PCB配線幅・電流容量

基本式(IPC-2221準拠)

断面積 A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725) [mil²]

配線幅 W = A / (銅厚 × 1.378) × 0.0254 [mm]

k = 0.048(外層)、0.024(内層)。単位はIPC規格でmil使用のため、mm換算(1mil=0.0254mm)で表示しています。

外層は空気による放熱があるため内層の約2倍の電流容量が確保できます。内層は絶縁材(FR-4等)に包まれ放熱が悪いため、同じ電流でも約1.4倍幅広くする必要があります。

1oz銅=35μm厚(仕上げ)が業界標準。2oz=70μm、0.5oz=17.5μmです。パワエレ系では2〜3ozの厚銅基板、フレキシブル基板では0.5〜1ozが一般的です。

電流別 必要配線幅 早見表(1oz外層・温度上昇10℃)

銅厚別 電流容量比較(温度上昇10℃・外層)

温度上昇別 電流容量差(3A・1oz外層基準)

PCB配線幅・電流容量の詳しい解説

IPC-2221規格の位置づけ

PCB配線設計の国際標準はIPC-2221「Generic Standard on Printed Board Design」で、電流容量表(Figure 6-4)が業界のデファクトになっています。日本国内でもJIS C 5010「プリント配線板」がありますが、実務ではIPC参照が中心です。

電流容量は「連続通電時に許容できる温度上昇」を基準に定めます。IPC-2221では温度上昇10℃・20℃・30℃の3段階でチャートが提供されており、機器の周囲温度・許容ジャンクション温度から逆算して選定します。

外層と内層の設計思想の違い

外層(Top/Bottom)は大気による自然対流冷却があるため、内層(Inner)の約2倍の電流を流せます。内層は上下の絶縁層(プリプレグ・FR-4)に挟まれるため放熱が悪く、同じ配線幅では熱が篭ります。

4層以上の多層基板でパワー配線を通す場合、外層で通すのが定石ですが、EMC対策(電磁ノイズ・輻射)では内層GND層による包み込みが必要な場合もあり、設計トレードオフが発生します。

電源系と信号系で異なる設計視点

電源系配線は電流容量・電圧降下・熱の3要素で幅を決定します。基本はIPC-2221準拠+電圧降下の許容値(通常入力の1〜3%以下)+ヒートシンク・熱ビアの併用です。

一方、高速信号系(USB・PCIe・HDMI・DDR)は特性インピーダンスで幅が規定されます。シングルエンド50Ω・差動100Ωが業界標準で、基板厚・銅厚・誘電率(FR-4のεr≈4.4)から幅を逆算します。ここでは電流容量はほぼ問題になりません。

パワエレ基板の厚銅設計

モーター駆動・電源装置・EV充電器等のパワエレ基板では、2oz・3ozの厚銅を使い、10〜50Aの電流を流します。厚銅基板はエッチング精度の限界・製造難易度が上がるため、基板メーカーの製造能力(2ozまでか3oz対応か)を事前確認が必要です。

50A以上を扱う場合は、厚銅+バスバー実装(銅棒はんだ付け)+ヒートシンク一体構造が現実解です。EV向けインバータ基板ではセラミック基板(DBC・AMB)や絶縁金属基板(IMS)への移行も進んでいます。

電圧降下と信頼性

配線幅を決めるもう一つの重要要素が電圧降下(V drop)です。銅の抵抗率1.68e-8Ω・mから、1oz銅・幅1mm・長さ100mmの配線抵抗は約48mΩ。3A流すと0.144V降下します。

5V電源系なら降下率2.9%で許容範囲、3.3V系なら4.4%で境界、1.2V系(CPU電源)なら12%で不許可レベルとなります。低電圧系ほど幅を広げるか、多点給電にする設計が必要です。

熱ビア(Thermal Via)の活用

大電流部・パワー素子(FET・レギュレータ)の下には熱ビアを配置し、外層・内層GNDプレーンへ放熱します。0.3mm径のスルーホールビアで、5〜10個並列配置が一般的です。

熱ビアはEMC(グランド強化)にも寄与するため、パワー系と高速系で共通する設計要件です。設計時はビア配置後の熱シミュレーション(CFD解析)で温度上昇を確認するのがベストプラクティスです。

業界・現場での使い方

ケーススタディ：実務での設計例

ケース1：MCU電源基板の設計

• 32bit MCU、電流3A、5V電源、1oz銅外層、温度上昇10℃
• 必要幅 ≒ 0.6mm(24mil)
• 電圧降下:配線長50mmで70mV(1.4%) → 許容範囲
• コスト・レイアウトの余裕から実装は0.8mm採用

ケース2：モーター駆動インバータ基板

• ブラシレスモーター、ピーク電流15A、2oz銅外層、温度上昇20℃
• 必要幅 ≒ 2.5mm(100mil)
• ヒートビア10個+外層GND広面積で放熱補助
• 50A以上ピークはバスバー併用検討

ケース3:USB-C PD 100W給電

• 20V・5A、1oz銅、外層、温度上昇10℃
• 必要幅 ≒ 1.0mm(40mil)
• コネクタピン接続部の狭幅化に注意、可能な限り放熱を確保
• PDプロトコル信号は50Ω・差動90Ω/100Ωで別途設計

ケース4:産業用大電流基板

• DC24V電源、瞬時30A、3oz銅、外層、温度上昇30℃
• 必要幅 ≒ 3.5mm(140mil)
• 3ozは製造可能メーカー限定、コスト1.5〜2倍
• アルミ基板(IMS)への代替検討で放熱大幅改善

ケース5:多層基板の内層電源プレーン

• 10A、1oz銅、内層、温度上昇10℃
• 細線では必要幅3.5mm、実務ではベタ面ポリゴンで対応
• 4層構造:S-P-G-S でP(電源)・G(GND)を内層プレーンに
• 電源リターンパスを短くしEMC・EMI性能向上

PCB配線設計 レビューチェックリスト

• 1. 電流容量 — IPC-2221準拠の必要幅を確保。外層/内層の区別、温度上昇の設計目標(10/20/30℃)明確化。
• 2. 電圧降下 — 配線抵抗×電流の降下が許容値(1〜3%)以内。低電圧系(1.2V CPU等)は厳しめに評価。
• 3. 銅厚選定 — 1oz/2oz/3ozの妥当性。厚銅基板は製造メーカー対応可否を事前確認。
• 4. 熱設計 — パワー素子直下の熱ビア配置、GNDプレーン活用、必要に応じてIMS基板検討。
• 5. 信号品質 — 高速信号(USB・PCIe・DDR)は特性インピーダンス整合、電源との重ね合わせ検証。
• 6. EMC/EMI — 電源リターン経路の短縮、GND分離パターン、シールドVia配置による対策。
• 7. 製造性(DFM) — 最小線幅・スペーシング(3/3mil以上)、エッチング精度考慮、ドリル径・アスペクト比確認。
• 8. 信頼性 — 車載/産業機器はAECQ100等の温度サイクル・振動要件、設計余裕を1.5倍以上に。

よくある間違い・注意点

• 信号線を電流容量で決める

  高速信号(USB・PCIe・DDR)は特性インピーダンス50Ω・差動100Ωで幅が決まる。電流容量だけで細くすると信号品質(SI)が劣化し、通信エラー・EMC規制違反につながる。

• 内層を外層と同じ幅で設計

  内層は放熱が悪く、外層の約1/2の電流容量。同じ幅では過熱リスク。IPC-2221の内層(k=0.024)チャートに従い、外層の1.4倍幅広くする必要がある。

• 温度上昇の見落とし

  温度上昇10℃・20℃・30℃で必要幅が2倍以上変わる。周囲温度が高い環境(産業機器・自動車エンジンルーム)では低い温度上昇を選ぶ必要があり、幅も広くなる。

• 電圧降下を計算しない

  電流容量は満たしても、低電圧系(1.2V CPU電源等)では数%の電圧降下が動作不良を招く。特に長い配線・低電圧・大電流の組み合わせで顕著。

• 熱ビアの未配置

  パワー素子(FET・LDO・レギュレータ)下の熱ビア無配置で温度上昇。IPC-2152では熱ビア併用時の効果が定量化されており、必ず配置設計する。

• ボイド・欠陥の余裕未考慮

  製造時のエッチング精度・ボイド発生を考慮せず、限界寸法で設計。実務では設計値の1.2〜1.5倍の余裕を持たせるのが安全。厚銅基板ほどエッチング精度が悪くなるため要注意。

関連する規格・法規

• IPC-2221「Generic Standard on Printed Board Design」— PCB設計の国際デファクト。電流容量表・配線幅・スペーシング等を規定。
• IPC-2152「Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design」— 電流容量の詳細規格。IPC-2221より新しく、熱ビア効果も定量化。
• IPC-6012「Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards」— リジッド基板の品質・性能規格。
• JIS C 5010「プリント配線板」— 国内規格。IPC規格と互換性あり。
• UL 796「Printed-Wiring Boards」— 米国安全規格。難燃性・電気安全性の要件。
• AEC-Q100・AEC-Q200— 車載電子部品の信頼性規格。厳しい温度・振動条件。
• ISO 26262「Road vehicles — Functional safety」— 自動車機能安全規格。
• RoHS指令・REACH規則— EU環境規制。鉛フリーはんだ・有害物質規制。

※本ツールは公的基準に基づく参考計算です。実際の設計・製造・法令適用は最新の告示・規格および基板メーカーの製造能力・所轄官庁の判断に従ってください。

よくある質問（FAQ）

関連計算ツール

用語集

IPC-2221

PCB設計の国際デファクト規格。電流容量表(Figure 6-4)が業界標準として使用される。

oz(オンス)銅厚

1平方フィートあたりの銅重量。1oz≒35μm厚が業界標準。

外層(Outer Layer)

基板の表裏面。大気による自然対流冷却があるため、内層より電流容量が大きい。

内層(Inner Layer)

多層基板の中間層。絶縁材に囲まれ放熱が悪い。

特性インピーダンス

高速信号の反射防止で規定される伝送線路のインピーダンス。シングルエンド50Ω・差動100Ωが標準。

熱ビア(Thermal Via)

放熱目的で配置するスルーホール。GND・電源プレーンへの熱伝達路。

厚銅基板

2oz以上の銅厚を持つPCB。パワエレ・大電流用途に使用。

FR-4

PCBの標準基材。ガラスエポキシ樹脂。誘電率εr≈4.4、耐熱性130℃前後。

絶縁金属基板(IMS/MCPCB)

アルミやカッパー基板に絶縁層+銅箔を貼った高放熱PCB。LED・パワエレ用途。

電圧降下(V drop)

配線抵抗と電流から生じる電位差。低電圧系では動作不良の原因に。

プリプレグ(Prepreg)

多層基板の絶縁層に使う半硬化樹脂含浸ガラスクロス。積層プレスで硬化させる。

ビアイントラック

配線内にビアを配置する高密度実装技術。BGAピッチ狭化に対応。

DFM(Design for Manufacturing)

製造性を考慮した設計。線幅・スペーシング・ドリル径等の製造限界を守る。

まとめ・実務ポイント

設計の基本判断

PCB配線幅の設計は、電流容量(IPC-2221)+電圧降下+熱設計の3つの視点で決定します。IPC-2221で必要最小幅を確認し、電圧降下を計算、熱ビア・ヒートシンクの必要性を判定する順序が実務のワークフロー。

本ツールで一次判断を行い、詳細は熱シミュレーション(Icepak・Flow Simulation)や電源シミュレーション(SIwave)で最終確認するのが定石です。

設計余裕の考え方

実務では設計値の1.2〜1.5倍の余裕を持たせるのが安全です。製造ばらつき・エッチング精度・実装時の欠陥・経年劣化を考慮するため、限界寸法での設計は避けるべきです。

厚銅基板・車載・産業機器では余裕率を高め、コンシューマー機器・省スペース優先ではぎりぎり設計もあり得ます。用途と信頼性要求のバランスが判断のカギ。

信号系との統合設計

電源系と信号系を統合的に設計するには、電流容量(本ツール)+特性インピーダンス(Polar SI9000)+EMC/EMI(3D電磁シミュレーション)を組み合わせます。

近年はUSB PD 240W・PCIe Gen5・DDR5等の高電力・高速化が同時進行しており、PCB設計者の技術要求が急速に上がっています。IPC規格の継続的キャッチアップが競争力の源泉です。

参考文献・公的リソース

• IPC(Association Connecting Electronics Industries)公式サイトipc.org
• JEITA(電子情報技術産業協会)jeita.or.jp
• 日本産業標準調査会「JIS C 5010 プリント配線板」jisc.go.jp
• UL(Underwriters Laboratories)Standard 796ul.com
• AEC(Automotive Electronics Council)Q100/Q200aecouncil.com
• Altium Designer「PCB Design Tutorial」altium.com
• KiCad(オープンソースPCB CAD)kicad.org
• 経済産業省「電気事業法・電気安全」meti.go.jp