JP4952456B2 - 固体電解コンデンサの実装基板への接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、過渡応答性に優れ、高周波領域までインピーダンスが低い固体電解コンデンサおよび固体電解コンデンサの実装基板への接続構造に関する。

電子回路のデジタル化が進み、大電流・低電圧で動作するＬＳＩなどの電源電圧安定化に対応するため、電荷供給が充分な速さでできる、過渡応答性の良いコンデンサが望まれている。

一方で高周波化が進んだＬＳＩからの高周波電流を電源系から遮断するための、高周波低インピーダンス素子が望まれているが、従来の２端子コンデンサでは、回路への接続に金属リード端子等を介在するために配線回路長が長くなるため、ＥＳＲ・ＥＳＬが大きく、過渡応答性が悪く、また、２端子コンデンサを組み合わせてノイズフィルタ回路を構成しても高周波領域までの充分な低インピーダンス化が図れない。

このような問題点を解決するために、特許文献１または特許文献２に示すように、陰極端子部と陽極端子部を、同一面上に陰極と陽極を交互に配置することで、ＥＳＲが低くなると共に、ＥＳＬが打ち消しあって低減されることで、過渡応答性を低減した固体電解コンデンサが開示されている。しかし、この特許文献１または特許文献２の技術では、従来に比べて高周波領域までの低インピーダンス化が図られるが、一定周波数以上の高周波領域ではインピーダンスが上昇する問題があった。

また、特許文献３に開示されている、分布定数型のノイズフィルタでは、伝送線路構造を用いることで、広帯域で高周波領域までの高周波電流の遮断を可能とすると共に、電極端子を実装面となる下面に配置し、陽陰極端子間を近づけることで、低ＥＳＲ、低ＥＳＬを図って過渡応答性を向上している。

この過渡応答性の向上に関しては、電子回路のさらなる大電流・低電圧化が年々進むことから、特許文献３のノイズフィルタに限らず、コンデンサに対しても更なる過渡応答性の改善が求められているが、従来では、このような要求を満足するコンデンサは提案されていなかった。

特開２００２-２３７４３１号公報 特開２００５-１４２４３７号公報 特開２００２-１６４７６０号公報

本発明は、以上のような従来の技術的課題を背景になされたものであり、その目的は、低ＥＳＲ、低ＥＳＬ化による過渡応答性の改善と、高周波領域までの低インピーダンス化による高周波電流の遮断を可能とした固体電解コンデンサおよび固体電解コンデンサの実装基板への接続構造を提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、平板状の弁作用金属基体の端部に第１の陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体における前記第１の陽極端子部が形成された領域の残余領域に、誘電体酸化被膜、および、固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部が形成され、この陰極部をなす領域の一部に、前記弁作用金属基体と接続された第２の陽極端子部が形成された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、平板状の弁作用金属基体に第１の陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体における実装基板への接続面には、誘電体酸化被膜、固体電解質および導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部が形成され、この陰極部をなす領域の一部に、前記弁作用金属基体と接続された第２の陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体における実装基板への接続面と反対側の面に、誘電体酸化被膜、固体電解質および導電性部材からなる陰極電極層を順次設けて伝送線路形成用の陰極部が設けられ、これら弁作用金属基体の両面に形成された各部材から複数の伝送線路を有するコンデンサ素子が形成された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、平板状の弁作用金属基体に陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体の両面に誘電体酸化被膜、および、固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部とした伝送線路形成用コンデンサ素子が形成され、この伝送線路形成用コンデンサ素子に対して、前記請求項１または請求項２に記載のコンデンサ素子が積層され、これらのコンデンサ素子が電気的に並列に接続された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、前記請求項１〜３に記載の固体電解コンデンサの実装基板の接続構造において、一対の第１の陽極端子部を備え、第１の陽極端子部の一方が実装基板の電源ライン導体層に接続され、他方の第１の陽極端子部および第２の陽極端子部が出力電源導体層に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、陰極部領域に第２の陽極端子部を設けることで、配置回路長を短くすることが可能となりＥＳＲが低減すると共に、ＥＳＬが互いに打ち消しあって低減される。また、複数の陽極端子部により電荷供給経路が増えることから、過渡応答性が改善され、一方では、伝送線路構造のコンデンサが電源導体層パターンの一部となることで、広帯域で高周波領域までの高周波電流の遮断を可能としている。また、複数のコンデンサ素子を積層構造とした場合には、並列効果に伴う低インピーダンス化が可能となり、大容量化を図れる利点もある。

更に、本発明の固体電解コンデンサの実装基板への接続構造においては、電源ライン導体層と出力電源導体層は、前記固体電解コンデンサの伝送線路構造領域を通して接続されており、高周波ノイズ電流は電源系から遮断される。また、電荷供給経路数を多くした接続構造となるため、過渡応答性が良好である。

（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図１および図２を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明の固体電解コンデンサの第１実施形態を示す断面図、図２はその実装基板への接続面側から見た平面図である。

図中、符号１は、平板状の弁作用金属基体であって、その両端部には第１の陽極端子部ａ１，ａ２が形成されている。この弁作用金属基体１の下面（実装基板への接続面）における第１の陽極端子部ａ１，ａ２が形成された領域の残余領域には、誘電体酸化被膜４を形成すると共に、この誘電体酸化被膜４の表面に固体電解質５および導電性部材６からなる陰極電極層を順次設けて、陰極部ｄ１，ｄ２が形成されている。

前記弁作用金属基体１における陰極部ｄ１，ｄ２をなす領域の一部には、弁作用金属基体１と一体に形成され、その表面が陰極電極層と面位置に露出した第２の陽極端子部ｂ１が形成されている。また、陰極部ｄ１，ｄ２の外周部（第２の陽極端子部ｂ１との境界面）には、絶縁部材８が設けられている。この場合、第２の陽極端子部は、弁作用金属基体１本体と電気的に接続されていれば、弁作用金属基体１の一部を突出させて形成しても、別部材を接合して形成しても良い。

一方、前記弁作用金属基体１の上面（実装基板への接続面と反対側の面）における第１の陽極端子部ａ１，ａ２が形成された領域の残余領域には、誘電体酸化被膜１４を形成すると共に、この誘電体酸化被膜１４の表面に固体電解質１５および導電性部材１６からなる陰極電極層を順次設けて、伝送線路形成用の陰極部２０が形成されている。この伝送線路形成用陰極部２０の周囲は、絶縁部材１８によって絶縁されている。

なお、図１および図２の実施の形態は、第１の陽極端子部ａ１，ａ２、陰極部ｄ１，ｄ２および第２の陽極端子部ｂ１を、矩形状をした弁作用金属基体１の長手方向に沿って交互に形成したが、これらの形状や数、配置箇所は、図１および図２に記載のものに限定されるものではない。特に、図１および図２では、その構造を分かり易くするために、陰極部ｄ１，ｄ２を２箇所設けているが、陰極部の数はこれに限るものではなく、多数個設けることも可能である。

例えば、図３および図４に示すように、弁作用金属基体１の実装基板への接続面における第１の陽極端子部ａ１，ａ２が形成された領域の残余領域に誘電体酸化被膜４と陰極電極層を設けて、この残余領域内に、複数個の円形をした第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎ（図４の例ではｎ＝４）と、これに対応して近接配置された複数の陰極部ｄ１〜ｄｎ（図４の例ではｎ＝４）を形成することもできる。

更に、図５に示すように、第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎ（図の例ではｎ＝３）の形状を四角形として、第１の陽極端子部ａ１，ａ２が形成された領域の残余領域に形成されている誘電体酸化被膜４と陰極電極層部分の一方の縁に、一定の間隔で複数個配置することもできる。

次に、前記のような構成を有する第１実施形態の固体電解コンデンサを実装基板に接続する構成について、図６を参照して説明する。すなわち、図６において、符号５１は実装基板であって、その片面に第１実施形態の固体電解コンデンサ５２が実装され、反対側の面にＩＣなどの負荷回路部品５３が実装されている。

実装基板５１には、電源５４に接続された電源ライン導体層５４ａ、この電源ライン導体層５４ａに接続されていない出力電源導体層５４ｂ、およびこれら電源ライン導体層５４ａと出力電源導体層５４ｂに形成されたコンデンサ陽極端子接続部５４ｃと負荷回路部品接続部５４ｄが設けられている。

このコンデンサ陽極端子接続部５４ｃは、第１実施形態の固体電解コンデンサの実装基板接続面に露出している第１の陽極端子部ａ１，ａ２と第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎの位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。また、負荷回路部品接続部５４ｄは、負荷回路部品５３に設けられた複数の陽極接続端子の位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。

同様に、実装基板５１には、グランド（接地側）導体層５５ａが設けられ、このグランド導体層５５ａにもコンデンサ陰極部接続部５５ｃと負荷回路部品接続部５５ｄが設けられている。

このコンデンサ陰極端子接続部５５ｃは、第１実施形態の固体電解コンデンサの実装基板接続面に露出している複数の陰極部ｄ１〜ｄｎの位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。また、負荷回路部品接続部５５ｄは、負荷回路部品５３に設けられた１つの陰極接続端子の位置に合わせて設けられた１つの端子を備えている。

次に、前記のような構成を有する第１実施形態の作用を前記図１，図６〜図９を参照して説明する。

前記図１の断面図に示すように、第１実施形態の固体電解コンデンサ５２は、中心部に配置された弁作用金属基体１の両側にそれぞれ誘電体酸化被膜４と陰極電極層とが形成され、しかも、実装基板への接続面側には、複数組の第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎとこれに対応する陰極部ｄ１〜ｄｎが形成されている。

ここで、図１の丸で囲んだ部分を切り出すと、この部分は陽極端子部が形成されていない領域であり、弁作用金属基体１の両面（２つの主面とも呼ばれる）に対して、両面ともに誘電体酸化被膜４と陰極電極層が形成された構成となっている。この構成を伝送線路と呼び、ここを高周波電流が通るときのインピーダンスは特性インピーダンスと呼ばれる、周波数が変化しても一定値を取る特性を示す。

そのため、この固体電解コンデンサ５２を、図６に示すような構成を有する電源ライン並びにグランド導体層を形成した実装基板５１を介して負荷回路部品５３に接続すると、その電気的な配線は、図７の配線図に示すように、負荷回路部品５３に対して、複数個の伝送線路が並列に接続された状態となる。

ここで、伝送線路は、図８に示す等価回路で示され、そのインピーダンスは、低周波数領域では集中定数回路となるのに対して、これが高周波領域では、分布定数回路（伝送線路）となり、Ｚ＝（Ｌ／Ｃ）^1/2と一定値を示す（図９参照）。このため、高周波領域でのインピーダンス上昇も無く、非常に良い高周波電流遮断特性を示す。

なお、図８の等価回路は、個々の伝送線路ごとの等価回路を示すものであり、回路を多数組み併設しているのは、a)低周波で流れる場合を、１組の等価回路とみて、b)高周波になったときには、波長が短くなるので相対的に線路が長く見え、多数組の等価回路をいくつも連ねたように見える分布定数回路（特性インピーダンス一定）となるためである。そのため、高周波領域で使われる本実施形態においては、図８の等価回路が各伝送線路ごとに存在することになる。

一方、電荷供給を充分な速さで行うための、過渡応答性の改善には、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）の低減が重要である。ＥＳＬ低減のポイントは次のようなことである。
(1) 電流経路（配線長）を短くすること。
(2) 電流経路を流れる電流により形成される磁場を、別の電流経路を流れる電流により形成される磁場で相殺すること。
(3) 電流経路をｎ個に分割して、実質的にＥＳＬを１／ｎとする。

これに対して、第１実施形態においては、次のような理由から、過渡応答性としては非常に良好な特性が得られる。
(a) 陽極端子部と陰極部が同一面から取り出され（下面：実装基板への接続面）ており、配線経路は短くなし得る。
(b) 陽極と陰極が近傍に交互配置されており、ＥＳＬが相殺される構造である。
(c) 電流経路が、任意に増やせる構成であり、ＥＳＬ低減ができる。

（２）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態を、その断面図である図１０を参照して説明する。この第２実施形態は、前記第１実施形態に示した固体電解コンデンサ素子と並列に、別の伝送線路を構成する他の固体電解コンデンサ素子を設けたものである。なお、前記図１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明は省略する。

図１０においては、第１実施形態の固体電解コンデンサを第１のコンデンサ素子６１とし、この第１のコンデンサ素子６１に、第２のコンデンサ素子６２が積層され、電気的には並列に接続されている。

この第２のコンデンサ素子６２は、中心部の弁作用金属基体６３の両端部に外部に露出した陽極端子部６３ａ，６３ｂが設けられていると共に、弁作用金属基体６３の両面にそれぞれ誘電体酸化被膜６４が形成され、この誘電体酸化被膜６４の表面に固体電解質６５および導電性部材６６からなる陰極電極層が順次設けられている。また、この誘電体酸化被膜６４や陰極電極層の周囲は、絶縁部材６８によって絶縁されている。

第１と第２のコンデンサ素子６１，６２の陽極端子は、陽極リード６９によって接続されている。また、第１と第２のコンデンサ素子６１，６２の陰極部は、個別にグランドに落としても良いが、本実施形態では２つの素子の導電性部材１６，６６間が導電性の接着剤６７などで接続されている。

このような構成を有する第２実施形態においては、前記第１実施形態の作用効果に加えて、第１と第２のコンデンサ素子６１，６２を積層したことにより、並列効果による低インピーダンス化が可能となり、また、大容量化を図れる利点がある。すなわち、第２実施形態では、図７の電気配線図においては、第１の陽極端子部ａ１と第２の陽極端子部ｂ１の間に表される伝送線路回路と並列に、もう１つ伝送線路が入ることになり、インピーダンスの低い回路が並列に接続されて実質のインピーダンス値が更に下がることから、高周波電流の遮断性が向上する。

（３）他の実施形態
本発明は前記のような実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態を包含するものである。

(1) 第１実施形態では、固体電解コンデンサの両端に、それぞれ第１の陽極端子部を形成したが、第１の陽極端子部を必ずしも一対設ける必要はなく、例えば、図１１（Ａ）に示すように、第１の陽極端子部ａ１を固体電解コンデンサの一端のみに設けて、他の陽極端子部はいずれも陰極部に取り囲まれた第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎ（図の例ではｎ＝３）としたり、図１１（Ｂ）に示すように一対の第１の陽極端子部ａ１，ａ２の少なくとも一方を弁作用金属基体１の中央部分に形成することも可能である。また、弁作用金属基体１の両端部を陰極部ｄ１〜ｄｎから露出させることなく、陰極部の領域に形成した複数個の第２の陽極端子部ｂ１〜ｂｎの１つまたは２つを第１の陽極端子部として使用し、そこに電源ライン導体層および出力電源導体層を接続することも可能である。

(2) 図１２に示すように、実装基板５１と、固体電解コンデンサ５２および負荷回路部品５３との接続構造について、前記図６に示すような出力電源導体層５４ｂを設けないことも可能である。すなわち、出力電源導体が不要である場合や負荷回路部品側や電源側から出力電源導体を引き出す場合には、基板自体に出力電源導体層５４ｂを設ける必要はない。

(3) 図１３に示すように、図６の第１実施形態と図１２の配線構成を組み合わせたように、一部のコンデンサについてのみ出力電源導体層５４ｂを設けることもできる。

この(2) (3) に記載した変形例の場合、過渡応答性に関しては、コンデンサの電荷供給経路が同等数あることから、いずれも第１実施形態と同等の性能を示す。また、高周波電流の遮断性については、負荷側であるＩＣの電源系が１つの場合は伝送線路部にて遮断されるので、いずれの配線でも第１実施形態と同等の性能が得られる。また、ＩＣ電源系が２つ以上（あるいは、ＩＣ自体が２つ以上）の場合でも、(2) のように各ＩＣ電源系が直接コンデンサと接続している（出力電源導体層で接続されていない）場合には、それぞれに対応するコンデンサの伝送線路部を高周波電流が通るため、より遮断性が向上すると考えられる。

本発明の固体電解コンデンサの第１実施形態の構成を示す断面図。 図１の固体電解コンデンサにおける実装基板接続面側の平面図。 本発明の第１実施形態の変形例を示す断面図。 図３の固体電解コンデンサにおける実装基板接続面側の平面図。 本発明の第１実施形態の他の変形例を示す実装基板接続面側の平面図。 本発明の第１実施形態の固体電解コンデンサの実装基板への接続構造を示す断面図。 図６の実装基板への接続構造における電気配線図。 本発明における伝送線路の等価回路を示す回路図。 伝送線路のインピーダンス特性を示すグラフ。 本発明の固体電解コンデンサの第２実施形態を示す断面図。 本発明の固体電解コンデンサにおける陽極端子部の配置を示す平面図で、（Ａ）は第１の陽極端子部が１つのもの、（Ｂ）は第１の陽極端子部の一方が弁作用金属基体の中央部分に設けられているものを示す。 第１実施形態における配線構造の変形例を示す断面図。 第１実施形態における配線構造の他の変形例を示す断面図。

符号の説明

１…弁作用金属基体
ａ１，ａ２…第１の陽極端子部
ｂ１〜ｂｎ…第２の陽極端子部
ｄ１〜ｄｎ…陰極部
４，１４，６４…誘電体酸化被膜
５，１５，６５…固体電解質
６，１６，６６…導電性部材
８，１８，６８…絶縁部材
２０…陰極部
５１…実装基板
５２…固体電解コンデンサ
５３…負荷回路部品
５４…電源
５４ａ電源ライン導体層
５４ｂ…出力電源層
５４ｃ…コンデンサ陽極端子接続部
５４ｄ…負荷回路部品接続部
５５ａ…グランド（接地側）導体層
５５ｃ…コンデンサ陰極端子接続部
５５ｄ…負荷回路部品接続部
６１…第１のコンデンサ素子
６２…第２のコンデンサ素子

Claims (4)

1. 平板状の弁作用金属基体の端部に第１の陽極端子部が形成され、
   前記弁作用金属基体における前記第１の陽極端子部が形成された領域の残余領域に、誘電体酸化被膜、および、固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部が形成され、
   この陰極部をなす領域の一部に、前記弁作用金属基体と接続された第２の陽極端子部が形成された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、
   前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする固体電解コンデンサの実装基板への接続構造。
2. 平板状の弁作用金属基体に第１の陽極端子部が形成され、
   前記弁作用金属基体における実装基板への接続面には、誘電体酸化被膜、固体電解質および導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部が形成され、
   この陰極部をなす領域の一部に、前記弁作用金属基体と接続された第２の陽極端子部が形成され、
   前記弁作用金属基体における実装基板への接続面と反対側の面に、誘電体酸化被膜、固体電解質および導電性部材からなる陰極電極層を順次設けて伝送線路形成用の陰極部が設けられ、
   これら弁作用金属基体の両面に形成された各部材から複数の伝送線路を有するコンデンサ素子が形成された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、
   前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする固体電解コンデンサの実装基板への接続構造。
3. 平板状の弁作用金属基体に陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体の両面に誘電体酸化被膜、および、固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層が順次設けられて陰極部とした伝送線路形成用コンデンサ素子が形成され、
   この伝送線路形成用コンデンサ素子に対して、前記請求項１または請求項２に記載のコンデンサ素子が積層され、
   これらのコンデンサ素子が電気的に並列に接続された固体電解コンデンサの実装基板への接続構造であって、
   前記固体電解コンデンサの陽極端子部の少なくとも１つが、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの電源ライン導体層に接続されていない陽極端子部の少なくとも１つが、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記固体電解コンデンサの陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする固体電解コンデンサの実装基板への接続構造。
4. 一対の第１の陽極端子部を備え、
   第１の陽極端子部の一方が実装基板の電源ライン導体層に接続され、他方の第１の陽極端子部および第２の陽極端子部が出力電源導体層に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解コンデンサの実装基板への接続構造。