PCB配線幅電卓

PCB配線幅電卓は、IPC-2221標準を使用して、特定の電流、温度上昇、および銅箔の厚さに対して必要な最小配線幅を決定します。これは、過熱や故障を起こさずに必要な電力を処理できる、信頼性の高いプリント基板を設計するために不可欠です。

IPC-2221とは何ですか？

IPC-2221は、Association Connecting Electronics Industries (IPC) によって発行された「プリント基板設計に関する一般標準」というタイトルの業界標準です。これは、特定の電流を流すために必要な最小配線幅を計算するための公式を含む、PCB設計のための包括的なガイドラインを提供します。

この標準は、広範なテストに基づく経験的に導き出された公式を通じて、許容電流容量と配線ジオメトリの関係を定義しています。

IPC-2221 配線幅の計算式

計算は主に2つのステップで行われます：

ステップ 1: 断面積の計算

ここで：

• A = 断面積 (mils² / 平方ミル)
• I = 電流 (アンペア)
• k = 層の定数 (外層は 0.048、内層は 0.024)
• ΔT = 周囲温度からの温度上昇 (°C)
• b = 0.44 (指数定数)
• c = 0.725 (指数定数)

ステップ 2: 配線幅の計算

ここで：

• W = 配線幅 (mils)
• A = ステップ 1 で求めた断面積
• T = 銅箔の厚さ (mils)

外層 vs 内層

IPC-2221標準では、外層（表面・裏面）と内層で放熱特性が異なるため、これらを区別しています：

• 外層: 空気にさらされているため、対流によってより効率的に放熱できます。k = 0.048 を使用します。
• 内層: 熱伝導率の低い FR4 基板に囲まれています。k = 0.024（外層の半分）を使用します。

これは、同じ電流容量を確保するために、内層の配線は通常、外層の配線の約2倍の幅が必要であることを意味します。

銅箔厚（銅箔の重さ）のリファレンス

温度上昇のガイドライン

適切な温度上昇の選択は、アプリケーションによって異なります：

• 10°C 上昇: 重要なアプリケーション、軍事/航空宇宙、および近くに温度に敏感なコンポーネントがある基板向けの保守的な選択。
• 20°C 上昇: 適切な換気がある一般的な商業用途で一般的。
• 30°C 上昇: 放熱性の良い工業用途で許容可能。
• 40°C以上の上昇: スペースが極端に制限されており、短時間の電流スパイクが予想されるアプリケーションのみ。

重要： 温度上昇は周囲温度に対するものです。デバイスが 40°C の環境で動作し、20°C の上昇を許容する場合、配線は 60°C に達する可能性があります。

電気抵抗と電圧降下

電力に敏感なアプリケーションでは、配線抵抗と電圧降下は重要な考慮事項です：

ここで：

• R = 抵抗 (オーム)
• ρ = 銅の抵抗率 (20°C で 1.7 × 10⁻⁸ Ω·m)
• L = 配線長
• A = 断面積

配線における電圧降下は以下の通りです：

そして熱として散逸される電力損失は：

設計のベストプラクティス

安全マージン

• 製造上のばらつきを考慮し、計算された幅に 20〜50% の安全マージンを追加します。
• 銅箔厚の製造公差（通常 ±10%）を考慮します。
• 定常電流だけでなく、電流スパイクやトランジェントも考慮してください。

熱に関する考慮事項

• サーマルビアを使用して、他の層やグランドプレーンに熱を拡散させます。
• 大電流の配線を温度に敏感なコンポーネントの近くに配置しないようにします。
• 追加の熱拡散のためにベタ銅（コッパープア）を検討してください。

高周波に関する考慮事項

• 配線幅が広いほどインダクタンスが低くなり、電力供給に有利です。
• インピーダンス制御ラインの場合、配線幅がインピーダンスに影響します。
• 100 MHz を超える周波数では表皮効果を考慮してください。

よくある質問

PCB配線幅に関するIPC-2221標準とは何ですか？

IPC-2221は、特定の温度上昇を超えずに特定の電流を流すために必要な最小配線幅を計算する公式を含む、PCB設計のガイドラインを提供する業界標準です。この公式は、電流、許容温度上昇、銅箔の厚さ、および配線が外層か内層かを考慮します。

なぜ内層は外層よりも広い配線幅が必要なのですか？

内層は空気ではなくFR4基板材料に囲まれているため、放熱効率が低くなります。外層は周囲の空気へより効果的に放熱できるため、同じ電流でもより狭い配線で対応可能です。IPC-2221の公式では、この違いを考慮するために異なる定数（外層 k=0.048、内層 k=0.024）を使用します。

PCB配線の計算にはどの程度の温度上昇を使用すべきですか？

一般的な温度上昇値は、周囲温度に対して10°C、20°C、または30°Cです。10°Cの上昇は保守的であり、重要なアプリケーションに推奨されます。温度上昇を高く設定すると配線幅を狭くできますが、近接するコンポーネントに影響を与えたり、配線の信頼性を低下させたりする可能性があります。選択する際は、周囲の動作温度とコンポーネントの熱制限を考慮してください。

銅箔の重さは配線幅にどのように影響しますか？

銅箔が重い（oz/ft²が高い）ほど配線が厚くなり、同じ幅でより多くの電流を流せるようになります。標準的な 1 oz 銅箔は厚さ 35µm (1.38 mils) です。2 oz 銅箔を使用すると厚さが2倍になり、同じ電流容量に対して約半分の幅で済みます。ただし、厚い銅箔は高価であり、微細な設計のエッチングが難しくなります。

その他のリソース

• プリント基板 - Wikipedia
• IPC-2221標準 - IPC.org
• 銅の導電特性 - Wikipedia