JP2023002812A - 電解コンデンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】高温下での保証寿命の長い電解コンデンサを提供することができる。【解決手段】電解コンデンサは、コンデンサ素子と、電解液と、ケースと、封口部材と、モールド樹脂層と、を備えている。コンデンサ素子は、一対の電極を含む。電解液は、一対の電極間に介在する。ケースは、コンデンサ素子および電解液を収容し、開口を有する。封口部材は、開口を封止する。モールド樹脂層は、封口部材の外面の少なくとも一部を覆う。電解液に含まれる溶媒が、グリコール化合物を含む。【選択図】図1
Description
本開示は、封口部材を覆うモールド樹脂層を備える電解コンデンサに関する。
電解コンデンサは、一対の電極を含むコンデンサ素子と、コンデンサ素子を収容するケースと、ケースの開口を封止する封口部材と、一対の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、封口部材を貫通する一対のリードとを備える。
電解コンデンサが電解液を含む場合、電解液成分が封口部材を透過し、蒸散して、徐々に減少する傾向が見られる。そこで、ケース内の密閉性を高めるために、ケースの開口側を臨む封口部材の外面をモールド樹脂層で覆うことが提案されている(特許文献1)。
本開示の第1の態様に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、電解液と、ケースと、封口部材と、モールド樹脂層と、を備えている。コンデンサ素子は、一対の電極を含む。電解液は、一対の電極間に介在する。ケースは、コンデンサ素子および電解液を収容し、開口を有する。封口部材は、開口を封止する。モールド樹脂層は、封口部材の外面の少なくとも一部を覆う。電解液に含まれる溶媒が、グリコール化合物を含む。
本態様によれば、高温下での保証寿命の長い電解コンデンサを提供することができる。
本開示の第2の態様に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、電解液と、ケースと、封口部材と、一対のリードと、モールド樹脂層と、を備えている。コンデンサ素子は、一対の電極を含む。電解液は、一対の電極間に介在する。ケースは、コンデンサ素子および電解液を収容し、開口を有する。封口部材は、開口を封止する。一対のリードは、一対の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、封口部材を貫通する。モールド樹脂層は、封口部材の外面の少なくとも一部を覆う。モールド樹脂層が、実装面に凹部を有し、凹部におけるモールド樹脂層の薄肉部の平均厚さが、0.1mm以上である。凹部に、一対のリードの少なくとも一部が収容されている。
本態様によれば、リードの長さの増大を抑制しつつ、高レベルの耐熱性を維持することができる。
特許文献1の電解コンデンサでは、封口部材の外面をモールド樹脂層で覆うことにより、電解液に含まれる溶媒の蒸散が長期的に抑制されるため、電解コンデンサの保証寿命を長くすることができると期待される。しかし、モールド樹脂層を設けることにより、電解コンデンサの外装部分の断熱性が高くなり、電解コンデンサ内部で発生する熱の発散(放熱)が困難になる。そのため、リップル電流による自己発熱によって不具合を生じやすくなる。例えば、高温下では、ケース内に熱が蓄積されることによって内部圧力が高くなり、溶媒の蒸散が促進される。つまり、モールド樹脂層による溶媒の蒸散を抑制する効果が一部相殺され、期待される電解コンデンサの保証寿命が達成されなくなる。
上記問題に鑑み、以下に示す本開示の第1の態様は、高温下での保証寿命を長くすることができる電解コンデンサを提供する。
本開示の第1の態様に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、電解液と、ケースと、封口部材と、一対のリードとを備える。コンデンサ素子は、一対の電極を含む。電解液は、一対の電極間に介在する。ケースは、コンデンサ素子および電解液を収容し、開口を有する。封口部材は、開口を封止する。一対のリードは、一対の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、封口部材を貫通する。ケースの開口側を臨む封口部材の外面の少なくとも一部は、モールド樹脂層で覆われている。電解液に含まれる溶媒は、グリコール化合物を含む。
モールド樹脂層には、耐リフロー性を向上させる効果や、電解液に含まれる溶媒の蒸散を長期的に抑制する効果が期待される。リフロー工程では、電解コンデンサが高温に加熱されるため、周囲の熱の電解コンデンサ内への伝導を抑制することが望まれる。よって、モールド樹脂層は、優れた断熱作用を有することが一般的である。モールド樹脂層の熱伝導率は、例えば1.0W/mK以下であり、0.8W/mK以下が好ましい。なお、熱伝導率は、例えばASTM E1530に準拠した円板熱流計法により測定すればよい。
ところが、電解コンデンサの断熱性が高くなると、ケース内で発生する熱の発散が困難になり、ケース内に熱が蓄積されやすくなる。これに対し、溶媒にグリコール化合物を含ませると、電解液の熱伝導性が高められ、電解液からケースを通じて熱が外部に逃げやすくなる。グリコール化合物の中でも、例えばエチレングリコール(EG)は、電解コンデンサの電解液の溶媒として多用されるγ-ブチロラクトン(GBL)、スルホラン(SL)などに比べると、熱伝導率が2倍程度大きく、電解液からケースに熱を移動させやすくなる。
電解液の熱伝導性を十分に高める観点からは、溶媒に含まれるグリコール化合物の含有割合を5質量%以上とすることが好ましい。溶媒に含まれるグリコール化合物の含有割合が大きいほど、熱伝導性を高める効果が大きくなる。
モールド樹脂層は、必ずしも封口部材の外面の全面を覆っている必要はない。例えば、封口部材の外面のうち、リードを通過させるための貫通孔の周囲には、モールド樹脂層を有さない微小領域を設けてもよい。ただし、溶媒の蒸散を低減する観点から、封口部材の外面の50%以上、更には95%以上がモールド樹脂層で覆われていることが好ましく、実質的に封口部材の外面の100%がモールド樹脂層で覆われていることがより好ましい。すなわち、封口部材の外面の50%以上、100%以下がモールド樹脂層で覆われていることが好ましく、更には封口部材の外面の95%以上、100%以下がモールド樹脂層で覆われていることがより好ましい。
モールド樹脂層は、実装面を有することが好ましい。実装面とは、回路基板などに実装される際に基板と対向する平坦部を有する面である。モールド樹脂層に実装面を設けることで、電解コンデンサが高温に加熱されるリフロー工程では、回路基板からケース内への熱伝導が抑制され、ケース内の急激な圧力上昇が抑制される。よって、電解コンデンサの耐リフロー性が更に向上する。
一方、実装面を有するモールド樹脂層は、長期的には、電解コンデンサから回路基板へ熱を逃がす際の障壁になるため、電解コンデンサの自己発熱による熱が、ケース内に更に蓄積されやすくなる。中でも、封口部材とモールド樹脂層との界面から、当該界面の法線方向におけるモールド樹脂層の実装面までの最大距離(封口部材の外面を覆うモールド樹脂層の最大厚さ)Tmaxが4.0mmより大きい場合には、ケース内に多くの熱が蓄積されやすい。
電解コンデンサの密閉性を十分に高める観点からは、最大距離Tmaxは1.0mm以上が好ましく、1.3mm以上がより好ましい。また、電解コンデンサの小型化やケース内の熱を放出させやすくする観点からは、最大距離Tmaxは、4mm以下が好ましく、3mm以下がより好ましく、2mm以下が更に好ましい。
ケース内の密閉性を高める観点からは、モールド樹脂層は、封口部材の外面に加え、ケースの開口に続く側面の少なくとも一部も覆っていることが好ましい。一方、ケースの側面の一部がモールド樹脂層で覆われると、ケースから熱を外部に逃がす経路にも障壁が形成される。よって、密閉性を向上させ得る程度で、ケースの側面のできるだけ小領域をモールド樹脂層で覆うことが好ましい。ケースの側面の全体の面積(S0)に対するモールド樹脂層で覆われる側面の面積(Sx)の割合は、10%以上、更には20%以上であれば十分であり、できるだけ放熱性を損なわないように80%以下、更には50%以下とすることが好ましい。ケースの側面の一部をモールド樹脂層で覆う場合にも、電解液に十分量のグリコール化合物を含ませることで、保証寿命の向上と密閉性の向上とを好適な範囲で両立させることが可能である。
以上のように、モールド樹脂層に実装面を設ける場合や、ケースの側面の一部をモールド樹脂層で覆う場合には、電解液におけるグリコール化合物の含有量をできるだけ高め、電解液の熱伝導性を向上させることが好ましい。例えば、電解液中の溶媒に含まれるグリコール化合物の含有量は、30質量%以上が好ましく、40質量%以上がより好ましく、50質量%以上が更に好ましい。これにより、ケースから外部に逃げる熱量を十分に多くすることができる。なお、電解液中の溶媒にグリコール化合物以外の成分も含ませ得るように、溶媒に含まれるグリコール化合物の含有量は、90質量%以下とすることが好ましい。
実装面に凹部を設け、凹部に一対のリードの少なくとも一部を収容してもよい。凹部の形状は特に限定されない。このとき、実装面からも回路部材にできるだけ多くの熱を逃がす観点からは、凹部が形成される領域は、実装面の80%以下であることが好ましい。これにより、実装面と回路部材との接触面積が十分に確保されるため、実装面と回路部材に熱が移動しやすくなる。なお、凹部は、リードを収容する領域だけでなく、他の目的で設けられた領域を有してもよい。
電解液は、溶媒のみであってもよく、溶媒とこれに溶解させたイオン性物質(溶質)との混合物でもよい。溶媒は、非水溶媒もしくは有機溶媒であることが好ましく、必須成分としてグリコール化合物を含む。
グリコール化合物としては、例えば、アルキレングリコールや重量平均分子量が300未満のポリアルキレングリコールが好ましい。より具体的には、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンチレングリコール、ヘキシレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ペンタエチレングリコール、ヘキサエチレングリコールなどが挙げられる。これら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。
中でも、グリコール化合物は、エチレングリコール(EG)であることが好ましい。エチレングリコールは、グリコール化合物の中でも粘度が低いため、溶質を溶解しやすい。また、エチレングリコールは、特に熱伝導性が高く、リップル電流が発生したときの放熱性に優れている。複数種のグリコール化合物を用いる場合でも、グリコール化合物全体に占めるエチレングリコールの割合は、10質量%以上が好ましく、20質量%以上がより好ましく、グリコール化合物の全体が実質的にエチレングリコールであってもよい。
グリコール化合物以外に、溶媒として、γ-ブチロラクトン(GBL)、N-メチルアセトアミドなどを用いることもできる。中でも、γ-ブチロラクトンは、低温特性を向上させやすい点で好ましく、溶媒中のグリコール化合物以外の成分の90質量%以下(例えば10質量%以上)をγ-ブチロラクトンが占めていてもよい。
また、グリコール化合物以外に、溶媒として、スルホン化合物を用いることも好ましい。スルホン化合物は、分子内にスルホニル基(-SO2-)を有する有機化合物である。スルホン化合物としては、例えば、鎖状スルホン、環状スルホンが挙げられる。鎖状スルホンとしては、例えば、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジプロピルスルホン、ジフェニルスルホンが挙げられる。環状スルホンとしては、例えば、スルホラン(SL)、3-メチルスルホラン、3,4-ジメチルスルホラン、3,4-ジフェニメチルスルホランが挙げられる。中でも、溶質の解離性および熱安定性の観点から、スルホン化合物は、スルホランであることが好ましい。スルホランは、スルホン化合物の中でも粘度が低いため、溶質を溶解し易い。例えば、溶媒中のグリコール化合物以外の成分の90質量%以下(例えば10質量%以上)をスルホランが占めていてもよい。
溶媒は、上記以外の他成分を含んでもよい。他成分としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)などのカーボネート化合物が挙げられるが、特に限定されない。
電解液中に含まれる溶媒の種類および組成については、液体クロマトグラフィ、ガスクロマトグラフィ等により分析することができる。
電解液は、溶質を含み得る。溶質としては、有機カルボン酸の第1級~第3級アンモニウム塩、有機カルボン酸の第4級アミジニウム塩、有機カルボン酸の第4級アンモニウム塩などを用いることが好ましい。このような溶質を含む電解液は、陽極体の誘電体層(酸化皮膜)の欠陥部を修復する機能に優れている。より具体的には、例えば、マレイン酸トリメチルアミン、ボロジサリチル酸トリエチルアミン、フタル酸トリエチルアミン、フタル酸エチルジメチルアミン、フタル酸モノ1,2,3,4-テトラメチルイミダゾリニウム、フタル酸モノ1,3-ジメチル-2-エチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。溶質は、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。
モールド樹脂層は、硬化性樹脂組成物の硬化物を含むことが好ましい。硬化性樹脂組成物は、硬化性樹脂に加え、フィラー(充填剤)、硬化剤、重合開始剤、触媒などを含んでいてもよい。硬化性樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。硬化剤、重合開始剤、触媒などは、硬化性樹脂の種類に応じて適宜選択される。モールド樹脂層の熱伝導率は、硬化性樹脂、フィラー、添加剤などにより、所望の数値になるように制御することができる。
硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、ジアリルフタレート、不飽和ポリエステルなどが挙げられる。硬化性樹脂組成物は、複数の硬化性樹脂を含んでもよい。通常は、硬化物のガラス転移温度が80℃以上のエポキシ樹脂組成物が用いられる。
フィラーとしては、例えば、絶縁性の粒子(無機系、有機系)および繊維の少なくとも一方などが好ましい。フィラーを構成する絶縁性材料としては、例えば、シリカ、アルミナ、ガラス、タルク、マイカ、クレーなどが挙げられる。モールド樹脂層は、これらのフィラーを1種含んでもよく、2種以上含んでもよい。モールド樹脂層中のフィラーの含有割合は、例えば10質量%以上、90質量%以下であり、20質量%以上、80質量%以下が好ましい。
モールド樹脂層は、熱可塑性樹脂もしくはこれを含む組成物を含んでいてもよい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などを用いることができる。
リードの構造は、特に限定されないが、リードは、タブ部とその一端部から延出する引き出し部とを有することが好ましい。タブ部は、ケース内の電極に接続される扁平部と、封口部材を貫通する棒状部とを有することが好ましい。このようなタブ部の扁平部は、通常、棒状体の一部を圧延することにより形成され、圧延されない領域が棒状部となる。引き出し部は、棒状部の先端に溶接などにより接続される。
タブ部は、ケース内に収容されるため、アルミニウムのような弁作用金属で形成されることが好ましい。タブ部は、タブ部を構成する金属の酸化被膜で覆われていることが好ましい。一方、引き出し部には、例えば、鉄、銅、ニッケル、錫などの遷移金属を含むCP線、Cu線などが用いられる。電解コンデンサを基板に実装する際には、引き出し部が、基板上の被接続電極と電気的に接続される。
コンデンサ素子は、固体電解質層を備えてもよい。固体電解質層は、例えば、マンガン化合物、導電性高分子などを含む。導電性高分子としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体などを用いることができる。
以下、本開示の実施形態に係る電解コンデンサについて、図面を参照しながら具体的に説明するが、本開示は、これに限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1に示す電解コンデンサ1は、コンデンサ素子10、電解液(図示しない)およびこれらを収容するとともに開口を有するケース11を備える。電解液は、グリコール化合物を必須成分として含んでいる。ケース11は、例えば有底円筒形である。ケース11の開口は、封口部材12で封止されている。
図1に示す電解コンデンサ1は、コンデンサ素子10、電解液(図示しない)およびこれらを収容するとともに開口を有するケース11を備える。電解液は、グリコール化合物を必須成分として含んでいる。ケース11は、例えば有底円筒形である。ケース11の開口は、封口部材12で封止されている。
ケース11の開口は、コンデンサ素子10を収容した後、封口部材12およびモールド樹脂層13で封止される。ケース11の開口端部は、封口部材12側に絞り加工され、内側にかしめ加工されている。これにより、封口部材12がケース11の開口部に固定され、ケース11は封口部材12により密閉される。
ケース11の開口側を臨む封口部材12の外面は、その全体がモールド樹脂層13で覆われている。封口部材12とモールド樹脂層13との界面から、当該界面の法線方向(方向X)におけるモールド樹脂層13の実装面13Sまでの最大距離Tmaxは、例えば1.0mm以上に設定され、1.3mm以上が好ましい。また、最大距離Tmaxは、例えば4mm以下に設定され、3mm以下が好ましく、2mm以下がより好ましい。
モールド樹脂層13は、ケース11の開口とともにケース11の開口に続く側面の一部も覆っている。このとき、ケースの側面の全体の面積S0に対するモールド樹脂層で覆われる側面の面積Sxの割合は、ケース11の高さHに対する、ケース11の開口からケース底部側のモールド樹脂層13の端部までの距離hの割合で表される。Hに対するhの割合は、例えば10%以上、120%以下、好ましくは10%以上、80%以下に設定される。
モールド樹脂層13は、射出成形、インサート成形、圧縮成形などの成形技術を用いて形成することができる。モールド樹脂層13は、例えば、所定の金型内に硬化性樹脂組成物を充填し、封口部材12の外面とともにケース11の開口を覆うことにより形成される。
図2に、巻回体を具備するコンデンサ素子の一例の構成を示す。巻回体は、陽極21と陰極22とを、これらの間にセパレータ23を介在させて捲回することにより形成されている。陽極21および陰極22には、それぞれ陽極リード14Aおよび陰極リード14Bが電気的に接続されている。巻回体の最外周は、巻止めテープ24により固定される。なお、図2は、巻回体の最外周を止めずに、一部が展開された状態を示している。
陽極リード14Aおよび陰極リード14Bは、陽極21および陰極22にそれぞれ接続されたタブ部16A,16Bと、タブ部16A,16Bにそれぞれ溶接された引き出し部15A,15Bとを有する。タブ部16A,16Bは、それぞれ棒状部17A,17Bと扁平部18A,18Bとを有する。扁平部を有することで、各リードと、陽極21または陰極22との接続が容易になる。また、棒状部を有することで、各リードを封口部材12に貫通させやすくなる。なお、図1では、棒状部17A,17Bの先端部が封口部材12に埋設されているが、封口部材12の外面から棒状部17A,17Bの先端部が突出していてもよい。
モールド樹脂層13の実装面13Sには、細長形状の凹部13A,13Bが設けられている。凹部が形成される領域の占有割合は、実装面の5%以上、80%以下に設定される。凹部13A,13Bには、モールド樹脂層13の実装面13S方向に沿って互いに逆方向に延在する陽極リード14Aの引き出し部15A,陰極リード14Bの引き出し部15Bを収容している。封口部材12から突出する引き出し部15A,15Bを、底面13a,13bに沿うように屈曲させると、引き出し部15A,15Bには、元の形状に戻ろうとする復元力が働く。この復元力を考慮して、凹部13A,13Bの底面には傾斜が設けられている。実装面13Sに対する底面13a,13bの傾斜角度は、例えば3°以上、30°以下である。なお、底面13a,13bを傾斜させずに、凹部13A,13Bの深さを一定にしてもよい。
陽極21としては、表面が粗面化された金属箔が用いられる。金属箔を構成する金属の種類は特に限定されないが、誘電体層の形成が容易である点から、アルミニウム、タンタル、ニオブなどの弁作用金属、または弁作用金属を含む合金を用いることが好ましい。
誘電体層は、陽極21の表面に形成される。具体的には、誘電体層は、粗面化された金属箔の表面に形成されるため、陽極21の表面の孔や窪み(ピット)の内壁面に沿って形成される。誘電体層は、金属箔を化成処理することにより形成することができる。
陰極22には、金属箔が使用される。金属の種類は特に限定されないが、アルミニウム、タンタル、ニオブなどの弁作用金属または弁作用金属を含む合金を用いることが好ましい。陰極22には、必要に応じて、粗面化および化成処理の少なくとも一方を行ってもよい。
セパレータ23としては、特に制限されず、例えば、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ビニロン、ポリアミド(例えば、脂肪族ポリアミド、アラミドなどの芳香族ポリアミド)の繊維を含む不織布などを用いてもよい。
コンデンサ素子10は、誘電体層の表面の少なくとも一部を被覆する固体電解質層を備えてもよい。固体電解質層は、π共役系の導電性高分子を含むことが好ましい。π共役系の導電性高分子は、例えば、原料モノマーを誘電体層上で化学重合および電解重合の少なくとも一方をすることにより形成することができる。あるいは、導電性高分子が溶解した溶液または導電性高分子が分散した分散液を、誘電体層に塗布することにより形成することができる。
ケース11の材料には、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮などの金属あるいはこれらの合金が用いられる。
封口部材12は、絶縁性物質であればよい。絶縁性物質としては弾性体が好ましい。ゴムなどの弾性体を含む封口部材12を用いることで、高い封止性を確保することができる。高い耐熱性が得られ易い観点からは、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(ハイパロン(登録商標)ゴムなど)、ブチルゴム、イソプレンゴムなどが好ましい。
以下、実施例に基づいて、本開示をより詳細に説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。
《実施例1~11、比較例1~3》
本実施例では、定格電圧25V、定格静電容量330μFの巻回型の電解コンデンサ(Φ(直径)10.0mm×L(長さ)10.0mm)を作製した。以下に、電解コンデンサの具体的な製造方法について説明する。
本実施例では、定格電圧25V、定格静電容量330μFの巻回型の電解コンデンサ(Φ(直径)10.0mm×L(長さ)10.0mm)を作製した。以下に、電解コンデンサの具体的な製造方法について説明する。
(陽極体の準備)
厚さ105μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔の表面に、化成処理により、誘電体層を形成した。化成処理は、アジピン酸アンモニウム溶液にアルミニウム箔を浸漬し、これに45Vの電圧を印加することにより行った。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陽極体を準備した。
厚さ105μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔の表面に、化成処理により、誘電体層を形成した。化成処理は、アジピン酸アンモニウム溶液にアルミニウム箔を浸漬し、これに45Vの電圧を印加することにより行った。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陽極体を準備した。
(陰極体の準備)
厚さ50μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陰極体を準備した。
厚さ50μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陰極体を準備した。
(巻回体の作製)
陽極体および陰極体に陽極リードのタブ部および陰極リードのタブ部を接続し、陽極体と陰極体とを、タブ部を巻き込みながら、セパレータを介して巻回した。巻回体から突出する各タブ部の端部には、陽極引き出し部および陰極引き出し部をそれぞれ接続した。そして、作製された巻回体に対して、再度化成処理を行い、陽極体の切断された端部に誘電体層を形成した。次に、巻回体の外側表面の端部を巻止めテープで固定して巻回体を作製した。
陽極体および陰極体に陽極リードのタブ部および陰極リードのタブ部を接続し、陽極体と陰極体とを、タブ部を巻き込みながら、セパレータを介して巻回した。巻回体から突出する各タブ部の端部には、陽極引き出し部および陰極引き出し部をそれぞれ接続した。そして、作製された巻回体に対して、再度化成処理を行い、陽極体の切断された端部に誘電体層を形成した。次に、巻回体の外側表面の端部を巻止めテープで固定して巻回体を作製した。
(高分子分散体の調製)
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、高分子ドーパントであるポリスチレンスルホン酸(PSS、重量平均分子量10万)とを、イオン交換水(液状成分)に溶かし、混合溶液を調製した。混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸鉄(III)(酸化剤)を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析し、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約5質量%のPSSがドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)を含む高分子分散体を得た。
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、高分子ドーパントであるポリスチレンスルホン酸(PSS、重量平均分子量10万)とを、イオン交換水(液状成分)に溶かし、混合溶液を調製した。混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸鉄(III)(酸化剤)を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析し、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約5質量%のPSSがドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)を含む高分子分散体を得た。
(固体電解質層の形成)
減圧雰囲気(40kPa)中で、所定容器に収容された高分子分散体に巻回体を5分間浸漬し、その後、高分子分散体から巻回体を引き上げた。次に、高分子分散体を含浸した巻回体を、150℃の乾燥炉内で20分間乾燥させ、誘電体層の少なくとも一部を被覆する固体電解質層を形成した。
減圧雰囲気(40kPa)中で、所定容器に収容された高分子分散体に巻回体を5分間浸漬し、その後、高分子分散体から巻回体を引き上げた。次に、高分子分散体を含浸した巻回体を、150℃の乾燥炉内で20分間乾燥させ、誘電体層の少なくとも一部を被覆する固体電解質層を形成した。
(電解液の調製)
電解液の溶媒には、グリコール化合物であるエチレングリコール(EG)を必須成分として用い、スルホン化合物であるスルホラン(SL)とラクトン化合物であるγ-ブチロラクトン(GBL)とを任意成分として用いた。溶質には、フタル酸(オルト体)とトリエチルアミンを用いた。上記の溶媒および溶質を用いて、電解液を調製した。電解液中の溶質の含有割合は、25質量%とした。
電解液の溶媒には、グリコール化合物であるエチレングリコール(EG)を必須成分として用い、スルホン化合物であるスルホラン(SL)とラクトン化合物であるγ-ブチロラクトン(GBL)とを任意成分として用いた。溶質には、フタル酸(オルト体)とトリエチルアミンを用いた。上記の溶媒および溶質を用いて、電解液を調製した。電解液中の溶質の含有割合は、25質量%とした。
溶媒に含まれるEG、SL、GBLの割合を表1に示すように変化させ、実施例1~11のコンデンサA1~A11および比較例1~3のコンデンサB1~B3をそれぞれ作製した。
(電解液の含浸)
減圧雰囲気(40kPa)中で、電解液にコンデンサ素子を5分間浸漬し、コンデンサ素子に電解液を含浸させた。
減圧雰囲気(40kPa)中で、電解液にコンデンサ素子を5分間浸漬し、コンデンサ素子に電解液を含浸させた。
(コンデンサ素子の封止)
電解液を含浸させたコンデンサ素子を封止して、電解コンデンサを完成させた。具体的には、有底ケースの開口側にリードが位置するようにコンデンサ素子を有底ケースに収納し、リードが貫通するように形成された封止部材(ブチルゴムを主成分とする弾性材料)をコンデンサ素子の上方に配置して、コンデンサ素子を有底ケース内に封止した。有底ケースの開口端近傍に絞り加工を施しした。
電解液を含浸させたコンデンサ素子を封止して、電解コンデンサを完成させた。具体的には、有底ケースの開口側にリードが位置するようにコンデンサ素子を有底ケースに収納し、リードが貫通するように形成された封止部材(ブチルゴムを主成分とする弾性材料)をコンデンサ素子の上方に配置して、コンデンサ素子を有底ケース内に封止した。有底ケースの開口端近傍に絞り加工を施しした。
次に、フィラーとしてシリカを30質量%含有するエポキシ樹脂組成物(硬化物のTg105℃)の射出成形により、実装面側に細長形状の凹部13A,13Bを有するモールド樹脂層13(熱伝導率0.5W/mK)を形成し、図1に示すような電解コンデンサを完成させた。その後、39Vの電圧を印加しながら、100℃で2時間エージング処理を行った。
凹部の深さは0.5mm、モールド樹脂層の最大厚さTmaxは1.5mmとした。凹部が形成される領域は、実装面の20%に設定し、面積S0に対する面積Sxの割合(ケース11の高さHに対する距離hの割合)は40%に設定した。
[評価]
(a)等価直列抵抗(ESR)の測定
各実施例および比較例の電解コンデンサを10個ずつ準備した。まず、20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、電解コンデンサの周波数100kHzにおけるESR値を測定し、10個の平均値(初期ESR値:X0)(mΩ)を求めた。更に、長期安定性を評価するために、145℃の温度にて、電解コンデンサに定格電圧を1000時間印加した後、上記と同様の方法でESR値を測定し、10個の平均値(X1(mΩ))を求めた。そして、ESRの増加率(ΔESR)を下記式より求めた。結果を表1に示す。
(a)等価直列抵抗(ESR)の測定
各実施例および比較例の電解コンデンサを10個ずつ準備した。まず、20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、電解コンデンサの周波数100kHzにおけるESR値を測定し、10個の平均値(初期ESR値:X0)(mΩ)を求めた。更に、長期安定性を評価するために、145℃の温度にて、電解コンデンサに定格電圧を1000時間印加した後、上記と同様の方法でESR値を測定し、10個の平均値(X1(mΩ))を求めた。そして、ESRの増加率(ΔESR)を下記式より求めた。結果を表1に示す。
ΔESR(%)=(X1-X0)/X0×100
実施例1~11では、長期にわたり低ESRが維持され、優れた耐熱性が得られた。これは、リップル電流による熱がケース内に蓄積されにくく、高温下でも内部圧力が高くなりにくいため、溶媒の蒸散が抑制されたためである。
一方、溶媒にEGを含まない比較例1~3のコンデンサは、高温に曝されることで溶媒が次第に揮散し、固体電解質層が酸化劣化したため、ΔESRの増大が早まったものと思われる。
上記のように、モールド樹脂層を備えた電解コンデンサにおいて、電解液に含まれる溶媒にグリコール化合物を含有させることで、高温下での保証寿命を長くすることができる。一方、モールド樹脂層は、初期ESRを低減する観点から、できるだけ薄く形成することが望ましい。モールド樹脂層が厚くなると、リードが長くなり、ESRの低減が困難になるためである。しかし、電解コンデンサに要求される耐熱性のレベルは上昇する傾向にあり、電解液成分の蒸散の抑制と低ESRの維持とを両立することが困難になりつつある。
上記問題に鑑み、以下に示す本開示の第2の態様は、リードの長さの増大を抑制しつつ、高レベルの耐熱性を維持することができる電解コンデンサを提供する。
本開示の第2の態様に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、電解液と、ケースと、封口部材と、一対のリードと、モールド樹脂層とを備える。コンデンサ素子は、一対の電極を含む。電解液は、一対の電極間に介在する。ケースは、コンデンサ素子および電解液を収容し、開口を有する。封口部材は、開口を封止する。一対のリードは、一対の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、封口部材を貫通する。モールド樹脂層は、封口部材の外面の少なくとも一部を覆うとともに実装面を有する。実装面とは、回路基板などに実装される際に基板と対向する平坦部を有する面である。
モールド樹脂層は、封口部材の外面の全面を覆っていることが好ましいが、封口部材の外面のリードを通過させる貫通孔の周囲に、モールド樹脂層を有さない微小領域が形成されてもよい。ただし、封口部材の外面の95%以上がモールド樹脂層で覆われていることが好ましく、実質的に100%がモールド樹脂層で覆われていることがより好ましい。すなわち、封口部材の外面の95%以上、100%以下が覆われていることが好ましい。
モールド樹脂層は、封口部材の外面に加え、ケースの開口に続く側面の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。これにより、ケース内の密閉性を更に高めることができる。
モールド樹脂層は、実装面側に開口した凹部を備える。凹部の形状は特に限定されず、凹部が形成される領域の大きさも特に限定されない。ただし、モールド樹脂層の構造強度を維持する観点から、凹部が開口する領域は、実装面の80%以下、更には50%以下であることが好ましい。
凹部には、一対のリードの少なくとも一部を収容することができる。凹部にリードの少なくとも一部を収容することで、モールド樹脂層の厚さに伴ってリードが長くなることがなく、低ESRの維持が容易になる。リードを収容する十分なスペースを確保する観点から、凹部が開口する領域は、リードを実装面に投影した場合のリードが占める面積に対して、120%以上、200%以下であることが好ましい。なお、凹部は、リードを収容する領域だけでなく、はんだの飛散を抑制する作用なども有する。
凹部におけるモールド樹脂層の薄肉部の平均厚さTaveは、0.1mm以上であり、0.3mm以上が好ましく、0.5mm以上がより好ましい。電解液成分(特に電解液中の溶媒)の蒸散は、薄肉部の厚さを0.1mm以上に大きくしても、それほど変化しないが、0.1mm未満になると、電解液成分の蒸散が顕著になる傾向が見られる。換言すれば、最も低ESRを維持しやすく、かつ電解液成分の蒸散を充分に抑制できるモールド樹脂層の厚さは、0.1mm以上である。
一方、ESRを低くするとともに、凹部にリードを収容する十分なスペースを確保する観点から、薄肉部の平均厚さTaveは、好ましくは6.0mm以下であり、より好ましくは4.0mm以下であり、更に好ましくは2.0mm以下であり、特に好ましくは1.5mm以下である。
薄肉部の平均厚さTaveは、封口部材とモールド樹脂層との界面から、当該界面の法線方向における凹部の底面までの距離Tの平均値として定義される(図3参照)。ただし、モールド樹脂層が、封口部材の外面以外を覆っている場合、当該外面以外を覆っている領域は除外する。薄肉部の平均厚さTaveは、モールド樹脂層の封口部材の外面を覆っている領域において、封口部材とモールド樹脂層との界面から、当該界面の法線方向における凹部の底面までの距離Tを積分し、得られた積分値を当該凹部の底面の面積(底面を封口部材の外面に投影した面積)で除算して求めればよい。ここで、モールド樹脂層の封口部材の外面を覆っている領域とは、モールド樹脂層を実装面側から見たときに、封口部材とモールド樹脂層との界面と重複するモールド樹脂層の領域である。
電解コンデンサの小型化もしくは低ESR化の観点からは、封口部材の外面を覆うモールド樹脂層の最大厚さ(以下、Tmax)は、6.5mm以下が好ましく、4.5mm以下が好ましく、3mm以下がより好ましく、2mm以下が更に好ましい。ここで、Tmaxは、封口部材とモールド樹脂層との界面から、当該界面の法線方向におけるモールド樹脂層の実装面までの最大距離に対応する。
モールド樹脂層の最大厚さTmaxを小さくし過ぎると、薄肉部の平均厚さTaveが0.1mm以上、更には0.3mm以上もしくは0.5mm以上となるように、凹部を形成することが困難になる。モールド樹脂層の最大厚さTmaxは、1.0mm以上、更には1.3mm以上もしくは1.5mm以上とすることが好ましい。これにより、モールド樹脂層に凹部を形成するとともに、平均厚さTaveを電解液成分の蒸散を抑制できる範囲で、できるだけ小さくする設計が可能になる。このような設計によれば、モールド樹脂層の構造強度を良好に維持することができる。
凹部を形成する場合、凹部に対応する薄肉部以外の厚肉領域は、構造的な補強部位となる。そのため、モールド樹脂層全体の厚さを同様に薄くする場合に比べ、薄肉部をより薄くすることが可能になり、低ESRを実現しやすくなる。例えば、電解コンデンサが高温に加熱されるリフロー工程では、電解コンデンサの内部圧力が大きく上昇する。このとき、封口部材は、ケースの開口側に凸形状になるように膨張しようとする。これに対し、凹部を有するモールド樹脂層は、薄肉部以外の領域を比較的厚くすることができるため、モールド樹脂層が封口部材とともに膨らみにくくなり、モールド樹脂層の破損が防止される。
電解コンデンサが高温に加熱されるリフロー工程では、周囲の熱の電解コンデンサ内への伝導を抑制することが望ましい。従って、モールド樹脂層に断熱作用を持たせることが好ましい。モールド樹脂層の熱伝導率は、例えば1.0W/mK以下が好ましく、0.7W/mK以下がより好ましい。なお、熱伝導性は、例えばASTM E1530に準拠した円板熱流計法により測定すればよい。
モールド樹脂層としては、第1の態様で例示された材料を例示された配合割合で用いることができる。
また、リードの構造としては、第1の態様で例示された構造で例示された材料を用いることができる。
以下、本開示の実施形態に係る電解コンデンサについて、図面を参照しながら具体的に説明するが、本開示は、これに限定されるものではない。
(第2実施形態)
図3に示す電解コンデンサ1Aは、コンデンサ素子10、電解液(図示しない)およびこれら収容するとともに開口を有するケース11を備える。ケース11は、例えば有底円筒形である。ケース11の開口は、封口部材12で封止されている。ケース11の開口側を臨む封口部材12の外面は、その全体がモールド樹脂層13で覆われている。モールド樹脂層13は、封口部材12の外面とともにケース11の開口を覆うように設けられ、更に、ケース11の開口に続く側面の少なくとも一部を覆っている。
図3に示す電解コンデンサ1Aは、コンデンサ素子10、電解液(図示しない)およびこれら収容するとともに開口を有するケース11を備える。ケース11は、例えば有底円筒形である。ケース11の開口は、封口部材12で封止されている。ケース11の開口側を臨む封口部材12の外面は、その全体がモールド樹脂層13で覆われている。モールド樹脂層13は、封口部材12の外面とともにケース11の開口を覆うように設けられ、更に、ケース11の開口に続く側面の少なくとも一部を覆っている。
ケース11の開口は、コンデンサ素子10を収容した後、封口部材12およびモールド樹脂層13で封止される。ケース11の開口端部は、封口部材12側に絞り加工され、内側にかしめ加工されている。これにより、封口部材12がケース11の開口部に固定され、ケース11は封口部材12により密閉される。
モールド樹脂層13は、射出成形、インサート成形、圧縮成形などの成形技術を用いて形成することができる。モールド樹脂層13は、例えば、所定の金型を用いて、硬化性樹脂組成物を封口部材12の外面とともにケース11の開口を覆うように、金型内の所定箇所に充填して形成することができる。
コンデンサ素子10の構成は、第1実施形態と同様である。
モールド樹脂層13には、実装面13S側に開口するように、細長形状の凹部13A,13Bが設けられている。凹部13A,13Bは、モールド樹脂層13の実装面13S方向に沿って互いに逆方向に延在する陽極リード14Aの引き出し部15A,陰極リード14Bの引き出し部15Bを収容している。封口部材12から突出する引き出し部15A,15Bを、底面13a,13bに沿うように屈曲させると、引き出し部15A,15Bには、元の形状に戻ろうとする復元力が働く。この復元力を考慮して、凹部13A,13Bの底面には傾斜が設けられている。実装面13Sに対する底面13a,13bの傾斜角度は、例えば3°以上、30°以下である。なお、底面13a,13bを傾斜させずに、凹部13A,13Bの深さを一定にしてもよい。
凹部13A,13Bの底面13a,13bは、実装面13Sの中央側から外縁側に向かって、徐々に凹部13A,13Bの深さが増大するように傾斜している。すなわち、凹部における薄肉部の厚さは、実装面13Sの中央側から外縁側に向かって徐々に減少し、最外縁部で最も薄くなっている。
ここで、モールド樹脂層13において電解液成分が蒸散しやすい薄肉部の領域は、封口部材12とモールド樹脂層13との界面と凹部の底面とで挟まれるように区画される領域Rである。凹部の底面からリードが突出する部分は微小であるため、リードが突出する部分も含めて凹部の底面と扱えばよい。薄肉部の平均厚さTaveは、薄肉部の領域Rから決定され、0.1mm以上(好ましくは0.3mm以上もしくは0.5mm以上)になるように形成される。これにより、低ESRを維持しつつ、電解液成分の蒸散を充分に抑制可能となり、高温下でも長期間の使用に耐える長寿命の電解コンデンサを得ることができる。このとき、封口部材12の外面を覆うモールド樹脂層13の最大厚さTmaxを6.5mm以下、更には4.5mm以下、更には3mm以下もしくは2mm以下とすることで、より低いESRを達成しやすくなる。また、最大厚さTmaxを1.0mm以上、更には1.3mm以上とすることで、モールド樹脂層の構造強度が高められ、高い耐リフロー性を確保することができる。更に、モールド樹脂層の熱伝導率を1.0W/mK以下とすることで、更に高度な耐リフロー性を確保することができる。
封口部材12としては、第1実施形態と同様の材料、構造を用いることができる。
電解コンデンサ1Aは、電解液を備える。電解液としては、非水溶媒であってもよく、非水溶媒とこれに溶解させたイオン性物質(溶質)との混合物でもよい。非水溶媒は、有機溶媒でもよく、イオン性液体でもよい。非水溶媒としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、スルホラン、γ-ブチロラクトン、N-メチルアセトアミドなどを用いることができる。有機塩としては、例えば、マレイン酸トリメチルアミン、ボロジサリチル酸トリエチルアミン、フタル酸トリエチルアミン、フタル酸エチルジメチルアミン、フタル酸モノ1,2,3,4-テトラメチルイミダゾリニウム、フタル酸モノ1,3-ジメチル-2-エチルイミダゾリニウムなどが挙げられる。
ケース11の材料には、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、真鍮などの金属あるいはこれらの合金が用いられる。
(第3実施形態)
図4に示す電解コンデンサ1Bは、タブ部16A,16Bの棒状部17A,17Bの先端部が、封口部材12の外面から突出している点以外、第2実施形態と同様の構造を有する。よって、図3に示した第2実施形態における構成要素と同じ構成要素に同じ符号を付している。本実施形態においても、電解液が蒸散しやすい薄肉部の領域Rは、封口部材12とモールド樹脂層13との界面と凹部の底面とで挟まれるように区画される領域Rである。
図4に示す電解コンデンサ1Bは、タブ部16A,16Bの棒状部17A,17Bの先端部が、封口部材12の外面から突出している点以外、第2実施形態と同様の構造を有する。よって、図3に示した第2実施形態における構成要素と同じ構成要素に同じ符号を付している。本実施形態においても、電解液が蒸散しやすい薄肉部の領域Rは、封口部材12とモールド樹脂層13との界面と凹部の底面とで挟まれるように区画される領域Rである。
本実施形態では、棒状部17A,17Bの断面積の分だけ、封口部材12とモールド樹脂層13の界面が減少するが、封口部材から棒状部が突出する部分は微小であり、棒状部が突出する部分も含めて封口部材12とモールド樹脂層13との界面と扱えばよい。また、蒸散する電解液成分は、封口部材12とモールド樹脂層13との界面を経由してモールド樹脂層13の内部を拡散する。従って、界面の大きさよりも、封口部材12とモールド樹脂層13との実質的な対向領域における薄肉部の厚さが電解液成分の蒸散に影響するものと考えられる。
(第4実施形態)
図5に示す電解コンデンサ1Cは、棒状部17A,17Bのうち、封口部材12の外面から突出する部位の先端が、モールド樹脂層13で覆われずに露出している。この点以外、第3実施形態と同様の構造を有する。ここでも、図3に示した第2実施形態における構成要素と同じ構成要素に同じ符号を付している。
図5に示す電解コンデンサ1Cは、棒状部17A,17Bのうち、封口部材12の外面から突出する部位の先端が、モールド樹脂層13で覆われずに露出している。この点以外、第3実施形態と同様の構造を有する。ここでも、図3に示した第2実施形態における構成要素と同じ構成要素に同じ符号を付している。
モールド樹脂層13は、封口部材12の外面を全面的に覆っているが、棒状部17A,17Bの先端部は、モールド樹脂層13に埋設されておらず、外部に露出している。このような露出部は、棒状部17A,17Bの先端部がモールド樹脂層13から突出する箇所において、凹部13A,13Bに深さの大きい深部を設けることにより形成される。
深部における薄肉部の厚さは、0.1mm未満になり得る。ただし、薄肉部の平均厚さTaveを上記範囲に設計する場合、深部は微小領域になるように制限される。従って、電解液成分の蒸散を十分に抑制することが可能である。
以下、実施例に基づいて、本開示をより詳細に説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。
《実施例12~20》
本実施例では、定格電圧25V、定格静電容量330μFの巻回型の電解コンデンサ(Φ(直径)10.0mm×L(長さ)10.0mm)を作製した。以下に、電解コンデンサの具体的な製造方法について説明する。
本実施例では、定格電圧25V、定格静電容量330μFの巻回型の電解コンデンサ(Φ(直径)10.0mm×L(長さ)10.0mm)を作製した。以下に、電解コンデンサの具体的な製造方法について説明する。
(陽極体の準備)
厚さ105μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔の表面に、化成処理により、誘電体層を形成した。化成処理は、アジピン酸アンモニウム溶液にアルミニウム箔を浸漬し、これに45Vの電圧を印加することにより行った。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陽極体を準備した。
厚さ105μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔の表面に、化成処理により、誘電体層を形成した。化成処理は、アジピン酸アンモニウム溶液にアルミニウム箔を浸漬し、これに45Vの電圧を印加することにより行った。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陽極体を準備した。
(陰極体の準備)
厚さ50μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陰極体を準備した。
厚さ50μmのアルミニウム箔にエッチング処理を行い、アルミニウム箔の表面を粗面化した。その後、アルミニウム箔を5.3mm×180mmとなるように裁断して、陰極体を準備した。
(巻回体の作製)
陽極体および陰極体に陽極リードのタブ部および陰極リードのタブ部を接続し、陽極体と陰極体とを、タブ部を巻き込みながら、セパレータを介して巻回した。巻回体から突出する各タブ部の端部には、陽極引き出し部および陰極引き出し部をそれぞれ接続した。そして、作製された巻回体に対して、再度化成処理を行い、陽極体の切断された端部に誘電体層を形成した。次に、巻回体の外側表面の端部を巻止めテープで固定して巻回体を作製した。
陽極体および陰極体に陽極リードのタブ部および陰極リードのタブ部を接続し、陽極体と陰極体とを、タブ部を巻き込みながら、セパレータを介して巻回した。巻回体から突出する各タブ部の端部には、陽極引き出し部および陰極引き出し部をそれぞれ接続した。そして、作製された巻回体に対して、再度化成処理を行い、陽極体の切断された端部に誘電体層を形成した。次に、巻回体の外側表面の端部を巻止めテープで固定して巻回体を作製した。
(高分子分散体の調製)
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、高分子ドーパントであるポリスチレンスルホン酸(PSS、重量平均分子量10万)とを、イオン交換水(液状成分)に溶かし、混合溶液を調製した。混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸鉄(III)(酸化剤)を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析し、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約5質量%のPSSがドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)を含む高分子分散体を得た。
3,4-エチレンジオキシチオフェンと、高分子ドーパントであるポリスチレンスルホン酸(PSS、重量平均分子量10万)とを、イオン交換水(液状成分)に溶かし、混合溶液を調製した。混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸鉄(III)(酸化剤)を添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析し、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約5質量%のPSSがドープされたポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)を含む高分子分散体を得た。
(固体電解質層の形成)
減圧雰囲気(40kPa)中で、所定容器に収容された高分子分散体に巻回体を5分間浸漬し、その後、高分子分散体から巻回体を引き上げた。次に、高分子分散体を含浸した巻回体を、150℃の乾燥炉内で20分間乾燥させ、誘電体層の少なくとも一部を被覆する固体電解質層を形成した。
減圧雰囲気(40kPa)中で、所定容器に収容された高分子分散体に巻回体を5分間浸漬し、その後、高分子分散体から巻回体を引き上げた。次に、高分子分散体を含浸した巻回体を、150℃の乾燥炉内で20分間乾燥させ、誘電体層の少なくとも一部を被覆する固体電解質層を形成した。
(電解液の調製)
電解液の溶媒には、エチレングリコール(EG)と、スルホラン(SL)と、γ-ブチロラクトン(GBL)との体積比40:30:30の混合溶媒を用いた。溶質には、フタル酸(オルト体)とトリエチルアミンとを用いた。上記の溶媒および溶質を用いて、電解液を調製した。
電解液の溶媒には、エチレングリコール(EG)と、スルホラン(SL)と、γ-ブチロラクトン(GBL)との体積比40:30:30の混合溶媒を用いた。溶質には、フタル酸(オルト体)とトリエチルアミンとを用いた。上記の溶媒および溶質を用いて、電解液を調製した。
(電解液の含浸)
減圧雰囲気(40kPa)中で、電解液にコンデンサ素子を5分間浸漬し、コンデンサ素子に電解液を含浸させた。
減圧雰囲気(40kPa)中で、電解液にコンデンサ素子を5分間浸漬し、コンデンサ素子に電解液を含浸させた。
(コンデンサ素子の封止)
電解液を含浸させたコンデンサ素子を封止して、電解コンデンサを完成させた。具体的には、有底ケースの開口側にリードが位置するようにコンデンサ素子を有底ケースに収納し、リードが貫通するように形成された封止部材(ブチルゴムを主成分とする弾性材料)をコンデンサ素子の上方に配置して、コンデンサ素子を有底ケース内に封止した。有底ケースの開口端近傍には絞り加工を施した。
電解液を含浸させたコンデンサ素子を封止して、電解コンデンサを完成させた。具体的には、有底ケースの開口側にリードが位置するようにコンデンサ素子を有底ケースに収納し、リードが貫通するように形成された封止部材(ブチルゴムを主成分とする弾性材料)をコンデンサ素子の上方に配置して、コンデンサ素子を有底ケース内に封止した。有底ケースの開口端近傍には絞り加工を施した。
次に、フィラーとしてシリカを30質量%含有するエポキシ樹脂組成物(硬化物のTg105℃)の射出成形により、実装面側に細長形状の凹部13A,13Bを有するモールド樹脂層13(熱伝導率0.5W/mK)を形成し、図3に示すような電解コンデンサを完成させた。その後、39Vの電圧を印加しながら、100℃で2時間エージング処理を行った。
モールド樹脂層の最大厚さTmaxを0.6mm~6.5mmの範囲で変化させ、実装面側に開口する凹部の平均深さを0.5mmで一定として、実施例12~20のコンデンサA12~A20をそれぞれ作製した。凹部における薄肉部の平均厚さTaveに相応させて、陽極リードおよび陰極リードの長さを変化させた。TaveおよびTmaxを表2に示す。
[評価]
(a)ESRの測定
各実施例の電解コンデンサを10個ずつ準備した。20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、電解コンデンサの周波数100kHzにおけるESR値(mΩ)を測定し、10個の平均値(初期ESR値:X0)を求めた。結果を表2に示す。
(a)ESRの測定
各実施例の電解コンデンサを10個ずつ準備した。20℃の環境下で、4端子測定用のLCRメータを用いて、電解コンデンサの周波数100kHzにおけるESR値(mΩ)を測定し、10個の平均値(初期ESR値:X0)を求めた。結果を表2に示す。
(b)電解コンデンサの膨れ発生率の測定
各実施例の電解コンデンサを10個ずつ準備し、ケース底面から実装面までの最大距離α1をマイクロゲージにより測定した。その後、電解コンデンサを、200℃に加熱した状態で5分間放置し、加熱後のケース底面から実装面までの最大距離α2を測定した。各コンデンサに関し、α2からα1を引いた差から封口部材の膨れ量を求め、10個の平均値を求めた。結果を表2に示す。封口部材の膨れ量が大きいほど、封口部材を透過する電解液成分が多く、電解液成分の蒸散が促進されると考えられる。
各実施例の電解コンデンサを10個ずつ準備し、ケース底面から実装面までの最大距離α1をマイクロゲージにより測定した。その後、電解コンデンサを、200℃に加熱した状態で5分間放置し、加熱後のケース底面から実装面までの最大距離α2を測定した。各コンデンサに関し、α2からα1を引いた差から封口部材の膨れ量を求め、10個の平均値を求めた。結果を表2に示す。封口部材の膨れ量が大きいほど、封口部材を透過する電解液成分が多く、電解液成分の蒸散が促進されると考えられる。
《比較例4》
モールド樹脂層を形成せず、リードを通す貫通孔を有するポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂製の座板を、封口部材側に装着したこと以外、実施例と同様の電解コンデンサB4を作製し、ESRを測定した。座板の厚さは1.0mmであり、リードが収容される凹部における薄肉部の厚さは、0.5mmとした。実施例と同様に、200℃での加熱の前後におけるケース底面から封口部材の外面までの最大距離の差を、封口部材の膨れ量として求めた。結果を表2に示す。
モールド樹脂層を形成せず、リードを通す貫通孔を有するポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂製の座板を、封口部材側に装着したこと以外、実施例と同様の電解コンデンサB4を作製し、ESRを測定した。座板の厚さは1.0mmであり、リードが収容される凹部における薄肉部の厚さは、0.5mmとした。実施例と同様に、200℃での加熱の前後におけるケース底面から封口部材の外面までの最大距離の差を、封口部材の膨れ量として求めた。結果を表2に示す。
表2の結果から、電解液成分の蒸散を抑制する観点からは、Taveを0.1mm以上とすることが必要であり、0.3mm以上、更には0.5mm以上が好ましいことが理解できる。一方、電解液成分の蒸散を抑制しつつ、低ESRを達成する観点からは、Tmaxを4.5mm以下、更には2.0mm以下とすることが好ましいことが理解できる。
本開示によれば、ケース内に電解液を含み、封口部材およびモールド樹脂層を備える電解コンデンサにおいて、電解液中の溶媒の蒸散が抑制されるため、高温下でも長時間の使用に耐える電解コンデンサとして各種の装置、車、携帯機器などに使用することができる。
1,1A,1B,1C:電解コンデンサ
10:コンデンサ素子
11:ケース
12:封口部材
13:モールド樹脂層
13S:実装面
13A,13B:凹部
13a,13b:底面
14A:陽極リード
14B:陰極リード
15A,15B:引き出し部
16A,16B:タブ部
17A,17B:棒状部
18A,18B:扁平部
21:陽極
22:陰極
23:セパレータ
24:巻止めテープ
10:コンデンサ素子
11:ケース
12:封口部材
13:モールド樹脂層
13S:実装面
13A,13B:凹部
13a,13b:底面
14A:陽極リード
14B:陰極リード
15A,15B:引き出し部
16A,16B:タブ部
17A,17B:棒状部
18A,18B:扁平部
21:陽極
22:陰極
23:セパレータ
24:巻止めテープ
Claims (2)
- 一対の電極を含むコンデンサ素子と、
前記一対の電極間に介在する電解液と、
前記コンデンサ素子および前記電解液を収容し、開口を有するケースと、
前記開口を封止する封口部材と、
前記封口部材の外面の少なくとも一部を覆うモールド樹脂層と、を備え、
前記電解液に含まれる溶媒が、グリコール化合物を含むと共に、スルホン化合物またはラクトン化合物の何れか1つを含み、
前記溶媒に含まれる前記グリコール化合物の含有割合が、30質量%以上であり、
前記溶媒に含まれる前記スルホン化合物および前記ラクトン化合物の含有割合が、70質量%以下であり、
前記モールド樹脂層の熱伝導率が、0.7W/mK以下である、 電解コンデンサ。 - 一対の電極を含むコンデンサ素子と、
前記一対の電極間に介在する電解液と、
前記コンデンサ素子および前記電解液を収容し、開口を有するケースと、
前記開口を封止する封口部材と、
前記一対の電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、前記封口部材を貫通する一対のリードと、
前記開口側を臨む前記封口部材の外面の少なくとも一部を覆うとともに実装面を有するモールド樹脂層と、を備え、
前記モールド樹脂層が、前記実装面に凹部を有し、
前記凹部における前記モールド樹脂層の薄肉部の平均厚さが、0.5mm以上4mm以下であり、
前記封口部材と前記モールド樹脂層との界面から、前記界面の法線方向における前記実装面までの最大距離が、1.0mm以上4.5mm以下である、電解コンデンサ。
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