プリント基板を設計する上で、
「プリント基板の温度はどれくらい上昇するのか」
「温度上昇を抑えたいけれど、銅箔厚やパターン幅はいくつにしないといけないのか」
といったことは、基板設計者が悩むポイントかと思います。
特にパワー系基板では、電流値が大きいため、
わずかな設計条件の違いで温度上昇が大きく変わることがあり、
放熱設計を誤ると、発熱によって、電子部品を含む
基板の故障や寿命低下を招くおそれがあります。
以前、銅箔厚が35[um]の基板で、許容温度上昇を10℃とした場合に、
「基板の温度上昇を抑えるパターン設計の考え方」として、
どれくらいのパターン幅を設定すればよいのかをご紹介いたしましたが、
上述の通り、導体の断面積や電流値などの設計条件によって、
基板の温度が10℃だけでなく、
20℃・30℃・40℃・・・と上昇する場合もあります。
そこで今回は、
基板の温度上昇と電流値の関係について、
具体的な計算式をふまえながら解説いたします。
基板の温度上昇と許容電流の関係
プリント基板の許容電流は、導体の断面積（配線幅×厚み）と、温度上昇によって決まります。
この許容電流は、IPC-2221の式を用いて、基板の温度上昇から許容電流を求めることができます。
Ⅰ：許容電流（A）
A：導体の断面積（mil²）
※1mil=0.0254mm
ΔT：温度上昇（℃）
K：係数（外層：0.048、内層：0.024）
上記の式を用いると、例えば、銅厚35μmに対して配線幅1~10mmとした場合、
外層の断面積、温度上昇と電流値の関係は下記のようにまとめることができます。
表1. 銅厚35μmの断面積・許容温度上昇・電流値の関係（当社まとめ）
図1. 銅厚35μmの断面積・許容温度上昇・電流値の関係グラフ（当社まとめ）
内層の場合は、係数Kが外層の1/2となるため、
上記の電流値の1/2の値となります。
また、今回は、銅厚35μmの例をご紹介いたしましたが、
銅厚が70μm・105μmの場合は、断面積が0.725乗となるため、
銅厚が35μmでパターン幅が同じ場合と比較して、
それぞれ約1.65倍、約2.22倍の電流を流すことができます。
本計算式を用いる際の注意点として、上記の計算式（IPC-2221）の適用範囲は、
外層・内層の場合それぞれ電流35A（外層）、17.5A（内層）
温度上昇は10℃～100℃が目安となります。
但し、上記計算式はあくまで近似式であり、
周囲温度、基材、回路配置、VIA配置などの条件
によっても変化するため注意が必要です。
IPC-2152による計算でより高い精度で計算が可能
ここまでIPC-2221の計算式をご紹介いたしましたが、
より精度を高めるために、IPC-2152に基づいた計算が行われます。
IPC-2152では、周囲温度、基材、銅の厚さなど、
複数の要因を考慮した複雑な計算を行っています。
この計算は複雑化しているため、
自動計算ツールやアートワークCAD内臓の計算機能が使用されます。
但し、最終的な製品設計・製造を行う際には、
上述の自動計算ツールなどをご活用して頂いた上で、
熱シミュレーションや試作機で電流と温度上昇を実測するなど、
品質を確認することが不可欠です。
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