります。 熱はビアを介して内部の放熱層に伝導され、部品の過熱を防ぎます(例えば、1Wの0603パワー抵抗の場合、放熱用銅箔が不十分なときは温度が120℃を超えますが、銅箔を増やした後は85℃まで低下します)。.

PCBパッド内のビアの設計には、「パラメータの定量化と厳密な調整」が必要です。その核心は、ビアとパッド間のサイズ比、位置のずれ、およびソルダーマスクの開口部を適切に制御し、その後のはんだ付けや信号の問題につながる可能性のある設計上の欠陥を回避することにあります。.

パラメータの整合 ~の参考資料 パッド そして デザイン経由

パッドビアはPCBの層全体を貫通しており、全層にわたる導通が必要な用途(電源ラインや一般的な信号ラインなど)に適しています。設計においては、ビアの直径、パッドのサイズ、およびビアの間隔に重点を置く必要があります。.

パッドのサイズに合わせた穴径ビアの直径は、電流容量の要件に基づいて決定する必要があります。一般的な信号用ビアの場合、直径は0.3~0.6mmが推奨され、 また、はんだ付け時においてはんだがパッドを完全に覆い、コールドソルダージョイントを回避できるよう、対応するパッドの直径はビアの直径の2~2.5倍とする必要があります(例:ビア直径0.4mmの場合は、0.8~1.0mmのパッドを組み合わせる)。 大電流ビア(5A以上の電流を流すもの)の場合、ビア径は1.0mm以上、パッド径は2.0mm以上とする必要があります。 同時に、放熱性と機械的強度を高めるために、「クローバーリーフ」型のパッド設計(ビアの周囲に4~6個の小さなパッドを配置する)を採用する必要があります。.
レイアウトのルールはんだ付け時、はんだがビアに流れ込んで短絡を引き起こすのを防ぐため、ビアと部品パッド間の距離は0.5mm以上とする必要があります。また、PCBの端部のひび割れを防ぐため、ビアと基板端部との距離は1.0mm以上とする必要があります。高密度領域におけるビアの間隔は、0.8mm以上(中心間距離)とする必要があります。 「ずらし配置」(隣接する層のビアの位置が0.4mm以上ずれている場合)を採用する場合は、配線密度を高めるために間隔を0.6mmまで縮小することができます。.
インピーダンス制御パラメータ高周波信号用ビア(周波数 1 GHz 以上)では、インピーダンス整合を適切に制御する必要があります。 これは、ビアの壁のメッキ厚(通常 20~30 μm、高周波の場合は 30~40 μm)とパッド/アンチパッドのサイズ(アンチパッドの直径はパッドより 0.2~0.4 mm 大きい)を調整することで実現されます。 たとえば、FR-4 基板(誘電率 4.4)上の 50 Ω インピーダンスのビアの場合、信号反射損失を -15 dB 以下に抑えるには、ビア径 0.4 mm に 0.8 mm のパッドと 1.2 mm のアンチパッドを組み合わせる必要があります。.

内層間の接続性の最適化 「Pad」および 意図的に埋もれさせる

埋込みビアは、PCBの内層にのみ存在し(表面層には貫通しない)、層間の導通があり、かつ表面層の配線スペースを確保する必要がある場合(多層PCBの内層電源配線網など)に適している。 設計上の重点は、内層での配置とビア壁の絶縁にあります。.

内層の位置決めと寸法埋込みビアは、内層の配線の交点に正確に配置する必要があります。 ビアの推奨直径は0.2~0.5mmであり、内層パッドのサイズはビア直径の1.8~2倍とします(例:ビア直径0.3mmの場合は、0.54~0.6mmの内層パッドと組み合わせる必要があります)。 ドリル加工中に内層の配線が損傷するのを防ぐため、埋込みビアと内層の配線との距離は 0.2mm 以上確保する必要があります。.
壁の穴の断熱処理埋込みビアの穴あけ加工後、エポキシ樹脂を充填して「絶縁」する必要があります(充填深さは穴の深さの95%以上)。 硬化後は、埋込ビアと隣接する内層回路間の短絡を防ぐため、内層回路の形成前に表面を滑らかに研磨する必要があります。充填に使用するエポキシ樹脂は、後続のはんだ付け工程で軟化や溢れ出しを防ぐため、耐熱性タイプ(Tg ≥ 150℃)のものを使用してください。.
階層構造の適応埋込みビアは、PCBの積層構造と互換性がある必要があります。例えば、8層のPCBにおいて、2層目と3層目の間で導通を確保する必要がある場合、2層目と3層目を積層する前に、埋込みビアの穴あけおよび形成を行う必要があります。 4層と5層の間で導通を確保する必要がある場合は、4層と5層の間にビアを個別に積層し、その後、他の層と積層する必要があります。これにより、埋込みビアが対象となる内部層のみに貫通するようにし、他の層に影響を与えないようにします。.

深度制御 「Pad」および ブラインドビアの設計

ブラインドビアは、PCBの表面層および内層のみを貫通します(最下層は貫通しません)。これは、表面層と内層を相互接続し、かつ表面のスペースを最小限に抑える必要がある場合(BGAパッケージにおける底面信号接続など)に適しています。設計上の主な考慮点は、深さの精度と層間位置合わせです。.

開口比ブラインドホールの深さ(表面から内部のターゲット層までの距離)と穴径の比率は、1:1.5以下でなければなりません。例えば、直径0.3mmのブラインドホールの場合、最大深さは0.45mmとなります。 この比率を超えると、穴あけが困難になり、穴壁の粗さが過大(Ra>1.0μm)になります。 より深いブラインドホール(深さ0.6mmなど)が必要な場合は、穴壁の品質を確保するために、「段付きブラインドホール」設計(2段階の穴あけ:まず中間層まで0.3mmの深さまで穴あけを行い、次に内側の目標層まで0.3mmの深さまで穴あけを行う)を採用する必要があります。.
層間位置合わせ精度ブラインドビアの上層と下層間の位置ずれは、0.02mm以下でなければなりません。設計段階では、PCB上に「位置合わせマーク」(直径1.0mmの円形の基準点など)を設定する必要があります。製造時には、X線位置決めシステムを使用して位置合わせの校正を行います。 同時に、ブラインドビアと隣接するブラインドビアとの間の層間距離は、0.3mm以上でなければなりません。これは、穴あけ加工中のドリルビットの位置ずれを防ぎ、穴の壁面が接続してしまうのを防ぐためです。.
表面処理の適応ブラインドビアの表面開口部は、表面処理プロセスに適合していなければなりません。浸漬金メッキ処理の場合、ブラインドビア内部の浸漬金メッキの厚さは0.8μm以上でなければなりません(ビア内部のメッキ均一性を高めるために、「パルス浸漬金メッキ」プロセスを採用)。 OSP処理の場合、ビア内部の銅箔の酸化を防ぐために、ブラインドビアの内部にOSPコーティング(厚さ0.2~0.5μm)を施す必要があります。銅箔の酸化は、はんだ付けの信頼性に影響を及ぼすためです。.

さまざまなPCBビアの用途

一般電子機器標準的なビアやスルーホールは、日常的な多層配線、ステッチング、および低コストの製造に対応できます。.
モバイル端末およびウェアラブル端末PCB構造におけるブラインドビアを採用することで、層を焼損させることなく微細ピッチのBGAの使用を回避でき、大型バッテリーを搭載しながらも基板の薄さを維持することができます。.
航空宇宙・医療埋め込み型PCB接続は、外層をクリーンな状態に保ち、部品の実装やコンフォーマルコーティングの塗布を容易にし、内層の接続部を保護します。.
5Gと高速コンピューティングマイクロビアPCBの積層(ずらし積層または直積層)により、高密度HDIにおける垂直方向の遷移距離が短縮され、寄生効果が抑制されます。.
電源と照明レギュレータ、MOSFET、およびLEDの下にある一連の熱ビアが、熱を基板に伝達し、ヒートシンクが本来の機能を果たせるようにしています。.

要約する

PCBのパッドに設計されたビアは、単なる穴以上の存在であり、現代のハードウェアを実現する堅牢なアーキテクチャそのものです。一般的なスルーホールビアからブラインドビア、埋込ビア、マイクロビアに至るまで、さまざまなPCB積層構造により、信頼性を損なうことなく、より小さなスペースに多くの機能を統合することが可能になります。 0.8 mm未満のBGAパッケージなど、極めて高い密度が求められる場合、パッド内のビアは、インフィルビアPCBプロセスと組み合わせることでその真価を発揮し、強固なはんだ付着性と平坦なパッドを確保します。 標準的なPCBパッドビアのサイズでさえ、部品表(BOM)に記載する必要があります。開口部を小さくすれば信号の完全性や配線性は向上しますが、コストが増加し、生産サイクルも短縮されます。極限の小型化が必要な場合、ブラインドビアや埋込ビアを活用することで、携帯電話、ウェアラブルデバイス、高密度IoTデバイス向けの真のHDIレイアウトを実現できます。 要するに、適切なパッドビア戦略の選択は、半分が設計、半分が製造に依存します。予期せぬ問題を減らし歩留まりを向上させたい場合、あるいはPCBを大量生産できるメーカーをお探しの場合は、ぜひ弊社チームまでお問い合わせください。.

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