JP2011155279A - アルミニウム電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】封口体に工夫を加えることにより、Ｓｎウィスカの成長を押さえ込み、仮にＳｎウィスカが発生したとしても、外部に飛散しないようにする。
【解決手段】表面に錫を含むメッキ層を有しタブ端子の丸棒部２１ｂの端部に溶接される外部引出リード線２２とを備え、外部引出リード線２２が端子挿通孔５から外装ケース外に引き出されるアルミニウム電解コンデンサにおいて、封口ゴム４の端子挿通孔５に、タブ端子の丸棒部２１ｂが嵌合される丸棒嵌合孔５１と、外部引出リード線２２が挿通されるリード線挿通孔５２とを含ませ、リード線挿通孔５２の孔径を外部引出リード線２２の直径よりも小径として溶接部２３を外部と遮断するとともに、丸棒嵌合孔５１とリード線挿通孔５２との間に、外部引出リード線２２の溶接部からのウィスカの発生および成長を抑制するため、溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部５３を備える構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関し、さらに詳しく言えば、リード端子の鉛フリー化に伴って発生するＳｎ（錫）ウィスカ対策に関するものである。

アルミニウム電解コンデンサでは、コンデンサ素子を構成するアルミニウム材からなる陽極箔と陰極箔とにリード端子が取り付けられ、そのリード端子が外装ケースの開口部を封止している封口体を貫通して外部に引き出される。

通常、リード端子には、アルミニウムの棒材の一端側に羽子板状に押し潰された扁平部を有し、他端側が丸棒部とされたタブ端子が用いられるが、回路基板にはんだ付け可能とするため、タブ端子の丸棒部には、外部引出リード線として表面にメッキ層を有する銅被覆鋼線（ＣＰ線）が溶接される。

近年の環境保護の観点から、リード端子においても鉛フリー化に対応するため、多くの場合、Ｓｎ１００％メッキの銅被覆鋼線が用いられている。そのＳｎメッキ厚は１２μｍ程度で、通常、その表面からＳｎのウィスカ（ヒゲ状の結晶体）の発生は見られない。

しかしながら、タブ端子の丸棒部と外部引出リード線との溶接部では、Ａｌ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｆｅなどが混在し、特にアルミニウム層が外気に晒されると、水和や酸化反応などによりＳｎ層に応力が働き、Ｓｎウィスカが猛烈な勢いで発生することが知られている。

リード端子は、封口体に穿設されている端子挿通孔を通して外部に引き出されるが、従来において、端子挿通孔はその全体が上記丸棒部とほぼ同一径であり、溶接部が外部に露出し外気に晒される構造とされているため、Ｓｎウィスカが成長しやすく、また、その成長が著しい場合には、ウィスカが回路基板上に飛散し、最悪の場合、電子回路をショートさせる危険性がある。

Ｓｎウィスカの発生原因となる異種金属のＳｎへの応力を緩和するため、例えば特許文献１に記載の発明では、メッキ層となるＳｎにＢｉ（ビスマス）を含有させることが提案されている。これによれば、Ｓｎウィスカの成長がある程度抑えられるものの、すべてのリード端子について、同じ効果が得られるまでには至っていない。

特開２０００−１２３８６号公報

したがって、本発明の課題は、封口体にほとんどコストアップを伴わない工夫を加えることにより、Ｓｎウィスカの成長を押さえ込み、仮にＳｎウィスカが発生したとしても、外部に飛散しないようにすることにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ともにリード端子が取り付けられたアルミニウム材からなる陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してなるコンデンサ素子と、上記コンデンサ素子が所定の電解物質とともに収納される有底筒状の外装ケースと、上記リード端子用の端子挿通孔が穿設されていて上記外装ケースの開口部に装着される封口ゴムとを含み、上記リード端子が、扁平部と丸棒部とを有するアルミニウム材からなるタブ端子と、表面にメッキ層を有し上記丸棒部の端部に溶接される外部引出リード線とを備え、上記リード端子が上記端子挿通孔内に挿通され、上記外部引出リード線が上記外装ケース外に引き出されるアルミニウム電解コンデンサにおいて、上記封口ゴムの端子挿通孔には、上記タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、上記丸棒嵌合孔に連通していて上記外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とが含まれ、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径よりも小径であるとともに、上記丸棒嵌合孔と上記リード線挿通孔との間に、上記外部引出リード線の溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部を備えていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１において、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径に対して７０〜９９．９％であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２において、上記リード線挿通孔の軸長が０．２ｍｍ以上であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、上記請求項１ないし３のいずれか１項において、上記リード線挿通孔の軸長が上記封口ゴムの厚さの２０％以上であることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、封口ゴムの端子挿通孔に、タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、丸棒嵌合孔に連通していて外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とを含ませ、リード線挿通孔の孔径を外部引出リード線の直径よりも小径としたことにより、外部引出リード線の溶接部が外部と遮断され、外気に直接的に晒されないため、Ｓｎメッキ層を有する場合におけるＳｎウィスカの発生を抑制することができる。また、丸棒嵌合孔とリード線挿通孔との間に外部引出リード線の溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部を備えることにより、仮にＳｎウィスカが発生したとしても、その成長を押さえ込むことができる。

リード線挿通孔の孔径を外部引出リード線の直径に対して７０〜９９．９％とする請求項２に記載の発明によれば、リード線を折り曲げることなく、また、コンデンサ素子に対してストレスをかけることなく、外部引出リード線をリード線挿通孔に挿通することができる。

リード線挿通孔の軸長を０．２ｍｍ以上とする請求項３に記載の発明によれば、Ｓｎウィスカが最大に成長したとしても、封口ゴムが突き破られることがない。

リード線挿通孔の軸長を封口ゴムの厚さの２０％以上とする請求項４に記載の発明によれば、封口ゴムの封止性を良好に維持でき、また、組立時の生産性を良好なものとすることができる。

本発明のアルミニウム電解コンデンサの基本的な構成を示す模式的な断面図。 上記アルミニウム電解コンデンサに用いられるリード端子を示す斜視図。 本発明の要部を示す断面図。 Ｓｎウィスカの成長長さを示すグラフ。 長さが３０μｍ以上のＳｎウィスカ発生率を示す示すグラフ。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１の断面図に示すように、このアルミニウム電解コンデンサは、一対のリード端子２，２を有するコンデンサ素子１を備える。コンデンサ素子１は、図２に示すように、リード端子２が取り付けられたアルミニウム材からなる陽極箔１ａと陰極箔１ｂとを図示しないセパレータ紙を介して渦巻き状に巻回することにより形成される。

コンデンサ素子１は、有底円筒状の外装ケース３内に所定の電解物質を伴って収納され、外装ケース３の開口部は、封口ゴム４によって封口される。封口ゴム４には、端子挿通孔５，５が穿設されており、この端子挿通孔５，５を通してリード端子２，２の各先端部が外部に引き出される。

実際には、封口ゴム４は先にリード端子２，２に取り付けられた状態で、コンデンサ素子１とともに外装ケース３内に収納され、その後形成される外装ケース３の横絞り溝３ａと、外装ケース３の端縁３ｂのかしめによって外装ケース３の開口部内に気密的に固定される。

外装ケース３は、通常よく用いられるアルミニウムケースであってよい。封口ゴム４には、ブチルゴムなどが用いられてよく、特殊なゴム材である必要はない。また、電解物質には、通常、水系もしくは有機系の液状電解質が用いられるが、固体電解質が用いられてもよい。

図２に示すように、リード端子２には、タブ端子２１と外部引出リード線２２とが含まれている。タブ端子２１はアルミニウム材からなり、羽子板状にプレス成型された扁平部２１ａと丸棒部２１ｂとを備える。

この種のタブ端子２１は、アルミニウムの丸棒材を所定長さに切断し、その一端側をプレスすることにより得ることができ、扁平部２１ａがかしめ針もしくは溶接などにより陽極箔１ａと陰極箔１ｂとに取り付けられる。

外部引出リード線２２には、通常、銅被覆鋼線（ＣＰ線）が用いられる。外部引出リード線２２は、回路基板に対するハンダ付け性を良好とするため、表面にメッキ層を備えるが、Ｐｂ（鉛）フリー化の場合、そのメッキ層には主としてＳｎ１００％メッキもしくはＳｎ／Ｂｉ（０．５％）メッキなどが適用される。

外部引出リード線２２は、タブ端子２１の丸棒部２１ｂよりも小径で、丸棒部２１ｂのの端面に溶接される。その溶接部に参照符号２３を付す。表面のメッキ層がＳｎ１００％メッキである場合、溶接部２３以外のメッキ層は安定しているが、溶接部２３では、Ａｌ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ｆｅなどが混在しており、外気に晒されると、Ａｌの水和や酸化反応によりＳｎ層に応力が働き、Ｓｎウィスカ（ヒゲ状の結晶体）２３ａが猛烈な勢いで発生し成長する。Ｓｎ／Ｂｉ（０．５％）メッキにおいても、Ｓｎ１００％よりはウィスカの成長は緩和されるが、同様にウィスカは発生する。

溶接部２３でのＳｎウィスカ２３ａの発生および成長を抑えるため、本発明では、端子挿通孔５を図３に示すような構成とする。図３はリード端子２の溶接部２３の部分とともに端子挿通孔５を拡大して示す断面図で、端子挿通孔５は、丸棒部２１ｂが嵌合される大径の丸棒嵌合孔５１と、外部引出リード線２２が挿通される小径のリード線挿通孔５２と、それらの間に形成される溶接部収納部５３とを備える。

丸棒嵌合孔５１，溶接部収納部５３およびリード線挿通孔５２は、同軸的に連通している。丸棒嵌合孔５１は、丸棒部２１ｂの直径とほぼ同径もしくは若干小径の孔であってよい。これに対して、リード線挿通孔５２は、溶接部２３を外部と遮断するため、外部引出リード線２２よりも小径とする。

リード線挿通孔５２を小径にするにしても、あまり小さくすると、外部引出リード線２２を挿通する際に、リード線が折れ曲がったり、コンデンサ素子１にストレスが加わり特性劣化を引き起こすおそれがあるため、外部引出リード線２２の直径をφ１，リード線挿通孔５２の内径をφ２として、φ２はφ１の７０〜９９．９％（特には８０〜９０％）であることが好ましい。なお、リード線の挿通性を良好とするには、リード線の先端部を加熱溶融して丸みを付けることも有効である。

また、Ｓｎウィスカ２３ａは、６０℃，相対湿度９５％，１０００時間の耐湿貯蔵で最大２００μｍまで成長することが知られている。このため、リード線挿通孔５２の軸長（深さ）Ｌは、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。このことは、リード端子２を端子挿通孔５内に挿通した場合、溶接部２３の下端から封口ゴム４の下面までの肉厚が０．２ｍｍ以上必要であることを意味している。

なお、リード線挿通孔５２での封止性および組立時の生産性の観点からすれば、リード線挿通孔５２の軸長Ｌは、封口ゴム４の厚さの２０％以上とすることが好ましい。

溶接部収納部５３は、Ｓｎウィスカ２３ａの発生および成長を抑制するため、大径の丸棒嵌合孔５１と小径のリード線挿通孔５２との間で、溶接部２３に密着するように漏斗状に形成される。

上記した構成によれば、リード端子２を端子挿通孔５に挿通すると、リード線挿通孔５２により溶接部２３が外部と遮断され、また、溶接部２３には溶接部収納部５３の内面が密着することになるため、溶接部２３でのＳｎウィスカ２３ａが発生しにくくなり、仮にＳｎウィスカ２３ａが発生したとしても、その成長が押さえ込まれ、コンデンサ外部に飛散するまでには至らない。したがって、回路基板に実装した場合、長期にわたって電子回路のショート発生を未然に防止することができる。

図３を参照して、本発明例として、リード端子２の外部引出リード線２２に、表面にＳｎ１００％のメッキ層を有する直径０．４５ｍｍの銅被覆鋼線を用い、端子挿通孔５のリード線挿通孔５２の内径を０．３６ｍｍ（０．４５ｍｍの８０％）として、１０Ｖ１００μＦ（外径６．３ｍｍ，軸長５．０ｍｍ）のアルミニウム電解コンデンサを２０個試作した。

比較例は、端子挿通孔５が全長にわたって丸棒部２１ｂとほぼ同一径で溶接部２３が外部に露出している１０Ｖ１００μＦ（外径６．３ｍｍ，軸長５．０ｍｍ）のアルミニウム電解コンデンサである（試作数２０個）。

本発明例および比較例ともに、６０℃，相対湿度９５％，１０００時間の耐湿貯蔵試験を行って、Ｓｎウィスカの成長および長さが３０μｍ以上のＳｎウィスカ発生率を観測した。この観測は、２００時間，４００時間，６００時間，８００時間，１０００時間ごとに行ったが、本発明例では外部から溶接部が見えないため、各時間ごとに４個を抽出し、溶接部２３を覆っているゴムを取り除いてウィスカの長さを計測した。

Ｓｎウィスカの長さの観測結果を図４に示す。これから分かるように、比較例では溶接部２３が湿度雰囲気に晒されているため、溶接部２３でのＳｎメッキ層に対する応力が働き、Ｓｎウィスカの成長が激しく、８００時間経過時点で２００μｍにも達した。これに対して、本発明例では溶接部２３が湿度雰囲気と遮断されているため、Ｓｎウィスカの最大長さは比較例の１／６程度に抑えられ、溶接部２３が直接外気に触れていない効果がでている。

次に、長さが３０μｍ以上のＳｎウィスカ発生率の観測結果を図５に示す。比較例では、時間を追って長さが３０μｍ以上のＳｎウィスカ発生率が増え、８００時間経過時点では、その発生率が約６０％にも達した。これに対して、本発明例では、４００時間経過後で長さが３０μｍ以上のＳｎウィスカ発生率は約５％であり、その後はＳｎウィスカが成長せず、１０００時間に至るまで、発生率約５％を維持している。

以上説明したように、本発明によれば、Ｐｂフリー化の要請から、外部引出リード線に例えばＳｎ１００％メッキのリード線を使用する場合に問題とされていたウィスカの成長を押さえ込み、仮にＳｎウィスカが発生したとしても、外部に飛散しないようにすることができるため、回路基板に長期間にわたって安心して実装できる高信頼性のアルミニウム電解コンデンサが提供され、その産業上の利用可能性は大である。

１ コンデンサ素子
２ リード端子
２１ タブ端子
２１ａ 扁平部
２１ｂ 丸棒部
２２ 外部引出リード線
２３ 溶接部
３ 外装ケース
４ 封口ゴム
５ 端子挿通孔
５１ 丸棒嵌合孔
５２ リード線挿通孔
５３ 溶接部収納部

Claims (4)

1. ともにリード端子が取り付けられたアルミニウム材からなる陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してなるコンデンサ素子と、上記コンデンサ素子が所定の電解物質とともに収納される有底筒状の外装ケースと、上記リード端子用の端子挿通孔が穿設されていて上記外装ケースの開口部に装着される封口ゴムとを含み、上記リード端子が、扁平部と丸棒部とを有するアルミニウム材からなるタブ端子と、表面にメッキ層を有し上記丸棒部の端部に溶接される外部引出リード線とを備え、上記リード端子が上記端子挿通孔内に挿通され、上記外部引出リード線が上記外装ケース外に引き出されるアルミニウム電解コンデンサにおいて、
   上記封口ゴムの端子挿通孔には、上記タブ端子の丸棒部が嵌合される丸棒嵌合孔と、上記丸棒嵌合孔に連通していて上記外部引出リード線が挿通されるリード線挿通孔とが含まれ、上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径よりも小径であるとともに、上記丸棒嵌合孔と上記リード線挿通孔との間に、上記外部引出リード線の溶接部に密着するように形成された漏斗状の溶接部収納部を備えていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
2. 上記リード線挿通孔の孔径が、上記外部引出リード線の直径に対して７０〜９９．９％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム電解コンデンサ。
3. 上記リード線挿通孔の軸長が、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム電解コンデンサ。
4. 上記リード線挿通孔の軸長が、上記封口ゴムの厚さの２０％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアルミニウム電解コンデンサ。

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