JP4798001B2

JP4798001B2 - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4798001B2
Application number: JP2007006691A
Authority: JP
Inventors: 健司倉貫; 淳一栗田; 秀人山口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: JP2008177195A

Description

本発明は、電子機器に使用される固体電解コンデンサに関するものである。

電子機器の高速化、高周波化に伴って、ＣＰＵやＬＳＩ等の負荷部品の電源ラインに使用される固体電解コンデンサは、負荷部品の急激な電圧変動に対し電力を安定供給し、加えて１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚでの高周波領域のノイズを除去するために、大容量で低インピーダンス特性に優れたコンデンサが強く要望されている。

図７は、従来の固体電解コンデンサの断面図、図８は、従来の固体電解コンデンサを用いた回路図である。

図７に示すように、従来の固体電解コンデンサ６０は、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属からなる陽極体（例えば、金属箔）の両端を陽極部５１とし、この陽極部５１間の陽極体の表面に誘電体酸化皮膜層、導電性高分子からなる固体電解質層、カーボン層及び銀ペースト層からなる陰極層を順次設け陰極部５２としたコンデンサ素子５０を備えるものである。

コンデンサ素子５０は、大きな静電容量を得るために複数枚積層され、図７では５枚のコンデンサ素子５０が積層されている。積層したコンデンサ素子５０の陽極部５１は導体スペーサ５３を介して接合され、両端の陽極部５１に対応して設けた２つの陽極端子５４にそれぞれ溶接され、陰極部５２どうしは導電性ペーストを介して接合され、さらに積層した陰極部５２を１つの陰極端子５５に導電性ペーストを用いて接合されている。

さらに両端の陽極端子５４及び中央部の陰極端子５５は、コンデンサ素子５０を被覆する外装樹脂５６の下面から露呈し固体電解コンデンサとしたものである。

図８に示すように、固体電解コンデンサ６０の一方の陽極端子５４はスイッチングレギュレータ５２を介して直流供給電源６１に接続し、他方の陽極端子５４はＣＰＵやＬＳＩ等の負荷部品６３に接続し、陰極端子５５は回路基板に設けたグランドライン６６に接続して、固体電解コンデンサ６０が配置されたものであり、コンデンサ素子５０の陽極体は、電源ライン６５に直列に接続されている。

このような従来の固体電解コンデンサとして、特許文献１に示すものが知られている。
特開２００６−１２８２４７号公報

このような従来の固体電解コンデンサは、負荷部品への供給電流値が大きくなると、固体電解コンデンサ本体の温度が上昇し、これにより漏れ電流などの特性劣化を生じるため、大電流が流れる回路で使用が困難であるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決し、電流許容値を大きくすることができる低インピーダンスの固体電解コンデンサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、両端部に陽極部を有しこの陽極部間を連結する陽極体の表面に陰極部を有した両型コンデンサ素子と、一方に陽極部を他方に陰極部を有した片型コンデンサ素子とを積層してそれぞれの陽極部、陰極部を電気的に接続した積層体を有し、この積層体の実装面側を基準として最上層のコンデンサ素子は、片型コンデンサ素子とする構成とした。

以上のように本発明の固体電解コンデンサによれば、最上層のコンデンサ素子は、片型コンデンサ素子とすることにより、固体電解コンデンサの静電容量を低下させることなく両型コンデンサ素子の積層数を減らすことができる。

これによって、回路配線に直列に挿入される積層した両型コンデンサ素子の陽極部の接続部の抵抗を小さくし、接続部による固体電解コンデンサの発熱を低減でき、その結果、電流許容値の大きな低インピーダンスの固体電解コンデンサを得ることができる。

本発明の一実施の形態の固体電解コンデンサについて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における固体電解コンデンサの構成を示す断面図、図２は、同固体電解コンデンサの透過斜視図、図３は、同両型コンデンサ素子の構成を示す断面図、図４は、同片型コンデンサ素子の構成を示す断面図である。

図３に示すように、両型コンデンサ素子１は、アルミニウム（弁作用金属）からなる箔を陽極体１１とし、この陽極体１１の両端には陽極体１１表面が露呈した陽極部２をそれぞれ設け、両端の陽極部２間を繋ぐ陽極体１１表面には誘電体酸化皮膜層１２を設け、さらに誘電体酸化皮膜層１２の表面にポリピロール等の導電性高分子からなる固体電解質層１３が形成されている。

固体電解質層１３の表面には、グラファイト等からなるカーボン層１４ａと、銀、ニッケル等の導電性粒子とエポキシ樹脂等からなる導電性ペーストを塗布、硬化させた導電体層１４ｂとを順次積層した陰極層１４を設け、陰極部３としたものである。

図４に示すように、片型コンデンサ素子４は、アルミニウム（弁作用金属）からなる箔を陽極体１５とし、この陽極体１５の一方には陽極体１５表面が露呈した陽極部５を設け、陽極体５の他方の陽極体１５表面には誘電体酸化皮膜層１６を設け、さらに誘電体酸化皮膜層１６の表面にポリピロールの導電性高分子からなる固体電解質層１７が形成されている。

固体電解質層１７の表面には、グラファイト等からなるカーボン層１８ａと、銀、ニッケル等の導電性粒子とエポキシ樹脂等からなる導電性ペーストを塗布、硬化させた導電体層１８ｂと、を順次積層した陰極層１８を設け、陰極部６としたものである。

本一実施の形態では、陽極体１１、１５はアルミニウムの箔を用いたものであるが、タンタル、チタン、ニオブ等の弁作用金属からなる箔を用いたものでもよく、弁作用金属の粉末からなる多孔質焼結体に弁作用金属からなる線材や板材を一方に埋め込んで片型コンデンサ素子４の陽極体１１とし、また、前記多孔質焼結体に前記線材や板材を貫通させ両型コンデンサ素子１の陽極体１５とし、多孔質焼結体から露呈した前記線材または板材を陽極部２、５とし、多孔質焼結体の表面に誘電体酸化皮膜層１２、１６、固体電解質１３、１７、陰極層１４、１８を順次設け、陰極部３、６としてもよい。

また、本一実施の形態では、固体電解質層１３、１７は主構成としてのポリピロールからなるが、ポリチオフェン、ポリアニリン等の導電性高分子、または二酸化マンガンを含む酸化マンガン物等からなる無機半導体としてもよい。

図１に示すように、積層体は、複数の両型コンデンサ素子１を積層した上に、複数の片型コンデンサ素子４を積層し、銅、銅合金、ニッケル鉄合金などからなる金属フレームの第１陽極端子８、第２陽極端子９、陰極端子１０に接続したものである。本一実施の形態では３つの両型コンデンサと２つの片型コンデンサを示しているが、これに限定されるものではなく、実装面側を基準としたときの積層体の最上層のコンデンサ素子を片型コンデンサ素子とすればよい。

図２に示すように、第１陽極端子８及び第２陽極端子９は、実装面２３となる底面２３ａから、第１及び第２陽極端子８、９を結ぶ方向に直交方向にある両端部が実装面２３から離れるように、上方に向って階段状に屈曲し、第１陽極端子８及び第２陽極端子９の載置部２０が形成されている。

この載置部２０の平坦状の上面には、両型コンデンサ素子１の両端の陽極部２が第１陽極端子８、第２陽極端子９に対応して順次３層積層され、３層目の両型コンデンサ素子１の第１陽極端子８の陽極部２上に４層目の片型コンデンサ素子４の陽極部５が接続し、その第２陽極端子９の陽極部２上に５層目の片型コンデンサ素子４の陽極端子５が接続している。

また、平板状の導電スペーサ３０が、１層目の両型コンデンサ素子１を除く２層目以上の各陽極部２、５の下面に接合され、各コンデンサ素子１、４の陽極部２、５と陰極部３、６が同一平面上に配置されるようにしたものである。

この導電性スペーサ３０は、銅、銅合金、鉄ニッケル合金などの金属からなるものである。

積層された陽極部２、５の平坦面は、導電スペーサ３０の上面、または載置部２０の上面と、抵抗溶接、レーザ溶接、超音波溶接などにより接合された接合部３１を有するものである。

また、積層した陽極部２、５の端面、導電性スペーサ３０の端面、および載置部２０の端面のいずれかが隣接した端面に接合された接合部３１、または陽極部２、５、導電スペーサ３０、載置部２０に設けた上下に貫通した孔の端面のいずれかが接合した接合部３１を有してもよい。また端面を金属、導電性樹脂の導電材で接合してもよい。

図２に示すように、陰極端子１０は、第１陽極端子８と第２陽極端子９とを結ぶ間に配置され、実装面２３の両側の底面２３ｂから上方に向って中央に連結するように階段状に屈曲し、平坦状の陰極端子１０の載置部２１が形成されている。

この載置部２１の平坦状の上面には、両型コンデンサ素子１の陰極部３が順次３層積層され、さらに片型コンデンサ素子４の陰極部６が順次２層積層されている。

積層された陰極部３、６は、隣接する陰極部３、６間に導電性樹脂接着層３２を介して接合され、最下層の陰極部３と陰極端子１０の載置部２１の上面とは導電性樹脂接着層３３を介して接合されたものである。

また、積層した陰極部３、６は、陰極部３、６の隣接する側面を導電性樹脂剤で接合してもよく、導電性樹脂剤を用いて金属などの導電材を陰極部３、６の側面に接合されたものでもよい。

エポキシ樹脂等からなる絶縁性の外装樹脂部２２は、両型コンデンサ素子１及び片型コンデンサ素子４を積層した積層体と、載置部２０、２１を被覆したもので、第１陽極端子８、第２陽極端子９及び陰極端子１０は、外装樹脂部２２内で積層体の下方に延び、外装樹脂部２２の下面から実装面２３に底面２３ａ、２３ｂが露出しているものである。

このように載置部２０、２１の下面に外装樹脂部２２を形成することで、積層体と載置部２０、２１との密着強度を高める効果を奏するものである。

次に、本発明の一実施の形態の固体電解コンデンサを用いた回路について説明する。

図６は、本発明の固体電解コンデンサ７を用いた回路図であり、本発明の固体電解コンデンサ７は、第１陽極端子８が高電位となる電源ライン６５側に接続する入力端子７１とし、第２陽極端子９が負荷部品６３の電源端子側に接続する出力端子７２とし、陰極端子１０が低電位となるグランドライン６６側に接続するグランド端子７３とし、回路を構成している。上記内容の他は図８と同様である。

また、第１陽極端子８を出力端子７２、第２陽極端子９を入力端子７１としてもよい。

図５は、本発明の一実施の形態の固体電解コンデンサの等価回路図であり、固体電解コンデンサ７に流れる約１００ｋＨｚ以下の低周波領域の電流成分に作用する等価回路を示したものであり、図６に示す回路に、図５に示す等価回路を適用して説明する。

図５に示すように、３つの両型コンデンサ素子１は、電源ライン６５に接続する第１陽極端子８と第２陽極端子９間に、並列に接続されている。

また、各両型コンデンサ素子１の陽極部２の接合部３１、導電スペーサ３０、または接合部３１とを連結する陽極体１１の導体を含むものから構成される接続部３２の抵抗Ｒ１ａ〜Ｒ１ｆが、第１及び第２陽極端子８、９から両型コンデンサ素子１の陽極部２に至って電気的に、順次直列に挿入されている。

片型コンデンサ素子４の陽極体１５及び陽極部５側の接続部３３の抵抗Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、両型コンデンサ素子１の陽極部２側の接続部３２が加算された加算点３６で、第１陽極端子８と第２陽極端子９間を結ぶ導体から分岐して接続されている。

電源ライン６５から固体電解コンデンサ７を介して負荷部品６３に供給される電流は、過渡的に変化するとき、両型コンデンサ素子１及び片型コンデンサ素子４の充放電電流が各接続部３２、３３を経由して流れる。

また、更に負荷部品６３に供給される電流が流れ続けると、片型コンデンサ素子４、両型コンデンサ素子１の充電が完了し定常状態となる。

この定常状態では、両型コンデンサ素子１の接続部３２には、負荷部品６３に供給される電流が流れ続け、各接続部３２は、上層に積層した他の両型コンデンサ素子１に流れる電流が加算されて流れ、接続部３２による発熱が生じている。

一方、この定常状態では、片型コンデンサ素子４の陽極部５側の接続部３３は、両型コンデンサ素子１を流れる電流の経路とならないため電流が流れない状態となり、接続部３３による発熱が生じなくなる。

また、定常状態では、片型コンデンサ素子４の陰極部６側の接続部３５の抵抗Ｒ４ａ、Ｒ４ｂ及び両型コンデンサ素子１の陰極部３側の接続部３４の抵抗Ｒ３ａ〜Ｒ３ｃも、両型コンデンサ素子１を流れる電流の経路とならないため、電流が流れない状態となる。

以上のように、片型コンデンサ素子４を両型コンデンサ素子１に接続することにより、固体電解コンデンサの静電容量を低下させることなく、両型コンデンサ素子１により高周波領域のノイズ除去が十分できる積層数まで減らすことができる。これによって両型コンデンサ素子１の陽極部２側の接続部３２が接続部３３の分だけ少なくなり、電流が定常的に流れるときの接続部３２の電気抵抗による発熱を抑制することができ、大電流が流せる大容量、低インピーダンスの固体電解コンデンサを得ることができる。

また、本一実施の形態では、２つの全ての片型コンデンサ素子４の陽極部５が、３つの全ての両型コンデンサ素子１の陽極部２の上面に接続したものであるが、少なくとも１つの片型コンデンサ素子４の陽極部５が、３つの全ての両型コンデンサ素子１の陽極部２の上方に接続することにより、５つのコンデンサ素子を全て両型コンデンサ素子１とした場合に比較し、発熱を抑制する効果を得ることができる。

また、両型コンデンサ素子１の陽極部２側の接続部３２を少なくするために、両型コンデンサ素子１が単数で構成されることが好ましい。

本一実施の形態では、片型コンデンサ素子４が、夫々第１陽極端子８、第２陽極端子９に接続したものであるが、単数又は複数の片型コンデンサ素子４が第１陽極端子８及び第２陽極端子９のいずれかに接続したものでよい。

また、導電性スペーサ３０を用いずに、陽極部２、５どうしを直接接合してもよい。

また、本一実施の形態のように、片型コンデンサ素子４は、第１陽極端子８に電気的に接続する片型コンデンサ素子４、及び第２陽極端子９に電気的に接続する片型コンデンサ素子４が、陰極部６を隣接して交互に積層され、両型コンデンサ素子１の上側に接続したものであり、このように複数の片型コンデンサ素子４が隣接して積層され、片型コンデンサ素子４の陽極部５が交互に相反する方向に積層することにより、片型コンデンサ素子４を流れる電流が、隣接した片型コンデンサ素子４の電流と反対方向に流れ、夫々の電流で生じる磁界を相殺するため、固体電解コンデンサのＥＳＬ（等価直列抵抗）を小さくし高周波領域のノイズ除去の効果を高めることができる。

また、本一実施の形態では、積層体に片型コンデンサ素子１の陽極部が相反する方向に１つづつ交互に積層したものを含んでいるが、片型コンデンサ素子が複数づつ交互に積層したものでもよく、すなわち、陽極部の方向が同一方向となるように片型コンデンサ素子１を積層したブロック体をこのブロック体の陽極部が相反する方向に積層したものでもよい。このような構成を有することにより、固体電解コンデンサのＥＳＬを小さくすることができる。

本発明の一実施の形態における固体電解コンデンサの構成を示す断面図本発明の一実施の形態の固体電解コンデンサの透過斜視図本発明の一実施の形態における両型コンデンサ素子の構成を示す断面図本発明の一実施の形態における片型コンデンサの構成を示す断面図本発明の一実施の形態における固体電解コンデンサの等価回路図本発明の固体電解コンデンサを用いた回路図従来の固体電解コンデンサの断面図従来の固体電解コンデンサを用いた回路図

符号の説明

１両型コンデンサ素子
２陽極部
３陰極部
４片型コンデンサ素子
５陽極部
６陰極部
７固体電解コンデンサ
８第１陽極端子
９第２陽極端子
１０陰極端子
１１、１５陽極体
１２、１６誘電体酸化皮膜層
１３、１７固体電解質層
１４、１８陰極層
２０、２１載置部
２２外装樹脂部
２３実装面
２３ａ、２３ｂ底面
３０導電スペーサ
３１接合部
３２、３３接続部
３６加算点

Claims

両端部に陽極部を有しこの陽極部間を連結する陽極体の表面に陰極部を有した両型コンデンサ素子と、一方に陽極部を他方に陰極部を有した片型コンデンサ素子とを積層してそれぞれの陽極部、陰極部を電気的に接続した積層体を有し、この積層体の実装面側を基準として最上層のコンデンサ素子は、片型コンデンサ素子とした固体電解コンデンサ。
前記積層体の実装面側に第１陽極端子、第２陽極端子、陰極端子を備え、前記両型コンデンサ素子の両端部の陽極部が、夫々前記第１陽極端子、前記第２陽極端子に電気的に接続し、前記片型コンデンサ素子の陽極部が、前記第１陽極端子及び前記第２陽極端子のいずれかに電気的に接続し、前記片型コンデンサ素子及び前記両型コンデンサ素子の陰極部が陰極端子に電気的に接続した請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
前記積層体は、片型コンデンサ素子の陽極部が相反する方向に隣接して積層したものを含む請求項１または２に記載の固体電解コンデンサ。