基板設計

パターン幅と許容電流の早見表|1A・2A・5A・10Aは何mm?IPC-2221の計算式

パターン幅と許容電流の計算。IPC-2221

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こんな経験ありませんか?
  • 先輩から「このラインに10A流すから、パターン幅決めといて」と言われたが、何mmにすればいいかわからない
  • とりあえず適当に1mm幅にしたら、客先レビューで「根拠は?IPC-2221に準拠してる?」と聞かれて固まった
  • 「電流が多いと太く」までは知っているが、何アンペアで何mmなのかピンとこない
  • ネットで「パターン幅 計算」と検索したら数式だらけで、結局何をすればいいかわからなかった
○ この記事でわかること
  • IPC-2221の計算式を「なぜそうなるか」も含めて完全理解
  • 外層と内層でパターン幅が変わる理由
  • 温度上昇10℃・20℃・30℃で許容電流がどう変わるか
  • すぐに使える計算ツール(無料)の紹介
  • 実務で「これ何mm?」と聞かれたら3分で答えられる早見表

基板設計で必ず最初にぶつかる壁が「パターン幅をいくつにすればいいか」です。

細すぎれば発熱・断線、太すぎれば基板サイズが大きくなりコストアップ。この絶妙なバランスを決めるのが、世界中の基板設計者が使っている業界規格IPC-2221です。

この記事を読み終えたとき、あなたは「2A流すなら外層で約0.8mm」と即答できるようになります。客先レビューで根拠を聞かれても、自信を持って答えられる知識が身につきます。

まず結論:パターン幅の早見表

細かい計算式の前に、結論を見せます。これは銅箔厚35μm(1oz)、温度上昇10℃を前提とした、IPC-2221に基づくパターン幅の早見表です。

基板設計の現場で「2A流すなら何mm?」と聞かれたら、まずこの表を頭に浮かべてください。

電流 外層パターン幅 内層パターン幅
1A 約 0.3 mm 約 0.8 mm
2A 約 0.8 mm 約 2.0 mm
3A 約 1.4 mm 約 3.6 mm
5A 約 2.8 mm 約 7.2 mm
10A 約 7.2 mm 約 19 mm
ポイント
ぱっと見て気づくのは、内層は外層の2〜3倍の幅が必要ということです。これは「内層は熱が逃げにくい」ためです。詳しい理由は後ほど解説します。
注意
この表は「温度上昇10℃」の比較的安全な条件です。実際の設計では、周囲温度・他の部品の発熱・基板の冷却条件を考慮して、必ず2倍程度のマージンを取ることが推奨されます。
条件を変えたときの早見表(IPC-2221の式で計算)
電流外層 35μm ΔT20℃内層 35μm ΔT20℃外層 70μm ΔT10℃内層 70μm ΔT10℃
1A約0.2mm約0.5mm約0.15mm約0.4mm
2A約0.5mm約1.3mm約0.4mm約1.0mm
3A約0.9mm約2.3mm約0.7mm約1.8mm
5A約1.8mm約4.7mm約1.4mm約3.6mm
10A約4.7mm約12mm約3.6mm約9.4mm

温度上昇を10℃から20℃にすると幅は約2/3、銅箔を35μmから70μmにすると幅は約半分になります。どの条件でも、内層は外層の約2.6倍の幅が要ります。実設計はここから余裕をとります(後半の「実務での注意点」)。

IPC-2221で求めたパターン幅と電流のグラフ(銅箔35μm)。温度上昇10℃で外層は2Aで0.78mm、5Aで2.77mm、10Aで7.19mm、内層は約2.6倍
パターン幅の早見グラフ:内層は外層の2〜3倍

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パターンの許容電流は、配線の温度上昇で決まります。熱設計の全体像は次の記事で3ステップに整理しています。

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そもそもなぜパターン幅が重要なのか?

基板上の銅箔(パターン)には、当然ながら抵抗があります。電流が流れると、抵抗によってジュール熱が発生します。

パターンは「水道管」と同じ

パターンを水道管に例えるとわかりやすいです。

細すぎるパターン

  • 電流(水量)が流れにくい
  • 抵抗が大きく発熱する
  • 最悪、銅箔が焼き切れる(断線)

適切なパターン

  • 電流が無理なく流れる
  • 発熱が許容範囲内
  • 基板サイズも最小限

細すぎると何が起きる?

パターン幅が不足していると、以下のような問題が発生します。

  1. 温度上昇による樹脂劣化:基板の絶縁樹脂(FR-4など)はガラス転移温度Tgを超えると軟化します。長期使用で剥離や反りの原因に
  2. ハンダ接合部の劣化:熱応力でハンダクラックが発生
  3. 電圧降下:細いと抵抗が大きく、IC手前で電圧が落ちて誤動作
  4. 最悪、断線・発火:許容電流を大きく超えると、銅箔が溶断(ヒューズと同じ原理)
現場の声
適当に決めたパターン幅で試作すると、通電してしばらくで焦げ臭くなったり、パターンの両端で大きく電圧が下がったりすることがあります。「電流が多いライン」は最初に幅を計算する癖をつけましょう。
パターン幅の比較図。細すぎると抵抗が大きくなり発熱・断線し、適切な幅なら抵抗が小さく安全に電流が流れる
パターンが細すぎると発熱・断線する

IPC-2221とは?基板設計の世界共通ルール

IPC-2221は、アメリカの電子機器業界団体IPC(Association Connecting Electronics Industries)が発行する、プリント基板設計の一般要求事項を定めた業界規格です。

パターン幅と許容電流の関係は、この規格の中でグラフと計算式で示されており、世界中の基板設計者が共通の基準として使っています。

なぜIPC-2221に従うのか?

客先や上司から「設計根拠は?」と聞かれたとき、「自分の経験で決めました」では通りません。「IPC-2221に基づいて計算しました」と答えれば、設計の根拠として説明しやすくなります。

ポイント
IPC-2221は1998年に制定された規格で、すでに30年近い実績があります。自動車、医療機器、産業機器などのほぼ全ての業界で「これに準拠していればOK」と認められている、いわば基板設計の業界標準です。

IPC-2221とIPC-2152の違い

「IPC-2152もある」という話をよく聞きますが、これは2009年に制定された新しい規格で、IPC-2221の計算式が「やや保守的すぎる(=安全側に振りすぎ)」とされ、新しい実測データをもとに作られた別の規格です。

IPC-2221 (1998)

  • 古典的・保守的
  • 計算式がシンプル
  • 多くの企業で標準採用
  • 初心者はまずこちら

IPC-2152 (2009)

  • より精密・実測ベース
  • 条件パラメータが多い
  • パターンを細くできる
  • 高密度設計向け

本記事では、まずシンプルで使いやすいIPC-2221をメインに解説します。これがわかればIPC-2152も理解しやすくなります。

IPC-2221の図。自動車・医療機器・産業機器・民生機器で世界中の基板設計者が使う標準規格
IPC-2221は基板設計の世界共通ルール

IPC-2221の計算式を完全解説

いよいよ計算式です。難しく見えますが、やっていることは「許容電流から、必要な銅箔の断面積を求める」だけです。順番に追っていきましょう。

IPC-2221の許容電流の式

IPC-2221 許容電流の公式

I = k × ΔT0.44 × A0.725
I:許容電流 [A]
k:定数(外層 = 0.048、内層 = 0.024)
ΔT:許容温度上昇 [℃]
A:パターンの断面積 [mil²](mil = 1/1000インチ)

式の意味を直感で理解する

数式は3つの「掛け算」でできています。それぞれの意味を見ていきましょう。

k(定数)

外層0.048・内層0.024。内層が外層の半分になっているのは「内層は熱が逃げにくいから」です。同じ電流を流すには、内層は外層より太い銅箔が必要になります。

ΔT^0.44(温度上昇)

許容温度上昇が大きいほど、流せる電流も増えます。「ちょっと熱くなってもいい」と妥協すれば、細いパターンで多くの電流が流せます。

A^0.725(断面積)

パターン断面積(幅×厚み)が大きいほど、流せる電流も増えます。当たり前ですね。指数が0.725なので「2倍太くしても、許容電流は約1.65倍にしかならない」点に注意。

注意
この式の単位はmil²(ミル平方)です。1 mil = 0.0254 mm。日本の現場ではmm単位で考えるので、最後に単位変換が必要です。実務では計算ツールを使うのが楽です(後述)。
IPC-2221の式の3つの要素の図。I=k×ΔT^0.44×A^0.725で、係数k(外層0.048・内層0.024)、許容温度上昇ΔT、パターン断面積A
IPC-2221の式:I=k×ΔT^0.44×A^0.725

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実際に計算してみよう:2A流す場合

公式だけでは何のことかわかりません。実際の数値を入れて計算してみます。

条件設定

  • 流したい電流:2A
  • 銅箔厚:35μm(1oz、標準)
  • 許容温度上昇:10℃
  • 位置:外層(k = 0.048)

計算ステップ

STEP 1

公式を「Aについて解く」形に変形します。
A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725)

STEP 2

数値を代入します。
A = (2 / (0.048 × 10^0.44))^(1/0.725)
A = (2 / (0.048 × 2.754))^1.379
A = (2 / 0.1322)^1.379 = 15.13^1.379

STEP 3

計算すると、必要な断面積は 42.4 mil²。これを35μm(=1.378 mil)で割って幅を求めます。
A ≈ 42.4 mil²
幅 = 42.4 / 1.378 ≈ 30.8 mil

STEP 4

milをmmに変換します(1 mil = 0.0254 mm)。
幅 ≈ 30.8 × 0.0254 ≈ 0.78 mm

結果
2Aを外層・35μm・温度上昇10℃で流すには、パターン幅 約0.78mmが必要です。IPC-2221は安全側(やや太め)に出る規格なので、実務では余裕を見て0.8mm程度にするのが一般的です。
2Aを流すパターン幅の計算の4ステップ。IPC-2221の式I=k×ΔT^0.44×A^0.725をAについて解き、k=0.048・ΔT=10℃を代入してA≈42.4mil²、銅箔35μm(1.378mil)で割って幅≈30.8mil、0.0254を掛けて約0.78mm
2Aを流すパターン幅は約0.78mm(計算例)

外層と内層で計算が違う理由

早見表を見ると、内層は外層の2〜3倍の幅が必要でした。なぜでしょうか?

熱の逃げ道の違い

パターンが発熱したとき、その熱がどこに逃げるかを考えてみましょう。

外層(表面)

  • 空気に直接触れる
  • 対流で熱が逃げやすい
  • 放射でも放熱できる
  • → 細くてもOK

内層(基板の中)

  • 絶縁樹脂に挟まれている
  • 樹脂は熱を通しにくい
  • 放熱経路が限られる
  • → 太く必要

これは魔法瓶の中身と外側の温度を考えるとわかりやすいです。外側はすぐ冷めますが、中身は何時間も熱いまま。内層パターンも同じで、熱がこもりやすいのです。

IPC-2221の係数の違い

この熱の逃げ方の違いが、計算式の係数kに反映されています。

配置 係数 k 同じ電流に必要な断面積
外層 0.048 基準(×1)
内層 0.024 外層の約2.6倍
注意
大電流ラインを内層に通すと、必要な幅が想像以上に大きくなります。電源系の太いラインは、可能な限り外層に配置するのが鉄則です。
外層と内層の放熱の違いの図。外層は空気に触れていて熱が逃げる開放系、内層はFR-4樹脂に囲まれて熱がこもる密閉系で、魔法瓶と同じ
外層は熱が逃げ、内層は熱がこもる

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温度上昇ΔTの決め方

計算式の中に出てきた「許容温度上昇ΔT」。これを何℃に設定するかで、必要なパターン幅が大きく変わります。

ΔTの目安

ΔT 用途・推奨ケース パターン幅の傾向
10℃ 高信頼性が必要(医療・自動車・産業機器) 太め(安全側)
20℃ 一般的な民生機器 バランス型
30℃ 小型化優先(短時間使用機器) 細め(攻めの設計)

なぜΔTが大きいと細くできるのか?

「温度上昇を許容する」とは、「パターンが多少熱くなってもOK」と妥協することです。

例えば周囲温度25℃で、ΔT=10℃なら最終温度35℃、ΔT=30℃なら最終温度55℃です。後者の方が熱いですが、その分細い銅箔でも電流が流せる、という考え方です。

注意
ただし、周囲温度が既に高い環境(例:夏の車内 = 70℃)では、ΔT=30℃にすると基板温度が100℃を超えてしまいます。FR-4基板のガラス転移温度Tgは130℃程度なので、安全マージンが取れません。使用環境の最高温度から逆算してΔTを決めることが重要です。
ポイント
迷ったらΔT=10℃で計算してください。これは業界で広く使われる「無難な値」です。基板スペースに余裕があるなら、これ以上攻めない方が長期信頼性で得をします。
温度上昇ΔTの決め方の図。ΔT=10℃は安全側で医療・自動車・産業機器(太め)、20℃は標準で一般民生機器、30℃は攻めで短時間使用機器(細め)。ΔTが大きいとパターンを細くできるがリスクが上がる
許容温度上昇ΔTは10℃・20℃・30℃で選ぶ

銅箔厚との関係

パターンの「断面積」は、幅 × 厚みで決まります。つまり、銅箔を厚くすれば、同じ電流をより細い幅で流せるということです。

標準的な銅箔厚

表記 厚み 用途
1oz(標準) 35μm 一般的な信号系・低電流回路
2oz 70μm 電源系・中電流(5〜10A)
3oz 105μm 大電流・パワエレ・モーター制御

銅箔を厚くするメリット・デメリット

○

メリット

  • パターンを細くできる
  • 大電流を流せる
  • 放熱性も向上
×

デメリット

  • 基板コストが上がる
  • 細いパターンが作りにくい(ファインピッチ不向き)
  • エッチング時間が長くなる
銅箔厚と許容電流の図。1oz(35μm)は信号系・低電流、2oz(70μm)は電源系・中電流、3oz(105μm)はパワエレ・大電流で、厚いほど細い幅でも大電流を流せる
銅箔が厚いほど細い幅で大電流を流せる

無料で使えるパターン幅計算ツール

毎回電卓で計算するのは大変です。実務では以下のような無料ツールを使うのが一般的です。

代表的な計算ツール

① Saturn PCB Toolkit

基板設計者の定番フリーソフト。パターン幅だけでなく、ビア電流容量、特性インピーダンスなど多機能。Windows用。「Saturn PCB」で検索すれば公式サイトからダウンロード可。

② DigiKey Trace Width Calculator

ブラウザで使えるWebツール。電子部品商社DigiKeyが提供。電流値・温度上昇・銅箔厚を入れるだけで、外層・内層のパターン幅が瞬時に出ます。初心者にはこれが一番おすすめ。

③ Excel自作テンプレート

IPC-2221の式をExcelに埋め込んで、自分専用ツールを作るのもおすすめ。式を入力する過程で理解が深まります。客先提出資料にもそのまま使えて便利。

ポイント
ツールに頼るのは全く問題ありません。ただし、「ツールが何を計算しているか」は理解しておくべきです。これがわかっていれば、出てきた値が異常に大きい・小さいときに「あれ?」と気づけます。
現場の声
設計レビューで「このパターン幅の根拠は?」と聞かれたときは、計算ツールのスクリーンショットを資料に添付しておくと説明が早くなります。「IPC-2221に基づいて、電流○A、温度上昇○℃、銅箔○μmで計算した結果です」と一言添えると伝わりやすくなります。
パターン幅を計算する3つの方法。Saturn PCB Toolkit、部品商社のWebの計算ツール、Excelに式を入れる方法と、入れるもの(電流・許容温度上昇・銅箔の厚さ・外層か内層か)
パターン幅の計算ツール:初心者はWebツールから

実務での注意点とマージンの考え方

IPC-2221の計算結果は「最低限これだけは必要」という値です。実際の設計では、これにマージンを上乗せする必要があります。

考慮すべき4つのマージン要因

① 周囲温度

IPC-2221のΔTは周囲の温度からの上がり幅で、周囲が熱いほどパターンの温度も高くなります。実環境が50℃なら、許容温度上昇を減らすか、パターンを太くする必要があります。

② 隣接部品の発熱

レギュレータICやトランジスタなど発熱部品の近くは、パターン自体の発熱に加えて部品からの熱もかぶります。さらに太く設計すべき。

③ ピーク電流

「平均電流2A」でも、突入電流で瞬間10A流れることがあります。モーター起動時、コンデンサ充電時など。ピーク値で設計するのが基本。

④ 製造ばらつき

設計で1mmと指定しても、エッチング後は0.9mmになることもあります。±10%程度のマージンを見込んでおくと安心。

実務での推奨マージン

推奨ルール
IPC-2221で計算した値の1.5〜2倍のパターン幅で設計する。例えば計算上0.5mmなら、実設計では0.8〜1.0mmにする。これで上記の4要因を概ねカバーできます。
注意
逆に、基板スペースの制約で計算値ギリギリにしか取れない場合は、必ずサーモグラフィで実測してください。シミュレーションだけでは見えない発熱パターンが必ずあります。
実務のマージンの図。周囲温度・製造ばらつき・隣接部品の発熱・ピーク電流を考え、計算値0.5mmに対し実設計は0.8〜1.0mmと計算値の1.5〜2倍にする
実務のパターン幅は計算値の1.5〜2倍に

パターンだけでなく、層を移るビアにも流せる電流の上限があります。

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よくある失敗パターン3選

最後に、新人の頃によくやりがちな失敗を3つ紹介します。これを知っておけば、同じ穴に落ちません。

失敗①:内層に大電流ラインを通す

「外層は信号で混んでるから、電源ラインは内層にしよう」とやると、必要なパターン幅が想像以上に大きくなります。10A流すために内層約19mmなんて取れない、と気づいたときには手遅れ。大電流ラインは原則として外層です。

失敗②:ピーク電流ではなく平均電流で設計する

モーター負荷やコンデンサ充電回路では、平均電流の3〜5倍のピーク電流が流れます。「平均2Aだから0.8mmでOK」と設計すると、起動時の瞬間電流で発熱・劣化します。必ずピーク値で計算してください。

失敗③:ビアの電流容量を忘れる

パターン幅は十分でも、外層から内層への乗り換えで使う「ビア」が細いと、そこがボトルネックになります。Φ0.3mmのビアに流せる電流は、めっきの厚さや温度上昇の条件で変わり、1A前後がひとつの目安です。10A流すなら、最低でもビアを10個並列で打つ必要があります。

現場の声
よくある不具合が「パターンは太いのにビアで発熱」というケースです。設計者は意外とビアを見落としがちです。「電流の通り道全部」を計算してください。
新人がやりがちな3つの失敗の図。内層に大電流を流して焼損(大電流は外層へ)、平均電流で設計(ピーク電流で設計)、ビアを忘れる(ビアを複数並列に)
パターン設計でやりがちな3つの失敗

まとめ:3つのチェックリストで設計レビューを乗り切る

この記事の内容を、設計レビュー前のチェックリストとしてまとめました。

パターン幅設計の3つのチェック
  1. 電流値はピークで計算したか?(突入電流・モーター起動電流を考慮)
  2. 外層・内層を区別したか?(内層は外層の約2.6倍の断面積が必要)
  3. 計算値の1.5〜2倍のマージンを取ったか?(周囲温度・隣接部品発熱・製造ばらつき)

基板設計の現場では「IPC-2221に基づいて計算し、1.5倍のマージンで設計しました」と説明できれば、まず問題ありません。逆に、根拠なく「経験で決めました」だと、大手客先のレビューでは通りません。

最初は計算ツールを使ってOKです。少しずつ「式の意味」を理解していけば、ツールの結果を見て「これは妥当か?」と判断できる目が育ちます。

パターン幅の設計は、基板設計の最も基本的なスキルです。ここをしっかり押さえれば、自信を持って次のステップ(GND設計、ノイズ対策、熱設計)に進めます。

IPC-2221に基づいて計算したパターン幅で客先レビューにも自信を持って臨む技術者のイラスト
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シラス
電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年

メーカーで電気設計と品質保証に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

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