JP2013175579A - コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐電圧が高く、かつ誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、誘電体フィルムの損傷領域を小さくすることのできるコンデンサを提供する。
【解決手段】 誘電体フィルム１と、その誘電体フィルム１の両面に形成された電極層３とを備えているコンデンサであって、誘電体フィルム１は、樹脂５中に、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子７を３０〜７０体積％含有してなるとともに、シリカ粒子７が電極層３間をつなぐように連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂中にセラミック粒子を含むフィルムを誘電体とするコンデンサに関する。

誘電体が２枚の電極板によって挟持された構成を有するコンデンサは、直流の電荷を蓄電し、充放電できる機能や交流（高周波）の電流を流し、両端電圧を一定に維持するという機能を有しており、従来より、ノイズ除去、デカンプリング、カップリング、電圧の平滑化等、用途に応じて多くの電気製品に適用されている。

コンデンサとしては、容量あたりのサイズの小さい積層型セラミックコンデンサ、静電容量当たりの体積が小さく安価なアルミ電解コンデンサ、温度特性に優れ、大容量化が可能なタンタルコンデンサおよび耐電圧範囲が広く、誘電損失が小さいフィルムコンデンサが知られている。

この中で、フィルムコンデンサは、許容電流が大きく、耐電圧が高くかつ自己修復機能を有するという利点から、近年、電磁障害防止用のコンデンサとして注目されている。

フィルムコンデンサは、例えば、ポリプロピレン樹脂をフィルム化した誘電体フィルムの表面に蒸着によって形成された金属膜を電極として有しており、このような構成により、誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散して絶縁化し、フィルムコンデンサの絶縁破壊を防止できるとされている（例えば、特許文献１を参照）。

ところが、実際には、短絡のエネルギーにより誘電体中の欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散すると同時に、誘電体フィルム側も発熱による炭化が発生し、広い範囲で損傷してしまうという問題がある。

特開平９−１２９４７５号公報

従って、本発明は、耐電圧が高く、かつ誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、誘電体フィルムの損傷領域を小さくすることのできるコンデンサを提供することを目的とする。

本発明のコンデンサは、誘電体フィルムと、該誘電体フィルムの両面に形成された電極層とを備えているコンデンサであって、前記誘電体フィルムは、樹脂中に、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子を３０〜７０体積％含有してなるとともに、前記シリカ粒子が前記電極層間をつなぐように連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、耐電圧が高く、かつ誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、誘電体フィルムの損傷領域を小さくすることができる。

本発明のコンデンサの一実施形態を示す断面模式図である。 （ａ）は、積層型のコンデンサの外観を示す斜視図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図１（ａ）は、本発明のコンデンサの一実施形態を示す断面模式図である。本実施形態のコンデンサは、誘電体フィルム１と、この誘電体フィルム１の上面および下面に形成された一対の電極層３とを備えたものである。ここで、誘電体フィルム１は、樹脂５中に、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子７を３０〜７０体積％含有しており、また、そのシリカ粒子７は電極層３間をつなぐように連結されている。

これにより耐電圧の高いコンデンサを得ることができる。また、本実施形態のコンデンサでは、誘電体フィルム１中において微粒のシリカ粒子７が連結するように存在しているために、電極層３間の誘電体フィルム１が短絡し、電流が流れた時などに発生する熱エネルギー等によって、誘電体フィルム１中のシリカ粒子７が熱的な影響を受けやすくなっており、近接したシリカ粒子７同士がネッキングしやすい状態にある。このため誘電体フィルム１の一方の構成材料である樹脂５の分解や燃焼を抑えることができる。これは樹脂５の分解に要するエネルギーを、シリカ粒子７同士をネッキングさせるためのエネルギーとして分散させることができるからであり、これにより樹脂５の損傷する範囲を小さくすることができる。

また、このような構成の誘電体フィルム１では、誘電体フィルム１が無機フィラーを含まない場合に比べて誘電損失を大きく低下させることができる。

これに対し、シリカ粒子７の平均粒径が４０ｎｍよりも大きく、例えば、１００ｎｍ程度であると、シリカ粒子７の熱容量が大きくなることから、シリカ粒子７が熱的な影響を受けにくくなる。このため樹脂５の方が熱を受けやすくなり損傷する領域が大きくなってしまう。

また、樹脂５中に含まれるシリカ粒子７の割合が３０体積％よりも低い場合には、シリカ粒子７間に多くの樹脂が存在するようになることから、シリカ粒子７同士のネッキングよりも先に樹脂５が熱的な影響を受けやすくなり、熱による分解や燃焼が発生しやすくなる。一方、樹脂５中に含まれるシリカ粒子５の割合が７０体積％よりも高い場合には、空隙が多くなるために耐電圧が低下するおそれがある。

なお、シリカ粒子７の平均粒径が３０ｎｍよりも小さく、例えば、１０ｎｍ程度になると、樹脂５と複合（混合）させて誘電体フィルム１を形成したときに、シリカ粒子７間に樹脂５が介在しやすくなるため、電極層３間においてシリカ粒子７が連結した構造の誘電体フィルム１を得ることが困難となる。

本発明において、シリカ粒子７が電極層３間をつなぐように連結されているというのは、シリカ粒子７が電極層３に接しつつ、上下の電極層３間において、複数のシリカ粒子７同士がそれらの表面の一部で接して連結されている状態をいう。この場合、電極層３およびシリカ粒子７が接している部位には樹脂が存在していないことが望ましい。

また、本実施形態のコンデンサを構成する誘電体フィルム１は、複数のシリカ粒子７同士が互いに結合して三次元マトリクス構造（三次元網目構造、骨格構造）を形成しているのがよく、シリカ粒子７はネック部７ａを介して互いに結合していることが望ましい。こ
の場合、ネック部７ａは後述する低い温度での加熱条件下で起こる物質の拡散によって形成されるものであり、シリカ粒子７同士が焼成されたセラミック粒子のように焼結された状態ではない。このため、誘電体フィルム１に対して、短絡した際に発生する熱エネルギーが加わった程度でもシリカ粒子７がネッキングしやすいのである。

樹脂５は複数のシリカ粒子７の骨格構造の空隙を埋めるように充填されており、これにより誘電体フィルム１の耐電圧を高めることができる。この場合、シリカ粒子の含有量としては４０〜５０体積％であるのがよい。

樹脂５としては、例えば、ポリブタジエン（比誘電率：２．３〜３．６）、エポキシ（比誘電率：２．５〜６）、ポリイミド（比誘電率：３．５５）、シアノレジン（比誘電率：１５〜２０）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ、比誘電率：３．９〜４）、フッ素樹脂（比誘電率：４〜８）、アクリル樹脂（比誘電率：２．７〜４．５）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ、比誘電率：２．９〜３）、およびポリプロピレン（ＰＰ、比誘電率：２．２〜２．３）から選ばれる一種の高分子材料が好ましく、この中で、耐電圧が高いという理由からポリブタジエンがより好ましい。

また、電極層３の材料としては、例えば、ＡｌもしくはＡｌ−Ｚｎ合金を適用するのがよい。

シリカ粒子７の平均粒径は、例えば、誘電体フィルム１の研磨面もしくは破断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によって適宜な倍率（例えば３００００倍）で撮影して得られるＳＥＩ（二次電子像）及び／又はＢＥＩ（反射電子像）の写真を画像解析することにより測定できる。例えば、得られた写真上にシリカ粒子７が３０〜１００個ほど入る円を描き、各粒子の輪郭から面積を求め、その面積と同等の面積を有する円の直径（円相当径）として算出（測定）し、平均値を求める。

シリカ粒子７の体積％は、例えば、上述のＳＥＩ及び／又はＢＥＩにおいて、画像解析装置等を用いて誘電体フィルム１に占める各シリカ粒子７の面積比率（面積％）を複数箇所（例えば１０箇所）の断面にて測定し、その測定値の平均値を算出して含有量（体積％）とみなすことにより求める。

次に、上述の誘電体フィルム１を複数層積層して形成した積層型のコンデンサについて説明する。図２（ａ）は、積層型のコンデンサの外観を示す斜視図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２（ｂ）において破線で囲まれた部分（Ｅ部分）が図１に示した、誘電体フィルム１の両面に電極層３を有する単層型のコンデンサに相当する。図２（ａ）（ｂ）にはリード付きのコンデンサを一例として示しているが、リード付きのコンデンサだけではなく、リードを備えていないコンデンサや誘電体フィルム１と電極層３とが巻回された構造のコンデンサにも適用できることはいうまでもない。

本実施形態のコンデンサは、図１に示した単層型のコンデンサの他、図２に示すような積層型にも成り得る。ここで、上記した誘電体フィルム１が下記の積層型のコンデンサにおいて誘電体層１５として適用される。これにより耐電圧の高い積層型のコンデンサを得ることができる。また、内部電極層３間の誘電体層１５が短絡したとしても、誘電体層１５中のシリカ粒子７が熱的な影響を受けやすく、近接したシリカ粒子７同士がネッキングしやすいことから、誘電体層１５の一方の構成材料である樹脂５の分解や燃焼を抑えることができ、これにより誘電体層１５が多層に積層されたコンデンサであっても誘電体層１５の損傷を低減することができる。

本実施形態のコンデンサは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、リード付きコンデンサと
して構成されており、本体部１３と、本体部１３から延出し、電圧が印加される１対のリード１４とを有している。本体部１３は、例えば、概ね直方体状に形成されており、１対のリード１４は、例えば、直方体の一の面から延出している。本体部１３の大きさは適宜に設定されてよいが、例えば、１辺が３〜１０数ミリである。

本体部１３は、例えば、積層型のコンデンサとして構成されており、交互に積層された複数の誘電体層１５および複数の内部電極層１７を有している。また、本体部１３は、複数の内部電極層１７に接続された１対の外部電極１９と、誘電体層１５および外部電極１９等を覆う外装部２１とを有している。

複数の誘電体層１５及び複数の内部電極層１７は、要求される容量等に応じて適宜な数で積層されている。図２では、内部電極層１７が３層となるように積層されているが、積層数はこれに限定されるものではなく、例えば、１００〜１０００層であってもよい。

複数の誘電体層１５は、例えば、互いに同一の形状及び大きさとされており、各誘電体層１５は、厚さが概ね一定の平板状（フィルム状）に形成されている。誘電体層１５の厚さは、印加される電圧及び要求される容量等に応じて適宜に設定されてよいが、例えば、５〜２０μｍである。誘電体層１５の平面形状は、適宜に設定されてよいが、例えば矩形である。

複数の内部電極層１７は、例えば、互いに同一の形状及び大きさとされており、各内部電極層１７は、厚さが概ね一定の平板状（フィルム状）に形成されている。内部電極層１７の平面形状は適宜に設定されてよいが、例えば矩形である。複数の内部電極層１７は、その積層方向において交互に、１対の外部電極１９の対向方向において互いにずれて配置されている。そして、複数の内部電極層１７は、その積層方向において交互に、１対の外部電極９の一方又は他方に、平面形状の矩形の１辺（縁部）が接続されている。この場合も、内部電極層１７は、例えば、Ａｌ若しくはＡｌ−Ｚｎ合金等の金属により形成されている。

外部電極１９は、複数の誘電体層１５および複数の内部電極層１７によって構成された積層体１８の側面を覆うように形成されている。外部電極１９は、例えば、概ね厚さが一定の板状に形成されている。外部電極１９の平面形状は、例えば、積層体１８の側面全体を覆う形状（本実施形態では矩形）とされている。外部電極１９は、例えば、Ｓｎ、Ｚｎ若しくはＳｎ−Ｚｎ合金等の金属により形成されている。

外装部２１は、積層体１８および１対の外部電極１９の全体を覆っており、本体部１３の外面全体を構成している。外装部２１は、樹脂等の絶縁性材料により形成されている。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂である。

リード１４は、線材からなり、一端側が外部電極１９の外側面に接続されており、他端側が外装部２１から延出している。リード１４は、例えば、Ｆｅ、Ｃｕ若しくはＳｎ等の金属により形成されている。

次に、本実施形態のコンデンサを製造する方法について説明する。まず、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子７を所定の配合比で配合するとともに溶剤および溶融状態の樹脂に分散させてスラリーを調製する。シリカ粒子７と樹脂５との配合比（体積比）は、例えば、３：７〜７：３である。

ここで溶剤としては、例えば、メタノール、イソプロパノール、n-ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、メチル
イソブチルケトン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、又は、これらから選択された２種以上の混合物を含んだ有機溶剤を用いるのがよい。

次に、調製したスラリーをキャリアフィルム上に塗布して、ドクターブレード法、ダイコータ法およびナイフコータ法から選ばれる一種のシート成形法を用いてシート状に成形し、脱溶剤を行った後、樹脂５が硬化する温度で熱処理を行って誘電体フィルム１を作製する。この場合、樹脂５を硬化させる際に加熱と同時に加圧処理を行う。これにより誘電体フィルム１の表面にシリカ粒子７が露出しつつ、誘電体フィルム１中のシリカ粒子７同士が接着し連結した誘電体フィルム１を得ることができる。

キャリアフィルムは、樹脂等の適宜な材料により形成されていてよいが、耐熱性、機械的強度及びコストの観点から、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）により形成されていることが好ましい。また、誘電体フィルム１の剥離性を高める上で、シリコーン樹脂やフッ素樹脂等が適宜コーティングされていてもよい。

次に、金属を誘電体フィルム１上に蒸着することによって電極層３を形成する。こうして、図１に示すような誘電体フィルム１の両面に電極層３を有するコンデンサを得ることができる。

なお、図２（ａ）（ｂ）に示すような積層型のコンデンサを製造する場合には、さらに以下のような加工を行う。まず、誘電体フィルム１の表面にメタルマスクを介してパターニングされた内部電極層１７を形成する。次に、この内部電極層１７を有する誘電体フィルム１を所望の枚数積層し、内部電極層１７が端面に露出するように切断することによって積層型のコンデンサの本体部１３を得る。次に、本体部１３の内部電極層１７が露出した端面に外部電極９を形成する。外部電極９は、例えば、誘電体層１５および内部電極層１７からなる積層体１８の側面に金属を溶射することによって形成する。さらに、外部電極９の外層にＳｎ等のめっきを施してもよい。次に、外部電極９に溶接等によってリード１４を接合し、次いで、外部電極９およびリード１４を含む積層体１８の表面に外装部２１を形成する。

本実施形態の誘電体フィルムについて、具体的な材料の選択及び寸法の設定等を行い、実施例に係る誘電体フィルムを作製し、以下の評価を行った。

まず、表１に示す平均粒径を有するシリカ粒子と、樹脂としてポリブタジエン（分子量：Ｍｗ＝５０００〜７０００、Ｍｎ＝２５００〜３５００）を準備した。表１には平均粒径が３０ｎｍ以上のシリカ粒子を用いたときの試料を示しているが、平均粒径が約１０ｎｍと見積もられるシリカ粒子を適用した場合には、シリカ粒子間に樹脂が介在し、両表面間でシリカ粒子７が連結した構造の誘電体フィルムを得ることができなかった。

次に、上記のシリカ粒子をポリブタジエン中に分散させてスラリーを調製した。場合によってはＭＥＫ（メチルエチルケトン）等の溶剤を希釈剤として加えた。

この後、上記スラリーをコーターを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に塗布してシート状に成形し、１１０℃で脱溶剤を行った後、１５０〜２００℃の温度で熱処理を行って厚み１０μｍの誘電体フィルムを作製した。この場合、熱処理を行う際に加圧処理を行った。次に、真空蒸着法により誘電体フィルムの両面に平均厚みが７５ｎｍのＡｌの電極層を形成した。

次に、得られた誘電体フィルムについて、耐電圧、比誘電率および誘電損失を測定し、耐電圧を測定した試料については絶縁破壊後の損傷の程度を評価した。また、誘電体フィルムに含まれるシリカ粒子の平均粒径と体積割合を求めた。

耐電圧は、誘電体フィルムの電極層間に商用周波数（６０Ｈｚ）、毎秒１００Ｖの昇圧速度で電圧を印加し、漏れ電流値が１．０ｍＡを越えた瞬間の電圧値から求めた。

比誘電率および誘電損失は、ＬＣＲメーターを使用して測定した。具体的には、作製した誘電体フィルムの電極層間の短絡の有無を確認した後、ＬＣＲメーターにより周波数１ＫＨｚ、入力信号レベル１．０Ｖｒｍｓの測定条件にて、誘電体フィルムの静電容量と誘電損失を測定した後、静電容量、電極層の有効面積（誘電体フィルムの両面で電極層が重なった面積）および誘電体フィルムの厚みから比誘電率を算出した。

絶縁破壊後の損傷領域は、マイクロスコープにて確認し、画像解析より誘電体フィルムの表面における損傷領域の直径（損傷領域を異なる３方向から求めた値の平均値）を算出した。

誘電体フィルムに含まれるシリカ粒子の平均粒径と体積割合は、以下のようにして分析用の試料を作製し、評価した。まず、誘電体フィルムを樹脂埋めした後、研磨し、図１に示すような断面を露出させた試料を作製した。次に、約３００００倍の倍率でＳＥＭによりＳＥＩおよびＢＥＩの写真を撮り、このうち縦横の長さが約１０μｍ×約１５μｍの領域を選択し、マウンテック社製の画像解析式粒度分布測定ソフトウェア「マックビュー」を用いて、写真上にシリカ粒子が５０個ほど入る円を描き、各粒子の輪郭から面積を求め、その面積と同等の面積を有する円の直径（円相当径）として算出（測定）し、平均値を求めた。

シリカ粒子の体積％は、上記ＳＥＩおよびＢＥＩの写真において、縦横の長さが約１μｍ×約２μｍの領域を１０箇所選定し、画像解析装置を用いて誘電体フィルムに占めるシリカ粒子の面積比率（面積％）を測定し、誘電体フィルムの組織が等方的であるものとして、その測定値の平均値を算出して含有量（体積％）とみなすことにより求めた。このとき空隙の体積は除くようにした。作製した誘電体フィルム中に含まれるシリカ粒子の平均粒径は表１に示す値に一致した。また、シリカ粒子の体積割合も表１に示す調合組成に一致するものであった。

表１の結果から明らかなように、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子を３０〜７０体積％含有させた誘電体フィルムの試料（試料Ｎｏ．３〜６および９〜１２）では、損傷領域の直径が１２０μｍ以下であり、誘電損失が０．９８以下、耐電圧が２１１ｋＶ／ｍｍ以上であった。

この中で、シリカ粒子の含有量を４０〜５０体積％とした試料Ｎｏ．４、５、１０および１１では、損傷領域の直径が１１０μｍ以下であり、誘電損失が０．９０以下、耐電圧が２５２ｋＶ／ｍｍ以上であった。

これに対し、シリカ粒子を含まないか（試料Ｎｏ．１）、シリカ粒子の体積割合が３０〜７０体積％をはずれるか（試料Ｎｏ．２、７、８、１３）、または、平均粒径が１００ｎｍのシリカ粒子を用いた場合（試料Ｎｏ．１４）には、損傷領域の直径が１２０μｍ以下、誘電損失が０．９８以下、耐電圧が２１１ｋＶ／ｍｍ以上のうちのいずれかの特性を満たさないものであった。

１・・・・・誘電体フィルム
３・・・・・電極層
５・・・・・樹脂
７・・・・・シリカ粒子
７ａ・・・・ネック部
９・・・・・外部電極
１３・・・・本体部
１４・・・・リード
１５・・・・誘電体層
１７・・・・内部電極層
１８・・・・積層体
１９・・・・外部電極

Claims (2)

1. 誘電体フィルムと、該誘電体フィルムの両面に形成された電極層とを備えているコンデンサであって、前記誘電体フィルムは、樹脂中に、平均粒径が３０〜４０ｎｍのシリカ粒子を３０〜７０体積％含有してなるとともに、前記シリカ粒子が前記電極層間をつなぐように連結されていることを特徴とするコンデンサ。
2. 前記シリカ粒子の含有量が４０〜５０体積％であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンデンサ。
   

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