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公告番号WO2011046091 A1
公開タイプ出願
出願番号PCT/JP2010/067788
公開日2011年4月21日
出願日2010年10月8日
優先日2009年10月13日
公告番号PCT/2010/67788, PCT/JP/10/067788, PCT/JP/10/67788, PCT/JP/2010/067788, PCT/JP/2010/67788, PCT/JP10/067788, PCT/JP10/67788, PCT/JP10067788, PCT/JP1067788, PCT/JP2010/067788, PCT/JP2010/67788, PCT/JP2010067788, PCT/JP201067788, WO 2011/046091 A1, WO 2011046091 A1, WO 2011046091A1, WO-A1-2011046091, WO2011/046091A1, WO2011046091 A1, WO2011046091A1
発明者Takahito Watanabe, 敬仁 渡邊, Takashi Manako, 眞子 隆志
特許出願人Nec Corporation, 日本電気株式会社
引用のエクスポートBiBTeX, EndNote, RefMan
外部リンク:  Patentscope, Espacenet
磁性体装置
WO 2011046091 A1
要約書
 磁性体装置は、基板と、基板の第1主面上に搭載された少なくとも1つの磁性体素子と、基板の第1主面側に配置された軟磁性体の磁気シールドと、を備える。磁気シールドは、基板から見て凸になるように湾曲する湾曲領域を含む。その湾曲領域は、少なくとも、基板上面から見て磁気シールドと磁性体素子とがオーバーラップする領域を含む。磁気シールドと磁性体素子との間の空間は、磁気的に空洞である。
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特許請求の範囲(7)
  1.  基板と、
     前記基板の第1主面上に搭載された少なくとも1つの磁性体素子と、
     前記基板の前記第1主面側に配置された軟磁性体の磁気シールドと
     を備え、
     前記磁気シールドは、前記基板から見て凸になるように湾曲する湾曲領域を含み、
     前記湾曲領域は、少なくとも、前記基板上面から見て前記磁気シールドと前記磁性体素子とがオーバーラップする領域を含み、
     前記磁気シールドと前記磁性体素子との間の空間は、磁気的に空洞である
     磁性体装置。
  2.  請求項1に記載の磁性体装置であって、
     前記磁気シールドと前記磁性体素子との間には非磁性絶縁体が充填されている、または、前記磁気シールドと前記磁性体素子の間の空間は空洞である
     磁性体装置。
  3.  請求項1又は2に記載の磁性体装置であって、
     前記磁気シールドの前記空間と逆側の面は、磁性体粉が混合された外部モールド樹脂によって覆われている
     磁性体装置。
  4.  請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁性体装置であって、
     前記磁気シールドは、導電性磁性材料で形成され、且つ、接地されている
     磁性体装置。
  5.  請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁性体装置であって、
     前記磁性体素子の数は複数であり、
     前記湾曲領域は、前記複数の磁性体素子の全てをカバーする
     磁性体装置。
  6.  請求項1乃至5のいずれか一項に記載の磁性体装置であって、
     前記湾曲領域は、前記磁気シールドの全域にわたる
     磁性体装置。
  7.  請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁性体装置であって、
     更に、軟磁性体の他の磁気シールドを備え、
     前記他の磁気シールドは、前記基板の前記第1主面と逆側の第2主面側に配置され、
     前記他の磁気シールドは、前記基板から見て凸になるように湾曲する他の湾曲領域を備え、
     前記他の磁気シールドと前記基板との間の空間は、磁気的に空洞である
     磁性体装置。
明細書
磁性体装置

 本発明は、磁性体装置に関する。特に、本発明は、磁気シールドを備えた磁性体装置に関する。

 磁性体を利用した磁性体素子が知られている。例えば、磁気抵抗素子(Magneto Resistance
Element)は、磁性体の磁化状態に応じて抵抗値が変わる磁性体素子である。典型的な磁気抵抗素子は、2層の磁性体層に非磁性体層が挟まれた構造を有している。一方の磁性体層は、磁化方向が固定された磁化固定層であり、他方は、磁化方向が反転可能な磁化自由層である。このように構成された磁気抵抗素子の抵抗値は、磁化固定層と磁化自由層の磁化方向が互いに平行である場合よりも、それらが反平行である場合により高くなる。このような磁気抵抗素子を利用することによって、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)や様々な論理回路を構成可能である。

 磁性体素子を用いた磁性体装置では、その正常動作のために、磁性体の磁化状態(磁化方向等)が外部擾乱によって変動することを防ぐことが重要である。そのために、一般的に、「磁気シールド(magnetic shield)」が利用される。

 特許文献1(特開2003−124538号公報)には、MRAMチップを封止する樹脂の表面が湾曲している情報記憶装置が開示されている。MRAMチップの樹脂封止には、高透磁率粉末が混合された樹脂が用いられている。言い換えれば、MRAMチップの周囲が、高透磁率粉末が混合された封止樹脂で固められている。

 特許文献2(特開2003−309196号公報)には、磁気不揮発性メモリ素子の磁気シールドパッケージが開示されている。図1は、その磁気シールドパッケージの断面構造を示している。磁気シールドパッケージ110は、MRAM素子111、ワイヤ112、リードフレーム113、及び磁気シールド114を備えている。MRAM素子111は、ワイヤ112でリードフレーム113に接続されている。更に、MRAM素子111は、その周囲全体が中空の磁気シールド114に囲まれている。磁気シールド114は、絶縁性の軟磁性材料で形成され、図1に示されるように矩形の断面形状を有している。

特開2003−124538号公報 特開2003−309196号公報

 しかしながら、特許文献1に記載の技術には、以下に示すような問題点が存在する。即ち、特許文献1に記載の情報記憶装置は、MRAMチップを封止する樹脂の表面が湾曲した態様であるが、MRAMチップの周囲が高透磁率粉末が混合された封止樹脂で固められており、封止樹脂とMRAMチップの間に透磁率の低い空間が存在しない。この構造の場合、高周波の磁界変動に対するシールド効果は得られるかもしれないが、静磁界に対するシールド効果は得られない。それは、静磁界の磁束は高透磁率領域に集中するためである。MRAMチップを取り囲む高透磁率樹脂は、MRAMチップの周りに静磁界の磁束を集中させるため、そのMRAMチップに対してシールド効果ではなく、むしろダメージを与えてしまう。

 一方、図1で示された特許文献2の構造の場合、MRAM素子111と磁気シールド114との間に透磁率の低い空間が存在する。しかしながら、MRAM素子111の上方において、磁気シールド114は水平(デバイス面に平行)である。このため、その水平磁気シールド114に対して垂直な外部磁界Heが印加された場合、理論的には、その外部磁界Heは磁気シールド114を貫通して、磁気シールド114より内側のMRAM素子111近傍に達してしまう。すなわち、所望のシールド効果が十分に得られない。

 本発明の目的は、磁気シールドを備える磁性体装置において、シールド効果をより向上させることができる技術を提供することにある。

 本発明の1つの観点において、磁性体装置が提供される。その磁性体装置は、基板と、基板の第1主面上に搭載された少なくとも1つの磁性体素子と、基板の第1主面側に配置された軟磁性体の磁気シールドと、を備える。磁気シールドは、基板から見て凸になるように湾曲する湾曲領域を含む。その湾曲領域は、少なくとも、基板上面から見て磁気シールドと磁性体素子とがオーバーラップする領域を含む。磁気シールドと磁性体素子との間の空間は、磁気的に空洞である。

 本発明によれば、磁気シールドを備える磁性体装置において、シールド効果がより向上する。

 上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。

図1は、関連技術に係る典型的な磁気シールドパッケージを示す断面図である。 図2は、本発明の実施の形態に係る磁性体装置の構造を示す断面図である。 図3は、本実施の形態に係る磁気シールドの形状の一例を示す斜視図である。 図4は、本実施の形態に係る磁気シールドの形状の他の例を示す斜視図である。 図5は、本実施の形態に係る磁性体装置の構造を示す断面図である。 図6は、本実施の形態に係る磁気シールドによる効果を説明するための概略図である。 図7は、シミュレーション条件を説明するための概略図である。 図8は、シミュレーション条件を説明するための概略図である。 図9は、シールド効果の曲率依存性を示すグラフである。 図10は、シールド効果の厚さ依存性を示すグラフである。 図11は、本実施の形態に係る磁性体装置の第1の変形例を示す断面図である。 図12は、本実施の形態に係る磁性体装置の第2の変形例を示す断面図である。 図13は、本実施の形態に係る磁性体装置の第3の変形例を示す断面図である。 図14は、本実施の形態に係る磁性体装置の第4の変形例を示す断面図である。 図15は、本実施の形態に係る磁性体装置の第5の変形例を示す断面図である。 図16は、本実施の形態に係る磁性体装置のパッケージの一例を示す断面図である。 図17は、本実施の形態に係る磁性体装置のパッケージの他の例を示す断面図である。 図18は、本実施の形態に係る磁性体装置のパッケージの更に他の例を示す断面図である。 図19は、本実施の形態に係る磁性体装置のパッケージの更に他の例を示す斜視図である。

 添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁性体装置を説明する。

 1.基本構造
 図2は、本発明の実施の形態に係る磁性体装置1の構造を示す断面図である。図2に示されるように、磁性体装置1は、基板10、磁性体素子20、及び磁気シールド30を備えている。以下の説明において、基板10の表面に垂直な方向はZ方向であり、Z方向に直交する平面方向は、X方向及びY方向である。

 基板10は、磁性体素子20が搭載される部材である。基板10としては、配線基板、リードフレーム、半導体基板などが挙げられる。図2に示されるように、基板10は、磁性体素子20が搭載される第1主面(表面)11と、第1主面11の逆側の第2主面(裏面)12を有している。

 磁性体素子20は、磁性体を利用した素子である。磁性体素子20としては、磁気抵抗素子、MRAMチップ、磁気抵抗素子を利用した論理回路などが挙げられる。本実施の形態では、少なくとも1つの磁性体素子20が、基板10の第1主面11上に搭載される。

 磁気シールド30は、軟磁性体材料で形成されている。この軟磁性体材料は、十分に高い比透磁率(好ましくは、1000以上)を有している。軟磁性体材料としては、鉄、ニッケル、珪素鋼、パーマロイ、フェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金などが挙げられる。尚、磁気シールド30とボンディングワイヤ等の内部構造との間のショートが懸念される場合、磁気シールド30の材料として、絶縁性磁性体(フェライト、等)が用いられてもよい。あるいは、導電性磁性体の磁気シールド30の表面が、絶縁体でコーティングされてもよい。

 図2に示されるように、磁気シールド30は、基板10の第1主面11側に少なくとも配置されている。更に、磁気シールド30の少なくとも一部分は、基板10から見て凸になるように湾曲している。磁気シールド30が湾曲している領域は、以下「湾曲領域RC」と参照される。本実施の形態では、湾曲領域RCは、少なくとも、磁気シールド30と磁性体素子20とがオーバーラップしている領域を含む。言い換えれば、磁気シールド30の湾曲部分が、磁性体素子20の上方を覆っている。図2で示された例では、湾曲領域RCは、磁気シールド30の全域にわたっている。

 図3及び図4は、磁気シールド30の形状の例を示す斜視図である。図3の例では、磁気シールド30はドーム形状を有している。図4の例では、磁気シールド30は、トンネル形状(部分円筒形状)を有している。

 再度図2を参照して説明する。磁気シールド30と磁性体素子20との間の空間MCは、“磁気的に空洞”であり、以下「磁気空洞空間MC」と参照される。“磁気的に空洞”とは、高透磁率の磁気シールド30(比透磁率>1000)に比べて、透磁率が極めて低い(比透磁率〜1)ことを意味する。例えば、図2に示されるように、磁気空洞空間MCは、物理的に空洞である。あるいは、図5に示されるように、磁気空洞空間MCは、非磁性絶縁体40で充填されていてもよい。非磁性絶縁体40は、例えば、モールド樹脂(molding compound)である。

 2.作用、効果
 図6を参照して、本実施の形態に係る構造による効果を説明する。ここでは、デバイス面(基板10の表面)に垂直なZ方向の外部磁界Heを考える。

 上述の通り、磁気シールド30は、基板10から見て凸形状に湾曲した湾曲領域RCを有している。従って、湾曲領域RCのほとんど全ての位置で、Z方向の外部磁界Heが磁気シールド30の表面に対して垂直でなくなる。その結果、図6に示されるように、外部磁界Heの磁束は、磁気シールド30を貫通することなく、高透磁率の磁気シールド30内部に効率的にガイドされる。言い換えれば、外部磁界Heの磁束は、磁気シールド30によって、Z方向から離れる方向に曲げられる。特に、湾曲領域RCは磁性体素子20の上方を覆っているため、外部磁界Heの磁束は、磁性体素子20の上方において、磁性体素子20から離れる方向に曲げられる。

 更に、磁気シールド30と磁性体素子20との間の磁気空洞空間MCの透磁率は、磁気シールド30の透磁率に比べて極めて低い。従って、高透磁率の磁気シールド30内部に一旦ガイドされた磁束が、磁気空洞空間MCに漏れ出すことが効果的に防止される。このように、本実施の形態によれば、磁性体素子20の近傍にまで到達する外部磁界Heの磁束が大幅に低減される。すなわち、磁気シールド30によるシールド効果が向上する。このため、磁性体素子20として垂直磁化膜を利用したMRAMチップを採用した場合、本実施の形態の磁気シールド30は特に好適である。

 本願発明者らは、シミュレーションを通して、本実施の形態による効果を実証した。図7及び図8は、シミュレーション条件を説明するための図である。磁気シールド30の形状は、図4で示されたトンネル形状(部分円筒形状)である。円筒の長手方向の長さは20mmである。円筒の内径の曲率半径はr[mm]であり、その曲率は1/r[/mm]である。磁気シールド30の厚さはd[mm]である。磁気シールド30の比透磁率は2000であり、その飽和磁化は1[T]である。また、磁気シールド30の底部からZ方向に20mm離れた位置に、磁石が配置された。その磁石の平面積は20mm×28mmであり、その厚さは50mmである。その磁石の保磁力は3000[Oe]であり、残留磁化は4000[G]である。この磁石により生成される垂直磁界に対するシールド効果が調べられた。

 図9は、シールド効果の曲率依存性を示すグラフである。縦軸は素子近傍の垂直磁界[Oe]を表し、横軸は曲率1/r[/mm]を表している。厚さdは0.15mmに固定されている。曲率1/r=0の場合は、図1で示された水平の磁気シールドに相当する。図9から、磁気シールドを湾曲させることによってシールド効果が高まっていることが分かる。但し、曲率があまりにも大きくなり過ぎると、シールド効果が弱くなる傾向もある。曲率が0.06[/mm]以下であると十分なシールド効果が得られ、好適である。

 図10は、シールド効果の厚さ依存性を示すグラフである。縦軸は素子近傍の垂直磁界[Oe]を表し、横軸は厚さd[mm]を表している。曲率半径rは26mmに固定されている。図10から、十分なシールド効果を得るためには、ある程度の厚さdが必要であることが分かる。厚さdが0.1mm以下の場合、磁気シールド30は飽和状態にあると考えられる。一方、厚さdが5mm以上になると、磁気シールド30内部の反磁界成分が弱くなると考えられる。

 以上に説明されたように、本実施の形態によれば、磁気シールドによるシールド効果が向上する。尚、シールド効果は、Z方向の外部磁界に対してだけに限られない。湾曲した磁気シールド30によって、全方位に対するシールド効果が同様に実現される。

 3.変形例
 3−1.第1の変形例
 図11は、磁性体装置1の第1の変形例を示す断面図である。図11に示されるように、湾曲領域RCは、磁気シールド30のうち一部分だけであってもよい。その場合でも、湾曲領域RCは、磁性体素子20と磁気シールド30とがオーバーラップする領域を少なくとも含んでいる。

 3−2.第2の変形例
 図12は、磁性体装置1の第2の変形例を示す断面図である。パッケージ構造が許せば、図12に示されるように、基板10の両側に磁気シールド30が設けられてもよい。より詳細には、第1磁気シールド30Aが第1主面11側に配置され、第2磁気シールド30Bが第2主面12側に配置されている。磁気シールド30A、30Bの各々は、磁気シールド30と同様である。すなわち、磁気シールド30A、30Bの各々は、基板10から見て凸になるように湾曲している。更に、磁気シールド30A、30Bの各々と基板10との間の空間MCは、磁気的に空洞である。本変形例によれば、シールド効果が更に向上する。

 3−3.第3の変形例
 磁気シールド30の外周面は露出していてもよいが、腐食防止や加工性を考えると、磁気シールド30の外側も樹脂封止した方が望ましい。図13は、磁性体装置1の第3の変形例を示す断面図である。図13において、磁気シールド30の外周面(磁気空洞空間MC側と逆側の面)は、外部モールド樹脂50によって覆われている。これにより、磁気シールド30の腐食が防止され、また、加工性も向上する。

 更に、磁気シールド30の外側の外部モールド樹脂50には、磁性体粉が混合されていてもよい。すなわち、磁気シールド30の外周面(磁気空洞空間MC側と逆側の面)は、磁性体粉が混合された外部モールド樹脂50によって覆われていてもよい。これにより、全体としてのシールド効果が更に高まる。また、磁気シールド30の端部から放出される磁束を、透磁率の差により、磁気空洞空間MCではなく外部モールド樹脂50側に集めることができる。磁束の磁気空洞空間MCへの侵入が更に抑制され、好適である。

 3−4.第4の変形例
 図14は、磁性体装置1の第4の変形例を示す断面図である。本変形例において、磁気シールド30は、導電性磁性材料で形成された金属磁気シールドである。そして、その金属磁気シールド30が接地されている。例えば、基板10上にグランドパッド61が設けられ、金属磁気シールド30は半田62を介してそのグランドパッド61に電気的に接続される。このように接地した金属磁気シールド30は、電磁波シールドの役割も果たすことになり、好適である。

 3−5.第5の変形例
 図15は、磁性体装置1の第5の変形例を示す断面図である。本変形例において、基板10上には複数の磁性体素子20が搭載され、磁気シールド30はそれら複数の磁性体素子20の全てをカバーするように共通に設けられる。例えば、配線基板10上に2つのMRAMチップ20−1、20−2が搭載され、磁気シールド30はそれらMRAMチップ20−1、20−2の両方をカバーするように共通に設けられる。

 なお、図15は2つのMRAMチップ20−1、20−2がX軸方向に並んだ態様であるが、複数のMRAMチップがY軸方向に並んだ態様、X軸方向及びY軸方向に2次元的に並んだ態様も、もちろん可能である。

 矛盾しない限りにおいて、上述の変形例同士の組み合わせも可能である。

 4.パッケージ例
 以下、本発明が適用された磁気シールドパッケージの様々な例を説明する。

 図16は、BGA(Ball Grid Array)パッケージの例を示している。外部端子としての半田ボール(Solder Ball)71を有する配線基板10上に、磁性体素子20が搭載されている。磁性体素子20は、例えば、垂直磁化膜を利用したMRAMチップである。配線基板10とMRAMチップ20との間の接着層72は、DAF(Die Attach Film)あるいはDAP(Die Attach Paste)である。MRAMチップ20は、ボンディングワイヤ73を介して、配線基板10に電気的に接続されている。

 磁気シールド30と配線基板10との間の磁気空洞空間MCは、物理的に空洞であってもよいし、非磁性絶縁体40で充填されていてもよい。磁気シールド30とボンディングワイヤ73との間のショートが懸念される場合、磁気シールド30の材料として、絶縁性磁性体(フェライト、等)が用いられてもよい。あるいは、導電性磁性体の磁気シールド30の表面が、絶縁体でコーティングされてもよい。

 磁気シールド30は、接着剤74で配線基板10に固定されてもよい。磁気空洞空間MCが非磁性絶縁体40で充填される場合、接着剤74はなくてもよい。あるいは、磁気シールド30が金属磁気シールドである場合、その金属磁気シールド30は、導電部材(半田、導電性樹脂、導電性接着剤、等)を介して、配線基板10のグランドパッドに電気的に接続されてもよい。磁気シールド30の外周面は、磁性体粉が混合された外部モールド樹脂50によって覆われていてもよい。

 図17は、FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)パッケージの例を示している。外部端子としての半田ボール81を有する配線基板10上に、磁性体素子20が搭載されている。磁性体素子20は、例えば、垂直磁化膜を利用したMRAMチップである。MRAMチップ20上には接続端子としての半田バンプ82が形成されており、MRAMチップ20は、その半田バンプ82を介して、配線基板10に電気的に接続されている。

 磁気シールド30と配線基板10との間の磁気空洞空間MCは、物理的に空洞であってもよいし、非磁性絶縁体40で充填されていてもよい。磁気シールド30は、接着剤84で配線基板10に固定されてもよい。磁気空洞空間MCが非磁性絶縁体40で充填される場合、接着剤84はなくてもよい。あるいは、磁気シールド30が金属磁気シールドである場合、その金属磁気シールド30は、導電部材(半田、導電性樹脂、導電性接着剤、等)を介して、配線基板10のグランドパッドに電気的に接続されてもよい。磁気シールド30の外周面は、磁性体粉が混合された外部モールド樹脂50によって覆われていてもよい。

 図18は、QFP(Quad Flat Package)の例を示している。基板10に相当するダイパッド91上に、磁性体素子20が搭載されている。磁性体素子20は、例えば、垂直磁化膜を利用したMRAMチップである。ダイパッド91とMRAMチップ20との間の接着層92は、DAFあるいはDAPである。MRAMチップ20は、ボンディングワイヤ93を介して、外部端子としてのリードフレーム(lead frame)95に電気的に接続されている。

 磁気シールド30は、リードフレーム95上に載置される。従って、磁気シールド30は絶縁性磁性体で形成される、あるいは、導電性の磁気シールド30が絶縁体でコーティングされることが望ましい。磁気シールド30は、絶縁性の接着剤94でリードフレーム95に固定されてもよい。磁気シールド30の内側の磁気空洞空間MCは、物理的に空洞であってもよいし、非磁性絶縁体40で充填されていてもよい。磁気シールド30の外周面は、磁性体粉が混合された外部モールド樹脂50によって覆われていてもよい。

 図18に示されるように、ダイパッド91(基板10)の両側に、第1磁気シールド30Aと第2磁気シールド30Bがそれぞれ配置されると好適である。当然、第2磁気シールド30Bが除かれても、本発明の効果は得られる。

 図19は、マルチチップモジュールパッケージの例を示している。例えば、基板10上に、複数のMRAMチップ20Aが搭載される。また、1パッケージ内に、MRAMチップ20Aと他の半導体チップ20Bが混載されていてもよい。いずれの場合であっても、磁気シールド30は全てのチップをカバーするように設けられる。

 以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

 本出願は、2009年10月13日に出願された日本国特許出願2009−236326を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

引用特許
引用特許 出願日公開日 特許出願人 特許名
WO1997040654A1 *1997年4月23日1997年10月30日Okamura, SusumuSemiconductor device
JP2003124538A * 特許名が不明です
JP2003309196A * 特許名が不明です
JP2004349476A * 特許名が不明です
JP2005531928A * 特許名が不明です
JPH03214691A * 特許名が不明です
被引用特許
被引用特許 出願日公開日 特許出願人 特許名
US96598802016年3月3日2017年5月23日Shinko Electric Industries Co., Ltd.Semiconductor device
分類
国際特許分類H01L43/02, H01L23/14, H01L23/00, H01L21/8246, H01L27/105
共通分類H01L2924/00014, H01L2924/181, H01L2924/07802, H01L24/48, H01L23/14, H01L23/3135, H01L2224/48227, H01L2224/48247, H01L23/315, H01L25/0655, H01L23/552, H01L2924/3025, H01L23/3121, H01L2224/73265, H01L2224/32245
欧州特許分類H01L23/31H4, H01L23/31H8, H01L23/31H2, H01L23/14, H01L23/552
法的なイベント
日付コードイベント説明
2011年6月8日121Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
Ref document number: 10823359
Country of ref document: EP
Kind code of ref document: A1
2012年3月19日WWEWipo information: entry into national phase
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