JP2010239091A

JP2010239091A - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP2010239091A
Application number: JP2009088320A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Shirase; 茂樹白勢; Miyuki Ujiie; 幸氏家; Toshiyuki Murakami; 敏行村上
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
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5376134B2

Abstract

【課題】固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図り、過渡応答時に速やかな電力供給を図る。
【解決手段】弁作用金属からなる陽極体の中央に形成した凹部の内面に誘電体酸化皮膜層、固体電解質層、陰極部が順次形成され、該凹部の周囲の陽極体を陽極部としたコンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子を搭載する面と配線基板に面する実装面とを備え、コンデンサ素子を搭載する面には、前記コンデンサ素子の陽極部、陰極部とそれぞれ対応する導体が形成され、配線基板に面する実装面には、陰極電極とその陰極電極の周囲に陽極電極が形成されるとともに、前記導体が内部を貫通して陽極電極および陰極電極とそれぞれ電気的に接続された搭載基板と、
からなる固体電解コンデンサ。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器に使用されるコンデンサの中で、導電性高分子を固体電解質に用い、かつ、面実装対応にした表面実装型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が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。

この固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図るためには、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。

このような固体電解コンデンサの低ＥＳＲ化、低ＥＳＬ化を図った固体電解コンデンサとして、次の特許文献に開示された固体電解コンデンサが知られている。

特開２００８−１３５４２５号特開２００８−２９４０１２号

前述したように、この固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図るためには、固体電解コンデンサの構造として電流経路の長さを極力短くする方法が有効である。すなわち、固体電解コンデンサの静電容量部となるのは、誘電体酸化皮膜の界面であるが、この誘電体酸化皮膜の界面から、電流の取り出し口である、陽極電極、陰極電極までの距離が短いことが好適である。

また、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を利用するためには、陽極電極と陰極電極を近接させて、誘導磁界の相殺効果を高めることが有効となる。

この発明では、この二つのＥＳＬ低減要素を利用して低ＥＳＬを図ることで、過渡応答時に速やかに電力供給をすることができる固体電解コンデンサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、弁作用金属からなる陽極体の中央に形成した凹部の内面に誘電体酸化皮膜層、固体電解質層、陰極部が順次形成され、該凹部の周囲の陽極体を陽極部としたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を搭載する面と配線基板に面する実装面とを備え、コンデンサ素子を搭載する面には、前記コンデンサ素子の陽極部、陰極部とそれぞれ対応する導体が形成され、配線基板に面する実装面には、陰極電極とその陰極電極の周囲に陽極電極が形成されるとともに、前記導体が内部を貫通して陽極電極および陰極電極とそれぞれ電気的に接続された搭載基板と、からなる固体電解コンデンサを特徴とする。

この出願の請求項１に記載の発明によれば、コンデンサ素子の誘電体酸化皮膜から、電力の出口である陽極電極、陰極電極までの距離を短くすることができる。コンデンサ素子の誘電体酸化皮膜はコンデンサ素子の凹部に形成されており、この凹部から固体電解質層、陰極部を介して、コンデンサ素子の外部に電力の引き出し口が形成される。またコンデンサ素子は搭載基板を介して、固体電解コンデンサの外部に陰極電極が引き出される。このように、コンデンサ素子の誘電体酸化皮膜から、固体電解コンデンサの外部端子までの距離が極めて短いものとなる。また、誘電体酸化皮膜が形成された陽極体は、コンデンサ素子の陽極部および搭載基板の導体を介して、陽極電極として引き出される。このように、陽極、陰極とも固体電解コンデンサの内部での導電経路が短いために、固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図ることができる。

さらに、陰極電極の周囲に陽極電極が配置された電極配置としているため、陽極と陰極での誘導磁界の相殺が行われ、この点でも固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を図ることができる。

その上、固体電解コンデンサでの機械的脆弱部である誘電体酸化皮膜層、固体電解質層及び陰極部は、コンデンサ素子の凹部内に形成され、凹部の周囲のアルミニウム材と搭載基板によって囲まれて保護されるために、固体電解コンデンサに機械的ストレスが加わった際にも、誘電体酸化皮膜層、固体電解質層及び陰極部に機械的応力が加わることが緩和され、漏れ電流の上昇等の特性劣化を防止することができる。

以上のように、極めて薄型の固体電解コンデンサの構造でありながら、固体電解コンデンサの機械的強度を保てる構造であるとともに、固体電解コンデンサの低ＥＳＬ化を実現できる。

本発明の固体電解コンデンサの構造を示す断面図である。本発明の固体電解コンデンサの搭載基板を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明は、弁作用金属からなる陽極体の中央に形成した凹部の内面に誘電体酸化皮膜層、固体電解質層、陰極部が順次形成され、該凹部の周囲の陽極体を陽極部としたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を搭載する面と配線基板に面する実装面とを備え、コンデンサ素子を搭載する面には、前記コンデンサ素子の陽極部、陰極部とそれぞれ対応する導体が形成され、配線基板に面する実装面には、陰極電極とその陰極電極の周囲に陽極電極が形成されるとともに、前記導体が内部を貫通して陽極電極および陰極電極とそれぞれ電気的に接続された搭載基板とを備えた固体電解コンデンサである。

図１（ａ）には、本発明の固体電解コンデンサの断面図を示し、（ｂ）には、固体電解コンデンサをコンデンサ素子と搭載基板に分解した断面図を示している。

本発明で用いるコンデンサ素子１について、図１（ｂ）とともに説明する。まず、薄板状のアルミニウム材１１に切削、プレス、エッチング法等により所定の大きさの凹部をアルミニウム材１１の中央に形成する。さらにこの凹部の内面をエッチングにより拡面処理し、さらに陽極酸化することで誘電体酸化皮膜１２を形成する。次に陰極となる凹部の内面の誘電体酸化皮膜１２の上に導電性高分子からなる固体電解質層１３を形成し、続いて固体電解質層１３の上にグラファイト、銀ペーストを形成して陰極部１４とし、コンデンサ素子１としたものである。このコンデンサ素子１では、凹部の周囲のアルミニウム材１１が陽極部１５となる。

このようなコンデンサ素子１は、出発原料であるアルミニウム材１１の厚さを１００〜５００μｍ程度とし、エッチング層の厚さを２０〜３０μｍ、エッチング層の最上部からの凹部の深さを１５〜５０μｍ程度とすることで、薄型のコンデンサ素子を作成することができる。

このコンデンサ素子１の凹部の深さを浅く形成することで、誘電体酸化皮膜層１２からコンデンサ素子の電力の取り出し口である陰極部１４までの導電距離が短く、ＥＳＬ低減効果のためには好適である。しかし、凹部の内面には誘電体酸化皮膜層１２が形成され、この誘電体酸化皮膜層１２の上に固体電解質層１３、陰極部１４を順次形成するが、この固体電解質層１３と陰極部１４は、それぞれ凹部から突出しないようにすることが必要である。このため、固体電解質層１３の厚さを５〜１０μｍ程度の厚さに形成し、陰極部１４の厚さを１０〜１５μｍ程度に形成しても、それらが凹部から突出しないようにするためには、凹部の深さは１５〜５０μｍ程度の深さが必要となる。

また、凹部を１５〜５０μｍ程度の深さに形成するには、出発材料のアルミニウム材１１の厚さとしては１００μｍ程度の厚さが必要である。これよりも薄い場合には、凹部の形成の際に、アルミニウム材１１自体が変形したり、凹部を形成した後の陽極体の強度が極めて弱いものとなってしまう。

しかしながら、１００μｍの厚さのアルミニウム材１を使用してコンデンサ素子を形成した場合でも、その強度は必ずしも強いものとは言えない。そこで、このようなコンデンサ素子の強度を補強するためにコンデンサ素子の凹部の反対面には、アルミニウムよりも強度が高い鋼材を貼り付けて補強することも可能である。また、アルミニウム材の片面を予め陽極酸化処理して強度を高めておくこともできる。

なお、アルミニウム材１１の厚さを５００μｍ程度として、凹部を形成しても充分に強度が保てる場合には、鋼材の貼り付けや、陽極酸化処理による強度の向上は必要がなくなる。

ところで、コンデンサ素子の中では、誘電体酸化皮膜層および固体電解質層には、機械的ストレスが加わることを避ける必要がある。誘電体酸化皮膜層および固体電解質層に機械的ストレスが加わると誘電体酸化皮膜が損傷し、漏れ電流の増大を招くおそれがある他、固体電解質層に機械的ストレスが加わると、固体電解質層の導電率が低下してしまうおそれがある。しかし、このコンデンサ素子では、誘電体酸化皮膜層および固体電解質層は、陽極体の凹部の内部に形成されており、アルミニウム材１１によって囲まれて保護されるようになる。

次に、搭載基板２について説明する。搭載基板はガラスエポキシ基板等の絶縁基板２１をベースとし、下面に陽極電極２２及び陰極電極２３を備え、上面にはコンデンサ素子の陽極部、陰極部とそれぞれに接続される陽極導体２４，陰極導体２５を備えると共に、上面と裏面の陽極導体２６と陽極電極２４、陰極導体２５と陰極電極２３をそれぞれ導通させたものである。

また、搭載基板２の下面の電極の構成は、接続されるＣＰＵ等の仕様に併せて任意の形状に形成が可能であるが、コンデンサ素子の陽極部、陰極部の形状と同様に、図２（ｂ）に示すように陰極電極２３の周囲を陽極電極２２が取り囲むような電極の形状に形成することが好ましい。

搭載基板２の上面に形成した陽極導体２４、陰極導体２５は、コンデンサ素子１の陽極部１５、陰極部１４にそれぞれ合致した形状とすればよい。図２（ａ）には、搭載基板２の上面から見た斜視図を示している。先に示したコンデンサ素子１の構造のように、凹部に陰極部１４を形成し、凹部の周囲を陽極部１５としたコンデンサ素子１の形状に合致するように、搭載基板２の陰極導体２５を取り囲むように陽極導体２４が配置されている。

これらの陽極電極２２，陰極電極２３の厚さは全て同じ厚さとすることで、陽極電極２２および陰極電極２３の実装面が同一平面となり、プリント基板に実装する際に固体電解コンデンサを安定して搭載することができる。

また、このような陽極電極２２と陰極電極２３は、相互に近接させることで、陽極電極２２と陰極電極２３を流れる電流は反対向きとなるため、それぞれの電極を流れる電流によって発生する磁界が相殺され、ＥＳＬの低減が図れるようになる。

このような搭載基板のベースとなる絶縁基板は、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、絶縁基板の上に形成する陽極電極、陰極電極、導体はそれぞれ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３０〜１００μｍの厚さで形成することが可能である。

搭載基板２の上面の導体２４，２５と下面の電極２２、２３を導通させる方法としては、搭載基板２の所定箇所をレーザーによって穿穴し、その穴の内面をスルーホールメッキすることによって導通を図ることができる。この導通のためのスルーホールの位置、個数等は、固体電解コンデンサに要求される電流容量等の特性に応じて任意に設計可能である。

このような搭載基板では、コンデンサ素子の陽極部、陰極部から、電流の出口である搭載基板の陽極電極部、陰極電極部までの距離は、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、２００μｍ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り、この搭載基板に導体、電極の厚さを３０μｍの厚さで形成することが可能なことから、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部から搭載基板の陰極電極までの距離を極めて短くすることができる。このため、固体電解コンデンサのＥＳＬの低減を図ることができ、過渡応答時にＣＰＵ等に速やかに電力を供給することができる。

上記のようなコンデンサ素子１を搭載基板２に搭載し、コンデンサ素子１の陽極部１５と陰極部１４を搭載基板の陽極導体２４、陰極導体２４とそれぞれ導電性接着剤等で接合して固体電解コンデンサとする。このように導電性接着剤等によって、コンデンサ素子と搭載基板を接合すると、コンデンサ素子の陰極部へ加わる機械的ストレスを最小限のものとすることができる。陰極部１４の上に引き出し用の電極を形成する方法等は、陰極部１４、ひいては固体電解質層１３、誘電体酸化皮膜１２へ機械的ストレスが加わってしまう。

また、固体電解コンデンサの誘電体皮膜層、固体電解質層、陰極部は、搭載基板によって保護されており、製造時の機械的ストレスのみならず、実装時に固体電解コンデンサに応力が加わった場合でも、その応力を緩和し、コンデンサ素子内部に加わる応力を緩和することにもなる。

また、必要に応じて、コンデンサ素子をモールド樹脂でモールドすることも可能である。

前述したように、コンデンサ素子は１００μｍ程度の厚さであり、搭載基板は、両面の電極、導体層の厚さを含めて１４０μｍ程度の厚さであるために、最少で２４０μｍ程度の厚さの固体電解コンデンサを得ることができる。

Ｃ固体電解コンデンサ
１コンデンサ素子
１１アルミニウム材
１２酸化皮膜層
１３固体電解質層
１４陰極部
１５陽極部
２搭載基板
２１絶縁基材
２２陽極電極
２３陰極電極
２４陽極導体
２５陰極導体

Claims

弁作用金属からなる陽極体の中央に形成した凹部の内面に誘電体酸化皮膜層、固体電解質層、陰極部が順次形成され、該凹部の周囲の陽極体を陽極部としたコンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子を搭載する面と配線基板に面する実装面とを備え、コンデンサ素子を搭載する面には、前記コンデンサ素子の陽極部、陰極部とそれぞれ対応する導体が形成され、配線基板に面する実装面には、陰極電極とその陰極電極の周囲に陽極電極が形成されるとともに、前記導体が内部を貫通して陽極電極および陰極電極とそれぞれ電気的に接続された搭載基板と、
からなる固体電解コンデンサ。