JP2003109868A

JP2003109868A - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP2003109868A
Application number: JP2001304348A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hatanaka; 一裕畑中; Kazuhiro Higuchi; 和浩樋口; Akihiro Inoue; 明広井上; Akio Ishii; 明生石井; Ichihiro Saegusa; 一大三枝; Shoji Ono; 昭二小野; Koichi Yoshida; 光一吉田; Reiji Araki; 励至荒木
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】低ＥＳＲ特性を有する固体電解コンデンサを
提供する。【解決手段】セパレータを介して陽極箔と陰極箔を巻
回してなるコンデンサ素子内に導電性ポリマーを形成し
た固体電解コンデンサであって、陽極箔または陰極箔の
耐電圧が２０．５Ｖにおける単位エッチング減量当りの
静電容量が５．５μＦ／ｍｇ以上、箔抵抗率が０．２７
〜０．７ｍΩ、箔幅が１．５〜４ｍｍ、箔面積が１５０
ｍｍ²以上とすることにより、電極箔の抵抗分が低下
し、電極箔間の電解質の抵抗分も低下し、さらに電極箔
と電極引出し端子の接合部分の接触抵抗も低下して、低
ＥＳＲ特性を有する固体電解コンデンサを得ることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性ポリマーを
電解質として用いた固体電解コンデンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子情報機器はデジタル化され、
さらにこれらの電子情報機器の心臓部であるマイクロプ
ロセッサ（ＭＰＵ）の駆動周波数の高速化がすすんでい
る。これに伴って、消費電力の増大化が進み、発熱によ
る信頼性の問題が顕在化し、対策として、駆動電圧の低
減化が図られてきた。ここで、マイクロプロセッサに高
精度な電力を供給する回路として、電圧制御モジュール
（ＶＲＭ）と呼ばれるＤＣ−ＤＣコンバーターが広く使
用されており、その出力側コンデンサには電圧降下を防
ぐため直列等価抵抗（ＥＳＲ）の低いコンデンサが多数
用いられている。この低ＥＳＲ特性を有するコンデンサ
として、固体電解質を電解質として用いた固体電解コン
デンサが実用化され、これらの用途に合ったコンデンサ
として広く用いられている。

【０００３】しかしながら、マイクロプロセッサの駆動
周波数の高速化は著しく、それに伴って消費電力が増大
し、それに対応するために電圧降下を防ぐためのコンデ
ンサからの供給電力の増大化が求められている。すなわ
ち、大きな電力を短時間で供給することができなければ
ならず、このために前記の固体電解コンデンサには大容
量化、小型化、低電圧化と共に、これまでよりもさらに
低いＥＳＲ特性が要求される。

【０００４】一方、電子情報機器の小型化、高機能化、
生産性向上のために、電子部品の表面実装が進展し、前
記の固体電解コンデンサにおいても表面実装型のものが
求められている。

【０００５】ここで、固体電解コンデンサについて説明
すると、アルミニウム，タンタル又はニオブなどの弁作
用金属箔にエッチングを施し表面積を拡大した後、陽極
酸化皮膜を形成した陽極箔と、アルミニウム，タンタル
又はニオブなどの弁作用金属箔にエッチングを施して陰
極箔を形成する。この電極箔の間にクラフト紙、マニラ
紙、ガラスセパレータまたはビニロン、ポリエステル繊
維などの合成繊維からなる不織布などのセパレータを介
在し、前記電極箔の任意な箇所に引出端子をそれぞれ取
着した状態で巻回しコンデンサ素子を形成する。このコ
ンデンサ素子に固体電解質を形成して、金属ケース内に
収納し、金属ケース開口部をエポキシ樹脂などからなる
封口樹脂にて密閉、または封口ゴムを挿入、加締め加工
によって密閉してなるものである。

【０００６】そして、表面実装型の固体電解コンデンサ
は、以上のようにして作成した固体電解コンデンサを台
座に取り付けて形成される。このような表面実装型固体
電解コンデンサには小型化が要求されるので、前記の電
極箔の箔幅や箔長はできるだけ小さくてはならない。

【０００７】上記構成による固体電解コンデンサは、電
解質として従来の比抵抗が１００Ω・ｃｍオーダーの電
解液に比べて１０数Ω・ｃｍ以下の低い比抵抗を有する
固体電解質を用いているので、前述したようにＥＳＲ特
性の優れたコンデンサである。

【０００８】ところで、この固体電解質としては、従来
より比抵抗が１０数Ω・ｃｍの二酸化マンガンが用いら
れ、その後、比抵抗が１０Ω・ｃｍ以下のＴＣＮＱ錯
体、ポリピロール等の有機半導体を用いた固体電解コン
デンサが実用化されてきたが、さらに比抵抗が０．１Ω
・ｃｍ以下のチオフェン誘電体のポリマーを用いた固体
電解コンデンサが実用化されつつある。このチオフェン
誘電体の重合体を用いると、小型の表面実装型固体電解
コンデンサの低ＥＳＲ化には好適である。しかしなが
ら、ＭＰＵの駆動周波数のさらなる高速化が進む中で、
さらなる小型、大容量を有し、かつさらなる低ＥＳＲな
コンデンサが求められている。発明者等の研究によれ
ば、そうした固体電解コンデンサでは、電解質の比抵抗
が低いのにも関わらず、コンデンサのＥＳＲ低減の効果
は十分なものではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、固体電
解質の低比抵抗化による改善だけではコンデンサのＥＳ
Ｒを低減するには限界があり、さらなるＥＳＲの低減は
難しいといった問題があった。

【００１０】本発明は、上記の問題を解決するために成
されたものであり、比抵抗の低い導電性ポリマーを用い
た固体電解コンデンサにおいて、さらなる低ＥＳＲを実
現した固体電解コンデンサを提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、発明者が鋭意検討した結果、比抵抗の低い有機半
導体を用いた固体電解コンデンサにおいては、耐電圧２
０．５Ｖにおける単位エッチング減量当りの静電容量
（以下、単位エッチング減量当りの静電容量）が５．５
μＦ／ｍｇ以上の電極箔を用い、電極箔の単位面積当た
りの抵抗値、つまり正四角形の電極箔の端面間の抵抗値
（以下、箔抵抗率）と、箔幅と箔面積の最適化を図るこ
とにより、コンデンサのさらなるＥＳＲの低減が可能で
あることを見いだした。なお、ここでの耐電圧２０．５
Ｖは、ＥＩＡＪＲＣ−２３６４Ａに基づいて測定した値
である。

【００１２】すなわち、前述したように導電性ポリマー
を用いることによりコンデンサのＥＳＲを低減すること
ができるが、電解質の低減にも限界があり、さらにこの
ように導電性ポリマーによって低減されたＥＳＲの水準
になると電極箔の箔抵抗率と箔幅と箔面積がコンデンサ
のＥＳＲに寄与してくることが判明した。そこで、これ
らの値の最適化を図ることによって大幅なコンデンサの
ＥＳＲの低減が実現できたものである。そして、本発明
においては単位エッチング減量当りの静電容量が５．５
μＦ／ｍｇ以上の電極箔を用いることによって、エッチ
ング層厚を低減して箔厚を低減することによって箔長を
増大し、最適な箔面積を得ている。

【００１３】本発明は比抵抗が０．１Ω・ｃｍ以下の導
電性ポリマーを用い、以下の電極箔を用いることによっ
て、導電性ポリマーの低比抵抗特性を最大限に発揮させ
ることができ、従来にない低ＥＳＲ特性をもつ固体電解
コンデンサを実現したものである。本発明に用いる電極
箔は単位エッチング減量当りの静電容量が５．５μＦ／
ｍｇ以上、箔抵抗率が０．２７〜０．７ｍΩ、さらに好
ましくは０．３４〜０．５５ｍΩである。この範囲の電
極箔を用いることによって電極箔の抵抗分が低下して、
ＥＳＲが低減する。この範囲未満ではＥＳＲの低減効果
が少なく、この範囲を越えるとＥＳＲの低減率が低下す
る。

【００１４】そして、箔幅は１．５〜４ｍｍ、好ましく
は２〜３ｍｍである。この範囲未満では箔抵抗率が低減
しても電解質の抵抗分の寄与が大きくなってＥＳＲは低
減しない。この範囲を越えるとＥＳＲの低減率が低下
し、さらにコンデンサの高さが大きくなって表面実装型
の許容範囲以上になる。

【００１５】そして、箔面積は１５０ｍｍ²以上、好ま
しくは２００ｍｍ²以上が必要である。この範囲未満で
は電極箔と電解質の面積部分が小さく、抵抗値が低減し
ないので、ＥＳＲは低減しない。そして、本発明の固体
電解コンデンサは、単位エッチング減量当りの静電容量
が５．５μＦ／ｍｇ以上の電極箔をセパレータを介して
巻回してなるコンデンサ素子を用いているので、電極箔
の箔長は長いものを用いることができる。このことによ
って、十分な箔面積を得ることができ、ＥＳＲは低減す
る。

【００１６】そして、以上のように電極箔の箔抵抗率を
０．２７〜０．７ｍΩ、さらに好ましくは０．３４〜
０．５５ｍΩとするために、残芯厚が４０〜１００μ
ｍ、さらに好ましくは５０〜８０μｍの電極箔をもちい
ることができる。

【００１７】本発明の電解コンデンサ用電極箔は以下の
ようにして作成する。まず、塩酸を主成分とする酸性水
溶液が充填されたエッチング槽を設けられる。そして、
アルミニウム箔がローラーを介して、エッチング槽内に
搬送され、エッチング槽内で交流電圧が印加されてエッ
チング処理が施される。このようにして形成されたエッ
チング箔を陰極箔として用いる。

【００１８】そして、陽極箔はこのエッチング箔をさら
にリン酸水溶液等からなる化成液中で通電してこの表面
に酸化皮膜を形成して陽極箔とする。したがってこのよ
うな電極箔はエッチングされないアルミニウムの部分
（以下、残芯）とエッチング部分と、陽極箔の場合はさ
らに酸化皮膜部分とからなるが、この残芯の厚みを４０
〜１００μｍ、さらに好ましくは５０〜８０μｍとする
ことによって、箔抵抗率を０．２７〜０．７ｍΩ、さら
に好ましくは０．３４〜０．５５ｍΩとすることができ
る。

【００１９】そして、導電性ポリマーとしては（化１）
で示されるチオフェン誘電体の重合体を用いると０．１
Ω・ｃｍ以下の低比抵抗特性を有するのでコンデンサの
ＥＳＲが低減し、コンデンサの耐熱特性が向上するので
好適である。なかでも反応性、電気特性の良好な３，４
−エチレンジオキシチオフェンが好ましい。

【化１】ここで、ＸはＯまたはＳ、ＸがＯのとき、Ａはアルキレ
ン、またはポリオキシアルキレン、Ｘの少なくとも一方
がＳのとき、Ａはアルキレン、ポリオキシアルキレン、
置換アルキレン、置換ポリオキシアルキレン、ここで、
置換基はアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基であ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】さらに、具体的に本発明の実施の
形態について説明する。まず、塩酸を主成分とする酸性
水溶液が充填されたエッチング槽を設ける。ここで、本
発明においては、エッチング槽の酸濃度は、２〜３Ｎの
間で設定されている。そして、アルミニウム箔がローラ
ーを介して、エッチング槽内に搬送され、交流電圧が印
加されてエッチング処理が施される。このようにして、
表面積が増大し、単位エッチング減量当りの静電容量が
５．５μＦ／ｍｇ以上の電極箔を得ることができる。し
たがって、同一容量であればエッチング層厚を低減する
ことができ、そのことによって箔厚を低減することがで
きる。その分所定のケースサイズに対して箔長を長くす
ることができる。このようにして形成したエッチング箔
を陰極箔として用いる。

【００２１】さらに、このエッチング箔の表面に誘電体
皮膜を形成するためにリン酸水溶液等からなる化成液中
で化成を施し、陽極箔として用いる。そして本発明にお
いては、このような電極箔の単位面積当たりの箔抵抗を
０．２７〜０．７ｍΩ、さらに好ましくは０．３４〜
０．５５ｍΩとする。

【００２２】ここで、エッチングの際にアルミニウム箔
のエッチングしない部分、すなわち残芯部の厚みを４０
〜１００μｍ、さらに好ましくは５０〜８０μｍとする
ことによって、以上のような箔抵抗率をもつ電極箔を得
ることができる。

【００２３】そして、これらの電極箔を切断して電解コ
ンデンサ用電極箔を形成するが、この際の箔幅は１．５
〜４ｍｍ、好ましくは２〜３ｍｍとする。さらに、箔面
積は１５０ｍｍ²以上、好ましくは２００ｍｍ²以上が
必要である。

【００２４】また、陰極箔に０．１〜１０Ｖ、好ましく
は０．３〜５Ｖの化成皮膜を形成すると、ＥＳＲが低減
し、高温寿命特性が向上するので好適である。

【００２５】また、陰極箔の表面に窒化チタンやチタン
などの酸化性の低い金属化合物や金属からなる層を形成
すると静電容量が増大するので好ましい。ここで、陰極
箔に化成皮膜を形成し、この化成皮膜の上に前記の酸化
性の低い金属や金属化合物からなる層を形成するとさら
に好ましい。

【００２６】以上の陽極箔と陰極箔に陽極引出端子，陰
極引出端子を取着し、セパレータを介して巻回する。そ
の後、化成液中にて電圧を印加し、これまでの工程で損
傷した誘電体酸化皮膜を修復する。ここで前述した本発
明の陽極箔と従来の陰極箔、従来の陽極箔と本発明の陰
極箔を用いて、本発明の効果を得ることができるが、本
発明の陽極箔と陰極箔の双方を用いることによって、最
大の効果を得ることができる。

【００２７】ここで、セパレータとしては、マニラ紙、
クラフト紙、ガラスセパレータなど、またはビニロン、
ポリエステルなどの合成繊維からなる不織布、さらには
多孔質セパレータを用いることができる。

【００２８】なお、電極箔に引出端子を取着する際、本
発明の導電部分が増大した電極箔を用いると、電極箔と
引出端子の接合部分の接触抵抗が下がるので、そのこと
によっても固体電解コンデンサのＥＳＲ低減の効果は増
大する。

【００２９】ついで、導電性ポリマーとして３，４−エ
チレンジオキシチオフェン（ＥＤＴ）の重合体であるポ
リ−（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤ
Ｔ）を用いた場合を説明する。コンデンサ素子をＥＤＴ
と酸化剤と所定の溶媒とを混合して調製した混合液に浸
漬し、コンデンサ素子内でＥＤＴの重合反応を発生さ
せ、ＰＥＤＴからなる固体電解質層を形成する。そし
て、このコンデンサ素子を金属ケースに挿入し、開口端
部に封口ゴムを挿入、加締め加工で封口して、固体電解
コンデンサを完成する。

【００３０】前記のＥＤＴとしては、ＥＤＴモノマーを
用いることができるが、ＥＤＴと揮発性溶媒とを１：０
〜１：３の体積比で混合したモノマー溶液を用いること
もできる。前記揮発性溶媒としては、ペンタン等の炭化
水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、ギ酸エチ
ル等のエステル類、アセトン等のケトン類、メタノール
等のアルコール類、アセトニトリル等の窒素化合物等を
用いることができるが、なかでも、メタノール、エタノ
ール、アセトン等が好ましい。また、酸化剤としては、
ブタノールに溶解したパラトルエンスルホン酸第二鉄、
過ヨウ素酸もしくはヨウ素酸の水溶液を用いることがで
き、酸化剤の溶媒に対する濃度は４０〜５５ｗｔ％が好
ましい。この範囲未満ではＥＳＲが上昇し、この範囲を
越えると静電容量が低下する。

【００３１】ＥＤＴと酸化剤（溶媒を含まず）の混合比
は、重量比で１：０．９〜１：２．２の範囲が好適であ
り、１：１．３〜１：２．０の範囲がより好適である。
この範囲外ではＥＳＲが上昇する。その理由は、以下の
通りであると考えられる。すなわち、モノマーに対する
酸化剤の量が多過ぎると、相対的に含浸されるモノマー
の量が低下するので、形成されるＰＥＤＴの量が低下し
てＥＳＲが上昇する。一方、酸化剤の量が少なすぎる
と、モノマーを重合するのに必要な酸化剤が不足して、
形成されるＰＥＤＴの量が低下してＥＳＲが上昇する。

【００３２】ここで説明したＥＤＴと他にも重合性モノ
マーを用いることができる。重合性モノマーとしては、
アニリン、ピロール、フラン、アセチレンまたはそれら
の誘導体であって、所定の酸化剤により酸化重合され、
導電性ポリマーを形成するものであれば適用することが
できる。

【００３３】以上のような本発明の固体電解コンデンサ
は、０．１Ω・ｃｍ以下の比抵抗を有する導電性ポリマ
ーを用いた固体電解コンデンサにおいて、コンデンサの
ＥＳＲを従来の８０〜６０％に低減することができ、こ
れまでにない６ｍΩ以下のＥＳＲを得ることができる。
これに対して、これまでの比抵抗が数十Ω・ｃｍの電解
液を用いた電解コンデンサや、数Ω・ｃｍの固体電解質
を用いた固体電解コンデンサにおいては、ＥＳＲは３０
〜５０ｍΩ程度と非常に高く、さらに本発明の電極箔を
用いても最大でも９０％程度にしか低減せず、本発明の
ような大幅なＥＳＲの低減という効果を得ることはでき
ない。

【００３４】さらに、本発明の固体電解コンデンサは箔
幅が小さい範囲でもＥＳＲの低減を図ることができるの
で、箔幅の小さいためＥＳＲの低減がむつかしかった表
面実装型の固体電解コンデンサにおいて、低ＥＳＲ特性
を実現することができる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の固体電解コンデンサについて
具体的な実施例を述べる。塩酸水溶液を充填したエッチ
ング槽を設け、エッチング槽の塩酸濃度を２．５Ｎとし
た。そして、このエッチング槽に純度９９．９％のアル
ミニウム箔を順次搬送し、１５Ｈｚの交流矩形波でエッ
チングを施した。このエッチング箔に０．４Ｖの化成皮
膜を形成して陰極箔とし、一方８Ｖの化成皮膜を形成し
て陽極箔とした。この際のエッチング箔の単位エッチン
グ減量当りの静電容量は５．８μＦ／ｍｇであった。一
方、比較例としてエッチング槽の塩酸濃度を１．９Ｎと
して、同様に電極箔を作成した。この際のエッチング箔
の単位エッチング減量当りの静電容量は４．９μＦ／ｍ
ｇであった。この陽極箔と陰極箔の間にマニラ紙からな
るセパレータを介在し、任意な箇所にそれぞれ陽極引出
端子，陰極引出端子を取着して巻回する。その後、化成
液中にて電圧を印加し、巻回により損傷した誘電体酸化
皮膜を修復化成する。

【００３６】そして、固体電解質の形成を以下のように
行った。カップ状の容器に、ＥＤＴと４５％のパラトル
エンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を、その重量比
が１：０．８となるように注入し、混合液を調製した。
そして、コンデンサ素子を上記混合液に１０秒間浸漬し
た。そして、１２０℃で１時間加熱して、コンデンサ素
子内でＰＥＤＴの重合反応を発生させ、固体電解質層を
形成した。そして、このコンデンサ素子を有底筒状のア
ルミニウムケースに挿入し、開口部を絞り加工によって
ゴム封口してエージングを行い、固体電解コンデンサを
作成した。

【００３７】そして、このようにして形成した固体電解
コンデンサの実施例１〜３、比較例１〜４に用いた陽極
箔と陰極箔の箔抵抗率、箔幅、箔面積、残芯厚とそれぞ
れの固体電解コンデンサのＥＳＲを（表１）に示す。な
お、実施例１〜３の箔厚はそれぞれ９５μｍ、９０μ
ｍ、１２０μｍであった。

【００３８】

【表１】

【００３９】（表１）から明らかなように、本発明の実
施例１〜３の固体電解コンデンサはＥＳＲが１５ｍΩ以
下という低い値を示しており、本発明の効果がわかる。
これに対して、箔抵抗率が０．７ｍΩ以上の比較例１は
箔面積が１７０ｍｍ²と実施例３より大きいにもかかわ
らず、１９ｍΩと高い値となっている。また、箔幅が
１．５ｍｍ以下の比較例２は、箔抵抗率が０．３０ｍΩ
と実施例１〜３よりも低く、さらに箔面積は３４０ｍｍ
²と実施例１、３より大きいにもかかわらず、１９ｍΩ
と高い値を示している。また箔面積が１５０ｍｍ²以下
の比較例３は箔抵抗率が０．３２ｍΩと実施例１〜３よ
り小さいにもかかわらずＥＳＲは１９ｍΩと大きい。

【００４０】また、比較例４、５として、実施例１と同
様にしてコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子
に固体電解質としてそれぞれＴＣＮＱ錯体、二酸化マン
ガンを形成した。得られたＥＳＲはそれぞれ１７ｍΩ、
６１ｍΩと高い値を示しており、本発明の電極箔を用い
ても電解質として低比抵抗特性を有する導電性ポリマー
を用いなければ本発明の効果が得られないことが判明し
た。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セ
パレータを介して陽極箔と陰極箔を巻回してなるコンデ
ンサ素子内に導電性ポリマーを形成した固体電解コンデ
ンサであって、陽極箔または陰極箔の単位エッチング減
量当りの静電容量が５．５μＦ／ｍｇ以上、単位面積当
たりの箔抵抗率が０．２７〜０．７ｍΩ、箔幅が１．５
〜４ｍｍ、箔面積が１５０ｍｍ²以上とすることによ
り、従来にない低ＥＳＲ特性を有する固体電解コンデン
サを提供することができる。

フロントページの続き (72)発明者石井明生東京都青梅市東青梅１丁目167番地の１日本ケミコン株式会社内 (72)発明者三枝一大東京都青梅市東青梅１丁目167番地の１日本ケミコン株式会社内 (72)発明者小野昭二東京都青梅市東青梅１丁目167番地の１日本ケミコン株式会社内 (72)発明者吉田光一東京都青梅市東青梅１丁目167番地の１日本ケミコン株式会社内 (72)発明者荒木励至東京都青梅市東青梅１丁目167番地の１日本ケミコン株式会社内Ｆターム(参考） 4J100 AQ28P BA02P BA51P BC83P DA56 JA43 JA45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セパレータを介して陽極箔と陰極箔を巻
回してなるコンデンサ素子内に導電性ポリマーを形成し
た固体電解コンデンサであって、陽極箔または陰極箔の
耐電圧２０．５Ｖにおける単位エッチング減量当りの静
電容量が５．５μＦ／ｍｇ以上、単位面積当たりの箔抵
抗が０．２７〜０．７ｍΩ、箔幅が１．５〜４ｍｍ、箔
面積が１５０ｍｍ²以上であることを特徴とする固体電
解コンデンサ。
【請求項２】前記陽極箔または陰極箔の残芯厚が４０
〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の固
体電解コンデンサ。
【請求項３】導電性ポリマーとしてポリエチレンジオ
キシチオフェンを用いた請求項１乃至２記載の固体電解
コンデンサ。