Les composants en céramique de précision font principalement référence aux pièces en céramique structurelles complexes et de haute précision utilisées dans les équipements à semi-conducteurs. Ces composants en céramique de précision sont des pièces clés des équipements à semi-conducteurs, et leur R&D et leur production affectent directement le développement de l'industrie des semi-conducteurs. Ces dernières années, avec les ajustements des politiques nationales, l'industrie des semi-conducteurs s'est développée rapidement et son échelle a considérablement augmenté. Alors que les équipements de fabrication de semi-conducteurs continuent d'évoluer vers une plus grande précision et complexité, les exigences techniques pour les composants clés en céramique de haute précision augmentent également. En raison des avantages des céramiques – dureté élevée, module d'élasticité élevé, résistance à l'usure élevée, isolation élevée, résistance à la corrosion et faible dilatation thermique – elles peuvent être utilisées comme composants dans les polissoirs de plaquettes, les équipements de traitement thermique par épitaxie/oxydation/diffusion, les machines de lithographie, les équipements de dépôt, les équipements de gravure de semi-conducteurs et les implantateurs d'ions. Les céramiques pour semi-conducteurs comprennent l'alumine, le nitrure de silicium, le nitrure d'aluminium et le carbure de silicium. Dans les équipements à semi-conducteurs, les céramiques de précision représentent environ 16 % de la valeur totale.

(Source de l'image : pexels)

Il est entendu qu'un grand nombre de composants de précision en céramique d'oxyde sont utilisés dans les équipements à semi-conducteurs. Par exemple, des revêtements en Al₂O₃ de haute pureté ou des céramiques Al₂O₃ sont utilisés comme matériaux de protection pour les chambres de gravure et les composants internes. Outre les chambres, les buses de gaz, les plaques de distribution de gaz et les anneaux de rétention pour fixer les plaquettes dans les équipements à plasma nécessitent également des céramiques d'alumine. Dans les processus de polissage de plaquettes, les céramiques d'alumine sont largement utilisées dans les plateaux de polissage, les plateformes de conditionnement de tampons de polissage et les mandrins à vide.

(Plaque de polissage en alumine, source : Kyocera, Japon)

De plus, comme nous l'avons mentionné ci-dessus, les céramiques de zircone sont le matériau principal pour la fabrication de capillaires de liaison, qui sont des outils essentiels dans les processus de liaison par fil.

Les matériaux en carbure de silicium possèdent un module d'élasticité, une conductivité thermique et un coefficient de dilatation thermique extrêmement élevés. Ils ne sont pas sujets à la déformation sous contrainte de flexion ou à la contrainte thermique et présentent une excellente polissabilité, ce qui permet de les usiner pour obtenir des surfaces miroir supérieures. Par conséquent, l'utilisation du carbure de silicium comme matériau pour les composants structurels de précision dans les équipements semi-conducteurs clés tels que les machines de lithographie offre des avantages significatifs.

(Ensemble de plateau à mouvement fin en carbure de silicium)

En tant que composé de liaison covalente, le nitrure de silicium présente un faible coefficient de dilatation thermique, une conductivité thermique élevée, une excellente résistance à la corrosion chimique et une remarquable résistance aux chocs thermiques. Le Si₃N₄ fritté par pressage à chaud possède une dureté extrêmement élevée et une excellente résistance aux hautes températures. Sa résistance reste inchangée à des températures élevées allant jusqu'à 1200°C, et il ne fond pas lorsqu'il est chauffé, ne se décomposant qu'à 1900°C. Par conséquent, les céramiques de nitrure de silicium sont considérées comme le "matériau céramique aux meilleures performances globales" et sont utilisées pour fabriquer des plateformes, des glissières, des roulements et d'autres composants dans les équipements de semi-conducteurs.

(Source de l'image : Haituo Innovation)

Les mandrins électrostatiques actuels utilisent principalement des céramiques d'alumine comme matériau principal. Cependant, la conductivité thermique et les propriétés mécaniques associées de l'alumine sont inférieures à celles des céramiques de nitrure d'aluminium. Par conséquent, l'utilisation de céramiques de nitrure d'aluminium à la place des céramiques d'alumine comme matériau de fabrication des mandrins électrostatiques est une tendance future.

Dans les machines de lithographie haut de gamme, pour obtenir une haute précision de traitement, il est nécessaire d'utiliser largement des composants en céramique dotés de bonnes propriétés composites fonctionnelles, d'une stabilité structurelle, d'une stabilité thermique et d'une précision dimensionnelle. Il s'agit notamment des mandrins E, des mandrins à vide, des blocs, des plaques refroidies par eau pour les cadres en acier magnétique, des réflecteurs et des rails de guidage. Ces composants clés sont généralement fabriqués à partir de matériaux céramiques.

(Cadre refroidi par eau pour moteur de balayage)

(Miroir rectangulaire pour machine de lithographie)

Dans les équipements de gravure, les composants fabriqués à partir de matériaux céramiques comprennent principalement les fenêtres d'observation, les plaques de distribution de gaz, les buses, les bagues d'isolation, les plaques de couverture, les bagues de focalisation et les mandrins électrostatiques. À mesure que les tailles des caractéristiques des puces diminuent et que l'énergie du plasma à base d'halogènes augmente progressivement, la résistance à la gravure plasma des chambres de gravure et des composants internes devient de plus en plus importante. Par rapport aux matériaux organiques et métalliques, les matériaux céramiques présentent généralement une meilleure résistance à la corrosion physique et chimique et peuvent fonctionner à des températures plus élevées. Par conséquent, dans l'industrie des semi-conducteurs, divers matériaux céramiques sont devenus le matériau de choix pour la fabrication de composants essentiels dans les équipements de production de plaquettes de silicium monocristallin de semi-conducteurs et les étapes de traitement front-end.

(Source de l'image : Kyocera, Japon)

(Bague en carbure de silicium fabriquée par Maruwa, Japon)

(Mandrin électrostatique, source de l'image : Haituo Innovation)

Un autre exemple est la capillary de soudure en céramique, un outil essentiel dans le processus de soudure par fil. Le composant principal des capillaries de soudure en céramique de certains fabricants est l'alumine renforcée par de la zircone. Leur microstructure est uniforme et dense, avec une densité augmentée à 4,3 g/cm³. La teneur en zircone tétragonale et la microstructure uniforme et dense confèrent aux capillaries de soudure en céramique dopés à la zircone des propriétés mécaniques exceptionnellement bonnes, réduisant l'usure de la pointe et la fréquence de remplacement lors du processus de soudure par fil.

(Capillaire de liaison céramique, source : Sanhuan Group)

Un dispositif semi-conducteur peut sembler être fait de métal et de plastique, mais il contient en réalité de nombreux composants en céramique de précision dotés d'une technologie avancée. En résumé, les céramiques de précision sont utilisées dans les équipements de semi-conducteurs bien plus largement que nous pourrions l'imaginer.

En raison de leurs excellentes propriétés, les céramiques de précision sont largement utilisées dans la défense nationale, le génie chimique, la métallurgie, l'électronique, la mécanique, l'aviation, l'aérospatiale et la biomédecine, entre autres domaines. Elles sont devenues des matériaux clés pour le développement dans ces secteurs et ont attiré une attention considérable de la part des pays industriellement développés. Leur développement influence grandement le progrès et l'avancement d'autres industries.

Actuellement, il existe une tendance claire de progrès technologiques rapides, d'expansion des domaines d'application et de croissance régulière du marché dans l'industrie mondiale de la céramique de précision. En raison d'obstacles techniques élevés, l'industrie de la céramique de précision a longtemps été dominée par le Japon, les États-Unis et certaines entreprises européennes possédant des technologies uniques. Parmi ceux-ci, le Japon est le plus grand producteur de céramique de précision, avec une gamme complète de produits, un rendement élevé, de vastes domaines d'application et des performances globales supérieures, détenant une position dominante sur le marché de la céramique, en particulier le marché de la céramique électronique. Les céramiques structurelles à haute température sont un axe majeur du développement de la céramique de précision aux États-Unis. De plus, les pays de l'UE, en particulier l'Allemagne et la France, ont mené des recherches ciblées dans le domaine des céramiques structurelles, se concentrant principalement sur les équipements de production d'énergie, les nouveaux matériaux énergétiques et les composants en céramique pour moteurs.

La Chine a mené des activités de recherche et développement sur la quasi-totalité des matériaux céramiques de précision industriels. Grâce à des projets de R&D tels que le « Sixième Plan Quinquennal », le « Septième Plan Quinquennal », le « Huitième Plan Quinquennal », le « Programme 863 », le « Programme 973 », le « Programme de Soutien à la Science et à la Technologie » et les « Grands Projets Nationaux de Science et Technologie », les capacités de recherche et développement de la Chine en matière de matériaux céramiques de précision se sont considérablement améliorées.

Les principales méthodes de préparation des poudres céramiques en Chine comprennent la réaction à l'état solide, la réaction en phase liquide et la réaction en phase gazeuse. Avec le développement de la nanotechnologie, les poudres produites par des réactions en phase gazeuse présentent des caractéristiques telles qu'une grande surface spécifique, une sphéricité élevée et une distribution granulométrique étroite, fournissant une base fondamentale pour la préparation de céramiques de haute performance.

Les principales technologies de mise en forme utilisées dans l'industrie chinoise de la céramique de précision comprennent le pressage isostatique à froid (un type de pressage à sec), le moulage par injection (un type de moulage plastique), le coulage en bande (un type de moulage en barbotine) et le moulage en gel.

L'industrie chinoise de la céramique de précision utilise principalement les technologies de frittage par presse à chaud (HP) et de frittage sous pression de gaz (GPS). La Chine a levé les blocages technologiques étrangers dans les céramiques de nitrure de silicium frittées sous pression de gaz de grande taille et a réalisé la localisation technologique.

Les technologies d'usinage telles que l'électroérosion (EDM), l'usinage par ultrasons, l'usinage laser et l'usinage chimique sont progressivement appliquées au traitement de la céramique.

Par rapport à l'industrie mondiale de la céramique de précision, la plupart des produits en céramique de précision fabriqués en Chine ont une faible valeur ajoutée. De nombreux composants en céramique à fort contenu technique dans les produits électroniques finis doivent encore être importés en grande quantité. Des problèmes tels que la purification des matières premières, les composants à haute densité, les grandes tailles, les formes complexes et les cibles céramiques doivent être résolus de toute urgence. Les indicateurs de performance de certains matériaux nationaux n'ont pas encore atteint le niveau des matériaux étrangers similaires, la précision des équipements est médiocre et les équipements haut de gamme dépendent des importations. L'intégration de l'industrie, du monde universitaire, de la recherche et de l'application n'est pas suffisamment étroite, et les réalisations de laboratoire reçoivent une attention insuffisante, ce qui entraîne une déconnexion sérieuse par rapport aux applications pratiques.

Actuellement, la technologie et les procédés de fabrication de la Chine pour les poudres céramiques de haute pureté, ultra-fines et haute performance accusent encore un retard important par rapport à des pays comme le Japon et les États-Unis, les matériaux en poudre haut de gamme continuant d'être principalement importés. De plus, il existe un écart considérable en matière de technologie de dispersion efficace des poudres. L'introduction d'équipements haut de gamme a amélioré notre niveau d'équipement technologique dans une certaine mesure, mais cela implique des investissements importants et une pression financière pour les entreprises. Avec le développement d'équipements de préparation haut de gamme nationaux, la demande de matériaux et de composants céramiques répondant à des exigences de performance matérielle spécifiques augmente. Cependant, en raison des limitations du niveau de fabrication de matériaux céramiques haut de gamme en Chine, les matériaux importés restent largement nécessaires. Dans l'ensemble, la transition de la Chine d'un pays majeur à un pays fort dans le domaine des céramiques avancées est principalement confrontée aux problèmes suivants :

La Chine dépend fortement des importations pour ces deux matières premières importantes de poudres céramiques avancées, principalement auprès d'entreprises japonaises comme UBE et Tokuyama Soda. Ces matériaux sont non seulement coûteux, mais leur fiabilité d'approvisionnement est également incertaine. Les fabricants nationaux présentent des lacunes considérables en matière de performance des poudres, de stabilité de la production en lot et de constance. Cela entrave l'industrialisation de nombreux produits céramiques à haute valeur ajoutée, tels que les billes de roulement en céramique haut de gamme et les substrats céramiques à haute conductivité thermique et haute résistance.

Avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle, des trains à grande vitesse, de l'énergie éolienne et des stations de base 5G, il existe une demande énorme pour les substrats en céramique de nitrure de silicium de nouvelle génération à haute conductivité thermique et haute résistance utilisés dans les IGBT (appareils de haute puissance pour ces nouvelles industries). La demande annuelle du groupe CRRC seul atteint 5 millions d'unités. Des entreprises telles que Kyocera (Japon) et Rogers Corporation (États-Unis) peuvent déjà produire en masse et fournir des substrats en céramique de nitrure de silicium gravés et plaqués de cuivre. La Chine a commencé plus tard dans ce domaine, mais ces dernières années, les institutions de recherche universitaires et certaines entreprises ont accéléré la R&D, réalisant des progrès significatifs, avec une conductivité thermique dépassant 90 W/m·K, une résistance à la flexion dépassant 650 MPa et une ténacité à la fracture dépassant 6,5 MPa·m¹/². Cependant, il existe encore un écart avant l'industrialisation.

Substrat en céramique de nitrure de silicium à haute conductivité thermique et haute résistance

Les substrats plaqués cuivre à haute conductivité thermique à base de nitrure d'aluminium ou de nitrure de silicium pour les IGBT sont encore principalement importés, en particulier pour les modules de contrôle de dispositifs de haute puissance dans les trains à grande vitesse. La technologie nationale de placage de cuivre sur substrat n'a pas encore pleinement répondu aux exigences strictes des plaques plaquées cuivre, par exemple en termes de résistance aux cycles thermiques. Actuellement, la communauté internationale a adopté la technologie avancée de brasage par métal actif (AMB) pour le placage de cuivre, qui offre une résistance de liaison plus élevée et une meilleure résistance aux cycles thermiques par rapport au placage de cuivre direct (DBC).

Pour de nombreux produits céramiques d'alumine haut de gamme, tels que les biocéramiques à base d'alumine, les substrats céramiques, les tubes à vide, les céramiques textiles résistantes à l'usure et les céramiques électroniques sous vide, la poudre d'alumine dépend encore des importations du Japon, de l'Allemagne et des États-Unis. Ceci est particulièrement vrai pour la production de composants céramiques d'alumine avec une teneur en alumine de 99,5 %, 99,7 %, 99,8 % et 99,9 %, caractérisés par des grains fins, une structure uniforme, de bonnes propriétés électromécaniques et une résistance à l'usure. Les fabricants nationaux ont des lacunes dans le contrôle de la teneur en impuretés de la poudre d'alumine, de l'activité de frittage, et surtout dans l'uniformité de la microstructure et les propriétés des matériaux après frittage.

Les capteurs de pression capacitifs plans en céramique d'alumine sont utilisés en très grande quantité dans divers automobiles, représentant un marché de près de 100 milliards de RMB. Cependant, ces plaques d'alumine sont actuellement principalement importées. Les plaques d'alumine nationales présentent des lacunes en termes de module d'élasticité, de nombre de cycles de déformation élastique, de durée de vie et de fiabilité, et ne sont pas encore entrées dans des applications commerciales pratiques.

Les capteurs d'oxygène à base de zircone planaire jouent un rôle important dans la réduction des émissions nocives des gaz d'échappement des automobiles et dans l'amélioration de l'économie de carburant. Actuellement, les capteurs d'oxygène automobiles les plus courants sont des capteurs à zircone de type cellule à concentration. Ces dernières années, le nombre de voitures en Chine a augmenté, et chaque voiture nécessite au moins deux capteurs d'oxygène. Le marché des capteurs d'oxygène connaît une croissance annuelle de 30 %, et les capteurs d'oxygène sont des pièces consommables qui nécessitent généralement un remplacement à chaque intervalle d'entretien majeur (voire annuellement). Actuellement, presque tous les capteurs d'oxygène automobiles en Chine sont soit entièrement importés, soit assemblés à partir de composants importés. L'énorme marché des capteurs d'oxygène automobiles, les réglementations strictes en matière d'émissions automobiles et le manque de technologie pertinente en Chine rendent particulièrement urgente et importante la recherche et le développement de produits de capteurs d'oxygène offrant de bonnes performances, une fiabilité élevée et notre propre propriété intellectuelle. Les principaux fabricants de capteurs d'oxygène automobiles comprennent Bosch, Delphi, Denso, NTK et Kefico, ainsi que leurs coentreprises et filiales dans diverses régions. Bosch est le plus grand fabricant de capteurs d'oxygène. De plus, certaines entreprises étrangères de céramique, s'appuyant sur leurs solides capacités de développement en céramique, produisent des éléments sensibles et des chauffages en céramique pour capteurs d'oxygène, comme Kyocera.

La demande du marché pour les prothèses de hanche biocéramiques est énorme, avec en moyenne une chirurgie de remplacement de hanche en céramique toutes les deux minutes dans le monde. Actuellement, celles-ci sont principalement produites par des entreprises telles que CeramTec (Allemagne) et Kyocera (Japon), et la Chine doit en importer de grandes quantités chaque année. Les exigences en matière de performance des matériaux et de fiabilité pour les prothèses de hanche en céramique sont extrêmement élevées, avec une durée de vie d'au moins 20 ans. Le matériau produit par CeramTec, une céramique composite à base d'Al₂O₃ renforcée et tenace de manière synergique par des grains plaquettaires de ZrO₂ et SrAl₁₂₋ₓCrₓO₁₉, a atteint une résistance à la flexion et une ténacité à la fracture de 1380 MPa et 6,5 MPa·m¹/², respectivement. La Chine n'a pas de produit équivalent dans ce domaine.

Les roulements en céramique utilisés dans les équipements haut de gamme tels que les moteurs aérospatiaux, les générateurs d'énergie éolienne et les machines-outils CNC nécessitent non seulement des propriétés mécaniques et thermiques élevées, mais aussi une excellente résistance à l'usure, une fiabilité et une longue durée de vie. Il existe encore un écart important entre les billes de roulement en céramique de nitrure de silicium fabriquées en Chine et celles produites par Toshiba Ceramics (Japon). Comparés aux entreprises de roulements de renommée internationale telles que SKF (Suède), FAG (Allemagne) et KOYO (Japon), les roulements chinois se situent encore dans la gamme moyenne à basse de la chaîne industrielle. Les produits haut de gamme utilisés dans l'énergie éolienne et les machines-outils CNC dépendent encore des importations.

Pour les matériaux céramiques transparents et transmettant l'infrarouge utilisés dans les applications de défense et militaires, tels que les céramiques transparentes Y₂O₃, MgO, AlON, MgAl₂O₄ et Nd:YAG (laser). Actuellement, notre technologie est limitée à la production de tailles relativement petites. Nous sommes confrontés à des défis dans la production de matériaux céramiques transparents et transmettant les ondes de grande taille (jusqu'à 0,5 mètre à l'échelle internationale), avec des lacunes tant dans la technologie de traitement que dans les équipements.

Les lignes de production de plaquettes de semi-conducteurs nécessitent de nombreuses pièces de rechange en céramique, telles que des plaques en céramique, des bras en céramique, des anneaux en céramique et des supports. Celles-ci impliquent divers matériaux céramiques structurels, notamment l'alumine, le nitrure d'aluminium et le carbure de silicium. Ces pièces exigent une grande pureté des matériaux, une densité uniforme, une très haute précision de traitement et un état de surface impeccable. Seules quelques entreprises nationales fournissent certains de ces produits, et les pièces de rechange haut de gamme en nitrure d'aluminium et en carbure de silicium dépendent encore des importations.

Il est recommandé que les autorités étatiques compétentes augmentent davantage leur soutien à la R&D de composants céramiques de précision et au développement de l'industrie dans la mise en œuvre du « Plan national de promotion du développement de l'industrie des circuits intégrés ». En intégrant les systèmes de recherche, les associations industrielles et les alliances, la priorité devrait être donnée à la concentration des ressources à l'échelle nationale pour sélectionner et soutenir un lot d'entreprises potentielles ayant une compétitivité internationale, stimulant ainsi le développement de l'ensemble de l'industrie.

Il est recommandé que les autorités étatiques compétentes encouragent les grandes entreprises publiques des secteurs de l'équipement, des matériaux, de la chimie, etc., à participer au développement de l'industrie de la céramique de précision. Établir des objectifs directeurs pour la localisation des équipements et des composants, créer un mécanisme de guidance pour la localisation des composants/matériaux clés combinant guidance budgétaire et assurance technologique, et encourager les entreprises nationales d'équipements semi-conducteurs à acheter des composants en céramique de précision nationaux grâce au soutien des finances publiques et de produits d'assurance orientés marché. Encourager les entreprises et les universités à établir conjointement des institutions de R&D technologique et de test/certification, afin d'accélérer la mise en place d'un système de services technologiques pour la localisation des composants et matériaux clés tels que la céramique de précision.

Il est recommandé que les autorités étatiques compétentes créent des centres d'assistance en matière de propriété intellectuelle dans les pôles de l'industrie de la céramique de précision. Guider et aider les entreprises à gérer les litiges en matière de propriété intellectuelle en raccourcissant le cycle d'examen et d'autorisation de la PI et en augmentant les sanctions en cas de violation, protégeant ainsi l'élan de l'innovation en R&D. Attirer les entreprises clés de céramique de précision pour s'installer dans des zones franches, et tirer parti des politiques fiscales différenciées dans des zones spécifiques pour atténuer les pressions actuelles sur les coûts de R&D et de développement dans l'industrie des semi-conducteurs. Parallèlement, renforcer la coordination et l'intégration des politiques pour la formation de talents techniques spécialisés pour les entreprises de céramique de précision, en soutenant les autorités locales dans la fourniture de services de soutien aux membres des équipes clés dans des domaines tels que l'enregistrement de résidence, l'éducation des enfants et les soins de santé, en particulier le soutien de services aux équipes de talents recrutées auprès d'entreprises étrangères de premier plan.

Il est recommandé d'améliorer davantage les fonctions de négociation des bourses de Shanghai et de Shenzhen, et de saisir la création de la Bourse de Pékin comme une nouvelle opportunité pour créer de nouveaux secteurs de matériaux dédiés aux céramiques de précision et à d'autres matériaux avancés au sein des trois bourses de niveau national, soutenant ainsi précisément les petites et moyennes entreprises dotées d'une compétitivité de base dans les nouveaux matériaux. Encourager les fonds à long terme tels que les assurances et les trusts à augmenter leurs investissements en actions dans les petites et moyennes entreprises exceptionnelles non cotées, en établissant des canaux raisonnables pour l'afflux et la sortie de capitaux, en levant les obstacles et en accélérant la croissance des entreprises de "technologie de base" dans le secteur des nouveaux matériaux.

De plus, il convient de noter que le Cinquième Forum sur les céramiques avancées dans les applications semi-conductrices et le développement industriel se tiendra en grande pompe le 11 juin 2026, à l'hôtel Pullman Suzhou Zhonghui. Le forum invitera des académiciens, des experts, des universitaires et des dirigeants d'entreprises nationales et internationales renommées dans le domaine des matériaux céramiques semi-conducteurs à y participer et à prononcer des discours d'ouverture. Le forum se concentrera sur les matériaux céramiques avancés utilisés dans les équipements semi-conducteurs clés (tels que les machines de lithographie, les machines de gravure plasma, les implantateurs d'ions, les systèmes de dépôt de couches minces CVD et PVD, les fours de diffusion pour traitement thermique, etc.), notamment l'alumine de haute pureté, le nitrure d'aluminium, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxyde d'yttrium, la cordiérite et le SiC CVD. Il couvrira également les composants céramiques clés tels que les réchauffeurs en céramique, les mandrins électrostatiques, les mandrins à vide, les anneaux de focalisation, les glissières en céramique à faible dilatation et à dilatation quasi nulle, et les plateaux de pièces pour machines de lithographie. Le forum abordera également les technologies de formation, de frittage, d'usinage de précision et de nettoyage des céramiques de qualité semi-conducteur, ainsi que les matériaux de plaquettes en carbure de silicium de troisième génération. Le forum facilitera les échanges interactifs sur les nouvelles technologies, les nouveaux procédés, les nouveaux matériaux, les nouvelles applications, les nouveaux marchés et le développement de la chaîne industrielle pour les composants céramiques de précision de haute performance de qualité semi-conducteur, offrant ainsi de précieuses opportunités de communication et d'échange entre les entreprises en amont et en aval de l'industrie de la céramique semi-conductrice. Il discutera des tendances de développement et des nouvelles opportunités pour les matériaux céramiques de précision et les composants clés dans l'industrie des semi-conducteurs en Chine.

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