JP2002171105A - 伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージ - Google Patents
伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージInfo
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- JP2002171105A JP2002171105A JP2000368955A JP2000368955A JP2002171105A JP 2002171105 A JP2002171105 A JP 2002171105A JP 2000368955 A JP2000368955 A JP 2000368955A JP 2000368955 A JP2000368955 A JP 2000368955A JP 2002171105 A JP2002171105 A JP 2002171105A
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Abstract
ディップをより低減し、伝送特性を向上できるような伝
送線路基板などを提供する。 【解決手段】 伝送線路基板は、誘電体基板1と、その
上面に線状に設けられた導電体である信号線2と、信号
線2を両側からそれぞれ間隙を介して挟むように配置さ
れた板状の導電体であるグランドプレーン3と、グラン
ドプレーン3と誘電体基板1の下面とを電気的に接続す
るグランドビア4とを備える。ただし、信号線2の中心
線を通り、誘電体基板1の上面に垂直な仮想基準平面か
ら、一方のグランドプレーン3に接続するグランドビア
4の中心線までの距離と、前記仮想基準平面から、他方
のグランドプレーン3に接続するグランドビア4の中心
線までの距離とが異なるものとなっている。
Description
するための伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれ
を備えた高周波パッケージに関するものである。
ッケージ(「メタルウォールパッケージ」ともいう。)
の構造について説明する。
よって導かれてきた高周波信号に基づいて半導体素子1
5に所望の処理を行なわせてから、リードフレーム17
から出力させるためのものである。ここでいう「高周波
信号」とは、たとえば、10GHz以上の高周波の信号
であり、そういった高周波信号が通過する配線は、「高
速信号線」と呼ばれる場合もある。
ジは、メタルウォール12によって囲まれた箱状のパッ
ケージである。図8は、内部を示すために、上面の金属
壁を取り去った状態で平面図を示している。図9は、側
方から見た部分断面図である。同軸ケーブル10は、メ
タルウォール12の一つの側壁に設けられた同軸コネク
タ11を介して高周波パッケージに接続される。図9に
示されるように、同軸ケーブル10の内芯7は引出され
て、伝送線路基板31に接続される。伝送線路基板31
は、コプレーナ伝送線路基板であり、高周波パッケージ
内に設けられた金属製の土台6の上に銀ロウなどで接続
されている。
図10、図11に示す。伝送線路基板31は、図11に
示すように、誘電体基板1の上面に3つの導体部分が平
行に形成されたものである。すなわち、図10に示すよ
うに、中央に信号線2、その両側にグランドプレーン3
が形成されている。上述のように内芯7が接続されるの
は、信号線2である。グランドプレーン3には、同軸ケ
ーブル10の外側導体部分が、メタルウォール12、土
台6を介して電気的に接続される。伝送線路基板31の
信号線およびグランド線は、図8に示すように、ボンデ
ィングワイヤ13によって半導体素子15と接続され
る。メタルウォール12の他の一辺には、導体層16を
形成した誘電体基板18が配置されている。半導体素子
15は、ボンディングワイヤ14によって、導体層16
と接続されている。導体層16はメタルウォール12の
外側に配置されたリードフレーム17と電気的に接続さ
れている。このようにして、半導体素子15は、リード
フレーム17と信号のやりとりを行なうことができる。
呼び名を使い分けている。誘電体基板1とその上面に形
成された信号線2、グランドプレーン3を合わせた部分
を「伝送線路基板」と呼ぶものとする。伝送線路基板に
さらに土台6を含めた部分を「高周波伝送構造体」と呼
ぶものとする。図8、図9に示したように、高周波伝送
構造体にさらにメタルウォール12、半導体素子15な
どを含めたパッケージ全体を「高周波パッケージ」と呼
ぶものとする。
に進んだ近年では、40GHz程度あるいはそれ以上の
高周波信号を扱う必要性も生じてくる。しかし、そのよ
うなレベルの高周波になると、伝送線路基板31上に共
振が発生し、伝送特性が劣化するという問題があった。
きた従来のいくつかの対策について説明する。
る場合、高周波信号には、矩形波の周波数の整数倍の
「高調波」が含まれる。また、状況によっては、矩形波
の周波数より低い周波数の低周波も含まれる。したがっ
て、低周波はもちろんのこと、高調波の整数倍、たとえ
ば3倍の周波数までの範囲で共振が発生しないことが望
まれる。そこで、まず、共振の発生する共振周波数を、
何らかの手段によってより高周波側にシフトするという
方法がある。
は、図12、図13に示すように、信号線2に近いグラ
ンドプレーン3に、グランドプレーン3と土台6とを結
ぶ導体であるグランドビア4を設置する方法がある。た
だし、伝送線路基板31の伝送特性にグランドビア4が
影響を与えないように配置する必要がある。
離を近くすればするほど、共振時の波長は短くなり、共
振周波数は高周波となる。そこで、信号線2とグランド
ビア4との距離を近づけた状態を図14、図15に示
す。
ンスを一定にする必要がある。特性インピーダンスは、
信号線2の幅(以下、「信号線幅」という。)、信号線
2とグランドプレーン3との間のギャップ19の幅(以
下、「ギャップ幅」という。)によって決まる。したが
って、信号線2とグランドビア4との間の距離を小さく
するためには、信号線幅とギャップ幅との間に一定の関
係を保ったまま寸法を小さくする必要がある。信号線幅
は、内芯7と接続する都合上、一定以上にする必要があ
るから、これに対応してギャップ幅も一定以上にせざる
を得ない。具体的には、たとえば、内芯7の直径は、
0.3mmであり、信号線幅も約0.3mm以上とする
ことが必要となる。このため、図14、図15に示した
ように、グランドビア4を信号線2に接近させるという
手法には限界がある。
17に示すように、誘電体基板1と土台6との間に抵抗
体5を挿入した構造がとられる。このような構造とする
ことで、共振のエネルギーは、抵抗体5の導体損失とし
て吸収され、共振の発生を抑制することができる。この
効果を検証するために、通過特性S21をマクスウェル
の電磁方程式を有限要素法を用いて解く解析を行なっ
た。通過特性S21とは、以下の式で規定されるパラメ
ータである。
2/Pin1) Pin1:端子1への入力電力 Pout2:端子2からの出力電力 抵抗体5なしの構造(図15参照)と抵抗体5ありの構
造(図17参照)とのそれぞれにおける通過特性S21
の解析結果の比較を、図18に示す。曲線51が、抵抗
体5なしによるものであり、曲線52が、抵抗体5あり
によるものである。この結果から、抵抗体5を挿入する
ことによって、共振によって生じる波形の落ち込み、い
わゆる「ディップ(dip)」を大幅に低減できたことが
明らかである。
をより効率的に発揮させるには、抵抗体の抵抗率ρが一
定の場合、電磁界が抵抗体を貫通しない条件である次式
を満たすように抵抗体の厚みdを選ぶことが望ましい。
いえ、まだなお、ディップは存在する。また、抵抗体5
を設けることとすると、製造時の部品点数、工程数の増
加につながる。
ることなく、共振によるディップをより低減し、伝送特
性を向上できるような伝送線路基板などを提供すること
を目的とする。
め、本発明に基づく伝送線路基板の一つの局面では、誘
電体基板と、上記誘電体基板の上面に線状に設けられた
導電体である信号線と、上記誘電体基板の上面において
上記信号線を両側からそれぞれ間隙を介して挟むように
配置された板状の導電体であるグランドプレーンと、上
記誘電体基板内を貫通することによって、上記グランド
プレーンと上記誘電体基板の下面とを電気的に接続する
グランドビアとを備え、上記信号線の中心線を通り、上
記誘電体基板の上面に垂直な仮想基準平面から、一方の
グランドプレーンに接続する上記グランドビアの中心線
までの距離と、上記仮想基準平面から、他方のグランド
プレーンに接続する上記グランドビアの中心線までの距
離とが異なる。
ら見てグランドビアが非対称となり、左に偏った共振体
と右に偏った共振体との共振周波数が異なるようにな
る。したがって、共振によって生じていた1つのディッ
プを2つのディップに分離するとともに、ディップの深
さを浅くすることができる。したがって、部品点数を増
加させることなく、ディップを低減することができる。
伝送線路基板の他の局面では、誘電体基板と、上記誘電
体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号線
と、上記誘電体基板の上面において上記信号線を両側か
ら間隙を介して挟むように配置された板状の導電体であ
るグランドプレーンと、上記誘電体基板内を貫通するこ
とによって、上記グランドプレーンと、上記誘電体基板
の下面とを電気的に接続するグランドビアとを備え、上
記信号線の中心線を通り、上記誘電体基板の上面に垂直
な仮想基準平面から、一方の上記グランドプレーンの上
記信号線側の端までの距離と、上記仮想基準平面から、
他方の上記グランドプレーンの上記信号線側の端までの
距離とが異なる。
ら見てグランドプレーンが非対称となり、左に偏った共
振体と右に偏った共振体との共振周波数が異なるように
なる。したがって、共振によって生じていた1つのディ
ップを2つのディップに分離するとともに、ディップの
深さを浅くすることができる。したがって、部品点数を
増加させることなく、ディップを低減することができ
る。
基板の下面に膜状の抵抗体を備える。この構成を採用す
ることにより、共振のエネルギーは、抵抗体の導体損失
として吸収されるため、共振の発生を抑制することがで
きる。グランドビアまたはグランドプレーンを左右非対
称に配置して、かつ、抵抗体も配置することによって、
左右それぞれを中心として構成する共振体が蓄積する電
磁エネルギーに対して、抵抗体のもたらす導体損失の比
率が大きくなるため、共振抑制効果が高まる。
基づく高周波伝送構造体の一つの局面では、上述の伝送
線路基板と、上記伝送線路基板の下側に配置された導電
体の土台とを備え、上記土台は上記信号線を投影した領
域にほぼ対応する領域に凹部を有する。この構成を採用
することにより、凹部の存在により、伝送線路基板の下
側において、高周波信号の伝送方向に対する垂直方向に
電流が流れにくくなる。したがって、伝送方向に磁界成
分を持つ基板下側の共振を抑制することができ、上述の
グランドビアまたはグランドプレーンの非対称な配置に
よるディップ低減効果に加えて、さらにディップを低減
できる。
基板と上記土台との間には膜状の抵抗体が介在し、上記
抵抗体は、上記凹部を上記誘電体基板に投影した領域を
挟む両側が互いに電気的に隔絶されている。この構成を
採用することにより、共振のエネルギーは、抵抗体の導
体損失として吸収され、ディップを低減できる。なおか
つ、凹部の上方において、抵抗体を通じて高周波信号の
伝送方向に対する垂直方向に電流が流れることを防止で
きるため、凹部による共振抑制効果を阻害しない。
高周波パッケージの一つの局面では、上述の伝送線路基
板と、上記伝送線路基板を載置する導電性の土台と、上
記伝送線路基板に対して電気的に接続された同軸コネク
タと、上記伝送線路基板に対して電気的に接続された半
導体素子とを備える。この構成を採用することにより、
グランドビアまたはグランドプレーンの非対称な配置に
よってディップを低減できる伝送線路基板を備えるた
め、ディップを低減した高周波パッケージを得ることが
できる。
高周波パッケージの他の局面では、上述の高周波伝送構
造体と、上記高周波伝送構造体に対して電気的に接続さ
れた同軸コネクタと、上記高周波伝送構造体に対して電
気的に接続された半導体素子とを備える。この構成を採
用することにより、グランドビアまたはグランドプレー
ンの非対称な配置および凹部の配置によってディップを
低減できる高周波伝送構造体を備えるため、ディップを
低減した高周波パッケージを得ることができる。
高周波伝送構造体の他の局面では、誘電体基板と、上記
誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号
線と、上記誘電体基板の上面において上記信号線を両側
からそれぞれ間隙を介して挟むように配置された板状の
導電体であるグランドプレーンと、上記誘電体基板の下
側に配置された導電体の土台とを備え、上記土台は上記
信号線を投影した領域にほぼ対応する領域に凹部を有す
る。
在により、伝送線路基板の下側において、高周波信号の
伝送方向に対する垂直方向に電流が流れにくくなる。し
たがって、伝送方向に磁界成分を持つ共振を抑制するこ
とができ、ディップを低減できる。
基板と上記土台との間には膜状の抵抗体が介在し、上記
抵抗体は、上記凹部を上記誘電体基板に投影した領域を
挟む両側が分離されている。この構成を採用することに
より、共振のエネルギーは、抵抗体の導体損失として吸
収され、ディップを低減できる。なおかつ、凹部の上方
において、抵抗体を通じて高周波信号の伝送方向に対す
る垂直方向に電流が流れることを防止できるため、凹部
による共振抑制効果を阻害しない。
高周波パッケージのさらに他の局面では、上述の高周波
伝送構造体と、上記高周波伝送構造体に対して電気的に
接続された同軸コネクタと、上記高周波伝送構造体に対
して電気的に接続された半導体素子とを備える。この構
成を採用することにより、凹部の配置によってディップ
を低減できる伝送線路基板を備えるため、ディップを低
減した高周波パッケージを得ることができる。
における伝送線路基板ないし高周波伝送構造体について
説明する。この伝送線路基板においては、信号線2は、
依然として中心にあるが、信号線2を基準に考えたとき
のグランドビア4の相対的位置は、左右非対称となって
いる。
称」の定義は、以下の通りである。すなわち、信号線2
の中心線を通り、誘電体基板1の上面に垂直な仮想基準
平面をまず考える。この仮想基準平面から一方のグラン
ドプレーン3に接続するグランドビア4の中心線までの
距離と、仮想基準平面から、他方のグランドプレーン3
に接続するグランドビア4の中心線までの距離とが異な
るときに左右非対称に該当する。
すように左右非対称に配置したときの通過特性S21の
解析結果を図2に示す。ただし、抵抗体5がない条件で
比較した。曲線53が、グランドビア4が対称の構造
(図15参照)によるもので、曲線54が、グランドビ
ア4が非対称の構造(図1参照)によるものである。図
2から、グランドビア4を非対称とすることで、ディッ
プが2つに分離し、それぞれ浅くなることがわかる。
分とを中心として構成する共振体と、信号線2と左側部
分とを中心として構成する共振体とがそれぞれ存在し、
図15に示したようなグランドビア4が対称の構造で
は、左右とも同じ共振周波数であったために、1つの大
きな共振体を構成することとなっていたと考えられる。
そのため、グランドビア4を非対称とすることで、左右
の共振周波数が異なるようになり、1つの深いディップ
が2つの浅いディップに分離したと考えられる。
ランドビア4を図3に示すように左右非対称に配置した
ときの通過特性S21の解析結果を図4に示す。曲線5
5が、グランドビア4が対称の構造(図17参照)によ
るもので、曲線56が、グランドビア4が非対称の構造
(図3参照)によるものである。図4から、グランドビ
ア4を非対称とすることで、ディップがより浅くなるこ
とがわかる。
かつ、抵抗体5も配置することによって、左右それぞれ
の構成する共振体が蓄積する電磁エネルギーに対して、
抵抗体5のもたらす導体損失の比率が大きくなるため、
共振抑制効果が高まったと考えられる。
いし高周波伝送構造体についての説明という体裁をとっ
たが、この伝送線路基板ないし高周波伝送構造体を用い
て構成される高周波パッケージによっても、同様のディ
ップ低減の効果を得ることができる。 (実施の形態2) (構成)図5を参照して、本発明に基づく実施の形態2
における伝送線路基板および高周波伝送構造体について
説明する。この伝送線路基板においては、信号線2は、
中心にあり、グランドビア4の配置も、左右対称となっ
ているが、信号線2とグランドプレーン3とのギャップ
幅が左右非対称となっている。
「非対称」の定義は、以下の通りである。すなわち、信
号線2の中心線を通り、誘電体基板1の上面に垂直な仮
想基準平面をまず考える。仮想基準平面から、一方のグ
ランドプレーン3の信号線2側の端までの距離と、仮想
基準平面から、他方のグランドプレーン3の信号線2側
の端までの距離とが異なるときに左右非対称に該当す
る。
でグランドビア4の配置を非対称とした場合と同様のこ
とがいえる。すなわち、左右各部分のそれぞれを中心と
して構成する共振体が異なる共振周波数となるため、共
振によって生じるディップを分離することができ、ディ
ップを浅くすることができると考えられる。
右の距離の差によってディップの分離度合いが変化する
が、たとえば、グランドビア4を非対称としようとした
ときに、製造上の制限により、グランドビア4の位置を
ある程度以上ずらせず、そのため、ディップの分離が十
分に行なえないような場合には、本実施の形態の考え方
を組み合わせて適用することもできる。すなわち、グラ
ンドビア4を一定の向きに非対称としたときに、さらに
グランドプレーン3を逆向きに非対称とすることによっ
て、ディップの分離の度合いを補完し、十分なものとす
ることもできる。
いし高周波伝送構造体についての説明という体裁をとっ
たが、この伝送線路基板ないし高周波伝送構造体を用い
て構成される高周波パッケージによっても、同様のディ
ップ低減の効果を得ることができる。
における高周波伝送構造体について説明する。この伝送
線路基板においては、信号線2は中心にあり、グランド
ビア4、グランドプレーン3の配置は左右対称となって
いる。その代わり、従来の土台6の代わりに、中央に凹
部8のある土台6aが用いられている。
による効果を検証するための通過特性S21の解析結果
を図7に示す。曲線57が、凹部8がない構造(図17
参照)によるもので、曲線58が、凹部8がある構造
(図6参照)によるものである。図7から、凹部8を設
けることで、ディップが低減できていることがわかる。
の存在により、伝送線路基板の下側において、高周波信
号の伝送方向(信号線2の長手方向)に対して垂直方向
(図6における左右方向)に電流が流れにくくなる。し
たがって、伝送線路基板の下側において伝送方向に磁界
成分を持つ共振を抑制することができたものと考えられ
る。ただし、図6に示すように、抵抗体5aにも切れ目
を設けて、凹部8の上方で左右方向に電流が流れないよ
うにしておくことが重要である。図6の例では、抵抗体
5aには2ヶ所に切れ目を設けているが、凹部8の上方
において抵抗体5の左側部分と右側部分とが電気的に分
離されていればよく、切れ目は2ヶ所とは限らず1ヶ所
であってもよい。
の下側に抵抗体5aがあるが、図13や図15に示した
ように抵抗体を挿入しない構造で、凹部8を設けること
としてもよい。
る構造と、実施の形態1,2のようなグランドビア4の
非対称な配置、グランドパターン3の非対称な配置を適
宜選択して組み合わせても、ディップ低減の効果を高め
ることができる。
ての点で例示であって制限的なものではない。本発明の
範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって
示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での
すべての変更を含むものである。
ドビアまたはグランドプレーンが非対称となり、左右の
共振周波数が異なるようになる。したがって、共振によ
って生じていた1つのディップを2つのディップに分離
するとともに、ディップの深さを浅くすることができ
る。したがって、部品点数を増加させることなく、ディ
ップを低減することができる。さらに、凹部を設けるこ
ととすれば、伝送線路基板の下側において、高周波信号
の伝送方向に対する垂直方向に電流が流れにくくなり、
伝送方向に磁界成分を持つ共振を抑制することができ
る。
伝送構造体の一つの例の断面図である。
体のない場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のも
のと比較したグラフである。
伝送構造体の他の例の断面図である。
体のある場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のも
のと比較したグラフである。
伝送構造体の断面図である。
伝送構造体の断面図である。
を設けた場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のも
のと比較したグラフである。
である。
である。
の例の平面図である。
の例の断面図である。
の例の平面図である。
の例の断面図である。
の例の平面図である。
の例の断面図である。
の例の断面図である。
の例の断面図である。
る抵抗体の有無による通過特性への影響を比較したグラ
フである。
4 グランドビア、5抵抗体、6 土台、7 内芯、8
凹部、10 同軸ケーブル、11 同軸コネクタ、1
2 メタルウォール、13,14 ボンディングワイ
ヤ、15 半導体素子、16 導体層、17 リードフ
レーム、18 誘電体基板、19 ギャップ、31,3
2,33 伝送線路基板、51,52,53,54,5
5,56,57,58 曲線。
Claims (10)
- 【請求項1】 誘電体基板と、 前記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である
信号線と、 前記誘電体基板の上面において前記信号線を両側からそ
れぞれ間隙を介して挟むように配置された板状の導電体
であるグランドプレーンと、 前記誘電体基板内を貫通することによって、前記グラン
ドプレーンと前記誘電体基板の下面とを電気的に接続す
るグランドビアとを備え、 前記信号線の中心線を通り、前記誘電体基板の上面に垂
直な仮想基準平面から、一方のグランドプレーンに接続
する前記グランドビアの中心線までの距離と、前記仮想
基準平面から、他方のグランドプレーンに接続する前記
グランドビアの中心線までの距離とが異なる、伝送線路
基板。 - 【請求項2】 誘電体基板と、 前記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である
信号線と、 前記誘電体基板の上面において前記信号線を両側から間
隙を介して挟むように配置された板状の導電体であるグ
ランドプレーンと、 前記誘電体基板内を貫通することによって、前記グラン
ドプレーンと前記誘電体基板の下面とを電気的に接続す
るグランドビアとを備え、 前記信号線の中心線を通り、前記誘電体基板の上面に垂
直な仮想基準平面から、一方の前記グランドプレーンの
前記信号線側の端までの距離と、前記仮想基準平面か
ら、他方の前記グランドプレーンの前記信号線側の端ま
での距離とが異なる、伝送線路基板。 - 【請求項3】 前記誘電体基板の下面に膜状の抵抗体を
備える、請求項1または2に記載の伝送線路基板。 - 【請求項4】 請求項1または2に記載の伝送線路基板
と、前記伝送線路基板の下側に配置された導電体の土台
とを備え、前記土台は前記信号線を投影した領域にほぼ
対応する領域に凹部を有する、高周波伝送構造体。 - 【請求項5】 前記誘電体基板と前記土台との間には膜
状の抵抗体が介在し、前記抵抗体は、前記凹部を前記誘
電体基板に投影した領域を挟む両側が互いに電気的に隔
絶されている、請求項4に記載の高周波伝送構造体。 - 【請求項6】 請求項1から3のいずれかに記載の伝送
線路基板と、 前記伝送線路基板を載置する導電性の土台と、 前記伝送線路基板に対して電気的に接続された同軸コネ
クタと、 前記伝送線路基板に対して電気的に接続された半導体素
子とを備えた高周波パッケージ。 - 【請求項7】 請求項4または5に記載の高周波伝送構
造体と、 前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された同軸
コネクタと、 前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された半導
体素子とを備えた高周波パッケージ。 - 【請求項8】 誘電体基板と、 前記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である
信号線と、 前記誘電体基板の上面において前記信号線を両側からそ
れぞれ間隙を介して挟むように配置された板状の導電体
であるグランドプレーンと、 前記誘電体基板の下側に配置された導電体の土台とを備
え、 前記土台は前記信号線を投影した領域にほぼ対応する領
域に凹部を有する、高周波伝送構造体。 - 【請求項9】 前記誘電体基板と前記土台との間には膜
状の抵抗体が介在し、前記抵抗体は、前記凹部を前記誘
電体基板に投影した領域を挟む両側が分離されている、
請求項8に記載の高周波伝送構造体。 - 【請求項10】 請求項8または9に記載の高周波伝送
構造体と、 前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された同軸
コネクタと、 前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された半導
体素子とを備えた高周波パッケージ。
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JP2000368955A JP3748770B2 (ja) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | 伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージ |
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JP2000368955A JP3748770B2 (ja) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | 伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージ |
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