JP2010027839A - コンデンサ素子の製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形体とリード線との間の十分な接続強度が得られ、成形体の焼結後の製造工程においてもショート不良や漏れ電流特性の劣化を生じないコンデンサ素子の製造方法及びその製造装置を提供すること。
【解決手段】 金型ベース４と、ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）と、リード線２が挿通されるリード線挿入孔を設け金型ベースのベース溝を上方より密閉する上型３とを用い、リード線２をベース溝の幅方向のほぼ中心となるように配置し、かつ、加圧方向には左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の加圧面からの距離がそれぞれｔ１、ｔ２と異なるように配置し、同時に移動する左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の移動距離が距離ｔ１、ｔ２にそれぞれ応じて異なるように設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体電解コンデンサに使用するコンデンサ素子の製造方法及びその製造装置に関する。

弁作用金属として、タンタル、ニオブなどを用いた固体電解コンデンサは、小型で静電容量が大きく、周波数特性に優れ、従来からＣＰＵのデカップリング回路あるいは電源回路などに広く使用されている。また、携帯型電子機器の発展に伴い、特に高周波域における低ＥＳＲ（等価直列抵抗）、低ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）を目的に種々の技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、コンデンサ素子焼結体の陽極リード線を陰極端子側に近い位置に植立した形状によりＥＳＲを低下させる技術が開示されている。

一方、特許文献２では、陽極リード線をコンデンサ素子の中心線より高い位置または低い位置に植立することにより基板実装時の起き上がり実装不良を低減したリードフレームレスチップ形の固体電解コンデンサが開示されている。

また、特許文献３では、下面電極型固体電解コンデンサ素子として、導出する方向と略直交する方向に偏芯するように導出されたリード線を用い、陽極端子と陰極端子と外部回路基板との電流経路の距離を短くすることにより高周波域でのＥＳＬ、ＥＳＲを小さくする技術が開示されている。

上述のように、陽極リード線をコンデンサ素子の中心ではなく外周近傍に植立することによりＥＳＲ、ＥＳＬの低減や実装不良の改善がなされている。図４に、このようなリード線を偏芯させたコンデンサ素子すなわち偏芯ペレットの一例の斜視図を示す。偏芯させたリード線２を有する偏芯ペレット４０は弁作用金属の粉末を加圧成形した成形体より作製される。このような成形体を形成する方法には、リード線の引出し方向、すなわち上下方向から加圧パンチで加圧し成形する縦押し成形と、リード線の引出し方向に直交する方向すなわち左右方向からに加圧パンチで加圧成形する横押し成形がある。

ここで一般的な固体電解コンデンサ素子の製造方法を記述すると、タンタル、ニオブ等の弁作用金属の粉末にバインダーを添加し混合した後、縦押し成形の場合にはダイスを用いて上パンチと下パンチにより上下方向から加圧して角形あるいは円柱状に圧縮成形し、成形体を形成する。この際に弁作用金属の粉末と同種の陽極リード線を用い一端を粉末に埋め込んで一緒に加圧成形し、他端を成形体から引出している。その後、成形体を真空焼結し、陽極酸化して酸化皮膜層を形成し、硝酸マンガン水溶液への含浸、熱分解を複数回繰り返す熱分解法による二酸化マンガン層の形成、あるいはモノマー溶液への含浸、重合による導電性高分子の形成により固体電解質層を形成した後、カーボン層、銀層からなる陰極引出し層を順次形成しコンデンサ素子とする。続いて、リード線と陽極リードフレームとを溶接し、陰極引出し層と陰極リードフレームとを導電性接着剤を介して接続した後、トランスファーモールド等により樹脂外装する。その後、不要な陽極、陰極リードフレームを切断後コンデンサ外装の一方に曲げて陽極、陰極端子としチップ型の固体電解コンデンサが完成する。

図５は縦押し成形による加圧成形工程を示す横断面模式図である。図５において、上パンチ７には陽極引出し線であるリード線２を通すためのリード線挿入孔があけられており、成形形状（例えば丸形状、正方形、長方形等）に加工したダイス６を設け、図５（ａ）に示すように、それと同一の断面形状の加圧面を有する上パンチ７にリード線２を挿通し、ダイス６と同形状に加工した下パンチ８をダイス６の下面に位置させ、ダイス６の貫通孔に弁作用金属粉末１を充填させる。その後、図５（ｂ）に示すように、リード線２を突き出した上パンチ７をダイス６の中に下降させる。更に上パンチ７及び下パンチ８を同期を取って充填された弁作用金属粉末の中心に向けて移動させ、リード線２を植立させたまま所定寸法まで加圧成形する。その後、図５（ｃ）に示すように、リード線２を植立させた状態で上パンチ７をダイス６の上方に退避させ、図５（ｄ）に示すように、下パンチ８で成形体５１をダイス６の上方向に押し上げて型抜きをし、成形体５１のリード線２を一定長さに切断し、図５（ｅ）に示す成形体５１が完成する。

図６は横押し成形による加圧成形工程の加圧パンチと金型ベースの配置を示す斜視図であり、図７（ａ）はその金型の上断面模式図、図７（ｂ）、図７（ｃ）は横断面模式図である。図６において、上向きに配置されたコの字状のベース溝を有する金型ベース４と、ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）と、リード線２が挿通されるリード線挿入孔を設け金型ベースのベース溝を上方より密閉する上型３とを用いている。図７（ｂ）に示すように、ベース溝の中央の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の加圧面の間に設けられた空間に弁作用金属粉末１を充填し、上型３はリード線２を突き出した状態で金型ベースのベース溝に蓋をし、図７（ｃ）のようにベース溝を密閉する。その後、加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）が左右からベース溝中を移動して弁作用金属粉末１を加圧し、成形体を作製する。その後、リード線２の切断及び型抜きを行なう。

特開平０９−２３７７４３号公報 特開２００７−０８８３８７号公報 特開２００７−１４２１６１号公報

偏芯ペレットの成形体を縦押し成形により加圧成形する場合には、上パンチのリード線挿入孔を偏芯させて設置するために形状が複雑となり作製工数が掛かることや、上パンチからリード線を突き出した状態でダイスへ挿入する時に、上パンチから突き出したリード線の曲がりによりパンチとダイスによってリード線を噛み込み、金型の破損等が発生しやすいなどの問題がある。

一方、横押し成形では、図７（ａ）のように金型ベース４のベース溝の側壁の近くに位置するリード線２を加圧方向の中心として、左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）で加圧成形した場合、加圧面間およびベース溝幅の中心部に加圧された弁作用金属粉末の粗密中点が来ること、及びリード線２がベース溝の側壁に近いこともあり、成形体に未充填部分（巣）が発生することやリード線の露出、あるいは焼結後の成形体の割れが発生することがあり、リード線と成形体との充分な接続強度が得られにくいという問題がある。リード線と成形体との接合が十分でないと、熱的、機械的ストレスにより酸化被膜を破壊し、ショート不良率の増加や漏れ電流特性の劣化を招いてしまう。

また、横押し成形で、図８に示すように、リード線２をベース溝の幅方向の中心で加圧方向には左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の加圧面からの距離が異なるように配置した場合、左右の加圧パンチを同時に所定の位置まで移動させて成形体を形成すると、上型３に挿通されたリード線２はベース溝中に突出した根元を起点に成形体の中心に向かい曲げられてしまう。図９は成形体中で曲げられたリード線の様子を示す成形体の側面図である。リード線の偏芯量が大きければ大きいほど、リード線はせん断方向に大きく曲げられ、上型３のリード線挿入孔は楕円に磨耗することとなる。また、成形体のリード線の根元部分は十分な加圧成形がなされないため、その後の処理工程中で被覆剥がれなどが発生しやすく、漏れ電流特性の不良の原因となる。

従って、本発明の課題は、リード線が偏芯したコンデンサ素子である偏芯ペレットの成形体の製作において、成形体とリード線との間の十分な接続強度が得られ、成形体の焼結後の製造工程においてもショート不良や漏れ電流特性の劣化を生じないコンデンサ素子の製造方法及びその製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるコンデンサ素子の製造方法は、弁作用金属の粉末に陽極引出し用のリード線の一端を露出させて埴立埋設し、前記弁作用金属の粉末を加圧成形する工程を含むコンデンサ素子の製造方法において、前記加圧成形の加圧方向とリード線の植立方向とは直交し、前記加圧成形は前記弁作用金属の粉末を挟んで加圧方向に対向して配置され該加圧方向に移動する２つの加圧パンチにより行なわれ、前記リード線は該２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なる位置に埴立され、前記２つの加圧パンチの移動距離が前記加圧面と前記リード線との間の距離に応じて異なるように設定されることを特徴とする。

具体的には、前記リード線が挿通された上型と、前記弁作用金属の粉末が充填されるコの字状のベース溝を有する金型ベースと、前記ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチとを用い、該２つの加圧パンチの加圧面間に弁作用金属粉末を充填し、前記上型が前記リード線を埋設する長さだけその下面より突き出させた状態で前記金型ベースのベース溝を密閉し、前記リード線の突き出した部分が前記ベース溝中の前記加圧方向に直行する方向においてほぼ中心に位置し、かつ、前記２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なるように配置され、前記２つの加圧パンチが同時に移動し加圧成形してもよい。

また、本発明によるコンデンサ素子の製造装置は、弁作用金属の粉末に陽極引出し用のリード線の一端を露出させて埴立埋設し、前記弁作用金属の粉末を加圧成形する機能を有するコンデンサ素子の製造装置において、前記リード線が挿通される上型と、前記弁作用金属の粉末が充填されるコの字状のベース溝を有する金型ベースと、前記ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチとを有し、該２つの加圧パンチの加圧面間に弁作用金属粉末を充填し、前記上型が前記リード線を埋設する長さだけその下面より突き出させた状態で前記金型ベースのベース溝を密閉したとき、前記リード線の突き出した部分が前記ベース溝中の前記加圧方向に直行する方向においてほぼ中心に位置し、かつ、前記２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なるように設定され、前記２つの加圧パンチが同時に移動し、かつ、その移動距離が前記加圧面と前記リード線との間の距離に応じて異なるように設定されていることを特徴とする。

以上のように、本発明においては、横押し成形の加圧成形において、リード線が２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なる位置、すなわち加圧方向に偏芯して埴立され、左右２つの加圧パンチの移動距離が加圧面とリード線との間の距離に応じて異なるように設定される。これにより、リード線が偏芯したコンデンサ素子である偏芯ペレットの成形体の製作において、成形体とリード線との間の十分な接続強度が得られ、成形体の焼結後の製造工程においてもショート不良や漏れ電流特性の劣化を生じないコンデンサ素子の製造方法及びその製造装置が得られる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明によるコンデンサ素子の製造方法および製造装置の一実施の形態を説明する図であり、本実施の形態において、弁作用金属粒子の加圧成形に用いる金型を示す図である。図１（ａ）は上断面模式図、図１（ｂ）、図１（ｃ）は横断面模式図である。本実施の形態に用いる金型の基本構成は図６に示した横押し型のものと同じであり、上向きに配置されたコの字状のベース溝を有する金型ベース４と、ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）と、リード線２が挿通されるリード線挿入孔を設け金型ベースのベース溝を上方より密閉する上型３とを用いている。また、図１（ａ）に示すように、リード線２をベース溝の幅方向のほぼ中心となるように配置し、かつ、図１（ｂ）に示すように、加圧方向には左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の加圧面からの距離がそれぞれｔ１、ｔ２と異なるように配置している。加圧成形前の配置は図８と同様であるが、本実施の形態においては、同時に移動する左右の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の移動距離が距離ｔ１、ｔ２にそれぞれ応じて異なるように設定されている。

図１（ｂ）に示すように、ベース溝の中央の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の加圧面の間に設けられた空間にタンタル、アルミ、またはニオブ等の弁作用金属粉末１を充填し、上型３はリード線２を突き出した状態で金型ベースのベース溝に蓋をし、ベース溝を密閉する。その後、図１（ｃ）に示すように、加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）が同時に左右からベース溝中をそれぞれの加圧面とリード線２との距離がｔ１’、ｔ２’となる位置まで移動して弁作用金属粉末１を加圧し、成形体を作製する。

上記の成形体を約１２００℃の真空雰囲気で焼結し、金属粉末の表面に陽極酸化皮膜層を形成し、硝酸マンガン水溶液への含浸、熱分解を複数回繰り返す熱分解法による二酸化マンガン層の形成、またはモノマー溶液への含浸、重合による導電性高分子層の形成により固体電解質層を形成した後、カーボン層、銀層からなる陰極引出層を順次形成しコンデンサ素子とする。

本実施の形態により作製されるコンデンサ素子の一例としては、図４に示したコンデンサ素子と同様に概ね直方体形状とすることができ、その寸法としては幅、奥行き、高さは０．５ｍｍから２．０ｍｍ程度の範囲で、その一面より弁作用金属粉末と同材質で直径０．１ｍｍから０．３ｍｍ程のリード線の一端を露出させ、その他端は成形体に植立された状態とすることができる。

ここで、リード線の偏芯量の一例として、例えば成形体の加圧方向の幅を２．０ｍｍとし、リード線を成形体の中央から右方向に０．５ｍｍ偏芯させた場合、リード線中心までの距離は成形体の端面より、それぞれ１．５ｍｍと０．５ｍｍとなるため、本実施の形態における上述の加圧パンチ５（Ｌ）、５（Ｒ）の移動距離の比は３：１とする。

図２は、本実施の形態に使用するコンデンサ素子の製造装置の具体的一例を示す図であり、加圧成形における左右の加圧パンチ駆動部の側面図である。図２において、モータ１１が上下に駆動することにより左右の板カム１０（Ｌ）、１０（Ｒ）が上下動し、左右のレバー９（Ｌ）、９（Ｒ）がそれぞれ板カム１０（Ｌ）、１０（Ｒ）に追従して、レバー９（Ｌ）、９（Ｒ）のそれぞれ中央部分の支点９０（Ｌ）、９０（Ｒ）を中心にそれらのレバー両端部の原節作用点及び従節作用点が円弧軌道状に搖動する。さらに左右のレバーの従節作用点と左右の加圧パンチはそれぞれ係合されているので、左右の加圧パンチ２５（Ｌ）、２５（Ｒ）は板カムの上下運動に連動し、リード線２を中点とし左右に開閉駆動される。

板カム１０（Ｌ）、１０（Ｒ）のそれぞれの角度θ（Ｌ）、θ（Ｒ）はリード線の植立位置により算出し、その偏芯の状態に応じた角度の板カムを配置する。例えば、上述のように成形体の幅を２．０ｍｍとし、リード線を素子の中央から右方向に０．５ｍｍ偏芯させた場合、θ（Ｒ）＝３０度、θ（Ｌ）＝６０度とすることで、３：１の移動距離の比率、すなわち加圧比率が得られる。

上述の例では図２のように成形体の形状及リード線位置の偏芯量により板カムの角度を決定し、その角度に固定された板カムを使用する場合を示したが、左右それぞれの板カムの角度θを可変可能な構造にすることで、成形体の寸法とリード線の偏芯量の変更にも柔軟に対応可能な加圧パンチ駆動部が得られる。

図３は、本実施の形態に使用するコンデンサ素子の製造装置の他の具体的一例を示す図であり、加圧成形に用いる金型および加圧パンチ駆動部を示す横断面模式図である。図３においては、左右の加圧パンチ３５（Ｌ）、３５（Ｒ）にそれぞれモータ３１（Ｌ）、３１（Ｒ）を直結している。上記の例と同様に、左右の加圧パンチはそれぞれに直結したモータにより、同時に、成形体の形状及リード線位置の偏芯量に対応したそれぞれの移動距離を移動する。

上記の図２および図３の加圧パンチの駆動部の他の具体例としては、図２の左右の板カムの角度は同一として、左右の板カムを２つの独立のモータで駆動しても良い。また、左右の加圧パンチが互いに異なる距離を同期して移動し加圧する方式であれば、上記以外の方法、構造であっても、本実施の形態の製造方法および製造装置に使用可能である。

本実施の形態において製作された成形体は、リード線と枕木リードフレームを溶接した後、陽極および陰極端子を備えた基板に導電性接着剤あるいは高温ハンダ等を用いて接続され、樹脂外装される。その後、不要な外装部分がダイシング等により切断され、固体電解コンデンサが完成する。

以上のように本発明による製造方法および製造装置により、成形体とリード線との間の十分な接続強度が得られ、成形体の焼結後の製造工程においてもショート不良や漏れ電流特性の劣化を生じないコンデンサ素子が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的とするコンデンサ素子の形状や性能に対する要求に応じて、金型や加圧パンチなどの構造、形状、また、加圧パンチの駆動方法などを変更することができる。

本発明によるコンデンサ素子の製造方法および製造装置の一実施の形態の加圧成形に用いる金型を示す図、図１（ａ）は上断面模式図、図１（ｂ）、図１（ｃ）は横断面模式図。 本実施の形態に使用する製造装置の具体的一例を示す図、加圧成形における左右の加圧パンチ駆動部の側面図。 本実施の形態に使用する製造装置の他の具体的一例を示す図、加圧成形に用いる金型および加圧パンチ駆動部を示す横断面模式図。 リード線を偏芯させたコンデンサ素子（偏芯ペレット）の一例の斜視図。 従来の縦押し成形による加圧成形工程を示す横断面模式図。 従来の横押し成形による加圧成形工程の加圧パンチと金型ベースの配置を示す斜視図。 従来の横押し成形による加圧成形工程を示す模式図、図７（ａ）は金型の上断面模式図、図７（ｂ）、図７（ｃ）は横断面模式図。 横押し成形でリード線を加圧方向に偏芯させて配置した場合の金型の上断面模式図。 成形体中で曲げられたリード線の様子を示す成形体の側面図。

符号の説明

１ 弁作用金属粉末
２ リード線
３ 上型
４ 金型ベース
５（Ｌ）、５（Ｒ）、２５（Ｌ）、２５（Ｒ）、３５（Ｌ）、３５（Ｒ） 加圧パンチ
６ ダイス
７ 上パンチ
８ 下パンチ
９（Ｌ）、９（Ｒ） レバー
１０（Ｌ）、１０（Ｒ） 板カム
１１、３１（Ｌ）、３１（Ｒ） モータ
４０ 偏芯ペレット
５１、９１ 成形体
９０（Ｌ）、９０（Ｒ） 中央部分の支点

Claims (3)

1. 弁作用金属の粉末に陽極引出し用のリード線の一端を露出させて埴立埋設し、前記弁作用金属の粉末を加圧成形する工程を含むコンデンサ素子の製造方法において、
   前記加圧成形の加圧方向とリード線の植立方向とは直交し、前記加圧成形は前記弁作用金属の粉末を挟んで加圧方向に対向して配置され該加圧方向に移動する２つの加圧パンチにより行なわれ、前記リード線は該２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なる位置に埴立され、前記２つの加圧パンチの移動距離が前記加圧面と前記リード線との間の距離に応じて異なるように設定されることを特徴とするコンデンサ素子の製造方法。
2. 前記リード線が挿通された上型と、前記弁作用金属の粉末が充填されるコの字状のベース溝を有する金型ベースと、前記ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチとを用い、該２つの加圧パンチの加圧面間に弁作用金属粉末を充填し、前記上型が前記リード線を埋設する長さだけその下面より突き出させた状態で前記金型ベースのベース溝を密閉し、前記リード線の突き出した部分が前記ベース溝中の前記加圧方向に直行する方向においてほぼ中心に位置し、かつ、前記２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なるように配置され、前記２つの加圧パンチが同時に移動し加圧成形することを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ素子の製造方法。
3. 弁作用金属の粉末に陽極引出し用のリード線の一端を露出させて埴立埋設し、前記弁作用金属の粉末を加圧成形する機能を有するコンデンサ素子の製造装置において、
   前記リード線が挿通される上型と、前記弁作用金属の粉末が充填されるコの字状のベース溝を有する金型ベースと、前記ベース溝に挿入され左右に移動する２つの加圧パンチとを有し、該２つの加圧パンチの加圧面間に弁作用金属粉末を充填し、前記上型が前記リード線を埋設する長さだけその下面より突き出させた状態で前記金型ベースのベース溝を密閉したとき、前記リード線の突き出した部分が前記ベース溝中の前記加圧方向に直行する方向においてほぼ中心に位置し、かつ、前記２つの加圧パンチの加圧面からの距離が異なるように設定され、前記２つの加圧パンチが同時に移動し、かつ、その移動距離が前記加圧面と前記リード線との間の距離に応じて異なるように設定されていることを特徴とするコンデンサ素子の製造装置。

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