JP2022149517A - 電解コンデンサ - Google Patents

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Koreyasu Sugihara
徳彦 大形
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佑磨 矢野
Yuma Yano
裕喜 上田
Hiroyoshi Ueda
将之 鳳桐
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Abstract

【課題】電解コンデンサの等価直列抵抗を低減する。【解決手段】開示される電解コンデンサ10は、多孔質の陽極体22と、陽極体22に埋設された埋設部23aおよび陽極体22の外部へ突出する突出部23bを有するシート状の陽極リード23と、陽極体22の表面に形成された誘電体層24と、誘電体層24の少なくとも一部を覆う陰極層25と、陽極リード23に電気的に接続される陽極リードフレーム30と、陰極層25に電気的に接続される陰極リードフレーム40と、を備える。陽極リード23は、陰極リードフレーム40と対向する第1主面23cとその反対側の第2主面23dとを有する。第1主面23cと陰極リードフレーム40との対向方向において、陽極リード23が、陽極体22の中央と陰極リードフレーム40側の端面との間に配置される。【選択図】図3

Description

本開示は、電解コンデンサに関する。
従来、弁金属粉末の成形体と、この成形体に取り付けられた箔形状のリードとを備えた電解コンデンサ用電極が知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1によると、リードを箔形状とすることで電解コンデンサ用電極の高周波特性を改善できるとのことである。
特開2000-12387号公報
しかしながら、特許文献1の電解コンデンサ用電極には、電解コンデンサの等価直列抵抗に関して改善の余地がある。このような状況において、本開示は、電解コンデンサの等価直列抵抗を低減することを目的の1つとする。
本開示に係る一局面は、電解コンデンサに関する。当該電解コンデンサは、多孔質の陽極体と、前記陽極体に埋設された埋設部および前記陽極体の外部へ突出する突出部を有するシート状の陽極リードと、前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の少なくとも一部を覆う陰極層と、前記陽極リードに電気的に接続される陽極リードフレームと、前記陰極層に電気的に接続される陰極リードフレームと、を備え、前記陽極リードは、前記陰極リードフレームと対向する第1主面とその反対側の第2主面とを有し、前記第1主面と前記陰極リードフレームとの対向方向において、前記陽極リードが、前記陽極体の中央と前記陰極リードフレーム側の端面との間に配置される。
本開示によれば、電解コンデンサの等価直列抵抗(ESR)を低減することができる。
本開示に係る電解コンデンサの一例を模式的に示す断面図である。 陽極体および陽極リードを示す二面図である。 陽極リードの配置とESR比との関係を示すグラフである。
本開示に係る電解コンデンサの実施形態について例を挙げて以下に説明する。しかしながら、本開示は以下に説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。
本開示に係る電解コンデンサは、多孔質の陽極体と、陽極リードと、誘電体層と、陰極層と、陽極リードフレームと、陰極リードフレームとを備える。具体的には、電解コンデンサは、多孔質の陽極体と、陽極体に埋設された埋設部および陽極体の外部へ突出する突出部を有するシート状の陽極リードと、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の少なくとも一部を覆う陰極層と、陽極リードに電気的に接続される陽極リードフレームと、陰極層に電気的に接続される陰極リードフレームとを備える。陽極リードは、陰極リードフレームと対向する第1主面とその反対側の第2主面とを有するシート状である。第1主面は、陰極リードフレームの陰極層側端部の主面(端面)と対向しており、対向する両主面の間には陰極層が介在している。第1主面と陰極リードフレームとの対向方向において、陽極リードは、陽極体の中央と陰極リードフレーム側の端面との間に配置されている。
陽極体は、例えば、金属粒子を焼結して得られる概ね直方体状の多孔質焼結体である。陽極体の概ね直方体状の形状とは、互いに対向する3対(つまり、6つ)の主面を有する形状である。隣接する主面同士は互いに80°以上、100°以下の角度で交差している。金属粒子としては、チタン、タンタル、ニオブなどの弁作用金属の粒子を用いることができる。金属粒子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。金属粒子は、2種以上の金属からなる合金であってもよい。例えば、弁作用金属と、ケイ素、バナジウム、ホウ素などとを含む合金を用いることができる。また、弁作用金属と窒素などの典型元素とを含む化合物を用いてもよい。弁作用金属の合金は、弁作用金属を主成分とし、例えば、弁作用金属を50原子%以上含む。
陽極リードは、シート状の導電性部材である。シート状とは、リボン状、ストリップ状などと言い換えることができる。シート状の陽極リードは、例えば、金属箔、金属リボンなどであり得る。陽極リードの材料は特に限定されず、例えば、上記弁作用金属の他、銅、アルミニウム、アルミニウム合金などが挙げられる。陽極体および陽極リードを構成する材料は、同種であってもよいし、異種であってもよい。陽極リードは、陽極体に埋設された埋設部と、陽極体の外部へ突出する突出部とを有する。陽極リードの第1主面は、陰極リードフレームの主面と対向する。
陽極リードの大部分は埋設部である。第1主面および第2主面の大部分が埋設部に割り当てられるため、埋設部と陽極体との接続界面は非常に大きくなる。第1主面は、陰極リードフレームの主面と対向しているため、埋設部と陽極体との接続界面は、陰極層と陰極リードフレームとの接続界面と大きな面積で重なり合うことになる。つまり、埋設部から陰極リードフレームに至る非常に太い導電パスが確保される。太い導電パスは、陽極部から誘電体層を介して陰極層を経由するように形成される。陽極リードの第1主面と陰極リードフレームとの対向方向において、陽極リードの第1主面の50%以上が陰極リードフレームと重なり合うことが望ましく、70%以上、さらには90%以上が重なることが望ましい。
誘電体層は、陽極体の表面に形成された層である。誘電体層は、例えば、金属酸化物から構成されている。陽極体の表面に金属酸化物を含む層を形成する方法として、例えば、化成液中に陽極体を浸漬して陽極体の表面を陽極酸化する方法や、陽極体を、酸素を含む雰囲気下で加熱する方法が挙げられる。誘電体層は、金属酸化物を含む層に限定されず、絶縁性を有していればよい。
陰極層は、誘電体層の少なくとも一部を覆う層である。陰極層は、例えば、導電性高分子を含む層と、カーボン層と、カーボン層の表面に形成された金属ペースト層とを有する。カーボン層は、黒鉛などの導電性炭素材料と樹脂を含む。金属ペースト層は、例えば、金属粒子(例えば、銀)と樹脂を含む。なお、陰極層の構成は、これに限定されず、集電機能を有する構成であればよい。
陽極リードフレームは、陽極リードに電気的に接続される。陽極リードフレームの材質は、電気化学的および化学的に安定であり、導電性を有するものであれば特に限定されない。陽極リードフレームは、例えば銅などの金属であってもよいし、非金属であってもよい。陽極リードフレームは、例えば曲げ加工された金属平板もしくは金属シートであってもよいが、特に限定されない。陽極リードフレーム(すなわち、金属平板もしくは金属シート)の厚さ(陽極リードフレームの主面間の距離)は、低背化の観点から、25μm以上、200μm以下であってもよく、25μm以下、100μm以下であってもよい。
陽極リードフレームの一端部は、導電性接着剤やはんだにより、陽極リードの突出部に接合されてもよいし、抵抗溶接やレーザ溶接により、陽極リードの突出部に接合されてもよい。陽極リードフレームの他端部は、外部に露出していて、電解コンデンサの搭載面に配置される。
陰極リードフレームは、陰極層に電気的に接続される。陰極リードフレームの材質、形状、および厚さは、陽極リードフレームのそれらと同じでもよいし、異なってもよい。すなわち、陰極リードフレームは、例えば曲げ加工された金属平板もしくは金属シートであってもよいが、特に限定されない。陰極リードフレーム(すなわち、金属平板もしくは金属シート)の厚さ(陰極リードフレームの主面間の距離)は、低背化の観点から、25μm以上、200μm以下であってもよく、25μm以上、100μm以下であってもよい。陰極リードフレームの一端部は、導電性接着剤やはんだにより、陰極層に接合されてもよい。陰極リードフレームの他端部は、外部に露出していて、電解コンデンサの搭載面に配置される。
ここで、陽極リードがシート状であり、かつ陽極リードの第1主面が陰極リードフレームと対向している場合、陽極リードの配置が電解コンデンサの等価直列抵抗(ESR)に顕著に影響する。具体的には、陽極リードの第1主面と陰極リードフレームとの対向方向において、陽極リードを、陽極体の中央と、陽極体の陰極リードフレーム側の端面との間に配置することで、電解コンデンサのESRを顕著に低減できるとの知見を得た。陽極体の陰極リードフレーム側の端面とは、陽極リードの突出部が突出する主面と交差し、かつ陰極リードフレームと最も近接して対向する主面である。このような配置によれば、陽極リードが陰極リードフレームに近づけられる。既述のように、陽極リードの第1主面と陰極リードフレームとの対向方向において、陽極リードの第1主面と陰極リードフレームとが大きな面積で重なり合う構成では、陽極リードと陰極リードフレームとの間の距離がESRに顕著な影響を及ぼす。
具体的には、陽極リードをシート状にすることで、例えば陽極リードが丸棒状のような線材である場合に比べて、陰極リードフレームに対して陽極リードをより広い面積にわたって近づけることができる。これにより、電解コンデンサのESRをより一層低減することができる。仮に、陽極リードが線材である場合、線材と陽極体との接続界面が小さく、線材から陰極リードフレームに至る導電パスの抵抗はシート状の陽極リードを用いる場合よりも大きくなる。この場合、陽極リードの配置がESRに与える影響は小さい。
以上のように、本開示によれば、陽極リードがシート状であり、かつ陽極リードの第1主面が陰極リードフレームと対向している場合に特有の効果として、陽極リードの配置を制御することで電解コンデンサのESRを顕著に低減することができる。
陽極リードの第1主面と陰極リードフレームとの対向方向における陽極体の長さをA[mm]とし、かつ当該対向方向における陽極リードの第1主面と、陽極体の陰極リードフレーム側の端面との間の距離をAx[mm]として、0.05≦Ax/(A/2)≦0.5が成り立ってもよい。0.05≦Ax/(A/2)が満たされる場合、陽極リードの埋設部と陰極リードフレームとの間には、必要十分な厚みを有する陰極層が介在する。陰極層(中でも、導電性高分子を含む層)は導電パスの形成に重要な役割を果たす。必要十分な陰極層が介在することで、太い導電パスが実質的な集電経路を確保できるようになる。
本願発明者は、鋭意研究の結果、0.05≦Ax/(A/2)≦0.5が成り立つ場合に、電解コンデンサのESR比を1.0よりも小さくできることを見出した。ここで、ESR比とは、上記対向方向において、陽極リードを陽極体の中央に配置した場合のESRを基準値として、当該基準値に対するESR値の比率のことをいう。例えば、基準値が10Ωである場合において電解コンデンサのESR値が5Ωであれば、ESR比は0.5(=5/10)である。換言すれば、本実施形態に係る電解コンデンサは、上記対向方向において、陽極リードを陽極体の中央に配置した場合の電解コンデンサのESRを基準値として、基準値に対するESRの比率(ESR比)を1.0よりも小さくすることができる電解コンデンサであり、より好ましくはESR比を0.98以下とすることができる電解コンデンサである。Ax/(A/2)は、例えば、陰極層の構成などに応じて、ESR比が1よりも小さく、好ましくは0.98以下になるように設計すればよい。逆に、Ax/(A/2)に応じて、ESR比が1よりも小さく、好ましくは0.98以下になるように陰極層の構成などを設計してもよい。
なお、本明細書において、上記対向方向における陽極リードの第1主面と、陽極体の陰極リードフレーム側の端面との間の距離Axは、陽極リードの埋設部と突出部との間の境界領域(いわゆるリード植立部)における距離Axのことである。
陰極層は、導電性高分子を含む層を有してもよく、導電性高分子を含む層の導電率は、5S/cm以上、100S/cm以下であってもよい。導電性高分子を含む層は、誘電体層の少なくとも一部を覆ってもよい。導電性高分子としては、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリチオフェンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルフェノール、ポリピリジン、あるいは、これらの高分子の誘導体などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。また、導電性高分子は、2種以上のモノマーの共重合体でもよい。導電性に優れる点で、導電性高分子は、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールであってもよい。特に、撥水性に優れる点で、導電性高分子は、ポリピロールであってもよい。
導電性高分子を含む層は、例えば、原料モノマーを誘電体層上で重合することにより形成される。あるいは、導電性高分子を含む層は、導電性高分子を含んだ液を誘電体層に塗布することにより形成されてもよい。導電性高分子を含む層は、1層または2層以上の導電性高分子を含む層から構成される。導電性高分子を含む層が2層以上から構成される場合、各層に用いられる導電性高分子の組成や形成方法(重合方法)などは異なっていてもよい。
なお、本明細書では、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリンなどは、それぞれ、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリンなどを基体骨格とする高分子を意味する。したがって、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリアニリンなどには、それぞれの誘導体が含まれ得る。例えば、ポリチオフェンには、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)などが含まれる。
導電性高分子を形成するための重合液、導電性高分子の溶液または分散液には、導電性高分子の導電性を向上させるために、様々なドーパントを添加してもよい。ドーパントは、特に限定されないが、1,5-ナフタレンジスルホン酸、1,6-ナフタレンジスルホン酸、1-オクタンスルホン酸、1-ナフタレンスルホン酸、2-ナフタレンスルホン酸、2,6-ナフタレンジスルホン酸、2,7-ナフタレンジスルホン酸、2-メチル-5-イソプロピルベンゼンスルホン酸、4-オクチルベンゼンスルホン酸、4-ニトロトルエン-2-スルホン酸、m-ニトロベンゼンスルホン酸、n-オクチルスルホン酸、n-ブタンスルホン酸、n-ヘキサンスルホン酸、o-ニトロベンゼンスルホン酸、p-エチルベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ハイドロオキシベンゼンスルホン酸、ブチルナフタレンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、メタンスルホン酸、および、これらの誘導体などが挙げられる。誘導体としては、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩などの金属塩、メチルアンモニウム塩、ジメチルアンモニウム塩、トリメチルアンモニウム塩などのアンモニウム塩、ピペリジウム塩、ピロリジウム塩、ピロリニウム塩などが挙げられる。
導電性高分子が、粒子の状態で分散媒に分散している場合、その粒子の平均粒径D50は、例えば0.01μm以上、0.5μm以下である。粒子の平均粒径D50がこの範囲であれば、陽極体の内部にまで粒子が侵入しやすい。
陽極リードの埋設部と突出部とは、面一になっていてもよい。換言すると、陽極リードは、全体にわたって平坦状になっていてもよい。
陽極リードの厚さT(第1主面と第2主面との間の距離)は、0.01mm以上、0.3mm以下であってもよい。
以下では、本開示に係る電解コンデンサの一例について、図面を参照して具体的に説明する。以下で説明する一例の電解コンデンサの構成要素には、上述した構成要素を適用できる。以下で説明する一例の電解コンデンサの構成要素は、上述した記載に基づいて変更できる。また、以下で説明する事項を、上記の実施形態に適用してもよい。以下で説明する一例の電解コンデンサの構成要素のうち、本開示に係る電解コンデンサに必須ではない構成要素は省略してもよい。なお、以下で示す図は模式的なものであり、実際の部材の形状や数を正確に反映するものではない。
-電解コンデンサの全体構成-
図1に示すように、電解コンデンサ10は、コンデンサ素子20と、陽極リードフレーム30と、陰極リードフレーム40と、外装樹脂60とを備える。
コンデンサ素子20は、陽極部21と、誘電体層24と、陰極層25とを有する。陽極部21は、多孔質の陽極体22と、シート状の陽極リード23とを含む。陽極体22は、実質的に直方体状の多孔質焼結体であり、表面に誘電体層24が形成されている。
陽極リード23は、陽極体22に埋設された埋設部23aと、陽極体22の外部へ突出する突出部23bとを含む。埋設部23aと突出部23bとは、面一になっている。陽極リード23は、陰極リードフレーム40と対向する第1主面23cと、その反対側の第2主面23dとを有する。陽極リード23の厚さTは、0.01mm以上、0.3mm以下であってもよい。
陰極層25は、誘電体層24(陽極体22)の少なくとも一部を覆うように配置された電解質層26と、電解質層26上に形成された導電層27とを含む。導電層27は、例えば、電解質層26上に形成されたカーボン層と、カーボン層上に形成された金属粒子層とを含む。金属粒子層は、例えば金属ペーストを用いて形成される。電解質層26の導電率は、5S/cm以上、100S/cm以下であってもよく、5S/cm以上、70S/cm以下であってもよい。電解質層26は、導電性高分子を含む層の一例である。
陽極リードフレーム30は、陽極端子部31およびリード接続部32を含む。陽極端子部31は、電解コンデンサ10の底面10aにおいて露出している。リード接続部32は、陽極端子部31とつながっている。リード接続部32は、陽極リード23に電気的に接続されている。すなわち、陽極リードフレーム30は、コンデンサ素子20の陽極部21と電気的に接続されている。なお、図1に示す陽極リードフレーム30の形状は一例であり、陽極リードフレーム30としての機能を果たす限り、他の形状であってもよい。
陰極リードフレーム40は、陰極端子部41および接続部42を含む。陰極端子部41は、電解コンデンサ10の底面10aにおいて露出している。接続部42は、陰極端子部41とつながっている。接続部42は、導電性部材50を介して陰極層25に接続されている。すなわち、陰極リードフレーム40は、コンデンサ素子20の陰極層25と電気的に接続されている。なお、図1に示す陰極リードフレーム40の形状は一例であり、陰極リードフレーム40としての機能を果たす限り、他の形状であってもよい。
外装樹脂60は、電解コンデンサ10の表面にコンデンサ素子20が露出しないように、コンデンサ素子20の周囲に配置される。外装樹脂60は、陽極リードフレーム30と陰極リードフレーム40とを絶縁する。外装樹脂60の例には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、および不飽和ポリエステルなどが含まれる。外装樹脂60は、樹脂以外の物質(無機フィラーなど)を含んでもよい。
-陽極リードの配置とESR比-
図1および図2に示すように、陽極リード23は、その第1主面23cと陰極リードフレーム40との対向方向(図1における上下方向)において、陽極体22の中央と陰極リードフレーム40側の端面との間に配置される。ここで、本実施形態では、当該対向方向における陽極体22の長さをA[mm]とし、かつ対向方向における陽極リード23の第1主面23cと当該端面との間の距離をAx[mm]として、0.05≦Ax/(A/2)≦0.5が成り立つ。
図3は、陽極リード23の配置および電解質層26の導電率と、電解コンデンサ10のESR比との関係の評価結果を示すグラフである。このグラフは、横軸が陽極リード23の配置(すなわち、Ax/(A/2))を示し、縦軸が電解コンデンサ10のESR比を示す。そして、電解質層26の導電率が5S/cm、20S/cm、50S/cm、および70S/cmの各々について、評価結果を示してある。ここで、Ax/(A/2)が0となるのは、陽極リード23が陽極体22の端面に配置される場合であり、Ax/(A/2)が1となるのは、陽極リード23が陽極体22の中央に配置される場合である。
なお、図3に対応する評価の条件として、陽極体22の長さLを4.40mm、上記対向方向における陽極体22の長さ(高さ)Aを1.73mm、陽極体22の幅Bを2.57mm、陽極リード23の厚さTを100μm、陽極リード23の幅Wを2.0mmとした(各寸法については図2を参照)。
図3からわかるように、電解質層26の導電率が5S/cm以上、70Sm以下である場合に、0.05≦Ax/(A/2)≦0.5の範囲で、電解コンデンサ10のESR比が1よりも小さくなり得る。より詳細には、電解質層26の導電率が5S/cmである場合、0.05≦Ax/(A/2)≦0.2の範囲で、電解質層26の導電率が20S/cmである場合、0.1≦Ax/(A/2)≦0.3の範囲で、電解質層26の導電率が50S/cmである場合、0.15≦Ax/(A/2)≦0.45の範囲で、電解質層26の導電率が70S/cmである場合、0.2≦Ax/(A/2)≦0.5の範囲で、それぞれ電解コンデンサ10のESR比が1よりも小さくなり得る。換言すれば、本実施形態では、ESR比が1よりも小さくなり、好ましくはESR比が0.98以下となるように、0.05≦Ax/(A/2)≦0.5の範囲内で、Ax/(A/2)の値が設定される。図示を省略するが、電解質層26の導電率が100S/cmである場合、0.25≦Ax/(A/2)≦0.5の範囲で、電解コンデンサ10のESR比が1よりも小さくなり得る。
このように、本実施形態の電解コンデンサ10は、ESR比が1よりも小さい。つまり、従来技術(例えば、特許文献1)より公知の構成に比べて、電解コンデンサ10のESRを低減することができる。
本開示は、金属粒子を焼結して得られる概ね直方体状の多孔質焼結体である陽極体と、シート状の陽極リードとを有する電解コンデンサに利用できる。
10:電解コンデンサ
10a:底面
20:コンデンサ素子
21:陽極部
22:陽極体
23:陽極リード
23a:埋設部
23b:突出部
23c:第1主面
23d:第2主面
24:誘電体層
25:陰極層
26:電解質層(導電性高分子を含む層)
27:導電層
30:陽極リードフレーム
31:陽極端子部
32:リード接続部
40:陰極リードフレーム
41:陰極端子部
42:接続部
50:導電性部材
60:外装樹脂
A:陽極体の高さ
Ax:陽極リードの第1主面と陽極体の端面との間の距離
B:陽極体の幅
L:陽極体の長さ
T:陽極リードの厚さ
W:陽極リードの幅

Claims (6)

  1. 多孔質の陽極体と、
    前記陽極体に埋設された埋設部および前記陽極体の外部へ突出する突出部を有するシート状の陽極リードと、
    前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、
    前記誘電体層の少なくとも一部を覆う陰極層と、
    前記陽極リードに電気的に接続される陽極リードフレームと、
    前記陰極層に電気的に接続される陰極リードフレームと、
    を備え、
    前記陽極リードは、前記陰極リードフレームと対向する第1主面とその反対側の第2主面とを有し、
    前記第1主面と前記陰極リードフレームとの対向方向において、前記陽極リードが、前記陽極体の中央と前記陰極リードフレーム側の端面との間に配置される、電解コンデンサ。
  2. 前記対向方向における前記陽極体の長さをA[mm]とし、かつ前記対向方向における前記陽極リードの前記第1主面と前記端面との間の距離をAx[mm]として、
    0.05≦Ax/(A/2)≦0.5が成り立つ、請求項1に記載の電解コンデンサ。
  3. 前記陰極層は、導電性高分子を含む層を有し、
    前記導電性高分子を含む層の導電率は、5S/cm以上、100S/cm以下である、請求項1または2に記載の電解コンデンサ。
  4. 前記陽極リードの前記埋設部と前記突出部とが面一になっている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
  5. 前記陽極リードの厚さTが0.01mm以上、0.3mm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
  6. 前記対向方向において、前記陽極リードを前記陽極体の中央に配置した場合の等価直列抵抗を基準値として、前記基準値に対する等価直列抵抗の比率が1.0よりも小さい、請求項1~5のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
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