JP2013055225A

JP2013055225A - アルミニウム電解コンデンサ

Info

Publication number: JP2013055225A
Application number: JP2011192573A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuo; 隆司松尾
Original assignee: Hitachi AIC Inc
Current assignee: Lincstech Circuit Co Ltd
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】有底形の金属ケースに素子を収納したアルミニウム電解コンデンサにあって、コンデンサとしての絶縁性を維持しながら、放熱性が良好なアルミニウム電解コンデンサを得ることを目的としている。
【解決手段】本発明は、ケースの外底面に絶縁性の熱放射性または放熱性の樹脂組成物のポッティングの固化層を設けることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関するものである。特に、有底筒形の金属ケースを有するアルミニウム電解コンデンサに関するものである。

アルミニウム電解コンデンサは、表面をエッチング処理し化成による酸化膜を形成した陽極箔と、表面をエッチング処理し酸化膜を形成しない、あるいは低圧化成による酸化膜を形成した陰極箔とを電解紙等のセパレータを介して巻き回したコンデンサ素子に電解液を含浸し、このコンデンサ素子をアルミニウム製のケース内に収納後、陽極箔および陰極箔から引き出した引き出しリードタブを、蓋を貫通する外部端子にそれぞれ接続し、蓋をケースに取り付けて密閉した構造になっている。

特に最近の電子機器等に用いる電源は、小型化設計のため、その電源に使用されるアルミニウム電解コンデンサに、高いリップル電流を流すようになり、そのため、この高いリップル電流により、コンデンサが発熱し、高温状態になりやすい。また、アルミニウム電解コンデンサの寿命は、温度が高いほど短くなり、自己発熱を含めて温度を低く抑えることで長寿命化が可能となる。そのため、コンデンサ素子の巻芯部にヒートパイプを設ける場合があるが、構造が複雑になりやすい。

そこで、特許文献１には、放熱性に優れた電解コンデンサを得るのに、ケースの外底面に、電気的に絶縁性を有すると共に、熱伝導性を有する放熱シートの底板や、練り混ぜたものである放熱用のシリコンコンパウンド等の塗布底材を設ける電解コンデンサが提案されている。

特開２００４−２９６９５８号公報

しかし、ケースの外底面から放熱させるために、放熱シートを使用した場合、放熱シートとケースの外底面間の隙間をなくすために被着材料を介したり、シート形成用の材料を余分に添加したりして使用するため、放熱特性が充分ではなかった。また、ケースの外底面にヒートシンク等の被載置物と接触せずに開放系で使用する場合、放熱用のシリコンコンパウンドなどの練り混ぜものを塗布したものでは、経年的にはがれてしまうおそれも生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、コンデンサとしての絶縁性を維持しながら、大気中への放熱性が良好に維持するアルミニウム電解コンデンサを得ることを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記のアルミニウム電解コンデンサを提供するものである。
（１）有底筒形の金属ケースに素子を収納したアルミニウム電解コンデンサにあって、金属ケースの外底面の周辺からの絶縁性の熱放射性または放熱性の樹脂組成物のポッティング材の流出を防止する流出防止機能と、その流出防止機能より得られた、前記金属ケースの外底面に設けた前記ポッティング材の固化層を有することを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
（２）ポッティングの固化層がケースの外底面周辺に設けた流出防止材に囲まれていることを特徴とする上記（１）のアルミニウム電解コンデンサ
（３）ポッティングの固化層がケースの外底面の周辺部より低くしたへこみに設けられていることを特徴とする上記（１）のアルミニウム電解コンデンサ。
（４）外底面周辺部より低くしたへこみは、中央部がよりへこんだ曲線形状であることを特徴とする上記（３）のアルミニウム電解コンデンサ。

ケースの外底面に絶縁性の熱放射または放熱性の樹脂組成物のポッティング固化層を設けることにより、コンデンサとしての絶縁性を維持しながら、放熱性が良好に維持するアルミニウム電解コンデンサを得ることができる。

本発明のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。本発明の別のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。本発明の別のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。

本発明に述べるケースは、側面と底面を有し上面が開口したアルミニウム等の金属材からなり、外観的に円筒状や楕円筒状等の筒形に形成されている。ケース内側の底部は、中央にコンデンサ素子巻き芯の固定用の突起があってもよい。上面の開口部は、外部端子を導出した封口板により封口され、コンデンサ素子がケース内は密封される。
また、ケースの外表面または内外表面に凹凸を設けると、熱放射が改善する場合がありその点で好ましい。凹凸を設ける方法は、特に限定されず、エッチング、サンドブラスト等の公知の技術を用いることができる。

本発明に述べる素子は、表面をエッチング処理し化成による酸化膜を形成した陽極箔と、表面をエッチング処理し酸化膜を形成しない、あるいは低圧化成による酸化膜を形成した陰極箔とを陽極箔および陰極箔から引き出した引き出しリード取り付けながら電解紙等のセパレータを介して巻き回したもので、アルミニウム電解コンデンサで一般的に使用されるものである。

本発明に述べるポッティングの固化層は、ケースの外底面に直接設けた絶縁性の熱放射性または放熱性の樹脂組成物の層で、ポッティング材をケースの外底面を上にしてこの外底面中央付近に滴下してケースの外底面に展開し、加熱や硬化により固化したものである。特に、ポッティングの固化層の表面を直接ヒートシンクに接触させて使用する場合には、表面が平らであるほうがヒートシンクと広い面積で接触するため好ましい。なお、表面に凹凸ができてしまう場合には、ポッティングの固化層を形成中または後、研磨等により、ポッティングの固化層付きの、ケースの外底面の表面を平らにすることが好ましい。
厚さは、平均厚さとして１０μｍから３０００μｍ、好ましくは２０μｍから２０００μｍで、それより薄いと絶縁性が悪化し、厚いとポッティング材と基材との間でそったり剥離したりしやすい。

本発明に述べるポッティング材は、熱放射材または放熱材とバインダ、そして必要に応じて溶剤等からなる。
熱放射材としては、たとえば酸化クロム、酸化チタンＴｉＯ_２、炭化ケイ素、チタン複合酸化物ＭＴｉ_２Ｏ_３（Ｍ；Ｎｉ、Ｃｏ）、酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３、酸化シリコンＳｉＯ_２、クロマイトＦｅＣｒ_２Ｏ_４、マグネタイトＦｅ_３Ｏ_４、ＳｎＯ_２−Ｓｂ_２Ｏ_５、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂ ），チタン酸アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃・Ｔｉ₂Ｏ₃），β−スポジューメン（Ｌｉ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・４ＳｉＯ₂）、ＭｎＯ₂：６０％，Ｆｅ₂Ｏ₃：２０％，ＣｕＯ：１０％，ＣｏＯ：１０％の複合酸化物等が使用できる。
また、放熱材としては、たとえば窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、等の無機粉末充填剤、ガラス繊維、セラミックス繊維等の繊維質等が使用できる。また、鱗片状である窒化ホウ素、雲母、または平板状のタルク、マイカ等と粒子状であるアルミナ、シリカ、酸化チタン等を組み合わせることにより、面方向だけではなく厚さ方向の熱伝導率がさらに向上するので好ましい。
バインダとしては、たとえばシリコーン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アルキッド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリアミド樹脂など通常の樹脂が使用できる。
特に、バインダ自体が良好な熱伝導性を有する、ビフェニル基あるいはビフェニル誘導体を有するエポキシ樹脂モノマと、少なくともオルト位に水酸基が配置された二価以上のフェノール類又はその化合物を含有するエポキシ樹脂を使用すると、放熱性がより改善する。
また、液状エポキシ樹脂を使用するとポッティング材の低粘度化が容易に達成できる。また、液状エポキシ樹脂として、ビフェノールＦ型エポキシ樹脂を用いることにより、他の液状エポキシ樹脂に比較してポッティング作業性が向上する。また、硬化剤としても、酸無水物系のものを使用すると、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂よりも低粘度であり、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂と同量の添加量で硬化するため好ましい。
溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール等のアルコール類；アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類；テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルセロソルブ等のエーテル類；酢酸メチル、酢酸エーテル等のエステル類；ジメチルスルホキシド、スルホラン等のスルホキシド及びスルホン類；ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、トリクロロエタン等の脂肪族ハロゲン化炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレン、モノクロルベンゼン、ジクロルベンゼン等の芳香族類、高沸点芳香族ナフサ等が使用できる。
また、必要があれば、難燃剤、酸化防止剤表面平滑剤、紫外線吸収剤、粘度調整剤、硬化触媒、カーボンブラックを含む顔料分散剤、顔料沈降防止剤等を用いることができる。

本発明に述べる流出防止機能は、ケースの外底面を上にしてこの外底面中央付近に滴下されるポッティング材が、ケースの外底面よりケース側面側にこぼれ落ちるのを防止する手段で、ケースの外底面周辺または、外底面内側に設ける。
ケースの外底面周辺に設ける場合は、たとえば、ケースから一体的にまたは別に設けたダム状の障壁体や溝のような立体物のほか、ポッティング材をはじく撥油剤等で表面を改質することにより得られる。この立体物の表面をこのような改質材で改質するのがより効果的となる。
また、外底面内側に設ける場合は、ケースの中央部分をへこませ、そこにポッティング材を滴下してもよい。中央部がよりへこんだ曲線形状であると、ケースの内圧が上昇した場合にも曲線形状がアーチ状となっていてケースの外底面が外側に変形しようとするのを防止する。そのため、ポッティング材とケースの外底面と間の剥離が生じにくい。
ポッティングの固化層の表面を直接ヒートシンクに接触させて使用する場合には、流出防止体の高さが、ポッティング固化層の高さと同じか低いことが必要であるため、撥油剤のようなもので表面を改質するのが好ましいが、ダム状の障壁体が、弾性体または熱により変形可能な熱可塑性体であれば利用しやすい。また、粘着材付きリング状のシートを設け、ポッティング材を固化後、とりはずしてもよいし、また、ケース底部の側面に沿って、粘着材付きテープを貼り付けてもよく、ポッティングの固化層を設けた後、粘着材付きテープを取りはずしてもよい。粘着材付きリング状のシートまたは粘着材付きテープは、ポリイミド樹脂またはフッ素樹脂等の耐熱性または撥油性であるのが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。
本発明の電解コンデンサは、通常のアルミニウム電解コンデンサと同様に、電極箔を適当な幅に裁断された後、電極箔に引き出しリードタブ１を接続し、紙などのセパレータと共に捲回または積層されたコンデンサ素子２が、電解液と共に上面が開口したアルミニウム等の金属材からなり外観的に筒状に形成されているケース３内に収容し、ケース３開放部近くの側面に設けたくびれ部３aとケース３開放部先端をカールするカール部３ｂとで蓋４を挟み込んで封口されていて、電極箔から引き出された引き出しリードタブ１が、蓋４を貫通した外部端子５に接続されている構造になっている。
また、蓋４にはコンデンサの内部に向かって凸状の突起部分６を設け、コンデンサ素子２の揺れを防止することができる。
また、ケース３外底面に設けるポッティングの固化層７は、流出防止機能としてケースの外底面の周辺部に設けたポッティング材をはじく撥油剤のリング８により、ポッティング時にケースの外底面から流出を防止して、ポッティングの固化層７を形成している。
また、ケース３側面には、絶縁性のチューブ９をかぶせる場合が多い。

図２は、本発明の別のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。
ケース底面の周辺部３ｃを残して、内側にへこませ、へこませた部分にポッティングの固化層７を設けた以外図１と同様な構造例を示している。

図３は、本発明の別のアルミニウム電解コンデンサの断面図を示している。
ケース底面の周辺部３ｃを残して、図２と同様に内側にへこませていて、特に中央部がよりへこんだ曲線形状であることを示している。そして、へこませた部分にポッティングの固化層７を設けた以外図１と同様な構造例を示している。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、実施例は、定格４００Ｖ、５６００μＦのアルミニウム電解コンデンサを製造する場合について説明する。
先ず、ケースとポッティング材を準備する。
ケースは、円筒形で上面が開口した厚さ１．２ｍｍのアルミニウム材からなり、ケースの開放部側の側面に、蓋を止めるくびれを設けた。次に、脱脂後、ケースの底面部を上にして、ケースの底面部の周辺部に、幅３ｍｍのリング状にフッ素系の界面活性材を塗布した。
ポッティング材は、熱放射材として炭化ケイ素と酸化シリコンをそれぞれ１０ｗｔ％、バインダとしてシリコーン樹脂３０ｗｔ％、エポキシ樹脂１０ｗｔ％、溶剤としては、トルエン、ブタノール、キシレン、高沸点芳香族ナフサの混合液用いを混連した。
次に、ケースの底面部の塗布したフッ素系の界面活性材のリング内に、用意したポッティング材をポッティングし、１００℃で乾燥後、２００℃で３０分間加熱し、厚さ５０μｍの樹脂組成物を得た。
陽極箔は厚さ１００μｍのアルミニウム箔を処理して製造する。すなわち、このアルミニウム箔を直流エッチング法によって０．７μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化する。粗面化後、純水中でボイルする。ボイル後、ホウ酸の化成液中において、６００Ｖの化成電圧をかけて化成し、化成膜を形成する。化成処理後、安定化させるために、リン酸処理をし、その後、幅１２０ｍｍ、長さ８０００ｍｍの大きさに切断して、陽極箔とする。
また、陽極用引き出しリードタブには化成処理をしない厚さ１５０μｍ、幅１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍのアルミニウム箔を用いる。そしてこの陽極用リードタブの、１００ｍｍの長さの部分を陽極箔に２０００ｍｍおきに４枚、コールドウェルにより接続する。
陰極箔は、厚さ６０μｍのアルミニウム箔を塩酸と硫酸の混合酸からなる水溶液中に浸漬し、その表面を電解エッチング処理し、平均直径０．８μｍのエッチングピットを設け、２００μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化し、その後、リン酸処理をする。リン酸処理後、幅１２０ｍｍ、長さ８３００ｍｍの大きさに切断する。
陰極用引き出しリードタブは、アルミニウム箔を長さ１５０μｍ、幅１０００ｍｍに圧延し、次いで焼なまし、５００ｍｍの幅に切断した後、さらに幅１０ｍｍの大きさに切断して製造する。そしてこの陰極用リードタブを陰極箔に２０００ｍｍ間隔で４枚をコールドウェルにより接続する。
電解紙として、厚さ６０μｍ、幅１３０ｍｍ、密度０．６ｇ／ｍ^３のマニラ紙の電解紙と、厚さ３０μｍ、幅３０ｍｍ、密度０．７５ｇ／ｍ^３のクラフト紙を用いる。
陰極箔を電解紙から５ｍｍはみ出して、この電解紙を介して陽極箔と陰極箔とを積層して巻回し、コンデンサ素子を形成した。その後、有機酸系の電解液を含浸した。
電解液を含浸後、コンデンサ素子から引き出した陽極用引き出しリードタブ及び陰極用引き出しリードタブを、各々蓋に貫通して設けた陽極端子及び陰極端子に接続した。
次に、ケースにコンデンサ素子を収納した。収納後、蓋をケースの端に取り付けて、ケースを密閉した。なお、蓋には防爆弁が取り付けられている。ケースを密閉後、温度８５℃の雰囲気中に放置して４２５Ｖの電圧を加えてエージング処理し、アルミニウム電解コンデンサを得た。

エポキシ樹脂モノマ溶液とフェノールノボラック系硬化剤硬化剤溶液を混合撹拌して均一なワニスを作製し、この混合物４０ｗｔ％に、無機充填材として窒化アルミニウムと酸化アルミニウムをそれぞれ１０ｗｔ％、溶剤としては、ジメチルホルムアミドメチルイソブチルケトン混合液を加えて混練し、エポキシ樹脂ワニスのポッティング材を調製した。
ケースの底面部を上にして、ケース底面の周辺部を残して、内側に図２のように１００μｍへこませ、へこませた部分に用意したポッティング材をポッティングし、１００℃で乾燥後、１５０℃で３０分間加熱し、厚さ５０μｍの樹脂組成物を得た。それ以外は実施例１と同様に作成しアルミニウム電解コンデンサを得た。

ケースの底面部を上にして、ケース底面の周辺部を残して図３のような曲線形状にへこませ、内側中央部が１００μｍへこませた以外は実施例２と同様に作成しアルミニウム電解コンデンサを得た。

試料数は各４０個とした。実施例１、２、３および比較例としてポッティング材の層のないアルミニウム電解コンデンサにたいして、雰囲気温度４０℃、直流電圧３００Ｖ、交流分１２０Ｈｚ，リプル電流４０Ａｒｍｓで５時間後放置の条件で試験した。

表１から、実施例は、比較例と比べ、発熱温度に対して良好な結果を得た。

１…引き出しリードタブ、２…コンデンサ素子、３…ケース、３a…くびれ部、３ｂ…カール部、３ｃ…ケース底面の周辺部、４…蓋、５…外部端子、６…突起部分、７…ポッティングの固化層、８…リング、９…絶縁性のチューブ

Claims

有底筒形の金属ケースに素子を収納したアルミニウム電解コンデンサにあって、金属ケースの外底面の周辺からの絶縁性の熱放射性または放熱性の樹脂組成物のポッティング材の流出を防止する流出防止機能と、その流出防止機能より得られた、前記金属ケースの外底面に設けた前記ポッティング材の固化層を有することを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
ポッティングの固化層がケースの外底面の周辺に設けた出防止材に囲まれていることを特徴とする請求項１のアルミニウム電解コンデンサ。
ポッティングの固化層がケースの外底面の周辺部より低くしたへこみに設けられていることを特徴とする請求項１のアルミニウム電解コンデンサ。
外底面周辺部より低くしたへこみは、中央部がよりへこんだ曲線形状であることを特徴とする請求項３のアルミニウム電解コンデンサ。