JP2006295055A - Aluminum electrolytic capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関し、さらに詳しく言えば、リード端子の鉛フリー化に伴って発生するSn(錫)ウィスカ対策に関するものである。 The present invention relates to an aluminum electrolytic capacitor, and more particularly, to a countermeasure against Sn (tin) whisker that occurs with lead-free lead terminals.
アルミニウム電解コンデンサでは、コンデンサ素子を構成するアルミニウム材からなる陽極箔と陰極箔とにリード端子が取り付けられ、そのリード端子が外装ケースの開口部を封止している封口体を貫通して外部に引き出される。 In an aluminum electrolytic capacitor, a lead terminal is attached to an anode foil and a cathode foil made of an aluminum material constituting a capacitor element, and the lead terminal passes through a sealing body that seals an opening of an exterior case to the outside. Pulled out.
通常、リード端子には、アルミニウムの棒材の一端側に羽子板状に押し潰された扁平部を有し、他端側が丸棒部とされたタブ端子が用いられるが、回路基板にはんだ付け可能とするため、タブ端子の丸棒部には、外部引出リード線として表面にメッキ層を有する銅被覆鋼線(CP線)が溶接される。 Usually, the lead terminal is a tab terminal that has a flat portion crushed in the shape of a feather plate on one end of an aluminum bar, and the other end is a round bar, but can be soldered to the circuit board Therefore, a copper-coated steel wire (CP wire) having a plating layer on the surface is welded to the round bar portion of the tab terminal as an external lead wire.
近年の環境保護の観点から、リード端子においても鉛フリー化に対応するため、多くの場合、Sn100%メッキの銅被覆鋼線が用いられている。そのSnメッキ厚は12μm程度で、通常、その表面からSnのウィスカ(ヒゲ状の結晶体)の発生は見られない。
From the viewpoint of environmental protection in recent years, in order to cope with lead-free lead terminals as well, a copper-coated steel wire plated with
しかしながら、タブ端子の丸棒部と外部引出リード線との溶接部では、Al,Sn,Cu,Feなどが混在し、特にアルミニウム層が外気に晒されると、水和や酸化反応などによりSn層に応力が働き、Snウィスカが猛烈な勢いで発生することが知られている。 However, Al, Sn, Cu, Fe, and the like are mixed in the welded portion of the round terminal portion of the tab terminal and the external lead wire, and particularly when the aluminum layer is exposed to the outside air, the Sn layer is caused by hydration or oxidation reaction. It is known that the stress acts on the Sn whisker and the Sn whisker is generated with a tremendous momentum.
リード端子は、封口体に穿設されている端子挿通孔を通して外部に引き出されるが、従来において、端子挿通孔はその全体が上記丸棒部とほぼ同一径であり、溶接部が外部に露出し外気に晒される構造とされているため、Snウィスカが成長しやすく、また、その成長が著しい場合には、ウィスカが回路基板上に飛散し、最悪の場合、電子回路をショートさせる危険性がある。 The lead terminal is pulled out to the outside through a terminal insertion hole formed in the sealing body. Conventionally, the terminal insertion hole has the same diameter as that of the round bar portion, and the welded portion is exposed to the outside. Since the structure is exposed to the outside air, Sn whiskers are likely to grow. When the growth is remarkable, the whiskers are scattered on the circuit board, and in the worst case, there is a risk of shorting the electronic circuit. .
Snウィスカの発生原因となる異種金属のSnへの応力を緩和するため、例えば特許文献1に記載の発明では、メッキ層となるSnにBi(ビスマス)を含有させることが提案されている。これによれば、Snウィスカの成長がある程度抑えられるものの、すべてのリード端子について、同じ効果が得られるまでには至っていない。
In order to relieve stress on Sn of dissimilar metals that cause Sn whiskers, for example, in the invention described in
したがって、本発明の課題は、封口体にほとんどコストアップを伴わない工夫を加えることにより、Snウィスカの成長を押さえ込み、仮にSnウィスカが発生したとしても、外部に飛散しないようにすることにある。 Therefore, an object of the present invention is to suppress the growth of Sn whiskers by adding a device that hardly increases the cost to the sealing body, so that even if Sn whiskers are generated, they are not scattered outside.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、ともにリード端子が取り付けられたアルミニウム材からなる陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してなるコンデンサ素子と、上記コンデンサ素子が所定の電解物質とともに収納される有底筒状の外装ケースと、上記リード端子用の端子挿通孔が穿設されていて上記外装ケースの開口部に装着される封口ゴムとを含み、上記リード端子が、扁平部と丸棒部とを有するアルミニウム材からなるタブ端子と、表面にメッキ層を有し上記丸棒部の端部に溶接される外部引出リード線とを備え、上記リード端子が上記端子挿通孔内に挿通され、上記外部引出リード線が上記外装ケース外に引き出されるアルミニウム電解コンデンサにおいて、上記封口ゴムの端子挿通孔には、上記タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、上記丸棒嵌合孔に連通していて上記外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とが含まれ、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径よりも小径であることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
請求項2に記載の発明は、上記請求項1において、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径に対して70〜99.9%であることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the lead wire insertion hole has a hole diameter of 70 to 99.9% with respect to the diameter of the external lead wire.
請求項3に記載の発明は、上記請求項1または2において、上記リード線挿通孔の軸長が0.2mm以上であることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the axial length of the lead wire insertion hole is 0.2 mm or more.
請求項4に記載の発明は、上記請求項1ないし3のいずれか1項において、上記リード線挿通孔の軸長が上記封口ゴムの厚さの20%以上であることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the axial length of the lead wire insertion hole is 20% or more of the thickness of the sealing rubber.
請求項5に記載の発明は、上記請求項1ないし4のいずれか1項において、上記丸棒嵌合孔と上記リード線挿通孔との間に、上記外部引出リード線の溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部を備えていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the welded portion of the external lead wire is in close contact between the round bar fitting hole and the lead wire insertion hole. It is characterized by having a funnel-shaped welded part storage part formed as described above.
請求項1に記載の発明によれば、封口ゴムの端子挿通孔に、タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、丸棒嵌合孔に連通していて外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とを含ませ、リード線挿通孔の孔径を外部引出リード線の直径よりも小径としたことにより、外部引出リード線の溶接部が外部と遮断され、外気に直接的に晒されないため、Snメッキ層を有する場合におけるSnウィスカの発生を抑制することができる。 According to the first aspect of the present invention, a round bar fitting hole into which the round bar portion of the tab terminal is fitted into the terminal insertion hole of the sealing rubber, and the external lead is connected to the round bar fitting hole. The lead wire insertion hole through which the wire is inserted is included, and the diameter of the lead wire insertion hole is made smaller than the diameter of the external lead wire. Since it is not directly exposed, it is possible to suppress the generation of Sn whiskers when the Sn plating layer is provided.
リード線挿通孔の孔径を外部引出リード線の直径に対して70〜99.9%とする請求項2に記載の発明によれば、リード線を折り曲げることなく、また、コンデンサ素子に対してストレスをかけることなく、外部引出リード線をリード線挿通孔に挿通することができる。 According to the second aspect of the present invention, the lead wire insertion hole has a hole diameter of 70 to 99.9% with respect to the diameter of the external lead wire. The external lead wire can be inserted into the lead wire insertion hole without applying a load.
リード線挿通孔の軸長を0.2mm以上とする請求項3に記載の発明によれば、Snウィスカが最大に成長したとしても、封口ゴムが突き破られることがない。
According to the invention of
リード線挿通孔の軸長を封口ゴムの厚さの20%以上とする請求項4に記載の発明によれば、封口ゴムの封止性を良好に維持でき、また、組立時の生産性を良好なものとすることができる。
According to the invention of
また、丸棒嵌合孔とリード線挿通孔との間に外部引出リード線の溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部を備える請求項5に記載の発明によれば、仮にSnウィスカが発生したとしても、その成長を押さむことができる。
The invention according to
次に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1の断面図に示すように、このアルミニウム電解コンデンサは、一対のリード端子2,2を有するコンデンサ素子1を備える。コンデンサ素子1は、図2に示すように、リード端子2が取り付けられたアルミニウム材からなる陽極箔1aと陰極箔1bとを図示しないセパレータ紙を介して渦巻き状に巻回することにより形成される。
As shown in the sectional view of FIG. 1, this aluminum electrolytic capacitor includes a
コンデンサ素子1は、有底円筒状の外装ケース3内に所定の電解物質を伴って収納され、外装ケース3の開口部は、封口ゴム4によって封口される。封口ゴム4には、端子挿通孔5,5が穿設されており、この端子挿通孔5,5を通してリード端子2,2の各先端部が外部に引き出される。
The
実際には、封口ゴム4は先にリード端子2,2に取り付けられた状態で、コンデンサ素子1とともに外装ケース3内に収納され、その後形成される外装ケース3の横絞り溝3aと、外装ケース3の端縁3bのかしめによって外装ケース3の開口部内に気密的に固定される。
Actually, the sealing
外装ケース3は、通常よく用いられるアルミニウムケースであってよい。封口ゴム4には、ブチルゴムなどが用いられてよく、特殊なゴム材である必要はない。また、電解物質には、通常、水系もしくは有機系の液状電解質が用いられるが、固体電解質が用いられてもよい。
The
図2に示すように、リード端子2には、タブ端子21と外部引出リード線22とが含まれている。タブ端子21はアルミニウム材からなり、羽子板状にプレス成型された扁平部21aと丸棒部21bとを備える。
As shown in FIG. 2, the
この種のタブ端子21は、アルミニウムの丸棒材を所定長さに切断し、その一端側をプレスすることにより得ることができ、扁平部21aがかしめ針もしくは溶接などにより陽極箔1aと陰極箔1bとに取り付けられる。
This type of
外部引出リード線22には、通常、銅被覆鋼線(CP線)が用いられる。外部引出リード線22は、回路基板に対するハンダ付け性を良好とするため、表面にメッキ層を備えるが、Pb(鉛)フリー化の場合、そのメッキ層には主としてSn100%メッキもしくはSn/Bi(0.5%)メッキなどが適用される。
For the
外部引出リード線22は、タブ端子21の丸棒部21bよりも小径で、丸棒部21bのの端面に溶接される。その溶接部に参照符号23を付す。表面のメッキ層がSn100%メッキである場合、溶接部23以外のメッキ層は安定しているが、溶接部23では、Al,Sn,Cu,Feなどが混在しており、外気に晒されると、Alの水和や酸化反応によりSn層に応力が働き、Snウィスカ(ヒゲ状の結晶体)23aが猛烈な勢いで発生し成長する。Sn/Bi(0.5%)メッキにおいても、Sn100%よりはウィスカの成長は緩和されるが、同様にウィスカは発生する。
The
溶接部23でのSnウィスカ23aの発生および成長を抑えるため、本発明では、端子挿通孔5を図3に示すような構成とする。図3はリード端子2の溶接部23の部分とともに端子挿通孔5を拡大して示す断面図で、端子挿通孔5は、丸棒部21bが嵌合される大径の丸棒嵌合孔51と、外部引出リード線22が挿通される小径のリード線挿通孔52と、それらの間に形成される溶接部収納部53とを備える。
In order to suppress the generation and growth of
丸棒嵌合孔51,溶接部収納部53およびリード線挿通孔52は、同軸的に連通している。丸棒嵌合孔51は、丸棒部21bの直径とほぼ同径もしくは若干小径の孔であってよい。これに対して、リード線挿通孔52は、溶接部23を外部と遮断するため、外部引出リード線22よりも小径とする。
The round
リード線挿通孔52を小径にするにしても、あまり小さくすると、外部引出リード線22を挿通する際に、リード線が折れ曲がったり、コンデンサ素子1にストレスが加わり特性劣化を引き起こすおそれがあるため、外部引出リード線22の直径をφ1,リード線挿通孔52の内径をφ2として、φ2はφ1の70〜99.9%(特には80〜90%)であることが好ましい。なお、リード線の挿通性を良好とするには、リード線の先端部を加熱溶融して丸みを付けることも有効である。
Even if the lead wire insertion hole 52 has a small diameter, if it is made too small, the lead wire may be bent or the
また、Snウィスカ23aは、60℃,相対湿度95%,1000時間の耐湿貯蔵で最大200μmまで成長することが知られている。このため、リード線挿通孔52の軸長(深さ)Lは、0.2mm以上であることが好ましい。このことは、リード端子2を端子挿通孔5内に挿通した場合、溶接部23の下端から封口ゴム4の下面までの肉厚が0.2mm以上必要であることを意味している。
Further, it is known that the
なお、リード線挿通孔52での封止性および組立時の生産性の観点からすれば、リード線挿通孔52の軸長Lは、封口ゴム4の厚さの20%以上とすることが好ましい。
From the viewpoint of sealing performance at the lead wire insertion hole 52 and productivity during assembly, the axial length L of the lead wire insertion hole 52 is preferably 20% or more of the thickness of the sealing
溶接部収納部53は、Snウィスカ23aの発生および成長を抑制するため、大径の丸棒嵌合孔51と小径のリード線挿通孔52との間で、溶接部23に密着するように漏斗状に形成される。
In order to suppress generation and growth of the
上記した構成によれば、リード端子2を端子挿通孔5に挿通すると、リード線挿通孔52により溶接部23が外部と遮断され、また、溶接部23には溶接部収納部53の内面が密着することになるため、溶接部23でのSnウィスカ23aが発生しにくくなり、仮にSnウィスカ23aが発生したとしても、その成長が押さえ込まれ、コンデンサ外部に飛散するまでには至らない。したがって、回路基板に実装した場合、長期にわたって電子回路のショート発生を未然に防止することができる。
According to the configuration described above, when the
図3を参照して、本発明例として、リード端子2の外部引出リード線22に、表面にSn100%のメッキ層を有する直径0.45mmの銅被覆鋼線を用い、端子挿通孔5のリード線挿通孔52の内径を0.36mm(0.45mmの80%)として、10V100μF(外径6.3mm,軸長5.0mm)のアルミニウム電解コンデンサを20個試作した。
比較例は、端子挿通孔5が全長にわたって丸棒部21bとほぼ同一径で溶接部23が外部に露出している10V100μF(外径6.3mm,軸長5.0mm)のアルミニウム電解コンデンサである(試作数20個)。
Referring to FIG. 3, as an example of the present invention, a lead-coated
The comparative example is an aluminum electrolytic capacitor of 10
本発明例および比較例ともに、60℃,相対湿度95%,1000時間の耐湿貯蔵試験を行って、Snウィスカの成長および長さが30μm以上のSnウィスカ発生率を観測した。
この観測は、200時間,400時間,600時間,800時間,1000時間ごとに行ったが、本発明例では外部から溶接部が見えないため、各時間ごとに4個を抽出し、溶接部23を覆っているゴムを取り除いてウィスカの長さを計測した。
Both the inventive example and the comparative example were subjected to a moisture-resistant storage test at 60 ° C., a relative humidity of 95%, and 1000 hours, and the growth of Sn whiskers and the occurrence rate of Sn whiskers having a length of 30 μm or more were observed.
This observation was performed every 200 hours, 400 hours, 600 hours, 800 hours, and 1000 hours. However, in the example of the present invention, since the welded portion cannot be seen from the outside, four pieces are extracted every time, and the welded
Snウィスカの長さの観測結果を図4に示す。これから分かるように、比較例では溶接部23が湿度雰囲気に晒されているため、溶接部23でのSnメッキ層に対する応力が働き、Snウィスカの成長が激しく、800時間経過時点で200μmにも達した。
これに対して、本発明例では溶接部23が湿度雰囲気と遮断されているため、Snウィスカの最大長さは比較例の1/6程度に抑えられ、溶接部23が直接外気に触れていない効果がでている。
The observation result of the length of Sn whisker is shown in FIG. As can be seen, in the comparative example, since the welded
On the other hand, in the example of the present invention, since the welded
次に、長さが30μm以上のSnウィスカ発生率の観測結果を図5に示す。比較例では、時間を追って長さが30μm以上のSnウィスカ発生率が増え、800時間経過時点では、その発生率が約60%にも達した。
これに対して、本発明例では、400時間経過後で長さが30μm以上のSnウィスカ発生率は約5%であり、その後はSnウィスカが成長せず、1000時間に至るまで、発生率約5%を維持している。
Next, FIG. 5 shows the observation results of the incidence rate of Sn whiskers having a length of 30 μm or more. In the comparative example, the incidence rate of Sn whisker having a length of 30 μm or more increased with time, and the occurrence rate reached about 60% when 800 hours passed.
On the other hand, in the example of the present invention, the occurrence rate of Sn whisker having a length of 30 μm or more after about 400 hours is about 5%, and thereafter the Sn whisker does not grow and the occurrence rate is about 1000 hours. 5% is maintained.
以上説明したように、本発明によれば、Pbフリー化の要請から、外部引出リード線に例えばSn100%メッキのリード線を使用する場合に問題とされていたウィスカの成長を押さえ込み、仮にSnウィスカが発生したとしても、外部に飛散しないようにすることができるため、回路基板に長期間にわたって安心して実装できる高信頼性のアルミニウム電解コンデンサが提供され、その産業上の利用可能性は大である。
As described above, according to the present invention, the whisker growth, which has been a problem when using, for example, a
1 コンデンサ素子
2 リード端子
21 タブ端子
21a 扁平部
21b 丸棒部
22 外部引出リード線
23 溶接部
3 外装ケース
4 封口ゴム
5 端子挿通孔
51 丸棒嵌合孔
52 リード線挿通孔
53 溶接部収納部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記封口ゴムの端子挿通孔には、上記タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、上記丸棒嵌合孔に連通していて上記外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とが含まれ、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径よりも小径であることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。 A capacitor element formed by winding an anode foil and a cathode foil made of an aluminum material each having a lead terminal attached thereto via a separator, and a bottomed cylindrical outer case in which the capacitor element is accommodated together with a predetermined electrolytic substance; A tab made of an aluminum material, wherein the lead terminal has a flat portion and a round bar portion, the terminal insertion hole for the lead terminal being perforated and a sealing rubber attached to the opening of the exterior case A lead wire having a plated layer on the surface and welded to an end of the round bar portion, the lead terminal being inserted into the terminal insertion hole, and the external lead wire being connected to the exterior In the aluminum electrolytic capacitor drawn out of the case,
The sealing rubber terminal insertion hole has a round bar fitting hole into which the round bar portion of the tab terminal is fitted, and a lead that communicates with the round bar fitting hole and through which the external lead wire is inserted. An aluminum electrolytic capacitor comprising: a wire insertion hole, wherein the lead wire insertion hole has a diameter smaller than that of the external lead wire.
A funnel-shaped welded portion storage portion formed so as to be in close contact with a welded portion of the external lead wire is provided between the round bar fitting hole and the lead wire insertion hole. Item 5. The aluminum electrolytic capacitor according to any one of Items 1 to 4.
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