JP4986230B2

JP4986230B2 - 積層型固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4986230B2
Application number: JP2007182328A
Authority: JP
Inventors: 政樹橋本; 慶一尾形
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2009021355A

Description

本発明は、積層型固体電解コンデンサの性能向上を目的とする構造改良に関するものである。

固体電解コンデンサとして、アルミニウム、タンタルなどの弁作用金属を陽極とし、その陽極酸化皮膜を誘電体とし、その上に固体電解質層を形成して陰極を構成したものが多く使われており、またその固体電解質としては二酸化マンガン、ＴＣＮＱ錯体、導電性高分子などが知られている。（特許文献１）

近年、電子機器の小型・高周波化が進み、コンデンサに対しても高周波領域での低インピーダンス化が要求されるようになり、高導電率の導電性高分子を固体電解質層に用いた固体電解コンデンサが商品化されている。この固体電解コンデンサは高導電率の導電性高分子を固体電解質として用いているため、二酸化マンガンを用いた固体電解コンデンサに比べＥＳＲが低い固体電解コンデンサが得られることから広く利用されつつある。（特許文献２）

また、コンピュータのＣＰＵの低電圧化と高速化に伴い、コンデンサに流れる電流が飛躍的に大きくなり、コンデンサのＥＳＲ・ＥＳＬが高いとその発熱量が大きくコンデンサの故障の原因となるため、これら機器に使用するコンデンサは低ＥＳＲ・ＥＳＬである事が必須の条件となっている。

この低ＥＳＲ化を実現するための一つの方法として、コンデンサ素子を積層構造とし、その積層枚数を増やす手法がある。
積層型固体電解コンデンサの積層構造としては、陽極部と、固体電解質層からなる陰極部を備えた単板コンデンサ素子を、その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少なくとも２枚以上複数枚積層し、各電極をそれぞれ電位取り出し用端子板（リードフレーム）に接続した構成のものが従来から知られている。（特許文献３）

これら従来の積層型固体電解コンデンサの基本構成を図面に基づいて概略を説明する。
図１は従来から使用されている単板コンデンサ素子Ｃの平面図、図2はその側断面図で、１はアルミニウム・タンタルなどの弁作用金属からなる陽極素子、２は誘電体を構成する弁金属の酸化皮膜層、３は陰極部を構成する固体電解質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または電解重合によって形成する。４はカーボン層、５は銀層で陰極電位の引出し層、６は陽極部、７は陽極部６と固体電解質層３との間を絶縁隔離するためのマスキング層（這い上がり防止層）である。
通常は、これら単板コンデンサ素子を前記したように、陽極は陽極部同士、陰極は陰極部同士複数枚重ねた積層体を樹脂などでモールドした積層コンデンサが一般に使用されている。

次に図１、図２に示す単板コンデンサ素子として、アルミニウム薄板を弁金属とした場合の一般的な製造方法の具体例を説明する。
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、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、表面に誘電体酸化皮膜層を形成する。このようにして酸化皮膜層が形成されたアルミニウム箔を図１に示すように、幅１０ｍｍ、長さ１５ｍｍの寸法に裁断した後、図２に示すように、適切な位置に絶縁性樹脂などの這い上がり防止用マスキング剤７を周方向に巻きつけるように形成して、左右の領域（陽極部６と陰極部）を区分する。
続いて、前記裁断によって弁金属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７Ｖの電圧を印加して約３０分間陽極酸化処理を行い、裁断面にも酸化皮膜層を形成する。その後、マスキング部分７より右側部分に、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を順次形成して陰極部Rを形成する。

本発明者等は、以前にこの単板コンデンサ素子を利用してその積層構造を改善することによってＥＳＲをより低減化することを提案した。
即ち単板コンデンサ素子を複数枚その陽極部が陰極部を中心として左右に対向するように交互に積層し、陽極部の電位を左右の端子板で分岐して取り出すようにした多端子型積層構造を採用することにより、ＥＳＲをより効果的に低減できる積層構造（以下多端子構造という）である。（特許文献４）

図３（平面図）、図４（４枚の素子を積層した例の側断面図）は、その構造の概要を示す図で、図中の符号は図１、図２と同じ部材を示す。尚８は上下の陰極同士を電気的に接続する導電性接着剤の層、９は陽極電位引出しのための陽極リードフレーム（陽極端子板）、１０は陰極電位引出し用陰極リードフレーム（陰極端子板）である。尚本図では陽極部６、そのリードフレーム９が左右に分かれた配置となるので一方側を６’、９’とした。

更に本発明者等は、この多端子型積層構造についてさらに実験を進めた結果、左右に対向配置した陽極リードフレーム同士を導電性部材で直接短絡接続することによって、ＥＳＲ・ＥＳＬをより低減できることを見出し、陽極リードフレーム同士を下面の陰極部を跨いで導電性部材で橋渡し接続する構造を提供し、多端子型積層コンデンサの性能をより向上させることに成功した。（特許文献５）

この橋渡しの効果は、左右の陽極同士を最短距離で連結するのが最も効果的であることも判かったので、図５（積層体の最下面から見た平面図）、図６（同側断面図で上部に積層されるコンデンサ素子の積層部は一部省略した）に示すように、通常積層体の最下面に設けられている陰極端子板を２分割１０、１０’して中央部に空隙部ｇを形成し、左右の陽極リードフレーム９、９’同士を連結する導電性部材１１をこの空隙部ｇ内に配置することにより、左右陽極の最短距離での接続を達成した。尚１２は陰極部（図１の５）下面と導電性接続部材１１との短絡を防ぐための絶縁用マスキング層で、絶縁を確実にするためやや幅広に設けてある。
これにより積層体全体のモールドも簡潔になり、多端子型積層コンデンサとしての商品価値を一層高め得たものである。

特許第２９６９６９２号公報特開２００３−４５７５３号公報特開２０００−６８１５８号公報特開２００７−１１６０６４号公報特願２００５−３７８０３５

この発明は、上記導電性橋渡し部材を備えた多端子型積層コンデンサにおいて、その橋渡しの効率をより高める構造を提供したもので、これにより製品としてのＥＳＲ・ＥＳＬ特性をさらに一層向上させることを目的とするものである。
即ち、左右の陽極間の橋渡し効率を高めるためには、橋渡しのための導電性部材による接続抵抗（電気抵抗）を小さくすることが重要であり、そのためには導電性接続部材として電気抵抗の小さい金属例えば銀・アルミニウム・金・銅などが有用であるが、更に導電性部材による接続部の幅もできるだけ広くとることが望ましい。
しかしながら、前記［００１１］項で述べたように両陽極間を陰極部を跨いで最短距離で連結する（極めて重要な要件である）ためには、陰極リードフレームを分割しその間の間隙部に導電性部材を配置する構造が最適であるが、導電性部材の幅を広くすると陰極電位取り出しのための陰極端子部の面積が狭くならざるを得ず、その結果ＥＳＲが逆に高くなってしまう、という問題点が認められた。即ち橋渡し部の幅には限界があるため得られるＥＳＲ・ＥＳＬ低減効果にも限界がある、という問題があった。

本発明は、前記問題点を解決したもので、左右に分岐された両陽極間の橋渡し部材を、積層体の最下部と最上部との両面に跨って２カ所以上に配置する構造を提供したもので、これによって陰極端子部の面積を犠牲にすることなく（陰極を跨ぐ下部橋渡し部材の幅をそれほど広くしなくても）、これを上部橋渡し部材によって効果的に補完し、結果としてＥＳＲ特性をより一層向上できたものである。

即ち本発明は、表面に誘電体酸化皮膜層を有する平板状の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層、陰極引出層からなる陰極部を形成した単板コンデンサ素子を複数枚、その陽極部が陰極部を中心に左右互い違いになるように積層した積層体とともに、左右の陽極部をそれぞれ別に設けた左右の陽極リードフレームに接続してなる多端子積層型固体電解コンデンサにおいて、前記左右の陽極リードフレームを左右方向に直交する幅方向に延設し、前記左右の陽極リードフレーム同士を、導電性を有する上部橋渡し部材および下部橋渡し部材をもって前記積層体の上部と下部との２ヶ所において電気的に橋渡し接続し、前記上部橋渡し部材を、電気的に離隔して併設するとともに端部同士を重ね合わせて前記陽極部上に配置した複数枚の導電性部材をもって構成し、前記積層体の下面に配置された陰極リードフレームを空隙を隔てて前記幅方向に分割し、この空隙部に前記下部橋渡し部材を配置するという発想である。

本発明の多端子型の積層電解コンデンサは、その性能上の特徴として更なる低ESR化を実現したもので、電子機器、高周波電源機器などより広い用途に適用できるなど、産業上有用な効果をもたらすものである。

以下本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
先ず、前述した方法及び順序でアルミニウム箔を粗面化した後、陽極酸化処理を行ない、誘電体酸化皮膜層２を形成し、これを前述した寸法に裁断する。さらに、這い上がり防止剤によってマスキング部分７を形成し、その後、前述した方法で露出した端面部の陽極酸化処理を行い、誘電体酸化皮膜層を形成し、その後、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を順次形成して陰極部を形成して、単板のコンデンサ素子を４枚作成した。
図７は第１の実施例の側断面図で、図１の単板コンデンサ素子C１、C２、C３、C４を４層積層した多端子積層型固体電解コンデンサの例である。まず、上記陽極リードフレーム（陽極端子板）と陰極リードフレーム（陰極端子板）上に単板のコンデンサ素子の陰極部Ｒと陰極端子板１０、１０’とを導電性接着剤８を介して接続する。さらに、コンデンサ素子の陰極部Ｒが重なり、陽極部が陰極部Ｒの両側になるよう、単板のコンデンサ素子を交互に積層し、重ね合わせた陰極部Ｒ同士を導電性接着剤により接続する。続いて、両側の陽極部６、６’とそれぞれの陽極端子板９、９’とを抵抗溶接で接続する。
１１は陽極端子板９、９’間を電気的に接続する下部橋渡し部材で、陽極端子板と同じ金属即ち銅板にニッケル／金メッキを施した材料で構成した。
尚、この下部橋渡し部材１１は［００１１］項で述べたように、陰極端子板１０を分割しその間の空隙部ｇに橋渡し部材を配置した構造となっており、最短距離での接続となっている。
この場合の下部橋渡し部材１１の幅aは、陰極端子板の面積をある程度確保するため陰極端子板の幅bの約３５％とした。尚１２はこの橋渡し部材１１とその上部に位置する陰極部（Ｃ１）との間の電気的絶縁を保つための絶縁用マスキング層である。

１３は本実施例の主要部を構成する上部導電性橋渡し部材で、図のように両側の陽極端子板９、９’間を積層体の最上部を跨いで橋渡しする。この場合上部橋渡し部材は陰極面との直接接触を避けるため、陰極上面から離隔した位置に配置される。この上部橋渡し部材も陽極端子板の材料と同じく銅板にニッケル／金メッキを施したもので構成した。尚上部橋渡し部材１３と陽極部６、６’、陽極端子板９、９’との接合は抵抗溶接により確実に接合した後、各端子板の外部回路との接続面だけを除いて積層部全体をモールドで覆って樹脂外装し、本発明の固体電解コンデンサを作成した。

図８は図７の端面ｘの方向から見た図で、本実施例では上部橋渡し部材１３の幅cは、陽極端子板９の幅dの８０％に選定し、十分広くして電気的短絡効率を高くし、ＥＳＲの低減効果を高めることを試みた。尚、仮想線ｍは積層体全体を外装樹脂でモールドした状態を示す。
図９は図７を上から見た図で、上部橋渡し部材１３は積層体の上部を若干離れて覆う状態に配置される。
この実施例１の多端子積層型電解コンデンサ完成品のＥＳＲ値は後述の表１中の実施例1−１に示した。

また本発明者等は、更に上記実施例の追加試験として（実施例１−２）、下部橋渡し部材１１は同じ材料即ち銅板にニッケル／金メッキを施した材料とした状態で、上部橋渡し部材１３の材料をこれより電気抵抗の低い金属である銀を使用し、同じ厚み・幅、同じ長さで橋渡し接続した場合のＥＳＲの低減効果を測定した。その結果ＥＳＲ値のさらなる低下が認められ、抵抗値の低い材料による追加の効果も確認できた。（後述の表1中の実施例1−２参照）

（実施例２）
図１０は第２の実施例を示し、実施例１と同様の構成において積層体最上部を跨ぐ上部橋渡し部材をそれぞれ離して１３、１３’、１３’’と並列的に３枚設けた例である。
下部橋渡し構成は実施例１と同じとした。
また各橋渡し部材の材料は実施例１と全く同じ材料を使用し、その厚さおよび幅ｃも同じ寸法としてＥＳＲ値を測定した結果極めて良好な結果が得られた。（表１中の実施例２−１参照）

尚追加試験として、同じ条件で上部橋渡し部材を２枚にした場合のＥＳＲ値を測定したところ、図１０の３枚の場合と図７の１枚の場合と略同等の数値が得られ（表１中の実施例２−２参照）、何れも従来のものより改善されることが実証された。

(実施例３〜７)
実施例１と同様の構成において、積層体最上部を跨ぐ上部橋渡し部材１３の幅をそれぞれ陽極端子板９の幅の１０％（実施例３）、２０％（実施例４）、４０％（実施例５）、６０％（実施例６）、９５％（実施例７）として、それぞれの完成品を作成した。下部橋渡し部材の構成は実施例１と同じとした。

以下表１に上記各実施例１〜７、及びその追加試験例の完成品について、ＥＳＲ値を実測した結果を示す。
尚、表１の比較例は、図５、図６で説明した積層体の下面にのみ導電性橋渡し部材を配置した多端子積層型電解コンデンサ（本発明者等によって提供された構造）のＥＳＲ計測値で、各単体コンデンサ素子の構成、その積層枚数（４層）は実施例のものと同一であるが、積層体上面に橋渡しがなされていないものである。尚上記比較例のＥＳＲ値は、約３００個の完成品について計測した値の平均値を示した。

以上の測定結果でも判るように、従来のものに１枚以上の橋渡し部材を追加・補完する本発明の構成により、ＥＳＲ値の更なる低減効果が実証された。

表からも判るように、橋渡し部材を２枚、３枚と増やした方が効果が大であり、また下面の橋渡し部材より抵抗値の低い材料で上部の橋渡しをした方がＥＳＲ低減により有効であることも判った。
これは橋渡しの効果は、導電性橋渡し部材の合成抵抗値に依存すると考えられ、下面で最短距離で橋渡ししたとしても、上部橋渡し部分は距離が長くならざるを得ないので、上部橋渡し部材の枚数を増やすことにより、全体の抵抗値をできるだけ小さくするのが望ましいからである。

尚、表１からみれば上部橋渡し部材の枚数を多くする方がＥＳＲ低減には有効であるが、全体が嵩高となるのでコスト面や製品高さの面から適切な枚数を選定するのが望ましい。
また、橋渡し部材の厚みは厚い方が電気的には望ましいので、例えば３枚で橋渡しする代わりに厚みを３倍にすれば、１枚の橋渡し部材で同じＥＳＲ低減効果が得られることになるが、曲げ加工や端子板との溶接の容易性、加工コスト、容積効率など製品全体としてのコストパーフォーマンスから、この追加の橋渡し部材の厚み・幅・材料などを選定すれば良い。

又、上部橋渡し部材１３の幅は陽極端子板（リードフレーム）の幅ｄの２０％から９５％の範囲に選定することが望ましい。２０％未満では、ＥＳＲの低減効果が得られがたく（実施例３のデータ）、９５％を超えると、樹脂外装時の溶融樹脂の回り込みが悪くなり、樹脂充填不良が生じる恐れがある。

上記実施例では、弁作用金属としてアルミニウムの場合について説明したが、タンタルやニオブ箔またはその焼結体を用いても同様の効果が得られる。
また橋渡し部材としては、アルミニウム・銀・金・ニオブ・タンタル・銅などの他、導電性高分子など各種の導電性材料を用いても同じ効果が得られる。

（変形実施例１）
図１１は図１０の変形実施例の側断面図で、図１０の上部橋渡し部材１３aを最上部の単板コンデンサ素子C４の上面に、絶縁層Iを介して直接取り付けた例で、絶縁を確実にすれば橋渡し部材の長さを最短化でき、製品の小型コンパクト化に役立つ。このようにしてもＥＳＲ低減効果は変わらないことは当然である。

（変形実施例２）
また図１２は、図７の実施例における下部橋渡し部材構造の変形実施例で、図５のように陰極端子板を１０と１０’に分割してその間に空隙部ｇを設けこの空隙部に下部橋渡し部材１１を通す代わりに、陰極端子板１０の下に空間hを介して両陽極９、９’間の下部橋渡し部材１１を設けた例である。このようにすれば陰極端子板の面積を削減する必要がなく（ＥＳＲの劣化をきたさない）、下部橋渡し部材の幅も十分広くできるので電気的導通も良くなる。
ただし陰極部との確実な絶縁が重要であり高い絶縁能をもつ材料などで空間hを遮蔽することが必要である他、陰極電位を積層体の側面など下面以外から引き出す手当ても必要である。

また上部橋渡し部材は、各実施例では積層体の端面（陽極が突き出ている側）から上面へ回して橋渡しする例について説明したが、陽極リードフレームとの溶接を効果的に行なえば、積層体の側面から空間を隔てて上部へ回して橋渡ししてもほぼ同等の効果が得られる。
さらに、この上部橋渡し部材は１枚の広幅のものを使用したが、半分の幅に切断した２枚ものを同じ平面上で並行に張り渡して使用することもできる。

単板コンデンサ素子単体の平面図図１の単板コンデンサ素子の拡大断面図単板コンデンサ素子をその陽極部が左右対向となるように積層した積層コンデンサの平面図図３の積層コンデンサの側断面図実施例の積層コンデンサの下面から見た図図５の側断面図（積層されたコンデンサ単体の一部を省略した）実施例１の積層コンデンサの側断面図図７の積層コンデンサを矢印Xの方向から見た端面図図７の上面から見た平面図実施例２の積層コンデンサの側断面図実施例１の変形例を示す積層コンデンサの側断面図実施例１の他の変形例を示す積層コンデンサの陰極端子部分の側断面図（積層されたコンデンサ単体の一部を省略した）

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、単板コンデンサ素子
Ｒ陰極部
１弁作用金属薄板
２誘電体酸化皮膜層
３固体電解質層
４カーボン層
５銀層
６陽極部（弁金属面）
７マスキング層（這い上り防止剤）
８接着剤の層
９陽極端子板（陽極リードフレーム）
１０陰極端子板（陰極リードフレーム）
１１下部橋渡し部材
１２絶縁用マスキング層
１３上部橋渡し部材

Claims

表面に誘電体酸化皮膜層を有する平板状の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層、陰極引出層からなる陰極部を形成した単板コンデンサ素子を複数枚、その陽極部が陰極部を中心に左右互い違いになるように積層した積層体とするとともに、左右の陽極部をそれぞれ別に設けた左右の陽極リードフレームに接続してなる多端子積層型固体電解コンデンサにおいて、
前記左右の陽極リードフレームを左右方向に直交する幅方向に延設し、
前記左右の陽極リードフレーム同士を、導電性を有する上部橋渡し部材および下部橋渡し部材をもって前記積層体の上部と下部との２ヶ所において電気的に橋渡し接続し、
前記上部橋渡し部材を、電気的に離隔して併設するとともに端部同士を重ね合わせて前記陽極部上に配置した複数枚の導電性部材をもって構成し、
前記積層体の下面に配置された陰極リードフレームを空隙を隔てて前記幅方向に分割し、この空隙部に前記下部橋渡し部材を配置したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
前記上部橋渡し部材の幅（ｃ）を、前記陽極リードフレームの幅（ｄ）の２０％から９５％の範囲に設定す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。
前記上部橋渡し部材として、前記下部橋渡し部材よりも電気抵抗値の低い導電性部材を選定したことを特徴とする請求項１または２に記載の積層型固体電解コンデンサ。