【基板設計】パターン幅とビア径の決め方

基板設計



【この記事で分かること】

・基板のパターン幅、銅箔厚の決め方がわかる。
・基板の各層パターンをつなぐビア径の決め方がわかる。

【パターン幅とビア径の決め方】

■パターン幅の目安は以下になります。(銅箔厚35μmの場合)
<パワーライン>
 電源、GND、モータへの電流等、大きな電流を流すパターンの場合
   5Aまで :1mm=1Aの目安を適用
         <例> 電流   パターン幅
               1A     1mm
               5A     5mm

   5A以上 :できるだけ太くする
        ベタパターンの状態から、パターン間の電圧に応じたギャップを設ける。
        (パターンを引くのでなく、パターン間ギャップを引くイメージ)

<信号ライン>
  0.5A以下の制御信号や通信信号の場合
    デジタル回路: 0.15mm~0.2mm
    アナログ回路: 0.3mm~0.5mm

   0.1mm=100mAを目安に、この範囲から選択
   最初はできるだけ太めに設定し、設計状況や使用部品により順次細くしていく。

■ビア径、スルーホール径の目安は以下になります。
     径   許容電流 
    Φ0.3mm 300mA
    Φ0.5mm 500mA

    Φ1mm  1A

上記の目安となる理由について解説します。

【許容電流を元にしたパターン幅の目安】

パターンに流す電流に応じて、以下の目安でパターン幅を決めます。
        パターン幅:1mm=1A

この目安はパターンの厚さ(銅箔厚)が35μmの場合です。
これを満たせば、パターンの温度上昇を10℃以内に抑えることができます。
 ※実際はパターン幅1mmまでなら、この目安の2倍の電流を流しても問題ないです

但し、この目安の上限はパターン幅5mmまでです。
これ以上になると、温度上昇が10℃を超えてきます。

<この目安の根拠について>
 下記はパナソニックの基板材料カタログに掲載されている
 銅箔厚35umにおけるパターン幅と温度上昇の測定結果です。

パナソニック「電子回路基板材料 総合カタログ」 より引用

ここで温度上昇10℃の曲線を見ると、パターン幅が2mmで3A程度流せることがわかります。
1mm=1Aの目安にすれば余裕があります。

しかし、5mmで5Aになり、この目安の限界になります。
さらに8mmになると7A以下になるので、目安が適用できなくなります。

<温度上昇10℃以内にする必要性について>
 基板のパターン温度は100℃を超えないようにします。
 それは一般的に使われるFR-4基板の耐熱温度(ガラス転移温度)が120℃程度のためです。

100℃までOKなら、温度上昇が10℃以上でも問題ないと思うかもしれません。
しかし、製品の仕様で周囲温度60℃の場合、パターン周囲温度は
抵抗等の発熱により、更に30℃程度上がることは珍しくありません。

このことを考慮すると温度上昇10℃以内は、理にかなっていると言えます。
この目安を元に配線の種類毎にパターン幅の決め方について解説します。



【配線の種類に応じたパターン幅の決め方】

<1.パワーライン>
 電源、GND、モータへの電流等、大きな電流を流すパターンの場合
   5Aまで ・・・ 先程の目安を適用
         <例> 電流   パターン幅
               1A     1mm
               5A     5mm

   5A以上 ・・・ できるだけ太くする        

5A以上は、パターンを引くのでなく、パターン間ギャップを引くイメージになります。
ベタパターンの状態から、パターン間の電圧に応じたギャップを設けていきます。
 ※パターン間隔の決め方については別途解説予定

大電流の場合は温度上昇だけでなく、電圧低下とノイズの影響が出てきます。
細いパターンは抵抗が大きいので、大電流だと電圧降下が大きくなります。

パターンの抵抗は、幅1mm 銅箔厚35uの場合、常温で長さ1mmあたり0.5 mΩなので、
パターン幅10mmでパターン長が100mmだと、
   パターンの抵抗値=0.5mΩ/10mm×100mm=5mΩ

このパターンに10A流した場合の電圧降下は
   V=R×I=5×10A=50mV
となります。

電圧が5Vだと1%の変化となり、精度が求められる回路では問題となります。

また、大電流パターンに囲まれた面積が大きいと、インダクタンスが大きくなります。
つまり、パターンがコイルのような働きをしてノイズを放出します。

下図のようにパターンで囲まれた面積を小さくすると、インダクタンスが小さくなります。
これにより、温度上昇と電圧降下が小さくなるだけでなく、ノイズも減らせます。

<2.信号ライン>
  0.5A以下の制御信号や通信信号になります。
  一般的なパターン幅は以下になります。
    デジタル回路:  0.15mm~0.2mm
    アナログ回路:   0.3mm~0.5mm

1mm=1Aを元に、この範囲から選ぶようにします。
最初はできるだけ太めに設定し、設計状況や使用部品により順次細くしていきます。

デジタル回路の方が細いパターンなのは、アナログに比べ電流が低いのも理由ですが、
デジタルはH/L信号であり、しきい値に対して十分に高いか低ければ良いので、
細いパターンによって電圧降下が多少あっても問題ないためです。
  ※MHz帯の高周波信号の場合を除く

<DIP  ICのピン間(2.54mm)にパターンを通す場合>
 パターン幅の決め方に、よく「ピン間〇本」という表現を使います。
 昔はリード部品のICを多く使用していました。そのリード間隔が2.54mmであることから、
 その間にパターンを何本通すかによって、パターン幅を決めていました。

  一般的な値は以下になります。
    ピン間本数  パターン幅 
      1      0.3mm
      2      0.2mm
      3      0.15mm

基板の空きスペースが少なく、パターンの引き回しが厳しい時は、
このピン間に通す本数を増やすことで対応します。

当然、パターン幅を細くすれば流せる電流が減るので、
そのパターンに流れる電流が許容値以内である必要があります。



【銅箔厚の決め方】

基本は35um、電流を多く流したい場合は70umにすれば2倍の電流が流せるようになります。
4層以上の場合、標準仕様だと外層が18μmの場合もあるので、
その場合は半分の電流になるので注意が必要です。

基板の層構成と銅箔厚
 片面(1 層):外層 18μm、35μm(標準)、 70μm、105μm
 両面(2 層):外層 18μm、35μm(標準)、 70μm、105μm
 4 層以上 :外層 18μm(標準)、35μm、 70μm、105μm
       内層 18μm、35μm(標準)

【ビア径の決め方】

2層以上の場合、パターンは各層に渡って配線されるため、
層間をつなぐビアの大きさも決める必要があります。

目安としては以下になります。
    ビア径  許容電流 
    Φ0.3mm 300mA
    Φ0.5mm 500mA

※ランド径でなく、ビア径なので注意して下さい。

スルーホールで層間を接続している場合は部品のリード径で穴径は決まりますが、
流せる電流については同じ目安になります。
※ビアとスルーホールについては「ランド、パッド、レジストとは? 基板の部位名称について」を参照

スルーホールはビアよりも大きいので、結構電流が流せます。
Φ1mmのスルーホールなら1A流せます

大電流を流す場合は下図のようにビアを複数入れるようにします。

次回はパターン間隔の決め方について解説します。

<以下の記事で、ランド、パッド、レジストなどの解説をしています>

<以下の記事で、基板工作で役立つ工具類を紹介しています>

<ベース抵抗、ゲート抵抗の決め方やオープンコレクタの説明などの記事です>