高電流アプリケーションのための重銅PCBの設計:包括的なガイド

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電気自動車（EV）インバーターから産業用モータードライブまで、高出力エレクトロニクスでは、標準的な1オンス銅PCBでは不十分です。これらのシステムは、過熱することなく30Aから200Aの電流を処理し、熱サイクルに耐え、信号の完全性を維持できるPCBを必要とします。そこで、ヘビーカッパーPCBが登場します。3オンス（105μm）以上の銅トレースとプレーンで定義され、高電流設計の独自の課題を解決するために設計されています。

ヘビーカッパーPCBの設計は、「より厚い銅を使用する」だけではありません。トレースの形状、材料の互換性、熱管理、製造可能性を慎重に検討する必要があります。このガイドでは、材料の選択からレイアウトのベストプラクティスまで、高電流用途向けのヘビーカッパーPCB設計の重要な原則を解説し、一般的な落とし穴を回避する方法を説明します。50AのEVバッテリー管理システム（BMS）を設計する場合でも、150Aの産業用電源を設計する場合でも、このリソースは、信頼性の高い高性能ボードを作成するのに役立ちます。

主なポイント
1.ヘビーカッパー（3オンス以上）トレースは、標準的な1オンス銅よりも2〜5倍多くの電流を処理します。3オンスのトレース（105μm）は30Aを運び、10オンスのトレース（350μm）は同じ幅で80Aをサポートします。

2.重要な設計要素には、トレース幅/厚さ（IPC-2221規格に準拠）、熱緩和パターン（ホットスポットを40％削減）、ビア充填（ソリッド銅ビアはメッキビアよりも3倍多くの電流を運びます）が含まれます。

3.高Tg基板（170℃以上）とセラミック充填ラミネートは、150℃以上の動作温度に耐えるため、高電流設計には不可欠です。

4.標準的なPCBと比較して、ヘビーカッパー設計は熱抵抗を60％削減し、高出力システムではコンポーネントの寿命を2〜3倍延長します。

ヘビーカッパーPCBが高電流用途に最適な理由
高電流回路はかなりの熱を発生させます（ジュール熱の法則：P = I²R）。標準的なPCBは、このエネルギーを放散するのに苦労します。ヘビーカッパーPCBは、次の3つの主要な利点によってこれに対処します。

  a.低い電気抵抗：より厚い銅は抵抗を減らし（R = ρL/A、ここでA =断面積）、電力損失と発熱を最小限に抑えます。3オンスの銅トレースは、同じ幅の1オンスのトレースよりも66％低い抵抗を持っています。
  b.優れた熱伝導率：銅の熱伝導率（401 W/m・K）は、FR4（0.3 W/m・K）よりも1,300倍高くなっています。厚い銅プレーンは、IGBTやMOSFETなどのコンポーネントから熱を逃がし、内蔵のヒートシンクとして機能します。
  c.強化された機械的耐久性：厚い銅（特に5オンス以上）は、熱サイクル（-40℃〜125℃）や振動による疲労に耐え、トレースのひび割れ（標準的なPCBの一般的な故障点）を減らします。

ヘビーカッパーの厚さと電流容量の比較
銅の厚さと電流の関係は線形ではありません。トレース幅、周囲温度、空気の流れも役割を果たします。以下は、高電流設計の実用的な参照です（IPC-2221および業界テストに基づき、周囲温度25℃、トレース長10cmを想定）：

注：100Aを超える電流の場合は、過度のトレース幅と製造上の課題を回避するために、並列トレース（たとえば、200Aの場合は2本の10オンス、1.5mmトレース）を使用してください。

ヘビーカッパーPCBの重要な設計原則
高電流用のヘビーカッパーPCBを設計するには、電気的性能、熱管理、製造可能性のバランスを取る必要があります。設計を最適化するには、次の主要な原則に従ってください。

1.ターゲット電流のトレース幅と厚さを計算する
高電流設計の基礎は、過熱することなく予想される電流を処理するようにトレースのサイズを決定することです。次のガイドラインを使用してください。

 a.IPC-2221規格に従う：IPC-2221仕様は、電流、温度上昇、および銅の厚さに基づいてトレース幅の式を提供します。10℃の温度上昇の場合（高信頼性設計で一般的）：
    3オンス銅：0.8mm幅= 25A
    5オンス銅：0.8mm幅= 38A
 b.周囲温度を考慮する：高温環境（たとえば、EVエンジンベイ、85℃）では、電流を30〜40％削減します（上の表を参照）。
 c.過大評価を避ける：より厚い銅は電流には優れていますが、15オンス以上の銅はエッチングとラミネートが難しくなります。ほとんどの商用アプリケーションでは、10オンスを最大にしてください。

ツールのおすすめ：PCBトレース幅計算機（Sierra Circuitsから）やAltiumの組み込み電流定格ツールなどのオンライン計算機を使用して、サイズを検証します。

2.熱管理を優先する
厚い銅を使用しても、高電流コンポーネント（たとえば、IGBT、電力抵抗）はホットスポットを作成します。次の戦略でこれを軽減します。

  a.熱緩和パッド：電力コンポーネントを熱緩和パターン（熱伝達と半田付け性をバランスさせるスロット付きパッド）を使用してヘビーカッパープレーンに接続します。TO-220コンポーネント用の5mm×5mmの熱緩和パッドは、ソリッドパッドと比較してホットスポット温度を40％削減します。
  b.熱拡散用の銅プレーン：電力コンポーネントの下に3〜5オンスの銅プレーン（トレースだけでなく）を使用します。5オンスの銅プレーンは、3オンスのプレーンよりも2倍速く熱を拡散します。
  c.熱ビア：ホットコンポーネントの周りに銅充填熱ビア（直径0.3〜0.5mm）を追加して、熱を内側/外側のプレーンに伝達します。最大の効率を得るには、ビアを1〜2mm間隔で配置します。10個の熱ビアは、コンポーネント温度を15〜20℃下げます。
  d.トレースの絞りを避ける：10オンス、1.5mmトレースをコネクタ用に0.8mmに狭めると、ボトルネックが作成され、温度が25℃上昇します。幅の変更が必要な場合は、徐々にテーパー（1：3の比率）を使用します。

ケーススタディ：5オンスの銅プレーンと12個の熱ビアを使用する50A産業用電源は、IGBT接合温度を120℃から85℃に下げ、コンポーネントの寿命を3年から7年に延長しました。

3.高電流用のビア設計を最適化する
ビアは高電流設計では見過ごされがちですが、層を接続し、電流を運ぶために不可欠です。

  a.銅充填ビアを使用する：標準のメッキビア（25μm銅）は10〜15Aを運びます。銅充填ビア（ソリッド銅コア）は、直径に応じて30〜50Aを処理します。0.5mmの充填ビアは35Aを運びます。これは、EV BMS相互接続に最適です。
  b.ビアの直径を大きくする：50Aを超える電流の場合は、複数のビア（たとえば、120Aの場合は4つの0.5mm充填ビア）またはより大きなビア（直径0.8mm = 充填ビアあたり50A）を使用します。
  c.ビアスタブを避ける：未使用のビアスタブ（スルーホールビアで一般的）は、インピーダンスのミスマッチと熱を発生させます。高電流パスには、スタブをバックドリルするか、ブラインド/埋め込みビアを使用します。

4.互換性のある材料を選択する
ヘビーカッパーPCBには、高温と機械的ストレスに耐える材料が必要です。

a.基板（コア材料）：
   高Tg FR4（Tg 170℃以上）：ほとんどの高電流設計（たとえば、EV BMS）の標準。150℃の連続動作と鉛フリーリフロー（260℃）に耐えます。
   セラミック充填FR4（たとえば、Rogers RO4835）：熱伝導率0.6 W/m・K（標準FR4の2倍）は、ソーラーインバーターなどの70A以上のシステムに最適です。
   金属コアPCB（MCPCB）：ヘビーカッパーとアルミニウム/銅コアを組み合わせて、1〜5 W/m・Kの熱伝導率を実現します。高出力LEDドライバやEV充電モジュールで使用されます。
b.銅箔の種類：
   電解銅：3〜7オンスの厚さで費用対効果が高く、ほとんどの用途に適しています。
   圧延銅：10オンス以上の銅および柔軟なヘビーカッパーPCB（たとえば、折りたたみ可能なEV充電ケーブル）のより高い延性（ひび割れに強い）。
c.ソルダーマスク：DuPont PM-3300などの高温ソルダーマスク（Tg 150℃以上）を使用します。これは、260℃のリフローに耐え、銅の酸化を防ぎます。

材料比較表：

5.製造可能性のためのレイアウトのベストプラクティス
ヘビーカッパー（特に7オンス以上）は、標準的な銅よりもエッチングとラミネートが難しくなります。次の一般的なレイアウトの間違いを避けてください。

 a.トレース間隔：エッチングの問題を防ぐために、ヘビーカッパートレースの間隔をトレース幅の2倍以上にします。1.0mm、5オンスのトレースの場合は、2.0mmの間隔を使用します。
 b.エッジクリアランス：ラミネート中の剥離を避けるために、ヘビーカッパートレースをPCBエッジから1.5mm以上に保ちます。
 c.エッチング補正：ヘビーカッパーはよりゆっくりとエッチングされます。エッチング損失を考慮して、設計でトレース幅に0.05〜0.1mmを追加します（たとえば、最終幅1.0mmの1.05mmトレースを設計します）。
 d.コンポーネント配置：SMDコンポーネント（たとえば、0402抵抗）をヘビーカッパートレースから2mm以内に配置しないでください。トレースからの熱は、はんだ付け中に小さなコンポーネントを損傷する可能性があります。

レイアウトの間違いと解決策の表：

超高電流システム（100A以上）の高度な設計戦略
EVインバーター（150A以上）や産業用整流器（200A以上）などのシステムでは、基本的なヘビーカッパー設計だけでは十分ではありません。次の高度な手法を使用してください。

1.並列トレースルーティング
単一の広いトレース（たとえば、3mm 10オンス）の代わりに、2〜4本の並列トレース（たとえば、2本の1.5mm 10オンスのトレース）を使用して、次のことを行います。

  a.エッチングの難しさを軽減します（広いトレースはアンダーカットを起こしやすい）。
  b.電流分布を改善します（並列トレースは抵抗の変動を最小限に抑えます）。
  c.コンポーネント配置を容易にします（狭いトレースは基板スペースを解放します）。

経験則：相互加熱を避けるために、並列トレースの間隔を幅の1倍以上にします。2本の1.5mm 10オンスのトレースを1.5mm間隔で配置すると、160Aを運びます（1本の1.5mmトレースの場合は80A）。

2.バスバーの統合
200A以上の電流の場合は、ヘビーカッパーバスバー（15オンス以上の銅、厚さ2〜3mm）をPCBに統合します。

  a.バスバーは「電力高速道路」として機能し、トレースの制限なしに基板全体に電流を運びます。
  b.バスバーを銅充填ビア（直径0.8mm、5mm間隔）を介してPCBに取り付けて、機械的および電気的安定性を確保します。

例：250A産業用モータードライブは、12個の充填ビアを備えた20オンスの銅バスバーを使用し、トレースのみの設計と比較して電力損失を25％削減します。

3.熱インターフェース材料（TIM）
ヘビーカッパーPCBとTIMを組み合わせて、熱を外部ヒートシンクに伝達します。

  a.50〜100Aシステムの場合は、PCBとヒートシンクの間に熱グリース（熱伝導率3〜6 W/m・K）を使用します。
  b.100A以上のシステムの場合は、熱パッド（たとえば、Bergquist Gap Pad）を使用します。熱伝導率は8〜12 W/m・Kで、空気の隙間を埋め、より高い圧力を処理します。

影響：TIMを備えた100A EVインバーターは、TIMなしと比較してPCB温度を20℃下げ、インバーターの寿命を3倍に延長します。

一般的な設計の落とし穴とそれらを回避する方法
経験豊富な設計者でさえ、ヘビーカッパーPCBで間違いを犯します。それらをキャッチして修正する方法は次のとおりです。
1.温度上昇の過小評価
落とし穴：3オンス、1.0mmトレースを35Aで使用すると（定格30Aを超えています）、30℃の温度上昇とトレースの酸化が発生します。
修正：5オンス、1.0mmトレース（定格45A）または3オンス、1.2mmトレース（定格35A）を使用して、温度上昇を10℃未満に保ちます。

2.熱サイクルストレスの無視
落とし穴：厚い銅（10オンス以上）と標準FR4は、熱膨張係数（CTE）が一致せず、500回の熱サイクル後にトレースのひび割れが発生します。
修正：圧延銅（より高い延性）と高Tg FR4（銅に近いCTE）を使用して、1,000回以上のサイクルに耐えます。

3.ビアの熱緩和が不十分
落とし穴：5オンスの銅プレーンをソリッドパッドを備えたコンポーネントに接続すると、熱が閉じ込められ、はんだ接合部の故障につながります。
修正：熱伝達と半田付け性のバランスを取るために、4〜6個のスロット（それぞれ0.2mm幅）を備えた熱緩和パッドを使用します。

4.半田付け性の見落とし
落とし穴：10オンス以上の銅トレースは熱容量が大きいため、はんだが冷えすぎてコールドジョイントが形成されます。
修正：半田付け中にPCBを120℃に予熱し、高温はんだ（たとえば、SAC305、融点217℃）とより長いリフロープロファイルを使用します。

高電流システムにおけるヘビーカッパーPCBの実際の用途
ヘビーカッパーPCBは、高電流と信頼性が重要な業界全体で変革をもたらしています。
1.電気自動車（EV）およびハイブリッドEV
  a.EVインバーター：DCバッテリー電力をモーター用のACに変換します（150〜300A）。Tesla Model Yインバーターは、5オンスの銅トレースと銅充填ビアを使用し、3オンス設計と比較して電力損失を18％削減します。
  b.バッテリー管理システム（BMS）：バッテリーセルの監視とバランス調整（20〜50A）。Chevrolet Bolt BMSの3オンス銅トレースは、均一な電流分布を確保し、バッテリー寿命を2年延長します。
  c.充電モジュール：急速充電システム（100〜200A）は、高電流を処理し、熱を放散するために、7オンスの銅バスバーとアルミニウムMCPCBを使用します。

2.再生可能エネルギー
 a.ソーラーインバーター：DC太陽光発電をACに変換します（50〜100A）。10kWソーラーインバーターの5オンスセラミック充填FR4 PCBは、ホットスポット温度を25℃下げ、効率を3％向上させます。
 b.風力タービンコントローラー：タービンのピッチと電力を管理します（80〜120A）。10オンスの圧延銅PCBは、振動（20G）と温度変動（-40℃〜85℃）に耐え、タービンあたり年間20,000ドルのメンテナンスコストを削減します。

3.産業機械
  a.モータードライブ：ACモーター速度を制御します（30〜80A）。Siemens Sinamics V20ドライブは、5オンスの銅プレーンと熱ビアを使用し、標準PCB設計と比較してドライブサイズを30％削減します。
  b.溶接装置：高電流アークを供給します（150〜200A）。Lincoln Electric溶接機の15オンス銅バスバーは、過熱することなく200Aを処理し、一貫した溶接品質を保証します。

4.医療機器
  a.ポータブル除細動器：300Aの衝撃を伝達します（短期間）。10オンスのトレースと銅充填ビアを備えたヘビーカッパーPCBは、緊急使用に不可欠な信頼性の高い電力供給を保証します。
  b.透析装置：ポンプとヒーターに電力を供給します（20〜40A）。3オンスの高Tg FR4 PCBは、滅菌化学薬品に耐え、安定性を維持し、ISO 13485規格に適合しています。

高電流用のヘビーカッパーPCBの設計に関するFAQ
Q：ヘビーカッパーPCBに使用できる最大銅の厚さはどれくらいですか？
A：商用メーカーは最大20オンス（700μm）の銅をサポートしていますが、ほとんどの設計では10オンスが実用的な制限です（15オンス以上には特殊なエッチング装置が必要です）。カスタムの軍事/航空宇宙設計では、極端な高電流ニーズのために30オンス（1050μm）に達する可能性があります。

Q：ヘビーカッパーPCBは、高速信号（たとえば、5G）をサポートできますか？
A：はい、慎重な設計が必要です。電力パスには3〜5オンスの銅を使用し、高速トレースには1オンスの銅を使用して（制御されたインピーダンスを維持するため）、プラズマエッチングにより、1Gbps以上の信号に対して0.1mm/0.1mmのトレース幅/間隔を確保します。

Q：高電流性能のヘビーカッパーPCBをテストするにはどうすればよいですか？
A：次のテストを実施します。

電流サイクリング：定格電流の120％を1,000サイクル（-40℃〜125℃）適用して、トレースのひび割れを確認します。
熱画像：赤外線カメラを使用してホットスポットをマッピングします。温度は、85℃の周囲温度で125℃未満に保つ必要があります。抵抗測定：時間の経過とともにトレース抵抗を追跡します。10％を超える増加は、酸化または損傷を示します。
Q：ヘビーカッパーPCBに最適な設計ソフトウェアは何ですか？

A：Altium DesignerとCadence Allegroには、ヘビーカッパー用の組み込みツールがあります。
Altium：「ヘビーカッパー」設計ルールチェッカー（DRC）および電流定格計算機。

Cadence：熱分布をシミュレートするための熱分析モジュール。
Q：ヘビーカッパーPCBのコストは、標準PCBと比較してどのくらいですか？

A：3オンスの銅は1オンスの2倍のコストがかかります。10オンスの銅は4〜5倍のコストがかかります。プレミアムは、ヒートシンクコストの削減（30〜50％の節約）とコンポーネント寿命の延長によって相殺されます。
結論

高電流用途向けのヘビーカッパーPCBの設計は、電流容量と製造可能性、熱管理とコスト、耐久性と信号の完全性のバランスを取る行為です。IPC規格に従い、適切な材料を選択し、熱緩和とビア設計を優先することで、30Aから200Aの電流を確実に処理できるボードを作成できます。
ヘビーカッパーPCBは、標準PCBからの「アップグレード」だけではありません。EVから再生可能エネルギーシステムまで、次世代の高出力エレクトロニクスには不可欠です。これらの業界が成長するにつれて、スマートで効率的なヘビーカッパー設計の需要は増加する一方であり、エンジニアやメーカーにとって不可欠なスキルとなります。

成功の鍵？過剰設計（たとえば、20A設計に10オンスの銅を使用する）または過小設計（たとえば、40Aに3オンス）しないでください。銅の厚さを電流のニーズに合わせ、熱管理を戦略的に使用し、ヘビーカッパー製造の経験豊富なメーカーと提携してください。これらの手順に従うことで、文字通り、プレッシャーの下でパフォーマンスを発揮するPCBを構築できます。