JP3411237B2 - 固体電解コンデンサ用電極箔、その製造方法及び固体電解コンデンサ - Google Patents
固体電解コンデンサ用電極箔、その製造方法及び固体電解コンデンサInfo
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Description
箔からなり、その切り口部の耐電圧性及び耐熱性が改善
された固体電解コンデンサ用電極箔、その製造方法及び
この電極箔を用いた固体電解コンデンサに関する。
箔の表面に陽極酸化皮膜からなる誘電体層が形成された
電極箔が用いられている。一般にこの電極箔は、アルミ
ニウム箔を酸性電解液に浸漬し、このアルミニウム箔を
陽極とする陽極酸化法により表面を化成処理し、次いで
所定のサイズに切断して製造される。近年は特に電子機
器分野において低圧用電解コンデンサの小型化が進み、
面積当り高い静電容量が求められるので、低電圧用の前
記電極箔の製造に際しては従来より、図3に示すよう
に、アルミニウム箔の有効表面積を拡大するために例え
ば塩素イオンを含む電解液中で交流エッチングし、その
表面に例えば口径0.2μm程度の細孔2を多数形成す
る粗面化処理が行われ、その後にこれらの細孔内面を含
むアルミニウム箔の表面に0.01μm〜0.1μm程
度の薄くて、高密度で均一なバリアー皮膜(陽極酸化皮
膜)3を形成する化成処理が行われている。得られた化
成箔には、アルミニウム地金からなる芯部1の両側表面
に多数の細孔2が形成され、この細孔により有効面積が
拡大された表面に、前記のバリアー皮膜3が誘電体層と
して形成されている。
低圧用小型固体電解コンデンサに求められる所定のサイ
ズに切断され、電極箔とされる。この際、前記電極箔の
切り口部5は、アルミニウム地金が露出しているのでこ
のまま固体電解コンデンサに組込むことはできず、絶縁
する必要がある。この切り口部5の絶縁化は普通、切断
後の化成箔を再度化成処理し(以下、「切り口化成」と
いう)、この切り口部5にバリアー皮膜を形成すること
により行われる。
の切断は通常ナイフエッジの剪断力により行われるの
で、切り口部5にはアルミニウムの地金が露出して尖塔
化した尖塔部6が形成される。この状態で切り口化成を
行い、切り口部5にバリアー皮膜を形成させると、電圧
負荷時にその尖塔形状から電流集中によって局部的に発
熱し、熱応力によってバリアー皮膜の破壊が起こる等、
固体電解コンデンサの耐電圧性や耐熱性を著しく低下さ
せるという問題が起こる。切り口部5における誘電体層
を強化する場合、例えば前記と同様な粗面化処理や高電
圧下の切り口化成を行うと、何れも、すでに化成箔の表
面に形成されているバリアー皮膜3を破壊する可能性が
ある。
ず、樹脂等で被覆絶縁する方法(例えば実公平6−14
465号公報等)も提案されているが、これらの方法で
は樹脂層が電極箔の表面にも回り込んでコンデンサとし
ての静電容量を減少させるので小型化の要求に反するこ
ととなり、また工程が煩雑となるので製造コストも上昇
する。本発明は、上記の課題を解決するためになされた
ものであって、従ってその目的は、電極箔の有効面積を
減少させることなく、切り口部にのみ耐電圧性及び耐熱
性の皮膜を形成する安価な固体電解コンデンサ用電極箔
の製造方法、この製造方法により製造された固体電解コ
ンデンサ用電極箔、及びこの電極箔を用いた固体電解コ
ンデンサを提供することにある。
めに本発明は、アルミニウム箔の表面をエッチングして
粗面化した後に化成処理し、この粗面化した表面に誘電
体層としてバリアー皮膜を形成した化成箔を所定のサイ
ズに切断し、この切断された化成箔を化成処理してその
切り口部に、多孔質酸化皮膜であって厚さが前記バリア
ー皮膜の厚さの5倍〜100倍の範囲内とされたポーラ
ス皮膜を形成する固体電解コンデンサ用電極箔の製造方
法を提供する。前記において、ポーラス皮膜を形成した
後に、更に化成処理してこのポーラス皮膜の基層に切り
口バリアー皮膜を形成することが好ましい。本発明はま
た、前記の何れかの製造方法により製造された固体電解
コンデンサ用電極箔、及びこの固体電解コンデンサ用電
極箔を用いて製造された固体電解コンデンサを提供す
る。以下、固体電解コンデンサ用電極箔を「電極箔」、
固体電解コンデンサを「コンデンサ」と称する。
により説明する。本電極箔の製造に際しては、先ず従来
と同様にしてアルミニウム箔をエッチングして粗面化す
る。この後に化成処理を行い、粗面化したアルミニウム
箔の表面に誘電体層としてバリアー皮膜を形成し化成箔
とし、得られた化成箔を、コンデンサの電極箔として要
求される所定のサイズに切断する。
(切り口化成)してその切り口部に、多孔質酸化皮膜で
あって厚さが前記バリアー皮膜の厚さの5倍〜100倍
の範囲内とされたポーラス皮膜を形成する。より好まし
くは前記バリアー皮膜の厚さの20倍〜100倍の範囲
内とされたポーラス皮膜を形成する。
された化成箔を例えばリン酸、シュウ酸、硫酸等の酸を
含む電解液に浸漬し、そのアルミニウム地金からなる芯
部を陽極として定電流を印加することにより行うことが
できる。
の電極箔10は、アルミニウム地金からなる芯部1の表
面に多数の細孔2が形成され、この細孔によって有効面
積が拡大された両側表面に、前記のバリアー皮膜3が誘
電体層として形成されている。そして、アルミニウムの
地金が露出した面を覆う酸化皮膜とこの酸化皮膜から中
心部に孔を持ち柱列状に成長した酸化アルミニウムから
なるポーラス皮膜11が、切り口部5の上に形成され、
このポーラス皮膜11が厚く切り口部5を覆っている。
このポーラス皮膜11の厚さtp は、前記バリアー皮膜
3の厚さtb の5倍〜100倍、好ましくは20倍〜1
00倍の範囲内とされている。
て、本電極箔10の切り口部5から図3に示した尖塔部
6の一部が消失し、切り口部の尖塔形状が緩和されるこ
とがわかった。これは、本発明における切り口化成の際
に、切り口部5にポーラス皮膜11が形成されるに先立
って尖塔部の少なくとも一部が酸性電解液に溶解するた
めと考えられる。
ニウム芯部1を陽極とする通電により形成されるので、
通電条件を適当に選択すれば、化成箔の有効表面に形成
されたバリアー皮膜3に損傷を与えることなく、切り口
部5のアルミニウム地金が露出した部分にのみ選択的に
形成することができる。従ってポーラス皮膜11が形成
されても、本電極箔10のコンデンサとしての有効面積
が減少したり絶縁性が低下したりすることはない。
塔形状が緩和され、さらに、切り口部5に形成されるポ
ーラス皮膜11が通常のバリアー皮膜に比べ十分に厚
く、かつこれら皮膜の上に形成される固体電解質層及び
導電層に対して緩衝性を有する。そのため、本電極箔1
0は絶縁性が高いばかりでなく機械的応力や熱的応力に
対する耐性も高く、切り口部5に起因するコンデンサの
耐電圧性や耐熱性の低下を防止することができる。
は、図2に電極箔15として示すように、切り口部5に
ポーラス皮膜11を形成した後に、更に化成処理してポ
ーラス皮膜11の基層にバリアー皮膜(切り口バリアー
皮膜)12を形成する。この化成処理は、例えばポーラ
ス皮膜11が形成された前記の電極箔10を、アジピン
酸、ホウ酸、リン酸等の酸を含む電解液に浸漬し、アル
ミニウム芯部1を陽極として定電流を印加することによ
り行うことができる。この陽極酸化に際して、電解液は
ポーラス皮膜11の柱列の孔13に浸透し、ポーラス皮
膜11の基層に切り口バリアー皮膜12を形成する。形
成された切り口バリアー皮膜12は、実質的にバリアー
皮膜3と同等の耐電圧性を示す。
高密度で均一な切り口バリアー皮膜12で、次いでその
外側が厚みの厚い緩衝性のポーラス皮膜11で二重に覆
われているので、膜の保護性が強化され、耐電圧性と耐
熱性が共に著しく向上する。この膜の保護性の強化は、
電解液を用いない固体電解コンデンサにあっては、バリ
アー皮膜の自己補修があまり期待できないところから特
に重要である。
いて製造された本コンデンサは、製造工程が簡単な陽極
酸化の繰り返しのみによって切り口部5の尖塔形状が緩
和され、厚くて緩衝性の高いポーラス皮膜11と更に好
ましくはその基層に高密度で均一で高強度の切り口バリ
アー皮膜12が形成される。その結果、本コンデンサは
安価に製造できて、しかも耐電圧性、耐熱性及び耐衝撃
性に優れ、静電容量を減少させないので小型化の要求に
も対応できるものとなる。
適用できるが、固体電解質を形成させるには公知の方法
に従って実施できる。好ましくは、導電性重合体が適し
ており、化学重合法、電解重合法の重合法が利用でき
る。より好ましくは、化学重合法において、重合体のモ
ノマー溶液、酸化剤溶液への浸漬で重合体を形成させる
場合の熱的応力、機械的応力に対する耐性が高くなるこ
とである。
がある化合物なら如何なるものでも良く、例えば有機ス
ルホン酸、無機スルホン酸、有機カルボン酸及びこれら
の塩を使用できる。特に優れたコンデンサ性能を引き出
すことができる化合物として、分子内に一つ以上のスル
ホン酸基とキノン構造を有する化合物、複素環式スルホ
ン酸、アントラセンモノスルホン酸及びこれらの塩を用
いても良い。
極箔を製造するに際しては先ずアルミニウム箔を粗面化
する。この粗面化の方法は公知であって、特に小型の低
圧用固体電解コンデンサに用いられる電極箔にあって
は、例えば幅500mm、厚さ100μmのアルミニウ
ム箔ロールを塩酸、塩化アルミニウム等の塩素イオンを
含む電解液中で交流エッチングする。これにより、例え
ば深さ約35μm、平均口径約0.2μm程度の細孔が
箔の両面全面に形成され、これによって箔の有効面積は
約100倍に拡大される。
を、常法に従い、例えばアジピン酸、ホウ酸、リン酸等
の比較的穏和な酸性電解液を用いて化成処理し、拡大さ
れた表面に例えば厚さ約0.03μmのバリアー皮膜2
を形成する。得られた化成箔は、電極箔として所定のサ
イズに切断される。
を施す。本発明においては、この切り口化成を、アルミ
ニウム地金が露出した面に厚さがバリアー皮膜3の5倍
〜100倍、好ましくは20倍〜100倍の範囲内とな
るようにポーラス皮膜11が形成される条件で行う。ポ
ーラス皮膜11を形成する化成条件は特に限定されるも
のではないが、例えば、リン酸、シュウ酸、硫酸等の少
なくとも1種を含む電解液を用い、その電解液濃度が
0.1重量%〜30重量%、温度が0℃〜80℃、電流
密度が0.1mA/cm2〜1000mA/cm2、化成
時間が100分以内の条件で化成箔の芯部1を陽極とし
て定電流化成を行う。更に好ましくは、電解液濃度が1
重量%〜20重量%、温度が20℃〜50℃、電流密度
が1mA/cm2〜400mA/cm2、化成時間が60
分以内の範囲内で条件を選定する。これにより厚さが
0.5μm〜数μm程度のポーラス皮膜11が形成され
る。
ものではあるが、電解液の種類、電解液濃度、温度、電
流密度、化成時間等の諸条件は、前記化成箔表面にすで
に形成されているバリアー皮膜3を破壊又は劣化させな
い限り、任意に選定することができる。
箔の表面に形成されたバリアー皮膜3の5倍〜100倍
の範囲内とされる。5倍未満の薄い皮膜ではポーラス皮
膜を形成する効果が期待できない。膜厚が100倍を越
える場合は、効果が更に向上することはなく、逆に、化
成箔のバリアー皮膜を破壊又は劣化させずに厚い皮膜を
形成する条件の設定が困難になるので工業的に不利とな
る。特にポーラス皮膜11の膜厚は、バリアー皮膜3の
20倍〜100倍の範囲内となるように選定すると、得
られた電極箔の耐電圧性と耐熱性とが共に著しく向上す
る。
用アルミニウム電解コンデンサにおけるアルミニウム箔
の有効表面に耐高圧性のバリアー皮膜を形成する目的で
中間的に用いられている(例えば特開平1−18491
2号公報、特公平3−65010号公報等)。しかしこ
れらは何れも電解液型のコンデンサであり、しかも形成
されたポーラス皮膜の孔13(図2)のほとんどが酸化
物で充填され、ポーラス皮膜としては存在しないので緩
衝性等が期待できず、この点で、ポーラス皮膜がそのま
ま存在して緩衝効果を現す本願発明の電極箔は、従来の
ものと大幅に異なっている。
ポーラス皮膜11を形成した後の切り口部5に、更に化
成処理してポーラス皮膜の基層に切り口バリアー皮膜1
2を形成する。この化成処理の条件は特に限定されるも
のではないが、例えばアジピン酸、ホウ酸、リン酸等の
少なくとも1種を含む電解液を用い、その電解液濃度が
0.05重量%〜20重量%、温度が0℃〜90℃、電
流密度が0.1mA/cm2〜2000mA/cm2、化
成時間が60分以内の条件で化成箔の芯部1を陽極とし
て定電流化成を行う。更に好ましくは前記電解液濃度が
0.1重量%〜15重量%、温度が20℃〜70℃、電
流密度が1mA/cm2〜1200mA/cm2、化成時
間が30分以内の範囲内で条件を選定する。
ものではあるが、要は前記電極箔の有効表面に形成され
たバリアー皮膜3と同等以上の耐電圧性を持つバリアー
皮膜12が切り口部5に形成されればよいのであるか
ら、電解液の種類、電解液濃度、温度、電流密度、化成
時間等の諸条件は、前記化成箔表面にすでに形成されて
いるバリアー皮膜3を破壊又は劣化させない限り、任意
に選定することができる。
ら、例えば耐水性の向上のためのリン酸浸漬処理、皮膜
強化のための熱処理又は沸騰水への浸漬処理等を行なう
ことができる。またこれらの付帯的な処理や前記の何れ
かのバリアー皮膜化成処理、ポーラス皮膜化成処理は、
それぞれ単独に又は組合せて繰り返し行うこともでき
る。また、前記の各説明は低圧用固体電解コンデンサを
対象としたが、本発明が中〜高圧用の固体電解コンデン
サにも適用できることはいうまでもない。
たアルミニウム箔をアジピン酸アンモニウム水溶液中、
電圧32Vで化成処理し、得られた低圧コンデンサ用化
成箔を3×7mmのサイズに切断した。この化成箔片の
一方の短辺部を電極バーに溶接し、溶接部の反対の端か
ら5mmのところの箔全周を絶縁性樹脂で0.6mmの
幅でマスキングを実施した。そして、そのマスキング下
の3辺を下記条件で化成処理し、ポーラス皮膜を形成し
た。 電解液 ;シュウ酸7.5重量%水溶液 温度 ;35℃ 電圧 ;32V 電流密度;電流密度180mA/cm2 化成時間;13分
後に、下記条件で化成処理し、ポーラス皮膜の基層に切
り口バリアー皮膜を形成した。 電解液 ;アジピン酸10重量%水溶液 温度 ;45℃ 電圧 ;32V 電流密度;電流密度180mA/cm2 化成時間;10分
3,4−エチレンジオキシチオフエンのイソプロピルア
ルコール溶液1mol/lに浸漬後、2分間放置し、次
いで、酸化剤(過硫酸アンモニウム;1.8mol/
l)とドーパント(4−モルホリンプロパンスルホン酸
ナトリウム;0.06mol/l)の混合水溶液に浸漬
し、45℃、5分間放置する。この工程を25回繰り返
し、水洗し、導電性重合体層を形成し、その上にカーボ
ンペースト、銀ぺ一ストを順次積層して導電層を形成し
た。次にこの箔片を電極バーから分離し、銀ペースト塗
布部で4枚積層し陰極部とし、リ一ドフレームに接着
し、反対側の導電性重合体を形成しない部分をリードフ
レームに溶接し陽極部とした。そして、コンデンサ素子
全体をエポキシ樹脂で封止して105℃、20Vで3時
間エージングを実施し、コンデンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を1
0分とした以外は、実施例1と同様にして実施例2のコ
ンデンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を7
分とした以外は、実施例1と同様にして実施例3のコン
デンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を4
分とした以外は、実施例1と同様にして実施例4のコン
デンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を2
分とした以外は、実施例1と同様にして実施例5のコン
デンサを製造した。
したアルミニウム箔をアジピン酸アンモニウム水溶液
中、電圧23Vで化成処理し、かつ前記のポーラス皮膜
化成処理において化成時間を9分とした以外は、実施例
1と同様にして実施例6のコンデンサを製造した。
処理における化成時間9分の代わりに、化成時間を7分
とした以外は、実施例6と同様にして実施例7のコンデ
ンサを製造した。
処理における化成時間9分の代わりに、化成時間を4分
とした以外は、実施例6と同様にして実施例8のコンデ
ンサを製造した。
処理における化成時間9分の代わりに、化成時間を2分
とした以外は、実施例6と同様にして実施例9のコンデ
ンサを製造した。
成処理における化成時間9分の代わりに、化成時間を1
分とした以外は、実施例6と同様にして実施例10のコ
ンデンサを製造した。
ける4−モルホリンプロパンスルホン酸ナトリウムの代
わりに、アントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムを
用いた以外は、実施例1と同様にして実施例11のコン
デンサを製造した。
ンジオキシチオフエンの代わりに、N−メチルピロール
を用い、ドーパントにおける4−モルホリンプロパンス
ルホン酸ナトリウムの代わりに1−ナフタレンスルホン
酸ナトリウムを用いた以外は、実施例1と同様にして実
施例12コンデンサを製造した。
ンジオキシチオフエンの代わりに、イソチアナフテンを
用い、酸化剤(過硫酸アンモニウム;1.8mol/
l)とドーパント(4−モルホリンプロパンスルホン酸
ナトリウム;0.06mol/l)の混合水溶液の代わ
りに、酸化剤(2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノベ
ンゾキノン;1.8mol/l)のジオキサン溶液とド
ーパント(アントラセン−1−スルホン酸ナトリウム;
0.06mol/l)の水溶液の混合液を用いた以外
は、実施例1と同様にして実施例13のコンデンサを製
造した。
化したアルミニウム箔をアジピン酸アンモニウム水溶液
中、電圧23Vで化成処理し、かつ前記のポーラス皮膜
化成処理において化成時間を9分とした以外は、実施例
11と同様にして実施例14のコンデンサを製造した。
化したアルミニウム箔をアジピン酸アンモニウム水溶液
中、電圧23Vで化成処理し、かつ前記のポーラス皮膜
化成処理において化成時間を9分とした以外は、実施例
12と同様にして実施例15のコンデンサを製造した。
化したアルミニウム箔をアジピン酸アンモニウム水溶液
中、電圧23Vで化成処理し、かつ前記のポーラス皮膜
化成処理において化成時間を9分とした以外は、実施例
13と同様にして実施例16のコンデンサを製造した。
処理を省略した以外は、実施例1と同様にして比較例1
のコンデンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を2
0秒とした以外は、実施例1と同様にして比較例2のコ
ンデンサを製造した。
処理における化成時間13分の代わりに、化成時間を2
0分とした以外は、実施例1と同様にして比較例3のコ
ンデンサを製造した。
皮膜の膜厚(走査電子顕微鏡観察により測定した)、バ
リアー皮膜に対するポーラス皮膜の膜厚倍率、耐電圧不
良率、及びリフロー不良率を測定した。ここで、耐電圧
不良率は、20個のコンデンサについて、85℃におい
て、定格の1.25倍の電圧をかけ充電時間30秒、放
電時間30秒のサイクルを1000回繰り返した後、漏
れ電流が0.04CV[CVは、公称静電容量C(μ
F)と定格電圧V(v)との積]以上となったものを不
良とし、(不良個数/試験個数)で表した。またリフロ
ー不良率は、30個のコンデンサについて、リフロー炉
を用い230℃で30秒間処理した後、漏れ電流が0.
04CV以上となったものを不良とし、(不良個数/試
験個数)で表した。試験結果を表1に示す。
例11〜実施例13、及び比較例1〜比較例3は何れも
箔表面のバリアー皮膜化成電圧が32Vであり、実施例
6〜実施例10、及び実施例14〜実施例16は何れも
箔表面のバリアー皮膜化成電圧が23Vの低圧用化成箔
を用いたコンデンサであるが、ポーラス皮膜の膜厚倍率
がバリアー皮膜の5倍〜100倍の範囲内にある実施例
1〜実施例16は、何れもポーラス皮膜を有しない比較
例1及び膜厚倍率が5倍未満の比較例2に比べ、優れた
耐電圧不良率及びリフロー不良率を示した。特に膜厚倍
率が20倍〜100倍の範囲内である実施例1〜実施例
4、及び実施例6〜実施例16にあっては、耐電圧不良
率及びリフロー不良率が何れもゼロであり、比較例1及
び比較例2に比べ顕著な効果が認められた。比較例3は
長時間のポーラス皮膜化成処理を行ったもので、膜厚倍
率が100倍を越えている。この比較例3は性能面では
実施例との差が認められないが、この皮膜形成条件はコ
ストが性能に見合うものではないので、工業的に採用で
きない。
は、その切り口部に、この電極箔の表面に形成されたバ
リアー皮膜の厚さの5倍〜100倍の範囲内の厚さのポ
ーラス皮膜が形成されているので、簡単で安価な製造方
法により、電極箔の有効面積を減少させることなく、電
極箔の耐電圧性及び耐熱性が著しく改善された固体電解
コンデンサを得ることができる。
Claims (4)
- 【請求項1】 アルミニウム箔の表面をエッチングして
粗面化した後に化成処理し、この粗面化した表面に誘電
体層としてバリアー皮膜を形成した化成箔を所定のサイ
ズに切断し、この切断された化成箔を化成処理してその
切り口部に、多孔質酸化皮膜であって厚さが前記バリア
ー皮膜の厚さの5倍〜100倍の範囲内とされたポーラ
ス皮膜を形成することを特徴とする固体電解コンデンサ
用電極箔の製造方法。 - 【請求項2】 前記のポーラス皮膜を形成した後に、更
に化成処理してこのポーラス皮膜の基層に切り口バリア
ー皮膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の固
体電解コンデンサ用電極箔の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の製造方法
により製造されたことを特徴とする固体電解コンデンサ
用電極箔。 - 【請求項4】 請求項3に記載の固体電解コンデンサ用
電極箔を用いて製造されたことを特徴とする固体電解コ
ンデンサ。
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