JP2012069788A

JP2012069788A - 固体電解コンデンサ

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Publication number: JP2012069788A
Application number: JP2010214038A
Authority: JP
Inventors: Keiko Matsuoka; 桂子松岡
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP5623214B2; US20120075773A1; CN102420052A; US8559165B2; CN102420052B

Abstract

【課題】特性を向上できる固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】固体電解コンデンサは、陽極体１１と、誘電体層１２と、固体電解質層１３と、陰極層１４とを備え、陰極層１４は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である。誘電体層１２は、陽極体１１上に形成されている。固体電解質層１３は、誘電体層１２上に形成されている。陰極層１４は、固体電解質層１３に接するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は固体電解コンデンサに関する。

従来の固体電解コンデンサとして、たとえば特開２００９−１０２３８号公報（特許文献１）が挙げられる。図２は、特許文献１に開示の固体電解コンデンサの構成を示す概略断面図である。図２を参照して、特許文献１の固体電解コンデンサは、陽極体１と、陽極体１の表面に形成された誘電体層２と、誘電体層２の上に形成された導電性高分子層３と、導電性高分子層３の上に形成された陰極層４とを備えている。陰極層４は、導電性高分子層３上に形成され、かつカーボン粒子を含む層からなるカーボン層４ａと、カーボン層４ａ上に形成され、かつ銀粒子を含む層からなる銀ペースト層４ｂとを有している。

特開２００９−１０２３８号公報

特許文献１の固体電解コンデンサは、カーボン層４ａを有している。しかし、カーボン層４ａを形成する際に、カーボン層の厚みの制御は難しい。カーボン層４ａが厚く形成されると、外装被覆時にクラックが入りやすくなる。このため、固体電解コンデンサの特性が低下するという問題が生じる。

また、カーボン層４ａを形成せずに、導電性高分子層３に接するように銀ペースト層４ｂを形成する技術が考えられる。しかし、この場合には、導電性高分子層３と銀ペースト層４ｂとの間に隙間が生じる。このため、固体電解コンデンサの特性が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、特性を向上できる固体電解コンデンサを提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために、カーボン層を形成せずに銀ペースト層を形成する場合において、導電性高分子層と銀ペースト層との間に形成される隙間を低減する手段について鋭意研究した。その結果、銀ペースト層のバインダー樹脂として、イミド系ポリマーを用いることにより、カーボン層を形成しなくても、固体電解コンデンサの特性を向上できることを見出した。

すなわち、本発明の固体電解コンデンサは、陽極体と、誘電体層と、固体電解質層と、陰極層とを備え、陰極層は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である。誘電体層は、陽極体上に形成されている。固体電解質層は、誘電体層上に形成されている。陰極層は、固体電解質層に接するように形成されている。

本発明の固体電解コンデンサによれば、陰極層は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である。イミド系ポリマーは、固体電解質層とのなじみがよいので、カーボン層を形成しなくても銀ペースト層と固体電解質層との隙間を低減することができる。このため、陰極層と固体電解質層との隙間に起因した特性の劣化を抑制できる。さらに、カーボン層を省略できるので、カーボン層の形成に起因した特性の劣化を防止できる。したがって、特性を向上することができる固体電解コンデンサを実現できる。

上記固体電解コンデンサにおいて好ましくは、上記固体電解質層は、ポリピロールを含む。

ポリピロールを含む固体電解質層の表面は滑らかであるため、銀ペースト層を直接形成すると隙間が形成されやすい。しかし、イミド系ポリマーを銀ペースト層のバインダー樹脂として用いることにより、ポリピロールの固体電解質層に接する銀ペースト層を、隙間を低減して形成することができる。このため、固体電解質層がポリピロールを含む場合であっても、特性を向上することができる固体電解コンデンサを実現できる。

以上のように、本発明の固体電解コンデンサによれば、特性を向上することができる。

本発明の実施の形態における固体電解コンデンサの構成を概略的に示す断面図である。特許文献１の固体電解コンデンサの構成を概略的に示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態における固体電解コンデンサ１０の構成を概略的に示す断面図である。始めに、図１を参照して、本発明の一実施の形態における固体電解コンデンサ１０を説明する。

図１に示すように、固体電解コンデンサ１０は、陽極体１１と、誘電体層１２と、固体電解質層１３と、陰極層１４とを備えている。陽極体１１と、誘電体層１２と、固体電解質層１３と、陰極層１４とは、固体電解コンデンサ１０のコンデンサ素子を構成する。誘電体層１２は、陽極体１１上に形成され、本実施の形態では陽極体１１に接するように形成されている。固体電解質層１３は、誘電体層１２上に形成され、本実施の形態では誘電体層１２に接するように形成されている。陰極層１４は、固体電解質層１３に接するように形成されている。

陽極体１１は、たとえば弁作用金属の焼結体からなる。弁作用金属は、たとえばタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などである。焼結体は多孔質構造を有している。

誘電体層１２は、弁作用金属を化成処理することによって形成される酸化被膜である。たとえば、弁作用金属としてタンタルを用いた場合の誘電体層１２の組成は酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）となり、弁作用金属としてアルミニウムを用いた場合の誘電体層１２の組成は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）となる。

固体電解質層１３は、ポリピロール、ポリフラン、ポリアニリン等の導電性高分子材料や、ＴＣＮＱ錯塩（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）などにより構成される。固体電解質層１３はポリピロールを含むことが好ましく、ポリピロールからなることがより好ましい。また、固体電解質層１３は、電解重合法により形成されたポリピロールで構成されることが好ましい。電解重合法により形成されたポリピロールの表面は特に滑らかになる。

陰極層１４は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である。言い換えると、陰極層１４は、バインダー樹脂としてのイミド系ポリマーと、銀粒子とを含む。陰極層１４には、カーボン層は含まれない。

銀ペースト層を構成するイミド系ポリマーとしては、たとえば下記の化学式１で示される芳香族ポリイミドが挙げられる。なお、下記の化学式１においてＲおよびＲ’は、芳香族を意味する。

本実施の形態の固体電解コンデンサ１０は、陽極リード１５と、陽極端子１６と、陰極端子１７と、接着層１８とをさらに備えている。

陽極リード１５は、たとえばタンタルなどの金属からなる棒状体であり、その一端は陽極体１１に埋設されており、他端がコンデンサ素子の外部へ突出するように配置される。陽極端子１６は、溶接などにより、その一部が陽極リード１５に接続される。陰極端子１７は、導電性の接着剤からなる接着層１８を介して、コンデンサ素子の最外層である陰極層１４と接続するように配置される。陽極端子１６および陰極端子１７は、たとえば銅または銅合金などの金属で構成される。

また、本実施の形態の固体電解コンデンサ１０は、外装樹脂１９をさらに備えている。外装樹脂１９は、陽極端子１６の一部および陰極端子１７の一部が露出するように、陽極リード１５、陽極端子１６、陰極端子１７および接着層１８が配置されたコンデンサ素子を封止する。外装樹脂１９は、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。

続いて、図１を参照して、本実施の形態における固体電解コンデンサ１０の製造方法について説明する。

まず、陽極体１１を準備する。この工程では、たとえば弁作用金属の粉末である原料粉末を準備し、陽極リード１５の長手方向の一端側が原料粉末に埋め込まれた状態で、所望の形状になるように原料粉末を成形する。そして、成形された原料粉末を焼結することにより、陽極リード１５の一端側が埋め込まれた陽極体１１を形成できる。陽極リード１５と陽極体１１とは、同一の弁作用金属からなることが好ましい。

次に、陽極体１１上に誘電体層１２を形成する。この工程では、たとえば陽極体１１を硝酸やリン酸などの酸溶液中に浸漬し、電解化成を行なうことにより、陽極体１１の表層部に誘電体層１２を形成する。

次に、誘電体層１２上に固体電解質層１３を形成する。この工程では、電解重合法、化学重合法などにより、誘電体層１２上に導電性高分子からなる固体電解質層１３を形成する。固体電解質層１３は、電解重合法により形成することが好ましい。

電解重合法にて固体電解質層１３を形成する場合、たとえばモノマーとドーパントとを含む電解重合液中に誘電体層１２が形成された陽極体１１を浸漬し、陽極体１１を陽極として電解酸化する方法を採用することができる。

化学重合法にて固体電解質層１３を形成する場合、モノマーと酸化剤とドーパントとを含む化学重合液に、誘電体層１２が形成された陽極体１１を浸漬する方法、上記化学重合液を誘電体層１２が形成された陽極体１１に塗布する方法、モノマー溶液および酸化剤溶液の各々に誘電体層１２が形成された陽極体１１を浸漬する方法、モノマー溶液および酸化剤溶液の各々を誘電体層１２が形成された陽極体１１に塗布する方法などを採用することができる。

なお、上記化学重合法においては、必ずしも酸化剤とドーパントとを別の材料とする必要はなく、酸化剤とドーパントとを兼ねる材料を用いることもできる。また、上記化学重合液や電解重合液には、上記材料のほかに、界面活性剤などの添加剤を添加してもよい。さらに、上記化学重合の後に熱を加える熱化学重合を実施してもよい。

次に、固体電解質層１３上に、陰極層１４として、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層を形成する。この工程では、たとえば、固体電解質層１３上に、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層を塗布し、その後乾燥することにより、陰極層１４を形成する。銀ペースト層を塗布する方法は特に限定されいが、ディッピング、スクリーン印刷などを採用することができる。この陰極層１４を形成する工程では、カーボン層を形成する工程を省略する。これにより、コンデンサ素子を製造することができる。

次に、陽極端子１６および陰極端子１７の各々を、陽極体１１および陰極層１４に接続する。この工程では、たとえば銅または銅合金からなる陽極端子１６を陽極リード１５に接続するとともに、銅または銅合金からなる陰極端子１７を陰極層１４に接続する。陰極層１４と陰極端子１７とは、たとえば接着層１８により接続する。陽極端子１６と陽極リード１５とは、たとえば抵抗溶接により接続することができる。なお、陰極層１４と陰極端子１７とを抵抗溶接により接続してもよいし、陽極端子１６と陽極リード１５とを接着層１８により接続してもよい。

次に、外装樹脂１９で被覆する。この工程では、陽極端子１６および陰極端子１７の一部が外部に露出するように、コンデンサ素子を外装樹脂１９で被覆する。被覆する方法は、特に限定されないが、たとえばトランスファーモールド法などを採用することができる。その後、陽極端子１６および陰極端子１７のうち外装樹脂１９から露出している部分を外装樹脂１９に沿って折り曲げる。

以上の工程を実施することにより、図１に示す固体電解コンデンサ１０を製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態における固体電解コンデンサ１０およびその製造方法によれば、陰極層１４は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である。イミド系ポリマーは、固体電解質層１３とのなじみがよいので、カーボン層を形成しなくても陰極層１４と固体電解質層１３との隙間を低減することができる。このため、陰極層１４と固体電解質層１３との隙間に起因した特性の劣化を抑制できる。また、厚みの制御が難しく、強度の小さいカーボン層を省略できるので、カーボン層の形成に起因した特性の劣化を防止できる。したがって、信頼性や等価直列インダクタンス（ＥＳＬ：Equivalent Series Inductance）容量（Ｃａｐ）、漏れ電流（ＬＣ）などの特性を向上することができる。

さらに、カーボン層を形成する工程を省略できるので、製造コストを低減することもできる。

本実施の形態の固体電解コンデンサ１０およびその製造方法において好ましくは、固体電解質層１３は、ポリピロールを含む。ポリピロールを含む固体電解質層１３の表面は滑らかである。しかし、イミド系ポリマーを銀ペースト層のバインダー樹脂として用いることにより、アンカー効果により、ポリピロールの固体電解質層１３に接する銀ペースト層を、隙間を低減して形成することができる。このため、固体電解質層１３がポリピロールを含む場合であっても、特性を向上することができる固体電解コンデンサ１０を実現できる。

本実施例では、陰極層がイミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層であることの効果について調べた。

（本発明例１）
本発明例１は、基本的には上述した実施の形態の固体電解コンデンサの製造方法にしたがって図１に示す固体電解コンデンサ１０を製造した。

具体的には、まず、タンタル粉末を準備し、棒状体の陽極リード１５の長手方向の一端側をタンタル粉末に埋め込んだ状態で、タンタル粉末を直方体に成形した。そして、これを焼結して、陽極リード１５の一端が埋め込まれた陽極体１１を準備した。

次に、陽極体１１をリン酸溶液に浸して電圧を印加することにより、陽極体１１の表面にＴａ₂Ｏ₅からなる誘電体層１２を形成した。

次に、ポリピロールを電解重合液中に誘電体層１２が形成された陽極体１１を浸漬し、固体電解質層１３を形成した。その後、乾燥することで、誘電体層１２上に固体電解質層１３を形成した。

次に、平均粒径０．２〜１．０μｍの銀粉末と、溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル-２−ピロリドン）と、バインダー樹脂であるイミド系ポリマーとを有する銀ペーストを用いて、固体電解質層１３上に陰極層１４を形成した。

次に、陽極リード１５に陽極端子１６をスポット溶接にて接続し、陰極端子１７を導電性の接着層１８を介して陰極層１４に接続した。次に、全体を外装樹脂１９でモールド外装した。以上の工程により、図１に示すような本発明例１の固体電解コンデンサ１０を製造した。

（比較例１）
比較例１は、基本的には本発明例１の固体電解コンデンサ１０と同様に製造したが、カーボン層と銀ペースト層とが積層された陰極層を形成した点において異なっていた。具体的には、固体電解質層１３を形成した後に、固体電解質層１３上に、カーボン層を形成した。その後、カーボン層上に、バインダー樹脂として本発明例１と同様のイミド系樹脂を有する銀ペースト層を形成した。

（比較例２）
比較例２は、基本的には比較例１の固体電解コンデンサと同様に製造したが、陰極層として、エポキシ系樹脂をバインダー樹脂として有する銀ペースト層を形成した点において異なっていた。つまり、比較例２の固体電解コンデンサは、固体電解質層上に形成されたカーボン層と、カーボン層上に形成された銀ペースト層とを備え、銀ペースト層のバインダー樹脂はエポキシ系ポリマーであった。

（比較例３）
比較例３は、基本的には本発明例１の固体電解コンデンサ１０と同様に製造したが、陰極層として、エポキシ系樹脂をバインダー樹脂として有する銀ペースト層を形成した点において異なっていた。つまり、比較例３の固体電解コンデンサは、カーボン層を備えず、銀ペースト層のバインダー樹脂はイミド系ポリマーであった。

（評価方法）
本発明例１、および比較例１〜３の固体電解コンデンサについて、ＬＣＲメータを用いて、ＥＳＲを測定した。ＥＳＲの測定条件は、１００ｋＨｚとした。その結果を下記の表１に記載する。

（評価結果）
表１に示すように、カーボン層を備えず、かつ銀ペースト層のバインダー樹脂がイミド系ポリマーであった本発明例１は、カーボン層を備えていた比較例１および２よりもＥＳＲが向上していた。また、本発明例１は、カーボン層を備えず、かつバインダー樹脂がエポキシ樹脂であった比較例３よりもＥＳＲが大幅に向上していた。このことから、カーボン層を省略することでＥＳＲを向上することができ、かつバインダー樹脂としてイミド系樹脂を用いることでＥＳＲをさらに向上することができることがわかった。

以上より、本実施例によれば、陰極層がイミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層であることにより、カーボン層を形成しなくても、特性を向上できることが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０固体電解コンデンサ、１１陽極体、１２誘電体層、１３固体電解質層、１４陰極層、１５陽極リード、１６陽極端子、１７陰極端子、１８接着層、１９外装樹脂。

Claims

陽極体と、
前記陽極体上に形成された導電性高分子層と、
前記導電性高分子層上に形成された固体電解質層と、
前記固体電解質層に接するように形成された陰極層とを備え、
前記陰極層は、イミド系ポリマーをバインダー樹脂として有する銀ペースト層である、固体電解コンデンサ。
前記固体電解質層は、ポリピロールを含む、請求項１に記載の固体電解コンデンサ。