JP2009117590A - 固体電解コンデンサ、固体電解コンデンサ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 漏れ電流が小さく、体積効率に優れる固体電解コンデンサ、固体電解コンデンサ素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 陽極体１に陽極部４を形成する際に、陽極体１を平板状の弁作用金属の両面からそれぞれ階段状に二段階掘り下げた形状とし、その弁作用金属表面の陰極部２と陽極部４との間に第１の段差１１および第２の段差１２が形成され、レジスト材３は第２の段差１２をなす境界部から陰極部２に接するまでの領域で陽極体１を覆う構造である。また固体電解質形成のときの溶液浸透を防止する第一段目の平坦面３１はレジスト材３で覆われ、さらに第２の段差１２が形成された境界面は陰極部２の形成後にレジスト材３と共に掘り下げられることで形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解コンデンサ、固体電解コンデンサ素子およびその製造方法に関し、特に、積層型の固体電解コンデンサ、それを構成する基本素子となる固体電解コンデンサ素子およびその製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化、高速化、デジタル化に伴って、使用されるコンデンサにおいても小型、大容量で高周波特性の良い低インピーダンスなコンデンサが強く要求されている。

高周波領域で使用されるコンデンサは、従来積層セラミックコンデンサが主体であったが、小型、大容量、低インピーダンスという全てのニーズに対応することは困難である。

大容量のコンデンサとしては、従来アルミ電解コンデンサやタンタル固体電解コンデンサなどが用いられてきたが、これらに用いられる電解液や電解質、例えば二酸化マンガンなどの抵抗が高いことから、高周波領域で低インピーダンスを実現することは困難である。

これらに対して高周波領域での低インピーダンスを実現するために、高導電度の導電性高分子を用いた固体電解コンデンサが実用化されている。このようなコンデンサでは、陽極体として用いる弁作用金属の表面に酸化皮膜を形成して誘電体層とし、その上に導電性高分子層を形成する。導電性高分子としては、ピロールやチオフェンあるいはこれらの誘導体を、電解重合あるいは化学重合により、ポリマーとして用いる。

導電性高分子層の形成は、電解重合であれば支持電解質を含んだモノマー溶液、化学重合であればモノマー溶液と酸化剤溶液など、種々の溶液に浸漬して陽極体の誘電体皮膜上に導電性高分子層を形成する。

ここで図５に従来型の固体電解コンデンサ素子の模式的断面図を示す。１は陽極体、２は陰極部、３はレジスト材、４は陽極部であり、全体の形は板状あるいは箔状である。

ところで陽極体となる弁作用金属は、多くの場合拡面化により表面積が拡大された状態、あるいは粉末を押し固め溶融させた状態であり、そのため表層は多孔質な形状である。このような場合、溶液に陽極体を浸漬すると、多孔質層を溶液が浸透したり、表面を溶液が這い上がったりして、陰極と陽極が導通してしまい、漏れ電流の大きいコンデンサとなってしまう。

特許文献１には、弁作用金属箔の陽極の一部に切り欠き部を設け、陽極箔の両面に貼り合せたテープを切り欠き部で接着させて、陽極部と陰極部に分断する技術が開示されている。これにより、固体電解質層を陰極部面積を一定にして形成することが可能となり、容量精度の高い固体電解コンデンサが得られるとされている。また切り欠き部でテープを互いに接着させているため、陽極箔の側面はテープにより覆われて露出することが無く、固体電解質層が陽極部に達したり、接触する恐れが無くなり低漏れ電流の固体電解コンデンサが歩留まり良く得られるとされている。

また特許文献２には、禁止帯により陽極部と陰極部を分断し、漏れ電流歩留まりを向上させる技術が開示されている。この特許文献２では、拡面化された弁作用金属にシリコーン樹脂を含浸させて禁止帯とする方法、拡面化された弁作用金属の多孔質部分を圧縮あるいは溶融凝縮してさらにその上にレジスト材を接着する方法が開示されており、レジスト材下部の多孔質層を導電性高分子が浸透しないことで、陽極と陰極の接触を分断し漏れ電流歩留まりが向上するとされている。

特許第２９４００５９号公報 特開２０００−２４３６６５号公報

しかしながら上記のような従来の技術では、例えば特許文献１の場合、固体電解質層を形成するために弁作用金属箔を溶液に浸漬すると、テープ下部の細孔内を溶液が浸透したり、表面を溶液が這い上がって固体電解質層を形成するために、漏れ電流対策としては不十分であった。溶液の浸透あるいは表面の這い上がりを防止し十分な効果を得るためには、接着するテープの幅を、素子に対して大きく取る必要があり体積効率が悪くなるという欠点がある。

また特許文献２でも同様に導電性高分子層の形成時には、禁止帯上あるいはレジスト材上をモノマー溶液が這い上がり導電性高分子層を形成するため、陽極と陰極の分断効果による漏れ電流の発生防止としては不十分であった。表面の這い上がりを防止し十分な効果を得るためには、禁止帯あるいはレジスト材の幅を、素子に対して大きく取る必要があり体積効率が悪くなるという欠点がある。

さらに従来の技術では、レジスト材表面を這い上がって形成した固体電解質層を除去することができなかったために、３端子型などの多端子構造を製造することが困難であった。

すなわち従来技術においては、漏れ電流の小さい固体電解コンデンサ素子を製造しようとすると、陽極と陰極を分断するレジスト材幅が大きくなってしまい、体積効率が悪化するという問題があり、さらに多端子構造の場合、その問題が顕著になっていた。

本発明はこのような課題を解決するものであり、漏れ電流が小さく、体積効率に優れる固体電解コンデンサ、固体電解コンデンサ素子およびその製造方法を提供することが目的である。

本発明の固体電解コンデンサ素子は、陽極体として表面を拡面化した箔状あるいは板状の弁作用金属を用い、表面に酸化皮膜を形成して誘電体層を形成した後、固体電解質層、陰極層の順に各層を形成して陰極部とし、陽極部と陰極部は絶縁性のレジスト材で分断されている平板状の固体電解コンデンサ素子であり、陽極部はもとの平板状の弁作用金属表面の両面からそれぞれ二段階の階段状に掘り下げられており、前記レジスト材は前記弁作用金属表面の一部および第一段目までを覆っており、第二段目のみ弁作用金属が露出していることを特徴とする。

また本発明の固体電解コンデンサは、本発明の固体電解コンデンサ素子を用い、単層で、または積層し、陽極部および陰極部の電極接続を行い外装してなることを特徴とする。

また本発明の固体電解コンデンサ素子の製造方法は、陽極体として表面を拡面化した箔状あるいは板状の弁作用金属を用い、表面に酸化皮膜を形成して誘電体層を形成した後、固体電解質層、陰極層の順に各層を形成して陰極部とし、陽極部と陰極部は絶縁性でかつ任意の場所を除去可能なレジスト材で分断されている平板状の固体電解コンデンサ素子の製造方法であり、弁作用金属の陽極部を両面からそれぞれ一段掘り下げて弁作用金属表面と第一段目までにレジスト材を塗布する第１の工程と、陰極部を形成した後にレジスト材の任意の場所から陽極部側を両面からそれぞれ掘り下げて第二段目を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサ素子では第一の効果として、弁作用金属箔の表面から一段掘り下げて、弁作用金属表面と掘り下げた第一段目までにレジスト材が塗布されており、これによりレジスト材下部の固体電解質形成用の溶液浸透を防止できる。すなわち弁作用金属箔表層の多孔質層を除去することで、毛細管現象などに起因する浸透を防止する。また陰極部形成後に、レジスト材ごと第二段目を掘り下げることで、レジスト材表面を這い上がって形成した固体電解質層、および僅かに第一段目に浸透して形成した固体電解質層も除去され、その結果、漏れ電流が小さくなる。

また本発明の第二の効果として、第二段目を形成する工程ではレジスト材の任意の場所からレジスト材ごと除去するので、表面の溶液の這い上がりを考慮する必要が無いために、レジスト材の幅を小さくすることが可能であり、体積効率に優れた固体電解コンデンサ素子を提供することが可能となる。

第三に、レジスト材の表面に形成した固体電解質層もレジスト材ごと除去することが可能であるために、２端子型のコンデンサ素子のみでなく３端子型などの多端子型のコンデンサ素子の製造が可能である。

以下、本発明を実施するための具体例を示す。図１は本発明の一実施の形態での固体電解コンデンサ素子の模式的断面図である。なお図１は２端子型の構造例であるが、本発明は２端子型の構造に限定されるものではなく、図２に模式的断面図で示すような３端子型あるいはそれ以上の端子を持つ多端子型の構造にも用いることが可能である。

陽極体１としては、アルミニウム、タンタル、ニオブなどの弁作用金属を用いる。形状は箔状あるいは板状のものを、電解エッチングにより拡面化したり、微粉末を表面に固定化し、表面積を増大させたものが望ましい。

図３は本発明による固体電解コンデンサ素子の製造方法における第１の工程が終了した段階での模式的断面図である。陽極箔（陽極体１）は、陰極部を形成する部分を残して第一段目が掘り下げられ、すなわち第一段目の平坦面３１が形成されている。さらに、もとの弁作用金属表面の端部および掘り下げた第一段目の平坦面３１にはレジスト材３を塗布する。

また陽極体１の陰極部となる部分には、電解液中で任意の電圧を印加することで酸化皮膜を形成させて、誘電体層が形成されている。

次に図４は本発明による固体電解コンデンサ素子の製造方法での途中段階を示し、図４（ａ）は第１の工程が終了し、陰極層を形成した段階の模式的断面図、 図４（ｂ）は第２の工程での除去部境界線を図４（ａ）に付加した模式的断面図である。

陰極部には、まず導電性高分子を固体電解質層として形成する。形成する方法は、化学重合法、電解重合法、溶液浸漬法などが挙げられる。化学重合法では、モノマーとしてピロールやチオフェン、およびこれらの誘導体を選択することができ、モノマー溶液および酸化剤溶液に交互に浸漬することで、固体電解質層を形成することができる。電解重合法では、化学重合法や二酸化マンガンなどをプレコート層として形成した後、モノマーと支持電解質を含む溶液中で電圧を印加することで、固体電解質層を形成することができる。溶液浸漬法は、導電性高分子溶液中に浸漬、乾燥することで固体電解質層を形成する方法である。固体電解質層の上には、グラファイト層、銀層を順番に形成し陰極部２とする。

陰極部２を形成した後、レジスト材ごとさらに陽極体１を掘り下げるように除去加工を行い、すなわち第２の工程を行い、２段階の階段状に掘り下げる。図４（ｂ）では、第２の工程での除去部境界線４２が二点鎖線で表されている。このように形成された本発明の固体電解コンデンサ素子では、図１のように、陽極体１の陽極部と陰極部を分離するレジスト材３で覆われた部分には第１の段差１１が形成され、レジスト材３と陽極部になる第二段目の平坦面３２との境界部には第２の段差１２が形成されている。このように本発明による固体電解コンデンサ素子を作製する。

以上説明したような掘り下げ加工としては、ルータを用いた切削や、レーザ加工などが使用できる。特に二段目の加工については、精密に加工できる点でレーザ加工が好適であるが、これに限定されるものではない。

また、本実施の形態の固体電解コンデンサ素子を用い、単層で、または積層し、陽極部および陰極部の電極接続を行い外装することで本発明の固体電解コンデンサを得る。

次に本発明の実施例を挙げて詳細に説明する。

（実施例１）
陽極体として３ｍｍ×４ｍｍ、厚さ１００μｍのエッチングにより表面積を拡面化したアルミニウムを使用して２端子型の固体電解コンデンサ素子を作製した。

陽極部となる部分をまず両面からそれぞれ２０μｍずつの深さで、０．８５ｍｍの幅でレーザ加工により掘り下げ、レジスト材を陽極部となる長軸方向の端から１ｍｍまでの部分に塗布した。固体電解質層、陰極層を順に形成して、レジスト材を０．２５ｍｍ幅になるように残して、他の部分を陽極体が第一段目からそれぞれ１０μｍの階段状になるようにレーザ加工により掘り下げた。

このように作製した固体電解コンデンサ素子の漏れ電流と体積効率（素子全体の中で容量に寄与する部分の占める体積比率）を表１に示す。

（実施例２）
陽極部が陰極部を挟み込むようにして２箇所ある以外は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサ素子を作製した。

（比較例１）
陽極部となる部分を長軸方向の端から０．７５ｍｍ残してレジスト材テープを０．２５ｍｍの幅で接着して作製し、階段状に掘り下げた構造を持たせずに作製した以外は実施例１と同様にして固体電解コンデンサ素子を作製した。

（比較例２）
陽極部となる部分を長軸方向の端から０．７５ｍｍ残してレジスト材テープを１ｍｍ幅で接着して作製した以外は比較例１と同様にして固体電解コンデンサ素子を作製した。

（比較例３）
陽極部となる部分を長軸方向の端から０．７５ｍｍ残してレジスト材テープを０．２５ｍｍ幅で接着し、陽極部となる部分が陰極部を挟み込むようにして２箇所形成した以外は比較例１と同様にして３端子型の固体電解コンデンサ素子を作製した。

表１から本発明の効果は明らかである。例えば２端子型の固体電解コンデンサ素子を作製した実施例１と、従来技術で作製した比較例１および比較例２とを比べると、従来技術で体積効率を同じにして作製すると漏れ電流が大きくなってしまう。従来技術で漏れ電流を小さくするためには、比較例２のように体積効率を悪くする必要があり、それでも本発明による固体電解コンデンサ素子の漏れ電流値には及ばない。

また実施例２に示したように、本発明による固体電解コンデンサ素子およびその製造方法によると、３端子型などの多端子型固体電解コンデンサ素子の製造が可能であるが、従来技術（比較例３）ではショート不良となり製造することはできない。

本発明に係る２端子型の固体電解コンデンサ素子の模式的断面図。 本発明に係る３端子型の固体電解コンデンサ素子の模式的断面図。 本発明による固体電解コンデンサ素子の製造方法での第１の工程が終了した段階の模式的断面図。 本発明による固体電解コンデンサ素子の製造方法での途中段階を示し、図４（ａ）は第１の工程が終了し陰極層を形成した段階の断面図、図４（ｂ）は第２の工程での除去部境界線を図４（ａ）に付加した模式的断面図。 従来の固体電解コンデンサ素子の模式的断面図。

符号の説明

１ 陽極体
２ 陰極部
３ レジスト材
４ 陽極部
１１ 第１の段差
１２ 第２の段差
３１ 第一段目の平坦面
３２ 第二段目の平坦面
４１ 除去部境界線

Claims (3)

1. 陽極体として表面を拡面化した箔状あるいは板状の弁作用金属を用い、表面に酸化皮膜を形成して誘電体層を形成した後、固体電解質層、陰極層の順に各層を形成して陰極部とし、陽極部と陰極部は絶縁性のレジスト材で分断された固体電解コンデンサ素子であって、
   前記陽極体は中央部から端部に向かって段階的に異なる厚さの平板部分からなる形状となるように平板状の弁作用金属の両主面に対しそれぞれの表面から２段階の階段状に掘り下げ加工され、
   前記陽極体の前記レジスト材で覆われた部分には第１の段差が形成され、
   前記陽極体の前記レジスト材で覆われた部分と前記陽極体が露出する陽極部との境界部には前記陽極体の第２の段差が形成されたことを特徴とする固体電解コンデンサ素子。
2. 請求項１記載の固体電解コンデンサ素子を含んでなることを特徴とする固体電解コンデンサ。
3. 陽極体として表面を拡面化した箔状あるいは板状の弁作用金属を用い、表面に酸化皮膜を形成して誘電体層を形成した後、固体電解質層、陰極層の順に各層を形成して陰極部とし、陽極部と陰極部は絶縁性でかつ任意の場所を除去可能なレジスト材で分断されている固体電解コンデンサ素子の製造方法であって、
   前記陽極部の形成のために平板状の弁作用金属の端部を両主面からそれぞれ一段掘り下げるように除去加工を行い第一段目の平坦面を形成した後、前記除去加工がなされなかった弁作用金属表面の一部および前記第一段目の平坦面にレジスト材を塗布する第１の工程と、
   前記弁作用金属表面の前記レジスト材で覆わなかった部分に陰極部を形成した後に前記レジスト材の所定の場所から陽極部側を両面についてそれぞれ掘り下げるように除去加工を行い第二段目の平坦面を形成する第２の工程とを、含むことを特徴とする固体電解コンデンサ素子の製造方法。

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