JP4780725B2 - 積層型固体電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、積層型の固体電解コンデンサの製造方法に関するものである。

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、その表面に陽極酸化皮膜を形成して誘電体層とし、その上に固体電解質層を形成した後、樹脂パッケージにより樹脂封止した構造のものが多く使われている（例えば、特許文献１参照）。

上記のコンデンサは、例えばバイパスコンデンサとしてＣＰＵなどの電子機器と電源回路との間に接続されて使用される。最近では、電子デバイスの高速化およびデジタル化に伴い、安定性に優れ、かつ高速に応答可能な電源系が必要とされる。
そのため、ノイズの除去や電源系の安定のために用いられる固体電解コンデンサでも、広い周波数領域におけるノイズ除去特性に優れ、電力供給に際して高速応答性に優れることが要望される。また、大電流の電力供給に対応して、静電容量が大きいことや発火防止の信頼性が高いことも強く要望される（例えば、特許文献２参照）。

これらの要望に対して、実装時の占有面積をできるだけ抑えたままで大容量化、低ＥＳＲ化を図る方法として、平板状の素子や薄型の焼結体素子を積層する技術が実用化されている（例えば、特許文献３参照）。

積層型固体電解コンデンサの構造としては、陽極部と陰極部を備えた平板状のコンデンサ素子基板を、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、複数枚積層してコンデンサ素子ユニットを作製し、このユニットを一つのリードフレーム上に複数個パラレルに接続した２端子構成のものが知られている（例えば、特許文献４参照）。

また、陽極部と陰極部を備えた平板状のコンデンサ素子基板を、陽極部が陰極部を中心になるように、交互に互い違いになるように複数枚積層した３端子構造のものもある（例えば、特許文献５参照）。

このような積層構造を有する固体電解コンデンサでは、複数のコンデンサ素子陽極部と陽極リードフレームを接続する必要があるため、強度的に安定する溶接を行う。溶接方法としては、抵抗溶接、アーク溶接、レーザー溶接、超音波溶接などが知られている（例えば、特許文献６参照）。
特許第２９６９６９２号公報 特開２００５−２２３１１３号公報 特開２００５−１５８７６９号公報 特開２０００−１３８１３８号公報 特願２００５−３０８８４６号公報 特開２００３−２５７７８８号公報

上記溶接のなかで、レーザー溶接は、コンデンサ素子の陽極部および陽極リードフレームを一様に溶融することができるため、その他の溶接（抵抗溶接、アーク溶接、超音波溶接など）に比べて溶接点が強固であり、接続強度に優れている。

しかしながら、レーザー溶接は、コンデンサ素子の陽極部間または陽極部と陽極リードフレーム間に微小な空間がある場合、陽極部と陽極リードフレームを一様に溶融することができず、接続不良が発生してしまうという問題があった。

上記問題を解決するため、本発明に係る積層型固体電解コンデンサは、レーザー溶接を用いてコンデンサ素子の陽極部と陽極リードフレームを接続する場合、前処理として陽極部と陽極リードフレームとを所定インターバル時間を置いて２回連続で電圧を印加する抵抗溶接で導電接合され、その後、レーザー溶接で導電接合されている。

好ましくは、抵抗溶接の所定インターバル時間が０．５〜１０ｍｓである。

本発明に係る積層型固体電解コンデンサは、所定インターバル時間を置いて２回連続で電圧を印加して抵抗溶接することにより、接合困難な陽極部（例えばアルミニウム）と陽極リードフレーム（例えば銅）の電気的、物理的な接合を可能にする。その後、レーザー溶接によって導電接合することにより、コンデンサ素子の陽極部と陽極フレームの結合が安定し、電気抵抗の低い接続ができる。また、結合部が強固となるため、熱ストレスに対する性能が向上する。
その結果、より低ＥＳＲの積層型固体電解コンデンサが得られるとともに、陽極外れが原因の接触不良などによる性能劣化を防止できる。

以下、図面に基づき、本発明に係る積層型固体電解コンデンサの実施例について詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の積層型固体電解コンデンサにおいて、積層される前のコンデンサ素子基板の基本構成を説明するための図である。図１は、１個のコンデンサ素子基板の外観斜視図である。図２は、図１の詳細構成を示す断面図である。なお、図２は、説明の便宜上、厚さは拡大して表示している。図４は、４枚のコンデンサ素子基板を積層した積層型固体電解コンデンサを示す斜視図である。

図１および図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を粗面化した薄板（箔）を示し、陽極を構成する部分である。２は、表面が粗面化された弁作用金属薄板１の表面に形成された酸化皮膜層を示し、誘電体を構成する層である。３は、酸化皮膜層（誘電体層）２の右側部分の表面に形成された固体電解質層を示し、陰極部を構成する層で、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。

なお、機能的には弁作用金属薄板１全体が陽極であるが、本実施例では、弁作用金属薄板１の陰極部（固体電解質層）３が形成されていない部分、即ち図２の左側に突出している部分を陽極部（陽極露出部）Ｐとし、固体電解質層３、カーボン層４および銀層５からなる部分を陰極部Ｎとする。

図１および図２に示すように、コンデンサ素子基板Ｃは、陽極部Ｐおよび陰極部Ｎで構成されている。陽極部Ｐと陰極部Ｎとの間は、絶縁性マスキング部材６によって完全に絶縁隔離されている。

図４に示すように、本実施例の積層型固体電解コンデンサは、４枚のコンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４を複数枚積層して構成されている。各コンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４は、陰極部Ｎ１〜Ｎ４を中心として、陽極部Ｐ１〜Ｐ４が交互に左右に配置されている。

上記固体電解コンデンサは、コンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４の各陰極部Ｎ１〜Ｎ４間、コンデンサ素子基板Ｃ１の陰極部Ｎ１と陰極リードフレーム８との間が、導電性接着剤により電気的に導電接続されている。

さらに、上記固体電解コンデンサは、図３に示すようにコンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４の各陽極部Ｐ１〜Ｐ４間、コンデンサ素子基板Ｃ１，Ｃ２の陽極部Ｐ１，Ｐ２と陽極リードフレーム７、７’との間を、所定インターバル時間を置いて２回連続で電圧をかけて抵抗溶接することにより３箇所仮止めした後（３箇所の抵抗溶接１０）、抵抗溶接した箇所の中心部にレーザー溶接を行う（３箇所のレーザー溶接１１）ことにより接続されている。
そして、上記固体電解コンデンサは、外装樹脂９で封止されている。

レーザー溶接は1箇所でも複数箇所でもよいが、接続部の抵抗と機械的強度から２〜６箇所とすることが望ましい。

次に、本発明に係る積層型固体電解コンデンサの効果を説明するために実施例、従来例および比較例を以下に示す。

（実施例１）
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弁作用金属薄板１として、このアルミニウム箔１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、表面に誘電体層（酸化皮膜層）２を形成する。

このようにして誘電体層（酸化皮膜層）２が形成されたアルミニウム箔（弁作用金属）１を、図１に示したように、幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断し、図２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６を周方向に塗布して、左右の領域（陽極部Ｐと陰極部Ｎ）を区分する。

その後、裁断によってアルミニウム箔（弁作用金属）１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１０Ｖの電圧を印加して約３０分間酸化処理を行い、裁断面にも誘電体層（酸化皮膜層）２を形成する。その後、マスキング部分６より右側部分に、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）からなる固体電解質層３、カーボン層４および銀層５を設けて陰極部Ｎを形成する。

図４に示すように、４枚のコンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４の陰極部Ｎ１〜Ｎ４を順次積層し、それぞれの積層面の間を、導電性接着剤（図示を省略する）を介して密に接合する。一方、各コンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４の、陽極部Ｐ１，Ｐ３を左側に、陽極部Ｐ２，Ｐ４を右側に、即ち交互に反対方向になるように積層する。

そして、各コンデンサ素子基板Ｃ１〜Ｃ４の、左側に突出した陽極部Ｐ１，Ｐ３と下面の陽極電位取り出し用リードフレーム（陽極リードフレーム）７とを、また、右側に突出した陽極部Ｐ２，Ｐ４と陽極電位取り出し用リードフレーム（陽極リードフレーム）７’とを、それぞれ直径５０ｍｍ、幅０．８ｍｍの円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、２．５ｍｓ、インターバル時間０．５ｍｓの条件で２回連続抵抗溶接し、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

また、コンデンサ素子基板Ｃ１の陰極部Ｎ１と陰極電位取り出し用のリードフレーム（陰極リードフレーム）８とは、導電性接着剤を介して接続した。

ＹＡＧレーザー光のスポット径はφ＝０．６ｍｍ、出力波形は４．０Ｊで２．５ｍｓ照射後、２．４Ｊで５．０ｍｓ照射する２段階波形とした。なお、リードフレーム７，８の材料は銅系である。

なお、陽極部Ｐ１〜Ｐ４の表面に形成される酸化皮膜２は、抵抗溶接した際、溶接温度によって接合面の皮膜２は溶解されるので、電気的には完全に導電接合される。
その後、図４に示すように、リードフレーム（端子板）７、７’、８の外部回路との接続部だけを露出させた状態で、全体を樹脂９（破線）でモールドし、積層型固体電解コンデンサを作製した。

（実施例２）
実施例２は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本実施例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、２．５ｍｓ、インターバル時間１０ｍｓの条件で２回連続抵抗溶接し、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

（従来例１）
従来例１は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本従来例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、５ｍｓの条件で１回抵抗溶接することにより、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

（従来例２）
従来例２は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本従来例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、３５００ｍＶ、２．５ｍｓの条件で１回抵抗溶接することにより、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

（比較例１）
比較例１は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本比較例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、１．５ｍｓ、インターバル時間０．５ｍｓの条件で３回連続抵抗溶接し、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

（比較例２）
比較例２は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本比較例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、２．５ｍｓ、インターバル時間０．４ｍｓの条件で２回連続抵抗溶接し、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

（比較例３）
比較例３は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本比較例では、陽極部Ｐ１〜Ｐ４と陽極リードフレーム７，７’とを、実施例１と同様の円板電極を用いて、円板電極の円周部の一部をコンデンサ素子基板に押しあてて、１５００ｍＶ、２．５ｍｓ、インターバル時間２０ｍｓの条件で２回連続抵抗溶接し、各３箇所仮止めした後、抵抗溶接した箇所の中心部をＹＡＧレーザー溶接により導電接合した。

上記した抵抗溶接について、実施例、従来例および比較例のそれぞれの溶接回数やインターバル時間などを次の表１に示す。

図５は、実施例、従来例および比較例の積層型固体電解コンデンサについて、温度サイクル試験を行ったときのＥＳＲ（ｍΩ）を実測した結果を示すグラフ図である。ＥＳＲは１００ｋＨｚで測定した。また、温度サイクル条件は、−５５〜＋１２５℃の温度条件で１０００回行った。

図５から判るように、上記各実施例の積層型固体電解コンデンサのＥＳＲ値は、温度サイクル１０００回後も初期とほぼ同じ値を示すのに対して、従来例の積層型固体電解コンデンサは、温度サイクル５００回後からＥＳＲ値の劣化が見られる。

即ち、表１に示すように、従来例１のように１回だけ抵抗溶接した場合、溶接が不十分となる。また、比較例２のようにインターバル時間を短くして抵抗溶接した場合、１回目の抵抗溶接後の冷却が不十分となり、陽極部の溶接部が溶接電極に付着することによる陽極部の浮き上がりが起きやすくため、溶接が不十分になる。さらに、比較例３のように逆にインターバル時間を長くして抵抗溶接した場合は、１回目の抵抗溶接後の冷却が進行し過ぎ、２回抵抗溶接しても１回で抵抗溶接した状態と同じになり、抵抗溶接が不十分となるため、陽極部と陽極リードフレームとの間に空間が生じる場合が多く、レーザー溶接での接合が不安定になってしまう。よって、温度サイクルによるＥＳＲが増加すると考えられる。

また、表１に示すように、従来例２のように短い時間で高い電圧をかけて抵抗溶接した場合、比較例１のように３回連続で抵抗溶接した場合は、陽極部と陽極リードフレームとの間の接続は安定するもののアルミニウム箔が破れてコンデンサ素子基板が破損し、または溶接により陽極部が劣化してしまうことが多く、熱ストレスに対して不安定になってしまうため、温度サイクルによるＥＳＲが増加すると考えられる。

上記実施例では、固体電解質としてＰＥＤＴの場合について説明したが、ポリアニリン、ポリピロールなどの公知の導電性高分子も有効であることが確認されている。

上記実施例では、レーザー溶接の光源としてＹＡＧレーザーの場合について説明したが、ＹＶＯ_４レーザー、炭酸ガスレーザー、アルゴンレーザーである場合でも有効であることが確認されている。

上記実施例では、リードフレームの材料として銅系の場合について説明したが、銅合金系である場合でも有効であることが確認されている。

また、上記実施例では、コンデンサ素子基板の陽極部間、陽極部と陽極リードフレームとの間は直接接続したが、何れか一箇所以上にニッケル、鉄、銅、アルミニウムの何れか、またはそれらの合金のマクラ材を介在させてもよい。

また、陰極リードフレームおよび陽極リードフレームは、上記実施例では積層体の下面に取り付けられているが、コンデンサの使用態様や用途に応じて積層体の側面または中間部から取り出すようにしてもよい。

また、上記実施例では、各陽極部が左右に交互に配置されているが、片側のみに配置されていてもよく、配置場所は任意である。

１個のコンデンサ素子基板の外観斜視図である。 図１の詳細構成を示す断面図である。 コンデンサ素子の抵抗溶接箇所およびレーザー溶接箇所を示す平面図である。 ４枚のコンデンサ素子基板を積層した固体電解コンデンサを示す斜視図である。 実施例、従来例および比較例の積層型固体電解コンデンサについて、温度サイクル試験を行ったときのＥＳＲ（ｍΩ）を実測した結果を示すグラフ図である。

符号の説明

Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４ 陽極部（陽極露出部）
Ｎ、Ｎ１〜Ｎ４ 陰極部
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ素子基板
１ 弁金属薄板
２ 誘電体層（酸化皮膜層）
３ 固体電解質層
４ カーボン層
５ 銀層
６ マスキング部材
７、７’ 陽極電位取り出し用リードフレーム
８ 陰極電位取り出し用リードフレーム
９ 樹脂モールド
１０ 抵抗溶接の箇所
１１ レーザー溶接の箇所

Claims (2)

1. 表面に誘電体を有する弁作用金属の、一方の側に固体電解質層および陰極引出層からなる陰極部を、他方の側に前記弁作用金属の露出部である陽極部を備えたコンデンサ素子基板が、複数積層されてなる積層型固体電解コンデンサにおいて、
   前記複数の陽極部と陽極リードフレームとが、所定インターバル時間を置いて２回連続で所定電圧を印加する抵抗溶接で導電接合され、その後、レーザー溶接で導電接合されていることを特徴とする積層型固体電解コンデンサの製造方法。
2. 前記所定インターバル時間が０．５〜１０ｍｓである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の製造方法。

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