JP2011159659A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】製品体積に占める陽極体の体積効率の改善した固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】表面の一部に陽極部を有した弁作用金属からなる多孔質の陽極体と、前記陽極体の前記陽極部を除く表面に形成された誘電体皮膜と、前記誘電体皮膜の表面に形成された固体電解質と、前記固体電解質層の表面に順次、形成されたグラファイト層、銀ペースト層とを備えたコンデンサ素子と、前記陽極部と接続される陽極端子、および前記銀ペースト層に導電性接着剤を介して接続される陰極端子とを有する基板とを備えた固体電解コンデンサであって、前記陽極部は前記多孔質の陽極体が凸状に隆起している部分であり、前記陽極端子と対向する前記陽極部の凸状の面に、前記弁作用金属からなる陽極箔を配置し、前記陽極箔の表面にめっき層を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解コンデンサに関するものである。

現在、世界経済の急速な発展に伴い、ＰＣを始め、電気機器の高性能化が進んでいる。特にＣＰＵ等の電源においては、高周波帯域（ＧＨｚ以上）で使用されていることから、コンデンサの等価直列抵抗（以下ＥＳＲと称す）及び等価直列インダクタンス（以下ＥＳＬと称す）の低減化が求められている。また、電源の高安定化も求められており、大容量化の必要性も高まっているため、コンデンサの製品体積に占める、陽極体の体積の割合、すなわち体積効率の向上が要望されている。

従来技術の固体電解コンデンサの構造を図面を用いて説明する。

図２（ａ）は、従来の固体電解コンデンサのコンデンサ素子の断面図、図２（ｂ）は従来の固体電解コンデンサの製品断面図の一例である。

ここで、従来技術のコンデンサの製造工程を述べる。弁作用金属である粉末をプレス機にてプレス成型する。この時、陽極リード４は、事前に金型に埋め込まれ、最終的に多孔質の陽極体１は陽極リード４が多孔質の陽極体１の任意の面から導出される形で得られる。その後、その陽極体１を焼結し、化成処理を施し、電気的方法により誘電体皮膜３を形成する。その表面に二酸化マンガンあるいは、導電性高分子からなる固体電解質層６を形成する。その後、グラファイトペースト層７、銀ペースト層８を順次形成した陰極層を形成し、コンデンサ素子１４を構成する。

次に陽極端子（陽極リードフレームとも言う）１０と陽極リード４とを溶接により、接続させる。コンデンサ素子の陰極層については、外表面の陰極層と陰極端子（陰極リードフレームとも言う）１３とを導電性接着剤１２を用いて接続させる。

この時、陰極側、陽極側の各端子に用いる材料には、金、銅、亜鉛、パラジウム、スズの何れか１つまたは複数を含んだめっきを施している。

その後、陰極端子１３、陽極端子１０の一部分を除いた固体電解コンデンサの、ほぼ全体を外装樹脂１５で覆う。図２（ｂ）に示すように従来構造は、外装樹脂で覆った後、接続した陽極端子１０及び陰極端子１３を折り曲げ、完成させる。

続いて、図３は基板端子構造における従来技術の固体電解コンデンサの製品断面図の一例である。図３の基板端子構造をもつ固体電解コンデンサは、コンデンサ素子１４を構成した後、陽極リード４と金属片１７とを溶接により接続し、基板１６の上に導電性接着剤１２で接続する。陰極層は、導電性接着剤１２で基板上の陰極端子１３と接続し、固体電解コンデンサを完成させる。

ここで、固体電解コンデンサの製品の外形寸法に対するコンデンサ素子の体積効率を向上させるための技術や固体電解コンデンサの大容量化が種々開示されている。

特許文献１に記載の技術によれば、陽極リードを短く切断し、基板上に、陽極導電板及
びめっき層を形成し、抵抗溶接にて陽極リードを溶接している。陰極は、陽極リードを植立させた側の両側に導電性接着剤を用いて陰極導電板に接続し、体積効率を改善する技術が開示されている。

また、特許文献２に記載の技術によれば、陽極箔を用いて陽極を形成した後、陽極を引き出す部位に陽極リードを接続させ、陽極板に導出した陽極リードを接続させる。陰極は、陽極箔の上に固体電解質層、グラファイト層さらに銀ペースト層を形成した後、銀ペースト層部に陰極リードを接続させ、陰極板に導出した陰極リードを接続させて素子を並列に複数個収納させて、大容量化を図る技術が開示されている。

特開２００４−２８１７１５号公報 特開平０３−１２５４１８号公報

しかしながら、従来の技術では、陽極及び陰極をコンデンサの外部に取り出すために、リードフレームや陽極リードがそのまま用いられることから、体積効率が不十分であり、更なる改善が望まれている。

そこで、本発明は、固体電解コンデンサの陽極体を含めたコンデンサ素子の構造や基板における電極端子との接続方法に着目し、体積効率を改善した固体電解コンデンサを提供することを目的とする。

本発明の固体電解コンデンサは、表面の一部に陽極部を有した弁作用金属からなる多孔質の陽極体と、前記陽極体の前記陽極部を除く表面に形成された誘電体皮膜と、前記誘電体皮膜の表面に形成された固体電解質と、前記固体電解質層の表面に順次、形成されたグラファイト層、銀ペースト層とを備えたコンデンサ素子と、前記陽極部と接続される陽極端子、および前記銀ペースト層に導電性接着剤を介して接続される陰極端子とを有する基板とを備えた固体電解コンデンサであって、前記陽極部は 前記多孔質の陽極体が凸状に隆起している部分であり、前記陽極端子と対向する前記陽極部の凸状の面に、前記弁作用金属からなる陽極箔を配置し、前記陽極箔の表面にめっき層が形成されたことを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサは、前記めっき層と前記陽極端子が、加工後に３００℃以下の耐熱温度を備えるはんだで接続されたことを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサは２端子、または３端子で構成されることを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサによれば、コンデンサ素子の陽極体に配置した陽極箔にめっきを施した構造によって、陽極リードを用いず、直接、電極端子を備えた基板に接続することにより、陽極体の体積効率を改善した固体電解コンデンサを供給することが可能である。したがって、従来の固体電解コンデンサに対して体積効率が改善されることにより、静電容量の大容量化に寄与するものとなる。

本発明の固体電解コンデンサによれば、高温はんだを用いることによって従来技術である抵抗溶接等を用いずに陽極部の接続が行えるため、抵抗溶接では懸念されていた大電流による過負荷による、漏れ電流の発生を大幅に抑えることができる。また、高温はんだを用いることで、リフロー時に接続部分が電気的に不良となり、接続抵抗が無限大になる状態、すなわちオープン不良の発生を防止することができる。

また、陽極リードを用いないため、端子間の距離の短縮化につながることから、ＥＳＲ及びＥＳＬの改善にも寄与する。

本発明の固体電解コンデンサによれば、コンデンサ素子の陽極体に配置した陽極箔にめっきを施した構造によって、陽極リードを用いず、直接、電極端子を備えた基板に接続することにより、陽極体の体積効率を改善した固体電解コンデンサを供給することが可能である。したがって、従来の固体電解コンデンサに対して体積効率が改善されることにより、静電容量の大容量化に寄与するものとなる。

本発明の固体電解コンデンサの実施の形態を説明する図であり、図１（ａ）は、本発明の固体電解コンデンサの陽極体の平面図（化成処理段階の状態）であり、図１（ｂ）は、本発明の固体電解コンデンサの陽極体の正面図（化成処理段階の状態）であり、図１（ｃ）は、本発明の固体電解コンデンサの製品の断面図である。 従来の固体電解コンデンサを説明する図であり、図２（ａ）は、従来の固体電解コンデンサのコンデンサ素子の断面図、図２（ｂ）は従来の固体電解コンデンサの製品断面図である。 従来の固体電解コンデンサの基板端子構造を説明する製品断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の固体電解コンデンサの実施の形態は図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図１（ｃ）を使って説明する。

まず、タンタル等の弁作用金属粉末の成型体の少なくともひとつの面に、同種の弁作用金属からなる箔（陽極箔２）を配置させた陽極体１を作製する。この時、陽極体１は成型金型の形状によって、陽極箔２が配置された部分を含む面が凸状に隆起した形に成型され、その部分が電極端子である陽極端子１０に接続される、いわゆる陽極部として機能することになる。尚、その陽極箔２は陽極体１が成型される際の成型圧力で、陽極部の表面に圧着された状態となっている。

また、図１（ｂ）に示すように、陽極体１の内部から同種の弁作用金属のワイヤが植立され、その弁作用金属のワイヤは陽極箔２の中央付近に設けられた孔から導出されている。この陽極体１は５００℃から２０００℃で真空焼結される。

次に図１（ｃ）に示すように陽極体１の表面に誘電体皮膜３を形成する。その後、図１（ａ）、（ｂ）に示すように陽極箔２の表面には、固体電解質層を形成する際に使用するポリマー等の這い上がり防止用として絶縁皮膜５をエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等で形成する。

そして、図１（ｃ）に示すように前の工程で形成した誘電体皮膜３の表面に、固体電解質層６を形成し、更に固体電解質層６の表面にグラファイトペースト層７及び銀ペースト層８を順次形成し陰極層を備えた、コンデンサ素子を得る。

続いて、陽極箔２のほぼ全面が露出するように絶縁皮膜５をＹＡＧレーザ等で除去する。この時、陽極箔２の表面に形成されていた誘電体皮膜３も同時に除去することにより陽極箔２の面が活性になり、表面処理等を行いやすい状態にする。

その後、導電性接着剤等との接着性を向上させるために、陽極箔２の表面にめっき９を施す。尚、コンデンサ素子の局部に存在する陽極箔２に対してのめっきであるため、手法としては筆めっき等が有効である。筆めっきとは電気めっき技術を利用した部分めっきであり、めっき液を筆やスポンジなどに吸収させて、陽極とし、陰極にした品物をこすってめっきする方法である。

めっき９の種類はニッケル−パラジウム−金（Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕ）、ニッケル−亜鉛（Ｎｉ−Ｚｎ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、ニッケル−スズ（Ｎｉ−Ｓｎ）、ニッケル−銀（Ｎｉ−Ａｇ）等で実施し、めっき層の合計の厚みは２〜５μｍ程度である。

めっき９を実施した後、陽極リードを切断する。切断位置は陽極リードの根元である、めっき９の表面から極力、近接した位置が望ましい。その理由としては切断後の陽極リードの長さが短いほど、静電容量の増加に寄与する実質的な陽極体１の高さの寸法（陽極リードが植立した面に垂直な、陽極体１の寸法方向）を大きくすることが可能になるためである。

そして、表面にめっき９が施された陽極箔２をＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕ等を主成分とした高温はんだ１１等を用いて基板上の陽極端子１０に接続し、更にコンデンサ素子の表面の銀ペースト層８からなる陰極層を導電性接着剤１２で、基板上の陰極端子１３に接続する。尚、高温はんだ１１はＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕ等の複合材で２００℃以上の熱で溶融し、一度、硬化してしまうと３００℃でも再溶融しない、はんだのことを指す。

この時、めっき９を施した陽極箔２と陽極端子１０の接続に高温はんだ１１を用いることにより、接続の時に陽極箔２に加わる負荷が大幅に緩和され、陽極体１の破損によるＬＣ（漏れ電流）等の発生を抑制することができる。また、高温はんだ１１を用いることで、オープン不良の発生を防止することができる。この高温はんだ１１における材質については、２００℃以上の熱で溶融し、一度硬化した後は３００℃でも再溶融しない、はんだであれば、特に限定するものではない。

また、固体電解コンデンサに対する電気特性の要求等を満足する場合であれば、めっき９を施した陽極箔２と陽極端子１０の接続する手段として高温はんだ１１の代わりに、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を結合剤とした導電性接着剤を用いてもかまわない。

また、陽極体１における、陽極箔２を配置する面については、陽極部の面が望ましいが、コンデンサ素子が得られた状態で、陰極端子１３と陽極端子１０とに接続することが可能であれば、特に限定するものではない。

以下に本発明の固体電解コンデンサの実施例を実施の形態で用いた図１（ａ）、図１（ｂ）、及び図１（ｃ）を使って説明をする。

（実施例１）
図１（ａ）に示すように、直径がφ０．３７ｍｍの弁作用金属のタンタルワイヤーからなる陽極リード４をプレス成型機の金型に重充填された、同種の弁作用金属からなるタンタル粉に埋め込み、寸法が縦１３．５ｍｍ、横３．６ｍｍ、高さ０．９ｍｍの直方体に成型した。

この時、厚さ０．１ｍｍのタンタル箔のロールから、縦４．０ｍｍ、横３．０ｍｍ、大きさに打ち抜いていたタンタル箔（陽極箔２）を、前述したタンタル粉からなる直方体の上面（縦１３．５ｍｍ×横３．６ｍｍの面）の中央部に、あらかじめ配置していた。その陽極箔２が成型時に金型の成型圧力でタンタル粉と圧着され、その陽極箔２が張り付いた面と、ほぼ同等の面積を持った面が凸状に隆起した形状を有した成型体が得られた。

尚、陽極箔２の中央部には孔が設けており、その孔よりタンタルワイヤーを導出させている。その後、このタンタル粉からなる成形体を真空焼結し、陽極体１を得た。そして、６０℃のリン酸液に浸し、電圧を１６Ｖで設定維持し、４時間の処理を行い、誘電体皮膜３を得た。

続いて這い上がり防止として絶縁体であるシリコーン樹脂を陽極体１の陽極箔２の表面に１０μｍの厚みになるように塗布し、同様に陽極リード４に対しても、陽極箔２より導出した根元から１．０ｍｍのところまで塗布し、１５０℃の１８０分間で加熱し乾燥させ、絶縁皮膜５を得た。その後、再度、６０℃のリン酸に再び浸し、１６Ｖで２時間、化成処理を行った。

次に、図１（ｃ）に示すように、パラトルエンスルホン酸第二鉄及び３，４−エチレンジオキシチオフェンを用いて固体電解層６を形成させた。この時、固体電解層６の膜厚は、２０μｍ（片側）である。その上に２０μｍ（片側）のグラファイトペースト層７及び６０μｍ（片側）の銀ペースト層８を順次形成し、陰極層を備えたコンデンサ素子を得た。

前述した固体電解質層６に関しては、化学重合により形成した導電性高分子だけでなく、スラリーポリマー、電解重合による導電性高分子、及び熱分解による二酸化マンガン層を設けることで形成しても良い。また、単一的な方法だけでなく、二酸化マンガンと化学重合の組み合わせや化学重合とスラリーポリマーとの組み合わせ等において実施しても良い。

続いて、上記で陰極層まで形成した後、ポリマー這い上がり防止用のため形成していた絶縁皮膜５を陽極箔２の中央付近の縦３．５ｍｍ、横３．０ｍｍの範囲で除去した。絶縁皮膜５の除去はミヤチ製ＹＡＧレーザ装置ＭＬ−７０６４Ａを用いて４０〜６０Ｗの出力にて行った。これにより、陽極箔２の表面に形成されていた誘電体皮膜３も同時に除去することにより陽極箔２の面が活性になり、表面処理等を行いやすい状態にすることができた。

その後、陽極箔２の露出部にめっき９を施した。めっき処理方法は、筆めっきを用いて実施した。尚、めっき９はＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕの三層にし、各層の膜厚の合計が２から４μｍになるように電流を印加し実施した。

この後、陽極リード４は、陽極リード４の根元である、めっき９が形成された陽極箔２の接触面より高さ０．２ｍｍの位置で切断した。この場合、切断位置は陽極リードの根元であるめっき９の表面から極力、近接した位置が望ましいことは実施の形態で述べたが、切断の際の切断冶具の接触により、めっき９を施した陽極箔２の破壊や、更にはその下に存在する多孔質の陽極体１の破損を発生させないように注意を要する。これは製品での漏れ電流の発生を防止する上でも重要である。

そして、図１（ｃ）に示すように陽極リード４を切断しためっき９の面を下にした状態で、基板１６に設けられた陽極端子１０に高温はんだ１１を用いて接続した。

それと同時に、コンデンサ素子の表面の陰極層と基板１６に設けられた陰極端子１３を導電性接着材１２で接続した。

尚、基板１６は予め両面に夫々陽極端子１０と陰極端子１３を有しており、めっき９を施した陽極箔２と高温はんだ１１を介して接続する陽極端子１０と、基板１６の反対面に設けられた陽極端子１０はビア１８で電気的に接続されている。陰極端子１３についても同様であり、基板１６の両面の陰極端子１３間がビア１８で接続されている。

その後、ガラスフィラーを含有したエポキシ系の外装樹脂１５にて外部基板に接続される側の基板１６の面を除いて、コンデンサ素子等をモールド成型し、本発明の固体電解コンデンサを５個得た。製品寸法は縦４．５ｍｍ、横３．５ｍｍ、高さ０．９ｍｍである。

（実施例２）
さらに、本発明の実施例２（図示なし）として、３端子構造とした固体電解コンデンサも５個作製した。コンデンサ素子の構造は実施例１と同様の構成とし、めっきを施した陽極箔を基板に設けられた陽極端子に高温はんだを用いて接続し、同時に、負極側の２つの端子となる陰極層の両端を導電性接着剤を用いて基板に設けられた陰極端子に導電性接着材で接続した。

（比較例１）
比較例１として図２に示したリードフレームを用いた固体電解コンデンサを５個作製
した。

（比較例２）
比較例２として図３に示した基板端子構造の固体電解コンデンサを５個作製した。

尚、比較例１、比較例２ともコンデンサ素子の構造は前述した従来の技術と同様に構成
させており、陽極リード４を導出させ、各層を形成させたものであるので工程の詳細は省略する。製品寸法は本発明と同等の寸法である。

続いて、本発明と比較例の固体電解コンデンサの評価結果を説明する。評価としては、まず、製品寸法に対する陽極体が占める割合である体積効率を比較した。更にコンデンサとしてのコンデンサ素子の静電容量の比較も行った。尚、静電容量の測定に関しては、ＤＣバイアス電圧１．５Ｖに設定し２．５Ｖで測定した。

本発明と従来技術の結果を表１に示す。

※ 体積効率＝（陽極体の体積／製品体積）×１００
※ 比較例１を基準（１００％）とした場合で比較。

まず、表１から伺えるように実施例１の本発明の固体電解コンデンサ（２端子構造）は従来技術の固体電解コンデンサ（比較例１、２）と比較して、体積効率が向上した。また、電気的特性における静電容量についても、改善された。

また、３端子構造とした実施例２の固体電解コンデンサにおいても、実施例１と同等の結果が得られた。これらの結果から本発明における効果が大きいことが伺える。

本発明の固体電解コンデンサによれば、コンデンサ素子の陽極体に配置した陽極箔にめっきを施した構造によって、陽極リードを用いず、直接、電極端子を備えた基板に接続することにより、陽極体の製品体積に対する体積効率を大幅に改善した固体電解コンデンサを供給することが可能である。したがって、固体電解コンデンサに対して体積効率が改善されることにより、静電容量の大容量化に寄与するものとなる。

以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

１ 陽極体
２ 陽極箔
３ 誘電体皮膜
４ 陽極リード
５ 絶縁皮膜
６ 固体電解質層
７ グラファイトペースト層
８ 銀ペースト層
９ めっき
１０ 陽極端子
１１ 高温はんだ
１２ 導電性接着剤
１３ 陰極端子
１４ コンデンサ素子
１５ 外装樹脂
１６ 基板
１７ 金属片
１８ ビア

Claims (3)

1. 表面の一部に陽極部を有した弁作用金属からなる多孔質の陽極体と、前記陽極体の前記陽極部を除く表面に形成された誘電体皮膜と、前記誘電体皮膜の表面に形成された固体電解質と、前記固体電解質層の表面に順次、形成されたグラファイト層、銀ペースト層とを備えたコンデンサ素子と、前記陽極部と接続される陽極端子、および前記銀ペースト層に導電性接着剤を介して接続される陰極端子とを有する基板とを備えた固体電解コンデンサであって、前記陽極部は 前記多孔質の陽極体が凸状に隆起している部分であり、前記陽極端子と対向する前記陽極部の凸状の面に、前記弁作用金属からなる陽極箔を配置し、前記陽極箔の表面にめっき層が形成されたことを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記めっき層と前記陽極端子が、加工後に３００℃以下の耐熱温度を備えるはんだで接続されたことを特徴とする請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
3. 前記固体電解コンデンサは２端子または３端子で構成されることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の固体電解コンデンサ。

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