基板パターンの電流容量を考える―設計で押さえるべきポイントと計算の基本―
はじめに
プリント基板の設計で必ず直面するのが、「どのパターン幅でどれだけ電流を流せるのか？」という問題です。
CAD上では簡単に線を引けますが、実際には銅厚・温度上昇・放熱条件によって許容電流は大きく変わります。
この記事では、IPC規格に基づく計算方法と、設計時に押さえておくべき実践的なポイントを解説します。
1. 電流容量の基本的な考え方
許容電流の定義
一般的に、プリント基板上の導体の許容電流は「温度上昇が10℃以内に収まる電流量」で定義されます。
IPC-2152（旧IPC-2221）では、電流容量 I は次の近似式で表されます：
I = k × (ΔT)^0.44 × (A)^0.725各パラメータの意味：
- I：許容電流（A）
- ΔT：温度上昇（℃）
- A：断面積（mm²）= パターン幅 × 銅厚
- k：定数（外層・内層、銅厚により異なる）
重要なポイント
- 断面積を2倍にしても、電流容量は約1.6倍程度にしかならない（指数が0.725のため）
- 外層パターンは放熱しやすいため、内層より電流容量が大きい
- 実際の製造では「銅厚誤差」「放熱環境」「基材特性」により理論値と差が出る
2. 設計で使える目安
電流密度による簡易判断
一般的な安全基準：
- 外層パターン: 電流密度 10A/mm² 以下
- 内層パターン: 電流密度 5～7A/mm² 以下
計算例：
銅厚70μm、パターン幅2mmの場合
断面積 = 2mm × 0.07mm = 0.14mm²
安全電流 = 0.14 × 10 = 1.4A（外層）IPC-2152に基づく目安（温度上昇10℃、外層）
| パターン幅 | 銅厚35μm | 銅厚70μm | 銅厚105μm |
|---|---|---|---|
| 0.5mm | 約1A | 約2A | 約3A |
| 1.0mm | 約2A | 約4A | 約5A |
| 2.0mm | 約4A | 約7A | 約9A |
| 3.0mm | 約6A | 約9A | 約12A |
| 5.0mm | 約9A | 約14A | 約18A |
※これらは理論計算による目安値です。実際の設計では各種条件を考慮し、基板メーカーやIPCツールで検証してください。
3. 設計での実践ポイント
（1）内層は外層より電流容量が低い
内層は基材に挟まれて放熱が制限されるため、同じ銅厚でも外層の約60～70％の電流容量と考えるのが安全です。
対策：
- 内層電源ラインはできるだけ太くする
- 複数ラインに分けて並列化
- ビアで外層とつなぎ放熱経路を確保
（2）連続通電かパルス通電かを区別
- 連続通電（電源ライン等）：定格を厳守
- パルス通電（スイッチング回路等）：デューティ比を考慮した実効値で評価
- モータ制御回路：繰り返し発熱による銅疲労に注意
（3）安全マージンの確保
長期安定動作を考えるなら、計算値の70～80％を上限に設定するのが理想です。
設計例：
必要電流：3A（連続）
安全率を考慮：3A ÷ 0.7 = 4.3A以上必要
→ 銅厚70μm、幅2mm（理論値約7A）を選択（4）高温環境への配慮
- 周囲温度が25℃より高い場合、温度上昇マージンが減少
- 密閉筐体内など放熱が悪い環境では、さらに余裕を持たせる
- 部品の近くは放熱条件が悪化するため注意
4. 設計時に確認すべきこと
✓ チェックリスト
- ☐ 最大電流値と連続/間欠を明確化
- ☐ 外層/内層を区別して計算
- ☐ 安全マージンを考慮（70～80%）
- ☐ 周囲温度・放熱条件を確認
- ☐ 基板メーカーの推奨値と照合
- ☐ 必要に応じて熱シミュレーション実施
有用なツール
- IPC-2152 Calculator（無料オンラインツール）
- 基板メーカーの設計ガイドライン
- 熱解析CAD（Ansys、SOLIDWORKS等）
まとめ
プリント基板のパターン設計では、理論計算と実践的な安全マージンの両方が重要です。
設計の基本方針：
- IPC規格や電流密度基準で初期検討
- 安全率（70～80%）を考慮
- 内層は外層の60～70%で計算
- 不安があれば基板メーカーに相談
熱解析環境がない場合でも、こうした基準を押さえることで、信頼性の高い設計が可能になります。
参考情報：
- IPC-2152: Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design
- 各基板メーカーの設計ガイドライン
※本記事は一般的な設計指針を示すものです。実際の製品設計では、必ず基板メーカーの仕様や実測データに基づいた検証を行ってください。
