JP4688675B2 - 積層型固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、積層型固体電解コンデンサに関し、特に複数枚の単板コンデンサ素子を陽極部が陰極部を中心として対向するように積層した多端子型積層コンデンサに関するものである。

固体電解コンデンサとしては、アルミニウム、タンタルなどの弁作用金属を陽極とし、その上に形成した酸化皮膜層を誘電体とし、さらに、その上に固体電解質層を形成して陰極を構成したものが多く使われている。この固体電解質としては二酸化マンガンの他、ＴＣＮＱ錯体、導電性高分子などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

近年、電子機器の小型・高周波化が進み、コンデンサに対しても高周波領域での低インピーダンス化が要求されるようになり、高導電率の導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが商品化されている。この固体電解コンデンサは、固体電解質に高導電率の導電性高分子を用いているため、二酸化マンガンを用いた固体電解コンデンサに比べて低ＥＳＲ化を実現する事ができることからさまざまな改良がなされている（例えば、特許文献２参照）。

また、コンピュータのＣＰＵの低電圧化と高速化に伴い、コンデンサに流れる電流が飛躍的に大きくなっているため、コンデンサのＥＳＲ・ＥＳＬが高いとその発熱量が大きく、コンデンサの故障の原因となる。従って各コンデンサは低ＥＳＲ・ＥＳＬである事が必須の条件となりつつある。

この低ＥＳＲ化を実現するための一つの方法として、コンデンサ素子を積層構造とし、その積層枚数を増やす手法がある。
積層型固体電解コンデンサの積層構造としては、陽極部と、固体電解質層からなる陰極部を備えた単板コンデンサ素子を、その陽極部は陽極部同士、陰極部は陰極部同士が互いに重なり合うように複数枚積層し、各電極にそれぞれ電位取り出し用リードフレーム（端子板）を接続した構成のものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
また、本件出願人は、単板コンデンサ素子を陽極部が陰極部を中心に対向するように交互に積層し、陽極部及び陰極部を複数に分岐して引き出すことで磁界を打ち消し、さらにＥＳＬを下げる構造（以下多端子構造と称する）を提案した（特許文献４参照）。
特許第２９６９６９２号公報 特開２００３−４５７５３号公報 特開２０００−６８１５８号公報 特願２００５−３０８８４６

本発明は、前記多端子型積層コンデンサの磁界の打ち消し合いの効果を更に向上させ、ＥＳＬの低減効果をより一層高めたものである。

本発明の積層型固体電解コンデンサは、表面に酸化皮膜層を有する平板上の弁作用金属板の一方側に陽極部を他方側に陰極部を形成した単板コンデンサ素子を、陽極部が陰極部を中心に対向するように複数枚積層し、各電極部に端子部材を接続した多端子積層型固体電解コンデンサにおいて、
対向側にある陽極端子部材同士を導電性部材で前記陰極部を跨いで電気的に接続し、
前記導電性部材を、陰極端子部材の１側部または両側部に配置したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサである。

また、上記陰極端子部材を空隙を設けて２分割し、前記導電性部材を陰極端子部材間の空隙部に配置したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサである。

また、上記導電性部材を、銀、アルミニウム、金、ニオブ、タンタル、銅、導電性高分子のうちの少なくとも１種を含む材料で構成したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサである。

本明細書において端子部材は、コンデンサの陽極、陰極などを外部回路に接続するための入出力部分を総括した表示であって、金属などの導電性板状部材（リードフレーム）の外、ピン状の導電部や導電膜・導電層を備えた絶縁性部材を含む。
通常これら端子部材は、積層コンデンサ本体と一体的にモールドされ完成品に組み込まれる。

本発明によって提供される積層型固体電解コンデンサは、陰極を挟んで両側にある複数の陽極端子部材を陰極部を跨いで直接連結する構造としたので、複数の陽極部同士が最短距離で電気的に短絡接続されることになり、磁界の打ち消し合いがより効果的に達成でき、一層の低ＥＳＬ化が実現できる。

図１、図２は、本発明の積層型固体電解コンデンサにおいて、積層される単板コンデンサ素子の基本構成を説明するための図で、図１は１個の単板コンデンサ素子Ｃの上面図、図２はその詳細構成を示す断面図である。
図２において、１はアルミニウム・タンタルなどの弁作用金属からなる陽極素子、２はその弁金属上の酸化皮膜層であり、誘電体を構成する層である。３はこの酸化皮膜層の表面に形成された陰極部を構成する固体電解質層で、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）などの導電性高分子を含む電解質を化学重合もしくは電解重合によって形成した層である。４および５は陰極引出層で、４はカーボン層、５は銀層である。

６は弁作用金属板の陽極部を構成する部分で、この陽極部６と固体電解質層３との間は、絶縁性這い上がり防止剤７によって完全に絶縁隔離され、１個の単板コンデンサ素子Ｃを構成する。

次に、アルミニウム薄板を弁金属とした場合の単板コンデンサ素子の作製方法の例を以下に示す。
表面を電気化学的に粗面化した厚さ０．１ｍｍの長尺のアルミニウム箔を、アジピン酸アンモニウム水溶液中で１０Ｖの電圧を印加して約６０分間陽極酸化を行い、表面に酸化皮膜層を形成する。このようにして酸化皮膜層が形成されたアルミニウム箔を図１に示すように、幅（ｗ）１０ｍｍ、長さ（ｌ）１５ｍｍの寸法に裁断した後、図２に示すように、適切な位置に絶縁性樹脂などの這い上がり防止剤７を周方向に巻きつけるように塗布して、左右の領域（陽極部と陰極部）を区分する。
続いて、前記裁断によって弁金属が露出した端面部を、再度アジピン酸アンモニウム水溶液中で７Ｖの電圧を印加して約３０分間陽極酸化処理を行い、裁断面にも酸化皮膜層を形成する。その後、マスキング部分７より右側部分（図２のＲ部分）に、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を順次形成して陰極部を構成する。

次に、この単板コンデンサ素子を積層して構成した積層型固体電解コンデンサの作製方法を示す。
図３、図４は、前記の方法で作製された４枚の単板コンデンサ素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を積層した本発明の実施例の平面図および側面図で、陽極部６、６’が陰極部５を中心に両側に対向するように交互に積層され、陰極部５同士は導電性接着剤により接続される。図中の符号は図２のものと同じ部材を示す。

図５は、図３の積層構造体を端子部材となるリードフレームに溶接した状態を示すもので、両側の陽極部６、６’同士と陽極リードフレーム９、９’とを抵抗溶接等の方法で各々接続し、中央の陰極部５同士と陰極リードフレーム１０とを導電性接着剤を介して接合する。以下の図の例においては、端子部材をリードフレームと表示する。
続いて、陽極、陰極各リードフレームの外部回路との接続面だけを除いて積層体全体を樹脂でモールドして完成品とする。なお、陽極、陰極各リードフレームには銅系合金が使用されている。

次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図６、図７、図８、図９は実施例１を示し、両側の陽極リードフレーム９、９’をこのフレームと同じ材質の橋渡し部材１１（例えば銅系合金）で橋渡しして接続した例で、積層した単板コンデンサ素子の両側の陽極部６、６’同士と陽極リードフレーム９、９’とを抵抗溶接により各々接続し、陰極部５同士と陰極リードフレーム１０とを導電性接着剤により接続し、積層コンデンサ素子をフレームにマウントした図である。但し、外装樹脂は説明のため、図示していない。

なお陽極リードフレームは、陽極部６、６’同士を最短の距離で接続するために、陰極フレームを２分割１０、１０’し、その間の空隙部ｇに前記橋渡し部１１を配置したＨ形リードフレームを使用した。図８は図７を線Ａで切断した断面図で、陽極リードフレームの断面は両端が厚く、橋渡し部１１が薄くなっている。また、図９は図７を線Ｂで切断した断面図である。
なお、陽極リードフレームの橋渡し部１１がコンデンサ素子の陰極部５の表面に接してショートしないように、予め絶縁性樹脂などのマスキング部材１２をこの橋渡し部１１の幅より広く陰極部上面に塗布するか、橋渡し部１１に巻き付けるように塗布しておく。
また、８は、陰極部と陰極リードフレーム１０とを電気的に接合する導電性接着剤である。

また、図１０は上記のように構成した実施例のリードフレーム側から見た斜視図で、符号は同じ部材を示す。なお、この図では両側の陽極部６、６’は積層しただけの状態を示したが、正確には、各陽極板は図１３に示すように、リードフレーム９、９’に寄せるようにかしめ付けて、抵抗溶接により完全に導電接合する。

（実施例２）
図１１は、実施例１と同じ構成の積層型固体電解コンデンサにおいて、両側の陽極リードフレーム（銅系合金製）間をこれとは異なる部材であるアルミニウム板１１’によって橋渡しして電気的に接続した実施例のフレーム部分の構成を示す下面図で、他の構成部分は実施例１と同様である。即ち、図１２は図７に、図１３は図８に、図１４は図９にそれぞれ対応する図である。
なお、アルミニウム板１１’と各陽極リードフレーム９、９’とは、抵抗溶接等の方法で電気的に完全に導通接合するとともに、このアルミニウム板と陰極部５とのショートを防ぐためにマスキング材１２でこの間を絶縁する。

（変形例）
図２２は、両側の陽極リードフレーム９、９’間の橋渡し部１１を陰極リードフレーム部の１側部即ち片側に配置した例である。この場合も橋渡し部とその裏側の陰極面との間に絶縁用マスキング部材１２が塗布される。

（従来例）
図１５、１６、１７は、この種の積層型固体電解コンデンサの従来例を示す図で、単板コンデンサ素子を形成するまでは実施例と同じ方法で作製し、これを積層する際、陽極部は陽極同士、陰極部は陰極部同士を同じ方向に積層することで、陰極・陽極の２端子とした積層型固体電解コンデンサである。
図１５は、そのフレーム部の構成を示す下面図、図１６は積層体の上面図、図１７は図１６の線Ａで切断した断面図である。図の符号は実施例の同じ部材にそれぞれ対応する。

（比較例）
図１８、１９、２０、２１は、図１、２の単板コンデンサ素子を積層する場合、陰極部を中心として各陽極部が左右互い違いになるように積層し、両側に突き出た各層の陽極部６、６’を最下面に設けたそれぞれの陽極リードフレーム９、９’に接合し、陰極部５は最下面の陰極リードフレーム１０に接続した３端子型の積層コンデンサの例であり、本発明の実施例との電気特性の比較のために、両側の陽極リードフレーム同士を電気的に接続していない状態で、素子材料・フレーム金属その他の製造条件を実施例１と同じ条件で作製した。
図２０は図１９を線Ａで切断した断面図で、図２１は図１９を線Ｂで切断した断面図である。また、実施例と同じ部材には同じ符号を付した。

表１は、上記実施例１、２と従来例、比較例の電気特性の比較表で、それぞれの例について、ＥＳＲ（ｍΩ）、ＥＳＬ（ｐＨ）を実測した結果を示す。なお、ＥＳＲは１００ｋＨｚ、ＥＳＬは１００ＭＨｚで測定した。

尚、実施例、従来例、比較例の図面では、外装樹脂モールド部分は図示しなかったが、上記電気特性データは全て通常の方法でモールドした完成品について実測した結果である。

表1から明らかなように、上記実施例１、２の積層型固体電解コンデンサは、従来例、比較例の積層型固体電解コンデンサと較べて、ＥＳＬ値が大きく低減した。即ち、本発明により、同じ積層枚数でより低いＥＳＬを有する積層型固体電解コンデンサが得られることが判る。

このようにＥＳＬを低減できたのは、両側の陽極リードフレーム部を陰極部を跨いで最短距離で電気的に接続したことによる磁界の打ち消し合いの効果によると考えられる。

なお、上記実施例では、弁作用金属としてアルミニウムを用いたが、タンタルやニオブ箔またはこれら金属粉末の焼結体を用いても同じ効果が得られる。

また、橋渡しする導電性部材は、陽極リードフレームと同じ材料を使用し、図１０のように一体に形成するのが望ましいが、陽極材の銅、アルミニウム以外の銀、金、ニオブ、タンタル、導電性高分子等の導電性材料なども有効に利用できる。

さらに、実施例では陰極リードフレーム１０、１０’を２分割し、その間に空隙部ｇを設け、ここに陽極リードフレームの連結部を配置するようにしたので、陰極・陽極リードフレームの下面が同一の高さとなり、積層型固体電解コンデンサをマザーボードやＩＣ基盤に実装する場合に好都合である。

しかし陰極、陽極リードフレームの下面を同一高さに揃えなくてもよい場合は、陽極間橋渡し部材を陰極リードフレームの表面に沿ってその下に配置してもよい。

また、陰極フレーム間にも橋渡し部を設け、陽極フレームの橋渡し部と交差するようにしてもよい。
何れの場合であっても、陽極リードフレームの橋渡し部は、陰極フレームの中央であっても一方側に寄せても略同様の効果が得られる。また、陽極フレームの橋渡し部を２本とし、その間に陰極リードフレームを設置してもよい。

尚、当然のことながら陽極橋渡し部材は、陰極面または陰極フレーム面との絶縁を保持した状態で連結することが必要である。

さらに、陽極、陰極部に接合される端子部材は、リードフレームに代えて、外部回路と接続される貫通孔（導通端子孔）や導電層を設けた絶縁基板を用いてもよい。

また、実施例では、固体電解質として導電性高分子を用いたが、二酸化マンガンを用いても同じ効果が得られる。

実施例では、４枚積層の例について説明したが、積層枚数を増加しても同じ効果が得られる。また、実施例では３端子としたが、端子数を増やしても同じ効果が得られる。

また、実施例では、電極リードフレームを積層体の下側に置いた例について説明したが、コンデンサを実装する部分によっては積層体の上面にリードフレームや導電性連結部材を配置してもよい。

本発明に使用するコンデンサ素子単板の上面図 図１のコンデンサ素子単板の拡大断面図 積層型固体電解コンデンサの上面図 図３の側面図 図３の素子をフレームに接続した側面図 実施例１のコンデンサの電極リードフレームの構成を示す下面図 実施例１の積層型コンデンサの上面図 図７を線Ａで切断した断面図 図７を線Ｂで切断した断面図 実施例１の積層コンデンサを下方から見た斜視図 実施例２のコンデンサの電極リードフレームの構成を示す下面図 実施例２の積層型コンデンサの上面図 図１２を線Ａで切断した断面図 図１２を線Ｂで切断した断面図 従来例のコンデンサの電極リードフレームの構成を示す下面図 従来例の２端子型コンデンサの上面図 図１６を線Ａで切断した断面図 比較例の積層コンデンサの電極リードフレームの構成を示す下面図 比較例の３端子型積層コンデンサの上面図 図１９を線Ａで切断した断面図 図１９を線Ｂで切断した断面図 橋渡し部材を陰極リードフレームの片側に寄せて配置した場合の下面図

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２、
Ｃ３、Ｃ４、 単板コンデンサ素子
１ 弁作用金属薄板
２ 酸化皮膜層
３ 固体電解質層
４ カーボン層
５ 銀層
６ 弁作用金属面（陽極面）
７ 這い上がり防止剤（絶縁材）
８ 導電性接着剤
９ 陽極リードフレーム
１０ 陰極リードフレーム
１１ 橋渡し用導電性部材
１２ マスキング層（絶縁層）

Claims (3)

1. 表面に酸化皮膜層を有する平板上の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層、陰極引出層からなる陰極部を形成した単板コンデンサ素子を、その陽極部が陰極部を中心に対向するように複数枚積層し、各電極部を端子部材に接続してなる多端子積層型固体電解コンデンサにおいて、
   対向側にある陽極端子部材同士を導電性部材で前記陰極部を跨いで電気的に接続し、
   前記導電性部材を、陰極端子部材の１側部または両側部に配置したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
2. 前記陰極端子部材を空隙を設けて２分割し、前記導電性部材を前記陰極端子部材間の空隙部に配置したことを特徴とする請求項１に記載の積層型固体電解コンデンサ。
3. 前記導電性部材を、銀、アルミニウム、金、ニオブ、タンタル、銅、及び導電性高分子のうちの少なくとも１種を含む材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の積層型固体電解コンデンサ。

Images