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技術 半導体封止用3次元シート状接着体

出願人 長瀬産業株式会社ナガセケムテックス株式会社
発明者 渡邊桂司橋本卓幸野村英一越部茂
出願日 2005年9月14日 (12年4ヶ月経過) 出願番号 2005-266165
公開日 2006年5月11日 (11年8ヶ月経過) 公開番号 2006-117919
状態 拒絶査定
技術分野 接着テープ 接着剤、接着方法 半導体又は固体装置の封緘,被覆構造と材料
主要キーワード 封止システム 微粒球 金属箔フィルム 再剥離フィルム 粉体圧縮 加圧釜 熱圧着加工 エクセポール

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図面 (7)

課題

複数の半導体部材混載した半導体装置封止に適したシート状接着体を提供する。

解決手段

フィルムのうえに品質特性の異なる複数種エポキシ樹脂系組成物並列又は及び積層した3次元構造を有するシート状接着体である。エポキシ樹脂系組成物はエポキシ樹脂及び充填剤等より構成される。複数種のエポキシ樹脂系組成物は充填剤として各々シリカを含み、該シリカの特性(形状、粒径等)や含有量が異なることが好ましい。又、フィルムは剥離性絶縁性導電性放熱性低熱膨張性遮光性光透過性光反射性耐熱性撥水性ガス透過性電磁波遮蔽性及び電磁波吸収性から選ばれた少なくとも一つの機能を有していることが好ましい。

概要

背景

最近の半導体装置樹脂系組成物によって封止されているといって過言ではない。樹脂以外の素材金属ガラス及びセラミック等)による封止方法はごく一部の特殊な半導体装置で採用されているに過ぎない。又、樹脂系組成物は、樹脂、充填剤添加剤等で構成されており、樹脂としては熱硬化性エポキシシリコーンポリイミド等)及び熱可塑性ポリフェニレンスルファイド等)が知られているが、半導体用途では主にエポキシ樹脂が使用されている。

半導体封止用エポキシ樹脂系組成物(以降、樹脂組成物と称する)は、約30年前に原型ができ現在に至っている。この間、半導体装置は飛躍的な進歩を遂げ、これに追随するため樹脂組成物の成分はかなり変化してきた。例えば、樹脂はクレゾールノボラック型からビフェノール型に、充填剤であるシリカ破砕状から球状へと基本的な構造や形状が変わってきた。

しかし、封止方法自体はほとんど進化していないのが実状である。樹脂組成物が固形であれば移送成形、液状であれば滴下成形する方法が依然として採用されている。又、半導体素子1個を搭載する半導体装置の成形工程においては、同一材料を使用し該装置を封止するのが通常である。つまり、汎用の半導体装置は同じ樹脂組成物により封止されているのが常識である。

半導体複合装置、例えば、マルチチップモジュールMCM)やシステムインパッケージ(SiP)と呼ばれる装置は、複数の半導体部材を搭載している。即ち、寸法、機能及び性能(速度、発熱等)の異なる部材を混載している。このような半導体複合装置は、当然ながら各部材毎に最適の樹脂組成物で封止することが合理的である。例えば、電極間隔の短い部材は他よりも注入性に優れる樹脂組成物で封止することが好ましい。

しかし、現在の半導体複合装置の封止方法は、従来方法を踏襲しており、同一組成の樹脂組成物を用いて装置全体を封止する場合が多い。特に、高品質より低価格を重視する製品では顕著であり、低コスト指向の強い半導体複合装置では半導体部材と樹脂組成物の相性は無視されていた。

一方、半導体装置の軽薄短小化、即ち、高集積・高密度実装の追及には益々拍車がかかっている。例えば、積層型半導体装置(3DP)や一括封止型半導体装置MAP)も実用化されてきた。これら最先端の半導体装置では、樹脂組成物及び封止方法(これらを封止システムと称する)の抜本的な見直しが要求されている。従来の封止システムでは金線変形や未充填といった大きな問題が発生しているからである。

この結果、新しい封止システムの検討が始まっている。例えば、樹脂組成物検討としてはシリカの高充填や微細化、封止方法検討としては粉体圧縮成形等である。本発明者らは、既に新規封止システムとしてシート状接着材料圧縮成形を提案している。

今後の半導体複合装置は、非常に複雑で多機能になってくる。多種、多数の半導体部材が3次元的に高密度実装された構造、例えば、MCM、3DP及びMAPが組み合わさった半導体複合装置になると考えられる。本発明者らは、シート状接着材料の検討を鋭意進め、次世代半導体複合装置に適した全く新しい封止用材料を提案するものである。

特開昭49−10058号公報
特開2004−56141号公報
特開2004−346186号公報
マイクロデバイス、P82、1984.6.11(日経BP社
電子材料2004年8月号P44(工業調査会)
第15回VLSIパッケージシンポジウム、2000年3月

概要

複数の半導体部材を混載した半導体装置の封止に適したシート状接着体を提供する。フィルムのうえに品質特性の異なる複数種のエポキシ樹脂系組成物を並列又は及び積層した3次元構造を有するシート状接着体である。エポキシ樹脂系組成物はエポキシ樹脂及び充填剤等より構成される。複数種のエポキシ樹脂系組成物は充填剤として各々シリカを含み、該シリカの特性(形状、粒径等)や含有量が異なることが好ましい。又、フィルムは剥離性絶縁性導電性放熱性低熱膨張性遮光性光透過性光反射性耐熱性撥水性ガス透過性電磁波遮蔽性及び電磁波吸収性から選ばれた少なくとも一つの機能を有していることが好ましい。

目的

本発明は、最先端の半導体複合装置を封止するのに適した3次元構造を有する接着体を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

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請求項1

請求項2

複数種のエポキシ樹脂系組成物が各々シリカを含み、該シリカの特性(形状、粒径等)や含有量が異なることを特徴とする請求項1に記載のシート状接着体。

請求項3

フィルムが剥離性絶縁性導電性放熱性低熱膨張性遮光性光透過性光反射性耐熱性撥水性ガス透過性電磁波遮蔽性及び電磁波吸収性から選ばれた少なくとも一つの機能を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシート状接着体。

技術分野

0001

本発明は、複数の半導体部材を搭載した電子部品半導体複合装置と称する)の封止に適したエポキシ樹脂系組成物積層体に係わる。尚、ここでいう半導体部材とは、半導体素子及び関連部材抵抗コンデンサー等)を含む半導体複合装置を構成する部材全般を示す。

背景技術

0002

最近の半導体装置樹脂系組成物によって封止されているといって過言ではない。樹脂以外の素材金属ガラス及びセラミック等)による封止方法はごく一部の特殊な半導体装置で採用されているに過ぎない。又、樹脂系組成物は、樹脂、充填剤添加剤等で構成されており、樹脂としては熱硬化性エポキシシリコーンポリイミド等)及び熱可塑性ポリフェニレンスルファイド等)が知られているが、半導体用途では主にエポキシ樹脂が使用されている。

0003

半導体封止用のエポキシ樹脂系組成物(以降、樹脂組成物と称する)は、約30年前に原型ができ現在に至っている。この間、半導体装置は飛躍的な進歩を遂げ、これに追随するため樹脂組成物の成分はかなり変化してきた。例えば、樹脂はクレゾールノボラック型からビフェノール型に、充填剤であるシリカ破砕状から球状へと基本的な構造や形状が変わってきた。

0004

しかし、封止方法自体はほとんど進化していないのが実状である。樹脂組成物が固形であれば移送成形、液状であれば滴下成形する方法が依然として採用されている。又、半導体素子1個を搭載する半導体装置の成形工程においては、同一材料を使用し該装置を封止するのが通常である。つまり、汎用の半導体装置は同じ樹脂組成物により封止されているのが常識である。

0005

半導体複合装置、例えば、マルチチップモジュールMCM)やシステムインパッケージ(SiP)と呼ばれる装置は、複数の半導体部材を搭載している。即ち、寸法、機能及び性能(速度、発熱等)の異なる部材を混載している。このような半導体複合装置は、当然ながら各部材毎に最適の樹脂組成物で封止することが合理的である。例えば、電極間隔の短い部材は他よりも注入性に優れる樹脂組成物で封止することが好ましい。

0006

しかし、現在の半導体複合装置の封止方法は、従来方法を踏襲しており、同一組成の樹脂組成物を用いて装置全体を封止する場合が多い。特に、高品質より低価格を重視する製品では顕著であり、低コスト指向の強い半導体複合装置では半導体部材と樹脂組成物の相性は無視されていた。

0007

一方、半導体装置の軽薄短小化、即ち、高集積・高密度実装の追及には益々拍車がかかっている。例えば、積層型半導体装置(3DP)や一括封止型半導体装置MAP)も実用化されてきた。これら最先端の半導体装置では、樹脂組成物及び封止方法(これらを封止システムと称する)の抜本的な見直しが要求されている。従来の封止システムでは金線変形や未充填といった大きな問題が発生しているからである。

0008

この結果、新しい封止システムの検討が始まっている。例えば、樹脂組成物検討としてはシリカの高充填や微細化、封止方法検討としては粉体圧縮成形等である。本発明者らは、既に新規封止システムとしてシート状接着材料圧縮成形を提案している。

0009

今後の半導体複合装置は、非常に複雑で多機能になってくる。多種、多数の半導体部材が3次元的に高密度実装された構造、例えば、MCM、3DP及びMAPが組み合わさった半導体複合装置になると考えられる。本発明者らは、シート状接着材料の検討を鋭意進め、次世代半導体複合装置に適した全く新しい封止用材料を提案するものである。

0010

特開昭49−10058号公報
特開2004−56141号公報
特開2004−346186号公報
マイクロデバイス、P82、1984.6.11(日経BP社
電子材料2004年8月号P44(工業調査会)
第15回VLSIパッケージシンポジウム、2000年3月

発明が解決しようとする課題

0011

本発明は、最先端の半導体複合装置を封止するのに適した3次元構造を有する接着体を提供するものである。

課題を解決するための手段

0012

フィルムのうえに品質特性の異なる複数種の樹脂組成物を並列又は及び積層したシート状接着体である。

0013

該接着体において、複数種の樹脂組成物は各々シリカを含み、該シリカの特性含有量が異なるものである。

0014

該接着体のフィルムが剥離性絶縁性導電性放熱性低熱膨張性遮光性光透過性光反射性耐熱性撥水性ガス透過性電磁波遮蔽性及び電磁波吸収性から選ばれた少なくとも一つの機能を有するものである。

0015

本発明のシート状接着体は、フィルム及び複数種の樹脂組成物より構成されている。半導体複合装置の各半導体部材は、該部材の特性に適した複数種の樹脂組成物で封止されることが必要である。

0016

樹脂組成物とは、エポキシ樹脂を主たる樹脂成分とし、これに充填剤、硬化促進剤そして必要に応じて硬化剤及び添加剤(表面処理剤粘着剤撥水剤粘度調整剤等)を配合したものである。尚、樹脂成分としてエポキシ以外の樹脂を少量混合しても良い。エポキシ樹脂としては、エポキシ基を有する化合物なら何でも良いが、半導体用途では、ビスフェノール型、ビフェノール型、ナフタレン型、ノボラック型及びこれらの誘導体等が使用される場合が多い。硬化促進剤としては、樹脂の架橋反応触媒効果を有する物質、例えば、アミン系化合物リン系化合物等を用いることができる。

0017

充填剤としては、従来の半導体用封止材料で使用されている物質、例えば、シリカ、アルミナ窒化アルミニウム等を使用することができる。本発明としては、半導体素子との特性バランスが良く実績のあるシリカを、主たる充填剤として用いることが好ましい。シリカには、様々な特性(形状、粒度分布シラノール量等)を有する製品があり、半導体複合装置の各部材の諸特性(寸法、熱膨張率、電極間隔等)に合わせて、最適のシリカを選択し配合することができる。

0018

硬化剤としては、エポキシ樹脂と反応する化合物なら何でも良いが、半導体用途ならフェノール樹脂類酸無水物類アミン類を用いる場合が多い。添加剤は、目的により様々な物質が用いられるが、一般的なものとしては表面処理剤(例:シラン系カップリング剤)を挙げることができる。又、本発明の樹脂組成物は、離型剤又は及び染顔料を含まないことが好ましい。離型剤は接着性を低下させるため、染顔料は絶縁性を低下させるため、使用しない方が好ましい。

0019

本発明で用いるフィルムは機能を有することが好ましい。機能としては、剥離性、絶縁性、導電性、放熱性、低熱膨張性、遮光性、光透過性、光反射性、耐熱性、撥水性、ガス透過性、電磁波遮蔽性及び電磁波吸収性を挙げることができる。

0020

フィルムに機能を持たせることで、樹脂組成物を必須成分だけで構成することが可能となる。例えば、離型空気抜き、光反射及び電波反射といった役割をフィルムに与えることにより、樹脂組成物は接着絶縁性を有する成分で構成でき、該特性と矛盾する成分を排除することができる。

0021

又、複数種のフィルムを使用することにより、多機能性付与することもできる。例えば、金属箔フィルム絶縁フィルム張り合わせて、放熱絶縁フィルムとして利用することもできる。

0022

樹脂組成物をフィルムのうえに配置する方法としては、従来の公知の技術、例えば、塗布印刷圧着貼付噴霧等の手法を用いることができる。樹脂組成物の特性(粘度、融点等)により適した方法を選択しフィルム上に配列、積層することができる。

0023

図1から図6は、本発明のシート状接着体、複数の半導体部材及び半導体複合装置を説明する図である。これらは基本構成の1単位を示す模式図であり、工業的には複数単位加工した後に、1単位に切断するのが効率的である。各図において、(A)はシート状接着体(上部)と複数の半導体部材(下部)を断面で示したものであり、(B)は両者を熱圧着した後の半導体複合装置の断面図である。各々のシート状接着体は目的とする機能を有するフィルムを用いている。尚、加熱条件はいずれの場合も150℃・3分である。

0024

これらの半導体複合装置は、寸法や特性の異なる半導体部材より構成されている。各部材に適した樹脂組成物を対向配置し封止することにより、各部材の特性を最大限に発揮できる。尚、シート状接着体は、対象とする半導体部材と相対していれば良く、縦型圧着装置なら上下、横型の装置なら左右のいずれかに配置すれば良い。

発明の効果

0025

本発明の接着体を用いて半導体複合装置を封止することにより、その性能を最大限に発揮できる。従来の封止材料は、単一、単機能であり、半導体複合装置の全ての部材を満足することはできない。つまり、本発明は、半導体複合装置に適した封止材料を始めて市場に提供するものである。

発明を実施するための最良の形態

0026

以下、本発明のシート状接着体に関して実施例にて具体的に説明する。尚、本例で用いた部は全て重量部である。又、実施例では、半導体部材として市販品(回路基板半田金線)及び擬似加工品を使用した。半導体素子はウエハー(8インチ径、0.5mm厚)に電極相当部として部分メッキアルミニウム)を施し切断した模擬品である。

0027

これらで使用する樹脂組成物は次の通りである。
樹脂組成物1:エポキシ樹脂11部(EOCN1020−55、日本化薬)、硬化剤7部(HF−1、明和化成工業)、平均粒径8μmの球状シリカ82部(SE−8、トクヤマ)、硬化促進剤0.2部(TPP、サンプロ)及び表面処理剤0.3部(KBM−303、信越化学工業)を日本ロール社製2本ロールにて加熱混合したものである。
樹脂組成物2:エポキシ樹脂組成物1において、球状シリカを平均粒径4μmの細粒タイプ(HPS−4、東亞合成)に代えたものである。

0028

樹脂組成物3:エポキシ樹脂12部(EPPN501、日本化薬)、硬化剤10部(MEH8000H、明和化成)、平均粒径1μmの微粒球状シリカ78部(HPS−1、東亞合成)、硬化促進剤0.5部(TPP−K、興化学)及び表面処理剤0.4部(KBM−603、信越化学工業)を工作所製SKニーダーで混合溶融したものである。
樹脂組成物4:エポキシ樹脂組成物3において、微粒球状シリカの配合量を63部に減量したものである。
樹脂組成物5:エポキシ樹脂組成物8部(RE−310S、大日本インキ化学工業)、硬化剤7部(HN5500、日立化成工業)、平均粒径10μmの球状シリカ85部(SE−902、トクヤマ)、硬化促進剤0.8部(HX−3088、旭化成工業)及び表面処理剤0.5部(KBM−403、信越化学工業)を工舎製プラネタリーミキサーで混合したものである。
樹脂組成物6:エポキシ樹脂組成物5において、球状シリカの配合量を10部に減量したものである。

0029

本発明のシート状接着体を用いて半導体複合装置を図1のように封止した。該装置は複数の半導体部材を搭載しており、10は回路基板(FR−4、利昌工業)、11は8mm角模擬半導体素子、12は模擬半導体素子の加工品(11は3層タイプ)である。接着体の15及び17が接着材料部であり、それぞれ樹脂組成物3及び樹脂組成物1で構成されている。前者は微粒球状シリカを使用しており注入性に配慮が払われている。19は遮光性フィルム(MS−600C、出光ユニテック)である。この半導体複合装置は半導体部材の変形もなく、樹脂組成物と隙間なく接着していた。又、該装置の信頼性評価として、吸湿半田試験冷熱耐湿試験を実施したが不良発生は無かった。12の寸法は、模擬半導体素子の裏面を厚み0.25mmに研磨したものであり、1層目は14mm角、2層目及び3層目は各々10mm角及び6mm角に切断したものである。又、11と12は中心位置で20mm並列し搭載されている。

0030

従来の移送成形法の一種であるMAP成形法により、樹脂組成物1を用いて複数の半導体部材を封止した。得られた半導体複合装置の積層部材11に金線変形や未充填が認められた。又、吸湿半田試験において半導体部材と樹脂組成物との間に剥離不良が発生した。尚、この場合、遮光フィルムは使用していない。

0031

半導体複合装置の信頼性評価における環境条件は次の通りである。
吸湿半田試験:加圧釜(125℃・100%)に72時間投入後、半田槽(260℃)に10秒2回浸漬させる。
冷熱耐湿試験:冷熱試験機(−65℃〜150℃)で500サイクル熱衝撃を加えた後、加圧釜(135℃・95%)に1000時間投入する。

0032

図2のように、複数の半導体部材を本発明の接着体で封止し半導体複合装置を得た。21、22は模擬半導体素子であり、22は半田により回路基板20にフリップ接合されている。シート状接着体は、25は樹脂組成物1で、27は樹脂組成物4で、29は剥離性フィルムルミラー、東レ)で構成されている。25と27の厚みは各々0.5mmである。熱圧着後の半導体複合装置は隅々まで樹脂組成物が充填されており、信頼性評価でも不良は発生しなかった。尚、剥離フィルムは熱圧着後に半導体複合装置より取り除いた。22は模擬半導体素子を裏面研磨し厚み0.75mmにしたものであり、21と22は中心位置で20mm横に搭載されている。

0033

従来の液状成形法に準じて、樹脂組成物4を滴下し半導体部材を封止したところ、回路基板20と半導体素子22の半田接合部において、未充填が発生した。又、冷熱耐湿試験において、接合部の破断による不良が多発した。

0034

高さが異なる半導体部材、模擬積層コンデンサー31と模擬半導体素子32(7mm角、0.3mm厚)をシート状接着体により封止した例である(図3)。接着体は、通気性フィルム39(エクセポール、三菱樹脂)と樹脂組成物1及び2(それぞれ37、35の接着材料、厚みはそれぞれ0.3mmと0.7mm)より構成されている。本実施例の半導体複合装置も熱圧着加工時及び信頼性評価時において全く問題がなかった。細粒シリカは肉薄部への注入、通気性フィルムは気泡排除に優れた効果を示したと思われる。尚、31は模擬半導体素子(10mm角、0.25mm厚)を3枚貼り合わせたものであり、31と32は中心位置で20mm横に配置されている。

0035

このような半導体複合装置を移送成形や液状成形で封止する場合には、外観不良(波状凹凸状)が大きな問題となっていた。

0036

本発明のシート状接着体を用いて半導体複合装置を図4のように封止した。40は感圧再剥離フィルム(760H、製作所)、41は中心位置で20mm離れた二つの模擬半導体素子(10mm角、厚み0.3mm)であり、電極相当面を40側に粘着固定している。45及び47が接着材料部であり、それぞれ樹脂組成物6(厚み0.1mm)及び樹脂組成物5(厚み0.9mm)で構成されている。48は市販のスライドガラスを41と同寸法に加工したものであり、49は実施例2と同じ剥離フィルム29である。この半導体複合装置は、半導体部材の変形もなく、樹脂組成物と隙間なく接着していた。又、該装置の信頼性評価として、吸湿半田試験や冷熱耐湿試験を実施したが不良発生は無かった。

0037

図5のように、複数の半導体部材を本発明の接着体で封止し半導体複合装置を得た。50、51は実施例4と同配置の同部材(各々40、41)である。シート状接着体は、55が樹脂組成物6(0.1mm厚)、57が樹脂組成物5(0.9mm厚)で、59は剥離フィルム29で構成されている。熱圧着後の半導体複合装置は樹脂組成物が完全に充填されており、信頼性評価でも不良は発生しなかった。

0038

半導体素子搭載部材、60及び61(各々40、41と同部材)を凹凸加工したシート状接着体により封止した例である(図6)。接着体は、感圧再剥離離型フィルム69(40と同部材)と接着材料67(樹脂組成物5)より構成されている。本実施例の半導体複合装置も熱圧着加工時及び信頼性評価時において問題がなかった。

0039

実施例4から6の半導体複合装置を従来の成形方法で封止する場合には、外観不良(凹凸、未充填等)や半導体素子の位置ずれが問題となっていた。又、樹脂組成物5のみで封止した場合に比べて反り量は約半分であった。半導体複合装置の表裏面の応力均衡が優れていることが理由だと思われる。

0040

本発明により、同じ半導体部材を使用しても従来に比べて抜群に優れた品質を有する半導体複合装置が得られる。これは、半導体部材毎にその特性に合った別々の樹脂組成物で封止するため、全ての半導体部材がその性能を最大限発揮できることを示唆する。今まで封止技術に係わる問題で組合せ不可であった半導体が使用できるようになり産業上の利用価値は極めて大きい。

図面の簡単な説明

0041

本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。
本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。
本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。
本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。
本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。
本発明の接着体による半導体装置の封止を示す一例の説明図である。

符号の説明

0042

10、20、30回路基板
11、12、21、22、31、32、41、51、61模擬半導体素子
15、17、25、27、35、37、45、47、55、57、67樹脂組成物
19機能性フィルム(遮光フィルム)
29、49、59 機能性フィルム(剥離フィルム)
39 機能性フィルム(通気性フィルム)
40、50、60、69 機能性フィルム(感圧再剥離フィルム)
48スライドガラス加工品

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