JP5182947B2

JP5182947B2 - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP5182947B2
Application number: JP2009028446A
Authority: JP
Inventors: 良樹田中; 正弥石嶋
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: JP2010186796A

Description

本発明は、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属を用いた固体電解コンデンサに関わり、特に、低インピーダンス、高信頼性の固体電解コンデンサに関するものである。

近年、デジタル機器は小型化・高性能化が進み、動作周波数は高速化している。それに伴い、ノイズ除去や電源電圧の平滑化が必要とされ、デカップリング回路における電解コンデンサの役割も重要になってきている。このような背景の中で固体電解コンデンサも、小型の形状で大容量・低ＥＳＲの特性の製品が強く要求されており、その要求にこたえる代表的な製品が弁作用金属を用いた固体電解コンデンサである。

図３は従来の伝送線路構造を有した固体電解コンデンサの断面を示す図である。本図より、タンタルなどの弁作用金属を拡面化処理した陽極体１２の対向する２端面から陽極リード１１を導出し、導出された両方の前記陽極リード根元部に絶縁性樹脂１３を塗布した後、拡面化処理した陽極体１２を陽極酸化し誘電体を形成して、その上に固体電解質３を形成した後、グラファイト層４、銀層５を順次形成して陰極層を形成することにより、固体電解コンデンサ素子を得る。

次に、絶縁性樹脂１３より露出している前記陽極リード１１をサンドブラストにより表面に形成されている誘電体皮膜を除去した後、陽極端子８と溶接により接続し、又、前記陰極層と陰極端子１０とを導電性接着剤９で接続する。しかる後、外装樹脂６を用いてトランスファーモールド工法により外装し、前記外装樹脂６から露出している前記陽極端子８を外装樹脂６に沿って折り曲げて固体電解コンデンサとする（例えば特許文献３）。

従来の固体電解コンデンサの陽極体には、小型で大容量にするために弁作用金属の焼結体や拡面処理をした箔を用いてられている（特許文献１〜３）。同様の目的で、弁作用金属板を積層した固体電解コンデンサも知られている（特許文献４、５）。ここで、特許文献１、２に挙げられている伝送線路構造は、デカップリング回路に最適な広帯域で周波数によらず、定インピーダンス特性を持つこと（特性インピーダンス）が紹介されている。又、その際に前記誘電体の単位長さあたりの静電容量が大きいことにより特性インピーダンスが極めて低くなることも報告されている。

特開２００５−２３６０９０号公報特開２００７−９６２８４号公報特開平０６−２８３３９１号公報特開平０６−２６７８０１号公報特開平０６−３３３７８９号公報

低周波数側（自己共振周波数以下）でのインピーダンスは (ωＣ)^-1であり、静電容量による成分が支配的であることから、この特性から弁作用金属の焼結体やエッチング箔を設けたりして積層することで、静電容量を増やしてインピーダンスを下げることがこれまでの通常であった。しかしながら近年の１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高速動作するパソコンの信号ラインなどの比較的ノイズの大きい回路の高周波領域では、回路で扱っている信号の速度と必要とする静電容量とは直接関係がなく、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波に対応させるためには、使用されるコンデンサのインダクタンスを低減して、自己共振周波数（自己共振周波数：ｆ＝１／２π（ＬＣ）^1/2）を高くすることがノイズ対策として必要である。

さらに、広域な周波数に対応させるため異なる容量のコンデンサを複数個、並列につなげる煩雑さが必要であった。

また、高周波側（自己共振周波以上）のインピーダンスはωＬであり、残留インダクタンスＬによる成分が支配的であるため、特許文献１〜３のように、弁作用金属粉末焼結体を用いるとループインダクタンスＬが大きくなってしまう。加えて、構造上強度がないエッチング箔や焼結体を用いると、外的ストレスに対しての故障が起きやすく、漏れ電流の増加を招く要因にもなり、又、小型、薄型化も困難であった。

以上のように、本発明の第一の課題は容量を増加させても近年の高周波信号には対応できないということである。つまり前記高周波領域でのノイズ対策には、伝送線路構造により、インダクタンスを低減させることが好ましい。又、第二の課題は、容量を増加させるために行ってきた陽極体の焼結や拡面処理には、コンデンサ素子が大きくなることでループインダクタンスの増加が生じること、及び小型化が困難であること、又、前記焼結体や拡面化部分の物理的強度不足が生じて、漏れ電流の増加につながることである。

本発明によれば、棒状または板状で、平滑な表面を有する、弁作用金属からなる陽極体の表面に酸化皮膜からなる誘電体層を形成し、前記誘電体層の、長手方向の中央領域に固体電解質及び、グラファイト、銀層を順次形成した陰極部と、前記中央領域以外の端部に陽極部とを有するコンデンサ素子を複数、並列に接続してなり、前記コンデンサ素子の各々の静電容量が異なるコンデンサ素子群を、同一平面上に形成した平板状の陽極端子及び陰極端子と、前記陽極部と前記陽極端子及び前記陰極部と前記陰極端子で、それぞれ接続した固体電解コンデンサが得られる。

又、本発明によれば、前記平板状の陽極端子及び陰極端子を有する実装面からの垂直高さが０．３５ｍｍ以下である固体電解コンデンサを得られる。

本発明によれば、拡面化していない平滑面を有するワイヤー、又は、板を陽極体とすることで、キャパシタンスのインダクタンスを小さくすることで、高周波での低インピーダンス特性を得ることが出来る。さらにコンデンサ素子を並列に接続することにより容量を自由に設計しかつインダクタンスも小さくできることから高周波でのインピーダンス特性が優れ、小型化も可能である。また、陽極体の拡面化の必要が無いため製造方法も簡便であり、薄型が可能となり、且つ、強度が高く外的ストレスに対して強いことから、漏れ電流の増加の懸念も払拭できる効果がある。又、従来の複数の薄型コンデンサを組み合わせて使用することによる煩雑さを回避することができる。

本発明の固体電解コンデンサの素子断面を示す図。本発明の固体電解コンデンサの断面を示す図。従来の伝送線路構造を有した固体電解コンデンサの断面を示す図。実施例の固体電解コンデンサの斜視図。実施例とセラミックコンデンサ及び比較例のＳ２１パラメーターの周波数特性を示す図。ストリップラインの構造を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の固体電解コンデンサの素子断面図である。図２は、本発明の固体電解コンデンサの断面図、図４は実施例の固体電解コンデンサの斜視図である。

平滑な表面を有する弁作用金属からなる棒状、又は、板状の陽極体１の表面に陽極酸化により誘電体２となる酸化皮膜を形成し、中央領域に固体電解質３として導電性高分子を形成後、陰極部１４としてグラファイト層４、銀層５を形成した後、固体電解コンデンサ素子１００を得る。その後、弁作用金属からなる陽極体１の両端の表面に形成している酸化皮膜を除去した後に枕木７を介して陽極端子８と接続する。又、導電性接着剤９を介して陰極端子１０と接続した後、これを外装樹脂６で封止することにより、固体電解コンデンサ２００を得る。尚、固体電解コンデンサ素子１００を複数個、水平方向に並べ、又は、鉛直方向に積載することは、外形寸法の制限内では自由とする。

前述に加えて、固体電解コンデンサ２００の平板状の陽極端子及び、陰極端子を有する垂直高さＨを０．３５ｍｍに抑えることにより、小型カメラなどの薄型回路、且つ、高速信号回路に適用することが可能となる。

図４を参照して実施例を説明する。線径が０．１５ｍｍのタンタル線を長さ２．０ｍｍに切断して陽極体１とする。前記陽極体１の表面に２０Ｖに電圧を印加して、誘電体皮膜を形成した。しかる後、３，４−エチレンジオキシチオフェンを化学酸化重合により導電性高分子を形成させた後、グラファイト層及び、銀層を形成して固体電解コンデンサ素子１００を製作する。尚、前記固体電解コンデンサ素子の静電容量は６ｎＦとなった。

次に陰極端子１０の非実装面側に導電性接着剤９を塗布した後、前記固体電解コンデンサ素子１００の陰極部１４と接続するように設置した。このように、前記陰極部１４と前記陰極端子１０を接続後、陽極である前記固体電解コンデンサ素子１００の両端と、非実装面側の陽極端子８をレーザ溶接で接続した。前記コンデンサ素子を３本、水平方向に並列に並べた。前記コンデンサ素子同士の間隔は、０．８ｍｍ、Ｗ（幅）寸法を２．６ｍｍ、Ｈ（高さ）寸法を０．３５ｍｍ、Ｌ（長さ）３．１とした。しかる後、外装樹脂で封止して定格電圧が６．３Ｖ、静電容量が１８ｎＦの固体電解コンデンサ２００を製作した。尚、前記固体電解コンデンサ素子の静電容量が異なるものを同様に並列にすること、及び、１本の固体電解コンデンサ素子１００が内蔵された固体電解コンデンサ２００を複数個、並列に接続することも可能である。

（比較例）
図３は、従来の伝送線路構造を有した固体電解コンデンサの断面を示す図である。図３に示すように、弁作用金属の粉末を成型・焼結により拡面化された、前記陽極体１の表面に２０Ｖに電圧を印加して、誘電体皮膜を形成した。その上に固体電解質３を形成し、更にその上にグラファイト層４や銀層５を形成することにより陰極層を形成し、固体電解コンデンサ素子１００を得る。前記素子の陽極及び、陰極を前記陽極端子８及び、前記陰極端子１０にそれぞれ接続した後、外装樹脂６により封止することにより、定格電圧が２０Ｖ、静電容量が２００μＦの固体電解コンデンサを得た。尚、その際の前記固体電解コンデンサの寸法は、縦７．３ｍｍ、幅４．３ｍｍ、高さ１．９ｍｍと実施例と比較して寸法的に大きい製品である。

図５は、実施例とセラミックコンデンサ及び比較例のＳ２１パラメーターの周波数を示す図、図６は、ストリップラインの構造を示す図である。

ここで、Ｓ２１パラメーターは２端子回路網における順方向伝達係数であり、今回の場合ノイズが通過する際の減衰の程度を表している。この比較により、セラミックコンデンサは、いずれの静電容量を持ったコンデンサもそのインピーダンスを反映したＶ字型の特性であることに対して、実施例のコンデンサは広い周波数領域（１ＧＨｚ近辺）で減衰量を有している。この結果から従来複数個のセラミックコンデンサを使用することにより複雑なデカップリング回路をわずかな個数の伝送線路構造を有した実施例に示す固体電解コンデンサで置き換えられることができることを示している。尚、測定はネットワークアナライザ（アジレント・テクノロジー株式会社製８７５３ＥＳ）を用いて、Ｓ２１パラメーターを測定した。

又、図５に示した比較例との特性比較については、比較例は、Ｓ２１パラメーターの周波数特性が実施例よりも優れている。これを説明するためには、比較例及び、本発明の伝送線路構造が伝送線路の一種であるストリップラインの構造であることから説明できる。

図６より、前記ストリップラインは平板形状であり、中央部分はプラス電極１５、上下部分にマイナス電極１６があり、誘電体をはさんだ構造となっている。前記比較例の前記誘電体が弁作用金属の焼結体を使用していることから、インピーダンスＺ＝（Ｌ／Ｃ）^1/2より実施例に比べて比較例の方が、静電容量Ｃは大きいことからインピーダンスＺが低減してＳ２１パラメーターの周波数特性が良好になることが知られている。

しかしながら、前述した様に、本発明がより小型化が可能であること。前記焼結体による外的ストレスに対しての故障が起きやすく、漏れ電流の増加を招く要因があることが知られており、二律背反の傾向がある。そこで、本発明は高速回路、特に電源回路のノイズ対策とした比較例ほどの効果は認められないものの、前記課題を考慮すれば使用の選択には十分である。特に、信号回路では容量が小さい方が低周波の信号を通しやすく、有利であると言える。又、前述したように、セラミックコンデンサを複数並列に並べることによる煩雑さも解消出来る。

１陽極体
２誘電体
３固体電解質
４グラファイト層
５銀層
６外装樹脂
７枕木
８陽極端子
９導電性接着剤
１０陰極端子
１１陽極リード
１２拡面化処理した陽極体
１３絶縁性樹脂
１４陰極部
１５プラス電極
１６マイナス電極
１００固体電解コンデンサ素子
２００固体電解コンデンサ

Claims

棒状または板状で、平滑な表面を有する、弁作用金属からなる陽極体の表面に酸化皮膜からなる誘電体層を形成し、前記誘電体層の、長手方向の中央領域に固体電解質及び、グラファイト、銀層を順次形成した陰極部と、前記中央領域以外の端部に陽極部とを有するコンデンサ素子を複数、並列に接続してなり、前記コンデンサ素子の各々の静電容量が異なるコンデンサ素子群を、同一平面上に形成した平板状の陽極端子及び陰極端子と、前記陽極部と前記陽極端子及び前記陰極部と前記陰極端子で、それぞれ接続したことを特徴とする固体電解コンデンサ。
前記平板状の陽極端子及び陰極端子を有する実装面からの垂直高さが０．３５ｍｍ以下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。