JP4247974B2 - 固体電解コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンタル、ニオブなどのような弁作用金属を陽極体として用いた固体電解コンデンサとその製造方法に関するものである。

固体電解コンデンサは、陽極体に電解酸化処理を施して得られる酸化層を誘電体として用いるものである。陽極体には、緻密で絶縁性の高い酸化層を形成することが可能な、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウムなどの、弁作用金属と称される金属の焼結体が用いられる。

このような固体電解コンデンサの代表的な製造方法は、陽極体となる弁作用金属の焼結体に化成処理を施すことで、酸化層を形成し、次いで陰極層を形成して、陰極端子を取り付け、陽極リード線には陽極端子を取り付け、固体電解コンデンサを得るというものである。陰極層には、二酸化マンガンなどが用いられ、周波数特性を、さらに向上するために、導電性高分子を用いて等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低下したものが開発されている。

図５は、従来の代表的な固体電解コンデンサの例を示す図で、図５（ａ）はコンデンサ素子の断面図、図５（ｂ）はコンデンサ素子に端子を取り付け、樹脂モールドを施した状態の斜視図である。図５（ａ）において、１ｃは陽極リード線、２ｃは陽極体、３ｃは酸化皮膜、４ｃは陰極層、であり、図５（ｂ）において、６ｃは陽極端子、７ｃは陰極端子、８ｃはモールド樹脂であり、外装を形成する。

図５（ａ）に示したように、陽極リード線１ｃは、酸化皮膜３ｃによって、陰極層４ｃとは絶縁されている。また、図５（ｂ）に示したように、陽極端子６ｃと陰極端子７ｃは、モールド樹脂８ｃに沿った形状にフォーミングを施すことで、面実装に対応させた形状とすることが一般的である。また、図５（ａ）に示したように、陽極リード線１ｃは、陽極体２ｃの長さの２／３〜１／２の長さだけ、陽極体２ｃの内部に埋設された状態で配置される。

このような固体電極コンデンサにおける問題点として、次のような条件で製造した際に、長期間の使用により、漏れ電流特性の劣化を起こす可能性があることが挙げられる。
（１）弁作用金属粉末の加圧方向が、陽極リード線の方向に対して垂直方向（以下、横押しと記す）である場合。
（２）陽極リード線が植設された面を構成する稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、陽極リード線に平行な稜の長さをＬとしたとき、Ｌ≦Ｗの関係が成り立つ場合。

この現象は、前記加圧成形において、成形体中に、弁作用金属粉末が密になる部分、疎になる部分が生じることによる。図６は、加圧成形において、弁作用金属粉末の粗密が形成される状態を示す概念図である。図６において、１ｄは陽極リード線、２ｄは陽極体、ハッチングを施した１０の部分は弁作用金属粉末が密になる領域、ハッチングを施した１１の部分は弁作用金属粉末が疎になる領域を示す。なお、上下に描いた矢印は加圧方向を示す。

一般に、金属やセラミックスなどの粉末は一定の流動性を有しているが、気体や液体のような流体において圧力が伝播する状態、つまりパスカルの原理が働く程には、十分な流動性を有しない。このため、加圧される面近傍、つまり図６の１０は、粉末が密になる部分であり、特に固体電解コンデンサの製造工程のように、粉末の中に他の部材を埋め込んだ状態で横押しを行うと、該部材における粉末の供給方向の反対側に、十分な量の粉末が供給されないこと、加圧した際に、該部材が圧力を減殺することなどから、図６において１１で示した、粉末が疎になる部分が形成されることが避けられない。

このように、焼結に供する粉末成形体の中に粉末充填率の差が生じることは、焼結過程における収縮率に差が生じることに繋がる。固定電解コンデンサにおいては、この現象により陽極体に応力が残留し、長期間使用する間に、酸化皮膜の部分的な破壊などを引き起こし、特性低下の原因となる可能性が大きい。

固体電解コンデンサの陽極リード線の取り付けに係る技術については、例えば、下記特許文献１が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、陽極リード線の一部を押し潰すことによって、陽極端子との抵抗溶接を確実にする技術であり、前記の問題点の対策は開示されていない。また、この他にも、陽極リード線の取り付け方法に関し、多数の特許文献が開示されているが、いずれも、前記問題点に対する有効な対策となっていないのが実状である。

また、弁作用金属粉末のみを焼結して得られる陽極体の表面に、陽極リード線溶接する、バット溶接と称される方法が用いられることがあるが、陽極体と陽極リード線の接合の信頼性が劣る。さらに、粉末の成形工程で、加圧を陽極リード線と平行な方向に行うことにより、前記の問題点は、相当の程度で改善が見込まれる。しかし、成形体の寸法や陽極リード線の外径を考慮すると、この方法は、装置の精度など点で困難を伴うものである。

特開２００３−１４２３３８号公報

従って、本発明の課題は、弁作用金属粉末の多孔質焼結体を、陽極体として用いる固体電解コンデンサにおいて、陽極体の密度のばらつきや、それによって生じる応力に起因し、長期間使用により引き起こされる特性低下を防止した、固体電解コンデンサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、前記課題解決のため、弁作用金属粉末を加圧成形する際の、陽極リード線の配置方法などを検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、弁作用金属粉末から構成され、形状がほぼ直方体の多孔質の焼結体からなる陽極体と、一端が外部に突出し、残りの部分が前記陽極体に埋設され、前記陽極体と同材質からなる陽極リード線を有する固体電解コンデンサにおいて、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁とするとき、Ｌ＞Ｗの関係、及びＬ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサである。

また、本発明は、弁作用金属の粉末に、該弁作用金属からなる陽極リード線の一部を埋設した状態で加圧成形して、ほぼ直方体の成形体を作製し、前記成形体を焼結する工程を有する、固体電解コンデンサの製造方法において、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁とするとき、Ｌ＞Ｗの関係、及びＬ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法である。

また、本発明は、弁作用金属粉末から構成され、形状がほぼ直方体の多孔質の焼結体からなる陽極体と、一端が外部に突出し、残りの部分が前記陽極体に埋設され、前記陽極体と同材質からなる陽極リード線を有する固体電解コンデンサにおいて、前記陽極体における、前記陽極リード線が突出した面に対向する面に凹部が形成され、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁、前記凹部の深さをＤとするとき、Ｌ＞Ｗの関係、Ｌ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係、及びＤ≦Ｌ−Ｌ₁の関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサである。

また、本発明は、弁作用金属の粉末に、該弁作用金属からなる陽極リード線の一部を埋設した状態で加圧成形して、前記陽極体リード線が突出した面と対向する面に、凹部を有する成形体を作製し、前記成形体を焼結する工程を有する、固体電解コンデンサの製造方法において、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁、前記凹部の深さをＤとするとき、Ｌ＞Ｗの関係、Ｌ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係、及びＤ≦Ｌ−Ｌ₁の関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法である。

本発明の固体電解コンデンサにおいては、陽極リード線が陽極体内部に埋設される部分の長さと、陽極体の陽極リード線方向の長さを、前記のように調整するか、陽極体における陽極リード線が突出する面に対向する面に、凹部を設けてあるので、陽極リード線の先端と、対向する面との距離が小さくなり、弁作用金属粉末の加圧成形の際に、図６に示したような粉末が疎になる部分が、実質的に生じない。

このため、焼結後の陽極体内部に密度のばらつきや、焼結による収縮率のばらつきに起因する応力の発生が極めて少なくなる。従って、本発明の固体電解コンデンサは、従来の固体電解コンデンサに比較して、長期間使用における信頼性向上が顕著である。

図１は、本発明の最良の実施の形態の、第１の例に係る、陽極リード線を取り付けた陽極体の一部透視斜視図である。図１において、１ａは陽極リード線、２ａは陽極体である。この例においては、陽極リード線１ａが陽極体２ａ内に埋設される部分の長さをＬ₁、陽極体２ａにおける、陽極リード線１ａと平行な稜の長さをＬ、陽極リード線と垂直な稜のうちの長い方の稜の長さをＷとするとき、Ｌ＞Ｗの関係、及びＬ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係が成り立つように、設計されている。

また、図２は、図１に示した陽極リード線付きの陽極体を用いた、固体電解コンデンサの完成品の断面図である。図２において、３ａは酸化皮膜、４ａは陰極層、６ａは陽極端子、７ａは陰極端子、８ａはモールド樹脂である。このような構成をとることで、陽極リード線１ａの先端近傍に、焼結収縮の大きい部分が実質的に形成されないので、内部応力が発生することがなく、固体電解コンデンサの長期間使用における信頼性が向上する。

図３は、本発明の最良の実施の形態の、第２の例に係る、陽極リード線を取り付けた陽極体の一部透視斜視図である。図３において、１ｂは陽極リード線、２ｂは陽極体、５は凹部である。この例においては、陽極リード線１ｂの先端部に対向する面に、深さがＤの凹部５が設けてあり、陽極体２ｂにおける、陽極リード線１ｂと平行な稜の長さをＬ、陽極リード線１ｂが陽極体２ｂ内に埋設される部分の長さをＬ₁とするとき、Ｄ≦Ｌ−Ｌ₁の関係が成り立つように、設計されている。

また、図４は、図３に示した陽極リード線付きの陽極体を用いた、固体電解コンデンサの完成品の断面図である。図４において、３ｂは酸化皮膜、４ｂは陰極層、６ｂは陽極端子、７ｂは陰極端子、８ｂはモールド樹脂である。このように凹部５を設けることで、陽極リード線１ｂの先端近傍に、焼結収縮の大きい部分が実質的に形成されない。なお、図３に示した例では、凹部５を陽極体２ｂの一面を横切る溝としたが、陽極リード線１ｂの延長部分付近に設けられた開口部の形状が円形や四辺形の有底孔としてもよいことは勿論である。

次に、具体的な実施例を挙げ、本発明の個体電解コンデンサについて、さらに詳しく説明する。

実施例１を、図１、図２を参照して説明する。弁作用金属粉末及び陽極リード線１ａとしてタンタルを用いた。陽極リード線１ａの陽極体２ａに埋設された部分の長さＬ₁を１．１ｍｍ、１．０ｍｍ、０．９ｍｍ、０．７ｍｍの４水準に設定し、Ｈ＝０．４ｍｍ、Ｗ＝０．７ｍｍ、L＝１．１ｍｍの大きさの直方体形状に加圧成形し、１３００℃で２０分間、真空焼結し、陽極リード線付き陽極体を得た。

これら４水準の陽極体における、Ｌ₁とＬの比は、Ｌ₁＝１．１ｍｍで１．００、Ｌ₁＝１．０ｍｍで０．９１、Ｌ₁＝０．９ｍｍで０．８２、Ｌ₁＝０．７ｍｍで０．６４となる。つまり、Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの条件を満たすのは、Ｌ₁＝１．１ｍｍとＬ₁＝１．０ｍｍの２水準である。

これらの陽極リード線付き陽極体に、リン酸溶液中で、印加電圧１５Ｖの条件で化成処理を施し、酸化皮膜３ａを形成した。さらに電解質として、二酸化マンガン層（図示せず）を形成した後、グラファイト層及び導電性樹脂層からなる陰極層４ａを形成した。

その後、陽極リード線１ａには、陽極端子６ａを、陰極層４ａには、陰極端子７ａをそれぞれ接合し、エポキシ樹脂からなるモールド樹脂８ａで封止して、チップ型のタンタル固体電解コンデンサを得た。これら４水準のタンタル固体電解コンデンサ、それぞれ５００個について、８５℃の環境下で９Ｖの電圧を、５００時間印加して、長期信頼性を評価した。表１は、これら４水準の固体電解コンデンサの、漏れ電流不良率をまとめて示したものである。

表１に示した結果から、Ｌ₁とＬの比が０．９以下では、漏れ電流不良率が急増することが分かる。つまり、陽極リード線が陽極体に埋設される部分の長さの増加に伴い、不良率が低減し、本発明の効果が明らかである。

次に、実施例２を、図３、図４を参照して説明する。弁作用金属粉末、陽極リード線としてタンタルを用いた。図３では凹部５の形状を矩形の溝として示しているが、ここでは、直径が０．２ｍｍの円形で、深さＤが０．１ｍｍの円筒形の凹部５を、弁作用金属粉末の成形体に設けた。また、陽極リード線１ｂが陽極体２ｂに埋設される部分の長さを、１．０ｍｍとした。

これ以降の工程は、実施例１と同様にして、チップ型のタンタル固体電解コンデンサを５００個作製し、実施例１の場合と同一条件で長期信頼性を評価した。その結果、不良率は０％であり、実施例１において、陽極リード線の埋設部分の長さを１．１ｍｍとした場合と、同等の長期信頼性を発現した。つまり、Ｌ₁とＬの比を０．９１とした場合でも、凹部５を設けることで、明らかに長期信頼性の向上が認められた。

以上に説明したように、本発明によれば、比較的簡便な方法で、固体電解コンデンサの長期信頼性を向上することが可能となる。また、実施例においては、陽極体にタンタルを用いた例を示したが、他の弁作用金属に適用した場合においても、同様の効果を奏することは勿論である。

本発明の第１の例に係る、陽極リード線を取り付けた陽極体の一部透視斜視図。 本発明の第１の例に係る、固体電解コンデンサの完成品の断面図。 本発明の第２の例に係る、陽極リード線を取り付けた陽極体の一部透視斜視図。 本発明の第２の例に係る、固体電解コンデンサの完成品の断面図。 従来の固体電解コンデンサの例を示す図。図５（ａ）はコンデンサ素子の断面図。図５（ｂ）はコンデンサ素子に端子を取り付け樹脂モールドを施した状態の斜視図。 加圧成形において弁作用金属粉末の粗密が形成される状態を示す概念図。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 陽極リード線
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 陽極体
３ａ，３ｂ，３ｃ 酸化皮膜
４ａ，４ｂ，４ｃ 陰極層
５ 凹部
６ａ，６ｂ，６ｃ 陽極端子
７ａ，７ｂ，７ｃ 陰極端子
８ａ，８ｂ，８ｃ モールド樹脂
１０ 弁作用金属粉末が密になる部分
１１ 弁作用金属粉末が疎になる部分

Claims (4)

1. 弁作用金属粉末から構成され、形状がほぼ直方体の多孔質の焼結体からなる陽極体と、一端が外部に突出し、残りの部分が前記陽極体に埋設され、前記陽極体と同材質からなる陽極リード線を有する固体電解コンデンサにおいて、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁とするとき、Ｌ＞Ｗの関係、及びＬ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 弁作用金属の粉末に、該弁作用金属からなる陽極リード線の一部を埋設した状態で加圧成形して、ほぼ直方体の成形体を作製し、前記成形体を焼結する工程を有する、固体電解コンデンサの製造方法において、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁とするとき、Ｌ＞Ｗの関係、及びＬ＞Ｌ₁＞≧０．９１×Ｌの関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。
3. 弁作用金属粉末から構成され、形状がほぼ直方体の多孔質の焼結体からなる陽極体と、一端が外部に突出し、残りの部分が前記陽極体に埋設され、前記陽極体と同材質からなる陽極リード線を有する固体電解コンデンサにおいて、前記陽極体における、前記陽極リード線が突出した面に対向する面に凹部が形成され、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁、前記凹部の深さをＤとするとき、Ｌ＞Ｗの関係、Ｌ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係、及びＤ≦Ｌ−Ｌ₁の関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサ。
4. 弁作用金属の粉末に、該弁作用金属からなる陽極リード線の一部を埋設した状態で加圧成形して、前記陽極体リード線が突出した面と対向する面に、凹部を有する成形体を作製し、前記成形体を焼結する工程を有する、固体電解コンデンサの製造方法において、前記陽極体を構成する稜であって、前記陽極リード線とほぼ垂直な稜のうちの、長い方の稜の長さをＷ、前記陽極リード線とほぼ平行な稜の長さをＬ、前記陽極リード線の前記陽極体に埋設された部分の長さをＬ₁、前記凹部の深さをＤとするとき、Ｌ＞Ｗの関係、Ｌ＞Ｌ₁ ≧０．９１×Ｌの関係、及びＤ≦Ｌ−Ｌ₁の関係が成り立つことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。

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