JP2007080908A - 金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド車等に使用される金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサに関し、地球環境に優しい製品を提供することを目的とする。
【解決手段】誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを巻回してコンデンサ素子を構成し、この両端面にメタリコン１ａを形成した金属化フィルムコンデンサ１において、上記メタリコン１ａの少なくとも表面部分を錫または錫−亜鉛合金で構成し、この錫−亜鉛合金に含まれる錫の含有量を７０％以上とし、また、この金属化フィルムコンデンサ１のメタリコン１ａとバスバーを無鉛半田を用いて半田付けし、これをケース内に収容して樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサの構成により、無鉛半田を用いた場合でも低い半田付け温度で良好な半田付けができ、半田ゴテの寿命低下やコンデンサ素子へのダメージを無くして地球環境に優しい製品を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車等に使用され、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用、フィルタ用、スナバ用として最適で、地球環境に優しい金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサに関するものである。

近年、環境保護の観点から、あらゆる電気機器がインバータ回路で制御され、省エネルギー化、高効率化が進められている。中でも自動車業界においては、電気モータとエンジンで走行するハイブリッド車（以下、ＨＥＶという）が市場導入される等、地球環境に優しく、省エネルギー化、高効率化に関する技術の開発が活発化している。

このようなＨＥＶ用の電気モータは使用電圧領域が数百ボルトと高いため、このような電気モータに関連して使用されるコンデンサとして、高耐圧で低損失の電気特性を有する金属化フィルムコンデンサが注目されており、さらに市場におけるメンテナンスフリー化の要望からも極めて寿命が長い金属化フィルムコンデンサを採用する傾向が目立っている。

図１１（ａ）、（ｂ）はこの種の従来の金属化フィルムコンデンサを用いたケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図と側面断面図であり、図１１において、１１は金属化フィルムを巻回または積層したコンデンサ素子、１２はこのコンデンサ素子１１を収納したケース、１３はこのケース１２に充填されたエポキシ樹脂、１４はこのエポキシ樹脂１３上に充填されたウレタン樹脂、１５はコンデンサ素子１１に接続されると共に外部機器等に接続するための接続端子、１６は樹脂注型部に注型するためのケース１２の開口部、１７はコンデンサ素子１１の両端に設けた一対の電極である。

そして、上記コンデンサ素子１１は、ポリプロピレンフィルム等からなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回し、断面が楕円形または小判形に形成され、両端面に一対の電極１７を設けたものであり、これらを複数個並べている。また、接続端子１５は複数個のコンデンサ素子１１の各電極１７に接続することでコンデンサ素子１１を並列に接続し、さらに外部と接続できるようにしている。また、ケース１２は、コンデンサ素子１１を収納すると共に接続端子１５の一部を内蔵している。そして、接続端子１５の一部はケース１２から突出させ、外部機器等と接続できるようにしている。

さらに、ケース開口部１６からケース１２内にエポキシ樹脂１３を注型し、硬化させた後にウレタン樹脂１４を注型しており、このようにすることで図１１（ｂ）で示すようにエポキシ樹脂１３とウレタン樹脂１４の２層構造となるようにしているものであった。

このように構成された従来のケースモールド型コンデンサは、コンデンサ素子１１を耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れたエポキシ樹脂１３にて外装した後、エポキシ樹脂１３層上に弾性があり、割れにくいウレタン樹脂１４層を形成することにより、耐熱性、耐湿性、耐絶縁性に優れ、かつ、ヒートショック試験等の耐環境性の向上を図れるケースモールド型コンデンサを得ることができるというものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−３３８４２３号公報

しかしながら上記従来のケースモールド型コンデンサでは、金属化フィルムコンデンサの両端面に形成された電極１７を構成するメタリコンとバスバーの接続を鉛入り半田を用いて半田付けすることにより行っているものであるが、昨今の地球環境保護の観点から、鉛を含まない半田（以下、無鉛半田という）を用いることが必要となり、このような無鉛半田は従来の鉛入り半田と比較して半田付け温度が３０℃前後高いため、半田ゴテの寿命が著しく低下するばかりでなく、コンデンサ素子を構成する金属化フィルムが熱ダメージを受けてフィルム焼けが発生するため、熱衝撃試験における不良率が増加する等の多くの問題が発生するという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、無鉛半田を用いても良好な半田付けを行うことが可能な金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、樹脂製の誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように積層、または巻回することにより構成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面に金属を溶射することにより形成されたメタリコンからなる一対の取り出し電極を有した金属化フィルムコンデンサにおいて、上記メタリコンの少なくとも表面部分を錫または錫−亜鉛合金で構成し、この錫−亜鉛合金に含まれる錫の含有量を７０％以上とした構成のものであり、さらに、この金属化フィルムコンデンサのメタリコンと一端に外部接続用の端子部を設けたバスバーを無鉛半田を用いて半田付け接合し、これをケース内に収容して少なくとも上記バスバーの端子部を除いて樹脂モールドすることによりケースモールド型コンデンサを構成するようにしたものである。

以上のように本発明による金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサは、金属化フィルムコンデンサに設けたメタリコンの少なくとも表面部分を錫または錫−亜鉛合金で構成し、この錫−亜鉛合金に含まれる錫の含有量を７０％以上としたことにより、無鉛半田を用いた場合でも低い半田付け温度で良好な半田付けが可能になり、半田ゴテの寿命低下やコンデンサ素子へのダメージを無くし、地球環境に優しい製品を提供することができるようになるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜３に記載の発明について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１による金属化フィルムコンデンサの構成を示した平面図と正面図、図２は同金属化フィルムコンデンサを用いたケースモールド型コンデンサを示した分解斜視図であり、図１と図２において、１は金属化フィルムコンデンサを示し、この金属化フィルムコンデンサ１はポリプロピレンフィルム等からなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように巻回し、断面が小判形に形成され、両端面に一対の取り出し電極となるメタリコン１ａを夫々設けたものである。なお、図中の符号ｔはメタリコン１ａの厚みを示すものである。

２は銅板からなるＰ極バスバー、２ａはこのＰ極バスバー２の一端に設けられた外部接続用のＰ極端子であり、このＰ極バスバー２は上記金属化フィルムコンデンサ１を複数個密着して並べた状態で各金属化フィルムコンデンサ１の一方の端面に形成されたメタリコン１ａと無鉛半田を用いた半田付けにより夫々接合され、またＰ極端子２ａはこの金属化フィルムコンデンサ１の上方へ引き出され、後述するケース４から表出するようにしているものである。なお、本実施の形態では、上記無鉛半田として、錫（９６．５）−銀（３）−銅（０．５）からなる組成のものを用いた。

３は銅板からなるＮ極バスバー、３ａはこのＮ極バスバー３の一端に設けられた外部接続用のＮ極端子であり、このＮ極バスバー３も上記Ｐ極バスバー２と同様に、上記金属化フィルムコンデンサ１を複数個密着して並べた状態で各金属化フィルムコンデンサ１の他方の端面に形成されたメタリコン１ａと無鉛半田を用いた半田付けにより夫々接合され、またＮ極端子３ａはこの金属化フィルムコンデンサ１の上方へ引き出され、後述するケース４から表出するようにしているものである。

４は樹脂製のケース、５はこのケース４内に充填されたモールド樹脂であり、このモールド樹脂５は上記Ｐ極バスバー２とＮ極バスバー３により接続された複数個の金属化フィルムコンデンサ１をＰ極端子２ａとＮ極端子３ａの一部を除いてケース４内に樹脂モールドしているものである。

また、上記金属化フィルムコンデンサ１の両端面に形成された取り出し電極としてのメタリコン１ａは錫、または錫と亜鉛の合金を溶射することにより形成したものであり、このメタリコン１ａの組成を変化させることによって上記無鉛半田を用いた半田付け性がどのように変化するかを確認した結果について、以下にその詳細を説明する。

（表１）はメタリコンとバスバーを無鉛半田を用いて半田付けする際に、メタリコンを構成する錫−亜鉛合金の組成を変化させた場合の諸特性を評価した結果を、比較例としての従来品と比較して示したものであり、比較例ならびに本実施の形態においては、メタリコンの厚みを全て１．２ｍｍとして評価を行った。

なお、表中の半田付け手直し率とは、半田付け後の半田付け部の外観検査にて不良と判断し、再度半田付けをやり直したことを意味するものである。

（表１）から明らかなように、比較例として掲げた従来品の鉛入り半田を用いて錫−亜鉛合金の比率が５：５からなるメタリコンとバスバーを半田付けする場合の半田付け手直し率、耐熱衝撃性、半田ゴテ寿命限界ショット数、半田ゴテの設定温度を比較基準として判定すると、無鉛半田を用いる本実施の形態においては、メタリコンを構成する錫−亜鉛合金の比率が、錫１０：亜鉛０〜錫７：亜鉛３の範囲において良好な結果を示し、特に錫１０：亜鉛０〜錫９：亜鉛１の範囲のものにおいては従来品と略同等レベルの結果を得ることができるということが分かるものである。

これは錫と半田のなじみが良いことに起因するものであるが、錫は亜鉛に比べて材料費が高価であるためにコストの観点からは亜鉛をより多く含む合金の方が有利であり、例えば、メタリコンの半田付けされる表層部のみを上述のような合金で形成し、それ以外の部分については亜鉛のみで構成しても構わないものである。

また、図３は上記（表１）に示した錫−亜鉛合金に占める錫含有比率による半田付け手直し率の関係をグラフ化した特性図、図４は同錫含有比率による耐熱衝撃性の関係をグラフ化した特性図、図５は同錫含有比率による半田ゴテ限界ショット数の関係をグラフ化した特性図である。

次に、上記（表１）から得られた、メタリコンとして適した合金組成である錫１０：亜鉛０〜錫７：亜鉛３の組成において、メタリコンの厚み（図１の符号ｔ）を０．４ｍｍから０．２ｍｍ毎に１．６ｍｍまで変化させて、無鉛半田を用いてメタリコンとバスバーを半田付けした場合の諸特性を評価した結果を（表２）に示す。

（表２）から明らかなように、メタリコンの厚みが０．４ｍｍの場合には、厚みが薄すぎるために半田付け時の熱により金属化フィルムがダメージを受け、この結果、熱衝撃性を悪化させるために好ましくない。また、メタリコンの厚みが１．４ｍｍを超えると、厚みが厚すぎるために半田付け時の熱がメタリコンに奪われて半田が溶け難くなり、この結果、半田付け手直し率が増加するために好ましくない。従って、メタリコンの厚みは０．６〜１．２ｍｍの範囲が適していることが分かるものである。

また、図６は上記（表２）に示したメタリコン厚みによる半田付け手直し率の関係をグラフ化した特性図、図７は同メタリコン厚みによる熱衝撃試験不良率の関係をグラフ化した特性図である。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項４〜６に記載の発明について説明する。

本実施の形態は、上記実施の形態１で説明したケースモールド型コンデンサに使用するバスバーの構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために、同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に図面を用いて説明する。

図８（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した要部平面図と同側面図、図９（ａ）、（ｂ）は同接続孔の構成を示した平面図と側面図であり、図８と図９において、１は略長円形に形成された金属化フィルムコンデンサ、６は上記金属化フィルムコンデンサ１のＰ極側に接合されるＰ極バスバー、７は同金属化フィルムコンデンサ１のＮ極側に接合されるＮ極バスバーであり、このＰ極バスバー６ならびにＮ極バスバー７は錫めっき銅板により構成され、このＰ極バスバー６ならびにＮ極バスバー７により複数個の金属化フィルムコンデンサ１を並列または直列に連結しているものである。

６ａは上記Ｐ極バスバー６に設けられた電極となる舌片状の半田付け部、６ｂはこの舌片状の半田付け部６ａを残してその周囲を切り欠いた略凹形の接続孔であり、この半田付け部６ａを含む接続孔６ｂは金属化フィルムコンデンサ１の端面に形成されたＰ極の外周寄りの対角位置となる２箇所に接続されるように夫々設けられているものである。

７ａは上記Ｎ極バスバー７に設けられた電極となる舌片状の半田付け部、７ｂはこの舌片状の半田付け部７ａを残してその周囲を切り欠いた略凹形の接続孔であり、この半田付け部７ａを含む接続孔７ｂは金属化フィルムコンデンサ１の端面に形成されたＮ極の外周寄りの対角位置となる２箇所に接続されるように夫々設けられているものである。

６ｃは上記Ｐ極バスバー６に設けた舌片状の半田付け部６ａの根元部分に近接した位置に設けられた孔であり、この孔６ｃは上記略長円形に形成された金属化フィルムコンデンサ１を複数個配置した際に、各金属化フィルムコンデンサ１の円弧部どうし間に発生する空隙部上に配設されるように設けられており、Ｎ極バスバー７にも同様に孔７ｃが設けられているものである。

また、図１０（ａ）、（ｂ）は上記舌片状の半田付け部の形状の例を示したものであり、図１０（ａ）は先細りタイプの半田付け部６ａを、図１０（ｂ）は一定幅タイプの半田付け部６ｄを夫々示したものであり、さらに、この舌片状の半田付け部６ａ、６ｂは根元部分から先端部分に向かって厚み方向に傾斜した構成としており、この傾斜による高さの増加ｈが０．５〜１．０ｍｍになるように構成されたものである。

このように、半田付け部の形状が一定幅タイプに比べて先細りタイプの方が、先端部分の幅１．５ｍｍに対して根元部分を０．５ｍｍ太くして２ｍｍとしているために温度上昇が約１０％程度小さくなり、金属化フィルムコンデンサ１に流れるリップル電流が大きい場合には、半田付け部の形状が先細りタイプの方が有効である。また、半田付け部は両形状共に同等であるものの、根元部分よりも先端部分の方が狭幅になるように形成した先細りタイプは半田ゴテの熱を効率良く半田付け部の必要部分に伝えることができるようになるため、安定した半田付け作業を行うことができるようになるものであり、融点の高い無鉛半田には適していると言えるものである。

以上のように、本実施の形態によるケースモールド型コンデンサは、半田付け時の熱を効率良く集中させて半田付け作業を極めて短時間（４秒以内／１箇所）で行うことができるようになるために、半田ゴテによる加熱が半田付け部以外に回り難くなって金属化フィルムコンデンサ１にダメージを与えることも無くなり、しかも半田付けの信頼性を高めることができるばかりでなく、過大なリップル電流による発熱の抑制を行うことが可能になるという格別の効果が得られるものである。

これらの効果は、半田付けに必要な部分のみに舌片状の半田付け部６ａ、７ａを設け、その周囲を切り欠いた略凹形の接続孔６ｂ、７ｂを設けた構成により、半田付け時の熱を半田付け部６ａ、７ａに効率良く集中させて半田付け作業を短時間で行うことができるようになるために、半田ゴテによる加熱が半田付け部以外に回り難くなって金属化フィルムコンデンサ１にダメージを与えることも無くなり、しかも半田付けの信頼性を高めることができるようになるものである。

また、この舌片状の半田付け部６ａ、７ａを残してその周囲を切り欠いた略凹形の接続孔６ｂ、７ｂを、金属化フィルムコンデンサ１の端面に形成されたＰ極、Ｎ極の外周寄りの対角位置となる２箇所に接続されるように夫々設けた構成にしたことにより、金属化フィルムコンデンサ１に過大なリップル電流が流れた場合に、金属化フィルムコンデンサ１に加わるダメージを分散して軽減することができるようになるため、電気特性や耐環境性の向上を図ることができるようになるものである。

また、上記舌片状の半田付け部６ａ、７ａの根元部分に近接した位置に設けた孔６ｃ、７ｃにより、半田付け作業時に半田付け部６ａ、７ａを半田ゴテにより加熱した際に、半田付け部６ａ、７ａ以外に熱が逃げることを防止するように作用し、極めて効率良く半田付け作業を行うことができるようになることに加え、この孔６ａ、７ａ内にモールド樹脂が充填されるようになるため、半田付け部の強度アップに繋がるという効果も得られるようになるものである。

また、舌片状の半田付け部６ａ、７ａは根元部分から先端部分に向かって厚み方向に傾斜した構成とし、この傾斜による高さの増加ｈを０．５〜１．０ｍｍになるように構成したことにより、金属化フィルムコンデンサ１の端面に形成されたメタリコンに寸法バラツキがあってＰ極バスバー６、Ｎ極バスバー７が複数個並べた金属化フィルムコンデンサ１の各電極に接触しないような状態の場合でも、半田付けを行う部分が必要最小限の面積に形成されているために、半田付け作業を確実に行うことができるようになるものである。

また、上記Ｐ極バスバー６、Ｎ極バスバー７を錫めっき銅板を用いて構成することにより、鉛を含まない材料によって作製できるため、地球環境に優しいケースモールド型コンデンサを提供することができるようになるものである。

また、上記実施の形態においては、メタリコンの組成として錫または錫−亜鉛合金を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、錫−亜鉛−銅、錫−亜鉛−アルミニウム、錫−亜鉛−銀等のように、融点が低い金属を含有した組成の合金を用いても、錫の含有率を７０％以上にすることにより、半田ぬれ性が向上して同様の効果が得られるものである。

また、本実施の形態においては、メタリコンとバスバーを半田付け接合する無鉛半田として、錫−銀−銅系の組成からなる無鉛半田を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、錫系の無鉛半田であればどれにおいても顕著な効果を発揮することができるものである。

本発明による金属化フィルムコンデンサ及びこれを用いたケースモールド型コンデンサは、無鉛半田を用いた場合でも低い半田付け温度で良好な半田付けができるようになり、半田ゴテの寿命低下やコンデンサ素子へのダメージを無くし、地球環境に優しい製品を提供することができるという効果を有し、特に、ハイブリッド自動車のモータ駆動用インバータ回路の平滑用等として有用である。

（ａ）本発明の実施の形態１による金属化フィルムコンデンサの構成を示した平面図、（ｂ）同正面図 同金属化フィルムコンデンサを用いたケースモールド型コンデンサを示した分解斜視図 同錫−亜鉛合金に占める錫含有比率による半田付け手直し率の関係を示した特性図 同錫−亜鉛合金に占める錫含有比率による耐熱衝撃性の関係を示した特性図 同錫−亜鉛合金に占める錫含有比率による半田ゴテ限界ショット数の関係を示した特性図 同メタリコン厚みによる半田付け手直し率の関係を示した特性図 同メタリコン厚みによる熱衝撃試験不良率の関係を示した特性図 （ａ）本発明の実施の形態２によるケースモールド型コンデンサの構成を示した要部平面図、（ｂ）同側面図 （ａ）同接続孔の構成を示した平面図、（ｂ）同側面図 （ａ）同先細りタイプの舌片状の半田付け部を示した平面図、（ｂ）同一定幅タイプの舌片状の半田付け部を示した平面図 （ａ）従来の金属化フィルムコンデンサを用いたケースモールド型コンデンサの構成を示した正面断面図、（ｂ）同側面断面図

符号の説明

１ 金属化フィルムコンデンサ
１ａ メタリコン
２、６ Ｐ極バスバー
２ａ Ｐ極端子
３、７ Ｎ極バスバー
３ａ Ｎ極端子
４ ケース
５ モールド樹脂
６ａ、７ａ、６ｄ 半田付け部
６ｂ、７ｂ 接続孔
６ｃ、７ｃ 孔

Claims (6)

1. 樹脂製の誘電体フィルム上に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対の金属蒸着電極が誘電体フィルムを介して対向するように積層、または巻回することにより構成されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子の両端面に金属を溶射することにより形成されたメタリコンからなる一対の取り出し電極を有した金属化フィルムコンデンサにおいて、上記メタリコンの少なくとも表面部分を錫または錫−亜鉛合金で構成し、この錫−亜鉛合金に含まれる錫の含有量を７０％以上とした金属化フィルムコンデンサ。
2. メタリコンの厚さを０．６〜１．２ｍｍとした請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサ。
3. 少なくとも１個の金属化フィルムコンデンサを、外部接続用の端子部を一端に設けたバスバーで接続し、これをケース内に収容して少なくとも上記バスバーの端子部を除いて樹脂モールドしたケースモールド型コンデンサにおいて、上記金属化フィルムコンデンサとして請求項１に記載の金属化フィルムコンデンサを用い、この金属化フィルムコンデンサのメタリコンとバスバーを無鉛半田を用いて半田付け接合したケースモールド型コンデンサ。
4. 金属化フィルムコンデンサと接続されるバスバーに舌片状の半田付け部を設け、この半田付け部を金属化フィルムコンデンサのメタリコンに半田付けすることによりバスバーと金属化フィルムコンデンサを接続した請求項３に記載のケースモールド型コンデンサ。
5. 金属化フィルムコンデンサと接続されるバスバーに舌片状の半田付け部を残してその周囲を切り欠いた略凹形の接続孔を設け、この接続孔に設けられた半田付け部を金属化フィルムコンデンサのメタリコンに半田付けすることによりバスバーと金属化フィルムコンデンサを接続した請求項３に記載のケースモールド型コンデンサ。
6. バスバーに設けた舌片状の半田付け部を、根元部分よりも先端部分の方が狭幅になるように形成した請求項４または５に記載のケースモールド型コンデンサ。

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