功率半导体 IGBT:高壁垒和高景气的黄金赛道

GaN世界

功率半导体的作用是在转换和控制电力时提高能量转化效率(理想转化率100%),根据 IHS,2019 年全球功率半导体市场 400 亿美金,19-25 年复合增速 4.5%,功率半导体是电力电子装置的必备,周期性相对较弱,行业整体增长稳健,19 年全球半导体整体下行期功率龙头英飞凌营收逆势新高。

1、皇冠明珠:IGBT 是新一代功率半导体的典型应用

1.1功率半导体行业整体成长稳健,周期性相对小

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体细分为功率器件(分立器件的一支)和功率 IC(集成电路的一支)。理想情况下,完美的转化器在打开的时候没有任何电压损 失,在开闭转换的时候没有任何的功率损耗,因此功率半导体这个领域的产品和技术创新,其目标都是为了提高能量转化效率。

下图带阴影部分均是功率半导体:


根据 IHS 统计,2019 年全球功率半导体市场规模约为 400 亿美元,预计 2019-2025年全球功率半导体 CAGR 4.5%;根据华润微招股说明书,中国是全球最大的功率半导体消费国,2018 年市场需求规模达到 138 亿美元,增速为 9.5%,占全球需求比例达35.3%。


1.2 功率半导体产品梯次多,IGBT 是新一代中的典型产品

功率分立器件的演进路径基本为二极管→晶闸管→MOSFET→IGBT,其中,IGBT是功率半导体新一代中的典型产品。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由 BJT(双极型三极管)和 MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的全控-电压驱动的功率半导体, IGBT 既有 MOSFET 的开关速度快、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关损耗小的优点,又有 BJT 导通电压低、通态电流大、损耗小的优点,在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电子领域较为理想的开关器件,也被誉为“电力电子器件里的 CPU”。


根据 Yole 等相关统计,目前全球功率半导体中约 50%是功率 IC,其余的一半是功率分立器件;在功率分立器件销售 2017 年占比中,MOSFET 占比最高,约占 31%,其次是二极管/整流桥占比约 29%,晶闸管和 BJT 等占分立器件约 21%,IGBT 占比19%,但是其复合增速是所有产品中最快的。


1.3 IGBT 产业链与三种业务模式

IGBT 的产业链包括了上游的 IC 设计,中游的制造和封装,下游则包括了工控、新能源、家电、电气高铁等领域;

IGBT 企业有三种业务模式:


IDM:IDM 模式即垂直整合制造商,是指包含电路设计、晶圆制造、封装测试以及投向消费市场全环节业务的企业模式, IGBT 芯片、快恢复二极管芯片设计只是其中的一个部门,同时企业拥有自己的晶圆厂、封装厂和测试厂。该模式对企业技术、资金和市场份额要求极高,目前仅有英飞凌、三菱等少数国际巨头采用此模式;

模组:如丹佛斯、赛米控等;

Fabless 模式:Fabless 是 Fabrication(制造)和 less(没有)的组合。Fabless 模式是集成电路行业的一种经营模式,即企业自身专注于芯片设计,而将芯片制造外协给代工厂商生产制造的模式,而芯片代工厂商负责采购硅片和加工生产。Fabless 模式的企业无需投资建立晶圆制造生产线,减小了投资风险,能够快速开发出终端需要的芯片。

国外巨头大多数均采用 IDM 模式,而国内典型公司如斯达半导采用的 Fabless+模组的模式:Fabless 的模式在中国比较流行的主要原因在于,功率半导体并不是需要特别高精尖的晶圆厂代工,而单独建产线资本回收期非常长,另外大陆有较多的成熟工艺代工厂产能足够支配,因此对于国内厂商大多是后进者来说,在快速追赶期 Fabless也不失为一种比较好的模式。

1.4 IGBT 产品更新慢,价格稳定

从 20 世纪 80 年代至今, IGBT 芯片经历了 6 代升级,从平面穿通型(PT)到沟槽型电场—截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从 600V 提高到 6500V 以上。


IGBT 产品更新换代慢:目前英飞凌定义的 IGBT4 代是市场主流,已应用了十年以上,英飞凌于 18 年底推出 IGBT7,较 4 代面积减少 25%,成本降低,功耗降低,预计大面积推广仍需要 2-3 年。IGBT 更新换代相对比较慢,芯片对于产品性能起决定性作用,模块只能保证芯片性能发挥。IGBT 芯片新一代和老一代各有优势,老一代损耗和面积等指标不一定好,但是稳定性是经过长时间验证的,相当一部分客户在新一代出来时候还选择使用老一代芯片。国内和国际其他公司都有布局 IGBT7 代技术,但是产品的验证周期较长,一般客户需要 5~10 年验证可靠性和应用端的问题,因此迭代速度较慢。目前最新代的 IGBT 斯达在和华虹共同研发,预计年底试生产。

IGBT 的价格相对稳定:就算在行业下行的 2019 年大厂商的出厂价格都没有下降,显示出很健康的价格浮动。总结来看,IGBT 芯片的更新换代相对比较慢,且是渐进式的创新,不断优化升级,具体到某款 IGBT 产品,可以用到 10 年之久;同时供给端来看,IGBT 行业巨头主要是德系和日系厂商,风格相对比较保守,不会激进扩张产能和打价格战。需求稳定且价格波动相对小,即使在半导体整体需求不好的 2019 年,英飞凌的收入仍创下新高达到 80.3 亿欧元(2018 年 75.99 亿欧元)。

1.5 IGBT 技术和壁垒极高,产品重经验,品牌重积累

高端功率器件如 IGBT 看重工程师经验,公司品牌和口碑需要持续的积累:数字电路的设计核心在于逻辑设计,可通过 EDA 等软件,而功率半导体和模拟 IC 类似,需要根据实际产品参数进行不断调整与妥协,因此,对工程师的经验要求也更高,优秀的设计师需要 10 年甚至更长时间的经验。大学里功率半导体和模拟 IC 部分教材也基本相当于是过去几十年从业者的“经验笔记”,并没有像数字集成电路那样相对有“标准范式”,而研发也是通过研发工程师团队不断修改参数权衡性能和成本的过程。

具体来说,IGBT 技术和壁垒极高,主要体现在以下几个方面:

1)、IGBT 芯片设计 IGBT 芯片是 IGBT 模块的核心:其设计工艺极为复杂,不仅要保持模块在大电流、高电压、高频率的环境下稳定工作,还需保持开闭和损耗、抗短路能力和导通压降维持平衡。快恢复二极管芯片在 IGBT 模块中与 IGBT 芯片配合使用,需要承受高电压、大电流的同时,要求具有极短的反向恢复时间和反向恢复损耗。企业只有具备深厚的技术底蕴和强大的创新能力,积累丰富的经验和知识储备,才能在行业中立足。

因此,行业内的后来者往往需要经历一段较长的技术摸索和积累,才能和业内已经占据技术优势的企业相抗衡。

2)、模块设计及制造工艺

IGBT 模块对产品的可靠性和质量稳定性要求较高,生产工艺复杂,生产中一个看似简单的环节往往需要长时间摸索才能熟练掌握,如铝线键合,表面看只需把电路用铝线连接起来,但键合点的选择、键合的力度、时间及键合机的参数设置、键合过程中应用的夹具设计、员工操作方式等等都会影响到产品的质量和成品率。IGBT 模块作为工业产品的核心器件,需要适应不同应用领域中各种恶劣的工作环境,因此对产品质量的要求较高。如电焊机行业,考虑到逆变电焊机工作环境较为恶劣,使用负荷较重,在采购核心部件 IGBT 模块时会优先考虑模块的耐久性,因此芯片参数和模块制造工艺的可靠性是生产 IGBT 模块的核心。而且IGBT 和下游应用结合紧密,往往需要研发人员对下游应用行业较为了解才能生产出符合客户要求的产品。目前国内具有相关实践、经验丰富的研发技术人才仍然比较缺乏,新进入的企业要想熟练掌握 IGBT 芯片或模块的设计、制造工艺,实现大规模生产,需要花费较长的时间培养人才、学习探索及技术积累。

IGBT 厂商的产品稳定性需要长时间验证,品牌效应和口碑的建设需要积累:IGBT 模块是下游产品中的关键部件,其性能表现、稳定性和可靠性对下游客户来说至关重要,因此认证周期较长,替换成本高。对于新增的 IGBT 供应商,客户往往会保持谨慎态度,不仅会综合评定供应商的实力,而且通常要经过产品单体测试、整机测试、多次小批量试用等多个环节之后,才会做出大批量采购决策,采购决策周期较长。因此,新进入本行业者即使研发生产出 IGBT 产品,也需要耗费较长时间才能赢得客户的认可。

1.6 IGBT 行业驱动因素清晰,天花板上移驱动力强

IGBT 在工业控制及自动化、新能源汽车、电机节能、太阳能发电、风能发电等诸多领域都有广泛的应用;用于在各种电路中提高功率转换、传送和控制的效率,其中在新能源车中的驱动系统是最典型的应用。


全球的 IGBT 应用来看,工控占比 37%,为最大的应用领域,电动汽车 28%,新能源发电 9%,消费领域 8%;而在国内,由于我国高铁发达,下游应用领域工业控制 29%,轨道交通 28%,新能源汽车 12%,新能源发电 8%,不过随着我国新能源领域的不断发展,新能车和光伏、风电这两块需求占比未来将持续上升。


2017 年全球 IGBT 市场规模为 52.55 亿美元,同比 2016 年增长 16.5%,2018 年全球 IGBT 市场规模在 58.36 亿美元左右,同比增长 11%,在功率半导体各个细分中属于景气度最高的。


我国 IGBT 行业发展至今,已取得较大进展,虽然仍需大量进口,但已有一部分企业具备规模化生产能力。2010 年我国 IGBT 功率电器模块产量为 190 万只,2018 年增长至 1115 万只。


国内的 IGBT 需求增长远超全球增长:根据智研咨询的数据,2018 年中国 IGBT 市场规模为 161.9 亿元,同比增长 22.19%,增速显著高于全球平均水平;受益于新能源车、风电和光伏等我国强势领域的持续发展,预计未来国内 IGBT 的复合增速继续保持 20%以上。


1.7 IGBT 竞争格局:欧美日基本垄断,国产份额极低

IGBT 市场竞争格局较为集中,主要竞争者包括英飞凌、三菱、富士电机、安森美、瑞士 ABB 等,2017 年全球前五大 IGBT 厂商的份额超过 70%,国内企业目前的市场份额普遍偏小。


IGBT 多以 IGBT 模块形式出现,国内 IGBT 龙头斯达半导 2018 年在模块领域市占率为 2.2%,根据斯达半导 2018 年营收 6.75 亿元,推出 2018 年 IGBT 模块市场空间接近 300 亿元(其中 2018 年 IGBT 整体市场空间 58.36 亿美元)


国产替代空间广阔。目前国内 IGBT 模块打入全球前 10 的只有斯达半导,但也仅仅是占全球 IGBT 模块市场份额 2.2%,由于 IGBT 的下游应用新能源车、光伏、风电等这些新兴领域,我国在世界上的话语权高于过去的传统燃油车领域和工控领域,因此在 IGBT 的增量空间中有一半以上需求都在中国,未来几年我国的 IGBT 市场需求占比将从 2019 年不 35%提升到 2025 年的 50%或以上,为我国的 IGBT 厂商提升份额和竞争力创造了良好的条件,国产 IGBT 厂商市场份额和业务量的提升潜力非常大。

2、 确定高增:未来五年 IGBT 高景气驱动因素

2.1 IGBT 占新能源车成本近 8%,且是纯增量产品

IGBT 在电动车领域主要应用分三类:

1) 电控系统:IGBT 模块将直流变交流后驱动汽车电机(电控模块);

2)车载空调控制系统:小功率直流/交流逆变,这个模块工作电压不高,单价相对也低一些;

3)充电桩中 IGBT 模块被用作开关使用:充电桩中 IGBT 模块的成本占比接近

20%;


根据 Digitimes Research 的数据,目前新能车的成本结构中:

1) 电池成本占比最大,一般来说可以占到约电动车总成本 40%以上;

2) 成本占比第二大的是电机驱动系统,可以达到电动车总成本的 15%~20%,而 IGBT 则占到电机驱动系统成本 40%-50%,也就是说,IGBT 占新能源车总成本接近 8%的比例。


并且,对于 IGBT 来说,新能源汽车对 IGBT 需求是纯增量,因为传统燃油车功 率半导体器件电压低,只需要 Si 基的 MOSFET,而新能源汽车在 600V 以上 MOSFET无法达到要求,必须要换成 IGBT;因此 IGBT 是仅次于电池以外第二大受益的零部件。

每辆新能源车预计需要 450 美元的 IGBT:根据 Yole Development 的测算,2016年平均每辆车消耗大约 450 美元 IGBT,其中普通混合动力和插电式混合每辆车需要大约 300 美元的 IGBT,纯电动车平均每辆车使用 540 美元的 IGBT。

按照 2019 年单车 IGBT 平均用量为 460 美元,受益于 BEV 占比持续提升,预计2019-2022 年单车用量逐年增长至 2022 年的 490 美元/车,2023 年开始,SIC-MOS 的成熟后单车平均 IGBT 用量逐渐下滑至 2025 年的 430 美元/车,2025 年预测新能源车销量 504 万辆(根据国家新能源汽车产业发展规划——2025 年电动乘用车渗透率约 25%推算得出。)

按照以上假设思路,简单测算中国 2025 年车载 IGBT 市场规模达 22 亿美金,同时算个大数,届时全球新能源车数量预计为国内的 3 倍(即海外销量为国内的 2 倍),全球车载 IGBT 市场规模达 66 亿美金,相当于再造一个 IGBT 市场(2019 年全球总的IGBT 在 60 亿美金量级)。


2.2 IGBT 持续受益于光伏和风电在能源结构中占比提升

风电和光伏中的整流器和逆变器都需要用到 IGBT 模块。根据能源局数据,2019年国内光伏装机 30.11GW,全球光伏装机 115GW。


国内 2019 年光伏发电量占总发电量 3%,未来持续提升潜力大。根据联合国马德里气候变化大会的《中国 2050 年光伏发展展望》,从 2020 年至 2025 年这一阶段开始,中国光伏将启动加速部署;2025 年至 2035 年,中国光伏将进入规模化加速部署时期,到 2050 年,光伏将成为中国第一大电源,约占当年全国用电量的 40%左右,未来光伏发展的空间和潜力仍然较大。


风电和光伏 2025 年对应 IGBT 的全球需求量级在 15 亿美金:由前述智研咨询和英飞凌预计的 IGBT 总体空间和新能源发电占比可以推算出(IGBT 2018 年全球市场空间 58 亿美金,其中光伏风电等 IGBT 应用占比 9%),2018 年光伏风电 IGBT 市场空间约 5.22 亿美金。目前的能源结构里,太阳能和风能合计占比不足 10%。在全球节能减排大背景下,降低对化石能源的依赖,增加太阳能、风能的使用已经成为世界各国的共识。据 BloombergNEF 预测,预计 2025 年全球光伏新增装机接近 300GW,风电也比照光伏 5 年 2.5 倍左右的增长,则测算风电和光伏 2025 年对应 IGBT 的全球需求量级在 12-15 亿美金。

2.3 白色家电的变频驱动 IGBT 持续成长

IGBT 是“变频器”的核心部件之一,变频白色家电的推广可以为 IGBT 的 IPM带来稳定的市场。目前白色家电的变频渗透率还有提升空间:根据产业在线网,近年来国内白电变频渗透率在持续提升:1)空调:2012 年到 2018 年,国内变频空调销量从 3016 万台提升到 6434 万台,渗透率从 28.94%提升到 42.70%;2)冰箱:2012 年到2018年,国内变频冰箱销量从363万台提升到1665万台,渗透率从4.80%提升到22.15%;3)洗衣机:2012 年到 2018 年,国内变频洗衣机销量从 577 万台提升到 2163 万台,渗透率从 10.36%提升到 32.97%。Yole 预计 2022 年白色家电变频驱动 IGBT 市场规模达9.9 亿美金,较 17 年增长 22%。

变频白电这块的 IGBT 国产化低:国内仅有士兰微和华微电子有一些白电 IPM 模 块出货,家电 IPM 模块虽然单价较低,替换供应商的动力不强,并且下游集中,目前龙头企业的供应商均为日本,美国的企业,例如美的主要是 Sanyo、Fairchild;格力/海尔主要是 Mitsubishi,还有一些 IR、LS 等在供应,在供应链安全因为外部环境受到威胁时,国内的 IGBT 厂商未来在这一块利基市场还是有比较大的替代潜力。

2.4 工控领域是 IGBT 应用的基本盘

IGBT 模块是变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的核心元器件,且已在此领域中得到广泛应用。

1)变频器行业

我国变频器行业的市场规模总体呈上升态势。IGBT 模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。根据前瞻产业研究院整理,2016 年我国变频器行业的市场规模为 416.77 亿元,平均 4 年复合增长率为 8.74%。2017 年我国变频器市场规模约 453.2 亿元。未来几年,具有高效节能功能的高压变频器市场将受政策驱动持续增长,到 2023 年,高压变频器的市场将达到 175 亿元左右。

2)逆变焊机行业

逆变式弧焊电源,又称弧焊逆变器,是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频(50 赫兹)交流网路电压,先经输入整流器整流和滤波,变成直流,再通过大功率开关电子元件( IGBT)的交替开关作用,逆变成几千赫兹至几万赫兹的中频交流电压,根据国家统计局数据, 2018 年我国电焊机产量为 853.3 万台,同比 2017 年增加了 58.46 万台。电焊机市场的持续升温亦将保证 IGBT 需求量逐步增大。

全球工控 IGBT 下游市场较为分散:根据集邦咨询数据,2019 年全球工控市场 IGBT 市场规模约为 140 亿元,中国工控市场 IGBT 市场规模约为 30 亿元。由于工控市场下游需求分散,单一下游需求的增长难以拉动整体行业需求提升,因此工控IGBT 市场需求较为稳定,假设未来每年保持 3%的规模增速,预计到 2025 年全球工控 IGBT 市场规模将达到 170 亿元。这一块是 IGBT 行业的基本盘,需求稳定且波动相对较小。


3、 市场高关注:如何看待第三代半导体材料对IGBT 的挑战

3.1 宽禁带半导体介绍

全球多家功率半导体巨头均有布局下一代基于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的功率半导体,为在市场上与传统硅基功率半导体件进行对决奠定基础。

SiC 和 GaN 是第三代半导体材料,与第一二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料。


高频低压用 Si-IGBT,高频高压用 SiC MOS,电压功率不大但是高频则用 GaN。当低频、高压的情况下用 Si 的 IGBT 是最好,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高频又是高压的情况下,用 SiC 的MOSFET 最好。电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下用 GaN 效果最佳。


与 Si 相比,SiC 的导通电阻可以做的更低,体现在产品上面,就是尺寸降低,从而缩小体积。在新能源汽车行业,由于电池重量也比较大,那么别的器件的大幅度降低对于新能源车轻量化的帮助会比较大;比如 5KW 左右的 DC/DC 用 SiC 来做比 Si 的 IGBT 要轻 85%左右。


3.2 受制于成本问题,未来 3-5 年 IGBT 仍是最重要的应用

目前局限 SIC 用途的原因是成本太高,产品参数也不稳定。目前 SIC 芯片成本是IGBT 的 4-5 倍,但业界预计 SiC 成本三年内可以下降到 2 倍左右。目前有使用 SiC MOS的车型是特斯拉的 Model 3。

目前阻碍 SiC 成本下降的主要原因是基材缺陷。应用材料的战略营销总监如此评价:“这种较宽的带隙使材料具有优良的特性,例如更快的开关速度和更高的功率密度,但是主要挑战是基材缺陷,基面位错和螺钉位错会产生“致命缺陷”,SiC 器件必须减少这种缺陷,才能获得商业成功所需的高产量。”

成本下降和产品稳定需要时间验证,国产厂商的核心矛盾是国产替代。SiC

MOSFET 产品的稳定性需要进一步验证,根据英飞凌 2020 年功率半导体应用大会上专家披露,目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短,在车载领域才刚开始商用,一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证,一个高端功率半导体从客户认证到产品试应用再到产品批量应用要比较长的时间,因此,未来 3-5 年 IGBT 还是主流的高端功率半导体产品,SiC 会在部分高端新能源车领域有一些逐步缓慢的渗透。但是对于国内厂商来说,未来 5 年核心矛盾是国产替代(龙头市占率从 2%到 20%)。

3.3 长期视角:国内 IGBT 国产替代的同时,也有对 SiC 进行前瞻布局

第三代材料 SiC 等作为功率半导体技术演进的方向之一,国内 IGBT 也有一些研发储备和样品推出,下面以斯达半导和中车时代电气为例:

一、 斯达半导:公司 SiC 相关的产品和技术储备在紧锣密鼓的进行

1、 公司已经成功研发出碳化硅模块相关技术根据斯达半导招股说明书的披露:公司研发出碳化硅模块相关技术主要包括:

a.银浆烧结技术:采用银浆烧结后连接层熔点可达到 900 度以上,为锡焊工艺连接层熔点的 4 倍,适合于工作温度在 200 度以上的应用领域;银浆烧结层的电导、热导分别是锡焊连接层的 5 倍和 4 倍;

b.铜线键合技术:铜线相较于铝线,其熔点从 660C 提高到 1083C,可大幅度提高铝线的过流能力。同时其热导率、电阻率以及杨氏模量均大幅优于铝线,并且其热膨胀系数从铝线的 23.6 降为 16.5,可大幅降低芯片工作时升降温的连接层应力,提高芯片的抗功率循环能力。

2、公司重点项目储备进展

招股书中对于公司在研的重点项目储备进展有介绍,其中第四项储备:

1)项目名称:宽禁带半导体器件功率模块的开发;

2)项目进展:目前已经开发出应用于光伏的 SiC 器件模块,供客户批量使用,车用 SiC 模块已经完成样品认证。

3)项目拟达到的目的:进一步完善产品系列,2019 年完善光伏应用的 SiC 器件及应用于新能源汽车的 SiC 模块产品。

3、公司在未来重点攻关技术研发与开发计划:

主要提到三项重要产品开发:1、全系列 FS-Trench 型 IGBT 芯片的研发;2、新一代 IGBT 芯片的研发;3、SiC、GaN 等前沿功率半导体产品的研发、设计及规模化生产:公司将坚持科技创新,不断完善功率半导体产业布局,在大力推广常规 IGBT模块的同时,依靠自身的专业技术,积极布局宽禁带半导体模块(SiC 模块、 GaN 模块),不断丰富自身产品种类,加强自身竞争力,进一步巩固自身行业地位。

二、 中车时代电气:官网中除了展示 IGBT 产品,还有展示 5 款 SiC 肖特基(SIC SBD 产品)


因此,目前来看,SiC 产业链被国外高度垄断,未来 2-3 年当 SiC 成本由目前是 Si 基 4-5 倍下降至 2 倍,并且国内 SIC 上下游产业链也更加成熟、打破国外垄断时,预 计 SIC 才会在国内开始提升渗透率,并且 SiC 只是一种基材,未来随着 SiC 技术的逐渐成熟,也会有 SiC IGBT 相关产品。

总结来看,未来 3-5 年 Si IGBT 还是应用主流,国内厂商的核心逻辑在于工控家电新能源领域进行国产替代提升份额,5 年后 SiC 基材逐渐侵占 Si 基材份额的大趋势下,相信国内的技术领先优质的龙头功率半导体也能够积极储备相关技术和产品,积极拥抱迎接这一行业创新。

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