PCB配線電流容量：幅、銅重量、およびIPC-2221

銅配線はどれも薄い抵抗器であり、電流が流れると発熱します。適切なサイズにすれば基板は何年も低温で動作しますが、サイズが短すぎると配線が過熱し、ラミネートが劣化し、ヒューズのように断線する可能性があります。このガイドでは、エンジニアが実際に調べている疑問（配線が何アンペアを流せるか、1オンスの銅は何ミリメートルか、いつ厚銅に切り替えるべきかなど）に答え、Highleap Electronicsがこれらの数値をどのように基板製造と組み立てに活用しているかを紹介します。

1. 銅配線は最大何アンペアの電流を流すことができますか？

配線に流れる最大電流は一律ではありません。許容できる温度上昇が限界となります。参考までに、外層に1オンスの銅を使用した幅1mm（約40ミル）の配線では、温度上昇が10℃と控えめな場合、約2Aの電流が流れ、30℃の場合には約4Aの電流が流れます。電流は電流の2乗と抵抗に比例して配線を加熱し、配線は周囲の銅、ラミネート、空気に熱を放出できる場所に落ち着きます。

配線の抵抗値、ひいては発熱量は、3つの配線特性によって決まります。断面積（幅×銅厚）が最も大きく、どちらかを2倍にすると抵抗値はほぼ半分になります。長さは抵抗値と電圧降下を比例的に増加させますが、ピーク温度はほとんど変化しません。また、銅の抵抗値は1℃あたり約0.4%上昇するため、高温の配線は抵抗値がわずかに高い配線となり、それがさらに発熱につながります。熱の放出のしやすさは、外層と内層、筐体内の周囲温度、空気の流れや放熱といった3つの環境要因によって決まります。配線の構築方法や仕様について初めて学ぶ場合は、電源回路のサイズを決定する前に、 PCB配線設計の基本を学ぶことが役立ちます。

2. 1オンスの銅の厚さは何mmですか？（銅重量表）

銅1オンスの厚さは約35ミクロン、つまり0.035mm、または約1.37ミルです。銅の厚さは平方フィートあたりの重量で表されますが、これは初心者が混乱しやすい古い慣習です。そのため、覚えておくと良い換算式は次のとおりです。

容量は断面積に依存するため、より多くの電流を流すには、配線幅を広げるか、より厚い銅箔を使用することが必要です。高密度基板の場合、3オンス銅箔を使用する方が、非常に幅の広い配線のためのスペースを確保するよりも、多くの場合きれいに仕上がります。また、高出力用途には、全面厚銅箔を使用したプリント基板が最適です。

3．配線幅と電流の関係を示すグラフ（1オンスおよび2オンスの銅）

外層に1オンスの銅を使用し、温度上昇を控えめに10℃とした場合、1Aの配線には約0.5mm（20ミル）、3Aの配線には約1.8mm（70ミル）の幅が必要です。下記の表はIPC-2221に基づいた出発点であり、お客様独自の温度目標に対する計算の代わりとなるものではありません。内層の配線は通常、これらの幅の約2倍が必要です。

電流が増加すると、配線幅も急速に拡大します。数アンペアを超えると、単一の配線では実用的ではなくなり、より良い解決策としては、銅箔パターンや銅プレーン、ビアで接続された複数層にわたる並列配線、あるいはより厚い銅の使用が挙げられます。後者の場合、専用の厚い銅を用いた電流容量設計によって、高電流レールを冷却することができます。

4. 内部配線幅と外部配線幅：内部配線を広くする必要がある理由

内部配線は、ラミネート材に挟まれているため空気中に熱を放出できず、同じ電流を流すには外部配線の約2倍の幅が必要になります。IPC-2221規格では、まさにこの理由から、2つのケースで異なる定数を使用しています。外部配線は空気への対流によって冷却されるのに対し、内部配線は断熱されているため、同じ幅でもより多くの熱を蓄積します。

実際的な結果として、多層基板で外層用に検証した幅でも、同じネットが内層に配線されている場合、静かに過熱する可能性があります。層間で電源を移動させる場合は、内層の場合に合わせてサイズを決定し、各遷移箇所で複数のビアを並列に使用して、層の変更がホットボトルネックにならないようにしてください。