理論的には、PCB（プリント基板）の電流容量は配線の断面積と温度上昇によって決まります。さらに、配線の断面積は配線幅と銅箔厚に正比例します。では、ここで一つ疑問が生じます。この法則は電流容量と配線断面積の関係にもそのまま当てはまるのでしょうか。つまり、配線の電流容量はその断面積に直接比例すると言えるのでしょうか。
同じく 10°C の温度上昇条件下では、1oz 銅箔厚の 10mil 配線は最大 1A の電流に耐えることができ、50mil 配線なら 1A より大きな電流に耐えられることは確かです。それでは、その最大電流値は単純な倍率計算に基づいて 5A と言えるのでしょうか。実際には、話はそれほど単純ではありません。MIL-STD-275 によると、50mil 配線が耐えられる最大電流は 2.6A であると示されています。
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温度上昇
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10℃
|
20℃
|
30℃
|
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銅
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0.5オンス |
1.0オンス |
2.0オンス |
0.5オンス |
1.0オンス |
2.0オンス |
0.5オンス |
1.0オンス |
2.0オンス |
|
配線幅 (インチ)
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最大電流アンペア |
| 0.01 |
0.5 |
1.0 |
1.4 |
0.6 |
1.2 |
1.6 |
0.7 |
1.5 |
2.2 |
| 0.015 |
0.7 |
1.2 |
1.6 |
0.8 |
1.3 |
2.4 |
1.0 |
1.6 |
3.0 |
| 0.02 |
0.7 |
1.3 |
2.1 |
1.0 |
1.7 |
3.0 |
1.2 |
2.4 |
3.6 |
| 0.025 |
0.9 |
1.7 |
2.5 |
1.2 |
2.2 |
3.3 |
1.5 |
2.8 |
4.0 |
| 0.03 |
1.1 |
1.9 |
3.0 |
1.4 |
2.5 |
4.0 |
1.7 |
3.2 |
5.0 |
| 0.05 |
1.5 |
2.6 |
4.0 |
2.0 |
3.6 |
6.0 |
2.6 |
4.4 |
7.3 |
| 0.075 |
2.0 |
3.5 |
5.7 |
2.8 |
4.5 |
7.8 |
3.5 |
6.0 |
10.0 |
| 0.1 |
2.6 |
4.2 |
6.9 |
3.5 |
6.0 |
9.9 |
4.3 |
7.5 |
12.5 |
| 0.2 |
4.2 |
7.0 |
11.5 |
6.0 |
10.0 |
11.0 |
7.5 |
13.0 |
20.5 |
| 0.25 |
5.0 |
8.3 |
12.3 |
7.2 |
12.3 |
20.0 |
9.0 |
15.0 |
24.0 |
プリント基板正確に設計されています。
銅厚さ測定単位
本格的な議論に入る前に、銅の厚さに用いられる単位「オンス（oz）」について調べておく必要があります。一般的には重量を測る単位として認識されていますが、プリント基板設計においては銅の厚さを表すために用いられています。オンスによる銅厚の換算については、いくつかのルールを押さえておかなければなりません。銅の仕様は平方フィートあたりの銅重量で測定されるため、通常言及される 1oz とは、実際にはその銅の 1 平方フィートあたりの重量が 1oz であることを意味します。このような場合、銅の厚さが厚くなるほど重量は増加し、銅の重量はその厚さに正比例します。その結果、銅の厚さは重量単位であるオンスで表すことができます。さらに、オンスはミリメートルやミルといった単位に変換することも可能です。いくつかの一般的な換算は以下のとおりです。
0.5オンス = 0.0007インチ = 0.7ミル = 0.018mm
1.0oz = 0.0014インチ = 1.4ミル = 0.035mm
2.0oz = 0.0034インチ = 2.8ミル = 0.070mm
PCB銅箔断面積と最大許容電流および温度上昇の関係
IPC-2221 の 6.2 節「導電材料の要件」の説明に基づくと、電流容量はさらに内部導体と外部導体の 2 種類に分類できる。内部導体の最大電流容量は、外部導体の最大電流容量の半分として定義されている。IPC-2221 の表 6-4 には、外部導体および内部導体における銅箔断面積、温度上昇、および最大電流容量の関係が示されている。
さらに、上記の表に基づいて、簡略化した式がまとめられています。私= KΔT0.44A0.75
この式において、K は補正係数です。内部導体の場合は 0.024、外部導体の場合は 0.048 に相当します。ΔT は最大温度差を表し、加熱された銅と周囲温度との温度差を示し、その単位は摂氏度（°C）です。A は銅配線の断面積を指し、その単位は平方ミル（mil²）です。私電流容量を指し、その単位はアンペア（Amp）である。
電子技術の発展により、回路基板設計者が利用できるオンラインの配線幅計算ツールがいくつか登場しています。これは非常に便利なツールで、必要な電流値と銅箔厚を入力するだけで、内部導体および外部導体に対応する配線幅が提示されます。PCB配線幅計算機そしてANSI IPC-2221A PCB配線幅計算ツール先ほど紹介したツールに属します。
最大電流容量を決定する要素
最大電流容量は単純な式を用いて直接算出することもできますが、実際のケースはそれほど単純でも直接的でもありません。これは、断面積や温度上昇に加えて、トレースの電流容量が、部品点数やパッド、ビアなどの他の要素にも依存するためです。
多くのパッドが分散しているパターンでは、はんだ付けされたパターンは通常のパターンよりも極めて高い電流容量を発揮します。エンジニアが、大電流が流れた結果、パッド間の一部のパターンが焼損している基板に遭遇することは珍しくありません。このような悲劇の原因は、部品やピンにはんだペーストが過剰に盛られることで断面積が増加する一方、パッド間のパターンには何の変更も加えられないことにあります。その結果、電源投入直後やパターンの改造が行われた際に、非常に大きな過渡サージが発生したり、パッド間のパターンが焼き切れてしまったりする可能性があるのです。
この問題の解決策の一つは、配線幅を広げることにあります。配線を広げることができない場合は、焼損しやすい配線にソルダーマスクを適用し、その上にソルダーペーストを印刷する必要があります。SMT（表面実装技術）リフローはんだ付けの後、パターン幅が増加するため、電流容量も向上します。
一言で言えば、PCB配線の電流容量は IPC が提供する表や数式によって求めることができますが、それらは直線配線の計算にのみ適用されます。ところが、実際のプリント基板の製造や実装では、ほこりや汚染物質による汚染を慎重に考慮しなければなりません。なぜなら、汚染によって一部の配線が断線する可能性があるからです。したがって、最大電流容量をいずれの方法で設計する場合でも、過負荷の発生を防ぐために安全係数を加える必要があります。
さらに、ターン部の配線には特別な注意を払う必要があります。配線に鋭角が生じると、伝送がスムーズでなくなる可能性があり、小電流や幅の広い配線ではほとんど影響がない場合もあります。しかし、電流容量が低い場合には、問題が発生するおそれがあります。
PCB の電流容量は、効果的で信頼性の高い回路基板を設計する際に考慮すべき重要な要素です。しかし、理論的な計算だけでは、実際の状況で実装したときに有効な判断を下すには不十分な場合があります。そのため、実際の動作条件下でも設計どおりに PCB が性能を発揮できるようにするには、IPC-2221 のような業界標準を用いることが必要となります。
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