JP4688676B2 - 積層型固体電解コンデンサおよびコンデンサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、新規な構成の固体電解コンデンサに関する。

従来、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、その陽極上に形成した酸化皮膜層を誘電体とし、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。固体電解質としては二酸化マンガン、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ＥＳＲ、ＥＳＬ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、二酸化マンガンを用いた固体電解コンデンサに比べてＥＳＲが低いという特徴があるため、広く利用されており、また、さまざまな改良がなされている（例えば、特許文献２参照）。

この低ＥＳＲ化を図るためには、平板状のコンデンサ素子を積層構造とし、その積層枚数を増やす方法が有効であるが（例えば特許文献２参照）、ＥＳＲの改善効果は見込めても、低ＥＳＬ化への寄与が十分ではない。

一般に、上記の積層型固体電解コンデンサは、弁作用金属箔表面をエッチングし、多孔質体を形成した後、その表面に誘電体となる酸化皮膜層を形成した陽極素子と、酸化皮膜層上に形成された固体電解質層、カーボン層、銀層からなる陰極部とで構成された単板コンデンサ素子を、導電性接着剤を介して複数枚積層して構成されるため、低背化・低ＥＳＲ化が期待できるものである。

また、本件出願人は、積層型固体電解コンデンサの積層構造として、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交互に積層する新規な構成のコンデンサを開発し、陽極部および陰極部を複数に分岐して引き出すことによって磁界の打ち消し合い効果をもたらし、ＥＳＬを下げる構造（以下多端子構造）を提案した（特許文献３参照）。
特許第２９６９６９２号公報 特開２００３−４５７５３号公報 特願２００５−３０８８４６

本発明は、上記開発成果を更に発展させ、高周波領域でのＥＳＲ・ＥＳＬ特性の更なる向上を図ったもので、特に高周波特性においてより優れた積層型固体電解コンデンサを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、表面に誘電体となる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複数枚積層した固体電解コンデンサにおいて、前記単板コンデンサ素子の横寸法（ｗ）（陽極部と陰極部が形成される方向に沿った長さ）をその縦寸法（ｌ）より長く選定し、このように選定した単板コンデンサ素子を陰極部を中心として陽極部が互い違いに対向するように積層し、中央の陰極部を陰極端子部材に接合するとともに、陰極部の両側に配置された各陽極部を、両側に各別に設けた陽極端子部材にそれぞれ接合し、両側の陽極端子部材同士を陰極端子部材の側方域に配置した連結部材を介して電気的に導通接続することによって、その電気特性を改善した積層型固体電解コンデンサである。

さらに、本発明は、陽極端子部材と陰極端子部材との間に、セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）を複数個接続・実装することによって高周波領域における電気特性を更に改善したコンデンサモジュールを提供する。

以上の手段により、多端子積層型固体電解コンデンサの低ＥＳＲ化、低ＥＳＬ化を図ることができる。

本発明の多端子積層型固体電解コンデンサでは、単板コンデンサ素子の形状を、縦寸法が短い横長（ｗ＞ｌ）に選定したため、電流の流れる経路（断面積）が実質的に広くなり、低ＥＳＲ化を図ることができる。

このように、単板コンデンサ素子の縦と横の寸法比を従来と逆の発想としたことにより、陽極を互い違いに対向させて積層するという新しい着想の構造による効果がより有効に助長される。即ち、対向配置された複数の陽極部間同士の距離が短くなり、磁界の発生をさらに抑制できるため、顕著なＥＳＬ低減効果が達成できる。

さらに、高周波特性に優れたＭＬＣＣを組み合わせ、モジュール化したことにより、高周波特性も有効に改善したコンデンサモジュールが提供できる。

図１、図２、図３は、本発明の積層型固体電解コンデンサの積層される前の単板コンデンサ素子の基本構成を説明する図で、図１は１個の単板コンデンサ素子Ｃの平面図、図２はその外観斜視図、図３はその詳細構成を示す断面図である。
図３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はその弁金属の酸化皮膜層で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は陰極引出し層で、４はカーボン層、５は銀層である。
６は弁金属板の陽極部を構成する層で、この陽極部６と陰極部３・４・５（これら全体をＲで示す）との間は、絶縁性マスキング部材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。

本発明では、図１、２に示すように、単板コンデンサ素子Ｃにおいて、陽極部６、マスキング層７、カーボン層４、銀層５が順次形成される方向の長さを縦寸法（ｌ）とし、これと直角方向の長さを横寸法（w）としたとき、図１、２の例は、（ｗ）＝１５ｍｍ、（ｌ）＝１０ｍｍとした例である。

次に、本発明の実施例、参考例、および比較例について説明する。
（参考例）
以下に、アルミニウム薄板を弁金属とした場合の実施例に適用する積層型固体電解コンデンサの作製方法の例を示す。
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、表面に誘電体となる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、幅（ｗ）１５ｍｍ、長さ（ｌ）１０ｍｍの寸法に裁断し、図３に示すように、適切な位置に絶縁性樹脂などのマスキング部材７を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。
その後、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３のＲ部分）に、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を順次設けて陰極部を形成する。

次に、この単板コンデンサ素子Ｃを積層して構成した積層体の構造を示す。
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を積層した参考例の積層コンデンサの基本構成を示したもので、陽極部が陰極部を中心に対向するように（６、６’で示す）交互に積層し、陰極部Ｒ同士は導電性接着剤により電気的に接続する。図中の符号は図３のものと同じ部材を示す。尚、以下の実施例では、陽極、陰極を外部回路へ接続するための端子部材をリードフレームと称して説明する。図中の点線１３は実施例３（図９）の場合の参考図として示したもので、参考例ではない。

図５は、積層型固体電解コンデンサの完成品の側断面図で、両側の陽極部６、６’同士と陽極リードフレーム８、８’とを抵抗溶接等の方法で接合し、中央の陰極部Ｒ同士と陰極リードフレーム９とを導電性接着剤を介して接合する。
尚、各層の陽極部は積層したとき単板素子１枚分の厚みだけ離間することになるが、前記リードフレームと接合する際、一緒に抵抗溶接されるため、上下の陽極部は図のように若干曲げられて完全に導通接合される。これら積層体は、各リードフレームの外部回路との接続面だけを除いて全体を樹脂１０でモールドして外装する。完成品の定格電圧は２．５Ｖ、定格容量は２２００μＦである。

（実施例２）
図６は、単板コンデンサ素子の形状が横長（ｗ＞ｌ）で、また複数の陽極リードフレーム８、８’同士（図では上下）を、陰極部Ｒの両側領域（図の左右域）で左右の連結部材１１、１１’によって２箇所で電気的に接続した多端子積層型固体電解コンデンサの実施例である。１２は陰極リードフレーム９の電位取り出し用延長部で、陽極リードフレーム８、８’はこの延長部１２と接触しないよう略中央で分離されており、この切り離された陽極フレーム間を延長部１２が通過するようになる。１４はこの延長部１２とその上に配置される単板コンデンサ素子の陽極部６、６’との短絡を防ぐために両者間の接触面に塗布された絶縁性樹脂膜である。但し、説明のため、外装モールド樹脂は図示を省略した。

図７は、上記実施例のリードフレーム部の配置構造を示す斜視図で、積層体の最下面に陽極リードフレーム８、８’および陰極リードフレーム９を配置し、これらの下面は略面一になるようにそれぞれの陰極、陽極に接合される。
尚、この図７は積層した段階の図で、上下の各陽極同士が抵抗溶接などによって相互に接合される前の状態を示す。また図の符号は図６と同じ部分を示す。
図８は、上記実施例における陰極リードフレームおよび陽極リードフレームの形状を示す平面図で、図中の符号は各実施例と共通である。

（実施例３）
図９は、実施例２と同様の積層型固体電解コンデンサにおいて、陽極リードフレーム同士を接続している連結部材１１、１１’と陰極リードフレーム９との間に、セラミックコンデンサ１３、１３’を接続した複合コンデンサの構成を示す図で、各セラミックコンデンサの端子は陽極リードフレームと陰極リードフレームにそれぞれ接続される。
この例は、定格電圧６．３Ｖ、定格容量１μＦのチップ形積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）を４個ずつ陰極フレームの左右にそれぞれ接続し、合計で８個のセラミックコンデンサを内蔵させた複合型積層コンデンサモジュールの例である。

（変形例）
図１０は、図９の変形例となる複合コンデンサモジュールの例で、陽極リードフレーム８の端部から直角方向に延長部材１１’’を張り出させ、この延長部材１１’’と陰極リードフレーム９との間にセラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ）１３を４個並列に接続した例である。図の例は、コンデンサ素子板が1枚の場合の例で、複数枚積層した場合でもリードフレーム部は同じ構成とすることができる。尚、図では陽極リードフレームに延長部材を設けたが、陰極リードフレームに延長部材を設けて陽極リードフレーム側へ突出させてもよく、又両リードフレームから延長部材を突出させて、この間にＭＬＣＣを接続しても効果は同じである。何れの場合であっても、陰極、陽極リードフレーム間にＭＬＣＣを接続・実装した状態で全体をモールドして、１個のコンデンサモジュールの完成品とする。尚、これら延長部材、連結部材は、リードフレームとは別材質の導電性部材で構成してもよいことは当然である。

（比較例）
図１１は、前記本発明実施例との電気特性の比較のために作製した比較例で、単板コンデンサ素子の形状が幅１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの縦長形状（ｗ＜ｌ）のものを用い、これを前記実施例のように、陽極部６、６’を交互に対向配置して積層し、陽極リードフレームを相互に連結することなくそれぞれ独立構造とした以外は、参考例と同様の製造方法で作製した。

表１は上記実施例２、３、上記参考例、および前記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。

表１から明らかなように、上記実施例２、３の積層型固体電解コンデンサのＥＳＲ、ＥＳＬ値は、比較例の積層型固体電解コンデンサと較べて大きく低減した。即ち、本発明により、同じ定格電圧容量でより低いＥＳＲ、ＥＳＬを備えた積層型固体電解コンデンサを提供できることが実証された。

このように、実施例２、３においてＥＳＲを低減できたのは、単板コンデンサ素子の形状を横長（ｗ＞ｌ）にしたことで、電流の流れる経路（断面積）を実質的に広くなし得たことによるもので、また、ＥＳＬを低減できたのは、コンデンサ素子の形状を横長形状（ｗ＞ｌ）としたことで、対向する陽極リードフレーム同士の距離が短くなり、磁界の発生が大幅に抑制されたためと考えられる。

また、実施例３において、特にＥＳＬを顕著に低減できたのは、高周波特性に優れるＭＬＣＣを積層コンデンサ素子と共通の陽極リードフレーム、陰極リードフレームに並列に実装したことによる効果である。

さらに、本実施例では、外部回路へ接続する端子部材としてリードフレームを用いたが、外部端子となる貫通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。

なお、上記実施例では、弁作用金属としてアルミニウムの場合について説明したが、タンタルやニオブ箔、またはその焼結体を用いても同じ効果が得られる。

なお、実施例では、いずれも４枚の単板コンデンサ素子の積層例について説明したが、積層枚数を変更しても同じ効果が得られ、また実施例は３端子構造のものについて説明したが、端子数を増やしても同様の効果が得られることは当然である。

また、実施例では、定格電圧６．３Ｖ、定格容量１μＦのＭＬＣＣを８個用いたが、これに限るものではなく、定格、個数、実装位置等を変更しても同じ効果が得られる。

さらに、実施例では、両側の陽極リードフレーム間を電気的に接続するための連結部材を、陰極部の両側域に２個設けた例について説明したが、一方側だけで連結してもよく、この場合は、セラミックコンデンサも片側域だけに実装することになる。

本発明に使用する単板コンデンサ素子の形状を示す平面図 図１の単板コンデンサ素子の斜視図 本発明に使用する単板コンデンサ素子の拡大断面図 図１の単板コンデンサ素子を４枚積層した参考例の概略構成を示す斜視図 参考例の完成品の側断面図 実施例２の積層型固体電解コンデンサの上面から見た透視図 図６の積層体の概略構成を示す斜視図 実施例２のリードフレームの形状を示す平面図 実施例３の複合コンデンサモジュールの上面から見た透視図 ＭＬＣＣを４個接続・実装したコンデンサモジュールの変形例を示す平面透視図 比較例の積層型固体電解コンデンサの上面から見た透視図

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、６’ コンデンサ素子の陽極部
７ マスキング層
８、８’ 陽極リードフレーム
９ 陰極リードフレーム
１０ 樹脂モールド
１１、１１’ 陽極リードフレームの連結部材
１１’’ 陽極リードフレームの延長部材
１２ 陰極リードフレームの電位取り出し用延長部
１３ セラミックコンデンサ
１４ 絶縁性樹脂

Claims (2)

1. 表面に誘電体となる酸化皮膜層を有する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複数枚積層した固体電解コンデンサにおいて、
   前記単板コンデンサ素子の横寸法（ｗ）をその縦寸法（ｌ）（陽極部と陰極部が形成される方向に沿った長さ）より長くし、この単板コンデンサ素子をその陰極部を中心として陽極部が互い違いに対向するように積層し、
   中央の陰極部を陰極端子部材に接合するとともに、陰極部の両側に配置された各陽極部を両側に各別に設けた陽極端子部材にそれぞれ接合し、
   両側の陽極端子部材同士を陰極端子部材の側方域に配置した連結部材を介して電気的に導通接続したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
2. 表面に誘電体となる酸化皮膜層を有する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複数枚、その陰極部を中心として陽極部が互い違いに対向するように積層し、各陰極部を陰極端子部材に、両側の陽極部を両側に各別に設けた陽極端子部材にそれぞれ接合してなる積層型固体電解コンデンサにおいて、
   前記単板コンデンサ素子の横寸法（ｗ）をその縦寸法（ｌ）（陽極部と陰極部が形成される方向に沿った長さ）より長くし、
   両側の陽極端子部材同士を陰極端子部材の側方域に配置した連結部材を介して電気的に導通接続し、この連結部材と陰極端子部材との間にセラミックコンデンサを複数個接続したことを特徴とする積層型コンデンサモジュール。