JP4947150B2 - 固体電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、各種電子機器に用いられる固体電解コンデンサの製造方法に関する。
電子機器の高速化、高周波化に伴って、ＣＰＵの電源ラインに使用される電解コンデンサは、低周波領域から１ＭＨｚ〜１ＧＨｚ付近までの高周波領域に至る広帯域のノイズ除去や過渡応答に優れることが求められ、大容量で低インピーダンスを有することが要望されている。
積層された複数の電極箔を備えたコンデンサよりも容易に大容量が得られる巻回形の固体電解コンデンサが製品化されてきている。巻回形の固体電解コンデンサは、セパレータを介して積層された陽極箔と陰極箔とを巻回して作製される。このような固体電解コンデンサは、寿命、温度特性に加え、特に優れた高周波特性を有するので、パーソナルコンピュータの電源回路に広く採用されている。
図４は特許文献１、２に記載されている従来の固体電解コンデンサ５０１の一部切り欠き斜視図である。アルミニウム箔よりなる陽極箔１０１はエッチング処理することにより粗面化された表面を有し、その表面には化成処理によって誘電体酸化皮膜層が形成されている。陰極箔１０２はアルミニウム箔からなる。絶縁性のセパレータ１０３を介して陽極箔１０１と陰極箔１０２を重ねて巻回することによってコンデンサ素子１０５が構成されている。
固体電解質層１０４はセパレータ１０３に含浸された導電性高分子からなる。陽極リード線１０６と陰極リード線１０７は陽極箔１０１と陰極箔１０２に夫々接合されて外部へ引き出されている。ケース１０８はコンデンサ素子１０５を収容している。ケース１０８はアルミニウムよりなり、底を有する円筒形状を有する。封口部材１０９は樹脂加硫ブチルゴムよりなり、陽極リード線１０６と陰極リード線１０７がそれぞれ挿通する孔１０９Ａ、１０９Ｂを有し、ケース１０８の開口部を封止する。
固体電解コンデンサ５０１に電圧を印加すると漏れ電流が流れて発熱し、寿命が短くなる場合がある。
特開平１０−３４０８２９号公報 特開２００７−１０３４９９号公報
固体電解コンデンサは、陽極箔と、陽極箔の表面上に設けられた誘電体酸化皮膜層と、誘電体酸化皮膜層上に設けられたセパレータと、セパレータに含浸された導電性高分子からなる固体電解質層と、固体電解質層を介して誘電体酸化皮膜層に対向する陰極箔と、陽極箔の表面上に設けられたリン酸塩とを備え、リン酸塩は陽極箔の１ｃｍ2あたり０．５μｇ〜５０μｇだけ存在する。
本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、金属からなる陽極箔の表面を化成処理して誘電体酸化皮膜層を形成するステップと、金属からなる陰極箔が絶縁性のセパレータを介して前記誘電体酸化皮膜層と対向するように、陽極箔とセパレータと陰極箔とを積層するステップと、陽極箔と前記セパレータと陰極箔とを積層するステップの後で、陽極箔とセパレータと陰極箔とを巻回してコンデンサ素子を形成するステップと、リン酸塩を含有する化成液にコンデンサ素子を浸して誘電体酸化皮膜層を修復するステップと、誘電体酸化皮膜層を修復するステップの後で、陽極箔上にリン酸塩が残留するようにコンデンサ素子を洗浄せずに乾燥させ、セパレータに導電性高分子を含浸させて固体電解質層を形成し、リン酸塩を陽極箔の１ｃｍ ２ あたり０．５μｇ〜５０μｇだけ存在させるものである。
この固体電解コンデンサでは漏れ電流を小さくすることができる。
本発明の実施の形態における固体電解コンデンサの一部切り欠き斜視図 実施の形態における固体電解コンデンサの断面図 実施の形態における固体電解コンデンサの評価結果を示す図 実施の形態における固体電解コンデンサの評価結果を示す図 従来の固体電解コンデンサの一部切り欠き斜視図
図１と図２はそれぞれ本発明の実施の形態における固体電解コンデンサ１００１の一部切り欠き斜視図と断面図である。アルミニウム等の金属よりなる陽極箔１は、エッチング処理により粗面化された表面１Ａを有する。表面１Ａを化成処理することで、表面１Ａ上に誘電体酸化皮膜層１Ｂが設けられている。誘電体酸化皮膜層１Ｂ上に絶縁性のセパレータ３が設けられており、セパレータ３上にはアルミニウム等の金属からなる陰極箔２が設けられている。すなわち、陰極箔２はセパレータ３を介して誘電体酸化皮膜層１Ｂと対向している。このように積層された陽極箔１と誘電体酸化皮膜層１Ｂとセパレータ３と陰極箔２は巻回されてコンデンサ素子５を構成している。セパレータ３に含浸された導電性高分子４Ａは固体電解質層４を構成している。すなわち、陰極箔２は固体電解質層４を介して誘電体酸化皮膜層１Ｂと対向している。誘電体酸化皮膜層１Ｂ上にはリン酸塩の電解質１Ｃが設けられている。陽極リード線６と陰極リード線７は陽極箔１と陰極箔２に夫々接合されている。アルミニウムよりなるケース８は底８Ａを有し、開口部８Ｂを有する円筒形状を有する。ケース８は開口部８Ｂからリード線６、７が出るようにコンデンサ素子５を収容している。樹脂加硫ブチルゴムよりなる封口部材９はリード線６、７がそれぞれ挿通する孔９Ａ、９Ｂを有して、ケース８の開口部８Ｂを封止する。
固体電解コンデンサ１００１の製造方法を以下に説明する。
まず、陽極箔１の表面１Ａを化成処理することにより表面１Ａに誘電体酸化皮膜層１Ｂを形成する。陽極箔１に陽極リード線６を接合する。陰極箔２に陰極リード線７を接合する。次いでセパレータ３を介して誘電体酸化皮膜層１Ｂが陰極箔２と対向するように陽極箔１とセパレータ３と陰極箔２を積層し、巻き取り機によって巻回してコンデンサ素子５を作製する。積層された陽極箔１とセパレータ３と陰極箔２とを巻回する際に、誘電体酸化皮膜層１Ｂに亀裂や損傷が発生する場合がある。
次に、コンデンサ素子５を化成液に浸して電圧をリード線６、７間に印加して、陽極箔１の端面に誘電体酸化皮膜層を形成し、誘電体酸化皮膜層１Ｂに亀裂や損傷が発生して露出した表面１Ａの部分を化成処理して誘電体酸化皮膜を形成して誘電体酸化皮膜層１Ｂを修復する。化成液はリン酸塩を電解質として含有し、本実施の形態では、リン酸二水素アンモニウムを電解質として含有する。その後、コンデンサ素子５を加熱して乾燥させる。
その後、コンデンサ素子５を重合液に含浸して、セパレータ３に導電性高分子４Ａを含浸させて固体電解質層４を形成する。
その後、コンデンサ素子５をケース８に収容し、封口部材９を開口部８Ｂに収容して開口部８Ｂを絞り加工して封止し、固体電解コンデンサ１００１を完成させる。
従来の固体電解コンデンサの製造方法では、コンデンサ素子５を化成液に浸して誘電体酸化皮膜層１Ｂの亀裂や損傷を修復した後で、水や洗浄液で洗浄して化成液をコンデンサ素子５から取り除いた後にコンデンサ素子５を乾燥させる。実施の形態による固体電解コンデンサ１００１の製造方法では、コンデンサ素子５を化成液に浸して誘電体酸化皮膜層１Ｂの亀裂や損傷を修復した後では、コンデンサ素子５を洗浄せずに乾燥させる。これにより、誘電体酸化皮膜層１Ｂ上に化成液の電解質１Ｃ（リン酸塩）を残留させる。
これにより、固体電解コンデンサ１００１コンデンサ素子５を洗浄する工程を削減することができる。また、固体電解質層４を形成した後でもコンデンサ素子５に物理的なストレスが加わり、誘電体酸化皮膜層１Ｂに亀裂や損傷が発生する可能性がある。固体電解コンデンサ１００１が完成した後でリード線６、７に電圧を印加することで陽極箔１の表面１Ａ上に残留した電解質でありリン酸塩は、誘電体酸化皮膜層１Ｂに発生した亀裂や損傷から露出する陽極箔１の表面１Ａの部分を化成処理して誘電体酸化皮膜を形成し、誘電体酸化皮膜層１Ｂに発生した亀裂や損傷を修復する。したがって、誘電体酸化皮膜層１Ｂに発生した亀裂や損傷に起因する漏れ電流を抑制することができ、固体電解コンデンサの信頼性を向上させることができる。
実施の形態では、コンデンサ素子５は、巻回された陽極箔１と陰極箔２とセパレータ３とを有する。実施の形態による固体電解コンデンサは、セパレータ３を介して陽極箔１と陰極箔２が対向し、巻回されていない陽極箔１と陰極箔２とセパレータ３とを有するコンデンサ素子を備えてもよい。
固体電解コンデンサ１００１の陽極箔１と陰極箔２は共にアルミニウムよりなる。実施の形態によるコンデンサ素子５の陰極箔２は、ニッケル、チタン、カーボン等の導体よりなっていてもよく、同様の効果が得られる。
実施の形態における化成液の電解質はリン酸塩であり、特にリン酸二水素アンモニウムである。この化成液は高い耐水性を有し、陽極箔１の表面１Ａに酸化皮膜層１Ｂを形成する際にも用いられるので、完成後の固体電解コンデンサ１００１において固体電解質層４に悪影響を与えない。
コンデンサ素子５において、リン酸塩は陽極箔１の１ｃｍ２あたり０．５μｇ〜５０μｇだけ残留して存在することが好ましい。残留するリン酸塩が０．５μｇより少ないと、陽極箔１の表面１Ａを十分化成処理することができずに誘電体酸化皮膜層１Ｂを十分修復できない。残留するリン酸塩が５０μｇより多いと、固体電解質層４の導電性高分子４Ａの重合を妨げ、良好な固体電解質層４を形成することが困難な場合がある。
化成液の電解質のリン酸塩がリン酸二水素アンモニウムである場合に、以下の方法でコンデンサ素子５に残留するリン酸塩の量を測定する。まず、あらかじめ化成液の水溶液の濃度と導電率の関係を測定して、水溶液の導電率と水溶液中の化成液の濃度との関係を示す検量線を作成する。乾燥させた後のコンデンサ素子５を分解して陽極箔１を所定の量の水に入れて、陽極箔１に付着している化成液を水に溶解させて抽出液を作製する。
次に、その抽出液の導電率を測定し、検量線から抽出液の化成液の濃度を求める。さらに、化成液中のリン酸塩の濃度と抽出液の体積から化成液中のリン酸塩の量を計算する。
次いで、計算したリン酸塩の量と陽極箔１の面積から、陽極箔１の単位面積あたりのリン酸塩の量を算出する。
実施の形態による固体電解コンデンサである実施例１の試料を作製した。まず、陽極箔１の表面１Ａに化成電圧１２Ｖで化成処理を施して誘電体酸化皮膜層１Ｂを形成した。その後、上記の方法でコンデンサ素子１を作製した。次に、コンデンサ素子１内の誘電体酸化皮膜層１Ｂの亀裂や損傷を修復するために、液温７０℃で１．０重量％のリン酸二水素アンモニウム水溶液にコンデンサ素子１を浸し、リード線６、７に誘電体酸化皮膜層１Ｂを形成した化成電圧（１２Ｖ）を超えない範囲の電圧（例えば１１Ｖ）を印加して誘電体酸化皮膜を形成した。その後、コンデンサ素子１をリン酸二水素アンモニウム水溶液から取り出して１００〜１８０℃の温度で３０分程度加熱し乾燥させた。続いて、コンデンサ素子１にエチレンジオキシチオフェン（ＥＤＯＴ）またはＥＤＯＴ溶液を含浸させた。次いで、パラトルエンスルホン酸第二鉄のブタノール溶液を含浸させた。その後、コンデンサ素子１をブタノール溶液から取り出して、２０〜１８０℃の温度で３０分以上加熱して、セパレータ３に導電性高分子を形成した。次に、コンデンサ素子１をケース８に収容し、ケースの開口部８Ｂに封口部材９を入れた。その後、ケース８の開口部８Ｂをカーリング処理により封止した。その後、リード線６、７に直流電圧６．３Ｖを雰囲気温度１０５℃で１時間連続的に印加することによりコンデンサ素子１にエージングを施し、直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍサイズの固体電解コンデンサ１の実施例１の試料を作製した。実施例１の試料の定格電圧は６．３Ｖである。
上記と同様の方法で固体電解コンデンサ１の定格電圧２５Ｖの実施例２の試料を作製した。実施例２の試料では、誘電体酸化皮膜層１Ｂを形成する化成電圧を５０Ｖに設定した。また、コンデンサ素子１を作製した後で誘電体酸化皮膜層１Ｂを修復する電圧は４８Ｖに設定した。また、ケース８を封止した後でのエージングの電圧を２５Ｖに設定した。
また、誘電体酸化皮膜層を修復した後でコンデンサ素子を水で１０分間だけ洗浄してリン酸二水素アンモニウム水溶液を取り除いて、定格電圧６．３Ｖ、２５Ｖをそれぞれ有する比較例１、２の試料を作製した。また、誘電体酸化皮膜層を修復しない定格電圧６．３Ｖ、２５Ｖをそれぞれ有する比較例３、４の試料を作製した。
実施例１、２と比較例１〜４の試料に直流電圧６．３Ｖを印加して２分後の漏れ電流を測定した。さらにこれらの試料の直列等価抵抗（ＥＳＲ）を１００ｋＨｚで測定した。また、上記の方法で実施例１、２の試料に残留しているリン酸二水素アンモニウムの量を測定した。実施例１、２の漏れ電流とＥＳＲのリン酸二水素アンモニウムの量の測定結果を図３Ａと図３Ｂに示す。図３Ｂは図３Ａの横軸を拡大して測定結果を示す。図３Ａに示すように、リン酸二水素アンモニウムの量が陽極箔１の表面１Ａの１ｃｍ２あたり５０μｇより多くなると、漏れ電流とＥＳＲは大きくなる。また、図３Ｂに示すように、リン酸二水素アンモニウムの量が陽極箔１の表面１Ａの１ｃｍ２あたり０．５μｇより少なくても、漏れ電流が大きくなる。したがって、リン酸塩は陽極箔１の表面１Ａの１ｃｍ２あたり０．５μｇ〜５０μｇだけ残留して存在することが好ましい。
また、実施の形態において、固体電解質層４を形成する導電性高分子はチオフェンおよびその誘導体を遷移金属塩からなる酸化剤で重合させて形成することで、漏れ電流を効果的に抑制することができる。
なお、固体電解コンデンサ１００１はコンデンサ素子５を収容するアルミニウムよりなるケース８を備えるが、ケース８の代わりに、コンデンサ素子５を覆う外装樹脂を備えてもよい。
本発明による固体電解コンデンサは漏れ電流を小さくすることができるので、高い信頼性を有し、各種電子機器に有用である。
１ 陽極箔
１Ａ 表面
１Ｂ 誘電体酸化皮膜層
１Ｃ 電解質
２ 陰極箔
３ セパレータ
４ 固体電解質層
４Ａ 導電性高分子

Claims (3)

  1. 金属からなる陽極箔の表面を化成処理して誘電体酸化皮膜層を形成するステップと、
    金属からなる陰極箔が絶縁性のセパレータを介して前記誘電体酸化皮膜層と対向するように、前記陽極箔と前記セパレータと前記陰極箔とを積層するステップと、
    前記陽極箔と前記セパレータと前記陰極箔とを積層するステップの後で、前記陽極箔と前記セパレータと前記陰極箔とを巻回してコンデンサ素子を形成するステップと、
    リン酸塩を含有する化成液に前記コンデンサ素子を浸して前記誘電体酸化皮膜層を修復するステップと、
    前記誘電体酸化皮膜層を修復するステップの後で、前記陽極箔上に前記リン酸塩が残留するように前記コンデンサ素子を洗浄せずに乾燥させ、前記セパレータに導電性高分子を含浸させて固体電解質層を形成し、前記リン酸塩を前記陽極箔の１ｃｍ 2 あたり０．５μｇ〜５０μｇだけ存在させる、固体電解コンデンサの製造方法。
  2. 前記リン酸塩はリン酸二水素アンモニウムである、請求項１に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
  3. 前記固体電解質層を形成するステップは、チオフェンおよびその誘導体を遷移金属塩からなる酸化剤で重合させた導電性高分子を前記セパレータに含浸させるステップを含む、請求項１に記載の固体電解コンデンサの製造方法。
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