JP5114264B2 - 固体電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

固体電解コンデンサおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、固体電解コンデンサおよびその製造方法に関するものである。
従来、弁作用金属からなる陽極をリン酸水溶液中で陽極酸化して表面に誘電体である金属酸化物層を形成し、さらに二酸化マンガンを電解質層として用いる固体電解コンデンサが知られているが、二酸化マンガンの導電性が小さいため、等価直列抵抗(ESR;Equivalent Series Resistance)が大きくなるという問題があった。
一方、二酸化マンガンの代わりに導電性高分子を電解質層として用いることによりESRの低減を図った固体電解コンデンサも知られている。
しかしながら、導電性高分子を電解質層として用いた固体電解コンデンサにおいては、二酸化マンガンを電解質層として用いた固体電解コンデンサに比べて、ESRが小さいという利点はあっても、漏れ電流が大きいという問題があった。特に陽極にニオブを用いた固体電解コンデンサの場合、誘電体層であるニオブの酸化皮膜が熱による影響を受けやすく、応力にも弱いことから、外装体を樹脂モールドなどで形成する工程等において、この誘電体層に樹脂モールド用の樹脂の射出圧がかかり、この誘電体層が損傷を受けるため、漏れ電流が増大するという問題があった。
そのため、樹脂モールドによる外装体の形成前に電子部品素子の表面の内、モールドのためのゲートとの対抗面のみにゴム、紙、布等で形成したシート状緩衝材を当てることにより、樹脂の射出圧を緩和し、誘電体層の損傷を低減することによって、漏れ電流の増大を抑制する技術が開発されている(特許文献1参照)。
特開平8−148392公報
しかしながら、特許文献1に開示された技術によっても、外装体形成時の漏れ電流増大を抑制することは十分ではなかった。この点について、発明者らが、鋭意検討した結果、外装体形成工程における漏れ電流増大の主要因は、外装体形成時の1)陽極リードを通じた応力と2)電解質層を通じた応力であることが明らかとなった。外装体形成前のコンデンサ素子と陽極端子とは、陽極体に一端部を埋設された陽極リードを介してのみ機械的に固定されており、且つ陽極リードの陽極体埋設部は完全に焼結されていないことから、外装体形成時の応力は陽極リードを通じて陽極体内部へ伝播するものと考えられる。
また、コンデンサ素子の陽極リード周辺の電解質層は露出されており、電解質層は陰極層などと比較して硬度が高いことから、外装体形成時の応力が電解質層を伝播して、誘電体層付近にダメージが生じるものと考えられる。
このことから、特許文献1に開示された技術では、外装体形成工程における漏れ電流増大の主要因の内、電解質層を通じた応力の緩和には一定の効果はあるものの、陽極リードを通じた応力については抑制できていないためであると推察される。
本発明は、前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、漏れ電流を低減した固体電解コンデンサ及びその製造方法を提供することである。
前記の課題を解決するために、本発明の固体電解コンデンサは、金属粒子の焼結体からなる陽極と、陽極に一端部が埋設するように設けられた陽極リードと、陽極表面に形成された誘電体層と、誘電体層上に形成された電解質層と、電解質層上に、陽極リードの周辺に電解質層の露出面を有するように形成された陰極層とを含むコンデンサ素子を備え、陽極リードの他端部と電気的に接続された陽極端子と、陰極層と電気的に接続された陰極端子とをコンデンサ素子に付設し、コンデンサ素子の電解質層の露出面から陽極端子に至るまでの陽極リードを覆うように第1の樹脂部を設けると共に、少なくともコンデンサ素子および第1の樹脂部を覆うように、第2の樹脂部を設け、第1の樹脂部は、陽極リードが電気的に接続された陽極端子の第1の面と、第1の面の反対側の第2の面とを覆うと共に、コンデンサ素子の陽極リード露出部側の領域上のみに形成されていることを特徴とするものである。
これによって、陽極端子と陽極体とが、陽極リードだけでなく、第1の樹脂部によっても接続されるため、第2の樹脂部、即ち外装体を形成する際の樹脂の射出圧を第1の樹脂部と陽極リードとで分散できるため、陽極リードを通じて陽極体内部へ伝播する応力を緩和することができる。その結果、外装体形成後の漏れ電流増大が、抑制されることとなる。
また、前記第1の樹脂部は、他端部側を頂点とする略円錐状になっている。
また、電解質層の露出面のすべてを覆うように、第1の樹脂部が設けられても良い。これにより、第2の樹脂部、即ち外装体を形成する際の樹脂の射出圧が、電解質層が露出している部分の全面に亘って、第1の樹脂部により緩和されるため、電解質層を通じて陽極体へかかる応力を低減することができる。その結果、外装体形成後の漏れ電流増大が、さらに抑制されることとなる。
また、陽極端子のコンデンサ素子側の端部の全てを第1の樹脂部で覆っても良い。
さらに、第1の樹脂部として、シリコーン樹脂を用いても良い。これにより、外装体形成工程時の応力を緩和する効果が大きいため、外装体形成後の漏れ電流増大をより抑制できる。
なお、シリコーン樹脂の針入度が30から200の範囲であることが好ましい。このようにすることで、第1の樹脂部に用いられるシリコーン樹脂が、外装体形成時に、樹脂の射出圧の電解質層への伝播を緩和するとともに、陽極リードを通じて陽極体内部へ伝播する応力を緩和することができる程度の適切な硬さの範囲となる。そのため、外装体形成後の漏れ電流増大が、さらに抑制される。
また、本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、金属粒子の焼結体からなる陽極に、一端部を埋設するように陽極リードを形成し、陽極表面に誘電体層を形成し、誘電体層上に電解質層を形成し、電解質層上に、陽極リードの周辺の電解質層が露出するように陰極層を形成して、コンデンサ素子を形成する工程と、陽極リードの他端部と陽極端子を電気的に接続する工程と、陰極層と陰極端子を電気的に接続する工程と、陽極リードの他端部と陽極端子を電気的に接続する工程の後に、コンデンサ素子の電解質層の露出面から陽極端子に至るまでの陽極リードを覆うと共に、陽極リードが電気的に接続された陽極端子の第1の面と、第1の面の反対側の第2の面とを覆うように第1の樹脂部を形成する工程と、少なくとも前記コンデンサ素子、第1の樹脂部を覆うように、第2の樹脂部を形成する工程と、を含み、第1の樹脂部を形成する工程において、コンデンサ素子の陽極リード露出部側の領域上のみに、他端部側を頂点とした略円錐状となるように第1の樹脂部を形成することを特徴とするものである。
これによって、陽極リードと陽極端子とが電気的に接続された箇所を第1の樹脂部で確実に覆うことが可能であるため、より確実に外装体形成後の漏れ電流増大を抑制できることとなる。
本発明は、漏れ電流を低減した固体電解コンデンサおよびその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態)
図1は、本発明の一実施の形態による固体電解コンデンサ(外装体形成後)の断面図である。また、図2は、本発明の一実施の形態による外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。
図1及び図2に示すように、本発明の固体電解コンデンサにおいては、陽極リード2の一端部を埋設するように弁作用金属粉末を成型し真空中で焼結することにより形成した多孔質の陽極体3の表面を覆うように、酸化物からなる誘電体層4が形成されている。誘電体層4の表面には電解質層5が形成され、さらに電解質層5の表面にカーボン層6a、銀層6bからなる陰極層6が形成されている。ここで、陽極リード2の周辺の電解質層5は、陰極層6が形成されず、陰極層6から露出しており、電解質層5の露出面50を有している。本実施の形態では、直方体の形状である陽極体3の外面の内、陽極リード2が植立された面には、陰極層6が形成されておらず、その面が電解質層5の陰極層6から露出した露出面50となる。
陰極層6は接着層9を介して陰極端子7に接着され、また、陽極リード2は陽極端子1に溶接されそれぞれ電気的に接続される。さらに、陽極リード2の周辺の電解質層5の露出面50から陽極端子1に至るまでの陽極リード2を覆うように、第1の樹脂部10が設けられている。その後、エポキシ樹脂等からなる第2の樹脂部8、即ち外装体を形成し、固体電解コンデンサを得る。
ここで、陽極端子1は本発明の「陽極端子」、陽極リード2は本発明の「陽極リード」、陽極体3は本発明の「陽極」、誘電体層4は本発明の「誘電体層」、電解質層5は本発明の「電解質層」、電解質層の露出面50は本発明の「電解質層の露出面」、陰極層6は本発明の「陰極層」、陰極端子7は本発明の「陰極端子」、第2の樹脂部8は本発明の「第2の樹脂部」、第1の樹脂部10は本発明の「第1の樹脂部」の一例である。
(製造方法)
図3は、本発明の一実施の形態による固体電解コンデンサの製造工程図である。
工程1:図3(a)に示すように、ニオブ金属の粉末を用い、陽極リード2の一端部を埋め込むようにして成型し、真空中で焼結することにより、ニオブ多孔質焼結体からなる陽極体3を形成した。このとき、陽極リード2の他端部は、陽極体3から突出した形で固定される。
工程2:図3(b)に示すように、この陽極体3をフッ素を含む水溶液中において、陽極酸化を行い、その後リン酸水溶液中において陽極酸化を行うことによって、フッ素が含有された酸化ニオブからなる誘電体層4を形成した。
工程3:図3(c)に示すように、前記誘電体層4の表面に電解質層5を化学重合法等により形成し、その後、カーボンペースト及び銀ペーストをそれぞれ塗布乾燥することにより、カーボン層6aおよび銀層6bからなる陰極層6を形成した。この時、陰極層6は、陽極端子2の周辺の電解質層5の表面には形成されず、電解質層5の露出面50が存在する。
さらに、陰極層6は導電性材料を用いた接着層を介して陰極端子7に接着し、また、陽極リード2は陽極端子1に溶接することにより、それぞれ電気的に接続した。
工程4:図3(d)に示すように、工程3にて形成された陽極リード2と陽極端子1の接続部並びに電解質層5の露出面50の一部とが連続して覆われる様に、シリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10を設けた。
このようにして形成されたシリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10について、JIS K6249に則って針入度を計測した。尚、針入度は樹脂の硬さを表す特性であり、数字が大きいほど柔らかい樹脂となる。
工程5:図3(e)に示すように、工程4まで形成したコンデンサ素子の周囲に、エポキシ樹脂及びイミダゾール化合物を含む封止材を用い、トランスファーモールド法により第2の樹脂部8、即ち外装体を形成した。
(実施例1)
実施例1では、上述の実施形態の製造方法における各工程(工程1〜5)に対応した工程を経て、固体電解コンデンサを作製した。以下に、各工程での実施条件について、詳述する。
工程1A:図3(a)に示すように、1次粒径が約0.5μmのニオブ金属の粉末を用い、陽極リード2の一部を埋め込むようにして成型し、真空中で焼結することにより、高さ約4.4mm×幅約3.3mm×奥行約1.0mmのニオブ多孔質焼結体からなる陽極体3を形成した。このとき、陽極リード2の他端部は、陽極体3から突出した形で固定される。
工程2A:この陽極体3を約40℃に保持した約0.1重量%のフッ化アンモニウム水溶液中において、約10Vの定電圧で約10時間陽極酸化を行い、その後約60℃に保持した約0.5重量%のリン酸水溶液中において約10Vの定電圧で約2時間陽極酸化を行うことによって、フッ素が含有された誘電体層4を形成した。
工程3A:前記誘電体層4の表面にポリピロールからなる電解質層5を化学重合法等により形成し、その後、カーボンペースト及び銀ペーストをそれぞれ塗布乾燥することにより、カーボン層6aおよび銀層6bからなる陰極層6を形成した。この時、陰極層6は、陽極端子2の周辺の電解質層5の表面には形成されず、電解質層5の露出面50が存在する。
さらに、陰極層6は導電性材料を用いた接着層を介して陰極端子7に接着し、また、陽極リード2は陽極端子1に溶接することにより、それぞれ電気的に接続した。
工程4A:工程3Aにて形成された陽極リード2と陽極端子1の接続部並びに電解質層5の露出面50の一部とが連続して覆われる様に、シリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10を設けた。ここで、電解質層5の露出面50の内、第1の樹脂部10によって覆われていない非被覆部51が存在する。なお、本実施例においては、図1に示すように、第1の樹脂部10は、陽極端子1の端部20の幅方向の内、陽極リード2の位置する中央部分を覆っており、陽極端子1の端部20の幅方向の両端には、第1の樹脂部10は存在しない。
以下に、シリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10のより詳細な作製方法について記載する。シリコーン樹脂はGE東芝シリコーン製のTSE3070を用いた。具体的には、同社のTSE3070(A)液100重量部に対して、同社のTSE3070(B)液を100重量部配合し、均一になる様に攪拌した。その後、所望の箇所が覆われる様にディスペンサを用いて樹脂を塗布し、70℃、30分間の硬化処理を行うことによりシリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10を形成した。
このようにして形成されたシリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10について、JIS K6249に則って針入度を計測した。具体的には、1/4混和器のつぼに測定試料を満たし、1/4円すいを試料に落下させて進入した深さ(mm)を読み取り、深さ(mm)の10倍を針入度とした。その結果、針入度は65であった。尚、針入度は樹脂の硬さを表す特性であり、数字が大きいほど柔らかい樹脂となる。
工程5A:工程4Aまで形成したコンデンサ素子の周囲に、エポキシ樹脂及びイミダゾール化合物を含む封止材を用い、トランスファーモールド法により第2の樹脂部8、即ち外装体を形成した。即ち、温度160℃にて予備加熱した封止材を圧力80kg/cmで金型内に注入し、金型内で温度160℃、時間90秒の条件で硬化させた。
(実施例2)
図4は、本発明の第2の実施例に関する固体電解コンデンサの断面図である。また、図5は、本発明の第2の実施例に関する外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。
図4及び図5に示すように本実施例の固体電解コンデンサでは、上記実施例1の工程4Aにおいて、電解質層5の露出面50の一部ではなく、露出面50の全面が覆われる様に、第1の樹脂部10を設けた以外は実施例1と同様の方法にて固体電解コンデンサを作製した。即ち、本実施例においては、電解質層5の露出面50の内、第1の樹脂部10によって覆われていない非被覆部51は存在しない。
(実施例3)
図6は、本発明の第3の実施例に関する外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。
図6に示すように本実施例の固体電解コンデンサでは、上記実施例1の工程4Aにおいて、実施例2と同様に電解質層5の露出面50の一部ではなく露出面50の全面が覆われる様に、第1の樹脂部10を設けると共に、陽極リード2と陽極端子1の接続部において、陽極端子1の端部20の幅方向に亘って全てを覆うように第1の樹脂部10を設けた。その他の点においては、実施例1と同様の方法にて固体電解コンデンサを作製した。
(比較例1)
図7は、比較例1に係る固体電解コンデンサの断面図である。
本比較例においては、上記実施例1において、工程4Aを行わなかった以外は実施例1と同様の方法にて固体電解コンデンサを作製した。
(比較例2)
図8は、比較例2に係る固体電解コンデンサの断面図である。
本比較例においては、上記実施例1の工程4Aにおいて、陽極リードと陽極端子の接続部には第1の樹脂部10を設けず、電解質層5の露出面50の全面が覆われる様に第1の樹脂部10を設けた以外は、実施例1と同様の方法にて固体電解コンデンサを作製した。
(漏れ電流の測定)
これらの固体電解コンデンサに対して、両端子間に2.5Vの電圧を印加し、20秒後の端子間に流れる電流を漏れ電流として測定した。
表1に漏れ電流の測定結果を示す。尚、漏れ電流値は、実施例1における値を100とした相対値で示している。
Figure 0005114264

表1より、第1の樹脂部10を全く設けていない比較例1に対して、実施例1から実施例3の固体電解コンデンサでは、1/10以下に漏れ電流が低減できている。また、陽極リード2と陽極端子1の接続部に、第1の樹脂部10が設けられていない比較例2に対しても、実施例1から実施例3の固体電解コンデンサは、著しく漏れ電流が低減できることが分かる。
これは、外装体形成時の樹脂の射出圧を第1の樹脂部と陽極リードとで分散できるため、陽極リードを通じて陽極体内部へ伝播する応力を緩和することができるためと考えられる。
また、電解質層5の露出面50の全面に第1の樹脂部10を設けた実施例2の場合、実施例1に比べて、さらに漏れ電流を低減できることが分かる。これは、上述の効果に加えて、電解質層5が露出している部分の全面に亘って、樹脂の射出圧が、第1の樹脂部10により緩和されるため、電解質層5を通じて陽極体3へかかる応力を低減することによると考えられる。
さらに、陽極端子1の端部20の全てを第1の樹脂部10で覆う構造とした実施例3において、より漏れ電流が低減できる。これは、陽極端子1の端部20の幅方向の全部が第1の樹脂部10で覆われていることにより、外装体形成のためのトランスファーモールド時の樹脂の流れが、実施例1や実施例2のように、陽極端子1の端部20の幅方向の両端付近に直接当たって、回り込むような不要な流れを形成することがなく、陽極リード2と陽極端子1の接続部における樹脂圧が緩和されたためと考えられる。
(実施例4〜6)
上記工程4Aにおいて、シリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10に代えてエポキシ樹脂からなる第1の樹脂部10を形成した以外は、実施例1〜3と同様にして、実施例4〜6に係る固体電解コンデンサを作製した。つまり、第1の樹脂部10の形成箇所について、実施例1に実施例4、実施例2に実施例5、実施例3に実施例6がそれぞれ対応する。ここで、エポキシ樹脂からなる第1の樹脂部10は、日本ペルノックス製 ZC−203Tを用い、所望の箇所が覆われる様にディスペンサを用いて樹脂を塗布し、100℃、30分間の硬化処理を行うことにより形成した。
(比較例3)
本比較例においては、上記比較例2において、シリコーン樹脂からなる第1の樹脂部10に代えてエポキシ樹脂からなる第1の樹脂部10を形成した以外は、比較例2と同様の方法にて比較例3に係る固体電解コンデンサを作製した。
表2に漏れ電流の測定結果を示す。尚、漏れ電流値は、実施例1における値を100とした相対値で示している。
Figure 0005114264

エポキシ樹脂からなる第1の樹脂部10を形成した場合も比較例3に比べて漏れ電流が著しく低減されていることが分かる。一方、実施例1〜3と実施例4〜6との比較により、第1の樹脂部10に用いる樹脂の種類としては、シリコーン樹脂が好ましいことが分かる。
次に、第1の樹脂部10に用いるシリコーン樹脂の針入度を変化させた実施例(実施例7〜9、11〜16)について示す。尚、本実施例では、上記実施例3の構造を採用した。
(実施例7〜9、11〜16
実施例3の工程4Aにおいて、針入度がそれぞれ、15、30、40、90、110、150、180、200、220からなるシリコーン樹脂を用いた以外は、実施例3と同様の方法により固体電解コンデンサを作製した。針入度の異なるシリコーン樹脂はTSE3070(A)液100重量部に対するTSE3070(B)液の配合比で制御可能である。具体的には、TSE3070(A)液100重量部に対するTSE3070(B)液の配合比をそれぞれ、130、120、110、95、90、85、80、75、70重量部とすることにより、上記の針入度を有するシリコーン樹脂が得られる。
表3に漏れ電流の測定結果を示す。尚、漏れ電流値は、実施例1における値を100とした相対値で示している。
Figure 0005114264

表3より、いずれも漏れ電流は低い値を示すが、第1の樹脂部10に用いるシリコーン樹脂の針入度が30から200の範囲である時に、その範囲外のときに比べて顕著に漏れ電流が低いことが分かる。さらには、針入度40から150の範囲において、漏れ電流がより低く、好ましい範囲である。
以上のように、本発明にかかる固体電解コンデンサは、漏れ電流の低減が可能となるので、パソコンやゲーム機などの用途にも適用できる。
本発明の一実施の形態による固体電解コンデンサの断面図である。 本発明の一実施の形態による外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。 本発明の一実施の形態による固体電解コンデンサの製造工程を示す図である。 本発明の第2の実施例に関する固体電解コンデンサの断面図である。 本発明の第2の実施例に関する外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。 本発明の第3の実施例に関する外装体形成前の固体電解コンデンサの要部を示す図であり、(a)は側面図、(b)は上面図である。 比較例1に係る固体電解コンデンサの断面図である。 比較例2に係る固体電解コンデンサの断面図である。
符号の説明
1 陽極端子
2 陽極リード
3 陽極体
4 誘電体層
5 電解質層
6 陰極層
6a カーボン層
6b 銀層
7 陰極端子
8 第2の樹脂部
9 接着層
10 第1の樹脂部
20 陽極端子の端部
50 電解質層の露出面

Claims (4)

  1. 金属粒子の焼結体からなる陽極と、
    前記陽極に一端部が埋設するように設けられた陽極リードと、
    前記陽極表面に形成された誘電体層と、
    前記誘電体層上に形成された電解質層と、
    前記電解質層上に、前記陽極リードの周辺に前記電解質層の露出面を有するように形成された陰極層とを含むコンデンサ素子を備え、
    前記陽極リードの他端部と電気的に接続された陽極端子と、前記陰極層と電気的に接続された陰極端子とを前記コンデンサ素子に付設し、
    前記コンデンサ素子の前記電解質層の露出面から前記陽極端子に至るまでの前記陽極リードを覆うように第1の樹脂部を設けると共に、少なくとも前記コンデンサ素子および前記第1の樹脂部を覆うように、第2の樹脂部を設け、
    前記第1の樹脂部は、前記陽極リードが電気的に接続された前記陽極端子の第1の面と、該第1の面の反対側の第2の面とを覆うと共に、前記コンデンサ素子の陽極リード露出部側の領域上のみに形成され、
    前記第1の樹脂部は、前記他端部側を頂点とする略円錐状になっていることを特徴とする固体電解コンデンサ。
  2. 前記電解質層の露出面のすべてを覆うように、前記第1の樹脂部が設けられ、前記陽極端子のコンデンサ素子側の端部の全てを前記第1の樹脂部で覆った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。
  3. 前記第1の樹脂部としてシリコーン樹脂を用い、前記シリコーン樹脂の針入度が30から200の範囲であることを特徴とする請求項に記載の固体電解コンデンサ。
  4. 金属粒子の焼結体からなる陽極に、一端部を埋設するように陽極リードを形成し、前記陽極表面に誘電体層を形成し、前記誘電体層上に電解質層を形成し、前記電解質層上に、前記陽極リードの周辺の前記電解質層が露出するように陰極層を形成して、コンデンサ素子を形成する工程と、
    前記陽極リードの他端部と陽極端子を電気的に接続する工程と、
    前記陰極層と陰極端子を電気的に接続する工程と、
    前記陽極リードの他端部と陽極端子を電気的に接続する工程の後に、前記コンデンサ素子の前記電解質層の露出面から前記陽極端子に至るまでの前記陽極リードを覆うと共に、前記陽極リードが電気的に接続された前記陽極端子の第1の面と、該第1の面の反対側の第2の面とを覆うように第1の樹脂部を形成する工程と、
    少なくとも前記コンデンサ素子、前記第1の樹脂部を覆うように、第2の樹脂部を形成する工程と、を含み、
    前記第1の樹脂部を形成する工程において、前記コンデンサ素子の陽極リード露出部側の領域上のみに、前記他端部側を頂点とした略円錐状となるように前記第1の樹脂部を形成することを特徴とする固体電解コンデンサの製造方法。
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