JP4832342B2 - Solid electrolytic capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は導電性高分子を固体電解質とする巻回型の固体電解コンデンサ及び表面実装用固体電解コンデンサに関するものである。   The present invention relates to a winding type solid electrolytic capacitor using a conductive polymer as a solid electrolyte and a solid electrolytic capacitor for surface mounting.

近年、電子機器のデジタル化に伴って、電解コンデンサについても大容量化及び小型化が要求されており、更に高周波領域でのさらなるインピーダンスの低減が求められている。
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、主にアルミニウム、タンタル等の弁金属に化成皮膜が形成され陽極として用いられている。
In recent years, with the digitization of electronic devices, electrolytic capacitors are also required to have a large capacity and a small size, and further reduction of impedance in a high frequency region is required.
Solid electrolytic capacitors are attracting attention because of their excellent frequency characteristics among electrolytic capacitors, and are mainly used as anodes by forming a chemical conversion film on valve metals such as aluminum and tantalum.

アルミニウムを電極箔として用いる固体電解コンデンサの代表的な構造として、誘電体酸化皮膜を形成した陽極アルミニウム化成箔と陰極アルミニウム化成箔とを対向させ、セパレータ紙を介して巻き回したコンデンサ素子に、モノマー及び酸化剤を含浸させ、アルミニウムのケースまたは合成樹脂製のケース等に収納し密閉する構造があげられる。   As a typical structure of a solid electrolytic capacitor using aluminum as an electrode foil, a monomer element is formed on a capacitor element in which a anodic aluminum conversion foil having a dielectric oxide film formed thereon and a cathode aluminum conversion foil are opposed to each other and wound through a separator paper. And an oxidizing agent impregnated and housed in an aluminum case or a synthetic resin case and sealed.

上記固体電解コンデンサは、小型で大容量を得ることができ、広く一般に用いられている。また、電解質としてはポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン等が使用されるが、ESR(等価直列抵抗)を低減させる目的でポリエチレンジオキシチオフェンが主に使用されている。   The solid electrolytic capacitor is small and can have a large capacity, and is widely used. In addition, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, and the like are used as the electrolyte, but polyethylenedioxythiophene is mainly used for the purpose of reducing ESR (equivalent series resistance).

上記固体電解コンデンサは、小型で大容量を有しESRも小さく、さらに、チップ化し易いため表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化、低コスト化等に欠かせないものとなっている。   The above-mentioned solid electrolytic capacitor is small, has a large capacity, has a small ESR, and has characteristics such as being suitable for surface mounting because it can be easily made into a chip. It is indispensable for costing.

しかしながら、上記固体電解コンデンサにおいては、形成された固体電解質と陰極箔との界面接着状態によりtan δ(誘電損失)及びESRが影響を受ける。そのため、固体電解質の形成状態が緻密でない場合は、固体電解質と陰極箔との接着面積が少なくなり、tan δ(誘電損失)が上昇し、さらに、固体電解質との密着度も低減するのでESRも上昇してしまう。   However, in the solid electrolytic capacitor, tan δ (dielectric loss) and ESR are affected by the state of interfacial adhesion between the formed solid electrolyte and the cathode foil. Therefore, when the formation state of the solid electrolyte is not dense, the adhesion area between the solid electrolyte and the cathode foil is reduced, tan δ (dielectric loss) is increased, and the degree of adhesion with the solid electrolyte is also reduced, so that ESR is also reduced. It will rise.

また、上記固体電解コンデンサの陰極箔に弁金属を用いる場合、コンデンサ容量は、弁金属の酸化皮膜の誘電率と、誘電体及び陰極の対向面積と、陽極及び陰極の合成容量とで決まるため、高容量の陰極を用いる場合においても合成容量としては陽極の容量値を超える事はないため、高容量化には限界がある。また、緻密で収量の多い導電性高分子層を形成できない場合も容量達成率の高いコンデンサが得られない。   Further, when a valve metal is used for the cathode foil of the solid electrolytic capacitor, the capacitor capacity is determined by the dielectric constant of the oxide film of the valve metal, the opposing area of the dielectric and the cathode, and the combined capacity of the anode and the cathode. Even when a high-capacity cathode is used, the combined capacity does not exceed the capacity value of the anode, so there is a limit to increasing the capacity. In addition, a capacitor having a high capacity achievement rate cannot be obtained even when a dense and high yielding conductive polymer layer cannot be formed.

これらの問題点を解決するため、陰極箔にTiN,ZrN,TaN,NbN等の金属窒化物、Ti,Zr,Ta,Nb等の弁金属等からなる皮膜を形成することによって、容量出現率を向上させた技術(特許文献1参照)、(特許文献2参照)及び、真空蒸着によって炭素系材料を陰極に被覆した技術(特許文献3参照)、または陰極箔上に炭化物粒子を塗布し乾燥させた後に、前記陰極箔上にウィスカを発生させるという技術(特許文献4参照)も紹介されている。つまり、これらの技術は、そのアルミニウム陰極箔上に酸化皮膜が形成されず、陰極箔のみの静電容量値がほぼ無限大に漸近する。   In order to solve these problems, by forming a film made of a metal nitride such as TiN, ZrN, TaN or NbN, a valve metal such as Ti, Zr, Ta or Nb on the cathode foil, the capacity appearance rate is reduced. Improved technology (see Patent Literature 1), (see Patent Literature 2) and technology in which a cathode is coated with a carbon-based material by vacuum deposition (see Patent Literature 3), or applying and drying carbide particles on a cathode foil After that, a technique of generating whiskers on the cathode foil (see Patent Document 4) is also introduced. That is, in these techniques, an oxide film is not formed on the aluminum cathode foil, and the capacitance value of only the cathode foil gradually approaches almost infinite.

Figure 0004832342
Figure 0004832342

(但し、Cは固体電解コンデンサの合成容量、Ccは陰極箔の静電容量、Caは陽極箔の静電容量)
と示されるように、この場合の固体電解コンデンサの静電容量は陽極箔のみの静電容量となるので、従来の固体電解コンデンサの静電容量より飛躍的にそれが向上する。
特開2000−114108号公報 特開2000−114109号公報 特開2001−196270号公報 特開2006−93347号公報
(Where C is the combined capacitance of the solid electrolytic capacitor, Cc is the capacitance of the cathode foil, and Ca is the capacitance of the anode foil)
As shown, the capacitance of the solid electrolytic capacitor in this case is the capacitance of only the anode foil, which is drastically improved over the capacitance of the conventional solid electrolytic capacitor.
JP 2000-114108 A JP 2000-114109 A JP 2001-196270 A JP 2006-93347 A

しかしながら、特許文献1,2の技術は、金属窒化物、弁金属等は高価であり陰極箔への前処理、煩雑な操作である物理的気相成長法(PVD)的手法を用いる必要があることから、コストメリットが悪くなるという課題を抱えている。また、PVDを用いることによって、陰極箔上の金属窒化物層の膜厚制御は困難を極める。   However, in the techniques of Patent Documents 1 and 2, metal nitrides, valve metals, etc. are expensive, and it is necessary to use a physical vapor deposition (PVD) method, which is a pretreatment to the cathode foil and a complicated operation. For this reason, there is a problem that the cost merit becomes worse. Also, by using PVD, it is extremely difficult to control the thickness of the metal nitride layer on the cathode foil.

また、特許文献3の技術を用いても陰極金属表面の自然酸化膜を除去せずに、炭素系材料を被覆させただけでは炭素と金属の界面抵抗が高くなってしまうため、ESRの低減を図ることができない。さらに、被覆された炭素系材料が剥れやすいため、長期使用により特性劣化が進むといった問題を抱えている。   Further, even if the technique of Patent Document 3 is used, the ESR can be reduced because the interface resistance between carbon and metal is increased only by coating the carbon-based material without removing the natural oxide film on the cathode metal surface. I can't plan. Furthermore, since the coated carbon-based material is easily peeled off, there is a problem that characteristic deterioration proceeds with long-term use.

また、特許文献4の技術は、長期耐熱試験により炭化物粒子を保持している陰極箔上にウィスカで保持されている炭化物粒子が分解して特性劣化が激しいというという問題点を有している。また、モノマー及び酸化剤の重合反応によって形成されるポリエチレンジオキシチオフェンを電解質として用いる固体電解コンデンサにおいては、200〜280℃の温度範囲で行われる気相半田付け試験(VPS試験)により、炭化物粒子の高温分解による分解生成物がポリエチレンジオキシチオフェン中に含有される酸化剤の分解を促進して、その発生ガス等による封入容器の内圧上昇に起因する特性劣化が生じる。   Further, the technique of Patent Document 4 has a problem that the carbide particles held by the whisker are decomposed on the cathode foil holding the carbide particles by a long-term heat test, and the characteristic deterioration is severe. In solid electrolytic capacitors using polyethylenedioxythiophene formed by polymerization reaction of monomer and oxidant as an electrolyte, carbide particles are obtained by vapor phase soldering test (VPS test) performed at a temperature range of 200 to 280 ° C. The decomposition product of the high temperature decomposition of the catalyst promotes the decomposition of the oxidizing agent contained in the polyethylenedioxythiophene, and the characteristic deterioration due to the increase in the internal pressure of the sealed container due to the generated gas or the like occurs.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高耐熱性かつ大容量化が可能な固体電解コンデンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid electrolytic capacitor having high heat resistance and a large capacity.

本発明に係る固体電解コンデンサは、誘電体皮膜を形成した陽極体と陰極体とがセパレータを介して巻回されたコンデンサ素子を含み、前記陽極体と前記陰極体との間に導電性高分子またはTCNQ錯塩からなる固体電解質が形成された固体電解コンデンサにおいて、前記陰極体は、表面にカーボンナノチューブが形成されてることを特徴とする。 The solid electrolytic capacitor according to the present invention, viewed contains a capacitor element in which the anode body and the cathode body having a dielectric film is wound through a separator, a conductive high between the cathode body and the anode body in the solid electrolytic capacitor solid electrolyte comprising a molecule or TCNQ complex salt is formed, before Kikage polar body, characterized that you have carbon nanotubes is formed on the surface.

より好ましくは、前記カーボンナノチューブは、前記陰極体の表面に化学的気相成長法で形成されてることを特徴とする。 More preferably, the carbon nanotube is characterized that you have made form by chemical vapor deposition on the surface of the cathode body.

より好ましくは、前記導電性高分子は、モノマーと酸化剤との重合反応によって形成され、前記酸化剤は、芳香族スルホン酸金属塩またはアルキルスルホン酸金属塩であることを特徴とする。 More preferably, the conductive polymer is formed by polymerization reaction of a monomer and an oxidizing agent, wherein the oxidizing agent is characterized in that an aromatic sulfonic acid metal salt or alkylsulfonic acid metal salt.

また、本発明に係る固体電解コンデンサの製造方法は、陰極体にカーボンナノチューブを形成する工程を具えた固体電解コンデンサの製造方法であって、前記陰極体にカーボンナノチューブを形成する工程は、エッチングアルミニウム箔の表面を陽極酸化して酸化膜を形成する工程と前記酸化膜をエッチング処理して細孔を形成する工程と前記酸化膜の細孔中及び酸化膜表面にカーボンナノチューブを形成する工程と前記カーボンナノチューブ形成された陰極体の酸化膜を除去する工程とを含むことを特徴とする。 The manufacturing method of solid electrolytic capacitor according to the present invention is a manufacturing method of a solid electrolytic capacitor comprising a step of forming a carbon nanotube in cathode body, forming a carbon nanotube on the cathode body, forming a step of forming a surface anodization to oxide film etching aluminum foil, and forming pores the oxide film by etching, the carbon nanotubes in the pores and in the oxide film surface of said oxide film a step of, characterized in that it comprises a step of removing the oxide film of the cathode body, wherein the carbon nanotubes are formed.

本発明に係る固体電解コンデンサの陰極箔においては、弁金属基材、例えばアルミニウム箔から直接、高電気伝導性を示す多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が成長しているので、陰極箔材固有の体積抵抗が低減し、陰極箔の多層カーボンナノチューブ(MWCNT)による固体電解質層に対するアンカー効果により、陰極箔/固体電解質層界面の密着性が強固になる。その結果、陰極箔と固体電解質層との間の界面抵抗が減少し、tan δ(誘電損失)及びESRを低下できる。   In the cathode foil of the solid electrolytic capacitor according to the present invention, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) showing high electrical conductivity are grown directly from a valve metal substrate, for example, an aluminum foil. The anchoring effect of the cathode foil on the solid electrolyte layer by the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) of the cathode foil strengthens the adhesion at the cathode foil / solid electrolyte layer interface. As a result, the interface resistance between the cathode foil and the solid electrolyte layer is reduced, and tan δ (dielectric loss) and ESR can be reduced.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
陰極箔に用いる基材は、例えば、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の陽極酸化によって酸化皮膜を形成する弁金属であれば特に限定されるものではなく、特に、加工が容易かつ安価であり、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の成長制御が比較的容易なアルミニウムを用いることが好ましい。さらに、アルミニウムは、未処理の平滑箔、または、化学研磨処理によって粗面化処理されたエッチング箔を用いても構わないが、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の成長本数を増加させる為に後者が好ましい。また、この場合の陰極箔の厚さは、20μm〜200μm程度が好ましい。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
The base material used for the cathode foil is not particularly limited as long as it is a valve metal that forms an oxide film by anodic oxidation such as aluminum, tantalum, niobium, etc. It is preferable to use aluminum which is relatively easy to control the growth of the nanotube (MWCNT). In addition, aluminum may be an untreated smooth foil or an etching foil that has been roughened by a chemical polishing treatment, but the latter is preferred in order to increase the number of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) grown. . In this case, the thickness of the cathode foil is preferably about 20 μm to 200 μm.

陰極箔表面に形成する多層カーボンナノチューブ(MWCNT)については、図3に走査電子顕微鏡写真を示す。図5は本発明による多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の合成・析出スキームの概念図を示すものであり以下に説明する。   As for the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) formed on the cathode foil surface, a scanning electron micrograph is shown in FIG. FIG. 5 shows a conceptual diagram of a synthesis and precipitation scheme of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) according to the present invention, which will be described below.

陰極箔厚50μmのエッチングアルミニウム箔を20wt%硫酸中で20Vにおいて2時間陽極酸化し図5(a)のように陰極箔表面に陽極酸化膜を形成する。次に、20wt%硫酸中に1時間浸漬してアルミニウム酸化皮膜を除去することで、図5(b)のように細孔径30nm,膜厚70μm酸化皮膜を得ることができる。   An etched aluminum foil having a thickness of 50 μm is anodized in 20 wt% sulfuric acid at 20 V for 2 hours to form an anodized film on the surface of the cathode foil as shown in FIG. Next, the aluminum oxide film is removed by immersion in 20 wt% sulfuric acid for 1 hour, whereby an oxide film having a pore diameter of 30 nm and a film thickness of 70 μm can be obtained as shown in FIG.

上記のようにして得られた陰極箔(アルミニウム箔)を、800℃の反応炉中に投入し、炭化水素ガスを導入する。この時、炭化水素ガスは、高温になると分解して高電気伝導度の多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が得られる。   The cathode foil (aluminum foil) obtained as described above is put into a reaction furnace at 800 ° C., and hydrocarbon gas is introduced. At this time, the hydrocarbon gas is decomposed at a high temperature to obtain multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) with high electrical conductivity.

この場合、炭化水素ガスの種類としては、たとえば、メタン、エタン、プロパン、n‐ブタン、イソブタンおよびペンタン等のパラフィン系炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素、アセチレン等のアセチレン系炭化水素等、またはこれらの炭化水素の誘導体が挙げられる。これらの炭化水素の中でも、エチレン、プロピレン、ブテンおよびブタジエン等のオレフィン系炭化水素は、高温になるとガス化して比較的高電気伝導度の多層カーボンナノチューブ(MWCNT)得られるので好ましい。   In this case, the types of hydrocarbon gas include, for example, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, n-butane, isobutane and pentane, olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butene and butadiene, and acetylene. Examples thereof include acetylene hydrocarbons and derivatives of these hydrocarbons. Among these hydrocarbons, olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, butene, and butadiene are preferable because they are gasified at a high temperature to obtain multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) having relatively high electrical conductivity.

さらに好ましいのは、メタン、エタンおよびプロパンのうち、いずれか一種の炭化水素であり、最も好ましい炭化水素は工業的に安価であるプロピレンである。   More preferable is any one of methane, ethane and propane, and the most preferable hydrocarbon is industrially inexpensive propylene.

上記のような化学的気相成長法で得られた多層カーボンナノチューブ(MWCNT)は酸化皮膜の外表面及び細孔内壁に堆積する。酸化皮膜表面はカーボンなどに対して強い触媒作用があり、このため酸化皮膜細孔内のナノ空間において、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が細孔内壁への均一な堆積が可能となる。   Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) obtained by chemical vapor deposition as described above are deposited on the outer surface of the oxide film and the inner wall of the pores. The surface of the oxide film has a strong catalytic action on carbon and the like, and therefore, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) can be uniformly deposited on the inner walls of the pores in the nanospace inside the oxide film pores.

このように形成した多層カーボンナノチューブ(MWCNT)/酸化皮膜/アルミニウム箔に対して、0.02%リン酸のような希薄酸溶液に2時間浸漬して酸化皮膜を除去すると、堆積した多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が残存することになる。つまり、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が直線状細孔の内壁に均一に堆積して、陽極酸化皮膜が除去されると、図3の走査型電子顕微鏡(SEM)の画像ように、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が陰極箔上に析出する。   When the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) / oxide film / aluminum foil thus formed is immersed in a dilute acid solution such as 0.02% phosphoric acid for 2 hours to remove the oxide film, the multi-walled carbon nanotubes deposited are removed. (MWCNT) will remain. In other words, when the multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) are uniformly deposited on the inner walls of the linear pores and the anodized film is removed, the multi-walled carbon nanotubes (SEM) shown in FIG. MWCNT) is deposited on the cathode foil.

さらに、図4に多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の透過型電子顕微鏡の画像を示すが、細孔径は10〜500μmであることが好ましい。また、陰極箔の多層カーボンナノチューブ(MWCNT)による固体電解質層に対するアンカー効果が、効果的に作用して陰極箔と固体電解質層の接合強度を向上させ界面抵抗が低減する。   Further, FIG. 4 shows a transmission electron microscope image of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT), and the pore diameter is preferably 10 to 500 μm. In addition, the anchor effect of the cathode foil on the solid electrolyte layer by the multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) acts effectively, improving the bonding strength between the cathode foil and the solid electrolyte layer and reducing the interface resistance.

次に、陽極と陰極との間に形成される固体電解質層である導電性高分子層としては、ポリエチレンジオキシチオフェン系、ポリピロール系等の導電性高分子又はTCNQ錯塩等があげられるが、3,4-エチレンジオキシチオフェンをポリマー化したポリエチレンジオキシチオフェンがよりESRを低下できより好ましい。   Next, examples of the conductive polymer layer that is a solid electrolyte layer formed between the anode and the cathode include polyethylenedioxythiophene-based, polypyrrole-based conductive polymers, or TCNQ complex salts. Polyethylene dioxythiophene obtained by polymerizing 1,4-ethylenedioxythiophene is more preferable because it can lower the ESR.

また、熱重合用の酸化剤としては、例えば、p-トルエンスルホン酸、p-メトキシベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸等の芳香族スルホン酸、あるいはメタンスルホン酸、エタンスルホン酸等のアルキルスルホン酸の金属塩であって、酸化剤の金属塩部分を構成する遷移金属として、鉄(III)、銅(II)、クロム(VI)、セリウム(IV)、マンガン(VII)、亜鉛(II)等でなかでも鉄(III)の金属塩である酸化剤
溶液を使用する。 さらには、酸化剤を混合した混合酸化剤を用いると、導電性高分子中のドーパントが安定化し耐熱性も向上するため好ましい。
Examples of the oxidizing agent for thermal polymerization include aromatic sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid, p-methoxybenzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid, methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, etc. As the transition metal constituting the metal salt portion of the oxidant, the metal salt of the alkyl sulfonic acid of, iron (III), copper (II), chromium (VI), cerium (IV), manganese (VII), zinc In particular, an oxidizing agent solution which is a metal salt of iron (III) is used, such as (II). Furthermore, it is preferable to use a mixed oxidant mixed with an oxidant because the dopant in the conductive polymer is stabilized and the heat resistance is improved.

また、酸化剤の溶媒は、エタノールまたは、エタノールと炭素数1以上のアルコールとの混合溶媒であってもよいが、酸化剤の溶質濃度が40wt%〜70wt%であることが好ましい。酸化剤の溶質濃度が40wt%より小さい場合は、コンデンサ製造において、十分な導電性を有した高分子膜が得られない。酸化剤の溶質濃度が70wt%より大きな場合は、酸化剤が溶液内で析出、沈殿してきて酸化剤溶液として好ましくないことによる。   The solvent of the oxidizing agent may be ethanol or a mixed solvent of ethanol and an alcohol having 1 or more carbon atoms, but the solute concentration of the oxidizing agent is preferably 40 wt% to 70 wt%. When the solute concentration of the oxidizing agent is less than 40 wt%, a polymer film having sufficient conductivity cannot be obtained in capacitor production. When the solute concentration of the oxidizing agent is larger than 70 wt%, the oxidizing agent is precipitated and precipitated in the solution, which is not preferable as the oxidizing agent solution.

(実施例1)
本発明の実施例を説明する。図1は本発明による固体電解コンデサのコンデンサ素子斜視図、図2は本発明による固体電解コンデサの断面図である。
(Example 1)
Examples of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view of a capacitor element of a solid electrolytic capacitor according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the solid electrolytic capacitor according to the present invention.

図1に示すように、アルミニウム箔をエッチング処理後、5Vでの化成処理行ったものを陽極箔3とした。   As shown in FIG. 1, the anode foil 3 was obtained by subjecting the aluminum foil to an etching treatment and then a chemical conversion treatment at 5 V.

陰極箔2は、図5に示すように陰極箔厚50μmのエッチングアルミニウム箔を20wt%硫酸中で20Vにおいて2時間陽極酸化し、次に、20wt%硫酸中に1時間浸漬してアルミニウム酸化皮膜を除去することで、図5(b)のように細孔径30nm,膜厚70μm酸化皮膜を得ることができる。   As shown in FIG. 5, the cathode foil 2 is formed by anodizing an etched aluminum foil having a thickness of 50 μm in 20 wt% sulfuric acid at 20 V for 2 hours, and then dipping in 20 wt% sulfuric acid for 1 hour to form an aluminum oxide film. By removing, an oxide film having a pore diameter of 30 nm and a film thickness of 70 μm can be obtained as shown in FIG.

上記のようにして得られた陰極箔(アルミニウム箔)を、800℃の反応炉中に投入して、炭化水素ガスを導入することで、陰極箔上に多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が得られた。   The cathode foil (aluminum foil) obtained as described above was put into a reaction furnace at 800 ° C., and hydrocarbon gas was introduced to obtain multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) on the cathode foil. .

このときに、陰極箔上に析出した多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の細孔径は、図4の透過型電子顕微鏡(TEM)画像の解析から20μmであった。   At this time, the pore diameter of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) deposited on the cathode foil was 20 μm from the analysis of the transmission electron microscope (TEM) image in FIG.

上記のような方法で得られた陽極箔3と陰極箔2とを対向させ、陽極箔3と陰極箔2の間にマニラ麻を主成分とする電解紙からなるセパレータ紙4を介して円筒状に巻き取りコンデンサ素子1を形成した。
ここで、6はリードタブ端子、7は陽極リード線、8は陰極リード線である。
The anode foil 3 and the cathode foil 2 obtained by the above method are opposed to each other, and the anode foil 3 and the cathode foil 2 are formed in a cylindrical shape via a separator paper 4 made of electrolytic paper mainly composed of Manila hemp. A winding capacitor element 1 was formed.
Here, 6 is a lead tab terminal, 7 is an anode lead wire, and 8 is a cathode lead wire.

その後、コンデンサ素子1に対してアジピン酸アンモニウム濃度1wt%の溶液により切り口化成と280℃の熱処理を行う。   Thereafter, the capacitor element 1 is subjected to cut formation and heat treatment at 280 ° C. with a solution having an ammonium adipate concentration of 1 wt%.

次に、コンデンサ素子1に、重合性モノマーとして3,4-エチレンジオキシチオフェンと、酸化剤溶液として50wt%のp-トルエンスルホン酸第二鉄エタノール溶液を含浸して、280℃の熱重合することにより、該コンデンサ素子1の両電極間に導電性高分子層を形成した。   Next, the capacitor element 1 is impregnated with 3,4-ethylenedioxythiophene as a polymerizable monomer and 50 wt% of p-toluenesulfonic acid ferric ethanol solution as an oxidant solution, and thermally polymerized at 280 ° C. Thus, a conductive polymer layer was formed between both electrodes of the capacitor element 1.

次に、コンデンサ素子1に図4に示す封止用ゴムパッキング10を挿入し、寸法φ8×11.5mmのアルミケース9に収納固定後、アルミケース9の開口部を横絞りとカールすることで封止を行い、その後、エージング処理を行う。   Next, a rubber packing 10 for sealing shown in FIG. 4 is inserted into the capacitor element 1 and stored and fixed in an aluminum case 9 having a dimension φ8 × 11.5 mm, and then the opening of the aluminum case 9 is curled with a horizontal diaphragm. Sealing is performed, and then an aging process is performed.

次に、図2のようなコンデンサのカール面にプラスチック製の座板11を挿入し、コンデンサのリード線7、8を電極端子としてプレス加工・折り曲げを行い、固体電解コンデンサとして完成させた。   Next, a plastic seat plate 11 was inserted into the curled surface of the capacitor as shown in FIG. 2, and the capacitor lead wires 7 and 8 were pressed and bent as electrode terminals to complete a solid electrolytic capacitor.

なお、セパレータには、PET(ポリエチレンテレフタレート)、ビニロン、アラミド繊維を主成分とする不織布等を用いることもできる。   In addition, the nonwoven fabric etc. which have PET (polyethylene terephthalate), vinylon, an aramid fiber as a main component can also be used for a separator.

(比較例1)
比較例1においては、陰極箔として、アルミ箔をエッチングしたのみで厚さ50μmの低化成電圧高倍率エッチドアルミニウム箔を用いた他は、実施例1と同様の条件で固体電解コンデンサを作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a solid electrolytic capacitor was produced under the same conditions as in Example 1 except that a low conversion voltage high-magnification etched aluminum foil having a thickness of 50 μm was used as the cathode foil by etching the aluminum foil. .

(比較例2)
比較例2においては、陰極箔として、厚さ50μmの低化成電圧高倍率エッチドアルミニウム箔に、PVD的手法であるイオンプレーティング法を用いて、その表面にグラファイトライクカーボン(GLC)被膜なる炭素系被覆層の厚さ1.0μmを形成し以外は、実施例1と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
なお、このときのイオンプレーティングの蒸着条件は以下のとおりである。
蒸着条件
時間:2h
温度:200℃
装置内圧力:P=2×10-2Torr
ターゲット:非晶質カーボン
実施例1及び比較例1,2の定格電圧は4WVであり、固体電解コンデンサの周波数120MHzにおける静電容量、周波数100kHzにおけるESR及び定格電圧印加後2分での漏れ電流の値を表1に示す。実施例1及び比較例1、2の固体電解コンデンサは、各50個ずつ作製し、それらの平均値を表1に示す。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, as a cathode foil, a low conversion voltage high-magnification etched aluminum foil having a thickness of 50 μm is subjected to ion plating, which is a PVD technique, and carbon that becomes a graphite-like carbon (GLC) film on the surface thereof. A solid electrolytic capacitor was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the system coating layer was 1.0 μm.
The deposition conditions for ion plating at this time are as follows.
Deposition condition time: 2h
Temperature: 200 ° C
In-apparatus pressure: P = 2 × 10 −2 Torr
Target: Amorphous carbon The rated voltage of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 is 4 WV, the capacitance of the solid electrolytic capacitor at a frequency of 120 MHz, the ESR at a frequency of 100 kHz, and the leakage current at 2 minutes after application of the rated voltage. Values are shown in Table 1. 50 solid electrolytic capacitors of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared, and the average value thereof is shown in Table 1.

また、気相半田付け(VPS)試験(230×75秒×2回)後、125℃雰囲気で4Vの電圧をかけ1000時間経過後の負荷耐熱試験後の静電容量値の特性変化は、   In addition, after vapor phase soldering (VPS) test (230 × 75 seconds × 2 times), a voltage of 4V is applied at 125 ° C atmosphere, and the change in the capacitance value after the load heat test after 1000 hours is

Figure 0004832342
Figure 0004832342

(但し、C0は初期静電容量、Cは気相半田付け試験の静電容量値)
で示される。
(However, C0 is the initial capacitance, C is the capacitance value of the vapor phase soldering test)
Indicated by

Figure 0004832342
Figure 0004832342

表1から、実施例1、比較例1、比較例2とを比較すると明らかなように、化学的気相成長法により析出した多層カーボンナノチューブ(MWCNT)が表面に形成された陰極箔を用いることによって、比較例1(陰極箔がエッチングのみ)の場合、比較例2(陰極箔にグラファイトライクカーボン(GLC))の場合に比べて、固体電解コンデンサの大幅な大容量化、高耐熱性を実現することができた。  As is clear from Table 1, when Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are compared, a cathode foil having multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) deposited by chemical vapor deposition is used. Compared to Comparative Example 1 (graphite-like carbon (GLC) as the cathode foil) in Comparative Example 1 (cathode foil is etched only), the solid electrolytic capacitor has a significantly larger capacity and higher heat resistance. We were able to.

また、実施例1では、負荷耐熱試験後にコンデンサ素子を分解すると、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の基材であるアルミニウム陰極箔より導電性高分子の剥離あるいは脱落は観察されなかった。   Further, in Example 1, when the capacitor element was disassembled after the load heat resistance test, no peeling or dropping of the conductive polymer was observed from the aluminum cathode foil which is the base material of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT).

今回の発明によって、今後市場で要求される高耐熱性かつ大容量の固体電解コンデンサを提供することが可能となる。     The present invention makes it possible to provide a high heat resistance and large capacity solid electrolytic capacitor that will be required in the future market.

尚、本発明の実施例では、電極箔にはエッチドアルミニウム箔を、電解質にはポリチオフェン系導電性高分子を用いているが、電極箔においてはプレーン(未エッチド)アルミニウム箔を用いても、電解質においてはポリピロール系、ポリアニリン系等の導電性高分子またはTCNQ錯塩等を用いてもそれぞれ同様の効果が得られる。   In the embodiment of the present invention, an etched aluminum foil is used for the electrode foil, and a polythiophene-based conductive polymer is used for the electrolyte, but a plain (unetched) aluminum foil is used for the electrode foil. The same effect can be obtained by using polypyrrole-based or polyaniline-based conductive polymer or TCNQ complex salt in the electrolyte.

また、本例では、表面実装型巻回式コンデンサについて示したが、ラジアルタイプ、積層型コンデンサについても同様の効果が得られるので、電解質、コンデンサの実施形体について減縮して解すべきではない。   In this example, the surface mount type winding capacitor is shown. However, since the same effect can be obtained for the radial type and the multilayer type capacitor, the embodiment of the electrolyte and capacitor should not be reduced.

本発明による固体電解コンデンサ内のコンデンサ素子斜視図Capacitor element perspective view in a solid electrolytic capacitor according to the present invention 本発明による固体電解コンデンサの断面図Sectional view of a solid electrolytic capacitor according to the present invention 本発明に係る陰極箔に析出したMWCNTの走査型電子顕微鏡画像Scanning electron microscope image of MWCNT deposited on cathode foil according to the present invention MWCNT断面の透過型電子顕微鏡画像Transmission electron microscope image of MWCNT cross section 本発明によるMWCNTの合成・析出スキームの概念図(a)陰極箔上の酸化皮膜形成状態、(b)陰極箔上の酸化皮膜エッチング後の状態、(c)陰極箔上の酸化皮膜上へのMWCNT形成状態、(d)酸化皮膜除去後のMWCNT形成状態Schematic diagram of MWCNT synthesis / deposition scheme according to the present invention (a) State of oxide film formation on cathode foil, (b) State after oxide film etching on cathode foil, (c) State of oxide film on cathode foil MWCNT formation state, (d) MWCNT formation state after oxide film removal

符号の説明Explanation of symbols

1 コンデンサ素子、2 陰極箔、3 陽極箔、4 セパレータ紙、5 巻き止めテー プ、6 リードタブ端子、7 陽極リード線、8 陰極リード線、9 アルミケース、 10 封止用ゴムパッキング、11 座板、12 電極端子、13酸化皮膜、14 細孔、
15 多層カーボンナノチューブ(MWCNT)
1 Capacitor element, 2 Cathode foil, 3 Anode foil, 4 Separator paper, 5 Winding tape, 6 Lead tab terminal, 7 Anode lead wire, 8 Cathode lead wire, 9 Aluminum case, 10 Sealing rubber packing, 11 Seat plate , 12 electrode terminals, 13 oxide film, 14 pores,
15 Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)

Claims (4)

誘電体皮膜を形成した陽極体と陰極体とがセパレータを介して巻回されたコンデンサ素子を含み、前記陽極体と前記陰極体との間に導電性高分子またはTCNQ錯塩からなる固体電解質が形成された固体電解コンデンサにおいて、
記陰極体は、表面にカーボンナノチューブが形成されてることを特徴とする固体電解コンデンサ。
Look containing a capacitor element and the anode body and the cathode body having a dielectric film is wound through a separator, solid electrolyte made of a conductive polymer or TCNQ complex salt between the cathode body and the anode body is In the formed solid electrolytic capacitor,
Before Kikage polar body, a solid electrolytic capacitor characterized that you have carbon nanotubes is formed on the surface.
前記カーボンナノチューブは、前記陰極体の表面に化学的気相成長法で形成されてることを特徴とする請求項1に記載の固体電解コンデンサ。 The carbon nanotubes, solid electrolytic capacitor according to claim 1, characterized that you have made form by chemical vapor deposition on the surface of the cathode body. 前記導電性高分子は、モノマーと酸化剤との重合反応によって形成され、
前記酸化剤は、芳香族スルホン酸金属塩またはアルキルスルホン酸金属塩であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体電解コンデンサ。
The conductive polymer is formed by a polymerization reaction between a monomer and an oxidizing agent ,
The oxidizing agent is a solid electrolytic capacitor according to claim 1 or 2, characterized in that an aromatic sulfonic acid metal salt or alkylsulfonic acid metal salt.
陰極体にカーボンナノチューブを形成する工程を具えた固体電解コンデンサの製造方法であって、
前記陰極体にカーボンナノチューブを形成する工程は、
エッチングアルミニウム箔の表面を陽極酸化して酸化膜を形成する工程と
前記酸化膜をエッチング処理して細孔を形成する工程と
前記酸化膜の細孔中及び酸化膜表面にカーボンナノチューブを形成する工程と
前記カーボンナノチューブ形成された陰極体の酸化膜を除去する工程とを含むことを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。
A method of manufacturing a solid electrolytic capacitor comprising a step of forming a carbon nanotube in cathode body,
The step of forming carbon nanotubes on the cathode body includes:
Forming an oxide film by anodizing the surface of the etched aluminum foil ;
Etching the oxide film to form pores ;
Forming carbon nanotubes in the pores of the oxide film and on the surface of the oxide film ;
And a step of removing the oxide film of the cathode body on which the carbon nanotubes are formed.
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