JP4042345B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解コンデンサに係り、特に、等価直列抵抗（以下、ＥＳＲという）の低減を図り、コンデンサの小型化を可能とするために、容量出現率の向上を図るべく改良を施した固体電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンタルあるいはアルミニウム等のような弁作用を有する金属を利用した電解コンデンサは、陽極側対向電極としての弁作用金属を焼結体あるいはエッチング箔等の形状にして誘電体を拡面化することにより、小型で大きな容量を得ることができることから、広く一般に用いられている。特に、電解質に固体電解質を用いた固体電解コンデンサは、小型、大容量、低等価直列抵抗であることに加えて、チップ化しやすく、表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化、低コスト化に欠かせないものとなっている。
【０００３】
この種の固体電解コンデンサにおいて、小型、大容量用途としては、一般に、アルミニウム等の弁作用金属からなる陽極箔と陰極箔をセパレータを介在させて巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸し、アルミニウム等の金属製ケースや合成樹脂製のケースにコンデンサ素子を収納し、密閉した構造を有している。なお、陽極材料としては、アルミニウムを初めとしてタンタル、ニオブ、チタン等が使用され、陰極材料には、陽極材料と同種の金属が用いられる。
【０００４】
ところで、電解コンデンサの静電容量を増大させるためには、陽極材料と共に陰極材料の静電容量を向上させることが重要である。電解コンデンサにおける各電極の静電容量は、電極表面に薄く形成される絶縁膜の種類、厚さ及び電極の表面積等に左右されるものであり、絶縁膜の誘電率をε、絶縁膜の厚さをｔ、電極の表面積をＡとするとき、静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝ε（Ａ／ｔ）
【０００５】
この式から明らかなように、静電容量の増大を図るためには、電極表面積の拡大、高誘電率を有する絶縁膜材料の選択、絶縁膜の薄膜化が有効である。
これらのうち、電極表面積の拡大を図るべく単純に大きな電極を用いることは、電解コンデンサの大型化を招くだけなので好ましくない。そのため、従来から、電極材料の基材であるアルミニウム箔の表面にエッチング処理を施して凹凸を形成することにより、実質的な表面積を拡大することが行われている。
【０００６】
また、特開昭５９−１６７００９号には、上記エッチング処理に変わるものとして、金属蒸着の技術を利用することにより、基材表面に金属皮膜を形成してなる陰極材料が開示されている。この技術によれば、皮膜形成条件を選択することにより、皮膜表面に微細な凹凸を形成して表面積を拡大し、大きな静電容量を得ることができるとされている。また、上記金属皮膜として、酸化物となった際に高い誘電率を示すＴｉ等の金属を用いれば、陰極材料表面に形成される絶縁膜の誘電率を高めて、より大きな静電容量を得ることができることが示されている。
【０００７】
さらに、本出願人が先に出願した特開平３−１５０８２５号には、電解コンデンサの静電容量が、陽極側の静電容量と陰極側の静電容量とが直列に接続された合成容量となることに鑑み、陰極側の静電容量値を高くするために、陰極用電極に用いられる高純度アルミニウム表面にチタンの窒化物からなる蒸着層を陰極アーク蒸着法によって形成する技術が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の技術によって形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサには、以下に述べるような問題点があった。すなわち、従来の固体電解コンデンサにおいては、電解コンデンサの静電容量を高めるために、電極材料の基材であるアルミニウム箔の表面にエッチング処理を施しているが、エッチングが過大になるとアルミニウム箔表面の溶解が同時に進行し、却って拡面率の増大を妨げることなどの理由から、エッチング技術による電極材料の静電容量の増大化には限界があった。
【０００９】
また、従来、固体電解コンデンサの固体電解質には、主に硝酸マンガンの熱分解により形成される二酸化マンガンが用いられていたが、この二酸化マンガンは導電率が比較的高いため、コンデンサとしてのＥＳＲの低減には限度があった。さらに、二酸化マンガンの形成工程で、２００〜３００℃の熱処理を数回行わなければならないため、陰極箔の表面に形成された金属窒化物からなる皮膜の表面に酸化皮膜が形成され、そのため陰極箔の静電容量が低下し、ひいては電解コンデンサの静電容量を低下させる原因となっていた。
【００１０】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率の向上を可能とした固体電解コンデンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率を向上させることができる固体電解コンデンサについて鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、電解質層として導電性ポリマーあるいは二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサにおいて、陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成することによって、ＥＳＲの低減と容量出現率の向上が可能となることが判明したものである。
【００１２】
まず、本発明者は、電解質層として、近年着目されるようになった電導度が高く、誘電体皮膜との付着性の良い導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサについて、種々の検討を行った。なお、この導電性ポリマーの代表例としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（以下、ＰＥＤＴと記す）、ポリピロール、ポリアニリン、ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）もしくはこれらの誘導体等が知られている。さらに、無機系の導電性化合物として知られている二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサについても、種々の検討を行った。
【００１３】
また、本発明者は、種々の化成電圧の下、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部にＴｉＮ等の金属窒化物を形成し、この陰極箔を用いて後述する条件下でコンデンサを作成し、陰極箔のみの容量を測定したところ、その容量は無限大となり、また、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減できることが分かった。すなわち、化成皮膜の表面の一部に形成されたＴｉＮ等の金属窒化物が、陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去し、ＴｉＮ等の金属窒化物と陰極箔金属が導通していることが判明した。
【００１４】
ところで、電解コンデンサの静電容量Ｃが、陽極側の静電容量Ｃa と陰極側の静電容量Ｃc とが直列に接続された合成容量となることは、次式により表される。
【数１】
上式より明らかなように、Ｃc が値を持つ（陰極箔が容量を持つ）限り、コンデンサの容量Ｃは陽極側の静電容量Ｃa より小さくなる。言い換えれば、本発明のように陰極箔表面に形成したＴｉＮ等の金属窒化物と陰極箔金属とが導通して陰極箔の容量Ｃc が無限大となった場合には、陰極箔の容量成分がなくなり、陽極箔と陰極箔の直列接続の合成容量であるコンデンサの容量Ｃは陽極側の静電容量Ｃa と等しくなって、最大となる。
【００１５】
また、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその表面の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成しているため、金属窒化物からなる皮膜が形成されていない部分では、電解質層として用いられる導電性ポリマーあるいは二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになる。この場合、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と導電性ポリマーあるいは二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減されたと考えられる。
【００１６】
なお、金属窒化物としては、表面に酸化皮膜が形成されにくい、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ等を用いることができる。また、陰極の表面に形成する皮膜は金属窒化物に限らず、皮膜を形成することができ、且つ酸化することの少ない導電性材料であれば、他の材質でも良い。例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ等を用いることができる。
【００１７】
また、弁金属からなる陰極に金属窒化物からなる皮膜を形成する方法としては、形成される皮膜の強度、陰極との密着性、成膜条件の制御等を考慮すると、蒸着法が好ましく、なかでも、陰極アークプラズマ蒸着法がより好ましい。
この陰極アークプラズマ蒸着法の適用条件は以下の通りである。すなわち、電流値は８０〜３００Ａ、電圧値は１５〜２０Ｖである。なお、金属窒化物の場合は、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒの雰囲気で行う。
【００１８】
また、陰極箔の表面に化成皮膜を形成するために印加する化成電圧は、１０Ｖ以下であることが望ましい。その理由は、化成電圧が１０Ｖ以上であると、陰極箔の表面に形成される化成皮膜の厚みが増して陰極箔の静電容量が減少し、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの容量が減少するからである。
【００１９】
さらに、陰極箔の化成液としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等のリン酸系の化成液、ホウ酸アンモニウム等のホウ酸系の化成液、アジピン酸アンモニウム等のアジピン酸系の化成液等を用いることができるが、なかでもリン酸二水素アンモニウムを用いることが望ましい。なお、リン酸二水素アンモニウムの水溶液の濃度は、０．００５〜３％が適している。
【００２０】
また、上述したように、導電性ポリマーとしては、コンデンサの作成過程において高温処理を必要としないＰＥＤＴ、ポリピロール、ポリアニリン、ＴＣＮＱもしくはこれらの誘導体等を用いることができるが、なかでも、小型大容量の巻回型のコンデンサにおいては、１００℃前後で重合を行うことができ、コンデンサの製造過程において温度管理等が容易で、耐熱性に優れ、単位容積当たりの静電容量が最も大きいＰＥＤＴを用いることが望ましい。
【００２１】
続いて、電解質層として導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサの製造方法について説明する。
すなわち、陰極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔を、１０Ｖ以下で、０．００５〜３％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面の一部にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成したものを用いる。なお、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いた場合には、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されないため、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜を形成することができる。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒ、８０〜３００Ａ、１５〜２０Ｖで行う。
【００２２】
また、陽極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔の表面に、従来から用いられている方法で化成処理を施して誘電体皮膜を形成したものを用いる。この陽極箔を陰極箔及びセパレータと共に巻回してコンデンサ素子を形成し、エチレンジオキシチオフェン（以下、ＥＤＴと記す）をコンデンサ素子に含浸し、さらに４０〜６０％のパラトルエンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を含浸して、２０〜１８０℃、３０分以上加熱する。その後、コンデンサ素子の表面を樹脂で被覆し、エージングを行う。
【００２３】
ここで、コンデンサ素子に含浸するＥＤＴとしてはＥＤＴモノマーを用いることができるが、ＥＤＴと揮発性溶媒とを１：１〜１：３の体積比で混合したモノマー溶液を用いることもできる。
また、揮発性溶媒としては、ペンタン等の炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン等のケトン類、メタノール等のアルコール類、アセトニトリル等の窒素化合物等を用いることができるが、なかでも、メタノール、エタノール、アセトン等が好ましい。
酸化剤としては、ブタノールに溶解したパラトルエンスルホン酸第二鉄を用いる。この場合、ブタノールとパラトルエンスルホン酸第二鉄の比率は任意で良いが、本発明においては４０〜６０％溶液を用いている。なお、ＥＤＴと酸化剤の配合比は１：３〜１：６の範囲が好適である。
【００２４】
また、上述した導電性ポリマーと同様に、低温で半導体層を形成することができる二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサについても種々の検討を行ったところ、導電性ポリマーからなる電解質層を備えた固体電解コンデンサと同様に、耐電圧特性、漏れ電流特性等が良好で、ＥＳＲの低減が可能で、高い容量出現率が得られることが判明した。
この二酸化鉛は、高電導性の半導体層を形成するので、低ＥＳＲ特性を有する固体電解コンデンサを形成することができる。また、二酸化鉛を用いた半導体層は、酢酸鉛を過硫酸アンモニウム等の酸化剤で常温で酸化して形成することができるので、高温で形成する二酸化マンガンに比べて陽極酸化皮膜の損傷が少ないため、耐電圧特性、漏れ電流特性等が良好で、導電性ポリマーと同等の特性を得ることができると考えられる。
【００２５】
ただし、二酸化鉛は、上記ＰＥＤＴに比較すると、陽極箔の化成電圧に対して定格電圧が低いという欠点がある。したがって、ＰＥＤＴと同じ定格電圧にするためには、陽極箔の化成電圧を高くしなければならず、その分、陽極箔の化成皮膜の厚みが大きくなり、陽極箔の静電容量が小さくなるため、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量は小さくなる。
【００２６】
続いて、電解質層として二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサの製造方法について説明する。
すなわち、陰極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔を、１０Ｖ以下で、０．００５〜３％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面の一部にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成したものを用いる。なお、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いた場合には、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されないため、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜を形成することができる。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒ、８０〜３００Ａ、１５〜２０Ｖで行う。
【００２７】
また、陽極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔の表面に、従来から用いられている方法で化成処理を施して誘電体皮膜を形成したものを用いる。この陽極箔を陰極箔及びセパレータと共に巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子を、０．０５モル／リットル〜飽和溶解度を与える濃度までの範囲の酢酸鉛水溶液に浸漬し、ここに、酢酸鉛１モルに対して０．１〜５モルまでの範囲の過硫酸アンモニウム水溶液を加え、室温で３０分〜２時間放置して、誘電体層上に二酸化鉛層を形成する。次いで、コンデンサ素子を水洗、乾燥した後、樹脂封止して、固体電解コンデンサを形成する。
【００２８】
なお、通常の電解液を用いる電解コンデンサに本発明に係る陰極箔を用いても、電解液と陰極箔の界面に電気二重層コンデンサが形成されて容量成分となるので、陰極箔の容量がゼロになることはなく、本発明のような最大の容量を得ることはできない。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
［１．第１実施形態］
本実施形態は、電解質層として導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサに関するものである。なお、本発明に係る表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔は、以下の実施例１のように作成した。また、比較例１として、陰極表面に実施例１と同じ化成電圧で化成皮膜のみを形成した陰極箔を用い、従来例１として通常の陰極箔を用いた。
【００３０】
（実施例１）
高純度のアルミニウム箔（純度９９％、厚さ５０μｍ）を４ｍｍ×３０ｍｍに切断したものを被処理材として使用し、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成した。なお、本実施例においては、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いたため、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されず、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜が形成されている。なお、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、高純度のアルミニウム箔を２００℃に加熱し、５×１０-3Ｔｏｒｒ、３００Ａ、２０Ｖで行った。
【００３１】
そして、この陰極箔を陽極箔及びセパレータと共に巻回して、素子形状が４φ×７Ｌのコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子にＥＤＴモノマーを含浸し、さらに酸化剤溶液として４５％のパラトルエンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を含浸して、１００℃、１時間加熱した。その後、コンデンサ素子の表面を樹脂で被覆し、エージングを行って、固体電解コンデンサを形成した。なお、この固体電解コンデンサの定格電圧は６．３ＷＶ、定格容量は３３μＦである。
【００３２】
（比較例１）
被処理材には実施例１と同じものを用い、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成して陰極箔を作成した。そして、この陰極箔を用い、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００３３】
（従来例１）
被処理材には実施例１と同じものを用い、表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜を形成していないものを陰極箔として用いた。そして、この陰極箔を用い、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００３４】
［比較結果］
上記の方法により得られた実施例１、比較例１及び従来例１の固体電解コンデンサの電気的特性を表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１から明らかなように、陰極箔の表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜のいずれも形成していない陰極箔を用いた従来例１においては、静電容量（Ｃａｐ）は“３０．２”と低く、等価直列抵抗（ＥＳＲ）は“４９”、ｔａｎδは“０．１２０”と高かった。
これに対して、実施例１においては、Ｃａｐは“４６．８”と従来例１の約１．５５倍に上昇し、ｔａｎδは“０．０２０”と従来例１の約１６．７％に低下した。また、ＥＳＲは“３５”と従来例１の約７１．４％に低下した。
【００３７】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例１においては、Ｃａｐは“３２．１”と従来例１の約１．０６倍に上昇し、ｔａｎδは“０．０８８”と従来例１の約７３．３％に低下した。また、ＥＳＲは“３５”と従来例１の約７１．４％に低下した。
【００３８】
このような結果が得られたのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例１においては、陰極箔表面に形成された化成皮膜の表面の一部に、蒸着法によって金属窒化物からなる皮膜が形成されており、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。さらに、本実施形態においては、電解質として導電性ポリマーを用いているため、コンデンサの作成過程で高温処理をする必要がないので、金属窒化物の表面に酸化皮膜が形成されることはない。
【００３９】
このように実施例１によれば、陰極箔表面の一部に蒸着した金属窒化物と陰極箔金属とが導通して陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって増大する。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００４０】
さらに、陰極箔の表面に形成される金属窒化物は蒸着法によって形成されているので、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などには金属窒化物が形成されることがない。そのため、この部分では導電性ポリマーと陰極箔が直接接触することになるが、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と導電性ポリマーとの密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００４１】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例１においては、実施例１に比べてＣａｐの上昇率は大きくないが、ｔａｎδは従来例１の約７３．３％に、また、ＥＳＲは従来例１の約７１．４％に低下した。これは、陰極箔の表面に所定の化成電圧で化成皮膜を形成したことにより、陰極箔と導電性ポリマーとの密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００４２】
このように、表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサにおいては、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減し、さらに容量出現率を大幅に向上することができることが明らかとなった。
【００４３】
［２．第２実施形態］
本実施形態は、電解質層として二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサに関するものである。なお、本発明に係る表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔は、以下の実施例２のように作成した。また、比較例２として、陰極表面に実施例２と同じ化成電圧で化成皮膜のみを形成した陰極箔を用い、従来例２として通常の陰極箔を用いた。
【００４４】
（実施例２）
高純度のアルミニウム箔（純度９９％、厚さ５０μｍ）を４ｍｍ×３０ｍｍに切断したものを被処理材として使用し、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成した。なお、本実施例においても、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いたため、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されず、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜が形成されている。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、高純度のアルミニウム箔を２００℃に加熱し、５×１０-3Ｔｏｒｒ、３００Ａ、２０Ｖで行った。
【００４５】
そして、この陰極箔を陽極箔及びセパレータと共に巻回して、素子形状が４φ×７Ｌのコンデンサ素子を形成した。このコンデンサ素子を、３モル／リットルの酢酸鉛水溶液に浸漬し、ここに、同量の３モル／リットルの過硫酸アンモニウム水溶液を加え、室温で１時間放置した。次いで、このコンデンサ素子を水洗、乾燥した後、実施例１と同様にして、定格電圧６．３ＷＶ、定格容量２２μＦの固体電解コンデンサを形成した。
【００４６】
なお、実施例２では、ＰＥＤＴを用いた実施例１に比べて、定格容量が２２μＦと小さくなっているが、その理由は以下の通りである。すなわち、二酸化鉛はＰＥＤＴに比べて、陽極箔の化成電圧に対してコンデンサの定格電圧が低くなる。したがって、同じ定格電圧であると、二酸化鉛の場合は陽極箔の化成電圧を高くしなければならない。そのため、陽極箔の厚みが大きくなって、陽極箔の静電容量が小さくなり、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量は小さくなる。
【００４７】
（比較例２）
被処理材には実施例２と同じものを用い、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成して陰極箔を作成した。そして、この陰極箔を用い、実施例２と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００４８】
（従来例２）
被処理材には実施例２と同じものを用い、表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜を形成していないものを陰極箔として用いた。そして、この陰極箔を用い、実施例２と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００４９】
［比較結果］
上記の方法により得られた実施例２、比較例２及び従来例２の固体電解コンデンサの電気的特性を表２に示す。
【００５０】
【表２】
【００５１】
表２から明らかなように、陰極箔の表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜のいずれも形成していない陰極箔を用いた従来例２においては、静電容量（Ｃａｐ）は“２２．０”と低く、等価直列抵抗（ＥＳＲ）は“１５７”、ｔａｎδは“０．１２９”と高かった。
これに対して、実施例２においては、Ｃａｐは“２４．９”と従来例２より約１３％上昇し、ｔａｎδは“０．０３３”と従来例２の約２６％に低下した。また、ＥＳＲは“１３６”と従来例２の約８７％に低下した。
【００５２】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例２においては、Ｃａｐは“２３．１”と従来例２より約５％上昇し、ｔａｎδは“０．０９２”と従来例２の約７１％に低下した。また、ＥＳＲは“１３８”と従来例２の約８８％に低下した。
【００５３】
このような結果が得られたのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例２においては、陰極箔表面に形成された化成皮膜の表面の一部に、蒸着法によって金属窒化物からなる皮膜が形成されており、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。さらに、本実施形態においては、電解質として二酸化鉛を用いているため、コンデンサの作成過程で高温処理をする必要がないので、金属窒化物の表面に酸化皮膜が形成されることはない。
【００５４】
このように実施例２によれば、陰極箔表面の一部に蒸着した金属窒化物と陰極箔金属とが導通して陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって増大する。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００５５】
さらに、陰極箔の表面に形成される金属窒化物は蒸着法によって形成されているので、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などには金属窒化物が形成されることがない。そのため、この部分では二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになるが、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００５６】
なお、実施例２において、静電容量の上昇率（約１３％）が、ＰＥＤＴを用いた実施例１における上昇率（約５５％）に比べて小さいものとなっているのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、上述したように、実施例２においては、実施例１と同じ定格電圧にすると、陽極箔の化成電圧を高くしなければならないため、陽極箔の厚みが大きくなって陽極箔の静電容量が小さくなる。そのため、ＴｉＮを蒸着することによって陰極箔の静電容量が無限大になっても、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量に対する寄与が、ＰＥＤＴを用いた実施例１より小さくなるためであると考えられる。
【００５７】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例２においては、実施例２に比べてＣａｐの上昇率は大きくないが、ｔａｎδは従来例２の約７１．３％に、また、ＥＳＲは従来例２の約８７．９％に低下した。これは、陰極箔の表面に所定の化成電圧で化成皮膜を形成したことにより、陰極箔と二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００５８】
このように、表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサにおいては、電解質として二酸化鉛を用いた場合にも、導電性ポリマーからなる電解質層を備えた固体電解コンデンサと同様に、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減し、さらに容量出現率を大幅に向上することができることが明らかとなった。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成することにより、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。その結果、陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって最大となる。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００６０】
また、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその表面の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成しているため、金属窒化物からなる皮膜が形成されていない部分では、導電性ポリマーあるいは二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになり、陰極箔の表面に予め形成されている化成皮膜により陰極箔と導電性ポリマーあるいは二酸化鉛との密着性が向上して、さらにＥＳＲ及びｔａｎδが低減する。従って、本発明によれば、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率の向上を可能とした固体電解コンデンサを提供することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解コンデンサに係り、特に、等価直列抵抗（以下、ＥＳＲという）の低減を図り、コンデンサの小型化を可能とするために、容量出現率の向上を図るべく改良を施した固体電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンタルあるいはアルミニウム等のような弁作用を有する金属を利用した電解コンデンサは、陽極側対向電極としての弁作用金属を焼結体あるいはエッチング箔等の形状にして誘電体を拡面化することにより、小型で大きな容量を得ることができることから、広く一般に用いられている。特に、電解質に固体電解質を用いた固体電解コンデンサは、小型、大容量、低等価直列抵抗であることに加えて、チップ化しやすく、表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化、低コスト化に欠かせないものとなっている。
【０００３】
この種の固体電解コンデンサにおいて、小型、大容量用途としては、一般に、アルミニウム等の弁作用金属からなる陽極箔と陰極箔をセパレータを介在させて巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸し、アルミニウム等の金属製ケースや合成樹脂製のケースにコンデンサ素子を収納し、密閉した構造を有している。なお、陽極材料としては、アルミニウムを初めとしてタンタル、ニオブ、チタン等が使用され、陰極材料には、陽極材料と同種の金属が用いられる。
【０００４】
ところで、電解コンデンサの静電容量を増大させるためには、陽極材料と共に陰極材料の静電容量を向上させることが重要である。電解コンデンサにおける各電極の静電容量は、電極表面に薄く形成される絶縁膜の種類、厚さ及び電極の表面積等に左右されるものであり、絶縁膜の誘電率をε、絶縁膜の厚さをｔ、電極の表面積をＡとするとき、静電容量Ｃは次式で表される。
Ｃ＝ε（Ａ／ｔ）
【０００５】
この式から明らかなように、静電容量の増大を図るためには、電極表面積の拡大、高誘電率を有する絶縁膜材料の選択、絶縁膜の薄膜化が有効である。
これらのうち、電極表面積の拡大を図るべく単純に大きな電極を用いることは、電解コンデンサの大型化を招くだけなので好ましくない。そのため、従来から、電極材料の基材であるアルミニウム箔の表面にエッチング処理を施して凹凸を形成することにより、実質的な表面積を拡大することが行われている。
【０００６】
また、特開昭５９−１６７００９号には、上記エッチング処理に変わるものとして、金属蒸着の技術を利用することにより、基材表面に金属皮膜を形成してなる陰極材料が開示されている。この技術によれば、皮膜形成条件を選択することにより、皮膜表面に微細な凹凸を形成して表面積を拡大し、大きな静電容量を得ることができるとされている。また、上記金属皮膜として、酸化物となった際に高い誘電率を示すＴｉ等の金属を用いれば、陰極材料表面に形成される絶縁膜の誘電率を高めて、より大きな静電容量を得ることができることが示されている。
【０００７】
さらに、本出願人が先に出願した特開平３−１５０８２５号には、電解コンデンサの静電容量が、陽極側の静電容量と陰極側の静電容量とが直列に接続された合成容量となることに鑑み、陰極側の静電容量値を高くするために、陰極用電極に用いられる高純度アルミニウム表面にチタンの窒化物からなる蒸着層を陰極アーク蒸着法によって形成する技術が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の技術によって形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサには、以下に述べるような問題点があった。すなわち、従来の固体電解コンデンサにおいては、電解コンデンサの静電容量を高めるために、電極材料の基材であるアルミニウム箔の表面にエッチング処理を施しているが、エッチングが過大になるとアルミニウム箔表面の溶解が同時に進行し、却って拡面率の増大を妨げることなどの理由から、エッチング技術による電極材料の静電容量の増大化には限界があった。
【０００９】
また、従来、固体電解コンデンサの固体電解質には、主に硝酸マンガンの熱分解により形成される二酸化マンガンが用いられていたが、この二酸化マンガンは導電率が比較的高いため、コンデンサとしてのＥＳＲの低減には限度があった。さらに、二酸化マンガンの形成工程で、２００〜３００℃の熱処理を数回行わなければならないため、陰極箔の表面に形成された金属窒化物からなる皮膜の表面に酸化皮膜が形成され、そのため陰極箔の静電容量が低下し、ひいては電解コンデンサの静電容量を低下させる原因となっていた。
【００１０】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率の向上を可能とした固体電解コンデンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率を向上させることができる固体電解コンデンサについて鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、電解質層として導電性ポリマーあるいは二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサにおいて、陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成することによって、ＥＳＲの低減と容量出現率の向上が可能となることが判明したものである。
【００１２】
まず、本発明者は、電解質層として、近年着目されるようになった電導度が高く、誘電体皮膜との付着性の良い導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサについて、種々の検討を行った。なお、この導電性ポリマーの代表例としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（以下、ＰＥＤＴと記す）、ポリピロール、ポリアニリン、ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）もしくはこれらの誘導体等が知られている。さらに、無機系の導電性化合物として知られている二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサについても、種々の検討を行った。
【００１３】
また、本発明者は、種々の化成電圧の下、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部にＴｉＮ等の金属窒化物を形成し、この陰極箔を用いて後述する条件下でコンデンサを作成し、陰極箔のみの容量を測定したところ、その容量は無限大となり、また、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減できることが分かった。すなわち、化成皮膜の表面の一部に形成されたＴｉＮ等の金属窒化物が、陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去し、ＴｉＮ等の金属窒化物と陰極箔金属が導通していることが判明した。
【００１４】
ところで、電解コンデンサの静電容量Ｃが、陽極側の静電容量Ｃa と陰極側の静電容量Ｃc とが直列に接続された合成容量となることは、次式により表される。
【数１】
【００１５】
また、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその表面の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成しているため、金属窒化物からなる皮膜が形成されていない部分では、電解質層として用いられる導電性ポリマーあるいは二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになる。この場合、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と導電性ポリマーあるいは二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減されたと考えられる。
【００１６】
なお、金属窒化物としては、表面に酸化皮膜が形成されにくい、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ等を用いることができる。また、陰極の表面に形成する皮膜は金属窒化物に限らず、皮膜を形成することができ、且つ酸化することの少ない導電性材料であれば、他の材質でも良い。例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ等を用いることができる。
【００１７】
また、弁金属からなる陰極に金属窒化物からなる皮膜を形成する方法としては、形成される皮膜の強度、陰極との密着性、成膜条件の制御等を考慮すると、蒸着法が好ましく、なかでも、陰極アークプラズマ蒸着法がより好ましい。
この陰極アークプラズマ蒸着法の適用条件は以下の通りである。すなわち、電流値は８０〜３００Ａ、電圧値は１５〜２０Ｖである。なお、金属窒化物の場合は、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒの雰囲気で行う。
【００１８】
また、陰極箔の表面に化成皮膜を形成するために印加する化成電圧は、１０Ｖ以下であることが望ましい。その理由は、化成電圧が１０Ｖ以上であると、陰極箔の表面に形成される化成皮膜の厚みが増して陰極箔の静電容量が減少し、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの容量が減少するからである。
【００１９】
さらに、陰極箔の化成液としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム等のリン酸系の化成液、ホウ酸アンモニウム等のホウ酸系の化成液、アジピン酸アンモニウム等のアジピン酸系の化成液等を用いることができるが、なかでもリン酸二水素アンモニウムを用いることが望ましい。なお、リン酸二水素アンモニウムの水溶液の濃度は、０．００５〜３％が適している。
【００２０】
また、上述したように、導電性ポリマーとしては、コンデンサの作成過程において高温処理を必要としないＰＥＤＴ、ポリピロール、ポリアニリン、ＴＣＮＱもしくはこれらの誘導体等を用いることができるが、なかでも、小型大容量の巻回型のコンデンサにおいては、１００℃前後で重合を行うことができ、コンデンサの製造過程において温度管理等が容易で、耐熱性に優れ、単位容積当たりの静電容量が最も大きいＰＥＤＴを用いることが望ましい。
【００２１】
続いて、電解質層として導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサの製造方法について説明する。
すなわち、陰極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔を、１０Ｖ以下で、０．００５〜３％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面の一部にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成したものを用いる。なお、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いた場合には、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されないため、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜を形成することができる。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒ、８０〜３００Ａ、１５〜２０Ｖで行う。
【００２２】
また、陽極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔の表面に、従来から用いられている方法で化成処理を施して誘電体皮膜を形成したものを用いる。この陽極箔を陰極箔及びセパレータと共に巻回してコンデンサ素子を形成し、エチレンジオキシチオフェン（以下、ＥＤＴと記す）をコンデンサ素子に含浸し、さらに４０〜６０％のパラトルエンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を含浸して、２０〜１８０℃、３０分以上加熱する。その後、コンデンサ素子の表面を樹脂で被覆し、エージングを行う。
【００２３】
ここで、コンデンサ素子に含浸するＥＤＴとしてはＥＤＴモノマーを用いることができるが、ＥＤＴと揮発性溶媒とを１：１〜１：３の体積比で混合したモノマー溶液を用いることもできる。
また、揮発性溶媒としては、ペンタン等の炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン等のケトン類、メタノール等のアルコール類、アセトニトリル等の窒素化合物等を用いることができるが、なかでも、メタノール、エタノール、アセトン等が好ましい。
酸化剤としては、ブタノールに溶解したパラトルエンスルホン酸第二鉄を用いる。この場合、ブタノールとパラトルエンスルホン酸第二鉄の比率は任意で良いが、本発明においては４０〜６０％溶液を用いている。なお、ＥＤＴと酸化剤の配合比は１：３〜１：６の範囲が好適である。
【００２４】
また、上述した導電性ポリマーと同様に、低温で半導体層を形成することができる二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサについても種々の検討を行ったところ、導電性ポリマーからなる電解質層を備えた固体電解コンデンサと同様に、耐電圧特性、漏れ電流特性等が良好で、ＥＳＲの低減が可能で、高い容量出現率が得られることが判明した。
この二酸化鉛は、高電導性の半導体層を形成するので、低ＥＳＲ特性を有する固体電解コンデンサを形成することができる。また、二酸化鉛を用いた半導体層は、酢酸鉛を過硫酸アンモニウム等の酸化剤で常温で酸化して形成することができるので、高温で形成する二酸化マンガンに比べて陽極酸化皮膜の損傷が少ないため、耐電圧特性、漏れ電流特性等が良好で、導電性ポリマーと同等の特性を得ることができると考えられる。
【００２５】
ただし、二酸化鉛は、上記ＰＥＤＴに比較すると、陽極箔の化成電圧に対して定格電圧が低いという欠点がある。したがって、ＰＥＤＴと同じ定格電圧にするためには、陽極箔の化成電圧を高くしなければならず、その分、陽極箔の化成皮膜の厚みが大きくなり、陽極箔の静電容量が小さくなるため、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量は小さくなる。
【００２６】
続いて、電解質層として二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサの製造方法について説明する。
すなわち、陰極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔を、１０Ｖ以下で、０．００５〜３％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面の一部にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成したものを用いる。なお、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いた場合には、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されないため、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜を形成することができる。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、弁金属からなる陰極を２００〜４５０℃に加熱し、窒素を含む全圧が１×１０-1〜１×１０-4Ｔｏｒｒ、８０〜３００Ａ、１５〜２０Ｖで行う。
【００２７】
また、陽極箔としては、エッチングしたアルミニウム箔の表面に、従来から用いられている方法で化成処理を施して誘電体皮膜を形成したものを用いる。この陽極箔を陰極箔及びセパレータと共に巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子を、０．０５モル／リットル〜飽和溶解度を与える濃度までの範囲の酢酸鉛水溶液に浸漬し、ここに、酢酸鉛１モルに対して０．１〜５モルまでの範囲の過硫酸アンモニウム水溶液を加え、室温で３０分〜２時間放置して、誘電体層上に二酸化鉛層を形成する。次いで、コンデンサ素子を水洗、乾燥した後、樹脂封止して、固体電解コンデンサを形成する。
【００２８】
なお、通常の電解液を用いる電解コンデンサに本発明に係る陰極箔を用いても、電解液と陰極箔の界面に電気二重層コンデンサが形成されて容量成分となるので、陰極箔の容量がゼロになることはなく、本発明のような最大の容量を得ることはできない。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
［１．第１実施形態］
本実施形態は、電解質層として導電性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサに関するものである。なお、本発明に係る表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔は、以下の実施例１のように作成した。また、比較例１として、陰極表面に実施例１と同じ化成電圧で化成皮膜のみを形成した陰極箔を用い、従来例１として通常の陰極箔を用いた。
【００３０】
（実施例１）
高純度のアルミニウム箔（純度９９％、厚さ５０μｍ）を４ｍｍ×３０ｍｍに切断したものを被処理材として使用し、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成した。なお、本実施例においては、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いたため、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されず、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜が形成されている。なお、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、高純度のアルミニウム箔を２００℃に加熱し、５×１０-3Ｔｏｒｒ、３００Ａ、２０Ｖで行った。
【００３１】
そして、この陰極箔を陽極箔及びセパレータと共に巻回して、素子形状が４φ×７Ｌのコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子にＥＤＴモノマーを含浸し、さらに酸化剤溶液として４５％のパラトルエンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を含浸して、１００℃、１時間加熱した。その後、コンデンサ素子の表面を樹脂で被覆し、エージングを行って、固体電解コンデンサを形成した。なお、この固体電解コンデンサの定格電圧は６．３ＷＶ、定格容量は３３μＦである。
【００３２】
（比較例１）
被処理材には実施例１と同じものを用い、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成して陰極箔を作成した。そして、この陰極箔を用い、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００３３】
（従来例１）
被処理材には実施例１と同じものを用い、表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜を形成していないものを陰極箔として用いた。そして、この陰極箔を用い、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００３４】
［比較結果］
上記の方法により得られた実施例１、比較例１及び従来例１の固体電解コンデンサの電気的特性を表１に示す。
【００３５】
【表１】
表１から明らかなように、陰極箔の表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜のいずれも形成していない陰極箔を用いた従来例１においては、静電容量（Ｃａｐ）は“３０．２”と低く、等価直列抵抗（ＥＳＲ）は“４９”、ｔａｎδは“０．１２０”と高かった。
これに対して、実施例１においては、Ｃａｐは“４６．８”と従来例１の約１．５５倍に上昇し、ｔａｎδは“０．０２０”と従来例１の約１６．７％に低下した。また、ＥＳＲは“３５”と従来例１の約７１．４％に低下した。
【００３７】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例１においては、Ｃａｐは“３２．１”と従来例１の約１．０６倍に上昇し、ｔａｎδは“０．０８８”と従来例１の約７３．３％に低下した。また、ＥＳＲは“３５”と従来例１の約７１．４％に低下した。
【００３８】
このような結果が得られたのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例１においては、陰極箔表面に形成された化成皮膜の表面の一部に、蒸着法によって金属窒化物からなる皮膜が形成されており、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。さらに、本実施形態においては、電解質として導電性ポリマーを用いているため、コンデンサの作成過程で高温処理をする必要がないので、金属窒化物の表面に酸化皮膜が形成されることはない。
【００３９】
このように実施例１によれば、陰極箔表面の一部に蒸着した金属窒化物と陰極箔金属とが導通して陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって増大する。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００４０】
さらに、陰極箔の表面に形成される金属窒化物は蒸着法によって形成されているので、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などには金属窒化物が形成されることがない。そのため、この部分では導電性ポリマーと陰極箔が直接接触することになるが、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と導電性ポリマーとの密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００４１】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例１においては、実施例１に比べてＣａｐの上昇率は大きくないが、ｔａｎδは従来例１の約７３．３％に、また、ＥＳＲは従来例１の約７１．４％に低下した。これは、陰極箔の表面に所定の化成電圧で化成皮膜を形成したことにより、陰極箔と導電性ポリマーとの密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００４２】
このように、表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサにおいては、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減し、さらに容量出現率を大幅に向上することができることが明らかとなった。
【００４３】
［２．第２実施形態］
本実施形態は、電解質層として二酸化鉛を用いた巻回型の固体電解コンデンサに関するものである。なお、本発明に係る表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔は、以下の実施例２のように作成した。また、比較例２として、陰極表面に実施例２と同じ化成電圧で化成皮膜のみを形成した陰極箔を用い、従来例２として通常の陰極箔を用いた。
【００４４】
（実施例２）
高純度のアルミニウム箔（純度９９％、厚さ５０μｍ）を４ｍｍ×３０ｍｍに切断したものを被処理材として使用し、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成し、さらにその表面にＴｉＮ膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成した。なお、本実施例においても、陰極箔の表面にＴｉＮ膜を形成する方法として蒸着法を用いたため、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などにはＴｉＮ膜が形成されず、陰極箔の表面の一部にＴｉＮ膜が形成されている。また、陰極アークプラズマ蒸着法の条件は、窒素雰囲気中でＴｉターゲットを用い、高純度のアルミニウム箔を２００℃に加熱し、５×１０-3Ｔｏｒｒ、３００Ａ、２０Ｖで行った。
【００４５】
そして、この陰極箔を陽極箔及びセパレータと共に巻回して、素子形状が４φ×７Ｌのコンデンサ素子を形成した。このコンデンサ素子を、３モル／リットルの酢酸鉛水溶液に浸漬し、ここに、同量の３モル／リットルの過硫酸アンモニウム水溶液を加え、室温で１時間放置した。次いで、このコンデンサ素子を水洗、乾燥した後、実施例１と同様にして、定格電圧６．３ＷＶ、定格容量２２μＦの固体電解コンデンサを形成した。
【００４６】
なお、実施例２では、ＰＥＤＴを用いた実施例１に比べて、定格容量が２２μＦと小さくなっているが、その理由は以下の通りである。すなわち、二酸化鉛はＰＥＤＴに比べて、陽極箔の化成電圧に対してコンデンサの定格電圧が低くなる。したがって、同じ定格電圧であると、二酸化鉛の場合は陽極箔の化成電圧を高くしなければならない。そのため、陽極箔の厚みが大きくなって、陽極箔の静電容量が小さくなり、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量は小さくなる。
【００４７】
（比較例２）
被処理材には実施例２と同じものを用い、エッチング処理後、化成電圧２Ｖで０．１５％のリン酸二水素アンモニウムの水溶液で化成して陰極箔を作成した。そして、この陰極箔を用い、実施例２と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００４８】
（従来例２）
被処理材には実施例２と同じものを用い、表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜を形成していないものを陰極箔として用いた。そして、この陰極箔を用い、実施例２と同様にして固体電解コンデンサを形成した。
【００４９】
［比較結果］
上記の方法により得られた実施例２、比較例２及び従来例２の固体電解コンデンサの電気的特性を表２に示す。
【００５０】
【表２】
表２から明らかなように、陰極箔の表面に化成皮膜及び金属窒化物からなる皮膜のいずれも形成していない陰極箔を用いた従来例２においては、静電容量（Ｃａｐ）は“２２．０”と低く、等価直列抵抗（ＥＳＲ）は“１５７”、ｔａｎδは“０．１２９”と高かった。
これに対して、実施例２においては、Ｃａｐは“２４．９”と従来例２より約１３％上昇し、ｔａｎδは“０．０３３”と従来例２の約２６％に低下した。また、ＥＳＲは“１３６”と従来例２の約８７％に低下した。
【００５２】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例２においては、Ｃａｐは“２３．１”と従来例２より約５％上昇し、ｔａｎδは“０．０９２”と従来例２の約７１％に低下した。また、ＥＳＲは“１３８”と従来例２の約８８％に低下した。
【００５３】
このような結果が得られたのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、実施例２においては、陰極箔表面に形成された化成皮膜の表面の一部に、蒸着法によって金属窒化物からなる皮膜が形成されており、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。さらに、本実施形態においては、電解質として二酸化鉛を用いているため、コンデンサの作成過程で高温処理をする必要がないので、金属窒化物の表面に酸化皮膜が形成されることはない。
【００５４】
このように実施例２によれば、陰極箔表面の一部に蒸着した金属窒化物と陰極箔金属とが導通して陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって増大する。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００５５】
さらに、陰極箔の表面に形成される金属窒化物は蒸着法によって形成されているので、エッチングを施した陰極箔表面の凹部の側面などには金属窒化物が形成されることがない。そのため、この部分では二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになるが、陰極箔の表面には予め化成皮膜が形成されているので、陰極箔と二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００５６】
なお、実施例２において、静電容量の上昇率（約１３％）が、ＰＥＤＴを用いた実施例１における上昇率（約５５％）に比べて小さいものとなっているのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、上述したように、実施例２においては、実施例１と同じ定格電圧にすると、陽極箔の化成電圧を高くしなければならないため、陽極箔の厚みが大きくなって陽極箔の静電容量が小さくなる。そのため、ＴｉＮを蒸着することによって陰極箔の静電容量が無限大になっても、陽極箔の静電容量と陰極箔の静電容量の合成容量であるコンデンサの静電容量に対する寄与が、ＰＥＤＴを用いた実施例１より小さくなるためであると考えられる。
【００５７】
一方、陰極箔の表面に化成皮膜のみを形成した比較例２においては、実施例２に比べてＣａｐの上昇率は大きくないが、ｔａｎδは従来例２の約７１．３％に、また、ＥＳＲは従来例２の約８７．９％に低下した。これは、陰極箔の表面に所定の化成電圧で化成皮膜を形成したことにより、陰極箔と二酸化鉛との密着性が向上して、ＥＳＲ及びｔａｎδが低減したと考えられる。
【００５８】
このように、表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成した陰極箔を用いた固体電解コンデンサにおいては、電解質として二酸化鉛を用いた場合にも、導電性ポリマーからなる電解質層を備えた固体電解コンデンサと同様に、ＥＳＲ及びｔａｎδを低減し、さらに容量出現率を大幅に向上することができることが明らかとなった。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成することにより、この金属窒化物が陰極箔の表面に形成された化成皮膜の一部を除去して、金属窒化物と陰極箔金属とが導通する。その結果、陰極箔の容量が無限大となり、陰極箔表面の容量成分がなくなり、結果として、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの静電容量が、陽極箔のみの静電容量と等しくなって最大となる。また、陰極箔の容量成分がなくなることによって、その誘電損失分もなくなるので、ｔａｎδも低減する。
【００６０】
また、陰極箔に化成皮膜を形成し、さらにその表面の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成しているため、金属窒化物からなる皮膜が形成されていない部分では、導電性ポリマーあるいは二酸化鉛と陰極箔が直接接触することになり、陰極箔の表面に予め形成されている化成皮膜により陰極箔と導電性ポリマーあるいは二酸化鉛との密着性が向上して、さらにＥＳＲ及びｔａｎδが低減する。従って、本発明によれば、ＥＳＲの低減を図り、容量出現率の向上を可能とした固体電解コンデンサを提供することができる。
Claims (5)
- 弁金属からなる陰極箔と表面に酸化皮膜を形成した弁金属からなる陽極箔とを、セパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成し、前記陰極箔と陽極箔の間に導電性ポリマーからなる電解質層を形成した固体電解コンデンサにおいて、
前記陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成し、前記導電性ポリマーが前記化成皮膜と金属窒化物に接していることを特徴とする固体電解コンデンサ。 - 弁金属からなる陰極箔と表面に酸化皮膜を形成した弁金属からなる陽極箔とを、セパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成し、前記陰極箔と陽極箔の間に二酸化鉛からなる電解質層を形成した固体電解コンデンサにおいて、
前記陰極箔の表面に化成皮膜を形成し、さらにその上の一部に金属窒化物からなる皮膜を形成し、前記二酸化鉛が前記化成皮膜と金属窒化物に接していることを特徴とする固体電解コンデンサ。 - 前記導電性ポリマーが、ポリエチレンジオキシチオフェンであ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。
- 前記弁金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の固体電解コンデンサ。
- 前記金属窒化物が、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体電解コンデンサ。
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