JP2011243898A

JP2011243898A - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP2011243898A
Application number: JP2010117012A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Taguchi; 和浩田口
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】短絡電流などの異常に大きな電流が、固体電解コンデンサに流れた場合に、コンデンサ素子の発煙・発火を防止し、安全性に優れる製品を提供する。
【解決手段】陽極リードが引き出された弁作用金属よりなる表面が多孔質を有する陽極体と、ワイヤー根元部にコーティングされた撥水層３、前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成された導電性高分子からなる固体電解質層６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ペースト層７と銀ペースト層８とを備えた固体電解コンデンサであって、撥水層３の上に難燃層３ａ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。

従来、固体電解コンデンサは、タンタルなどの弁作用金属の箔やワイヤーからなる陽極リードが引き出された、弁作用金属の粉末を成形して得られた成型体が陽極体となる。陽極体は多孔質であり、陽極リードの根元部にシリコンなどの撥水剤をコーティングした後、陽極体の表面に誘電体層を形成し、更にその上に固体電解質層である導電性高分子層を形成した後、陰極引き出し層としてグラファイトペースト層を形成する。更に陰極層として、銀ペースト層をグラファイトペースト層の表面に形成し、コンデンサ素子が得られる。その後、コンデンサ素子は外部基板と接続するための外部端子を形成するリードフレームに接続される。そして、外部端子の一部を残して外装樹脂にて製品形状にモールド成型される。

図３は従来の固体電解コンデンサのコンデンサ素子の一例を示したもので、陽極リード２ａが引き出された弁作用金属からなる陽極体４があり、陽極リード２ａが引き出された根元部にシリコンなどの撥水剤をコーティングした撥水層３を形成後、陽極体４の表面に誘電体層（図示省略）を形成し、更にその表面に導電性高分子層として固体電解質層６を形成した後、陰極引き出し層としてグラファイトペースト層７を形成する。更に陰極層として、銀ペースト層８をグラファイトペースト層７の表面に形成し、コンデンサ素子が得られる。

ところで、この種の固体電解コンデンサは、万が一、誤接続や故障があった場合、コンデンサ素子が発熱することがある。

特許文献１ではカーボン層と陰極導電層の間には熱で絶縁化する導電層が形成され、短絡時、その発生するジュール熱により抵抗が増大して導電層が絶縁化し、短絡時の過度の発熱が抑制されて焼損が防止される固体電解コンデンサの技術が記載されている。

特許文献２では外部陽極リードに溶接固定される陽極リードを植設したコンデンサ素子と、陰極リードをハンダ層を介してコンデンサ素子の外周陰極面に電気的に接続し、前記、ハンダ層の表面にフラックス層を塗布してヒューズ機能を付与した固体電解コンデンサの技術が記載されている。

特許文献３では弁作用金属からなる焼結体に酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜に固体電解質層及び集電体層を順次積層した固体電解コンデンサにおいて、集電体層中に、難燃剤の粉末が添加された固体電解コンデンサの技術が記載されている。

特許文献４では難燃剤粉末が、グラファイト層及び銀ペースト層の集電体中に添加されている固体電解コンデンサの技術が記載されている。

特許文献５では弁作用金属からなる焼結体に酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜に固体電解質層及び集電体層を順次積層した固体電解コンデンサにおいて、固体電解質層中に、難燃剤の粉末が分散している固体電解コンデンサの技術が記載されている。

特許文献６ではエポキシ樹脂（Ａ）、フェノール系樹脂（Ｂ）、硬化促進剤（Ｃ）、無機充填材（Ｄ）および硬化した熱硬化性の樹脂で表面被覆処理された水酸化アルミニウム（Ｅ）を必須成分とするエポキシ樹脂組成物を用いて、タンタルコンデンサを封止する技術が記載されている。

特開平０７−２０１６５８号公報特開平０８−２２７８３０号公報特開平０９−１２９５２０号公報特開２００９−２３１３１９号公報特開２００９−２２４６７３号公報特開２００２−３６７８６９号公報

従来技術は、誤接続や故障時のコンデンサ素子の発熱による焼損の影響を抑制する対策に関し、固体電解質層、グラファイト層、及び銀ペースト層等に難燃剤を添加する技術であり、発熱元となる可能性の高いコンデンサ素子の内部（陽極体と誘電体層等）から遠く、十分な効果が発揮できない恐れがある。また、固体電解コンデンサは更なる大容量化が望まれており、固体電解質層、グラファイト層及び銀ペースト層等に対して内部抵抗等を増加させる難燃剤の添加は体積効率を低下させ、それらの要求に相反するものである。

また、難燃剤の主成分である金属水酸化物やハロゲン化物を陽極体に含有することにより、コンデンサの耐圧劣化を起こすことが知られている。このことから、従来技術の様に難燃剤を固体電解質層、グラファイト層、及び銀ペースト層に添加することは、コンデンサ自体の電気特性等に影響を及ぼしてしまう。

更にコンデンサを難燃剤が配合された外装樹脂を用いて樹脂外装を行う技術に関してはコストを増加させてしまう要因となり適用が制限されている。

そこで、本発明の目的は、誤接続や故障時のコンデンサ素子の発熱による焼損の影響を抑制する対策を行っても、コンデンサ自体の特性に影響を及ぼさず、コスト的にも有利な固体電解コンデンサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の固体電解コンデンサは、陽極リードが導出された表面を多孔質化した弁作用金属からなる陽極体と、前記陽極リードの根元部および前記陽極リードが導出されている前記陽極体の面の表面をすべて覆うように形成された撥水剤からなる撥水層と、前記撥水層に覆われた面を除いた前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成された導電性高分子からなる固体電解質層と、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ペースト層及び銀ペースト層とを備えた固体電解コンデンサであって、前記撥水層の上に難燃剤からなる難燃層を形成したことを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサは、前記難燃層に金属水酸化物、リン化合物、ハロゲン化物、窒素化合物の少なくともひとつを用いることを特徴とする。

本発明は、固体電解コンデンサにおいて、誤接続や故障時のコンデンサ素子の発熱による焼損の影響を抑制する対策を行っても、コンデンサ自体の特性に影響を及ぼさず、コスト的にも有利な固体電解コンデンサを提供することができる。

本発明に係る固体電解コンデンサのコンデンサ素子の模式断面図本発明に係る固体電解コンデンサの断面図従来の固体電解コンデンサのコンデンサ素子の模式断面図

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る固体電解コンデンサのコンデンサ素子の模式断面図であり、図２は本発明に係る固体電解コンデンサの断面図である。

本発明の多孔質体２の形成工程は、タンタルなどの弁作用金属の粉末を調合した後、プレス成形し、焼結を行う工程からなる。

まず、粉末調合として、弁作用金属としてのタンタル粉末にプレス成形性を向上させるためにバインダーを添加して混合する。次に、前述したタンタル混合粉末の中に陽極リード２ａを挿入し円柱状または直方体状にプレス成形する。そして、そのプレス成形品を高真空中にて焼結し多孔質体２を得る。

続いて、固体電解質等を形成する際に用いる溶液の這い上がり防止を目的としたフッ素樹脂やシリコンなどの材料を用いた撥水剤を陽極リード２ａが引き出された根元部付近にコーティング後、焼付けて撥水層３を形成する。

その後、粉末状の難燃剤を用いて難燃層３ａを撥水層３の上に形成する。その方法としては、タンタル粉末をプレス成形する場合と同様であり、任意の量の難燃剤の粉末を成形用の金型に導入して加圧成形することにより撥水層３の上に難燃層３ａを形成することが可能となる。この時、プレス成形性を良好にするためにバインダー等を混合しても構わない。

難燃層３ａの厚みに関しては、難燃剤の粉末を成形した時に形成される空隙が及ぼす焼損防止の効果に対する影響等を考慮し０．０３ｍｍ以上が望ましく、陽極リード２ａとリードフレームの溶接点は陽極体４の端部から０．５ｍｍであり、難燃層３ａが溶接点にかかると、溶接できない不具合が発生するため厚みは０．３ｍｍ以内にすることが望ましい。

誘電体層５の形成は、タンタルからなる多孔質体２を陽極リード２ａとともにリン酸などの電解液中に浸漬し、電圧を印加することによって多孔質体２の表面に誘電体層５となるタンタル酸化皮膜を形成し陽極体４とする。

尚、難燃剤としては、金属水酸化物、リン化合物、ハロゲン化物、窒素化合物を用いることが可能であるが、環境汚染や健康障害の懸念を考慮する上で、金属水酸化物である水酸化マグネシウム、又は水酸化アルミニウムが好適である。

形成する難燃層３ａの大きさはコンデンサ素子サイズに対して適宜調整することができ、焼損防止の効果やプレス成形のし易さ、コンデンサ素子の製品に対する体積効率等を考慮し決定することが望ましい。

その後、固体電解質層６として前工程で形成された陽極体４の内部及び表面の誘電体層５の上にポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等を化学酸化重合により形成する。

続いて固体電解質層６の上に陰極の引き出し層として、グラファイトペースト層７を形成する。

更にグラファイトペースト層７の上に銀ペースト層８を形成する。グラファイトペースト層７と銀ペースト層８をあわせて陰極層と呼んでいる。

次に、固体電解コンデンサの陽極側のリードフレーム１０を陽極リード２ａの先端部にスポット溶接にて接合し、また、銀ペースト層８に陰極側のリードフレーム１０を導電性接着剤９によって接合する。最後に全体を外装樹脂１１でモールド外装し、リードフレーム１０を折り曲げてタンタル固体電解コンデンサを完成させる。

以上により本発明の固体電解コンデンサは、難燃層を撥水層の表面に形成することによって、万が一、誤接続や故障があり固体電解コンデンサがショート（短絡）に至り、発熱が発生した場合でも、難燃層を形成している金属酸化物の発熱時の反応による結晶水の放出により焼損を防止でき、コンデンサ自体の特性に影響を及ぼさず、コスト的にも有利な固体電解コンデンサを提供することができる。

次に、この発明のより具体的な実施例について図１及び図２を用いて説明する。

本発明の実施例として次のような工程によって、定格電圧６．３Ｖ、定格容量１００μＦの固体電解コンデンサを製造した。以下に本発明の実施例を詳述する。

（実施例１）
まず、図１に示すようにタンタルワイヤー（直径０．２９ｍｍ）が埋め込まれたタンタル粉末（約８０ｋＣＶ／ｇ）からなるプレス密度６．０（ｇ／ｃｍ^３）に調整した寸法２．２０（ｍｍ）×１．２０（ｍｍ）×１．７２（ｍｍ）からなる直方体のプレス成形体を、約１２００〜１３００℃で焼結し、形状が２．０７（ｍｍ）×１．１２（ｍｍ）×１．６０（ｍｍ）の多孔質体２を作製した。

続いて、陽極リード２ａの根元部に、撥水層３としてシリコン樹脂を塗布した後に１５０℃で１８０分間の加熱乾燥を実施した。

次に難燃剤として、金属水酸化物である水酸化マグネシウムを０．１ｍｇを金型にそれぞれ導入して、更にプレス成形することにより撥水層３の上に難燃層３ａを成形した。この時、難燃層３ａの最も薄い部分の厚みは平均０．０３ｍｍであった。

タンタルからなる多孔質体２を陽極として、陽極リード２ａとともに０．６ｍａｓｓ％、８５℃のリン酸などの電解液中に浸漬し、約１６Ｖの電圧を印加することによって多孔質体２の表面に誘電体層５となるタンタル酸化皮膜を形成し、これを陽極体４とした。

次に、この陽極体４を酸化剤溶液に浸漬した。酸化剤溶液は純水等の所定溶媒にスルホン酸塩を２０ｍａｓｓ％溶解した溶液を用いた。

酸化剤水溶液中で５分間浸漬した後、陽極体４を酸化剤溶液から引き上げ、さらに室温で３０分間放置した。その後重合性モノマー溶液として３、４−エチレンジオキシチオフェンの中に１秒間浸漬した後、コンデンサ素子を重合性モノマー溶液から引き上げて、室温で６０分間以上放置することにより化学酸化重合を行った。

このようにしてコンデンサ素子を得るために陽極体４の内部を構成する陽極酸化被膜上に導電性高分子層を形成した後、質量比１：１に混合したポリチオフェン、アクリル樹脂をジエチレングリコール中に分散させ、固形分量を５ｍａｓｓ％、粘度を１００ｍＰａ・ｓに調整した導電性高分子溶液に１分間浸漬した後１５０℃，３０分間乾燥したことにより、コンデンサ素子の内部の固体電解質層６を形成した。

その上に再度酸化剤溶液に浸漬した。酸化剤溶液はエチルアルコール等の所定の溶媒にスルホン酸塩３５ｍａｓｓ％を溶解した溶液を用いた。

酸化剤溶液中で１分間浸漬した後、陽極体４を酸化剤溶液から引き上げ、さらに室温で６０分放置した。その後、重合性モノマー溶液として３、４−エチレンジオキシチオフェンの中に１秒間浸漬した後、重合性モノマー溶液から引き上げて、室温で６０分間放置することにより化学酸化重合を行い、コンデンサ素子の外部の固体電解質層６を形成した。

次に、このコンデンサ素子の固体電解質層６の上に、グラファイトペースト層７を液浸漬し、１００℃、６０分以内で乾燥し、１０μｍ程度になるよう形成した。

更にその上に銀ペースト層８を液浸漬し、１２５℃、３０分以内で乾燥し、１０〜２０μｍになるように形成した。

次に陽極側のリードフレーム１０を陽極リード２ａの先端部にスポット溶接にて接合し、また銀ペースト層８に陰極側のリードフレーム１０を導電性接着剤９によって接合した。最後に全体をエポキシ樹脂からなる外装樹脂１１でモールド外装し、外装樹脂に沿ってリードフレーム１０を折り曲げて、固体電解コンデンサ１を５０個完成させた。

（実施例２）
金属水酸化物である水酸化マグネシウムを１ｍｇ導入して、難燃層３ａを成形した以外は実施例１と同条件で同数の固体電解コンデンサを作製した。この時、難燃層３ａの最も薄い部分の厚みは平均０．１ｍｍであった。

（実施例３）
金属水酸化物である水酸化マグネシウムを５ｍｇ導入して、難燃層３ａを成形した以外は実施例１と同条件で同数の固体電解コンデンサを作製した。この時、難燃層３ａの最も薄い部分の厚みは平均０．１５ｍｍであった。

（実施例４）
金属水酸化物である水酸化マグネシウムを１０ｍｇ導入して、難燃層３ａを成形した以外は実施例１と同条件で同数の固体電解コンデンサを作製した。この時、難燃層３ａの最も薄い部分の厚みは平均０．２ｍｍであった。

（比較例）
比較例として、従来の技術である固体電解コンデンサも５０個作製した。尚、比較例のコンデンサ素子は難燃層３ａを備えない撥水層３のみを有した固体電解コンデンサを形成した。他の製造工程は本発明の実施例の工程と同様とした。

次に、上記のようにして製作した本発明の固体電解コンデンサと従来の技術による固体電解コンデンサにおいて、発火確認試験を行った。各コンデンサをプリント基板に実装した後、陽極酸化電圧の２倍である３２Ｖの過電圧を印加してコンデンサ素子を短絡し、５Ａの過電流を印加した状態で、コンデンサ素子が発煙・発火するか否かを確認した。表１に、各固体電解コンデンサにおける評価結果をまとめた。なお試験には各水準５０個を使用し、コンデンサ素子が発煙に至った数（発煙数）及びコンデンサ素子が発火に至った数（発火数）をカウントした。尚、３２Ｖの過電圧および５Ａの過電流の印加は通常の固体電解コンデンサに対する使用状態では実現されない過酷な条件（破壊試験）である。

表１より、前述の条件で確認試験を行った結果、本発明の実施例で製作された固体電解コンデンサは、従来品よりも発煙・発火を防止する効果を有することが確認できた。

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、当事者であれば、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固体電解コンデンサ
２多孔質体
２ａ陽極リード
３撥水層
３ａ難燃層
４陽極体
５誘電体層
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導電性接着剤
１０リードフレーム
１１外装樹脂

Claims

陽極リードが導出された表面を多孔質化した弁作用金属からなる陽極体と、前記陽極リードの根元部および前記陽極リードが導出されている前記陽極体の面の表面をすべて覆うように形成された撥水剤からなる撥水層と、前記撥水層に覆われた面を除いた前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成された導電性高分子からなる固体電解質層と、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ペースト層及び銀ペースト層とを備えた固体電解コンデンサであって、前記撥水層の上に難燃剤からなる難燃層を形成したことを特徴とする固体電解コンデンサ。
前記難燃層は、金属水酸化物、リン化合物、ハロゲン化物、窒素化合物の少なくともひとつを用いる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。