JP4272956B2 - 電子部品の実装構造及び実装方法 - Google Patents

Description

本発明は高速信号ラインに挿入される電子部品、詳細にはヒューズ部品に関するものである。

特開平５−１４６０３８号公報

近年、パーソナルコンピュータに代表される電子機器には、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４といった外部Ｉ／Ｆが搭載されている。これらは、信号線の数（バス幅）を低減したうえで、バンド幅を確保するために、周波数に換算して数百メガヘルツに相当するパルス幅の、高速な信号を伝送している。また、高速性とノイズ耐性を確保するために数１０ｍＶ程度の低振幅な差動信号が用いられている。これらの高速Ｉ／Ｆの信号は、機器内のプリント配線板では、それぞれのＩ／Ｆの規格に合わせた、ケーブルとも一致した差動インピーダンスに整合された信号ラインによって配線され、その配線は極力短く設けられている。これは、プリント配線板上で、差動信号の反射や減衰による、信号品質の低下を避けるためである。

また、これらのＩ／Ｆは、電源を持たない機器との信号のやり取りができるように、バスパワードと称される、電源供給機能を併せ持っている。

そして、このようなバスパワードの高速Ｉ／Ｆのコネクタは、その形状に、左右上下に非対称性を持たせる工夫がなされており、逆挿し（逆向きの挿入）や、他のＩ／Ｆコネクタの誤挿入を防ぐようになっている。

ところが、コネクタ形状の工夫だけでは、コネクタ部の力学的破壊をともなうような誤挿入の可能性は排除できない。何らかの理由でコネクタ部の力学的破壊をともなって誤挿入が発生すると、バスパワードのための電源供給線と高速伝送用の信号線がショートし、
異常電流が発生し、電源供給回路の発熱、発煙、発火が引き起こされる。そのために従来は、特許文献１に示されるように、電源供給回路にヒューズを挿入して安全性を図っていた。

しかしながら、電子機器間での高速伝送外部Ｉ／Ｆにおいては、接続される相手の機器が不特定多数であるため、電源供給回路のヒューズが溶断するまでのタイムラグが特定できず、誤挿入によるショートが発生すると、高速差動信号伝送用の半導体素子が、電源供給回路のヒューズが溶断される前に、発熱、発煙、発火する危険性があり、電子機器そのものの安全性に係る問題に発展してしまうという問題があった。

そこで、この対策として、プリント配線板上の高速差動信号線にヒューズを直列に挿入し、異常電流によりヒューズ素子が溶断することで、電気的に回路を遮断せしめて安全性を確保するという方法を提案することができるのであるが、高速差動Ｉ／Ｆは、ケーブルおよびプリント配線板上の差動インピーダンスが規定されており、ＵＳＢでは９０オームであり、ＩＥＥＥ１３９４では１１０オームである。こうしたインピーダンスに整合した信号線に不用意にヒューズを挿入すると、インピーダンスの不整合が起こり、不整合により伝送信号の反射が発生し、信号波形品位が、反射波の影響によって低下してしまうという問題点があった。

上記課題を解決するために本出願に係る発明は、高速差動信号線と電源供給線とのショートが発生した時の、差動信号線に接続された半導体への過電流を遮断するために、差動信号線にヒューズ線が２本収容された電子部品を搭載するものである。
この面実装型電子部品は、２本のヒューズ線の間隔と、ＧＮＤ電位面との位置を確定し、パッケージ部材の誘電率を既知のものを用いることで、２本のヒューズ線間の差動インピーダンスを、決定し作成される。

ＧＮＤ電位面はプリント配線板上にあってもよく、本発明によるヒューズ部品に設けられても良い。また、２本のヒューズは平行に配置され、かつ、実装されるプリント配線板の実装面と水平に配置されることで、ヒューズ部品の長さ方向に、不変の差動インピーダンスを与える事ができる。

差動インピーダンスの算出には市販の伝送線路シミュレータや電磁界解析シミュレータを用いて容易に算出が可能である。

この２本のヒューズ線間の差動インピーダンスを、プリント配線板上の差動信号配線の差動インピーダンスと整合させることで、ヒューズ部品を挿入することによる、高速差動信号の信号波形品位の低下を防止することを特徴とする。

ここで、差動インピーダンスが、どの程度の整合が必要であるかを考えると、少なくとも、反射波の影響が、電源電圧の許容値を超えない事が必要であるため、通常の半導体における電圧許容値である±１０％を限界値と考えると信号の反射係数が０．１以下であることが必要である。一般的に知られる反射係数の公式にあてはめると
反射係数ｒ＝（Ｚ２−Ｚ１）／（Ｚ２＋Ｚ１）
（Ｚ１＝入力側インピーダンス、Ｚ２＝出力側インピーダンス
Ｚ１とＺ２の比が１：１．１８でｒ＝０．０８３または１：０．８２でｒ＝０．０９９となり、限界値以下であるため、本発明のヒューズ部品の差動インピーダンスは、信号配線の差動インピーダンスに±１８％で整合していれば良い。

また、複数の差動信号ペアを要するＩ／Ｆに適合するために、差動インピーダンスを整合したヒューズ線ペアを複数内蔵した形態も特徴とするものである。

本発明によれば、電子機器に搭載される外部Ｉ／Ｆの高速差動信号配線に挿入する、過電流に対して溶断することで安全確保が可能で、かつ信号伝送においては、信号波形品位を低下させないヒューズ部品を提案するものである。

図中１及び２は第一の差動ペアに対応したヒューズ線であり、１５、１６は第二の差動ペアに対応したヒューズ線である。

図１は第一の実施例の模式図であり、本発明によるヒューズ部品の斜視透視図である。

図中１は第一のヒューズ線（過電流ヒューズ線）であり、２の第二のヒューズ線（過電流ヒューズ線）と平行に配置されている。また、第一のヒューズ線１は外部との第一の接続端子３に両端が電気的に接続されており、第二のヒューズ線２は第一のヒューズ線１と絶縁された状態で、外部との第二の接続端子４に両端が電気的に接続されている。

５は部品外装であり、内部は中空でもよく、絶縁材料が充填されていても良い。

図２は本発明による電子部品（ヒューズ部品）が、プリント配線板上の差動信号線に直列に搭載された状態を示す、上面からの透視した模式図である。図中、本発明の電子部品が接続されている、信号線６および、信号線７は差動信号であり、ペア配線されている。

以上のように、本発明による２素子入りの電子部品を、プリント配線板上の差動信号線に直列に搭載する事で、コネクタの誤挿入にともなう電源供給線と差動信号線のショートが発生し過電流が差動信号線に流れても、本発明による電子部品（ヒューズ部品）が溶断され過電流を遮断せしめるため、差動信号線が接続される半導体素子の発熱、発煙、発火を防ぐことができる。また、２素子が１つの部品形態となっているので、１回の部品実装により、差動信号線２本に対して完了させることができる。

図３は第二の実施例の模式図であり、本発明による電子部品（ヒューズ部品）がプリント配線板に搭載される状態の斜視透視模式図である。図中８は本発明による電子部品（ヒューズ部品）が接続されるプリント配線板上の、部品パッドである。９はプリント配線板上に設けられた、ＧＮＤ電位のパターンであり、かつ本発明による電子部品（ヒューズ部品）のヒューズ線の直下に配置されている。

この状態で本発明による電子部品（ヒューズ部品）の中央をヒューズ線と直交する面から見た断面図が図４である。第一のヒューズ線１及び第二のヒューズ線２は互いに平行に配置され、かつ、１０のプリント配線板の実装面と水平に配置されている。

以上のように、ＧＮＤおよび第一のヒューズ線１及び第二のヒューズ線２を配置した上で、プリント配線板上のＧＮＤ面からの位置と、２本のヒューズ線同士の間隔と、外装５の中に充填された絶縁材の誘電率を調整する事で、第一のヒューズ線１及び第二のヒューズ線２の差動インピーダンスを調整する事ができる。差動インピーダンスは伝送線路シミュレータなどで算出する事が可能である。そして、この差動インピーダンスを、プリント配線板上の差動信号配線と概ね同じとすることで、差動信号配線と、本発明による電子部品（ヒューズ部品）のインピーダンスが整合され、伝送信号波形に反射が発生しないために波形品質を保持することができる。

以上のように、本発明による電子部品（ヒューズ部品）を差動信号配線に接続する事で、信号波形に対する影響なく異常電流に対する安全性を確保する事ができる。

図５は第二の実施例における、別の形態を示す斜視透視模式図である。図中１１は本発明による電子部品（ヒューズ部品）の底面に設けられた導体であり、１２は導体１１と電気的に接続された外部接続用の端子である。また、プリント配線板上の１３は外部接続用端子１２と接続される部品パッドであり、ＧＮＤ電位とされるものである。

図６は図５の形態の断面図である。

このように、プリント配線板上のＧＮＤパターンが無くても本発明による部品にＧＮＤ電位と接続される導体を設ける事によって２本のヒューズ線の間隔およびＧＮＤ導体との距離を調整し差動インピーダンスを差動信号配線と整合することができる。

図７は第三の実施例であり、第一の実施例における電子部品（ヒューズ部品）が複数連結した形態のうち、２個（２ペア）を１パッケージに収めた状態を表す斜視透視の模式図である。

図中１６および１７はプリント配線板上の第二の差動信号線であり１４および１５は第二のヒューズ線のペアである。

ＩＥＥＥ１３９４形式のＩ／Ｆのように複数の差動信号ペアを必要とする回路に適応したものである。

第一の実施例である面実装型電子部品の斜視透視図 第一の実施例である面実装型電子部品の上面からの透視模式図 第二の実施例である面実装型電子部品の斜視透視図 第二の実施例である面実装型電子部品の断面図 第二の実施例である面実装型電子部品の異なる形態を表す斜視透視図 第二の実施例である面実装型電子部品の異なる形態の断面図 第三の実施例である面実装型電子部品の斜視透視図

符号の説明

１ 第一のヒューズ線
２ 第二のヒューズ線
３ 第一のヒューズ線と接続された外部との接続端子
４ 第二のヒューズ線と接続された外部との接続端子
５ 電子部品（ヒューズ部品）の外装
６、７ 差動信号配線
８ プリント配線板上の接続パッド
９ プリント配線板上のＧＮＤ電位の導体
１０ プリント配線板
１１ 電子部品（ヒューズ部品）の底面に設けられた導体
１２ 導体と電気的に接続された外部接続用の端子
１３ 外部接続用の端子と接続される部品パッド
１４、１５ 第二のヒューズ線ペア
１６、１７ プリント配線板上の第二の差動信号線

Claims (5)

1. 所定の電流値によって溶断される第一のヒューズ線と第二のヒューズ線が収容され、前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線の両端が外部との第一の接続端子と第二の接続端子とに各々個別に電気的に接続され、かつ、前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線同士が電気的に絶縁された構造を有する電子部品が、差動信号線が設けられたプリント配線板に実装された電子部品の実装構造において、
   前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線が収容されたパッケージ部材の誘電率、及び前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線の間隔並びにＧＮＤ電位面からの位置、により調整される差動インピーダンスが、
   前記差動信号線の差動インピーダンスの約±１８％以内であることを特徴とする電子部品の実装構造。
2. 前記プリント配線板は、更に前記電子部品の下にＧＮＤ電位のパターンを有することを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装構造。
3. 前記電子部品は、前記ＧＮＤ電位のパターンと接続される導体を有することを特徴とする請求項２記載の電子部品の実装構造。
4. 前記電子部品が複数連結した構造であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項記載の電子部品の実装構造。
5. 所定の電流値によって溶断される第一のヒューズ線と第二のヒューズ線が収容され、前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線の両端が外部との第一の接続端子と第二の接続端子とに各々個別に電気的に接続され、かつ、前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線同士が電気的に絶縁された構造を有する電子部品を、差動信号線が設けられたプリント配線板に実装する電子部品の実装方法において、
   前記第一のヒューズ線と前記第二のヒューズ線が収容されたパッケージ部材の誘電率及び第一のヒューズ線と第二のヒューズ線の間隔並びにＧＮＤ電位面からの位置、により調整される差動インピーダンスが、前記差動信号線の差動インピーダンスの約±１８％以内であることを特徴とする電子部品の実装方法。

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