JP3763307B2 - コンデンサとその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパソコンなどの各種電子機器に使用されるコンデンサとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコンデンサについてタンタル固体電解コンデンサを例に説明する。
【０００３】
図３は従来のタンタル固体電解コンデンサの断面図である。タンタルリード線１とタンタル粉末の成形体を焼結して形成した焼結体２が接合され、焼結体２の表面にグラファイト層３が、その外側にさらに銀層４が形成されている。そして電極５Ａ、５Ｂがタンタルリード線１、銀層４に接続されている。このように形成した電極体を外装樹脂６が覆っている。
【０００４】
このコンデンサの製造方法について以下に説明する。
【０００５】
まず、タンタルリード線１の周囲にタンタル粉末を設けて加圧成形し焼成した焼結体２を作製する。次に、焼結体２を燐酸水溶液中において陽極酸化し、表面に五酸化タンタルの誘電体膜（図示せず）を作製する。次いで、焼結体２の気孔に二酸化マンガンなどの固体電解質（図示せず）を充填した後、表面にグラファイト層４、銀層５を順次作製する。その後、タンタルリード線１、銀層５に電極６Ａ，６Ｂをそれぞれ接続した後、外周部を外装樹脂７にて被覆する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなコンデンサに用いる焼結体２の製造方法は例えば、特開昭６３−２６２８３３号公報に開示されている。すなわち、金属粉末に特定平均粒径の樟脳粒子等を混合し、プレス加工により成形した後、加熱して樟脳を蒸発させる方法である。その開気孔率は最大でも７５％程度であり、誘電体膜の表面積が小さいため、大容量化を図ることが困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のコンデンサは、表面に酸化膜を有する開気孔率が７５％を超え、９７％以下で、中実構造の発泡金属からなる焼結金属とその焼結金属の酸化膜の表面に設けた導電性物質を有するコンデンサである。このようなコンデンサの製造方法は、表面に酸化膜を有する上記の焼結金属の、酸化膜の表面に導電性物質を設けるステップと、このような焼結金属を所望の形状に加工するステップとを有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における多孔質体のイメージ的な断面図である。図において開気孔率が７５％を超え、９７％以下であり、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3以上で中実構造のタンタルからなる焼結金属１１の表面に五酸化タンタルの酸化膜１２を有する。そしてこの開気孔に導電性物質１３を充填し、酸化膜１２の表面を導電性物質１３で覆っている。また図示していないが、導電性物質１３同士は一体につながっている。
【０００９】
また図２は図１に示す多孔質体を用いて作製したコンデンサの断面図である。タンタルリード線２１とタンタル粉末の成形体を焼結して形成した焼結体２２が接合され、焼結体２２の表面にグラファイト層２３が、その外側にさらに銀層２４が形成されている。そして電極２５Ａ、２５Ｂがタンタルリード線２１、銀層２４に接続されている。このように形成した電極体を外装樹脂２６が覆っている。
【００１０】
以下このコンデンサの製造方法について説明する。
【００１１】
まず、以下の材料を混合し、スラリーを作製する。
１）平均粒径０．５〜１００μｍのタンタル粉末が３０〜８０ｗｔ％、
２）エチルセルロースなどの水溶性バインダが２〜１０ｗｔ％、
３）炭素数５〜８の炭化水素系有機溶剤などの発泡剤を０．５〜５％、
４）アニオン系あるいは非イオン系の界面活性剤を０．５〜３ｗｔ％、
５）ポリビニルアルコールなどの可塑剤を２〜１０ｗｔ％、
６）水などの溶媒
このスラリーの粘度は２０℃で３０００〜５５０００ｃｐｓとなるようにする。
【００１２】
次に、このスラリーを用いてドクターブレード法により離型層を設けたキャリアフィルム上に所望の厚みのシート状に成形する。
【００１３】
次いで、このシートを８０％以上の高湿度下、２５〜４０℃で保持することにより、表面に亀裂が発生するのを抑制しつつ発泡剤を揮発させ気泡を形成する。
【００１４】
その後、このシートを４０〜８０℃に加熱することにより乾燥して、気泡と気泡の界面にスラリーを凝集させる。
【００１５】
そして、シートとキャリアフィルムとを分離し、所望の形状にシートを切断し、脱脂後、焼結させる。脱脂、焼成は、タンタルの平衡酸素分圧よりも低い酸素分圧で行なうことが望ましい。
【００１６】
焼結後のシートは、開気孔率７５．５％、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3で中実構造を有する焼結金属１１である。この焼結金属１１の表面をエッチングして更に比表面積を大きくする。
【００１７】
次に、この焼結金属１１を燐酸水溶液中で電気化学的に陽極酸化することにより表面に五酸化タンタルの酸化膜１２を形成する。次いで、焼結金属１１の気孔内（酸化膜１２の表面）に固体電解質１３である二酸化マンガンを充填する。以下これを多孔質体２２とする。
【００１８】
その後、タンタルリード線２１にシート状の多孔質体２２を圧縮しながら巻き付けて所望の形状に加工する。ここでタンタルリード線２１と多孔質体２２を構成する焼結金属１１とは電気的に接続されるように加工する。この加工は、例えば、機械的あるいは大電流により接触部の酸化膜１２を破壊して焼結金属１１とリード線２１とを溶着させて行う。このとき、接続部周辺の酸化膜１２が損傷するようなことがあれば、電気化学的な方法により酸化膜１２を再度形成することが望ましい。
【００１９】
その後、多孔質体２２の外表面にグラファイトペーストを塗布し乾燥することによりグラファイト層２３を形成し、続いてこの上に銀ペーストを塗布、乾燥することにより銀層２４を形成する。次にタンタルリード線２１と銀層２４に電極２５Ａ、２５Ｂを接続し、外周部を外装樹脂２６で被覆することにより、図２に示すコンデンサを得る。
【００２０】
このコンデンサは開気孔率７５％で、元々焼結金属１１の開気孔率が高いので、酸化膜１２の単位体積当たりの表面積を大きくすることができ、大容量のコンデンサを得ることができる。更に、焼結金属１１の気孔に導電性物質１３を充填してから所望の形状に成形するので、導電性物質１３を気孔へ効率よく充填することができる。更に所望の形状に加工する際、圧縮することにより単位体積当たりの酸化膜１２の表面積を更に大きくすることができ、大容量のコンデンサを容易に得ることができる。
【００２１】
（実施の形態２）
実施の形態２と実施の形態１との違いは、焼結金属１１の開気孔率と導電性物質１３が異なることである。すなわち、実施の形態２ではスラリーの組成や発泡条件の制御等により開気孔率を９７％としている。また導電性物質１３として導電性高分子であるポリピロールが充填される。ポリピロールの充填は以下のようにして行う。表面に酸化膜１２を形成した焼結金属１１を、ドデシルベンゼンスルホン酸第二鉄塩のメタノール溶液に浸漬し、引き上げた後乾燥し、続いてピロール溶液に浸漬し、引き上げて乾燥する。このように化学的酸化重合を行うことにより、焼結金属１１の気孔に導電性物質１３として導電性高分子であるポリピロールが充填される。なお、真空中あるいは加圧雰囲気中で焼結金属１１をメタノール溶液及びピロール溶液に浸漬することにより、焼結金属１１の内部にまで容易にこれらの液体を浸入させることができ、導電性物質１３の充填性を向上させることができる。
【００２２】
以下、実施の形態１と同様にして図２に示すコンデンサを得る。
【００２３】
本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に大容量のコンデンサを得ることができる。また本実施の形態２においては、酸化膜１２を設けた焼結金属１１を導電性高分子溶液に浸漬することにより、導電性物質１３を気孔に充填する。これにより、実施の形態１と比較して、酸化膜１２の表面を更に容易に導電性物質１３で被覆することができ、より確実に大容量のコンデンサを得ることができる。
【００２４】
また二酸化マンガンに比べて導電性物質１３の電気伝導度が高いので実施の形態１と比較するとより低抵抗で高周波応答性の高いコンデンサを得ることができる。
【００２５】
なお、実施の形態１、２においては、焼結金属１１として開気孔率が７５〜９７％、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3以上のタンタルを用いる。比表面積が大きければ大きいほど酸化膜１２の表面積が大きくなるので容量の大きなコンデンサを得ることができる。従って開気孔率は９０〜９７％とすることがより望ましい。
【００２６】
しかしながら、開気孔率が大きすぎて９７％を超えると、金属密度が減少し、単位体積当たりの静電容量が減少する可能性がある。表面積の観点からは、タンタルリード線２１に多孔質体２２を巻き付ける際、圧縮しながら行い単位体積当たりの酸化膜１２の表面積を更に大きくすることが望ましい。また多孔質体２２を圧縮せずに構成してもよいが、いずれにしても、構成後の開気孔率は７５〜９７％とすることが好ましい。
【００２７】
また焼結金属１１は、タンタル以外に、アルミニウム、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモンのうち少なくとも一種類以上の金属であれば同様にコンデンサを作製することができる。
【００２８】
また、この焼結金属１１は網目構造で一体焼結体の中実構造であるので非常に強度に優れたものであり、衝撃にも強いコンデンサとなる。
【００２９】
多孔質体２２の気孔に設けた二酸化マンガンなどの固体電解質、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェンなどの導電性高分子は、多孔質体２２とグラファイト層２３との接触面積を増大させる。これにより多孔質体２２と電極２５Ｂ間の等価値列抵抗を小さくするので、優れた特性の、大容量コンデンサが容易に得られる。
【００３０】
更に、焼結金属１１をエッチングすることにより更に表面積が大きくなり、酸化膜１２の表面積も大きくなり、大容量化する。
【００３１】
なお、本発明におけるコンデンサは、上記各実施の形態において示した構造に限るものでなく、焼結金属１１を陽極、この表面に設けた酸化膜１２を誘電体層、酸化膜１２の表面に導電性物質１３を介して設けた金属を陰極とする構造であれば同様に大容量のコンデンサが得られる。
【００３２】
また、タンタルリード線２１に代えて、箔状のタンタルを用い、この両面にシート状の焼結金属１１を圧縮しながら貼り合わせても同様に大容量のコンデンサが得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によると開気孔率が７５〜８０％の焼結金属を陽極としてこの表面に酸化膜を形成することにより、大容量のコンデンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１、２における多孔質体のイメージ的な断面図
【図２】本発明の実施の形態１、２におけるコンデンサの断面図
【図３】従来のコンデンサの断面図
【符号の説明】
１ タンタルリード線
２ 焼結体
３ グラファイト層
４ 銀層
５Ａ、５Ｂ 電極
６ 外装樹脂
１１ 焼結金属
１２ 酸化膜
１３ 導電性物質
２１ タンタルリード線
２２ 多孔質体
２３ グラファイト層
２４ 銀層
２５Ａ、２５Ｂ 電極
２６ 外装樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明はパソコンなどの各種電子機器に使用されるコンデンサとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のコンデンサについてタンタル固体電解コンデンサを例に説明する。
【０００３】
図３は従来のタンタル固体電解コンデンサの断面図である。タンタルリード線１とタンタル粉末の成形体を焼結して形成した焼結体２が接合され、焼結体２の表面にグラファイト層３が、その外側にさらに銀層４が形成されている。そして電極５Ａ、５Ｂがタンタルリード線１、銀層４に接続されている。このように形成した電極体を外装樹脂６が覆っている。
【０００４】
このコンデンサの製造方法について以下に説明する。
【０００５】
まず、タンタルリード線１の周囲にタンタル粉末を設けて加圧成形し焼成した焼結体２を作製する。次に、焼結体２を燐酸水溶液中において陽極酸化し、表面に五酸化タンタルの誘電体膜（図示せず）を作製する。次いで、焼結体２の気孔に二酸化マンガンなどの固体電解質（図示せず）を充填した後、表面にグラファイト層４、銀層５を順次作製する。その後、タンタルリード線１、銀層５に電極６Ａ，６Ｂをそれぞれ接続した後、外周部を外装樹脂７にて被覆する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなコンデンサに用いる焼結体２の製造方法は例えば、特開昭６３−２６２８３３号公報に開示されている。すなわち、金属粉末に特定平均粒径の樟脳粒子等を混合し、プレス加工により成形した後、加熱して樟脳を蒸発させる方法である。その開気孔率は最大でも７５％程度であり、誘電体膜の表面積が小さいため、大容量化を図ることが困難である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のコンデンサは、表面に酸化膜を有する開気孔率が７５％を超え、９７％以下で、中実構造の発泡金属からなる焼結金属とその焼結金属の酸化膜の表面に設けた導電性物質を有するコンデンサである。このようなコンデンサの製造方法は、表面に酸化膜を有する上記の焼結金属の、酸化膜の表面に導電性物質を設けるステップと、このような焼結金属を所望の形状に加工するステップとを有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における多孔質体のイメージ的な断面図である。図において開気孔率が７５％を超え、９７％以下であり、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3以上で中実構造のタンタルからなる焼結金属１１の表面に五酸化タンタルの酸化膜１２を有する。そしてこの開気孔に導電性物質１３を充填し、酸化膜１２の表面を導電性物質１３で覆っている。また図示していないが、導電性物質１３同士は一体につながっている。
【０００９】
また図２は図１に示す多孔質体を用いて作製したコンデンサの断面図である。タンタルリード線２１とタンタル粉末の成形体を焼結して形成した焼結体２２が接合され、焼結体２２の表面にグラファイト層２３が、その外側にさらに銀層２４が形成されている。そして電極２５Ａ、２５Ｂがタンタルリード線２１、銀層２４に接続されている。このように形成した電極体を外装樹脂２６が覆っている。
【００１０】
以下このコンデンサの製造方法について説明する。
【００１１】
まず、以下の材料を混合し、スラリーを作製する。
１）平均粒径０．５〜１００μｍのタンタル粉末が３０〜８０ｗｔ％、
２）エチルセルロースなどの水溶性バインダが２〜１０ｗｔ％、
３）炭素数５〜８の炭化水素系有機溶剤などの発泡剤を０．５〜５％、
４）アニオン系あるいは非イオン系の界面活性剤を０．５〜３ｗｔ％、
５）ポリビニルアルコールなどの可塑剤を２〜１０ｗｔ％、
６）水などの溶媒
このスラリーの粘度は２０℃で３０００〜５５０００ｃｐｓとなるようにする。
【００１２】
次に、このスラリーを用いてドクターブレード法により離型層を設けたキャリアフィルム上に所望の厚みのシート状に成形する。
【００１３】
次いで、このシートを８０％以上の高湿度下、２５〜４０℃で保持することにより、表面に亀裂が発生するのを抑制しつつ発泡剤を揮発させ気泡を形成する。
【００１４】
その後、このシートを４０〜８０℃に加熱することにより乾燥して、気泡と気泡の界面にスラリーを凝集させる。
【００１５】
そして、シートとキャリアフィルムとを分離し、所望の形状にシートを切断し、脱脂後、焼結させる。脱脂、焼成は、タンタルの平衡酸素分圧よりも低い酸素分圧で行なうことが望ましい。
【００１６】
焼結後のシートは、開気孔率７５．５％、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3で中実構造を有する焼結金属１１である。この焼結金属１１の表面をエッチングして更に比表面積を大きくする。
【００１７】
次に、この焼結金属１１を燐酸水溶液中で電気化学的に陽極酸化することにより表面に五酸化タンタルの酸化膜１２を形成する。次いで、焼結金属１１の気孔内（酸化膜１２の表面）に固体電解質１３である二酸化マンガンを充填する。以下これを多孔質体２２とする。
【００１８】
その後、タンタルリード線２１にシート状の多孔質体２２を圧縮しながら巻き付けて所望の形状に加工する。ここでタンタルリード線２１と多孔質体２２を構成する焼結金属１１とは電気的に接続されるように加工する。この加工は、例えば、機械的あるいは大電流により接触部の酸化膜１２を破壊して焼結金属１１とリード線２１とを溶着させて行う。このとき、接続部周辺の酸化膜１２が損傷するようなことがあれば、電気化学的な方法により酸化膜１２を再度形成することが望ましい。
【００１９】
その後、多孔質体２２の外表面にグラファイトペーストを塗布し乾燥することによりグラファイト層２３を形成し、続いてこの上に銀ペーストを塗布、乾燥することにより銀層２４を形成する。次にタンタルリード線２１と銀層２４に電極２５Ａ、２５Ｂを接続し、外周部を外装樹脂２６で被覆することにより、図２に示すコンデンサを得る。
【００２０】
このコンデンサは開気孔率７５％で、元々焼結金属１１の開気孔率が高いので、酸化膜１２の単位体積当たりの表面積を大きくすることができ、大容量のコンデンサを得ることができる。更に、焼結金属１１の気孔に導電性物質１３を充填してから所望の形状に成形するので、導電性物質１３を気孔へ効率よく充填することができる。更に所望の形状に加工する際、圧縮することにより単位体積当たりの酸化膜１２の表面積を更に大きくすることができ、大容量のコンデンサを容易に得ることができる。
【００２１】
（実施の形態２）
実施の形態２と実施の形態１との違いは、焼結金属１１の開気孔率と導電性物質１３が異なることである。すなわち、実施の形態２ではスラリーの組成や発泡条件の制御等により開気孔率を９７％としている。また導電性物質１３として導電性高分子であるポリピロールが充填される。ポリピロールの充填は以下のようにして行う。表面に酸化膜１２を形成した焼結金属１１を、ドデシルベンゼンスルホン酸第二鉄塩のメタノール溶液に浸漬し、引き上げた後乾燥し、続いてピロール溶液に浸漬し、引き上げて乾燥する。このように化学的酸化重合を行うことにより、焼結金属１１の気孔に導電性物質１３として導電性高分子であるポリピロールが充填される。なお、真空中あるいは加圧雰囲気中で焼結金属１１をメタノール溶液及びピロール溶液に浸漬することにより、焼結金属１１の内部にまで容易にこれらの液体を浸入させることができ、導電性物質１３の充填性を向上させることができる。
【００２２】
以下、実施の形態１と同様にして図２に示すコンデンサを得る。
【００２３】
本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に大容量のコンデンサを得ることができる。また本実施の形態２においては、酸化膜１２を設けた焼結金属１１を導電性高分子溶液に浸漬することにより、導電性物質１３を気孔に充填する。これにより、実施の形態１と比較して、酸化膜１２の表面を更に容易に導電性物質１３で被覆することができ、より確実に大容量のコンデンサを得ることができる。
【００２４】
また二酸化マンガンに比べて導電性物質１３の電気伝導度が高いので実施の形態１と比較するとより低抵抗で高周波応答性の高いコンデンサを得ることができる。
【００２５】
なお、実施の形態１、２においては、焼結金属１１として開気孔率が７５〜９７％、比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3以上のタンタルを用いる。比表面積が大きければ大きいほど酸化膜１２の表面積が大きくなるので容量の大きなコンデンサを得ることができる。従って開気孔率は９０〜９７％とすることがより望ましい。
【００２６】
しかしながら、開気孔率が大きすぎて９７％を超えると、金属密度が減少し、単位体積当たりの静電容量が減少する可能性がある。表面積の観点からは、タンタルリード線２１に多孔質体２２を巻き付ける際、圧縮しながら行い単位体積当たりの酸化膜１２の表面積を更に大きくすることが望ましい。また多孔質体２２を圧縮せずに構成してもよいが、いずれにしても、構成後の開気孔率は７５〜９７％とすることが好ましい。
【００２７】
また焼結金属１１は、タンタル以外に、アルミニウム、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモンのうち少なくとも一種類以上の金属であれば同様にコンデンサを作製することができる。
【００２８】
また、この焼結金属１１は網目構造で一体焼結体の中実構造であるので非常に強度に優れたものであり、衝撃にも強いコンデンサとなる。
【００２９】
多孔質体２２の気孔に設けた二酸化マンガンなどの固体電解質、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェンなどの導電性高分子は、多孔質体２２とグラファイト層２３との接触面積を増大させる。これにより多孔質体２２と電極２５Ｂ間の等価値列抵抗を小さくするので、優れた特性の、大容量コンデンサが容易に得られる。
【００３０】
更に、焼結金属１１をエッチングすることにより更に表面積が大きくなり、酸化膜１２の表面積も大きくなり、大容量化する。
【００３１】
なお、本発明におけるコンデンサは、上記各実施の形態において示した構造に限るものでなく、焼結金属１１を陽極、この表面に設けた酸化膜１２を誘電体層、酸化膜１２の表面に導電性物質１３を介して設けた金属を陰極とする構造であれば同様に大容量のコンデンサが得られる。
【００３２】
また、タンタルリード線２１に代えて、箔状のタンタルを用い、この両面にシート状の焼結金属１１を圧縮しながら貼り合わせても同様に大容量のコンデンサが得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によると開気孔率が７５〜８０％の焼結金属を陽極としてこの表面に酸化膜を形成することにより、大容量のコンデンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１、２における多孔質体のイメージ的な断面図
【図２】本発明の実施の形態１、２におけるコンデンサの断面図
【図３】従来のコンデンサの断面図
【符号の説明】
１ タンタルリード線
２ 焼結体
３ グラファイト層
４ 銀層
５Ａ、５Ｂ 電極
６ 外装樹脂
１１ 焼結金属
１２ 酸化膜
１３ 導電性物質
２１ タンタルリード線
２２ 多孔質体
２３ グラファイト層
２４ 銀層
２５Ａ、２５Ｂ 電極
２６ 外装樹脂
Claims (8)
- 表面に酸化膜を有し、開気孔率が７５％を超え、９７％以下であり、中実構造の発泡金属からなる焼結金属と、
前記焼結金属の酸化膜の表面に設けた導電性物質と、を備えた、
コンデンサ。 - 前記焼結金属の比表面積が１０，０００ｍ2／ｍ3以上である、
請求項１に記載のコンデンサ。 - 前記焼結金属がアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモンのうち少なくとも一種類を含む、
請求項１に記載のコンデンサ。 - 前記導電性物質は、固体電解質である、
請求項１に記載のコンデンサ。 - 前記導電性物質は、導電性高分子である、
請求項１に記載のコンデンサ。 - Ａ）表面に酸化膜を有し、開気孔率が７５％を超え、９７％以下であり、中実構造の発泡金属からなる焼結金属の表面の前記酸化膜の表面に導電性物質を設けるステップと、
Ｂ）前記焼結金属を所望の形状に加工するステップと、を備えた、
コンデンサの製造方法。 - Ｃ）前記焼結金属の表面をエッチングするステップと、をさらに備えた、
請求項６に記載のコンデンサの製造方法。 - 前記Ｂステップにおいて、焼結金属を圧縮する、
請求項６に記載のコンデンサの製造方法。
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