JP4440911B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解コンデンサに関する。
機能性高分子固体電解コンデンサは、電解コンデンサの中でも周波数特性が優れていることから、注目されている。最近では、数百μFの容量を持ち、100kHz周波数帯域でのESR(等価直列抵抗)が5mΩ以下であり、10MHz周波数帯域でのESL(等価直列インダクタンス)が1pH程度の表面実装型の固体電解コンデンサが開発されている。この固体電解コンデンサは、CPU(中央演算処理装置)に接続される電源ラインのデカップリング回路として適している。また、複数の固体電解コンデンサ素子が積層されて並列接続された高容量コンデンサも開発されている。
これらの固体電解コンデンサは、高速化および高周波化が進むパーソナルコンピュータ、サーバ等の電源ラインに最適な表面実装型コンデンサである。固体電解コンデンサの外装は、一般的には、エポキシ樹脂でモールドした構造を有している。しかしながら、エポキシ樹脂モールドの外装にはいくつかの欠点があった。
一般的に、エポキシ樹脂モールドの方法として、トランスファーモールドが用いられている。しかしながら、この方法においては、エポキシ樹脂を150℃以上に加熱し、かつ、数気圧以上の圧力でエポキシ樹脂が流し込まれる。それにより、コンデンサ素子に多大なストレスがかかる。その結果、漏れ電流の増加、ショート等が発生しやすくなる。また、高温のエポキシ樹脂がコンデンサ素子の電極箔の間に入り込む。その結果、コンデンサ素子中のポリマーが剥離することによる特性劣化が発生するおそれがある。
また、外装モールドに使用されるエポキシ樹脂には、充填密度を高めるためのフィラーが含有されている。それにより、分子レベルの空隙が無数に存在する。その結果、耐湿性に欠点が生じる。加えてエポキシ樹脂外装の場合、実装時の加熱によりパッケージクラックが発生する可能性がある。これを回避するためには、外形寸法に比例してある一定の厚さが必要となる。その結果、超薄型のパッケージを実現することができない。
そこで、トランスファーモールド以外の方法として、一液性エポキシ樹脂を含浸させた熱融着テープを重合素子に貼り付け、加熱により溶解したエポキシ樹脂でモールドする方法が提案された(例えば、特許文献1参照。)しかしながら、特許文献1の技術によって作製された固体電解コンデンサにおいては、外装モールド材料がエポキシ樹脂であることから、良好な耐湿性能を実現することが困難である。
特開2005−116713号公報
そこで、金属ケースでコンデンサ素子を覆うことが考えられる。この場合、固体電解コンデンサの耐湿性能を向上させることができる。しかしながら、用途によっては、耐湿性能の向上に加え、ESRを低減化する必要がある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、良好な耐湿性能を実現することができかつ低ESRを実現することができる固体電解コンデンサを提供することを目的とする。
本発明に係る固体電解コンデンサは、導電性を有する基板と、基板上に配置されたコンデンサ素子と、基板上に接続されコンデンサ素子を覆う金属キャップと、基板を貫通しコンデンサ素子の陽極に接続され芯材である第1の導電性部材と第1の導電性部材を被覆する第2の導電性部材とを含む複数の引出端子と、基板と引出端子との間に配置された絶縁部材とを備え、第1の導電性部材の導電率は第2の導電性部材の導電率よりも高く、第2の導電性部材の熱膨張係数は絶縁部材の熱膨張係数以下であり、基板とコンデンサ素子の陰極とは導通し、基板は陰極端子として機能する複数の凸部を備え、基板において複数の凸部の各々は複数の引出端子の各々の内側に該複数の引出端子の各々と隣接しながら対向して配置されていることを特徴とするものである。
本発明に係る固体電解コンデンサにおいては、引出端子の芯材として第2の導電性部材の導電率よりも高い導電率を有する第1の導電性部材が用いられていることから、引出端子全体の電気抵抗が小さくなる。それにより、本発明に係る固体電解コンデンサのESRを低減化することができる。さらに、第2の導電性部材が絶縁部材の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有することから、引出端子が設けられている箇所における密封性を維持することができる。それにより、本発明に係る固体電解コンデンサの耐湿性低下を抑制することができる。以上のことから、本発明に係る固体電解コンデンサは、低いESRと良好な耐湿性とを両立することができる。
第1の導電性部材と第2の導電性部材とは、接合されていてもよい。この場合、第1の導電性部材と第2の導電性部材との接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る固体電解コンデンサのESRを低減化することができる。また、第1の導電性部材と第2の導電性部材とは、冶金的に接合されていてもよい。この場合、第1の導電性部材と第2の導電性部材との接触抵抗をより低減させることができる。また、引出端子は、複数設けられていてもよい。
基板は、陰極端子として機能する凸部を備えていてもよい。この場合、固体電解コンデンサの実装時における位置ずれを、凸部によって防止することができる。また、基板は凸部を複数備え、複数の凸部間は凹形状であってもよい。この場合、陰極として必要な箇所以外には凸部が設けられていないことから、基板の軽量化を図ることができる。
引出端子は、コンデンサの陽極との接続箇所において面積が大きくなっていてもよい。この場合、引出端子とコンデンサの陽極との接触抵抗を低減させることができる。その結果、本発明に係る固体電解コンデンサのESRを低減させることができる。なお、第1の導電性部材は、銅または銅合金からなるものであってもよい。また、絶縁部材は、軟質ガラスまたは硬質ガラスからなるものであってもよい。また、第1の導電性部材は銅からなり、第2の導電性部材は鉄−ニッケル合金からなり、絶縁部材は軟質ガラスからなるものであってもよい。
基板と金属キャップとコンデンサ素子の陰極とは、導通していてもよい。この場合、金属キャップおよび基板が陰極として機能することから、本発明に係る固体電解コンデンサのESLを低減させることができる。また、金属キャップは、基板に溶接されていてもよい。
コンデンサ素子は、弁作用を有する金属からなる陽極箔の表面に、機能性高分子固体電解質層、カーボンペーストおよび陰極層が順に形成された単位素子を含んでいてもよい。また、コンデンサ素子は、単位素子が複数積層された構造を有し、複数の単位素子のうち最下段の単位素子の陰極層と基板とが導通していてもよい。
本発明によれば、良好な耐湿性能を実現することができかつ低ESRを実現することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る固体電解コンデンサ100を説明するための図である。図1(a)は固体電解コンデンサ100の上面図であり、図1(b)は固体電解コンデンサ100の断面図であり、図1(c)は固体電解コンデンサ100の底面図である。固体電解コンデンサ100は、表面実装型コンデンサである。
図1(b)に示すように、固体電解コンデンサ100は、ケース部10内にコンデンサ素子200が収容された構造を有する。ケース部10は、基板12上に金属キャップ11が配置された構造を有する。金属キャップ11は、基板12にプロジェクション溶接等の溶接によって封止されている。金属キャップ11は、銅、アルミニウム、SPC鋼板、コバルト鋼板、ステンレス等の金属から構成される。
基板12は、水分透過性の低い導電性材料から構成される。例えば、基板12として、銅、アルミニウム、SPC鋼板、コバルト鋼板、ステンレス等の金属基板、表面に金属メッキ層が形成されたセラミックス基板等を用いることができる。なお、基板12は、容易にハンダ付けが可能な材料から構成されていることが好ましい。例えば、基板12として、表面に無電解ニッケルメッキおよび電解金メッキが形成されたSPC鋼板を用いることができる。金属キャップ11の内側には、図示しない絶縁性層がコートされていてもよい。コンデンサ素子200と金属キャップ11との短絡を防止することができるからである。
本実施の形態に係る固体電解コンデンサ100は、密封性が高く外部環境からの遮断効果が大きい金属キャップ11および基板12によってコンデンサ素子200が密封されていることから、高い耐湿性能を実現する。したがって、固体電解コンデンサ100の特性劣化を抑制することができる。
また、図1(b)および図1(c)に示すように、基板12の両端部のそれぞれには、複数の貫通孔が形成されている。それぞれの貫通孔には、引出端子31が配置されている。引出端子31と貫通孔との隙間には、絶縁部材32が配置されている。それにより、引出端子31と基板12との短絡を防止することができる。
絶縁部材32は、硬質ガラス、軟質ガラス等のガラス、ゴム等の絶縁性材料から構成される。基板12としてSPC鋼板等の熱膨張係数が比較的大きい材料を用いた場合、絶縁部材32として軟質ガラスを用いることが好ましい。一方、基板12としてコバルト鋼板等の熱膨張係数が比較的小さい材料を用いた場合、絶縁部材32として硬質ガラスを用いることが好ましい。これらの場合、ケース部10の密封性を向上させることができる。なお、コストの観点からは、絶縁部材32として、軟質ガラスを用いることが好ましい。
図1(b)および図1(c)に示すように、引出端子31は、導電性を有する芯材31aと、導電性を有し芯材31aの長さ方向に芯材31aを被覆する被覆部材31bとを含む。芯材31aは、被覆部材31bの導電率よりも高い導電率を有する。また、被覆部材31bは、絶縁部材32の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する。引出端子31は、後述する陽極箔21の引き出し部に接続されている。したがって、引出端子31は、陽極端子として機能する。
ここで、絶縁部材32の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する材料を引出端子31として用いる場合、引出端子31が設けられている箇所における密封性が低下する。例えば、ガラスからなる絶縁部材32を溶融硬化させる場合に、熱膨張率差に起因して固体電解コンデンサ100の密封性が低下する。その結果、固体電解コンデンサ100の耐湿性が低下する。そこで、引出端子31として、絶縁部材32の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する材料を用いることが考えられる。しかしながら、一般的な導電性材料は低熱膨張率および高導電率を両立できないことから、引出端子31の電気抵抗が増加する。その結果、固体電解コンデンサ100のESRが増加する。
しかしながら、本実施の形態に係る構成によれば、芯材31aとして被覆部材31bの導電率よりも高い導電率を有する材料を用いることから、引出端子31全体の電気抵抗を小さくすることができる。それにより、固体電解コンデンサ100のESRを低減化することができる。さらに、被覆部材31bが絶縁部材32の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有することから、引出端子31が設けられている箇所における密封性を維持することができる。それにより、固体電解コンデンサ100の耐湿性低下を抑制することができる。以上のことから、本実施の形態に係る固体電解コンデンサ100は、ESRの低減化と良好な耐湿性とを両立することができる。
表1に、芯材31aとして用いることができる材料、被覆部材31bとして用いることができる材料、および絶縁部材32として用いることができる材料の組合せの例を示す。表1に示す材料の組合せによれば、100kHzの周波数帯域におけるESRを低減化することができる。また、表2に、芯材31aとして用いることができる他の材料の例を示す。ただし、金および銀の価格は比較的高いため、芯材31aとしては、純銅、銅合金またはアルミニウムを用いることが好ましい。
Figure 0004440911
Figure 0004440911
被覆部材31bとしてコバールを用いかつ絶縁部材32として硬質ガラスを用いた場合、被覆部材31bと絶縁部材32との密着性が高くなる。コバールと硬質ガラスとの接着性が良好であるからである。なお、芯材31aと被覆部材31bとは、接合されていることが好ましい。例えば、芯材31aと被覆部材31bとは、冷間接合法、拡散接合法等によって接合されていることが好ましい。芯材31aと被覆部材31bとの間の接触抵抗が低減されるからである。
また、芯材31aと被覆部材31bとは、冶金的に接合されていることがより好ましい。例えば、芯材31aを構成する材料および被覆部材31bを構成する材料を溶解し、各材料を引き出して熱間接合することによって、芯材31aと被覆部材31bとを冶金的に接合することができる。この場合、芯材31aと被覆部材31bとの間の接触抵抗をより低減させることができる。また、引出端子31は、容易にハンダ付け可能であることが好ましい。したがって、例えば引出端子31は、表面に無電解ニッケルメッキおよび電解金メッキが形成されていることが好ましい。
基板12は、下面において複数の凸部12aを備える。各凸部12aは、後述するように、陰極端子として機能する。したがって、基板12下に、配線パターンを設けることができる。なお、凸部12aが複数設けてあることから、固体電解コンデンサ100の実装時における位置ずれを防止することができる。したがって、固体電解コンデンサ100の実装性が向上する。また、基板12の下面全体を陰極端子として用いないことから、必要な箇所にだけ凸部12aが設けてあればよい。したがって、基板12の軽量化を図ることができる。
また、基板12は、コンデンサ素子200側に凸部12bを備えている。凸部12bは、コンデンサ素子200を搭載するための平面状の領域である。このように、コンデンサ素子200を搭載する領域が平面状であることから、導電性接着剤を用いて基板12にコンデンサ素子200を接着することができる。
続いて、図2を参照しつつ、コンデンサ素子200の詳細について説明する。図2(a)は、コンデンサ素子200の上面図である。図2(b)は、図2(a)のA−A線断面図である。図2(c)は、図2(a)のB−B線断面図である。図2(b)および図2(c)に示すように、コンデンサ素子200は、単位素子20が複数積層された複層素子構造を有する。本実施の形態に係るコンデンサ素子200は、基板12上に導電性接着剤25を介して単位素子20が2つ積層された構造を有する。なお、単位素子20の積層数を調整することにより、任意の容量に設定することができる。
導電性接着剤25は、銀等の導電性材料から構成される。単位素子20は、陽極箔21全体の表面に、固体電解質層22、カーボンペースト層23および引き出し陰極層24が順に形成された構造を有する。陽極箔21は、表面に誘電体酸化皮膜が形成された弁金属からなる。陽極箔21に用いられる弁金属としては、アルミニウム等の金属があげられる。誘電体酸化皮膜は、弁金属の表面にエッチング処理および化成酸化処理を施すことによって形成することができる。
陽極箔21は、誘電体酸化皮膜が形成された弁金属を所定の形状に抜き取ることによって形成することができる。この抜き取りの際、陽極箔21の端面において弁金属が露出し、誘電体酸化皮膜の欠損が発生する。したがって、露出した弁金属上に酸化皮膜を新たに形成する必要がある。例えば、抜き取り後に化成処理および熱処理を数回施すことによって、弁金属の露出部に誘電体酸化皮膜を新たに形成することができる。この化成処理は、例えば、アジピン酸アンモニウム濃度0.5wt%〜2wt%を主体とした化成液を用いて誘電体酸化皮膜の化成電圧値に近似した電圧で行われる。また、熱処理は、例えば、200℃〜400℃の温度範囲で行われる。
機能性高分子固体電解質層22は、陽極箔21の表面に形成されている。機能性高分子固体電解質は、PEDT(3,4−ポリエチレンジオキシチエフェン)等からなる。この機能性高分子固体電解質は、陽極箔に重合性モノマーおよび酸化剤を適量含浸させ、重合させることによって形成することができる。ここで、固体電解質の形成方法について説明する。
まず、陽極箔21に、固体電解質となるモノマーおよび酸化剤の混合液を含浸させる。ここで用いるモノマーは、揮発性溶媒との混合溶剤である。この混合溶剤におけるモノマー濃度は、例えば1wt%〜50wt%の範囲内であり、10wt%〜35wt%であることが好ましい。また、酸化剤は、例えば40wt%〜60wt%程度のアルコール系溶剤である。本実施の形態においては60wt%濃度の酸化剤を使用している。次に、陽極箔に含浸させた混合液を加熱重合法により、固体電解質層22を形成させる。
なお、図2(a)および図2(b)に示すように、固体電解質層22が露出する部分には、絶縁層26が形成されている。それにより、固体電解質層22から固体電解質が染み上がることが防止される。絶縁層26は、例えば、シリコン樹脂やエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁性を備えた合成樹脂からなる。
引き出し陰極層24は、銀ペースト等から構成される。本実施の形態においては、下側の単位素子20の引き出し陰極層24と基板12とが導電性接着剤25を介して電気的に接続されている。この場合、基板12および金属キャップ11は、陰極としても機能する。それにより、ケース部10全体が陰極として機能する。その結果、固体電解コンデンサ100のESLを低減させることができる。
各陽極箔21は、両端部に陽極体リード部21aを備える。各単位素子20の陽極体リード部21aは、帯状金属板27を介して溶接等によって接続されている。最下段の帯状金属板27は、引出端子31とレーザ溶接等によって接続されている。
次に、引出端子31の配置箇所および形状について説明する。図3は、基板12の上面図である。図3に示すように、基板12の両端部のそれぞれにおいて、引出端子31が複数設けられている。引出端子31は、コンデンサ素子200側に接触部31cを備える。接触部31cは、引出端子31の本体部に比較して大きい断面積を有している。それにより、陽極体リード部21aと引出端子31との接触抵抗を低減させることができる。その結果、ESR低減化を図ることができる。また、引出端子31と帯状金属板27とを、導電性接着剤で接着させることができる。
各接触部31cが形成する領域は、図3に示すように、帯状金属板27と略同等の領域であることが好ましい。引出端子31と帯状金属板27との接触面積を最大にすることができるからである。この場合、引出端子31と帯状金属板27との接触抵抗を低減させることができる。なお、接触部31cは、引出端子31のコンデンサ素子200側の端部を押しつぶすことによって形成することができる。
本実施の形態においては、芯材31aが第1の導電性材料に相当し、被覆部材31bが第2の導電性材料に相当する。
以下、上記実施の形態に係る固体電解コンデンサを作製し、その特性を調べた。
(実施例)
実施例においては、図1の固体電解コンデンサ100を作製した。導電性接着剤25としては、接着銀ペーストを用いた。基板12としては、無電解ニッケルメッキおよび電解金メッキが表面に形成されたSPC鋼板を用いた。絶縁部材32としては、ソーダバリウム系の組成を有しかつ熱膨張係数が95×10−7(1/K)の軟質ガラスを用いた。
被覆部材31bとしては、熱膨張係数が95×10−7(1/K)で電気抵抗が50×10−8Ωmの鉄−ニッケル合金(鉄が50wt%でありニッケルが50wt%)を用いた。芯材31aとしては、電気抵抗が1.67×10−8Ωmの純銅を用いた。引出端子31は、溶解された銅と溶解された鉄−ニッケル合金を引き出して熱間接合することによって作製した。被覆部材31bの表面には、無電解ニッケルメッキおよび電解金メッキを形成した。芯材31aの径は、0.39mmとした。また、引出端子31全体の径は、1mmとした。
金属キャップ11としては、表面に電解ニッケルメッキが形成された金属を用いた。金属キャップ11を基板12にプロジェクション溶接法によって溶接して、固体電解コンデンサ100を密封した。本実施例に係るコンデンサ素子200においては、単位素子20が4つ積層されている。なお、実施例に係る固体電解コンデンサの容量は、2.5V1000μFである。
(比較例)
比較例においては、引出端子として上記の鉄−ニッケル合金を用いた。比較例においては、引出端子に他の材料からなる芯材は設けられていない。その他の構成は、実施例と同様である。なお、比較例に係る固体電解コンデンサの容量は、2.5V1000μFである。
(分析)
実施例および比較例に係る固体電解コンデンサの静電容量、tanδ、漏れ電流およびESRの値を表1に示す。実施例および比較例の固体電解コンデンサはそれぞれ30個ずつ作製されており、表3の各値はそれらの平均値を示している。
Figure 0004440911
表3に示すように、実施例に係る固体電解コンデンサにおいては、比較例に係る固体電解コンデンサに比較して、ESRが大幅に低減されている。これは、引出端子に導電性の高い芯材を設けることによって引出端子の電気抵抗が低くなったからであると考えられる。なお、実施例に係る固体電解コンデンサにおいては、比較例に係る固体電解コンデンサと同様に、静電容量値が高く、tanδが低く、漏れ電流が小さくなっている。
本発明の第1の実施の形態に係る固体電解コンデンサを説明するための図である。 コンデンサ素子の詳細を説明するための図である。 基板の上面図である。
符号の説明
10 ケース部
11 金属キャップ
12 基板
12a,12b 凸部
20 単位素子
21 陽極箔
22 機能性高分子固体電解質層
23 カーボンペースト層
24 引き出し陰極層
25 導電性接着剤
26 絶縁層
27 帯状金属板
31 引出端子
31a 芯材
31b 被覆部材
31c 接触部
32 絶縁部材
100 固体電解コンデンサ
200 コンデンサ素子

Claims (11)

  1. 導電性を有する基板と、
    前記基板上に配置されたコンデンサ素子と、
    前記基板上に接続され、前記コンデンサ素子を覆う金属キャップと、
    前記基板を貫通し、前記コンデンサ素子の陽極に接続され、芯材である第1の導電性部材と前記第1の導電性部材を被覆する第2の導電性部材とを含む複数の引出端子と、
    前記基板と前記引出端子との間に配置された絶縁部材とを備え、
    前記第1の導電性部材の導電率は、前記第2の導電性部材の導電率よりも高く、
    前記第2の導電性部材の熱膨張係数は、前記絶縁部材の熱膨張係数以下であり、
    前記基板と前記コンデンサ素子の陰極とは、導通し、
    前記基板は、陰極端子として機能する複数の凸部を備え、
    前記基板において、前記複数の凸部の各々は前記複数の引出端子の各々の内側に該複数の引出端子の各々と隣接しながら対向して配置されていることを特徴とする固体電解コンデンサ。
  2. 前記第1の導電性部材と前記第2の導電性部材とは、接合されていることを特徴とする請求項1記載の固体電解コンデンサ。
  3. 前記第1の導電性部材と前記第2の導電性部材とは、冶金的に接合されていることを特徴とする請求項2記載の固体電解コンデンサ。
  4. 前記基板は、前記凸部を複数備え、
    前記複数の凸部間は、凹形状であることを特徴とする請求項1記載の固体電解コンデンサ。
  5. 前記引出端子は、前記コンデンサの陽極との接続箇所において面積が大きくなっていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  6. 前記第1の導電性部材は、銅または銅合金からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  7. 前記絶縁部材は、軟質ガラスまたは硬質ガラスからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  8. 前記第1の導電性部材は、銅からなり、
    前記第2の導電性部材は、鉄−ニッケル合金からなり、
    前記絶縁部材は、軟質ガラスからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  9. 前記金属キャップは、前記基板に溶接されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  10. 前記コンデンサ素子は、弁作用を有する金属からなる陽極箔の表面に、機能性高分子固体電解質層、カーボンペーストおよび陰極層が順に形成された単位素子を含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。
  11. 前記コンデンサ素子は、前記単位素子が複数積層された構造を有し、
    前記複数の単位素子のうち、最下段の単位素子の陰極層と前記基板とが導通していることを特徴とする請求項10記載の固体電解コンデンサ。
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