JP2013131627A - 固体電解コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波溶接を実施する場合に、陽極部の切断が生じ難く、信頼性の向上が図れ、かつ体積効率を向上した固体電解コンデンサとその製造方法を提供する。
【解決手段】 コンデンサ素子１１は積層されるとともに、陽極部５と陰極部４とが、それぞれ陽極端子１７と陰極端子１８とに電気的に接続され、絶縁材料により全面を覆う外装１０を備えた固体電解コンデンサ１５であって、陽極部５は、陽極端子１７と接続される端部に溶接部１２を備え、溶接部１２と絶縁部３の間に、陽極部５の一部を束ねた集束部１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解コンデンサ及びその製造方法に関するものである。

従来からタンタル、ニオブ等の弁作用金属を用いた固体電解コンデンサは、小型で静電容量が大きく、周波数特性に優れることから、ＣＰＵ等の高速で動作するデバイスのスイッチング電源回路等に広く使用されている。

近年、携帯型電子機器の発展に伴い、特に固体電解コンデンサの小型化及び薄型化が進んでいる。さらに、コスト低減のために、エッチングしたアルミニウムの箔や板を用いたコンデンサ素子を複数枚積み重ねた固体電解コンデンサが使用されている。

ここで、固体電解コンデンサの構造の一例を説明する。図６は、従来の固体電解コンデンサの構成を説明する概略断面図である。

図６に示すように、陽極素体３１は、表面に誘電体層（図示せず）を設けた多孔質層３２を有する平板状のアルミニウム箔等からなる。陽極素体３１の表面の一部には、絶縁樹脂からなる絶縁部３３が帯状に設けられ、陰極部３４と陽極部３５とに分離される。陰極部３４は、誘電体層の表面に、固体電解質層３６、グラファイト層３７、銀ペースト層３８が順次形成されている。陽極部３５は、多孔質層３２が除去されたアルミニウムの金属芯部からなる。絶縁部３３で分離された陽極部３５と陰極部３４からなるコンデンサ素子４１は、それぞれ導電性接着剤３９で接続され、積層される。

さらに積層された陽極部３５は、電極端子である陽極端子４２と溶接等で電気的に接続され、同様に積層された陰極部３４は、電極端子である陰極端子４３と導電性接着剤３９で接続されている。その後、エポキシ樹脂等からなる外装４０で覆い、積層型の固体電解コンデンサ４５が得られる。

固体電解コンデンサにおいて、陽極部と陽極端子の接続状態を良好にすることは、製品における歩留まりを改善する上で重要であり、溶接における様々な検討が進められている。

特許文献１には、固体電解コンデンサにおいて、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増加を抑制するために、アルミニウム箔からなる複数のコンデンサ素子の陽極部と陽極端子を接続する際に、貫通孔を設けた陽極端子に、抵抗溶接で接続する技術が提案されている。この構造は、抵抗溶接を用いて接続する場合、貫通孔に電流が集中し、溶接の強度の向上やＥＳＲを低減する効果がある。

また、特許文献２には、固体電解コンデンサおよびその製造方法において、アルミニウム箔からなるコンデンサ素子の陽極部における破断を抑制するために、陽極部において、酸化皮膜層を有した多孔質層を圧縮した層を形成し、レーザ溶接で接続する技術が提案されている。

金属の箔を接続する溶接方法として、抵抗溶接やレーザ溶接の他に超音波溶接がある。超音波溶接は、アルミニウム箔などの金属の箔を電気的に接続する場合、抵抗溶接に比べ導電性の高い部分が残存していても接続性が良いことや、レーザ溶接に比べて溶接部を過度に溶融させず信頼性の向上が見込めるなどの有効性があるため、固体電解コンデンサの陽極部と陽極端子の接続に用いることが検討されている。

特開２００４−８７８９３号公報 特開２００５−２１７０７３号公報

しかし、特許文献１の構造は、超音波溶接を用いて接続する場合には、超音波の振動が陽極部と絶縁部の境界部にも伝わり、陽極部の切断を招く可能性があるという課題がある。

また、特許文献２の構造は、超音波溶接を用いて接続する場合には、超音波の振動が溶接部以外の陽極部にも伝わり、陽極部の切断が生じやすいという課題がある。

したがって、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、超音波溶接を適用しても、陽極部の切断が生じ難く、信頼性の向上が図れる固体電解コンデンサとその製造方法の提供することを目的とする。

本発明は、コンデンサ素子が積層されるとともに、陽極部と陰極部とが、それぞれ陽極端子と陰極端子とに電気的に接続され、絶縁材料により全面を覆う外装を備えた固体電解コンデンサであって、陽極部は、陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、溶接部と絶縁部の間に、陽極部の一部を束ねた集束部を備える。

また、本発明は、溶接部と絶縁部の間の陽極部の一部を積層方向に曲げる工程と、挟持部材を用いて、陽極部の一部を積層方向に挟持し、集束部を形成する工程と、陽極部の一部を挟持した状態で、溶接部と陽極端子を超音波溶接で接続する工程とを含む。

すなわち、本発明の固体電解コンデンサは、絶縁部を設けることにより陽極部と陰極部に区分され、前記陰極部は、多孔質層を有する平板状の弁作用金属の表面に誘電体層を設け、前記誘電体層の表面に、固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を順次設けて形成され、前記陽極部は、前記誘電体層および前記多孔質層を除去して形成されたコンデンサ素子を有し、前記コンデンサ素子は、複数積層されるとともに、前記陽極部と前記陰極部とが、それぞれ陽極端子と陰極端子とに電気的に接続され、絶縁材料により全面を覆う外装を備えた固体電解コンデンサであって、前記陽極部は、前記陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、前記溶接部と前記絶縁部の間に、前記陽極部の一部を束ねた集束部を備えることを特徴とする。

また、本発明の固体電解コンデンサは、前記集束部が、前記コンデンサ素子を積層した積層体の厚みの中央部に配置されることを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサ法は、絶縁部により陽極部と陰極部に区分され、前記陰極部は、多孔質層を有する平板状の弁作用金属の表面に誘電体層を設け、前記誘電体層の表面に、固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を順次設けて形成され、前記陽極部は、前記誘電体層および前記多孔質層が除去され形成されたコンデンサ素子を複数積層する工程と、前記陽極部は、前記陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、前記溶接部と前記絶縁部の間における前記陽極部の一部を積層方向に曲げる工程と、挟持部材を用いて、前記陽極部の一部を積層方向に挟持し、集束部を形成する工程と、前記陽極部の一部を挟持した状態で、前記溶接部と陽極端子を超音波溶接で接続する工程と、前記陰極部を陰極端子に接続する工程と、積層した前記コンデンサ素子と前記陽極端子および前記陰極端子とを絶縁樹脂で覆い外装を設ける工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、前記集束部が、前記コンデンサ素子を積層した積層体の厚みの中央部に配置される工程をふくむことを特徴とする。

また、本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、前記挟持部材が、弾性を有する部材からなることが好ましい。

本発明では、陽極部において陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、溶接部と絶縁部の間に、陽極部の一部を束ねた集束部を備えることによって、陽極部の切断が生じ難く、信頼性の向上が図れる固体電解コンデンサを提供することが可能になる。 また、溶接部と絶縁部の間の陽極部の一部を積層方向に曲げる工程と、挟持部材を用いて、陽極部の一部を積層方向に挟持し、集束部を形成する工程と、陽極部の一部を挟持した状態で、溶接部と陽極端子を超音波溶接で接続する工程とを含む構成とすることによって、陽極部の切断が生じ難く、信頼性の向上が図れる固体電解コンデンサ製造方法も提供することが可能になる。

本発明の固体電解コンデンサの構成を説明する概略断面図。 本発明のコンデンサ素子を積層した状態を説明する概略断面図。 本発明のコンデンサ素子をフォーミングした状態を説明する概略断面図。 本発明のコンデンサ素子の陽極部の一部を挟持した状態を説明する概略断面図。 本発明のコンデンサ素子の陽極部の一部を挟持した状態で、超音波溶接を実施する状態を説明する概略断面図。 従来の固体電解コンデンサの構成を説明する概略断面図。

本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の固体電解コンデンサの構成を説明する概略断面図である。図１に示すように、陽極素体１は、従来の固体電解コンデンサと同様の構成であり、表面に誘電体層（図示せず）を設けた多孔質層２を有する平板状のアルミニウム箔等からなる。陽極素体１の表面の一部には、絶縁樹脂からなる絶縁部３が帯状に設けられ、陰極部４と陽極部５とに分離される。陰極部４は、誘電体層の表面に、固体電解質層６、グラファイト層７、銀ペースト層８が順次形成されている。陽極部５は、多孔質層２が除去されたアルミニウムの金属芯部からなる。絶縁部３で分離された陽極部５と陰極部４からなるコンデンサ素子１１は、それぞれ導電性接着剤９で接続され、積層される。

ここで本発明の陽極部５の一部は、絶縁部３と陽極部５の端部となる溶接部１２の間で曲げられ、束ねられる集束部１３を備えている。

また、陽極部５の一部が、絶縁部３と溶接部１２の間で曲げられ、束ねられることによって、溶接部１２と絶縁部３の間の距離を小さくできる。これにより、陰極部４の領域を大きくすることができ、コンデンサ素子１１の体積効率を向上させることが可能になる。

さらに積層された陽極部５は、溶接部１２において、電極端子である陽極端子１７と超音波溶接で電気的に接続され、同様に積層された陰極部４は、電極端子である陰極端子１８と導電性接着剤９で接続されている。その後、積層されたコンデンサ素子と電極端子は、エポキシ樹脂等からなる外装１０で覆われ、従来の積層型の固体電解コンデンサ１５が得られる。

なお、陽極素体１に用いる弁作用金属は、絶縁部３と陽極部５の端部となる溶接部１２の間で曲げられ、超音波溶接で電気的に接続することが可能であれば、アルミニウムに限定されるものではない。

固体電解質層６は、二酸化マンガンや、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性高分子およびその誘導体により構成される。ポリチオフェンあるいはポリピロール等の導電性高分子は、高い導電率を得ることができるので、より低いＥＳＲを必要とする場合は、固体電解質層６を前述の導電性高分子で構成することが好ましい。

固体電解質層６の形成は、公知の方法である化学酸化重合法や電解重合法を用いて実施される。また、重合した導電性高分子を、予め水溶液へ分散または溶解させた導電性高分子懸濁溶液へ浸漬する方法でも可能である。さらには、これらの方法を組み合わせて、固体電解質層６を複数の導電性高分子層で形成することが可能である。

（製造方法）
続いて、本発明の固体電解コンデンサの製造方法を図面を用いて説明する。なお、本発明の製造方法において、コンデンサ素子を得るまでの工程は、公知の方法で実施可能であるため説明は省略する。

図２は、本発明のコンデンサ素子を積層した状態を説明する概略断面図である。図２に示すように、絶縁部３で分離され、陽極部５と陰極部４が形成された２枚のコンデンサ素子１１を、それぞれの陰極部４において銀ペースト等からなる導電性接着剤９で接着する。その後、２枚のコンデンサ素子１１を接着した導電性接着剤９を加熱により硬化させ、積層体を得る。その積層体を所要の平面度を備えた台４６に設置する。このとき、陽極部５における多孔質層は、レーザ等により事前に除去しておく。これにより陽極部５は、アルミニウムの金属芯の状態であるため、容易に曲げることができる。

また、アルミニウムの金属芯からなる陽極部５を曲げるため、陰極部４への応力が緩和され、陰極部４の内部のクラック等の発生が減少し、漏れ電流が抑制される効果がある。

図３は、本発明のコンデンサ素子をフォーミングした状態を説明する概略断面図である。図３に示すように、フォーミング冶具１６は、所定の角度を先端に備えている。材質は、ステンレス等の金属が用いられる。このフォーミング冶具１６を、台４６に設置された２枚のコンデンサ素子１１の陽極部５の端部と絶縁部の間の陽極部５の一部に、台４６の設置面の方向に押し当て、加圧する。このようにして陽極部５の一部をクランク状に曲げることができる。さらに曲げた状態で陽極部５の先端が揃うように、かつ溶接が十分実施できる長さに切断する。なお、押し当てる力や加圧時の力は、陽極部５が破損しないような値で設定することが必要である。

図４は、本発明のコンデンサ素子の陽極部の一部を挟持した状態を説明する概略断面図である。図４に示すように、２つの積層体の一方の陰極部４を、銀ペースト等からなる導電性接着剤９で陰極端子１８と接続している。この状態で、クランク状に曲げてある陽極部５の端部と絶縁部の間の陽極部５の一部を、挟持部材１４を用いて挟み込む。陽極部５を挟み込む時の挟持部材１４の動作は、挟持部材１４が陽極部５に接触する時の負荷を軽減するために、挟持部材１４を絶縁部側に傾かせて実施することが好ましい。このようにして陽極部５が束ねられた集束部１３が形成される。また、陽極部５における陽極端子１７と接続する部分、すなわち溶接部１２は、陽極端子１７の二つの接続面を挟むように配置される。

また、集束部１３は、超音波溶接を実施する際に、陽極部５における絶縁部からの距離を均等にし、挟持部材で挟みこむ部分や絶縁部との境界部分に加わる応力の偏りを抑制できることから、コンデンサ素子を積層した積層体の厚みの中央部に配置されることが好ましい。

なお、挟持部材１４は、金属性の部材を用いても良いが、超音波溶接時の超音波の振動を吸収し易くし、溶接を施さない絶縁部側の陽極部５に振動を伝えないようにするために、弾性を有する部材が好ましい。具体的には、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。

図５は、本発明のコンデンサ素子の陽極部の一部を挟持した状態で、超音波溶接を実施する状態を説明する概略断面図である。図５に示すように、陽極部５の一部を挟持部材１４を用いて挟み込んだ状態で、超音波溶接を実施している。超音波溶接の受け金具であるアンビル１９と、超音波振動の発生側金具であるホーン２０を溶接部１２に密着させ、陽極端子１７と電気的に接続を行う。この時、挟持部材１４により、集束部１３である陽極部５の一部を挟み込んでいるため、溶接を必要としない陽極部５には超音波の振動が伝わりにくくなり、陽極部５の切断の発生が抑制される。特に、絶縁部３側の陽極部５の切断防止に効果がある。

図５までの工程を経た後、エポキシ樹脂等からなる絶縁樹脂の外装にて覆うことにより、陽極部と陽極端子の接続性に優れ、絶縁部側の陽極部の切断を抑制し、かつ体積効率を向上させた固体電解コンデンサを得ることが可能になる。

以下に本発明の実施例を詳述する。

（実施例１）
厚さが１５０μｍの弁作用金属であるアルミニウム箔の表面にエッチングにより多孔質層を形成した。多孔質層の深さは、アルミニウム箔の表面から約５０μｍとした。さらに金型を用いて、コンデンサ素子と製造上必要な陽極部の曲げる部分等を含めた形状にアルミニウム箔を切断した。コンデンサ素子となる部分の寸法は長さ６．０ｍｍ×幅３．０ｍｍとした。

つづいて、コンデンサ素子となる部分のアルミニウム箔を、濃度１３ｍａｓｓ％のアジピン酸二水素アンモニウム水溶液を用いて、印加電圧５０Ｖにて陽極酸化することで誘電体酸化皮膜を形成し、誘電体層を設けた。

さらにエポキシ系のレジスト樹脂を、誘電体層が設けられたアルミニウム箔、すなわち陽極素体の表面に帯状に塗布し、陰極部と陽極部を区分する絶縁部を形成した。レジスト樹脂の塗布は、スクリーン印刷で行った。陽極素体における陰極部となる部分の寸法は、長さ４．０ｍｍ×幅３．０ｍｍとした。

次に、陰極部となる陽極素体の表面に化学酸化重合法によりポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）からなる固体電解質層を形成した。さらに固体電解質層の表面にグラファイト層、銀ペースト層を順次に形成した。

その後、陽極部となる側の陽極素体の表面に形成されている誘電体層と多孔質層をレーザにより除去した。誘電体層と多孔質層を除去した陽極部は、アルミニウムの金属芯が露出しており、容易に曲げることが可能となる。また、絶縁部側を除く陽極部の端部は、陽極端子との電気的に接続するための溶接部となっている。このようにして、本発明のコンデンサ素子を作製した。

続いて、２枚のコンデンサ素子の陰極部を対向させるように、銀フィラーを含んだ導電性接着剤で接続した。この２枚のコンデンサ素子を接着した導電性接着剤を加熱して硬化させ、積層体を作製した。その積層体を台に設置し、陽極部をステンレス製のフォーミング冶具を用いて、２箇所で曲げ、その状態で積層体の長さが６ｍｍとなるように陽極部を切断した。同様にして、もうひとつの積層体を作製した。各々の積層体の一方の陰極部に導電性接着剤を塗布し、陰極端子の接続面を挟むようにして接続した。導電性接着剤の硬化は、１８０℃、２０ｍｉｎで行った。

次に、陽極部における溶接部となる一方の端部を、陽極端子の接続面を挟むように配置した後、曲げた状態の陽極部の一部を、束ねるように挟持部材を用いて挟み込みこんだ。

この状態のままで、超音波溶接のアンビルとホーンを溶接部に密着させ、陽極端子と陽極部を電気的に接続した。この溶接工程により、絶縁部と溶接部の間の陽極部の一部を束ねた集束部が形成される。なお、挟持部材は、材質がステンレスで厚さが０．５ｍｍのものを用いた。

超音波溶接が完了した段階で、作製したサンプルの溶接状態の評価を実施した。評価項目は、切断不良率、接続不良率、漏れ電流とした。

評価方法は、次の通りである。まず、溶接が完了した積層体の静電容量を測定し、その値と、本来得られる設計上の静電容量の値の差から切断不良や接続不良の有無を判断した。つづいて、その切断不良や接続不良が生じていると思われる積層体の溶接部や絶縁部を拡大鏡で観察し、切断不良や接続不良の判定を行った。また、漏れ電流（ＬＣ）の測定も実施した。ＬＣは、１６Ｖ電圧印加６０秒後のＬＣの平均値を測定した。評価数は、１０００個とした。

最後に、評価を完了したサンプルをガラスフィラーを含んだモールド樹脂を用いて、成型機で外装を設け本発明の固体電解コンデンサを得た。

（実施例２）
実施例２では、挟持部材の材質をシリコーン樹脂とし、厚さを０．６ｍｍのものを用いた。そのため、陽極素体における陰極部の長さを３．９ｍｍとした。その他は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを作製した。

（比較例１）
比較例１として、従来技術に近づけた構造にするために、陽極部におけるフォーミングを行わず、さらに陽極部の一部を挟持しないで超音波溶接を実施し、図６の固体電解コンデンサを作製した。なお、比較例１では、フォーミングを行っていないので溶接部と絶縁部の距離を大きくとる必要があった。そのため陽極素体における陰極部の長さを、３．４ｍｍとした。他の条件は実施例１と同様にした。

（比較例２）
比較例２では、陽極部におけるフォーミングを、実施例１、２と同様に実施したが、陽極部の一部を挟持しないで超音波溶接を実施し、固体電解コンデンサを作製した。なお、他の条件は実施例１と同様にした。

（比較例３）
比較例３として、陽極部におけるフォーミングを、実施例１、２と同様に実施したが、陽極部の一部を挟持せず、かつ超音波溶接の出力を実施例１、２の出力に対して、８０％に低下させて実施した。なお、他の条件は実施例１と同様にした。

表１に実施例と比較例におけるサンプルの評価結果を示す。評価結果における記載項目は、切断不良率、接続不良率、ＬＣである。また、体積効率を比較するために、比較例１を基準として、実施例の陰極部がどのくらい増加可能かを算出した結果を記載した。

表１に示すように、本発明の実施例１、２では、比較例１〜３と比べて、切断不良率が減少している。

また、比較例３は、溶接時の超音波の出力を実施例１、２の出力に対して８０％としたため、比較例１より切断不良を減少させることができた。しかし、接続が不十分となり、接続不良が増加した。

また、陰極部の体積は、実施例１、２において、比較例１より大きくすることが可能であることがわかる。なお、フォーミングを実施した比較例２、３においては、溶接部と絶縁部の間隔を狭めることができ、比較例１より体積効率の増加が可能であるが、陽極部を挟持していないため切断不良や接続不良が増加してしまうため適用は難しい。

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、３１ 陽極素体
２、３２ 多孔質層
３、３３ 絶縁部
４、３４ 陰極部
５、３５ 陽極部
６、３６ 固体電解質層
７、３７ グラファイト層
８、３８ 銀ペースト層
９、３９ 導電性接着剤
１０、４０ 外装
１１、４１ コンデンサ素子
１２ 溶接部
１３ 集束部
１４ 挟持部材
１５、４５ 固体電解コンデンサ
１６ フォーミング冶具
１７、４２ 陽極端子
１８、４３ 陰極端子
１９ アンビル
２０ ホーン
４６ 台

Claims (5)

1. 絶縁部により陽極部と陰極部に区分され、前記陰極部は、多孔質層を有する平板状の弁作用金属の表面に誘電体層を設け、前記誘電体層の表面に、固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を順次設けて形成され、前記陽極部は、前記誘電体層および前記多孔質層を除去して形成されたコンデンサ素子を有し、
   前記コンデンサ素子は、複数積層されるとともに、前記陽極部と前記陰極部とが、それぞれ陽極端子と陰極端子とに電気的に接続され、絶縁材料により全面を覆う外装を備えた固体電解コンデンサであって、
   前記陽極部は、前記陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、前記溶接部と前記絶縁部の間に、前記陽極部の一部を束ねた集束部を備えることを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記集束部が、前記コンデンサ素子を積層した積層体の厚みの中央部に配置され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。
3. 絶縁部により陽極部と陰極部に区分され、前記陰極部は、多孔質層を有する平板状の弁作用金属の表面に誘電体層を設け、前記誘電体層の表面に、固体電解質層、グラファイト層、銀ペースト層を順次設けて形成され、前記陽極部は、前記誘電体層および前記多孔質層が除去され形成されたコンデンサ素子を複数積層する工程と、
   前記陽極部は、前記陽極端子と接続される端部に溶接部を備え、前記溶接部と前記絶縁部の間における前記陽極部の一部を積層方向に曲げる工程と、
   挟持部材を用いて、前記陽極部の一部を積層方向に挟持し、集束部を形成する工程と、
   前記陽極部の一部を挟持した状態で、前記溶接部と陽極端子を超音波溶接で接続する工程と、
   前記陰極部を陰極端子に接続する工程と、
   積層した前記コンデンサ素子と前記陽極端子および前記陰極端子とを絶縁樹脂で覆い外装を設ける工程と、
   を含むことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。
4. 前記集束部が、前記コンデンサ素子を積層した積層体の厚みの中央部に配置される工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
5. 前記挟持部材は、弾性を有する部材からなることを特徴とする請求項３または４に記載の固体電解コンデンサの製造方法。

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