JP3377944B2 - 熱電素子、及びその製造方法 - Google Patents
熱電素子、及びその製造方法Info
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Description
半導体材料からなるP型及びN型エレメントを備え、ゼ
ーベック効果による温度差発電(熱発電)や、ペルチェ
効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子、及び
その製造方法に関する。
熱電半導体材料とを、金属電極を介して接合し、PN接
合対を形成することにより作製される。この熱電素子
は、接合対間に温度差を与えることによりゼーベック効
果に基づく電力を発生することから発電装置として、ま
た、素子に電流を流すことにより接合部の一方で冷却、
他方で発熱が起こるいわゆるぺルチェ効果を利用した冷
却装置や精密温度制御装置などとしての用途がある。
るために数十から数百個といった複数個のPN接合対を
直列に形成したサーモモジュールとして作製使用される
のが一般的である。このサーモモジュールとしての熱電
素子は、構造体としての形を維持するとともに、PN接
合対を形成するための金属電極を有する2枚の基板と、
その間に挟まれた複数個のP型及びN型熱電半導体材料
と、 P型及びN型エレメントと金属電極を接合するた
めの接合材から構成されている。
きさに予め切断されたP型及びN型熱電半導体材料片
(以下、エレメントと呼ぶ)をそれぞれ所定の位置に治
具等で配置してから、該配置したエレメントをハンダ等
の接合材で金属電極に接合し、2枚の基板で挟み込むこ
とによって、製造することができる。ここで、接合材と
して用いられるハンダ等は、基板上の金属電極に、予め
印刷やメッキ等の方法により形成される。
ば、特開平8−97472に開示されているように、ウ
ェハー状(板状或いは棒状)のP型及びN型熱電半導体
材料各々の端面上にハンダバンプを形成する工程、基板
上に電極配線(金属電極)及び構造体(構造体)を形成
する工程、ハンダバンプが形成された熱電半導体材料と
基板との接合を行う工程、基板に接合された熱電半導体
材料の不要部を切断して熱電半導体材料チップ(エレメ
ント)を形成する工程、さらにP型とN型の熱電半導体
材料チップがそれぞれ形成された基板を接合する工程を
経て製造する方法もある。
料チップとは、接合強度を向上させるために、構造体を
介在させた状態で接合されている。
法では、基板に熱電半導体材料を接合後、切断する際
に、切りしろにある熱電材料の下部が除去できずに、エ
レメント同士がつながってしまい、ショート不良を生じ
させることがあった。また、除去できない熱電材料によ
り、切断性が悪くなるためにエレメントが折れ、細いエ
レメントを製造することが困難であった。
ショート不良を起こさないように、切断高さを低くし、
切断すると、基板上の金属電極を切断し電気的断線不良
を生じさせることがあった。そのため、このように、熱
電材料の切断により生じる種々の不具合によって、熱電
素子作製の歩留りが低下していた。
るためになされたもので、エレメントが細く、歩留りを
向上させることが可能な熱電素子、及びその製造方法を
提供することを目的とする。
め、本発明は、P型熱電半導体材料からなるP型エレメ
ントと、N型熱電半導体材料からなるN型エレメント
と、これらP型及びN型の異種のエレメントを一対ずつ
接合してPN接合対を形成可能な金属電極を有する2枚
の基板と、P型及びN型エレメントと金属電極を接合す
るための接合材を備えた熱電素子において、前記金属電
極上の一端側に、前記P型熱電半導体材料及び前記N型
熱電半導体材料に金属膜を成膜し、別々の前記基板に接
合し、該P型及びN型熱電半導体材料を切断して、前記
基板上に複数の前記P型及びN型エレメントを形成して
から、前記2枚の基板を向かい合わせ、前記P型及びN
型エレメントの先端部と、対向する基板の金属電極とを
固着して、これら基板を接合する構成とした。
導体材料及び前記N型熱電半導体材料に金属膜を成膜し
別々の前記基板に接合し、該P型及びN型熱電半導体材
料と接合基板との間隔を大きくし、切断するため、該P
型及びN型熱電半導体材料の切断残りがなくなり、切断
残りによって、エレメント同士が電気的につながる事が
なくなるため、ショート不良の発生を低減することがで
きる。また、切断残りがなくなることによって、ダイシ
ングの切断性が良くなるため、細いエレメントの熱電素
子を供給することができる。
しては、例えば、Bi−Te系材料、Fe−Si系材
料、Si−Ge系材料、Co−Sb系材料などが挙げら
れる。また、金属膜は、例えば、メッキ法によって、形
成することが可能である。さらに、本発明の製造方法
は、P型熱電半導体材料からなるP型エレメントと、N
型熱電半導体材料からなるN型エレメントと、これらP
型及びN型の異種のエレメントを一対ずつ接合してPN
接合対を形成可能な金属電極を有する2枚の基板と、P
型及びN型エレメントと金属電極を接合するための接合
材を備えた熱電素子の製造方法であって、前記P型熱電
半導体材料及び前記N型熱電半導体材料に金属膜を成膜
し、別々の前記基板に接合し、該P型及びN型熱電半導
体材料の接合基板との間隔を大きくし、切断して、前記
基板上に複数の前記P型及びN型エレメントを形成して
から、前記2枚の基板を向かい合わせ、前記P型及びN
型エレメントの先端部と、対向する基板の金属電極とを
固着して、これら基板を接合することを特徴としてい
る。
体材料及び前記N型熱電半導体材料に金属膜を成膜し別
々の前記基板に接合し、該P型及びN型熱電半導体材料
と、接合基板との間隔を大きくし、切断するため、該P
型及びN型熱電半導体材料の切断残りによって、エレメ
ント同士が電気的につながる事がなくなるため、ショー
ト不良の発生を低減することができる。また、切断高さ
を低くし、切断する必要がないため、基板上の金属電極
を切断し電気的断線不良を生じさせることがなく、歩留
りを向上させることが可能となる。
いて、図1〜図14の図面を参照しながら説明する。図
1は本発明に係る熱電素子の概観を示す斜視図、図2
は、一方の基板にエレメントが接合された切断後の状態
を示す断面図である。
すように、P型熱電半導体材料3A(図7〜図12)か
らなるP型エレメント3と、N型熱電半導体材料4A
(図7〜図12)からなるN型エレメント4と、これら
P型及びN型の異種のエレメント3、4 を一対ずつ接
合してPN接合対を形成可能な金属電極5を有する基板
2A、2B等、から構成されている。
は、例えば、Bi−Te系材料の焼結体により構成され
ている。個々のエレメント3(4)は、図2に示すよう
に、底面3b(4b)と、該底面3b(4b)と平行な
上面3a(4a)とを有し、これら底面3b(4b)及
び上面3a(4a)と平行な断面の面積が、底面3b
(4b)から上面3a(4a)に向けて連続的に減少す
る形状に形成されている。
(4b)が基板2B(2A)の金属電極5に、構造体7
を介して接合されている。この構造体7の中空部7aに
は、熱電材料と接合された基板の隙間を大きくするため
のNi6a及びハンダ6bから構成される接合材6が充
填された状態となっていて、エレメント3(4)と金属
電極5とが電気的に接続されるようになっている。一
方、エレメント3(4)の上面3a(4a)は、接合材
6によって、直接、図2に示すように、基板2A(2
B)の金属電極5に固着されている。
レメント4は、2枚の基板2A、2Bに挟み込まれ、一
端が基板2Aの金属電極5に、他端が基板2Bの金属電
極5にそれぞれ接合された状態において、該金属電極5
を介してPN接合対が形成されるとともに、これらPN
接合対が直列につながれるようになっている。基板2
A、2B上には、図2に示すように、P型及びN型の異
種のエレメント3、4を一対ずつ接合可能な小判型の金
属電極5が設けられ、該金属電極5上の一端側には、例
えば、樹脂材により略円筒状に形成され、その内周側に
中空部7aを有する構造体7が設けられている。
面3b、4bと金属電極5との間に介在して、接合時に
起こる接合材6の流れを制御して両者の接合強度を高め
るためのもので、ここでは、基板2Bの金属電極5上
の、P型エレメント3の底面3bとの接合面の縁部、並
びに、基板2Aの金属電極5上の、N型エレメント4の
底面4bとの接合面の縁部に設けられている。
3、4の底面3b、4b(構造体7への接合面)の大き
さに基づき設定されている。ここで、例えば、エレメン
ト3、4の底面3b、4bの形状が正方形である場合、
構造体7の大きさは、少なくともその中空部7aが底面
3b、4bによって覆われる大きさ、即ち、その内径
が、底面3b、4bの一辺の長さより小さい値に設定さ
れるようになっている。
3、4の配設位置が明示されるため、金属電極5とエレ
メント3、4との接合時における、位置合わせの精度を
向上させることも可能となる。次に、このように構成さ
れる熱電素子1の製造方法の一例について、図3〜図1
4を参照しながら、順を追って説明する。
を示す断面図で、図3は絶縁膜作製工程、図4は成膜工
程、図5は電極作製工程、図6は構造体作製工程、図7
はマスク形成工程、図8はNi及びハンダメッキ工程、
図9はマスク除去工程、図10はバンプ形成工程、図1
1は接合工程、図12は切断・除去工程(柱立て工
程)、図13は切断・除去工程(柱立て工程)、図14
は組立工程をそれぞれ示している。
うに、基板2A、2B(例えば、単結晶シリコンウェハ
ー)の表面に絶縁性の熱酸化膜8(例えば、酸化ケイ
素)を所定の厚さ(例えば、1μm)で形成する。成膜
工程では、図4に示すように、基板2A、2Bの一端面
(絶縁膜作製工程において形成された熱酸化膜8の表
面)に、例えば、スパッター法により、金属膜(例え
ば、クロム、ニッケル及び金からなる三層膜5をそれぞ
れ0.1μm、3μm、1μm )を形成する。
ォトリソグラフィー法により、成膜工程(図4)で形成
された金属膜から電極配線パターン(金属電極5及び入
出力用電極)を作製する。構造体作製工程では、図6に
示すように、電極作製工程(図5)で形成された金属電
極5上に、厚膜のフォトレジストにより、複数の構造体
7(例えば、内径100μm、外径150μm、高さ5
0μmの円筒形状)からなる構造体パターンを形成す
る。
P型及びN型エレメント3、4の配設位置に形成される
ように、設計されている。マスク形成工程では、図7に
示すように、例えば、Bi−Te系の焼結体からなる、
P型熱電半導体材料3A及びN型熱電半導体材料4Aの
ウェハーの両面に、コーターによりフィルムフォトレジ
スト9を塗布する。
切断・除去工程(図12、図13)を考慮したP型及び
N型配置となるようなパターンで、フォトレジストにハ
ンダバンプ6Aを形成するための開口部ができるよう
に、フォトリソグラフィ法によって作製する。Ni及び
ハンダメッキ工程では、図8に示すように、酸(例え
ば、10%硫酸)などによりフォトレジストの開口部を
洗浄し、該開口部にニッケルメッキ10(例えば、厚さ
30μm)を形成し、次いでハンダメッキ11(例え
ば、SnとPbの組成比が6:4、厚さ60μm)を形
成する。
は、ハンダと熱電半導体材料3A、4Aとの密着性を高
めると同時に、後工程である接合工程(図11)や切断
・除去工程(図12、図13)において、基板2A、2
Bと熱電半導体材料3A、4Aとの間に所定の隙間を形
成し、熱電半導体材料をダイシングする際に、切断残り
を無くし、ダイシングの切断性を良くする役目を持って
いる。
フォトレジストを、例えば、アセトンを溶媒として用い
て、熱電半導体材料3A、4Aから剥離する。バンプ形
成工程では、図10に示すように、ロジン系ハンダフラ
ックスをハンダメッキ層の表面に塗布してから、リフロ
ー処理(例えば、230℃)を行い、半球状のハンダバ
ンプ6Aを形成する。
体作製工程(図6)において基板2A、2B上に形成さ
れた構造体7と、熱電半導体材料3A、4Aに形成され
たハンダバンプ6Aを基準にして位置合わせを行い、基
板2BとP型熱電半導体材料3A、及び、基板2AとN
型熱電半導体材料4Aをそれぞれ重ね合わせる。そし
て、接合方向に加圧しながら、ハンダバンプ6Aを加熱
(例えば、230℃)して溶融させることにより、基板
2BとP型熱電半導体材料3A、及び、基板2AとN型
熱電半導体材料4Aをそれぞれ構造体7を介して固着さ
せる。
ダバンプ6Aの先端には、ロジン系フラックスを薄く塗
布しておく。切断・除去工程(柱立て工程)では、図1
2、図13に示すように、接合工程(図11)におい
て、それぞれ基板2A、2Bに接合された熱電半導体材
料3A、4Aの切断及び不要部分の除去を行い、エレメ
ント3、4を形成する。
どの切断に使用されるダイシングブレードが用いられ
る。熱電半導体材料3A、4Aを切断・除去するには、
熱電半導体材料3A、4Aを接合した基板2A、2Bを
粘着テープ13に貼り付け、ダイシングステージ14上
に吸着させ、熱電半導体材料3A、4Aの端面に形成さ
れたハンダバンプ6Aの間にダイシングブレードを通過
させ、そのときの切断の深さを、熱電半導体材料3A、
4Aのみが切断される深さ、即ち、基板2A、2Bの表
面と熱電半導体材料3A、4Aとの間に形成される隙間
までとすることにより、図3に示すような、底面3b、
4bが基板2A、2B上に構造体7を介して接合され、
上面3a、4aにハンダバンプ6Aが形成された状態
の、エレメント3、4を形成することができる。この時
のダイシングの条件は、送り速度5mm/sec、水量0.1L/m
in、ブレードハイトは0.4mmとした。
ッキ工程でNiの厚さを調整することで、P型及びN型熱
電材料と基板との隙間を調整し、熱電材料の切断残りが
カーフラインから確実に除去することができる。そのた
めエレメント同士が熱電材料の切断残りでショートする
ことがなくなる。即ち、熱電素子1製造において、ショ
ート不良を低減することが可能となる。また除去できな
い熱電材料がなくなり、切断性が良くなるために、細い
エレメントを製造することが可能になる。つまり、これ
らの事を改善することにより、エレメントのサイズが80
μm角、高さ600μmの素子を提供することができる。
・除去工程(図12、図13)において、P型及びN型
のエレメント3、4がそれぞれ形成された基板2A、2
Bを、エレメント3、4側の面を向かい合わせ、エレメ
ント3、4の上面3a、4aのハンダバンプ6Aを他方
の基板2B、2Aの金属電極5上に当接させてから、基
板2A、2Bを接合方向に適度に加圧しながら加熱(例
えば、230℃)してハンダバンプ6Aを溶融させるこ
とにより、エレメント3、4を介して基板2A、2Bを
接合させ、熱電素子1を完成させることができる。
ダバンプ6Aの先端には、ロジン系フラックスを薄く塗
布しておく。このような製造方法により、例えば、厚さ
600μmの熱電半導体材料3A、4Aから、刃の厚さ
140μmのダイシングブレードを使用して、外形寸法
が1.3mm×2mm×2.5mm、エレメントの数が
P型及びN型を合わせて102本、内部抵抗が約70Ω
である、熱電素子1を製造することができた。
Bi−Te系の焼結体であり、その主な特性は、P型熱
電半導体材料3Aが、ゼーベック係数が202μV/
K、比抵抗率が0.93mΩcm、熱伝導率が1.46
W/mK、一方、N型熱電半導体材料4Aが、ゼーベッ
ク係数が−188μV/K、比抵抗率が0.97mΩc
m、熱伝導率が1.61W/mKのものを使用した。
4を構造体7を介して2枚の基板2A、2Bにそれぞれ
接合した状態としてから、これら基板2A、2Bを接合
するようにしたため、これら基板2A、2Bを組み合わ
せる前に、P型及びN型エレメント3、4は、構造体7
によって、正確に位置合わせが行われる。また、ダイシ
ングの切断性が良くなるために、細いエレメントを作る
ことが可能となり、小さい素子の製造が可能となる。
力を発生させることが可能となり、熱電素子1を、例え
ば、電子式腕時計などの各種携帯用電子機器の発電に使
用することが可能となる。また、熱電素子1は、冷却素
子として用いる場合においても、絶大なる効果を発揮す
る。即ち、冷却性能は熱電素子1に入力する電力によっ
て決まるが、この熱電素子1の場合、所定の電力を低電
流で供給することが可能となる。これにより、入出力用
の配線を太くしたり、使用する電源を電流型の大きなも
のにする必要がなくなる。従って、この熱電素子1を、
例えば、半導体レーザをはじめ、各種電子機器の冷却等
に使用することが可能となる。
3、4の大きさ及び材料、或いは特性については、これ
に限定されるものではない。例えば、大きさについて
は、一般的な大きさである数百μmからミリオーダーの
ものについても適用可能である。また、エレメント3、
4の材料として、Bi−Te系材料の焼結体を例として
挙げたが、例えば、Fe−Si系材料、Si−Ge系材
料、Co−Sb系材料等の各種熱電半導体材料について
も適用可能である。
は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
料及び前記N型熱電半導体材料に金属膜を成膜し、別々
の前記基板に接合し、該P型及びN型熱電半導体材料と
接合基板との間隔を大きくし、切断するため、該P型及
びN型熱電半導体材料の切断残りがなくなる。
的につながる事がなくなるため、ショート不良の発生を
低減することが可能となる。また、ダイシングの切断性
が良くなるために、細いエレメントを作ることが可能と
なり、小さい素子の供給が可能となる。さらに、本発明
の製造方法によれば、前記P型熱電半導体材料及び前記
N型熱電半導体材料に金属膜を成膜し、別々の前記基板
に接合し、該P型及びN型熱電半導体材料と接合基板と
接合基板との間隔を大きくし、該P型及びN型熱電半導
体材料を切断するため、該P型及びN型熱電半導体材料
の切断残りがなくなる。
的につながる事がなくなるため、ショート不良の発生を
低減することができ、歩留りを向上させることが可能と
なる。また、切断高さを低くし、切断する必要がなくな
るため、基板上の金属電極を切断し、電気的断線不良を
生じさせることがなくなる。つまり、これらの事を改善
することにより、ショート不良や断線不良が発生するこ
とを低減することができ、歩留りを向上させることが可
能となり、当該熱電素子の製造が容易となる。
る。
す断面図である。
製工程を示す断面図である。
ある。
す断面図である。
す断面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 P型熱電半導体材料からなるP型エレメ
ントと、N型熱電半導体材料からなるN型エレメント
と、これらP型及びN型の異種のエレメントを一対ずつ
接合してPN接合対を形成可能な金属電極を有する2枚
の基板と、P型及びN型エレメントと金属電極を接合す
るための接合材を備えた熱電素子において、 前記金属電極上の一端側に前記P型熱電半導体材料及び
前記N型熱電半導体材料を別々の前記基板に接合し、前
記P型及びN型熱電半導体材料を切断して、前記基板上
に形成された複数の前記P型及びN型エレメントと、 前記2枚の基板を向かい合わせ、前記P型及びN型エレ
メントの先端部と、対向する基板の金属電極とを固着し
て前記基板を接合するときに、前記P型及びN型熱電半
導体材料の切断時の切断高さを制御する接合材を有し、前記接合材は、前記 P型及びN型熱電半導体材料と基板
の金属電極間で、構造体の空間部に形成することを特徴
とする熱電素子。 - 【請求項2】 P型熱電半導体材料からなるP型エレメ
ントと、N型熱電半導体材料からなるN型エレメント
と、これらP型及びN型の異種のエレメントを一対ずつ
接合してPN接合対を形成可能な金属電極を有する2枚
の基板と、前記P型及びN型エレメントと金属電極を接
合するための接合材を備えた熱電素子の製造方法であっ
て、 前記金属電極上の一端側に前記P型熱電半導体材料及び
前記N型熱電半導体材料を別々の前記基板に接合し、前
記P型及びN型熱電半導体材料を切断して、前記基板上
に複数の前記P型及びN型エレメントを形成し、 前記2枚の基板を向かい合わせ、前記P型及びN型エレ
メントの先端部と、対向する基板の金属電極とを固着
し、前記 P型及びN型熱電半導体材料の切断時の切断高さ
を、前記P型及びN型熱電半導体材料と基板の金属電極
間に形成する金属の厚みを接合材により制御することを
特徴とする熱電素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05390898A JP3377944B2 (ja) | 1998-03-05 | 1998-03-05 | 熱電素子、及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP05390898A JP3377944B2 (ja) | 1998-03-05 | 1998-03-05 | 熱電素子、及びその製造方法 |
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JPH11251649A JPH11251649A (ja) | 1999-09-17 |
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- 1998-03-05 JP JP05390898A patent/JP3377944B2/ja not_active Expired - Fee Related
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