JP2015019113A - 改良された酸化マンガン電解質を含む固体電解コンデンサ - Google Patents
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- H01G9/15—Solid electrolytic capacitors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/43—Electric condenser making
- Y10T29/435—Solid dielectric type
Abstract
【解決手段】粉末は、高い比電荷と、さらには比較的密度の高い充填構成とを有する。このような粉末で形成したにもかかわらず、本発明者らは、(硝酸マンガンなどの)マンガン前駆体溶液を陽極の細孔内に容易に含浸できることを発見した。このことは、酸化マンガン前駆体が誘電体の表面に接触したときに液滴を形成するであろう可能性を最小化するのに役立つ分散剤を前駆体溶液中に使用することにより或る程度達成される。それどころか、前駆体溶液はより良好に分散して、結果的に得られる酸化マンガンが「膜様」の構成を有し、陽極の少なくとも一部を実質的に均一に被覆するようになる。これにより、結果的に得られる酸化物の表面被覆率のみならず品質までもが向上し、これによりコンデンサの電気的性能が強化される。
【選択図】なし
Description
本出願は、米国仮特許出願第61/357,672号(2010年6月23日出願)及び米国仮特許出願第61/366,657号(2010年7月22日出願)の優先権を主張するものであり、これらの両特許はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。
上述したように、陽極を比電荷の高い粉末で形成することができる。すなわち、この粉末は、約70,000マイクロファラッド*ボルト/グラム(「μF*V/g」)以上の、実施形態によっては約80,000μF*V/g以上の、実施形態によっては約90,000μF*V/g以上の、実施形態によっては約100,000μF*V/g以上の、及び実施形態によっては約120,000〜約250,000μF*V/gの比電荷を有することができる。言うまでもなく、通常は高い比電荷の粉末が望ましいが、これは必ずしも必要条件ではない。いくつかの実施形態では、例えば、粉末が約70,000マイクロファラッド*ボルト/グラム(「μF*V/g」)未満の、実施形態によっては約2,000μF*V/g〜約65,000μF*V/gの、及び実施形態によっては約5,000〜約50,000μF*V/gの比電荷を有する。
陽極が構築されると、陽極の上部及び/又は内部に誘電体層が形成されるようにこれを陽極酸化することができる。陽極酸化とは、陽極を酸化して比較的高い誘電率を有する材料を形成する電気化学処理のことである。例えば、タンタル陽極を五酸化タンタル(Ta2O5)に陽極酸化することができる。通常、陽極酸化は、陽極を電解質内に浸漬するなどして最初に陽極に電解質を加えることにより行われる。一般に、電解質は、(水性又は非水性などの)溶液、分散液、融液などの液体の形をとる。例えば、一般に電解質内には、(脱イオン水などの)水、(ジエチルエーテル及びテトラヒドロフランなどの)エーテル、(メタノール、エタノール、エチレングリコール、n−プロパノール、イソプロパノール、及びブタノールなどの)アルコール、トリグリセリド、(アセトン、メチルエチルケトン、及びメチルイソブチルケトンなどの)ケトン、(酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチレングリコール酢酸エーテル、及びメトキシプロピルアセテートなどの)エステル、(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルカプリリック/カプリック脂肪酸アミド、及びN−アルキルピロリドンなどの)アミド、(アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、及びベンゾニトリルなどの)ニトリル、(ジメチルスルホキシド(DMSO)及びスルホランなどの)スルホキシド又はスルホンなどの溶媒が使用される。溶媒は、電解質の約50重量%〜99.9重量%、実施形態によっては約75重量%〜約99重量%、及び実施形態によっては約80重量%〜約95重量%を構成することができる。必ずしも必須ではないが、多くの場合、所望の酸化物の獲得を促進するために(水などの)水性溶媒を使用することが望ましい。実際には、水は電解質で使用する(単複の)溶媒の約50重量%以上、実施形態によっては約70重量%以上、及び実施形態によっては約90重量%〜約100重量%を構成することができる。
上述したように、本発明のコンデンサは、固体電解質として(MnO2などの)酸化マンガンを含む。酸化マンガンは、Sturmer他に付与された米国特許第4,945,452号に記載されるような(硝酸マンガン(Mn(NO3)2)などの)前駆体の熱分解を通じて形成され、該特許はあらゆる目的によるこの特許への参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。例えば、誘電体被覆陽極体を、前駆体を含む溶液に接触(例えば、浸漬、含浸、噴霧)させ、その後加熱して酸化物に変換することができる。必要であれば、複数の付加ステップを使用して所望の厚みを達成することができる。1つの実施形態では、例えば、陽極体を酸化マンガン前駆体の第1の溶液中に浸漬して加熱し、その後酸化マンガン前駆体の第2の溶液中に浸漬して加熱する。所望の厚みに達するまでこの処理を繰り返すことができる。
式中、
R1は、1〜6個の炭素原子を有するアルキル基であり、
R2は、スルホネート、ホスホネート、カルボキシレート、チオール、スルホネートエステル、ホスファイト、ホスホナイト、ホスフィナイト、ホスホフェート、サルフェート、ホスフェートエステル、スルホキサイド、スルホン、アミノ、その他、及びこれらの組み合わせなどの親水性部分であり、
mは、0〜8、実施形態によっては0〜4、及び実施形態によっては0であり、
pは、1〜8、実施形態によっては1〜4、及び実施形態によっては1であり、
nは、1〜100、及び実施形態によっては2〜30である。なお、R1基及びR2基は、環系の1又はそれ以上の炭素原子に結合することができる。また、必要であれば、化合物が、カチオンが(ナトリウム、カリウム、アンモニウムなどの)アルカリ金属、(カルシウムなどの)アルカリ金属、アンモニア(NH4 +)などである塩の形をとることができる。ベンゼン核を有する同等の化合物を使用することもできる。
式中、
R2はSO3であり、
pは1〜8の整数であり、
nは1〜100であり、
Mはナトリウム、カリウム、又はカルシウムである。特に適した縮合ナフタレンスルホネートのナトリウム、カリウム、又はカルシウム塩が、 (Geo Specialty Chemicals社から市販されている)Daxad(登録商標)11、(チェコのEnaspol社から市販されている)Spostan 4P又は7P、(Synthron社から市販されている)Proxmat PL‐C 753FP、及び(R.T.Vanderbilt社から市販されている)Darvan(登録商標)1の商標名で市販されている。
必要であれば、コンデンサは、当業で公知のように他の層を含むこともできる。例えば、誘電体と固体電解質との間に、比較的絶縁性の高い樹脂性材料(天然又は合成)で作製したような保護被覆を任意に形成することができる。このような材料は、約10Ω/cmを越える、実施形態によっては約100を越える特異的な抵抗率を有し、実施形態によっては約1000Ω/cmを越える、実施形態によっては約1×105Ω/cmを越える、及び実施形態によっては約1×1010Ω/cmを越える特異的な抵抗率を有することができる。本発明で利用することができるいくつかの樹脂性材料として、以下に限定されるわけではないが、ポリウレタン、ポリスチレン、(グリセライドなどの)不飽和又は飽和脂肪酸のエステルなどが挙げられる。例えば、適当な脂肪酸のエステルとして、以下に限定されるわけではないが、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、エレオステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アレウリチン酸、シェロール酸などのエステルが挙げられる。これらの脂肪酸のエステルは、結果として生じる被膜を安定層に迅速に重合できるようにする「乾性油」を形成するために比較的複雑な組み合わせで使用する場合、特に有用であることが判明している。このような乾性油として、モノグリセリド、ジグリセリド、及び/又はトリグリセリドを挙げることができ、これらはそれぞれ1つ、2つ、及び3つのエステル化された脂肪酸アシル残基を含むグリセロール骨格を有する。例えば、使用できるいくつかの適当な乾性油として、以下に限定されるわけではないが、オリーブ油、アマニ油、ヒマシ油、キリ油、大豆油、及びシェラックが挙げられる。これらの及びその他の保護被覆材料は、Fife他に付与された米国特許第6,674,635号にさらに詳細に記載されており、該特許はあらゆる目的によるこの特許への参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
乾燥対湿潤静電容量=(1−([湿潤−乾燥]/湿潤))×100
等価直列抵抗(ESR)
Kelvin Leadを取り付けたKeithley 3330 Precision LCZメータを使用して、2.2ボルトのDCバイアス及び0.5ボルトのピークトゥピーク正弦波信号で等価直列抵抗を測定することができる。動作周波数は100kHzであり、温度は23℃±2℃であった。
Kelvin Leadを取り付けたKeithley 3330 Precision LCZメータを使用して、2.2ボルトのDCバイアス及び0.5ボルトのピークトゥピーク正弦波信号で静電容量を測定した。動作周波数は120Hzであり、温度は23℃±2℃であった。「乾燥静電容量」とは、酸化マンガン層、グラファイト層、及び銀層を付加した後の部品の静電容量を意味し、「湿潤静電容量」とは、1mFのタンタル陰極を参照して17%の硫酸中で測定した、誘電体形成後の部品の静電容量を意味する。
最低限30秒後に、25℃の温度、定格電圧で漏れ電流を計測する漏れ試験セットを使用して漏れ電流(「DCL」)を測定した。
寿命試験のために、25個のコンデンサのサンプルを試験プレート上にはんだ付けし、部品の定格電圧及び(85℃などの)高温の加熱炉内に2000時間置いた。
最初に、1.65mm(長さ)×1.15mm(幅)×0.85mm(厚み)のサイズを有するタンタル陽極から3×100,000個のコンデンサ素子サンプルを形成した。個々の陽極にタンタルワイアを埋め込み、5.85g/cm3の密度に加圧し、1270℃で20分間焼結した。このタンタル陽極を、8.6mS/cmの導電率及び85℃の温度を有するオルトリン酸/水の溶液中で11ボルトの形成電圧を使用して陽極酸化した。サンプルを、最初に硝酸マンガン(II)の水溶液(1150kg/m3)中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解してMnO2電解質を得た。このステップを8回繰り返した。
最初に、1.8mm(長さ)×2.45mm(幅)×1.35mm(厚み)のサイズを有するタンタル陽極から2×100,000個のコンデンサ素子サンプルを形成した。個々の陽極にタンタルワイアを埋め込み、6.1g/cm3の密度に加圧し、1295℃で20分間焼結した。このタンタル陽極を、8.6mS/cmの導電率及び85℃の温度を有するオルトリン酸/水の溶液中で9ボルトの形成電圧を使用して陽極酸化した。サンプルを、従来の硝酸マンガン(II)の水溶液(1050kg/m3)中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを2回繰り返した。次に、サンプルを、従来の硝酸マンガン(II)の水溶液(1150kg/m3)中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを8回繰り返した。その後、第1のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)及び3g/dm3のSpolostan 4Pの水溶液中に浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを8回繰り返した。第2のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)及び3g/dm3のErkantol NR(Tanatex Chemicals BV)の水溶液中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを8回繰り返した。最後に、第3のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)のみの水溶液中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを8回繰り返した。次に、サンプルを全て高比重硝酸マンガン(II)中に浸漬し、続けてグラファイト分散液中及び銀分散液中に浸漬して乾燥させた。
最初に、3.5mm(長さ)×2.7mm(幅)×1.65mm(厚み)のサイズを有するNbO陽極から3×20,000個のコンデンサ素子サンプルを形成した。各陽極にタンタルワイアを埋め込み、3.1g/cm3の密度に加圧し、1460℃で20分間焼結した。このNbO陽極を、8.6mS/cmの導電率及び85℃の温度を有するオルトリン酸/水の溶液中で15ボルトの形成電圧を使用して陽極酸化した。サンプルを、従来の硝酸マンガン(II)の水溶液(1150kg/m3)中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを6回繰り返した。その後、第1のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)及び3g/dm3のSpolostan 4Pの水溶液中に浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを2回繰り返した。第2のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)及び3g/dm3のErkantol NR(Tanatex Chemicals BV)の水溶液中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを2回繰り返した。最後に、第3のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)のみの水溶液中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを2回繰り返した。次に、サンプルを全て高比重硝酸マンガン(II)中に浸漬し、続けてグラファイト分散液中及び銀分散液中に浸漬して乾燥させた。
最初に、4.8mm(長さ)×3.4mm(幅)×3.1mm(厚み)のサイズを有するタンタル陽極から2×10,000個のコンデンサ素子サンプルを形成した。個々の陽極にタンタルワイアを埋め込み、5.3g/cm3の密度に加圧し、1500℃で20分間焼結した。このタンタル陽極を、2.9mS/cmの導電率及び85℃の温度を有するオルトリン酸/水の溶液中に101ボルトの形成電圧を使用して浸漬した。サンプルを、従来の硝酸マンガン(II)の水溶液(1150kg/m3)中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解した。このステップを6回繰り返した。その後、第1のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)及び3g/dm3のSpolostan 4Pの水溶液中に浸漬し、その後250℃で分解してMnO2陰極を得た。これらのステップを2回繰り返した。第2のサンプルセットを、硝酸マンガン(II)(1300kg/m3)のみの水溶液中に150秒間浸漬し、その後250℃で分解してMnO2陰極を得た。このステップを2回繰り返した。次に、サンプルを全て高比重硝酸マンガン(II)中に浸漬し、続けてグラファイト分散液中及び銀分散液中に浸漬して乾燥させた。
Claims (21)
- 約70,000μF*V/g以上の比電荷を有する導電性粉末で形成した陽極体と、
前記陽極体上に存在する誘電体と、
前記誘電体の少なくとも一部を実質的に均一に被覆する酸化マンガン膜を含む、前記誘電体上に存在する固体電解質と、
を備えることを特徴とする固体電解コンデンサ。 - 前記導電性粉末がタンタルを含み、前記誘電体が五酸化タンタルを含む、
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。 - 前記粉末が、約120,000μF*V/g〜約250,000μF*V/gの比電荷を有する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の固体電解コンデンサ。 - 前記固体電解質上にカーボン層、銀層、又はこれらの両方が存在する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。 - 前記コンデンサが、100kHzの周波数で、約200ミリオーム以下の、及び好ましくは約100ミリオーム以下のESRを示す、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。 - 前記コンデンサが、約80%以上の、及び好ましくは約90%以上の乾燥対湿潤静電容量割合を示す、
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。 - 固体電解コンデンサを形成する方法であって、
粉末で形成された陽極体を陽極酸化して誘電体被覆を形成するステップと、
前記誘電体被覆陽極体を、酸化マンガン前駆体と分散剤とを含む溶液に接触させるステップと、
前記前駆体を熱分解によって酸化マンガン固体電解質に変換するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記分散剤が、親水性部分と、6〜14個の炭素原子を有する芳香族又はヘテロ原子環系である疎水性部分とを有する有機化合物を含む、
ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記親水性部分が、スルホネート、ホスホネート、カルボキシレート、チオール、スルホネートエステル、ホスファイト、ホスホナイト、ホスフィナイト、ホスフェート、サルフェート、ホスフェートエステル、スルホキサイド、スルホン、アミノ、又はこれらの組み合わせを含む、
ことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 前記有機化合物は、次の構造:
(式中、
R1は1〜6個の炭素原子を有するアルキル基であり、
R2は親水性部分であり、
mはm〜8であり、
pは1〜8であり、
nは1〜100である。)
を有するか、又はその塩である、
ことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の方法。 - 前記化合物が、ナトリウム塩などの、縮合ナフタレンスルホン酸の塩である、
ことを特徴とする請求項8から請求項10のいずれかに記載の方法。 - 前記化合物の分子量が、約6,000グラム/モル以下である、
ことを特徴とする請求項8から請求項11のいずれかに記載の方法。 - 前記酸化マンガン前駆体が硝酸マンガンである、
ことを特徴とする請求項7から請求項12のいずれかに記載の方法。 - (20℃の)水の表面張力の、(水中1重量%の濃度で20℃の)前記分散剤の表面張力に対する比率が、約0.5〜約2.0であり、好ましくは約0.8〜約1.2である、ことを特徴とする請求項7から請求項13のいずれかに記載の方法。
- (水中1重量%の濃度で20℃の)前記分散剤の表面張力が、約50〜約95ダイン/センチメートルであり、好ましくは約55〜約75ダイン/センチメートルである、
ことを特徴とする請求項7から請求項14のいずれかに記載の方法。 - 前記溶液が前記分散剤を、約0.001重量%〜約5重量%、及び好ましくは約0.01重量%〜約1重量%含む、
ことを特徴とする請求項7から請求項15のいずれかに記載の方法。 - 前記溶液が水溶液である、
ことを特徴とする請求項7から請求項16のいずれかに記載の方法。 - 前記溶液がアルコールをさらに含む、
ことを特徴とする請求項7から請求項17のいずれかに記載の方法。 - 前記溶液が、ナノサイズの酸化マンガン前駆体粒子のコロイド懸濁液の形をとる、
ことを特徴とする請求項7から請求項18のいずれかに記載の方法。 - 前記ナノサイズ粒子の平均直径が、約0.1〜約30ナノメートルであり、好ましくは約0.2〜約10ナノメートルである、
ことを特徴とする請求項19に記載の方法。 - 前記粒子の90%以上が、約0.2〜約10ナノメートルの平均直径を有する、
ことを特徴とする請求項19に記載の方法。
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