CN101162654A - 固体电解电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体电解电容器。该固体电解电容器包括基板、电容器元件、金属盖、引出端子和绝缘部件。所述基板具有导电性。所述电容器元件设置在所述基板上。所述金属盖耦接到所述基板并覆盖所述电容器元件。所述引出端子贯穿所述基板并耦接到所述电容器元件的阳极，该引出端子包括用作芯部件的第一导电部件和用于覆盖所述第一导电部件的第二导电部件。所述绝缘部件设置在所述基板与所述引出端子之间。所述第一导电部件的电导率大于所述第二导电部件的电导率。所述第二导电部件的热膨胀系数小于所述绝缘部件的热膨胀系数。

Description

固体电解电容器
技术领域
本发明涉及固体电解电容器。
背景技术
官能高聚物固体电解电容器相较于其他电解电容器以其优异的频率特性而受到关注。最近，开发出一种表面安装型固体电解电容器，该电容器具有数百μF的电容，在100kHz频率范围内低于5mΩ的ESR(等效串联电阻)和在10MHz频率范围内约1pH的ESL(等效串联电感)。该固体电解电容器适用于要耦接到CPU(中央处理单元)的供电线的去耦电路。还开发出一种高电容电容器，其中叠置并并联耦接有多个固体电解电容器。
这些固体电解电容器是适用于诸如更高速且更高频率的个人计算机、服务器等的供电线的表面安装型电容器。固体电解电容器的外部通常用环氧树脂成型。然而环氧树脂成型存在一些缺陷。
传递成型通常用作环氧树脂成型方法。在该方法中，将环氧树脂加热至150℃以上并将其置于数个大气压以上的压力下。电容器元件承受了过大压力。这会导致漏电流增加并且发生电短路。高温的环氧树脂插入电容器元件的电极箔之间。由于电容器元件的聚合物的分离可能导致特性劣化。
用作外部模的环氧树脂包括用于提高环氧树脂填充密度的填充物。在分子水平有许多空隙(void)。这导致防潮性方面的缺陷。在用环氧树脂进行外覆的情况下，由于安装时的加热可能出现封装裂纹。为了避免出现封装裂纹，厚度必须大于与外部尺寸成比例的给定值。因此不可能得到超薄封装。
因此，日本特开2005-116713号公报(下文中称为文献1)披露了一种与传递成型不同的成型法。在此方法中，将其中浸渍有单液性环氧树脂(single liquid epoxy resin)的热压缩带贴到聚合元件上。然后使加热溶解的环氧树脂成型。然而，对于根据文献1的技术制造的固体电解电容器来说，由于外部成型材料是环氧树脂，因而难以获得防潮性。
因此，电容器元件可以覆盖以金属外壳。在此情况下，可改善固体电解电容器的防潮性。然而，为了使用必要改善防潮性并减小ESR。
发明内容
鉴于上述情况作出本发明，本发明提供了一种具有高防潮性和低ESR的固体电解电容器。
根据本发明的一方面，提供了一种固体电解电容器，该固体电解电容器包括基板、电容器元件、金属盖、引出端子和绝缘部件。所述基板具有导电性。所述电容器元件设置在所述基板上。所述金属盖耦接到所述基板并覆盖所述电容器元件。所述引出端子贯穿所述基板并耦接到所述电容器元件的阳极，该引出端子包括用作芯部件的第一导电部件和用于覆盖所述第一导电部件的第二导电部件。所述绝缘部件设置在所述基板与所述引出端子之间。所述第一导电部件的电导率大于所述第二导电部件的电导率。所述第二导电部件的热膨胀系数小于所述绝缘部件的热膨胀系数。
利用上述结构，所述引出端子的电阻减小，这是因为所述引出端子具有由所述第一导电部件制成的芯部件，所述第一导电部件的电导率大于所述第二导电部件的电导率。因此可以减小根据本发明的固体电解电容器的ESR。并且由于所述第二导电部件的热膨胀系数小于所述绝缘部件的热膨胀系数，所以在所述引出端子处可以保持密封性能。因此可以抑制根据本发明的固体电解电容器的防潮性的减弱。因此，根据本发明的固体电解电容器既具有低ESR还具有高防潮性。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点将根据以下结合附图进行的详细描述而变得更加清楚，在附图中：
图1A至图1C示出了根据本发明第一实施方式的固体电解电容器；
图2A至图2C示出了电容器元件的详情；以及
图3示出了基板的顶视图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1A至图1C示出了根据本发明第一实施方式的固体电解电容器100。图1A示出了固体电解电容器100的顶视图。图1B示出了固体电解电容器100的截面图。图1C示出了固体电解电容器100的仰视图。固体电解电容器100是表面安装型固体电解电容器。
如图1B所示，在固体电解电容器100的结构中，电容器元件200封装在外壳10中。外壳10具有其中金属盖11设置在基板12上的结构。可利用凸焊法等将金属盖11密封到基板12。金属帽11由诸如铜、铝、SPC钢、钴钢或不锈钢的金属制成。
基板12由具有低透湿性的导电材料制成。基板12例如由诸如铜、铝、SPC钢、钴钢或不锈钢的金属制成，或者由其表面上镀有金属层的陶瓷制成。优选的是，基板12由容易焊接的材料制成。例如，基板12可以由其表面上涂覆有无电镀镍(electroless nickel)和电解金的SPC钢制成。在金属盖11的内表面上可涂覆有绝缘层(未示出)，这样可以抑制电容器元件200与金属盖11之间的电短路。
因为使用密封性能高和抗外部环境的屏蔽性高的金属盖11和基板12来密封电容器元件200，所以根据本实施方式的固体电解电容器100具有高防潮性。因此可抑制固体电解电容器100的特性劣化。
如图1B和图1C所示，在基板12的两端附近形成有通孔。在每个通孔中设置有引出端子31。在引出端子31与通孔之间形成有绝缘部件32。这可以抑制引出端子31与基板12之间出现电短路。
绝缘部件32例如由诸如硬质玻璃或软质玻璃的玻璃或者橡胶制成。在基板12由诸如具有相对较高热膨胀系数的SPC钢的材料制成的情况下，绝缘部件32优选地由软质玻璃制成。另一方面，在基板12由诸如具有相对较低热膨胀系数的钴钢的材料制成的情况下，绝缘部件32优选地由硬质玻璃制成。在这些情况下，可以改善外壳10的密封性能。从成本的角度出发，优选的是绝缘部件32由软质玻璃制成。
如图1B和图1C所示，引出端子31包括具有导电性的芯部件31a，和具有导电性并且沿芯部件31a的长度方向覆盖该芯部件31a的覆盖部件31b。芯部件31a的电导率大于覆盖部件31b的电导率。覆盖部件31b的热膨胀系数小于绝缘部件32的热膨胀系数。引出端子31耦接到稍后提及的阳极箔21的引出部分。引出端子31由此用作阳极端子。
此处，在引出端子31由具有比绝缘部件32的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料制成的情况下，引出端子31处的密封性能劣化。例如，当由玻璃制成的绝缘部件32熔融并硬化时，由于热膨胀系数间的差异导致固体电解电容器100的密封性能劣化。这导致固体电解电容器100的防潮性降低。此处，存在其中引出端子31由具有比绝缘部件32的热膨胀系数小的热膨胀系数的材料制成的情况。然而，由于普通导电材料不同时具有低热膨胀系数和高电导率，所以引出端子31的电阻增加。结果，固体电解电容器的ESR增加。
然而，利用根据本实施方式的结构，可以减小引出端子31的电阻，这是因为芯部件31a是由电导率比覆盖部件31b大的材料制成的。因此可以减小固体电解电容器100的ESR。此外，由于覆盖部件31b的热膨胀系数小于绝缘部件32的热膨胀系数，因此可以保持引出端子31处的密封性能。因此可以抑制固体电解电容器100的防潮性降低。从而，固体电解电容器100既具有低ESR还具有高防潮性。
表1示出了要用作芯部件31a的材料、要用作覆盖部件31b的材料和要用作绝缘部件32的材料的组合。利用表1中示出的组合，可以减小在100kHz频率范围内的ESR。并且，表2示出了要用作芯部件31a的其他材料。由于金和银相对昂贵，因此优选地使用纯铜、铜合金或铝作为芯部件31a。
表1
部件 材料   热膨胀系数(1/K) 电阻(Ωm) 组成
组合1 芯部件31a 纯铜   138×10-7   1.67×10-8 Cu
覆盖部件31b 镍铁合金 95×107 50×10-8 Fe 50重量％Ni 50重量％
绝缘部件32 软质玻璃 95×10-7 - SiO2(70重量％)B2O3(10重量％)Al2O3(4重量％)
组合2 芯部件31a 纯铜   138×10-7   1.67×10-8 Cu
覆盖部件31b 科瓦铁镍钴合金 50×10-7 49×10-8 Zn(27重量％)Ni(18重量％)Co(55重量％)
绝缘部件32 硬质玻璃 50×10-7 - SiO2(65重量％)B2O3(20重量％)Al2O3(6重量％)
组合3 芯部件31a 纯铜   138×10-7   1.67×10-8 Cu
覆盖部件31b 科瓦铁镍钴合金 50×10-7 49×10-8 Zn(27重量％)Ni(18重量％)Co(55重量％)
绝缘部件32 软质玻璃 95×10-7 - SiO2(70重量％)B2O3(10重量％)Al2O3(4重量％)
表2
    材料     电阻(Ωm)     组成
    纯铜     1.67×10-8     Cu
    黄铜     6.2×10-8     60Cu 40Zn
    磷青铜     9.6×10-8     Cu-8Sn-0.2P
    铍青铜     6.5×10-8     Cu-2Be-0.5Co
    铝     2.6×10-8     Al
    金     2.35×10-8     Au
    银     1.59×10-8     Ag
在使用科瓦铁镍钴合金作为覆盖部件31b并且采用硬质玻璃作为绝缘部件32的情况下，因为科瓦铁镍钴合金与硬质玻璃之间的粘性高，所以覆盖部件31b与绝缘部件32之间的粘性增加。优选的是芯部件31a与覆盖部件31b相接合。例如，优选的是芯部件31a与覆盖部件31b通过冷接合、扩散接合等相接合，这是因为芯部件31a与覆盖部件31b之间的接触电阻减小。
优选的是，芯部件31a与覆盖部件31b冶金地相接合。通过组成芯部件31a的材料和组成覆盖部件31b的材料的熔融处理以及各材料的热接合处理，可以冶金地将芯部件31a和覆盖部件31b相接合。在该情况下，可以进一步减小芯部件31a与覆盖部件31b之间的接触电阻。优选的是，引出端子31能容易地焊接。因此优选的是，引出端子31的表面涂覆有无电镀镍和电解金。
基板12在其底面上具有多个凸部12a。如稍后所提及，每个凸部12a用作阴极端子。因此可以在基板12下形成配线图案。并且由于设置了多个凸部12a，所以可以防止固体电解电容器在安装时发生移位。由此改善了固体电解电容器的可安装性。由于基板12的一部分底面并未用作阴极端子，因此凸部12a可仅置于必要的位置上。由此可以减轻基板12的重量。
基板12在电容器元件200侧具有凸部12b。凸部12b是要安放电容器元件200的平面形区域。由于要安放电容器元件200的区域是平面形的，因此可以用粘合剂将电容器元件200粘附到基板12上。
接着，将参照图2A至图2C对电容器元件200进行描述。图2A示出了电容器元件200的顶视图。图2B示出了沿图2A中的线A-A截取的电容器元件200的截面图。图2C示出了沿图2A中的线B-B截取的截面图。如图2B和图2C所示，电容器元件200具有其中叠置有多个单位元件20的结构。在根据本实施方式的电容器元件200中，在基板12上利用导电粘合剂25叠置有两个单元元件20。可以通过控制单位元件20的叠置数量来控制电容器元件200的电容。
粘合剂25由诸如银的导电材料制成。单位元件20具有这样的结构，其中，固体电解质层22、碳膏层23和引出阴极层24依次叠置在整个阳极箔21上。阳极箔21由在其表面上形成有电介质氧化物层的阀金属(valve metal)制成。用于阳极箔21的阀金属是诸如铝的金属。可以通过对阀金属的表面进行蚀刻处理和化学转化处理来形成电介质氧化物层。
可以通过将在其表面上形成有电介质氧化物层的阀金属切割成给定形状来形成阳极箔21。在切割过程中，露出阳极箔21端面处的阀金属，并且在电介质氧化物层中形成缺陷。因此必须在露出的阀金属上形成电介质氧化物层。可以通过在切割后进行数次化学转化处理和热处理来在露出的阀金属上形成电介质氧化物层。使用主要含有0.5重量％至2重量％的己二酸铵的化学液体，在与电介质氧化物层的形成电压接近的电压下进行所述化学转化处理。所述热处理例如是在200℃至400℃的温度范围内进行的。
固体电解质层22由官能高聚物制成并形成在阳极箔21的表面上。官能高聚物固体电解质由3，4-聚乙烯二氧噻吩(PEDT)等制成。可以通过将可聚合单体和氧化剂浸渍到阳极箔中来形成官能高聚物固体电解质。将对固体电解质的形成方法加以描述。
将含有要形成为固体电解质的单体和氧化剂的混合液体浸渍到阳极箔21中。所述单体是含有易挥发溶剂的混合溶剂。混合溶剂中单体的浓度在1重量％到50重量％的范围内。所述浓度优选地在10重量％至35重量％的范围内。在醇溶剂中含有40重量％至60重量％的氧化剂。在本实施方式中，使用含有60重量％氧化剂的溶剂。然后，使浸渍到阳极箔中的混合液体热聚合，并形成固体电解质层22。
此外，如图2A和图2B所示，在固体电解质层22的露出区域上形成有绝缘层26。该绝缘层26防止固体电解质从固体电解质层22中流出。绝缘层26例如由诸如硅树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂等的绝缘合成树脂制成。
引出阴极层24例如由银膏制成。在本实施方式中，使用粘合剂25将较低侧的单位元件20的引出阴极层24电耦接到基板12。并且，基板12和金属盖11用作阴极。因此外壳10整体用作阴极。因此，可以减小固体电解电容器100的ESL。
每个阳极箔21在其两端处具有阳极导引部21a。利用焊接使各单位元件20的阳极导引部21a通过条状金属板27相互耦接。通过激光焊接等将底部位置处的条状金属板耦接到引出端子31。
接着，将对引出端子31的位置和形状进行描述。图3示出了基板12的顶视图。如图3所示，多个引出端子31设置在基板12的两端部处。引出端子31在电容器元件200侧具有接触部31c。接触部31c的横截面积比引出端子31的主体的横截面积大。因此可以减小阳极导引部21a与引出端子31之间的接触电阻。结果导致ESR减小。并且可以用粘合剂将引出端子31粘附到条状金属板27。
如图3所示，为了使引出端子31与条状金属板27之间的接触面积最大，优选的是由接触部31c形成的区域与条状金属板27的区域基本上相同。在该情况下，可以减小引出端子31与条状金属板27之间的接触电阻。可以通过挤压引出端子31在电容器元件200侧的端部来形成接触部31c。
在本实施方式中，芯部件31a对应于第一导电部件，而覆盖部件31b对应于第二导电部件。
实施例
制造了根据上述实施方式的固体电解电容器。研究了其特性。
(实施例)
在实施例中，制造了图1A至图1C所示的固体电解电容100。导电粘合剂25由粘性银膏制成。基板12由其表面上涂覆有无电镀镍和电解金的SPC钢制成。绝缘部件32由软质玻璃制成，所述软质玻璃是苏打-钡-基材料并具有95×10-7(1/K)的热膨胀系数。
覆盖部件31b由含有50重量％铁和50重量％镍的镍-铁合金制成，并具有分别为95×10-7(1/K)和50×10-8Ωm的热膨胀系数和电阻。芯部件31a由电阻为1.67×10-8Ωm的纯铜制成。采用熔化铜和熔化镍-铁合金的提炼处理以及对铜和镍-铁的热接合处理来制得引出端子31。无电镀镍和电解金涂覆在覆盖部件31b的表面上。芯部件31a的直径为0.39mm。引出端子31的直径为1mm。
金属盖11由在其表面上涂覆有电解镍-铁的金属制成。使用凸焊法将金属盖11焊接到基板12上，从而密封固体电解电容器100。在根据本实施例的电容器元件200中，叠置有四个单位元件20。根据本实施例的固体电解电容器的电容为2.5V1000μF。
(比较例)
在比较例中，将上述镍-铁合金用作引出端子。在比较例中，引出端子不包括由其他材料制成的芯部件。其他结构与实施例相同。根据本比较例的固体电解电容器的电容为2.5V1000μF。
(分析)
表3示出了根据实施例和比较例的固体电解电容器的电容、tanδ、漏电流和ESR。制造了三十个根据实施例和比较例的电容器，表3中的每个值均显示为其平均值。
电容(μF)  tanδ(％) 漏电流(μA/2分钟) ESR(mΩ)
  实施例 989  0.9 138 1.6
  比较例 994  1.0 146 2.1
如表3所示，对于根据实施例的固体电解电容器而言，相比根据比较例的固体电解电容器，ESR显著减小。这可能是因为引出端子的电阻由于具有高导电率的芯部件而减小。此外，对于根据实施例的固体电解电容器而言，电容大、tanδ低且漏电流小。
本发明不限于所具体披露的实施方式，而是包括其他不背离本发明范围的实施方式和变型。
本发明基于在2006年10月13日提交的日本专利申请第2006-279477号，通过引用将其全部内容并入于此。

Claims (14)

1.一种固体电解电容器，该固体电解电容器包括：
具有导电性的基板；
设置在所述基板上的电容器元件；
耦接到所述基板并覆盖所述电容器元件的金属盖；
贯穿所述基板并耦接到所述电容器元件的阳极的引出端子，该引出端子包括用作芯部件的第一导电部件和用于覆盖所述第一导电部件的第二导电部件；以及
设置在所述基板与所述引出端子之间的绝缘部件，
其中：
所述第一导电部件的电导率大于所述第二导电部件的电导率；并且
所述第二导电部件的热膨胀系数小于所述绝缘部件的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述第一导电部件与所述第二导电部件相接合。
3.如权利要求2所述的固体电解电容器，其中，所述第一导电部件与所述第二导电部件冶金地相接合。
4.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，设置有多个所述引出端子。
5.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述基板具有用作阴极端子的凸部。
6.如权利要求5所述的固体电解电容器，其中：
所述基板具有多个所述凸部；并且
所述多个凸部之间的区域为凹形。
7.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述引出端子的面积在与所述电容器元件的阳极相接触的接触部变大。
8.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述第一导电部件由铜或铜合金制成。
9.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述绝缘部件由软质玻璃或硬质玻璃制成。
10.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中：
所述第一导电部件由铜制成；
所述第二导电部件由镍-铁合金制成；并且
所述绝缘部件由软质玻璃制成。
11.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述基板、所述金属盖和所述电容器元件的阴极是相互电导通的。
12.如权利要求11所述的固体电解电容器，其中，所述金属盖焊接到所述基板。
13.如权利要求1所述的固体电解电容器，其中，所述电容器元件具有单位元件，在该单位元件中，在由阀金属制成的阳极箔的表面上形成有官能高聚物固体电解质层、碳膏和阴极层。
14.如权利要求13所述的固体电解电容器，其中：
所述电容器元件具有其中叠置有多个所述单位元件的结构；并且
位于底部位置处的单位元件的阴极层与所述基板是电导通的。
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