JP2010239089A

JP2010239089A - 固体電解コンデンサ

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Publication number: JP2010239089A
Application number: JP2009088318A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Suenaga; 秀範末永; Yoshihiro Takeda; 嘉宏竹田
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】過渡応答特性が良好で、ノイズフィルタとしても機能しうる固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】陽極体の両端を陽極引出部２２，２２とし、陽極体の中央部の両面を陰極引出部２３としたコンデンサ素子個片２１を２枚用意する。この２枚のコンデンサ素子個片２１、２１を陰極引出部２３、２３同士が重なり合うとともに、陽極引出部２２、２２が互いにほぼ直角方向にずれるように積層して、コンデンサ素子２０とする。搭載基板４１として、搭載面にコンデンサ素子の陽極引出部２２，２２と陰極引出し部２３と合致した導体４４，４５を有し、実装面に陽極端子部４２、陰極端子部４３を有し、導体４４，４５と陽極端子部４２、陰極端子部４３がスルーホール接続された搭載基板４１を用意する。コンデンサ素子２０を搭載基板４１に搭載して固体電解コンデンサを作成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体電解コンデンサに関するものであり、より詳細には、電気的特性として等価直列インダクタンスが低く、また過渡応答特性が良好である固体電解コンデンサに関するものである。

電子機器の高周波化に伴って電子部品の一つであるコンデンサにも従来よりも高周波領域でのインピーダンス特性に優れたコンデンサが求められてきており、このような要求に応えるために電気伝導度の高い導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが種々検討されている。

また、近年、コンピュータに代表されるＣＰＵ等のＬＳＩやテレビジョンの画像処理用ＬＳＩ、それらＬＳＩとデータのやり取りを行うメモリー等の周辺に配置されて、これらのデバイスに対しての電力供給用途として使用される固体電解コンデンサには小型大容量化が強く望まれており、更に高周波化に対応して低ＥＳＲ（等価直列抵抗）化のみならず、ノイズ除去や過渡応答性に優れた低ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）化が強く要求されており、このような要求に応えるために種々の検討がなされている。

一般に、低ＥＳＬ化を図る方法としては、第１に、電流経路の長さを極力短くする方法、第２に、電流経路によって形成される磁場を別の電流経路によって形成される磁場により相殺する方法、第３に、電流経路をｎ個に分割して実効的なＥＳＬを１／ｎにする方法が知られている。

例えば、特開２０００−３１１８３２号公報に開示された発明は、第１および第３の方法を採用するものであり、また特開平０６−２６７８０２号公報に開示された発明は、第２および第３の方法を採用するものであり、また特開平０６−２６７８０１号公報、および特開平１１−２８８８４６号公報、特許４２０８８３１号に開示された発明は、第３の方法を採用するものである。

また、特開２００２−１６４７６０号公報では、導電性高分子を電解質として用いた分布定数型ノイズフィルタとして、平板形状の２つの誘電体となる酸化皮膜が、平板形状の弁作用金属からなる板を挟んでなる分布定数回路形成部を備え、分布定数回路形成部に導通する陰極端子と弁作用金属からなる板の一部が誘電体となる酸化皮膜から突出した陽極引出部に接続した陽極端子を備えた３端子コンデンサ形式の分布定数型ノイズフィルタが開示されている。

特開２０００−３１１８３２号特開平０６−２６７８０２号特開平０６−２６７８０１号特開平１１−２８８８４６号特許４２０８８３１号特開２００２−１６４７６０号公報

上述した文献の中では、特許文献１で開示されたコンデンサでは、薄膜コンデンサによって高周波対応を行うことはできるが、静電容量の大容量化のためには、誘電体層の領域を大きくするか、誘電体層を積層することが必要になる。そして、誘電体層として利用しているのは、Ｂａ、Ｔｉを含むペロブスカイト型複合酸化物結晶であり、実現できる静電容量はナノファラド(ｎＦ)オーダーの静電容量であり、マイクロファラド（μＦ）オーダーの静電容量が要求される場合には採用が困難であるという欠点がある。

また、特許文献２、特許文献４で開示された固体電解コンデンサでは、固体電解コンデンサを４端子化することで電流経路を分割して、従来の２端子型の固体電解コンデンサよりも、固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図っている。しかしながら、特許文献２では、コンデンサ素子に外部陽極端子、外部陰極端子を取付けた構造となっており、固体電解コンデンサ内部での電流経路が必ず短いものとはなっていない。

また、特許文献４で開示された固体電解コンデンサでは、陽極と陰極の各端子は固体電解コンデンサの４つの側面に配置され、４つの端子は互いに離間した形態となってしまい、誘導磁界の相殺という効果を期待することはできない。

特許文献３に記載された固体電解コンデンサでは、コンデンサ部とコンデンサ部の間に位置する複数の金属基板部を互いに反対方向にジグザク状に折り曲げてコンデンサ部を互いに接合して積層するか、又は積層した固体コンデンサ単位板のコンデンサ部の両端に位置する金属基板を全金属基板が直列接続になるように接合するので、折り曲げた金属基板部又は互いに接合された金属基板部がコイルとして作用し、積層形の固体電解コンデンサは一種のフィルタ回路として構成される。そして、折り曲げた金属基板部又は互いに接合された金属基板部の縁周を磁性体で覆うことにより、この積層形の固体電解コンデンサはコンデンサとコイルを組み合わせることにより効果的なフィルターディバイスとして構成することができ、高周波数領域において、ノイズ吸収装置として利用できることが示されているが、固体電解コンデンサ内部でのコンデンサ素子から、外部電極にいたるまでの電流経路としてリードフレームを用いているために、固体電解コンデンサ内部での電流経路が冗長になり、ＥＳＬ低減効果が充分でないという問題を抱えている。

特許文献５に開示された固体電解コンデンサでは、擬似５端子型の固体電解コンデンサを採用し、陽極の電流経路を４個に分割して実効的なＥＳＬを低減している。しかし、固体電解コンデンサ内部でのコンデンサ素子から、外部電極にいたるまでの電流経路としてリードフレームを用いているために、固体電解コンデンサ内部での電流経路が冗長になり、ＥＳＬ低減効果が充分でないという問題を抱えている。

以上のように、前述の特許文献１から特許文献５に記載された固体電解コンデンサは、従来より知られる２端子型のコンデンサよりも、ＥＳＬの低減効果はあり、過渡応答特性の改善は期待されるものの、近年求められる低ＥＳＬの要請に対しては、必ずしも充分な効果を得るものではなかった。

また、前述の特許文献１から特許文献５に記載された固体電解コンデンサは、ＥＳＬの低減を目的とした固体電解コンデンサであり、伝送線路としての機能を目的としたものでない。なお、特許文献２、特許文献３、特許文献５は３端子型の固体電解コンデンサであり、伝送線路として利用することも可能であると考えられるが、これらは、伝送線路として利用する場合には、過渡応答対応の固体電解コンデンサとして利用することはできず、単機能のものであった。

一方で、３端子型の固体電解コンデンサの構造を採用し、伝送線路構造のノイズフィルタとしては特許文献６に開示された分布定数型ノイズフィルタが知られているが、この構造ではノイズフィルタとしての単機能しか有しておらず、過渡応答特性の要求には十分対応できるものではない。

本発明では、静電容量の大容量化が容易な固体電解コンデンサを利用して、固体電解コンデンサのさらなるＥＳＬの低減を図ることで過渡応答特性が良好であり、ノイズフィルタとしても機能しうる固体電解コンデンサを提供するものである。

そこで、この出願の請求項１に係る発明は、陽極体の両端を陽極引出部とし、陽極体の中央部の両面を陰極引出部としたコンデンサ素子個片を、陰極引出部が重なり合うとともに、陽極引出部が互いに直角方向にずれるように積層したコンデンサ素子を有する固体電解コンデンサであることを特徴とする。

また、この出願の請求項２に係る発明では、請求項１に記載の固体電解コンデンサにおいて、積層されたコンデンサ素子個片の側面の陰極引出部同士を導電材料で接続したことを特徴とする。

この出願の請求項１の発明によれば、陽極体の両端を陽極引出部とし、陽極体の中央部の両面を陰極引出部としたコンデンサ素子個片を、陰極引出部が重なり合うとともに、陽極引出部が互いに直角方向にずれるように積層したコンデンサ素子を用いた固体電解コンデンサとしたことで、陽極電引出部を４箇所に形成することになり、電流経路を４分割することができ、実質的なＥＳＬを１／４にすることができる。

また、対向して配置される陽極引出部はコンデンサ素子個片の内部で電気的に接続した構造であり、さらに陽極引出部に挟まれた陰極引出部を有することから、伝送線路構造を構成し、三端子のノイズフィルタとして機能させることもできる。すなわち、この固体電解コンデンサが回路基板に実装された場合、対向する陽極引出部の一方から入力された電気信号が濾波され、その電気信号は他方の陽極引出部に出力されることとなる。一方で、本願発明の固体電解コンデンサでは、積層されたコンデンサ素子個片は電気回路的にはそれぞれ独立したコンデンサとみなすこともできる。しかも伝送線路構造としてみた場合には、伝送線路構造を構成するコンデンサ素子個片は交差しているため、相互影響が少ない。このため、対向する一対の陽極引出部をノイズフィルタとし、このノイズフィルタとして機能する陽極引出部と直角の回転角度で配置された一対の陽極引出部を、過渡応答対応のコンデンサの出力端子として利用することも可能となる。また、２つのコンデンサ素子個片をそれぞれ伝送線路として利用することも可能となる。

請求項２の発明によれば、積層されたコンデンサ素子個片の陰極引出部の側面を導電材料で接続することにより、積層されたコンデンサ素子の陰極引出部同士の内部抵抗の低減を図ることができる。このため、積層されたコンデンサ素子の容量形成部に蓄積された電荷を、四つの陽極引出部のどこからでも速やかに供給できるようになるため、固体電解コンデンサ全体として、過渡応答特性に優れた固体電解コンデンサを得ることができる。

この発明の固体電解コンデンサに用いるコンデンサ素子個片の形状示す図面で、(ａ)、（ｂ）は断面図、（ｃ）は上面図である。この発明の固体電解コンデンサに用いるコンデンサ素子個片とコンデンサ素子の形状示す斜視図で、（ａ）はコンデンサ素子個片、（ｂ）はコンデンサ素子を示す。この発明の固体電解コンデンサに用いる搭載基板の形状を示す図面で、（ａ）はコンデンサ素子の搭載面、（ｂ）は実装面を示す図面である。この発明の固体電解コンデンサに用いる搭載基板の断面図である。この発明の固体電解コンデンサを示す図面で、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。

次にこの発明を実施するための形態について詳細に説明する。

まず、この発明の固体電解コンデンサに用いるコンデンサ素子について説明する。この発明の固体電解コンデンサに用いるコンデンサ素子は、両端が陽極引出部、陽極引出部の間の中央部を陰極引出部とした矩形状のコンデンサ素子個片を、陰極引出部が重なりあい、かつ相互の陽極引出部が直角の回転角度の向きとなるようにコンデンサ素子個片をずらして重ね合わせ、中央部が陰極引出部となり、陰極引出部から４方向に陽極引出部を形成した形態となっている。

このようなコンデンサ素子について以下により詳細に説明する。
図１に示すように、コンデンサ素子個片２１は、略長方形状のアルミニウム等の弁金属板または弁金属箔（以下、陽極体という）を用い、陽極体の中央部をエッチング処理により拡面化処理し、アルミニウム箔の両面に多孔質のエッチング層２５を形成する。この際、陽極体の内部はエッチングされることなくアルミニウムの地金が残されており、このアルミニウム地金が残芯層となる（図１（ａ））。そして、エッチング層２５の表面には陽極酸化により誘電体酸化皮膜を形成する。この場合、陽極体の両端部は未エッチング部であり、陽極引出部２２となる。次に、エッチング層２５の表面には陽極酸化処理により誘電体酸化皮膜を形成する。

より詳細には、エッチング処理は、陽極体の両面を、塩酸等により溶解し、多孔質のエッチング層を形成する工程である。例えば、断面サイズが１０ｍｍ×５ｍｍ、厚さが１２０μｍの高純度のアルミニウム箔よりなる陽極体を用い、陽極体の両端端からそれぞれ１．５ｍｍの位置までをレジスト材を塗布してレジスト保護膜（図示せず）を形成する。レジスト保護膜を形成した後、陽極体の中央部を、両面よりそれぞれ４０μｍの深さでエッチング層を形成する。この場合、残芯層の厚さは４０μｍとなる。

このコンデンサ素子個片には分離層２４が形成されており、コンデンサ素子個片２１の陽極引出部２２と陰極引出部２３を区分してある。分離層２４は、エッチングが終了した後に、絶縁性の樹脂を塗布してエッチング層２５に浸透させ、陽極引出部２２とエッチング層２５の絶縁を図っている。例えば、この分離層２４は未エッチング部から０．５ｍｍの位置まで形成することができる。

そして、このエッチングした陽極体を陽極酸化による化成処理を行い、酸化アルミニウムからなる誘電体酸化皮膜層を形成する。陽極酸化は、エッチング箔をホウ酸、アジピン酸等の水溶液に浸漬した状態で所定の電圧を印加して、誘電体酸化皮膜を形成する。

さらに誘電体酸化皮膜の上に固体電解質層（図示せず）を形成する。固体電解質層は重合して導電性高分子となる重合性モノマーを含有する溶液と酸化剤溶液に順次浸漬し、各液より引き上げて重合反応を進める。これらの固体電解質層の形成は、重合性モノマーを含有する溶液と酸化剤溶液を塗布または吐出する方法によって形成してもよい。また、重合性モノマー溶液と酸化剤を混合した混合溶液に浸漬、塗布する方法であってもよい。

また、固体電解コンデンサの分野で用いられる電解重合による方法や、導電性高分子溶液を塗布・乾燥する方法によっても固体電解質層を形成することができる。さらに、これらの固体電解質層の形成方法を組み合わせて固体電解質層を形成することも可能である。

以上のように固体電解質層の形成に用いる重合性モノマーとしてはチオフェン、ピロールまたはそれら誘導体を好適に使用することができる。特にモノマーがチオフェン又はその誘導体であると好適である。

チオフェンの誘導体としては次に掲げる構造のものを例示できる、チオフェン又はその誘導体は、ポリピロール又はポリアニリンと比較して、導電率が高いとともに熱安定性が特に優れているため、低ＥＳＲで耐熱特性に優れた固体電解コンデンサを得ることができる。

ＸはＯまたはＳ
ＸがＯのとき、Ａはアルキレン、又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

チオフェンの誘導体の中でも、３，４−エチレンジオキシチオフェンを用いると好適である。

重合性モノマーの重合に用いる酸化剤としては、エ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る。

さらに、図１（ｂ）に示すように、コンデンサ素子個片の固体電解質層上には、グラファイト層および銀ペースト層からなる陰極層２６を順次形成し、陰極引出部２３とする。

陰極引出部２３まで作成が終了したら、予め陽極体に形成していたレジスト保護膜を除去し、陽極体の両端部のアルミニウムを露出されて陽極引出部２２とし、コンデンサ素子個片２１とする。このコンデンサ素子個片２１は、両端の陽極引出部２２，２２がそれぞれ１．５ｍｍ、分離層２４がそれぞれ０．５ｍｍ、陰極引出部２３が６ｍｍの長さで、幅は全て５ｍｍのコンデンサ素子個片２１となる。

以上のように形成したコンデンサ素子個片２１を、陰極引出部２３が重なりあい、かつ陽極引出部２２、２２が互いに直角の角度をなすように積層することで、中央が陰極引出部２３、陰極引出部２３から４方向に放射状に陽極引出部２２が配置された上面視形状が十字型のコンデンサ素子２０を作成する。

このコンデンサ素子個片２１を積層してコンデンサ素子２０を作成する際、コンデンサ素子個片２１の陰極引出部２３の大きさは５×６ｍｍと長方形となっているため、陰極引出部の２２の端部が互いに０．５ｍｍずつ突出するように重ね合わせると好適である。陰極引出部の２３の端部が互いに０．５ｍｍずつ突出するように重ね合わせると、コンデンサ素子２０は上面視形状が十字型に形成されており、その中央に陰極引出部２３が配置されているが、陰極引出部２３は、ほぼ６×６ｍｍの正方形状で、その４つの角部がそれぞれ０．５×０．５ｍｍの大きさで切り欠かれた形状となる。この切り欠かれた箇所に、後述する導電材料を充填することで、上下のコンデンサ素子個片２１，２１の陰極引出部２３，２３同士を導通する導電経路が形成されるようになる。

このように、両端が陽極引出部、中央を陰極引出部としたコンデンサ素子個片を上面視形状が十字型に積層してコンデンサ素子とすることで、次の特性を得ることができる。

（１）陽極電極を４箇所に形成することで、電流経路を４分割することができ、実質的なＥＳＬを１／４にすることができる。
（２）対向する陽極電極はコンデンサ素子個片の内部で電気的に接続した構造であり、対向する陽極電極２と、陰極引出部と接続した陰極端子とからなるため、伝送線路構造を構成し、三極端子のノイズフィルタとして機能させることもできる。この固体電解コンデンサが回路基板に実装された場合、対向する陽極電極の一方から入力された電気信号が濾波され、その電気信号は他方の陽極電極に出力されることとなる。

しかも、この伝送線路構造は交差することで、相互影響が少ないため、対向する一対の陽極電極をノイズフィルタとし、対向するもう一対の陽極電極を、過渡応答対応のコンデンサの出力端子として利用することも可能となる。

次にこの発明で用いるコンデンサ素子の搭載基板について説明する。搭載基板４１は矩形状のガラスエポキシ基板等の絶縁基板をベースとし、下面に陽極電極４２及び陰極電極４３を備え、上面にはコンデンサ素子の陽極引出部、陰極引出部とそれぞれに接続される陽極導体４４，陰極導体４５を備えると共に、上面と裏面の陽極導体４６と陽極電極４４、陰極導体４５と陰極電極４３をそれぞれ導通させたものである。

搭載基板４１のコンデンサ素子搭載面の中央部にはコンデンサ素子の陰極引出部と接合する陰極導体が正方形状に形成されており、この陰極導体４５を取り囲むように、陽極導体４４が配置されている。一方、搭載基板４１の実装面には、中央部には陰極電極４３が形成され、この陰極電極４３を取り囲むように、四つの陽極電極４２が配置されている。この搭載基板４１の両面に形成された陽極導体４４と陽極電極４２、陰極導体４５と陰極電極４３はそれぞれビアホールまたはスルーホール等の表裏を貫通する電極４８を介して電気的に接合されている。

このような搭載基板のベースとなるガラスエポキシ基板は、２００μｍ程度の厚さのものを用いることが強度の面で好適であるが、８０μｍ程度の厚さのものも使用することが可能である。そして、ガラスエポキシ基板の上に形成する電極と導体は電気抵抗が小さいことと半田付けが可能であればよく、銅や、ニッケルに金をメッキした導体を用いることが好ましい。この電極、導体の厚さは片面で３〜５μｍの厚さで形成することが可能である。また、搭載基板４１の両面の電極と導体、およびそれらを電気的に接合するスルーホール等の形成は、プリント基板で多用されている両面プリント基板の作成方法によって形成することができる。この際のスルーホールの配置、内径等は、任意に設定することができる。

このような搭載基板では、第一に、コンデンサ素子の陽極引出部、陰極引出部から、電流の出口である搭載基板の陽極電極、陰極電極までの距離は、搭載基板の厚さだけの距離で達成することができ、電流経路の短縮化を図ることができる。特に搭載基板の厚さは、２００μ程度の厚さが好適であるが、８０μｍ程度の厚さのものも製造可能であることから、コンデンサ素子をリードフレームに取付けて樹脂モールドした場合に比べ、コンデンサ素子の陰極引出部から陰極電極までの距離を極めて短くすることができる。また、陽極電極を４箇所に形成することで、電流経路を４分割することができ、実質的なＥＳＬを１／４にすることができる。この二つのＥＳＬ低減効果が相俟って、固体電解コンデンサのＥＳＬの低減化を図ることができる。

次にコンデンサ素子を搭載基板に搭載する工程について説明する。

図５に示すように、コンデンサ素子２０を搭載基板４１に搭載し、コンデンサ素子２０の陰極引出部２２と搭載基板の陰極導体４５を導電性接着材によって接合する。また、コンデンサ素子２０の陽極引出部２１と陽極導体４４を接続する。この際、コンデンサ素子２０の陽極引出部２１はアルミニウムであり、銀ペースト等との濡れ性が良好ではなく、銀ペーストでの接着が困難な場合がある。このような場合には、コンデンサ素子２０の陽極引出部２１には、銅材等の接続部材２７をレーザー溶接、超音波溶接等により接続しておき、この接続部材２７を銀ペースト等の導電性接着材で搭載基板４１の陽極導体４４に接合することが好ましい。

さらに、コンデンサ素子２０の積層されたコンデンサ素子個片２１の陰極引出部２３の側面を導電材料４９で接続し、さらに陰極導体４５に接続することにより、積層され上下に配置されたコンデンサ素子個片２１，２１の陰極引出部２３、２３同士の内部抵抗の低減を図ることができるとともに、搭載基板４１の陰極導体４５に至る導電経路が形成される。このため、積層されたコンデンサ素子の容量形成部に蓄積された電荷を、四つの陽極端子のどこからでも速やかに供給できるようになるため、固体電解コンデンサ全体として、過渡応答特性に優れた固体電解コンデンサを得ることができる。

また、搭載基板４１に搭載するコンデンサ素子は１個とは限るものではない。大きな静電容量が求められる場合には、コンデンサ素子をさらに積層し、求められる静電容量を達成することも可能である。

そして、搭載基板に搭載したコンデンサ素子の機械的保護や、外気との遮断を目的として、外装樹脂によってモールド成形して外装を施す。なお、外装は、樹脂製のケースを用い基板に貼り付けることで外装しても良い。

２０コンデンサ素子
２１コンデンサ素子個片
２２陽極引出部
２３陰極引出部
２４分離部
２５エッチング層
２６陰極層
２７接続部材
４１搭載基板
４２陽極端子部
４３陰極端子部
４４陽極導体
４５陰極導体
４８スルーホール（電極）
４９導電材料

Claims

陽極体の両端を陽極引出部とし、陽極体の中央部の両面を陰極引出部としたコンデンサ素子個片を、陰極引出部が重なり合うとともに、陽極引出部が互いにほぼ直角方向にずれるように積層したコンデンサ素子を有する固体電解コンデンサ。
積層されたコンデンサ素子個片の側面の陰極引出部同士を導電材料で接続した請求項１に記載の固体電解コンデンサ。