CN104054147B - 固体电解电容器元件、其制造方法及导电糊 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不仅ESR的初始特性良好,而且热冲击引起的ESR劣化小、ESR变化偏差也得到抑制的固体电解电容器元件。该固体电解电容器元件在阳极体表面至少具备电介质层、固体电解质层、含有第一树脂成分的碳层和含有第二树脂成分的导电体层,第一树脂成分及所述第二树脂成分均具有羟基,所述碳层表面的氢键性成分值γh 1[mN/m]和所述导电体层表面的氢键性成分值γh 2[mN/m]之差Δγh(=γh 2‑γh 1)在‑3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体电解电容器元件、其制造方法及导电糊,特别是涉及一种热冲击引起的ESR(等效串联电阻)的劣化得到抑制、且每个产品的ESR变化偏差小、成品率良好的固体电解电容器元件。
背景技术
图1表示固体电解电容器元件的一个例子。图1的固体电解电容器元件1在烧结钽、铌、钛、铝等阀作用金属而得到的烧结体11的表面形成氧化被膜12,在其上具备含有固体电解质层13、碳层14、导电体层15的结构。在此,烧结体11作为阳极体使用,氧化被膜12作为电介质层使用,另外,固体电解质层13上的碳层14及导电体层15作为阴极体使用。
氧化被膜12可优选使用烧结体自身被氧化的氧化物,也可以为其它的氧化物。
另外,作为固体电解质层13,可广泛使用二氧化锰、导电性高分子等。
通常,碳层14通过涂布在含有树脂(也称为粘合剂树脂)和溶剂的载色剂中使碳粉末分散而成的碳糊并使其干燥来形成。认为该碳层14可降低固体电解质层13和导电体层15之间的接触电阻,可降低ESR。
另外,通常导电体层15可通过涂布在载色剂中使银等金属粉末分散而成的导电糊并使其干燥和/或固化来形成。
具备这样的碳层和导电体层的固体电解电容器元件如专利文献1、专利文献2所记载那样,自以往就广为人知。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2004-168966号公报
专利文献2:日本特开2008-004583号公报
发明内容
发明所要解决的课题
近年来,伴随电子设备的小型化、数字化、节能化,对于这些设备所使用的固体电解电容器元件强烈期望降低ESR(等效串联电阻)。
另外,不仅期望作为固体电解电容器元件的初始特性的ESR低,而且还期望减小ESR的经时变化、由此产生的每个产品(每个元件)的ESR的偏差。即,固体电解电容器元件的ESR不仅在该元件的制造时,而且有时因之后的受热过程而发生变化。例如有时因在元件的制造时进行多次干燥加热工序,然后进行回流焊接时、进一步作为最终产品完成后的使用时的发热导致ESR劣化(增大)。该变化的程度每个元件大幅不同,伴随时间的经过,ESR的偏差变大,这从品质管理上的观点考虑不优选。
以往,为了解决上述的ESR劣化、偏差的问题,对固体电解电容器元件中的各层、例如碳层、导电体层分别尝试个别的改良,但未得到充分的结果。
由如上所述的背景,本发明人等研究了涉及各层的改良,并且对各层的组合、特别是碳层和导电体层的组合重复进行了许多实验以及研究,结果完成了本发明。
即,本发明是为了解决上述的问题点而完成的,其目的在于,提供一种不仅ESR的初始特性良好,而且热冲击引起的ESR劣化小、ESR变化的偏差也得到了抑制的固体电解电容器元件。
用于解决课题的方案
解决上述问题的本发明以以下内容为特征。
(1)一种固体电解电容器元件,其在阳极体表面至少具备电介质层、固体电解质层、含有第一树脂成分的碳层和含有第二树脂成分的导电体层,其特征在于,
第一树脂成分及所述第二树脂成分均具有羟基,
所述碳层表面的氢键性成分值γh 1[mN/m]和所述导电体层表面的氢键性成分值γh 2[mN/m]之差Δγh(=γh 2-γh 1)在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内。
(2)根据上述(1)所述的固体电解电容器元件,其特征在于,所述第一树脂成分和/或所述第二树脂成分为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、氨基甲酸酯树脂构成的组中的至少1种。
(3)根据上述(1)或(2)所述的固体电解电容器元件,其特征在于,所述导电体层以银作为导电成分。
(4)一种制造方法,其为在阳极体表面至少具备电介质层、固体电解质层、碳层和导电体层的固体电解电容器元件的制造方法,其特征在于,包含以下工序:
使用包含具有羟基的第一粘合剂树脂的碳糊形成所述碳层;
使用包含具有羟基的第二粘合剂树脂的导电糊在所述碳层上形成所述导电体层,
所述碳糊及所述导电糊以所述碳层表面的氢键性成分值γh 1[mN/m]和所述导电体层表面的氢键性成分值γh 2[mN/m]之差Δγh(=γh 2-γh 1)在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内的方式组合使用。
(5)根据上述(4)所述的制造方法,其特征在于,所述第一粘合剂树脂和/或所述第二粘合剂树脂为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、固化而成为氨基甲酸酯树脂的组合物构成的组中的至少1种。
(6)一种导电糊,其用于在固体电解电容器元件中形成包含具有羟基的树脂成分的碳层上所设置的导电体层,其特征在于,
所述导电糊中含的粘合剂树脂具有羟基,并且
在将所述碳层表面的氢键性成分值设为γh 1[mN/m]、将所述导电体层表面的氢键性成分值设为γh 2[mN/m]时,所述氢键性成分值的差Δγh(=γh 2-γh 1)在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内。
(7)根据上述(6)所述的导电糊,其特征在于,所述粘合剂树脂为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、固化而成为氨基甲酸酯树脂的组合物构成的组中的至少1种。
发明效果
根据本发明,可得到即使进行长时间的高温负荷试验,与现有产品相比ESR的劣化也小、每个产品的经时ESR变化的偏差也得到抑制的固体电解电容器元件。
附图说明
图1是表示固体电解电容器元件的一个例子的图。
具体实施方式
本发明可适用于具有碳层及导电体层的固体电解电容器元件,下面,以适用的例子对图1所示的固体电解电容器元件进行说明。
需要说明的是,在本说明书中,将处于未干燥/未固化的状态的糊的树脂称为“粘合剂树脂”,与将该糊干燥和/或固化而形成的层中所含的“树脂成分”相区别,以下,将使含有“第一粘合剂树脂”的糊干燥和/或固化而成的层中所含的树脂称为“第一树脂成分”,将使含有“第二粘合剂树脂”的糊干燥和/或固化而成的层中所含的树脂称为“第二树脂成分”。
碳层14中含有碳粉末和第一树脂成分。可以在本发明中使用的碳粉末没有限定,但从通常用于固体电解电容器元件的方面考虑,优选石墨粉末。
该碳粉末在含有第一粘合剂树脂和溶剂的载色剂中均匀地分散,形成碳糊。通过在固体电解质层13上涂布该碳糊后进行干燥和/或固化来得到碳层。
导电体层15中含有金属粉末和第二树脂成分。该金属粉末在含有第二粘合剂树脂和溶剂的载色剂中均匀地分散,形成导电糊。通过将该导电糊涂布在碳层14(或干燥和/或固化前的碳糊层)上后进行干燥和/或固化来得到导电体层。
可以在本发明中使用的金属粉末没有限定,但从导电性、成本上的观点考虑,优选使用银粉末、在铜、镍、铝等银以外的其它的金属的任1种或2种以上的粒子的表面被覆银而成的复合粉末、或者银和所述其它的金属的任1种或2种以上的合金粉末(以下,一并称为“银系粉末”)。通过使用银系粉末,可以得到以银为导电成分的导电体层,在银系粉末中含有如上银以外的其它的金属的情况下,“以银为导电成分的导电体层”是指也包含这样的其它的金属的导电体层。作为本发明的金属粉末,可以仅使用这些银系粉末中的1种,也可以混合使用2种以上,另外,还可以在上述银系粉末中混合钯、铂、铜、金属氧化物等其它的导电性粉末来使用。
此外,通常也可以在上述的碳糊及导电糊中添加根据需要适宜配合的表面活性剂、消泡剂、增塑剂、分散剂等添加剂、无机填料等。通过加入这些添加剂等,可调整印刷性、所形成的膜的特性。
在本发明中,碳层中所含的第一树脂成分和导电体层中所含的第二树脂成分均具有羟基。在任一者或者两者的树脂成分不具有羟基的情况下,热循环试验后,接触电阻值上升,ESR劣化。
为了使第一、第二树脂成分均具有羟基,作为用于碳糊及导电糊的第一、第二粘合剂树脂,使用具有羟基的粘合剂树脂的1种或2种以上。作为这样的粘合剂树脂的一个例子,可以举出:积水化学工业制BH-S,KS-5等丁醛树脂、日立化成制Hitaloid6500、大成精细化学制8AT-935、8UA系列146,301,318,347,366等丙烯酸树脂、新日铁化学制EpotohtoYR207,YDF-2001、长岛特殊涂料制R-53、三菱化学制Epikote1001等环氧树脂、新日铁化学制YP-50,YP-70等苯氧基树脂、群荣化学工业制PL-2222等酚醛树脂、DIC制尿素树脂P-138,P-196M,G-1850、三井化学制三聚氰胺树脂U-Van20SE,22R,80S等氨基树脂,以及固化而成为氨基甲酸酯树脂的组合物(例如,含有DIC制Epiclon H-201等环氧改性多元醇树脂和DIC制D-550等封端异氰酸酯的组合物)等。
为了改善ESR的劣化、每个产品的经时ESR变化的偏差,第一及第二树脂成分中所含的羟基的重量特别优选相对于该树脂成分的总量均为2~10重量%。通过使用这样的树脂成分,不会产生损伤涂膜的耐湿性而泄漏电流增大等问题,可得到优异的改善效果。
另外,本发明还包含在具有羟基的粘合剂树脂中进一步加入不具有羟基的粘合剂树脂并混合,使含有其的糊干燥/固化而形成碳层、导电体层的样态。此时,不具有羟基的粘合剂树脂优选低于各糊中的粘合剂树脂总量的30重量%,更优选低于10重量%。
本发明通过在互相相接的碳层和导电体层所具备的物性中将两层的固体表面中的氢键性成分值γh的差控制/调整在后述的范围内,改善接触电阻值的劣化、偏差、进而改善ESR的劣化、偏差。
在此,氢键性成分值γh可通过Owens-Wendt的方法求出。具体而言,将表面能γL、分散力成分值γd L、氢键性成分值γh L已知的2种液体滴加于碳层及导电体层各自的表面来测定接触角θ,通过解出由下式1得到的联立方程式来求出固体表面的氢键性成分值γh S和分散力成分值γd S。
[式1]γL·(1+cosθ)=2(γd L·γd S)1/2+2(γh L·γh S)1/2
在后述的例子中,作为表面能γL、分散力成分值γd L、氢键性成分值γh L已知的2种液体,使用水(γL=72.8mN/m、γd L=21.8mN/m、γh L=51.0mN/m)和二碘甲烷(γL=50.8mN/m、γd L=49.5mN/m、γh L=1.3mN/m),使用Goniometer式接触角测定仪(株式会社Eruma制MODEL G-I)测定接触角θ。然后,将碳层表面的氢键性成分值γh S设为γh 1、分散力成分值γd S设为γd 1,另外,将导电体层表面的氢键性成分值γh S设为γh 2、分散力成分值γd S设为γd 2,由通过将上述的各值代入式1而得到的联立方程式求得γh 1、γd 1、γh 2、γd 2的各值。
其结果,本发明人等发现,关于碳层表面的氢键性成分值γh 1和导电体层表面中的氢键性成分值γh 2之差Δγh(=γh 2-γh 1),在满足-3≤Δγh≤3[mN/m]的情况下,可改善接触电阻值的劣化、偏差、进而改善ESR的劣化、偏差,以至完成了本发明。
另外,如后述那样,本发明人等对分散力成分值γd、表面自由能γ(=γh+γd)也同样地进行了研究,但未能特别发现相对于接触电阻值、ESR的相关或影响,未确认到分散力成分值γd、表面自由能γ作为本发明中的控制因子有效。在本发明中,发现在接触电阻值、ESR的改善中,氢键性成分值γh为极有效的控制因子,完成了本发明,因此,本发明的特征之一在于,使用氢键性成分值γh作为控制因子。
碳层、导电体层的各表面中的氢键性成分值γh也会因碳糊、导电糊中所含的碳粉末、金属粉末、以及根据需要所添加的添加剂发生变化,因此,不能一概而论,除糊中所含的粘合剂树脂的种类以外,可通过该粘合剂树脂的极性官能团(氨基、羧基、羟基、乙酰基等)的含量、碳粉末、金属粉末的表面处理(例如疏水化处理等)的有无来调整。
组合准备满足以上的主要条件的碳糊及导电糊,除此以外,本发明的固体电解电容器元件可通过与现有例子同样地形成烧结体11、氧化被膜12、固体电解质层13、碳层14、导电体层15来制造。
实施例
<导电糊的准备>
作为导电糊,准备含有银粉末的以下的10种银糊。
[试样A-1]
将银粉末53.0重量%、将丁醛树脂(将积水化学工业制BH-S和积水化学工业制KS-5以1:1混合而成的树脂)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯17.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-1。
[试样A-2]
将银粉末53.0重量%、将丁醛树脂(KS-5)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯17.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-2。
[试样A-3]
将银粉末53.0重量%、将丁醛树脂(BH-S:KS-5=1:1)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%、丙烯酸树脂(大成精细化学制8AT-935)1.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯16.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-3。
[试样A-4]
将银粉末53.0重量%、将丁醛树脂(KS-5)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%、丙烯酸树脂(8AT-935)1.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯16.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-4。
[试样A-5]
将银粉末42.0重量%、酚醛树脂(群荣化学工业制PL-4222)9.5重量%、将丁醛树脂(KS-5)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%、环氧树脂(新日铁化学制Epotohto YR207)1.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯17.5重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-5。
[试样A-6]
将银粉末71.0重量%、环氧改性多元醇树脂(DIC制Epiclon H-201BT60)5.5重量%、封端异氰酸酯(DIC制D-550)7.5重量%及萜品醇16.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-6。
[试样A-7]
将银粉末73.5重量%、三聚氰胺树脂(三井化学制U-Van20SE60)9.0重量%、环氧树脂(长岛特殊涂料制R-53)4.0重量%、固化促进剂(King Industries制Nacure5225)1.0重量%及萜品醇12.5重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-7。
[试样A-8]
将银粉末53.0重量%、将聚乙酸乙烯酯树脂(日本合成化学制PV-500)以树脂固体量15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯17.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-8。
[试样A-9]
将银粉末53.0重量%、将聚乙烯乙酸乙烯酯树脂(日本UNC制NUC-3160)以树脂固体成分15重量%的形式溶解于苄醇而成的清漆30.0重量%及丙二醇甲基醚乙酸酯17.0重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-9。
[试样A-10]
将银粉末66.5重量%、苯乙烯丁二烯树脂24.0重量%(藤仓应用化工制SBR-5)及丙二醇甲基醚乙酸酯9.5重量%使用三辊研磨机进行混炼搅拌,由此制备银糊A-10。
<导电体层的分析>
将准备的各试样利用丝网印刷法涂布在氧化铝基板上,形成干燥和/或固化后的膜厚约为20μm的导电体层,然后,通过上述的方法算出氢键性成分值γh 2和分散力成分值γd 2。将其结果示于表1。另外,树脂成分中的羟基的有无使用日本分光制FT-IR傅立叶变换红外线分光光度计6200,通过羟基的吸收光谱3500cm-1附近有无峰来判定,将其结果并记于表1中。
[表1]
<碳糊的准备>
作为碳糊,准备含有石墨粉末的以下3种石墨糊。
[试样G-1]
将石墨粉末4.8重量%、聚乙烯乙酸乙烯酯树脂32.5重量%(NUC-3160)及丙二醇甲基醚乙酸酯62.7重量%使用球磨机进行混炼搅拌,由此制备石墨糊G-1。
[试样G-2]
将石墨粉末8.3重量%、酚醛清漆环氧树脂12.5重量%(新日铁化学制YDF-2001)、固化剂2.2重量%(长岛特殊涂料制Hardener N)及2-丁氧基乙醇77.0重量%使用球磨机进行混炼搅拌,由此制备石墨糊G-2。
[试样G-3]
将石墨粉末6.3重量%、丁醛树脂4.0重量%(BH-S:KS-5=1:1)及丙二醇甲基醚乙酸酯89.7%使用球磨机进行混炼搅拌,由此制备石墨糊G-3。
<碳层的分析>
利用喷涂法在氧化铝基板上喷附准备的各试样,形成干燥和/或固化后的膜厚约为20μm的碳层。然后,通过上述的方法算出氢键性成分值γh 1和分散力成分值γd 1。将其结果示于表2。另外,将通过上述的方法判定的树脂成分中的羟基的有无一并记于表2。
[表2]
<关于碳层和导电体层的组合的实验>
组合准备的导电糊和碳糊,测量对ESR值的影响最大的接触电阻。
[试验例1]
使用试样G-1的石墨糊在氧化铝基板上形成厚度约20μm的碳层,在其上使用试样A-1的银糊等间隔地形成多个1mm×20mm的细线形状图案后,在150℃下通过60分钟的干燥和/或固化制作试样基板。另外,同样地准备合计50个相同的试样基板。
基于TLM(Transmission Line Model)法对准备的50个试样基板测定接触电阻后,重复进行300次-55℃~125℃的热负荷试验。对如上经过热循环试验的50个试样基板再次测定接触电阻。
由得到的数据算出以下的“变动系数(CV值)”和“接触电阻变化率”。
[式2][变动系数(CV值)]=[热循环试验后的接触电阻值的标准偏差]÷[热循环试验后的接触电阻值的平均值]×100
[式3][接触电阻变化率(%)]=([热循环试验后的接触电阻值的平均值]÷[热循环试验前的接触电阻值的平均值]×100)-100
意思是变动系数(CV值)越大,热冲击引起的接触电阻的变化(进而ESR的变化)的偏差越大,另外,接触电阻变化率越大,受热过程引起的接触电阻的劣化(进而ESR的劣化)越大。另外,接触电阻变化率为负是指因受热过程使欧姆接触提高。
将实验例1中得到的“变动系数(CV值)”和“接触电阻变化率”记载于表3。另外,表3中一并记有试样A-1、试样G-1中使用的树脂成分中的羟基的有无的组合、氢键性成分值的差Δγh(=γh 2-γh 1)、进而作为参考的分散力成分值的差Δγd(=γd 2-γd 1)。
[表3]
[试验例2~30]
以表3中所记载的试样的组合进行与试验例1同样的试验和测定。将其结果并记于表3。
<评价·研究>
表3中附有*的例子为本发明的范围外。
由表3明确,在即使仅导电体层、碳层的任一者不具有羟基的情况下,因受热过程使接触电阻上升,与此相对,在均具有羟基的情况下,接触电阻下降或即使上升也止于低于1%。
另外,在氢键性成分值的差Δγh[mN/m]的绝对值为3以下的情况下,变动系数CV值为3.5以下,可特别抑制受热过程引起的偏差,但如果Δγh[mN/m]的绝对值超过3,则变动系数CV值急剧上升。
工业上的可利用性
本发明可适用于电子零件、电气零件中所使用的固体电解电容器元件。
符号说明
1 固体电容器元件
11 阀作用金属烧结体(阳极体)
12 氧化被膜(电介质层)
13 固体电解质层
14 碳层
15 导电体层
Claims (7)
1.一种固体电解电容器元件,其在阳极体表面至少具备电介质层、固体电解质层、含有第一树脂成分的碳层和含有第二树脂成分的导电体层,其特征在于,
第一树脂成分及所述第二树脂成分均具有羟基,
通过Owens-Wendt的方法求出的所述碳层表面的氢键性成分值γh 1[mN/m]和所述导电体层表面的氢键性成分值γh 2[mN/m]之差Δγh=γh 2-γh 1在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内。
2.根据权利要求1所述的固体电解电容器元件,其特征在于,所述第一树脂成分和/或所述第二树脂成分为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、氨基甲酸酯树脂构成的组中的至少1种。
3.根据权利要求1或2所述的固体电解电容器元件,其特征在于,所述导电体层以银作为导电成分。
4.一种固体电解电容器元件的制造方法,其为在阳极体表面至少具备电介质层、固体电解质层、碳层和导电体层的固体电解电容器元件的制造方法,其特征在于,包含以下工序:
使用包含具有羟基的第一粘合剂树脂的碳糊形成所述碳层;
使用包含具有羟基的第二粘合剂树脂的导电糊在所述碳层上形成所述导电体层,
所述碳糊及所述导电糊以通过Owens-Wendt的方法求出的所述碳层表面的氢键性成分值γh 1[mN/m]和所述导电体层表面的氢键性成分值γh 2[mN/m]之差Δγh=γh 2-γh 1在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内的方式组合使用。
5.根据权利要求4所述的制造方法,其特征在于,所述第一粘合剂树脂和/或所述第二粘合剂树脂为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、固化而成为氨基甲酸酯树脂的组合物构成的组中的至少1种。
6.一种导电糊,其用于在固体电解电容器元件中形成在包含具有羟基的树脂成分的碳层上所设置的导电体层,其特征在于,
所述导电糊中所含的粘合剂树脂具有羟基,并且
在将通过Owens-Wendt的方法求出的所述碳层表面的氢键性成分值设为γh 1[mN/m]、所述导电体层表面的氢键性成分值设为γh 2[mN/m]时,所述氢键性成分值的差Δγh=γh 2-γh 1在-3≤Δγh≤3[mN/m]的范围内。
7.根据权利要求6所述的导电糊,其特征在于,所述粘合剂树脂为选自由丁醛树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯氧基树脂、酚醛树脂、氨基树脂、固化而成为氨基甲酸酯树脂的组合物构成的组中的至少1种。
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