JP2017076778A - キャリヤ線と複数のリード線を利用した低esr電解キャパシタ - Google Patents
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Abstract
Description
固体電解キャパシタ(例えばタンタルキャパシタ)は、電子回路の小型化に大きく貢献し、そのような回路を極限環境で使用することを可能にした。典型的な固体電解キャパシタの陽極は多孔質陽極体を含み、陽極リードは陽極体から延びてキャパシタの陽極終端に接続されている。陽極は、まず、タンタルパウダーをプレスしてペレットにし、次いでそれを焼結して、個々のパウダー粒子間に融合接続を作り出すことによって形成できる。多くの従来型固体電解キャパシタにまつわる一つの問題は、タンタル粒子の小さい粒度が陽極体と陽極リードとの間の体積接触(volumetric contact)を低減しかねないことである。実際、陽極リードとパウダー粒子との間に多数の接点を見出すのは困難かもしれない。陽極体と陽極リード間の接触面積が減少すると、陽極リードと陽極が交わるところで、それに応じた抵抗の増加がある。この等価直列抵抗(ESR)の増加は、電気的性能の低下したキャパシタをもたらす。直径の大きい陽極リードや複数の陽極リードを使用すればESRを減少させることができる。しかしながら、陽極リードの直径が大きくなると、陽極リードの内部抵抗が増大し、この内部抵抗の増大が、陽極体と陽極リードとの間の接点の増加の結果として見られるESRの何らかの改良(減少)を打ち消すことになりかねない。さらに、陽極リードの直径の増大は、陽極リードをリードフレームの陽極終端部分に抵抗溶接又はレーザー溶接するのに要するエネルギーを増大させる。
当業者に向けた、本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ実施可能な開示を、添付の図面への参照を含め、本明細書の残りの部分でさらに詳細に示す。
一般的に言えば、本発明は、焼結多孔質陽極体と、焼結多孔質陽極体を覆う誘電体層と、そして誘電体層を覆い、固体電解質を含む陰極とを含むキャパシタ素子を含有する固体電解キャパシタに向けられる。キャパシタは、第一の陽極リード及び第二の陽極リードも含む。第一の陽極リード及び第二の陽極リードは、それぞれ、多孔質陽極体内に配置された包埋部分と、多孔質陽極体の表面から縦方向に延びた外側部分とを有する。キャパシタは、焼結多孔質陽極体の外側に配置されたキャリヤ線も含み、キャリヤ線の第一の部分は第一の陽極リードの外側部分と第二の陽極リードの外側部分に接続され、キャリヤ線の第二の部分は焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延びている。本発明者らは、陽極体内に包埋された2本以上の陽極リードを使用すると、得られるキャパシタのESRを、単一の陽極リードが陽極体内に包埋されている場合と比べて、陽極リード材料と陽極体間の接点の増加により低減できることを見出した。さらに、キャリヤ線の特別な配置、すなわちキャリヤ線の第一の部分を、第一及び第二の陽極リードの外側部分の間に配置し、それらに接続するという特別な配置を取ると、得られるキャパシタのESRをさらに低減できる。さらに、キャリヤ線の第二の部分が第一の陽極リードの直径及び第二の陽極リードの直径より小さい直径を有しているキャリヤ線を利用すると、第一の陽極リード及び第二のリードに起因する全内部抵抗を制限することにより、ESRをさらに低減できる。さらに、キャリヤ線は、陽極体を陽極終端に電気的に接続するのに必要なエネルギーの削減も促進する。
I.キャパシタ素子
本発明のキャパシタ素子は、陽極、誘電体層、及び陰極のほか、任意の追加層を含む。そのそれぞれについて以下でさらに詳細に説明する。
本発明のキャパシタの多孔質陽極体は、典型的には、高い比電荷、例えば約2,000μF*V/g以上、一部の態様においては、約5,000μF*V/g以上、一部の態様においては約10,000μF*V/g以上の比電荷を有するバルブ金属組成物から形成できる。例えば、そのようなパウダーは、約10,000〜約600,000μF*V/g、一部の態様においては約40,000〜約500,000μF*V/g、一部の態様においては約70,000〜約400,000μF*V/g、一部の態様においては約100,000〜約350,000μF*V/g、そして一部の態様においては約150,000〜約300,000μF*V/gの比電荷を有しうる。当該技術分野で公知の通り、比電荷は、キャパシタンスと使用された陽極酸化電圧を掛け、次いでこの積を陽極酸化電極体の重量で割ることによって求められる。
示されてはいないが、誘電体が多孔質陽極体を覆っている又は被覆していることは理解されるはずである。誘電体は、焼結陽極を陽極酸化し(“anodizing”)、誘電体層を陽極体上及び/又は陽極体内に形成させることにより形成できる。例えば、タンタル(Ta)陽極体を陽極酸化すると五酸化タンタル(Ta2O5)になる。典型的には、陽極酸化は、陽極体を電解質中に浸漬することなどにより、まず溶液を陽極体に適用することにより実施される。水(例えば脱イオン水)などの溶媒が一般的に使用される。イオン伝導度を増強するために、溶媒中で解離してイオンを形成できる化合物を使用してもよい。そのような化合物の例は、例えば、電解質に関して以下に記載されているような酸などである。例えば、酸(例えばリン酸)は、陽極酸化溶液の約0.01wt%〜約5wt%、一部の態様においては約0.05wt%〜約0.8wt%、そして一部の態様においては約0.1wt%〜約0.5wt%を構成しうる。所望であれば、酸のブレンドも使用できる。
キャパシタ素子は、キャパシタの陰極として機能する固体電解質も含有する。二酸化マンガン固体電解質は、例えば、硝酸マンガン(Mn(NO3)2)の熱分解によって形成することができる。そのような技術は、米国特許第4,945,452号(Sturmerら)に記載されている(引用によってその全文をあらゆる目的のために本明細書に援用する)。
TはO又はSであり;
Dは、置換されていてもよいC1〜C5アルキレン基であり(例えば、メチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレン、n−ペンチレンなど);
R7は、直鎖又は分枝の置換されていてもよいC1〜C18アルキル基(例えば、メチル、エチル、n−又はイソ−プロピル、n−、イソ−、sec−又はtert−ブチル、n−ペンチル、1−メチルブチル、2−メチルブチル、3−メチルブチル、1−エチルプロピル、1,1−ジメチルプロピル、1,2−ジメチルプロピル、2,2−ジメチルプロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシル、n−オクタデシルなど);置換されていてもよいC5〜C12シクロアルキル基(例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、シクロデシルなど);置換されていてもよいC6〜C14アリール基(例えば、フェニル、ナフチルなど);置換されていてもよいC7〜C18アラルキル基(例えば、ベンジル、o−、m−、p−トリル、2,3−、2,4−、2,5−、2,6−、3,4−、3,5−キシリル、メシチルなど);置換されていてもよいC1〜C4ヒドロキシアルキル基又はヒドロキシル基であり;そして
qは、0〜8の整数、一部の態様においては0〜2、そして一態様においては0であり;そして
nは、2〜5,000、一部の態様においては4〜2,000、そして一部の態様においては5〜1,000である]を有する置換ポリチオフェンである。基“D”又は“R7”の置換基の例は、例えば、アルキル、シクロアルキル、アリール、アラルキル、アルコキシ、ハロゲン、エーテル、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、スルホネート、アミノ、アルデヒド、ケト、カルボン酸エステル、カルボン酸、カーボネート、カルボキシレート、シアノ、アルキルシラン及びアルコキシシラン基、カルボキシルアミド基などである。
必須ではないが、外部ポリマーコーティングも陽極体に適用して固体電解質を覆うことができる。外部ポリマーコーティングは、一般的に、上で詳述したような予備重合導電性粒子の分散液から形成される一つ又は複数の層を含有する。外部コーティングは、キャパシタ本体のエッジ領域にさらに浸透して、誘電体への接着を増大できるので、より機械的に堅牢な部品が得られる結果、等価直列抵抗及び漏れ電流を低減できる。一般的に、陽極体内部への浸透というより、エッジの被覆度を改良することを意図しているので、外部コーティングに使用される粒子は、典型的には、固体電解質の何らかの任意の分散液に使用される粒子より大きいサイズを有する。例えば、外部ポリマーコーティングに使用される粒子の平均サイズの、固体電解質の何らかの分散液に使用される粒子の平均サイズに対する比率は、典型的には約1.5〜約30、一部の態様においては約2〜約20、そして一部の態様においては約5〜約15である。例えば、外部コーティングの分散液に使用される粒子は、約50ナノメートル〜約500ナノメートル、一部の態様においては約80ナノメートル〜約250ナノメートル、そして一部の態様においては約100ナノメートル〜約200ナノメートルの平均サイズを有しうる。
上記のように、本発明の電解キャパシタは、少なくとも第一の陽極リードと、第二の陽極リードと、そしてキャリヤ線とを含みうる陽極アセンブリを含みうるが、任意の適切な数の陽極リード及びキャリヤ線を利用できることは理解されるべきである。第一の陽極リード、第二の陽極リード、及び任意の追加陽極リードは、多孔質陽極体内に埋め込まれた包埋部分と、その表面から縦方向に延びた外側部分とを有しうる。さらに、少なくとも1本のキャリヤ線は、多孔質陽極体内に埋め込まれておらず、第一の陽極リード、第二の陽極リード、及び任意の追加リードの外側部分に接続された第一の部分を有しうる。キャリヤ線の第二の部分は、焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延びている。第一の陽極リード、第二の陽極リード、任意の追加陽極リード、キャリヤ線、及び任意の追加キャリヤ線は、タンタル、ニオブ、ニッケル、アルミニウム、ハフニウム、チタン、ステンレススチールなどのほか、それらの合金、酸化物、及び/又は窒化物などの任意の導電性材料から形成できる。一態様において、陽極リード及びキャリヤ線はタンタルでありうる。別の態様において、第一の陽極リード及び第二の陽極リードはタンタルでありうるが、キャリヤ線は、ステンレススチール、ニッケル又はその合金、銅又はその合金、真鍮(黄銅)、スズ入り黄銅、ニッケル・シルバー(洋銀)、青銅、リン青銅、白銅、カートリッジ黄銅、及び陽極リードアセンブリのコスト削減に役立ちうるそれらの任意の誘導体でよい。一つの特別な態様において、キャリヤ線は、ニッケル−鉄合金であるNILO(登録商標)から形成できる。
等価直列抵抗(“ESR”)
ESRは、一般的に、キャパシタが電子回路内で充電及び放電する際に抵抗器のように振る舞う程度のことを言い、通常、キャパシタと直列の抵抗として表される。ESRは、典型的には、Kelvinリードを備えたKeithley 3330 Precision LCZメーターを用い、2.2ボルトのDCバイアス及び0.5ボルトのピーク-ピーク正弦波信号、動作周波数100kHz、温度23℃±2℃で測定される。
キャパシタンスは、Kelvinリードを備えたKeithley 3330 Precision LCZメーターを用い、2.2ボルトのDCバイアス及び0.5ボルトのピーク-ピーク正弦波信号で測定された。動作周波数は120Hz、温度は23℃±2℃であった。
誘電正接は、Kelvinリードを備えたKeithley 3330 Precision LCZメーターを用い、2.2ボルトのDCバイアス及び0.5ボルトのピーク-ピーク正弦波信号で測定された。動作周波数は120Hz、温度は23℃±2℃であった。
漏れ電流(“DCL”)は、漏れ電流を測定する漏洩試験セットを用い、23℃±2℃の温度及び定格電圧で、最低60秒後に測定された。
レーザー溶接は、Trumpf Nd:YaG HAASレーザー(1,064ナノメートル前後の波長の近IR光を放出する)を用いて実施した。溶接のエネルギーは、一般的に、陽極リードをリードフレームの陽極終端部品に接合するために必要なレーザーエネルギー量のことである。溶接のエネルギーはジュールで測定された。
70,000μFV/gのタンタルパウダーをプレスしてペレットにし、長さ1.8mm、幅2.4mm、及び厚さ1.2mmを有する多孔質体を形成した。タンタルパウダーをタンタルデバイス自動成形機のホッパーに装填し、直径0.50mmの2本のタンタル線と共に自動的に成形し、6.8g/cm3の密度にまでプレスして、多孔質体を製造した。多孔質体へのタンタル線の針入度は陽極の長さの70%であった。この成形体を減圧下1300℃で放置し、焼結体を得た。
実施例1に記載のようにしてキャパシタを形成したが、ここでは直径0.50mmの単一のリード線のみを利用し、そのリード線はレーザー溶接工程でリード線を陽極終端に接合する前に切り取った。このようにして多数の部品(250)を製造した。
実施例1に記載のようにしてキャパシタを形成したが、ここでは直径0.19mmの単一のリード線のみを利用した。このようにして多数の部品(250)を製造した。
35 陽極終端
36 第一の陽極リードの外側部分の偏平面
37 第二の陽極リードの外側部分の偏平面
38 キャリヤ線の第一の部分の偏平面
40 リードフレーム
41 陽極終端の平面部分
42 陽極終端の直立部分
43 スロット
43a スロット
43b スロット
44 陰極終端
45 陰極終端の平面部分
46 陰極終端の直立部分
59 第一の陽極リード
60 第一の陽極リードの包埋部分
61 第一の陽極リードの外側部分
62 第二の陽極リード
63 第二の陽極リードの包埋部分
64 第二の陽極リードの外側部分
65 キャリヤ線
66 キャリヤ線の第一の部分
67 キャリヤ線の第二の部分
68 第二のキャリヤ線
69 第二のキャリヤ線の第一の部分
70 第二のキャリヤ線の第二の部分
71 第三の陽極リード
72 第三の陽極リードの包埋部分
73 第三の陽極リードの外側部分
74 前面
75 後面
76 上面
77 下面
78 第一の側面
79 第二の側面
80 第一の陽極リードの偏平化などされた包埋部分
81 第二の陽極リードの偏平化などされた包埋部分
82 第三の陽極リードの偏平化などされた包埋部分
100 キャパシタ
101 キャパシタ
102 キャパシタ
103 キャパシタ
104 キャパシタ
105 キャパシタ
106 キャパシタ
107 キャパシタ
108 キャパシタ
109 キャパシタ
110 キャパシタ
111 キャパシタ
112 キャパシタ
113 キャパシタ
114 キャパシタ
Claims (23)
- 固体電解キャパシタであって、
キャパシタ素子と(キャパシタ素子は、焼結多孔質陽極体と;焼結多孔質陽極体を覆う誘電体層と;そして誘電体層を覆い、固体電解質を含む陰極とを含む);
第一の陽極リードと(第一の陽極リードは、焼結多孔質陽極体内に配置された包埋部分と、焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に延びた外側部分とを有する);
第二の陽極リードと(第二の陽極リードは、焼結多孔質陽極体内に配置された包埋部分と、焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に延びた外側部分とを有する);
キャリヤ線と(キャリヤ線は、焼結多孔質陽極体の外側に配置され、キャリヤ線の第一の部分は、第一の陽極リードの外側部分と第二の陽極リードの外側部分に接続され、さらにキャリヤ線の第二の部分は、焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延びている)
を含む固体電解キャパシタ。 - キャリヤ線の第二の部分が、第一の陽極リードの直径及び第二の陽極リードの直径より小さい直径を有している、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リード又は第二の陽極リードのいずれかの直径の、キャリヤ線の直径に対する比率が約1.1〜約5の範囲である、請求項2に記載の固体電解キャパシタ。
- キャリヤ線が約50マイクロメートル〜約300マイクロメートルの範囲の直径を有する、請求項2に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リード及び第二の陽極リードが、それぞれ約200マイクロメートル〜約800マイクロメートルの範囲の直径を有する、請求項2に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リード、第二の陽極リード、及びキャリヤ線がタンタルを含む、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リードの包埋部分の少なくとも一部及び第二の陽極リードの包埋部分の一部が接続されている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リードの包埋部分の一部、第二の陽極リードの包埋部分の一部、又はその両方が、偏平化、クリンピング、又は圧縮されている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- キャリヤ線の第一の部分が、焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延び、さらにキャリヤ線の第一の部分は第一の陽極リードの外側部分と第二の陽極リードの外側部分との間に配置されている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- キャリヤ線の第一の部分が、第一の陽極リードの外側部分及び第二の陽極リードの外側部分を横切って、第一の陽極リードの外側部分及び第二の陽極リードの外側部分が縦に延びているx−方向に垂直なz−方向に延びている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 第一の陽極リードの外側部分及び第二の陽極リードの外側部分が、キャリヤ線の第一の部分に、抵抗溶接、レーザー溶接、又はそれらの組合せによって接続されている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 陽極終端をさらに含み、キャリヤ線の第二の部分がその陽極終端に接続されている、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- キャリヤ線の第二の部分が陽極終端の直立部分に接続されている、請求項12に記載の固体電解キャパシタ。
- 陰極に電気的に接続されている陰極終端をさらに含む、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 陽極体が、タンタル、その導電性酸化物、又はその導電性窒化物を含むパウダーから形成される、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 固体電解質が導電性ポリマーを含む、請求項1に記載の固体電解キャパシタ。
- 固体電解キャパシタの形成法であって、該方法は、
第一の陽極リードと第二の陽極リードをバルブ金属組成物から形成されたパウダー内に配置し(ここで、第一の陽極リードは、多孔質陽極体内に配置された包埋部分と、多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に延びた外側部分とを含み、そして第二の陽極リードは、多孔質陽極体内に配置された包埋部分と、多孔質陽極体の表面から縦方向に延びた外側部分とを有する);
第一の陽極リードの包埋部分と第二の陽極リードの包埋部分の周囲にパウダーを圧縮し;
圧縮パウダーを焼結して焼結多孔質陽極体を形成し;
キャリヤ線を焼結多孔質陽極体の外側に配置し(ここで、キャリヤ線は第一の部分と第二の部分を有する);
キャリヤ線の第一の部分を第一の陽極リード及び第二の陽極リードに接続し;そして
キャリヤ線の第二の部分を陽極終端に接続してキャリヤ線の第二の部分と陽極終端との間に電気的接続を形成する(さらに、ここで、キャリヤ線の第二の部分は焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延びている)
ことを含む方法。 - キャリヤ線の第二の部分が、第一の陽極リードの直径及び第二の陽極リードの直径より小さい直径を有し、第一の陽極リード又は第二の陽極リードのいずれかの直径の、キャリヤ線の直径に対する比率が約1.1〜約5の範囲である、請求項17に記載の方法。
- 第一の陽極リードの包埋部分の少なくとも一部を第二の陽極リードの包埋部分の一部に接続することをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 第一の陽極リードの包埋部分の一部、第二の陽極リードの包埋部分の一部、又はその両方を、偏平化、クリンピング、又は圧縮することをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- キャリヤ線の第一の部分を第一の陽極リードの外側部分と第二の陽極リードの外側部分との間に配置し、キャリヤ線の第一の部分は焼結多孔質陽極体の表面からx−方向に縦に遠くまで延びている、請求項17に記載の方法。
- キャリヤ線の第一の部分を、第一の陽極リードの外側部分と第二の陽極リードの外側部分を横切って、第一の陽極リードの外側部分及び第二の陽極リードの外側部分が縦に延びているx−方向に垂直なz−方向に配置することをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- さらに、
焼結多孔質陽極体を陽極酸化して誘電体層を形成し;そして
固体電解質を陽極酸化された焼結多孔質陽極体に適用して陰極を形成し;
陰極と陰極終端との間に電気的接続を形成し;そして
キャパシタを、少なくとも陽極終端の一部及び陰極終端の一部を露出させたまま成形材料で封入する
ことを含む、請求項17に記載の方法。
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