JP4999673B2

JP4999673B2 - 固体電解コンデンサ素子およびその製造方法

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Publication number: JP4999673B2
Application number: JP2007332525A
Authority: JP
Inventors: 成友大原
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2009158579A

Description

本発明は、タンタル、ニオブ等の弁作用金属粉末を使用した固体電解コンデンサ素子およびその製造方法に関する。

固体電解コンデンサ素子としては、タンタル・ニオブなどの弁作用金属粉末を板状に加圧成形し、これを高温で焼結した多孔質焼結体が広く使用されている。
通常の場合、前記粉末を加圧成形する前に粉体中に陽極電位取り出し用の陽極リード線を埋め込んでおき、両者を一緒に加圧成形し、同時に焼結することによって陽極リード線と陽極素子との電気的接続を確保することも行なわれている。

近年コンデンサとしての大容量化・大電流化のニーズに対応し、且つ低ＥＳＲ化を実現する手段として単板コンデンサ素子を複数枚積層することも行われるが、これに伴って単板コンデンサ素子の厚さをできるだけ薄く構成し、かつ積層体全体としての体積効率を高めることが望まれる。

しかしながら、本発明者の実験によれば、例えば図１に示す従来の陽極素子板Ｅにおいてその厚み（Ｄ）を薄くした場合（例えば厚さ０．６〜１．５ｍｍ程度）、焼結工程において図２（ａ）（ｂ）に示すように素子板に反りが生じ、見掛け上の厚みがＤ１、Ｄ２となり、これを樹脂でモールドした場合あるいは複数枚積層した場合など商品の完成品とする段階で加工に伴い負荷がかかった場合、素子内に自然に機械的ストレスが加わり、コンデンサとしての漏れ電流特性の劣化を招くという問題点を見出した。尚ＬＷは陽極電位を取り出すために素子内に埋設された陽極リード線である。
前記図２（ａ）（ｂ）の反りの現象は、焼結時に加わる素子内への熱の伝わり方のバラツキが原因であることも解明されている。

また、類似の構成として、従来陽極素子内に陽極リードワイヤーを複数本差し込んだり、板状の陽極リードを埋め込むことも知られている（特許文献１）が、素子の電位を効率良く取り出すのが目的であり、焼結時の反りによる影響は全く想到されておらず、またこのリード部は素子の一部分に埋設されているだけであるので、素子全体の反りを補強する意図も効果も全く示されていない等本発明とは別思想のものである。
特開２００１−５７３１９

本発明は前記問題点に鑑み、陽極素子の焼結時における反り現象を極力小さくすることを目的とするもので、併せて素子内における熱伝播をできるだけ均一化することによって、後の工程即ち酸化皮膜や陰極層の形成を円滑にするとともに、樹脂外装時における機械的ストレスの発生を抑制し、コンデンサとしての漏れ電流特性を改善することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の主発明は、弁作用金属粉末を薄板状に成形してなる陽極素子板を陽極リードの周りに設け、前記陽極素子板を焼結することで焼結素子を形成した後、前記焼結素子表面に酸化皮膜層、固体電解質層、陰極引出層を順次形成してなる固体電解コンデンサ素子において、前記陽極リードのリード径以上の径を有する複数本の弁作用金属体の各々が直角をなすように接合されて一体化された金属補強体を、前記弁作用金属体が前記陽極素子板の長手方向および該長手方向に直交する幅方向に沿って配置されるように、前記陽極素子板の内部に埋設・配備してなることを特徴とする固体電解コンデンサ素子を提供するものである。

本発明の第２の発明は、前記金属補強体を効果的に埋設・配備してなる固体電解コンデンサ素子の製造方法を提供するもので、弁作用金属粉末を金型枠内に充填し加圧成形する過程において、素子成形に要する金属粉末を約半分量投入した段階で、金属補強体を前記粉末上に載置し、その上に残余の弁作用金属粉末を充填し、全体の粉末を所定の厚みまで加圧圧縮することで陽極リードの周りに陽極素子板を形成した後、該陽極素子板を焼結して焼結素子を形成する第１工程と、前記焼結素子表面に酸化皮膜層、固体電解質層、陰極引出層を順次形成する第２工程とを備え、前記金属補強体は、前記陽極リードのリード径以上の径を有する複数本の弁作用金属体の各々が直角をなすように接合されて一体化されることで予め形成されたものであり、前記弁作用金属体が前記陽極素子板の長手方向および該長手方向に直交する幅方向に沿って配置されることを特徴とする固体電解コンデンサ素子の製造方法である。

尚、前記補強体は、タンタル・ニオブ・アルミニウムなど弁作用金属として用いられる金属で構成することが重要であり、またその構造は格子状・梯子状などの形状の構造体であって、固体電解コンデンサ素子の外面に露出しないよう素子内部に完全に埋没できる厚さであり、且つその大きさは金属剛体としての補強作用が固体電解コンデンサ素子内部の略全域をカバーできる程度の大きさ、即ち全面に配備された状態のものが望ましい。
素子の一端部付近だけや中心部だけに埋設されたものであっては、固体電解コンデンサ素子全体の反りを解消することが困難である。
またこの補強体は、素子がタンタル粉末で成形される場合ニオブ線やアルミニウム線など別の弁作用金属体で構成しても同様の効果が得られる。

本発明により、焼結時における反りが少なく組立時に起こる機械ストレスも極めて小さい固体電解コンデンサ素子が得られるので、漏れ電流特性に優れ、且つ安定した製品寸法の固体電解コンデンサを提供することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図３は実施例１の陽極素子板Ｅ１の構造説明用斜視図で、内部に本発明によって提供される補強体Ｒ１を埋設した状態を示す。
この例の陽極素子板は、タンタル粉末を長さｌ＝５．０ｍｍ、幅ｗ＝３．５ｍｍ、厚さＤ＝１．０ｍｍのサイズに加圧成形した素子板Ｅ１内に、点線で示した補強体Ｒ１と陽極リード線ＬＷ（０．１９mmφ）を埋設した後、焼結した例である。
この補強体Ｒ１は、０．２５mmφの２本の横方向タンタル線１、３上に、同径の３本の縦方向タンタル線４、５、６を直角に配置し、更にその上の中央部の縦方向に同径のタンタル線２を載せこれらを抵抗溶接によって接合一体化した格子状補強体で、その縦長さｌ’横長さｗ’は、素子のサイズ（ｌ×ｗ）より小さく且つこれに近い大きさに選定される。

次に上記実施例の製造工程を模式図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に基いて説明する。
図においてＦ１、Ｆ２は金型を構成する左右の枠体で、当然であるが図の前後（紙面に直角方向前後）にも同じ金型枠が存在する。また右側の枠Ｆ２は成形された素子を取り出す際鎖線矢印方向に外れるようになっている。Ｐ１、Ｐ２は金型内に収容した粉体を加圧成形するための上下のプレス板で、油圧駆動部などによって上下方向から粉体を押圧するものである。
尚当然のことながら、左右の枠Ｆ１Ｆ２間の内法寸法は成形される陽極素子板Ｅ１の長さ（ｌ）に、前後枠間寸法は素子の幅（ｗ）に対応するように設定される。

この状態において、図４ａに示すように型枠内にタンタル粉末を、図３の厚みＤの素子Ｅ１を成形するために必要な量の約半分の量Ｔ１だけ充填する。このとき予め陽極リード線ＬＷを可動枠Ｆ２を貫通して側方から型枠内に挿入しておく。この充填された粉末の表面高さをＨ１、下面の位置をＨ０、この仮充填した粉体をＴ１と表示する。

この状態で、予め作製した格子状補強体Ｒ１（図の右側に示す）を矢印のように仮充填された粉体Ｔ１の表面に図の点線のように載置し、次いでその上に図４ｂに示すように必要なタンタルの残量Ｔ２を充填する。この表面位置をＨ２、追加投入された粉体をＴ２とする。

その後上部プレス板Ｐ１を図の点線のようにＨ２まで降下させ、次いで上下のプレス板Ｐ１、Ｐ２を同時に矢印方向に駆動し、図４ｃに示すように粉体Ｔ１・Ｔ２を補強体Ｒ１と陽極リード線ＬＷ諸共、所定の厚みＤ（約１ｍｍ厚・成形密度５．５g／ｃｃ）まで圧縮成形する。この段階で当然粉体Ｔ１、Ｔ２は混然一体となって素子原板を構成する。

図４ｄは、圧縮成形後プレス板Ｐ１Ｐ２を上下に開放し、枠Ｆ２を外して（図４ｃの点線矢印参照）取り出した陽極素子原板Ｅ１’の断面図で、補強体Ｒ１が素子内部の略全域に関与する程度に埋設・配備された状態を示す。この素子原板Ｅ１’を焼結炉に移して１４５０℃で１０分間焼結した陽極素子板が図３のＥ１である。

その後、前記焼結素子を陽極酸化して、酸化皮膜層を形成し、硝酸マンガン水溶液への含浸、熱分解を複数回繰り返して二酸化マンガンからなる固体電解質層を形成した後、カーボン層、銀層からなる陰極引き出し層を順次形成した。続いて、陽極リードと陽極リードフレームとを溶接し、かつ陰極引き出し層と陰極リードフレームとを導電性接着剤を介して接続した後、トランスファーモールドにより樹脂外装し、７３４３サイズで、製品高さ１．２ｍｍＭＡＸの１０Ｖ−６８μＦの固体電解コンデンサを作製した。
この固体電解コンデンサを同じ方法で１００個製作し、それぞれの漏れ電流値を計測した結果の平均値および従来の補強体が埋設されていない同一定格のコンデンサとの比較データを［００２６］項表１に示す。

（実施例２）
図５は素子内に、実施例１の格子状の補強体Ｒ１に代えて、梯子状の補強体Ｒ２を埋設した陽極素子板Ｅ２の実施例で、図３の実施例における上部の横方向補強線３を省略してより薄い素子板にも適応できるようにしたものである。それ以外の素子構造及びその製造工程は実施例１と同様の条件で作製した。

（実施例３）
図６は補強体を、２本の横補強線と２本の断面三角形の縦補強角材で作製した梯子状格子Ｒ３で構成し、これを埋設した第３の素子板Ｅ３の実施例で、これ以外の構成・製造工程は実施例１と同様とした固体電解コンデンサである。

（参考例）
図７は補強体を平板状タンタル板Ｒ４で構成し、これを埋設した陽極素子板Ｅ４を示す参考例で、この平板のサイズは長さｌ＝４．５ｍｍ、幅ｗ＝３．０ｍｍ、厚さｄ＝０．２ｍｍに構成した。それ以外の工程は実施例１と同様の条件で固体電解コンデンサを作製した。

（比較例１）
図８は補強体の構造とその効果を確認するための比較例で、図に示すように陽極リード線ＬＷに平行に２本のタンタルワイヤー（実施例と同じ０．２５mmφ）だけを埋設した例である。それ以外の条件・工程は実施例１と同様として固体電解コンデンサを作製した。

（比較例２）
図９は上記同様の趣旨で作製した第２の比較例で、図に示すように陽極リード線ＬＷに対して垂直方向に２本のタンタルワイヤー（上記同様０．２５mmφ）だけを埋設した例である。
それ以外は実施例１と同様として固体電解コンデンサを作製した。

（従来例）
前にも述べたように、図１は従来から広く使用されている陽極素子板の構造例であるが、本発明実施例との性能相違を正確に比較するために、実施例と同一のタンタル粉末材料を使用し、同一サイズ、同一成形密度の陽極素子（補強体が埋設されていないもの）を従来の方法で作製した。

表１は、前述の各実施例、参考例、比較例、従来例の陽極素子（同一温度で焼結したもの）のＤ、Ｄ１の寸法及び漏れ電流値の測定結果を対比列記したものである。
尚これらの測定値は、Ｄ、Ｄ１については焼結後の各素子板をノギスで実測し、漏れ電流値は、各陽極素子に同一条件で誘電体層、陰極層を形成しそれぞれに陽極リードフレーム、陰極リードフレームを取り付けて構成した固体電解コンデンサの完成品について測定した。尚何れのものもＤ１とＤ２は同じ数値であったので、Ｄ１の数値のみを示す。

上記表に記載したＤ、Ｄ１の値は、それぞれによって得られた焼結素子各１００個についての測定データの平均値を、また漏れ電流値は各素子で構成した固体電解コンデンサ各１００個についてその漏れ電流値（１０Ｖ、１分値）の測定データの平均値である。

表１の結果からも明らかなように実施例１〜３および参考例は従来例よりも反りが小さくＤ１（Ｄ２）寸法が安定していることがわかる。これは、埋設した格子状または平板状タンタル板からなる補強体により焼結後の変形が抑制されているためである。また、これにより各実施例および参考例とも従来例１に比べ漏れ電流値が大幅に改善されることも明らかになった。これは焼結時の反りが極めて小さいため、組立時に受ける機械ストレスが少ないからである。

また比較例１は、実施例1と比べＤ１寸法が大きく、反りに対する改善効果が少ないことがわかる。またその結果組立時に素子内に機械ストレスが発生し、漏れ電流も大きくなるなど本発明の目的、効果が十分に得られないことがわかる。

比較例２も、実施例1に比べＤ１寸法が大きく、反りに対する改善効果が少ないことがわかる。従って組立時に機械ストレスを受けることが多くなり、漏れ電流も高いなど本発明の効果が得られない。

表１の結果から明らかなように、実施例１〜３および参考例のように弁作用金属で構成した格子状または平板状の補強体を素子板の内部に埋設することによって、焼結時における陽極素子板の反り現象が抑制されるので、組立時のストレスを受けにくい固体電解コンデンサ素子を製造することが出来る。
しかしながら比較例１、２のように補強線が固体電解コンデンサ素子の一部だけにあり、固体電解コンデンサ素子の大部分域に及んでいないものは、補強の機能が十分でなく効果が発揮されない。

尚実施例では，格子状の補強体として直径０．２５ｍｍφのタンタル製ワイヤーを使用したが、素子の厚さに応じて表面に露出しない範囲でより太いワイヤーや角体を使用しても良く、またタンタル以外の弁作用金属体、例えばニオブワイヤーやアルミニウム板も利用できる。
しかし、弁作用金属以外の金属例えば鉄線、鋼のワイヤーなどでは、化成時に絶縁層（酸化皮膜層）が形成されず、漏れ電流が悪化する恐れがあるため、目的の効果が得られない。

今回の実施例では、２乃至３本のタンタルワイヤーを抵抗溶接して格子状補強体を構成したが、直接格子状に鋳造成形した補強体であってもよく、また格子のワイヤーは三角形、角形のワイヤーであってもよく、またその本数も素子のサイズに応じて３本以上に増やすことも望ましい。
要するに、ワイヤーまたは角棒材で構成する場合、その複数本が縦横に交差した構造の補強体であることが重要である。

また補強体を板状とした場合、補強効果が損なわれない範囲で板面に１個以上の開口部を設け、板の上下の粉体が均等に圧縮されるように配慮しても良い。

また特に例示しなかったが、陽極リード線を別に埋設する代わりに、補強体を構成するワイヤーの一部を素子板の側面から突出させ、この突出部分を陽極電位取り出し用のリード線として利用することも可能である。この場合は陽極リード線を埋設する工程が省略できる。
また陽極リード線を別に埋設した場合、本発明により埋設した補強体と素子内部において接触または接合しても、漏れ電流特性や電位の取り出しには特に影響ないことが確認されている。
さらに、実施例では陽極リードを陽極素子板内に埋め込んで取り付けたが、成形、焼結した陽極素子板に、溶接により取り付けても同様の効果が得られる。

以上本発明の補強体を埋設するという発想は、上記実施例の補強体に限られるものではなく、焼結時における反りを効果的に抑制できる各種の構造体が採用できるのは当然である。

従来の陽極素子板の寸法の一例を示す斜視図。焼結後の陽極素子板における反り現象を説明する模式図で、（ａ）は焼結後の素子の縦断面、（ｂ）は同じく横断面を示す。実施例１により作製した陽極素子板の斜視図。実施例１の陽極素子板を製造する工程を説明した図で、金型内に弁作用金属の粉末を半分だけ入れた状態を示す図。同じく、補強体を粉末状に載置した後、残余の金属粉末を投入した状態を示す図。同じく、４ｂの状態からプレス板で圧縮成形した状態を示す図。同じく、成形された陽極素子板をプレスから取り外した状態を示す図。実施例２の陽極素子板の斜視図。実施例３の陽極素子板の斜視図。参考例の陽極素子板の斜視図。比較データ実測のために作製した比較例１の陽極素子板の斜視図。前記同様の主旨で作製した比較例２の陽極素子板の斜視図。

符号の説明

Ｅ、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４陽極素子板
ＬＷ陽極リード線
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４補強体
１，２、３補強体を構成する横方向補強線
４、５、６同上縦方向補強線
Ｆ１、Ｆ２金型枠
Ｐ１、Ｐ２プレス板
Ｔ１、Ｔ２タンタル粉体

Claims

弁作用金属粉末を薄板状に成形してなる陽極素子板を陽極リードの周りに設け、前記陽極素子板を焼結することで焼結素子を形成した後、前記焼結素子表面に酸化皮膜層、固体電解質層、陰極引出層を順次形成してなる固体電解コンデンサ素子において、
前記陽極リードのリード径以上の径を有する複数本の弁作用金属体の各々が直角をなすように接合されて一体化された金属補強体を、前記弁作用金属体が前記陽極素子板の長手方向および該長手方向に直交する幅方向に沿って配置されるように、前記陽極素子板の内部に埋設・配備してなることを特徴とする固体電解コンデンサ素子。
前記金属補強体は、梯子状に形成されたものであ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素子。
前記弁作用金属体は、前記陽極リードのリード径と等しい径を有し、
前記陽極リードは、前記長手方向に沿って延びる前記弁作用金属体の一部が前記陽極素子板の側面から突出したものであ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素子。
弁作用金属粉末を金型枠内に充填し加圧成形する過程において、素子成形に要する金属粉末を約半分量投入した段階で、金属補強体を前記粉末上に載置し、その上に残余の弁作用金属粉末を充填し、全体の粉末を所定の厚みまで加圧圧縮することで陽極リードの周りに陽極素子板を形成した後、該陽極素子板を焼結して焼結素子を形成する第１工程と、
前記焼結素子表面に酸化皮膜層、固体電解質層、陰極引出層を順次形成する第２工程とを備え、
前記金属補強体は、前記陽極リードのリード径以上の径を有する複数本の弁作用金属体の各々が直角をなすように接合されて一体化されることで予め形成されたものであり、前記弁作用金属体が前記陽極素子板の長手方向および該長手方向に直交する幅方向に沿って配置されることを特徴とする固体電解コンデンサ素子の製造方法。