大電流対応に安易な層数増しは危険

壊れない！壊さない！失敗だらけの電源・インバータ設計

プリント基板内層の大電流配線設計における熱対策

大電流を扱う電源・インバータ基板設計では，内層配線の活用が重要な課題解決手段になります．しかし単純な層数増加では根本的な解決にならない点に注意が必要です．

内層配線のメリットと物理的限界

1. 配線断面積の増加:表層70μm×10mmの配線で10A流す場合，10℃の温度上昇が発生
2. 層分割による配線幅削減:20Aの場合，単層では20mm幅が必要だが多層化で配線面積を分散
3. 抵抗低減効果:銅箔の断面積増加により導体抵抗が低下しジュール熱を抑制

熱伝導のメカニズムと設計上の課題

1. 放熱経路の違い：表層は両面放熱可能だが，内層は基材を介した熱伝導だけ
2. 非線形な温度低減：配線層を倍増させても温度上昇が半減しない事例（ΔT=10℃→6℃等）
3. 材質の熱抵抗：FR-4基板の熱伝導率0.3W/mKが内層熱の放熱を阻害

実装時の重要チェック項目

1. ビア設計の最適化：0.5mm径ビア1個の電流容量0.5Aを基準に必要数を計算
2. 層間銅箔厚の整合：内層300μmと外層35μmを接続する場合の幅調整（例：10mm→100mm）
3. 熱伝導経路シミュレーション：発熱源から放熱パスまでの熱抵抗ネットワーク解析

内層配線の熱伝導特性

多層基板の熱管理では，$Q=\frac{\Delta T}{R_{th}}$の基本式が重要です．熱抵抗$R_{th}$は材質厚さ$d$と面積$A$，熱伝導率$\lambda$で$R_{th}=d/（\lambda A）$と表現されます．

1. 層間熱抵抗の計算：1.6mm基板の層間熱抵抗は約53℃/W（FR-4の場合）
2. 銅箔の縦方向熱伝導：厚さ方向の熱伝導率が386W/mKと優れるが，面積制限が課題
3. 局所発熱の伝達：10Wの発熱が1cm2領域で発生した場合，$ΔT$=53℃の上昇が予測

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 東京工業大学・大学院にてパワーエレクトロニクスの研究を行う．
• 1990年4月　パイオニア総合研究所にて液晶・有機ELの研究に従事．
• 1995年1月　大学時代の隣の研究室の博士とパワーエレクトロニクスの開発サポート
• 2010年10月　マイウェイプラス株式会社を退社後，株式会社デスクトップラボ設立 会社であるマイウェイ技研株式会社を設立．

著書

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［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．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［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．