高周波の磁界は銅配線に浸透する？

プリント基板EMC Q＆A

渦電流による磁界遮蔽の原理

プリント基板において，数百kHz以上の高周波磁界が銅配線層に浸透しない現象は，EMC設計を理解する上で重要なテーマです．電動機の漏れ磁束や周囲の磁界環境が基板に影響を与えることがありますが，銅配線層がその影響をどのように遮断するのかを理解することは，ノイズ対策や設計品質の向上に役立ちます．

渦電流による磁界遮蔽の原理

導体に磁界が入射すると「渦電流」と呼ばれる循環電流が発生します．この渦電流は入射した磁界を打ち消す方向に流れます．銅のように導電率が高い材料では，この効果が非常に強く，入射磁界をほぼ完全に打ち消す強さの逆向き磁界が生じます．その結果，実質的に銅板や銅配線の内部には磁界が浸透しにくくなります．

このしくみは電磁誘導の基本原理に基づくものであり，導電率の高い材料ほど渦電流が大きくなり，遮蔽効果も強まります．したがってプリント基板の銅配線層は，高周波磁界に対して優れた遮蔽作用をもつのです．

磁界が浸透する条件

導体が完全に一様な板状であれば渦電流がスムーズに流れ，磁界はほとんど遮断されます．ところが配線に不連続な部分やスリット，穴が存在すると，渦電流の流れが妨げられます．その結果，渦電流による打ち消し効果が弱まり，局所的に磁界が浸透することがあります．

設計においては以下の点を意識することが重要です．

1. 銅配線や銅プレーンを連続的に配置して渦電流の流れを確保する
2. スリットや開口部を設けると磁界が侵入しやすくなるため注意する
3. 磁界の強い環境下では配線の配置やパターンを工夫する

渦電流応用とシャント・バンド

渦電流の性質は遮蔽に利用されるだけでなく，積極的な対策として応用されることもあります．その代表例がシャント・バンドと呼ばれる短絡インダクタです．デバイスを磁界から守るためにループ状の導体を配置すると，入射磁界によって渦電流が流れ，逆向きの磁界を発生させます．この作用により，デバイスに到達する磁界を低減できます．

この手法は古くから提案されているもので，現在でも特定の用途で利用されています．プリント基板設計においても，渦電流の性質を理解し，それを遮蔽や保護の手段として応用することが有効です．

Q＆Aによる確認

問：数百kHz以上の高周波磁界がプリント基板の銅配線層に浸透しない理由は何か． 答え：渦電流によって入射磁界が打ち消されるためです．

1. 導体に磁界が入射すると渦電流が誘導される
2. 渦電流によって生じる磁束は元の磁束とは逆向きである
3. 高周波で導電率が高い場合，両者はほぼ同じ大きさとなる
4. 結果として銅配線内部に磁界は実質的に浸透しない

以上のように，プリント基板の銅配線層は渦電流によって高周波磁界を遮蔽する性質をもち，基板設計のノイズ対策に大きく貢献します．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 櫻井 秋久
• 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
• 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
• 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
• 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
• 2020年　同社退社
• 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
• クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
• クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
• 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
• 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．