JP5222280B2 - コンデンサ - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁膜に覆われた導電体を有する複合材料およびこの複合材料を用いたコンデンサに関する。また本発明は、これら複合材料およびコンデンサの製造方法に関する。
図６は、従来のコンデンサの一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示された固体電解コンデンサＸは、陽極ワイヤ９２が突出した多孔質焼結体９１を備えている。多孔質焼結体９１は、直方体形状とされている。多孔質焼結体９１の表面には、誘電体層９３および固体電解質層９４が積層されている。多孔質焼結体９１は、樹脂パッケージ９８によって封止されている。陽極端子９６Ａは、導通部材９６Ｃを介して陽極ワイヤ９２と導通している。固体電解質層９４と陰極端子９６Ｂとは、導電体層９５によって接合されている。固体電解コンデンサＸは、陽極端子９６Ａおよび陰極端子９６Ｂを用いてたとえば回路基板などに面実装可能に構成されている。固体電解コンデンサＸの静電容量を大きくするには、多孔質焼結体９１の体積を大きくすることが有効である。
しかしながら、固体電解コンデンサＸは、使用温度が高くなるほど、信頼性の低下が顕著となる。このため、工業製品としての使用が可能な温度は、一般的に１２５〜１５０℃程度が上限となっている。固体電解コンデンサＸをたとえば車載用の電気回路構成部品、さらにはエネルギー貯蔵デバイスに応用するには、使用上限温度をさらに高めることが求められている。
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、使用上限温度を高めることが可能な複合材料、これを用いたコンデンサ、およびこれらの製造方法を提供することをその課題とする。
本発明の第１の側面によって提供される複合材料は、融点が１６００℃以上である金属元素と１以上の非金属元素との結合体である導電体と、上記導電体を覆い、かつ少なくとも上記１以上の非金属元素と少なくともＮおよびＯのいずれかとを含む絶縁膜と、を備えることを特徴としている。
このような構成によれば、上記絶縁膜は、たとえば１２００℃程度の熱処理を行うことにより、上記非金属元素を上記導電体表面に析出させ、これとＮまたはＯとの結合物として形成することができる。このような上記絶縁膜は、たとえば３００℃程度の環境下においても不当に破壊することが無く安定して存在することができる。
好ましくは、上記金属元素は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈから選ばれた元素である。このような構成によれば、上記絶縁膜を形成する工程を１２００℃程度の比較的高い温度で行うのに適している。
好ましくは、上記非金属元素は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた元素である。このような構成によれば、上記金属元素と上記非金属元素とを含む上記導電体を顕著に抵抗値が小さい良導電体とすることができる。また、１２００℃程度の温度で活性化するため、上記絶縁膜を形成する工程を１２００℃程度の温度で行うことができる。これは、上記絶縁膜を比較的高温環境において安定して存在させるのに有利である。
好ましくは、上記導電体は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた２以上の上記非金属元素を含み、上記絶縁膜は、上記導電体に含まれたものと同じ上記２以上の非金属元素を含む。このような構成によれば、上記絶縁膜を薄くかつ緻密なものとするとともに、さらに高温である環境において安定して存在させることができる。
本発明の第２の側面によって提供されるコンデンサは、本発明の第１の側面によって提供される複合材料が用いられており、上記導電体を含む第１電極と、上記絶縁膜を挟んで上記第１電極と絶縁された第２電極と、を備えることを特徴としている。
このような構成によれば、上記コンデンサは、従来のコンデンサの使用上限温度よりも顕著に高い３００℃程度の環境下においても、容量低下や絶縁耐圧低下を防止することが可能であり、安定して使用することができる。したがって、上記コンデンサは、たとえば車載用あるいは産業機器用の電気回路構成部品、さらにはエネルギー貯蔵デバイスとして用いることができる。
好ましくは、上記導電体は、多孔質焼結体とされており、上記絶縁膜は、多孔質焼結体とされた上記導電体の表面を覆っており、上記第２電極は、上記絶縁膜をさらに覆っている。このような構成によれば、上記第１電極の表面積を大きくすることが可能であり、上記コンデンサの大容量化を図るのに適している。
本発明の第３の側面によって提供される複合材料の製造方法は、融点が１６００℃以上である金属元素と１以上の非金属元素との結合体である導電体を、上記１以上の非金属元素が上記導電体の表面に析出する温度で少なくともＮおよびＯのいずれかを含む雰囲気中において熱処理することにより、上記導電体を覆う絶縁膜を形成する工程を有することを特徴としている。
このような構成によれば、上記絶縁膜は、上記析出する温度よりも低い温度であれば比較的安定して存在することができる。具体的には、上記金属元素の融点である１６００℃よりも低い１２００℃程度の温度で析出させた場合、上記絶縁膜を少なくとも３００℃程度の環境下において安定して存在するものとして形成することができる。
好ましくは、上記金属元素は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈから選ばれた元素である。
好ましくは、上記非金属元素は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた元素である。このような構成によれば、上記導電体を良導電体とするとともに、１６００℃よりも低い温度で上記導電体の表面に上記非金属元素を析出させるのに適している。
好ましくは、上記導電体は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた２以上の上記非金属元素を含む。このような構成によれば、上記絶縁膜を薄くかつ緻密な膜として形成することが可能である。また、上記絶縁膜を高温環境下において安定して存在させるのに好適である。
本発明の第４の側面によって提供されるコンデンサの製造方法は、本発明の第２の側面によって提供されるコンデンサの製造方法であって、上記導電体からなる微粉末を焼結することにより、上記導電体からなる多孔質焼結体を形成する工程と、上記焼結工程における温度よりも低くかつ上記１以上の非金属元素が上記導電体の表面に析出する温度で少なくともＮまたはＯのいずれかを含む雰囲気中において上記多孔質焼結体を熱処理することにより、析出した上記１以上の非金属元素と少なくともＮおよびＯのいずれかとを上記導電体の表面で反応させることで上記多孔質焼結体を覆う絶縁膜を形成する工程と、上記絶縁膜を導電材料によって覆うことにより、上記第２電極を形成する工程と、を有することを特徴としている。このような構成によれば、従来のコンデンサの使用上限温度よりも顕著に高いたとえば３００℃程度の環境下で安定して使用可能なコンデンサを適切に製造することができる。本発明の第５の側面によって提供されるコンデンサは、金属元素と１以上の非金属元素との結合体である導電体を含む第１電極と、上記導電体を覆う絶縁膜であって、上記非金属元素と、ＮおよびＯの少なくともいずれかと、を含む絶縁膜と、上記絶縁膜を挟んで上記第１電極と絶縁された第２電極と、を備えており、上記金属元素は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈから選ばれた元素であり、上記絶縁膜は、上記非金属元素の濃度が、上記導電体よりも高くなっていることを特徴としている。好ましくは、上記導電体は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた２以上の上記非金属元素を含み、上記絶縁膜は、上記導電体に含まれたものと同じ上記２以上の非金属元素を含む。好ましくは、上記金属元素はＴａであり、上記非金属元素はＢ、Ｓｉである。好ましくは、上記第２電極はＮｉからなる。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
図１は、本発明に基づくコンデンサの一例を示している。本実施形態のコンデンサＢは、第１電極１、絶縁膜２、第２電極３を備えており、無極性のコンデンサとして構成されている。同図においては、第１電極１に電源の＋極を、第２電極３に電源の−極を接続した構成として示されているが、電源をこの極性とは逆に接続してもよい。コンデンサＢには、複合材料Ａが用いられている。
第１電極１は、コンデンサＢに備えられた１対の電極の一つであり、金属板１１、多孔質焼結体１２、および金属層１３からなる。金属板１１は、たとえばＴａＢからなる。金属板１１の裏面には、金属層１３が形成されている。金属層１３は、たとえばＡｕ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌまたはこれらの合金からなり、上記電源に対して接続するために用いられる。
多孔質焼結体１２は、金属元素１２ａと２種類の非金属元素１２ｂ，１２ｃとを含んでいる。金属元素１２ａは、融点が１，６００℃以上の元素からなり、具体的には、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈから選択される。本実施形態においては、Ｔａが用いられている。非金属元素１２ｂ，１２ｃは、金属元素１２ａと結合した状態で良導電体を形成する元素であり、具体的には、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選択される。本実施形態においては、非金属元素１２ｂとしてＢが、非金属元素１２ｃとしてＳｉが、それぞれ選択されている。多孔質焼結体１２は、本発明で言う導電体の一形態であり、金属元素１２ａと非金属元素１２ｂ，１２ｃとの化合物の微粉末が互いに焼結されたものである。このような多孔質焼結体１２には、微小な細孔が多数形成されている。
絶縁膜２は、金属板１１の一部および多孔質焼結体１２を覆う薄膜である。絶縁膜２は、多孔質焼結体１２に含まれたものと同じ非金属元素１２ｂ，１２ｃと少なくともＮおよびＯのいずれかとを含む絶縁材料からなる。本実施形態においては、絶縁膜２は、Ｎを含んでいる。本実施形態と異なり、絶縁膜２は、Ｏを含むもの、またはＮおよびＯを含むものであってもよい。
第２電極３は、コンデンサＢに備えられた１対の電極の他方であり、たとえばＮｉからなる。第２電極３は、絶縁膜２を覆っており、本実施形態においては、多孔質焼結体１２の細孔を埋めるように形成されている。
本実施形態のコンデンサＢは、たとえば、多孔質焼結体１２の体積を０．２５ｃｃとした場合、３μＦ程度の静電容量が得られる。
次に、複合材料ＡおよびコンデンサＢの製造方法について、図２〜図５を参照しつつ、以下に説明する。
図２は、複合材料ＡおよびコンデンサＢの製造方法のフローを示している。複合材料ＡおよびコンデンサＢの製造方法は、加圧成形工程、脱バインダ工程、焼結工程、析出窒化工程、メッキ工程を有している。
図３は、加圧成形工程を示している。まず、ＴａＢからなる金属板１１を用意する。また、たとえばＴａＢの微粉末とＴａＳｉの微粉末とを混合することにより、微粉末１２Ａを用意する。微粉末１２Ａの粒径は、たとえば５０μｍ程度である。微粉末１２Ａとバインダ１２Ｂとを混合し、微粉末１２Ａを含むペーストを生成する。次いで、適当な金型に上記ペーストを入れ、たとえば油圧プレス装置を用いて上記ペーストと金属板１１とを加圧する。これにより、金属板１１に微粉末１２Ａを圧着させることができる。この状態において、微粉末１２Ａは、バインダ１２Ｂが浸透した多孔質体構造となっている。
次いで、脱バインダ工程を行う。この工程においては、加圧成形工程を終えた金属板１１および上記ペーストをＡｒガス雰囲気にて５００℃以下で加熱する。これにより、バインダ１２Ｂが除去される。
次いで、焼結工程へ移る。この工程においては、金属板１１および微粉末１２Ａを、真空中において熱処理する。このときの熱処理温度は、たとえば１３００〜１４００℃程度とする。このような熱処理温度においては、微粉末１２Ａに含まれるＴａのネック成長が促進される。これにより、微粉末１２Ａどうしの接触部分、あるいは微粉末１２Ａと金属板１１との接触部分が互いに拡散し合う。この焼結処理により、図４に示す金属板１１と多孔質焼結体１２からなる第１電極１が得られる。
次いで、図５に示すように、析出窒化工程を行う。この工程においては、第１電極１をたとえばＮ2ガスまたはＮＨ3ガスなどのＮを含む雰囲気中において、熱処理を行う。このときの熱処理温度は、たとえば１２００℃程度とする。この熱処理温度は、非金属元素１２ｂ、１２ｃであるＢ，Ｓｉが顕著に活性化する温度である一方、Ｔａのネック成長はほとんど進行しない温度である。このため、金属板１１および多孔質焼結体１２の表面に非金属元素１２ｂ、１２ｃが析出する。すると、金属板１１および多孔質焼結体１２の表面に、非金属元素１２ｂ、１２ｃであるＢ，Ｓｉと雰囲気中のＮとを含む絶縁膜２が形成される。この絶縁膜２は、たとえばＢＮとして表される純粋な化合物によって形成されているものとして特定されず、少なくともＢ，Ｓｉ，Ｎを含み、さらにＴａを含む可能性がある絶縁物質からなる膜として特定される。析出窒化工程を終えると、複合材料Ａが得られる。
こののちは、メッキ工程を行う。メッキ工程は、図１に示す第２電極３を形成するための既知の工程の一例である。このメッキ工程においては、たとえば無電解メッキによってＮｉからなる第２電極３を形成する。無電解メッキによれば、多孔質焼結体１２の細孔を埋めるように第２電極３を形成することができる。そして、金属板１１の裏面に金属層１３を形成することにより、図１に示すコンデンサＢが得られる。なお、図２のフロー図には記載されていないが、多孔質焼結体１２、絶縁膜２、および第２電極３を覆う樹脂パッケージをさらに形成してもよい。
次に、複合材料Ａ、コンデンサＢ、およびこれらの製造方法の作用について説明する。
本実施形態によれば、絶縁膜２は、３００℃程度の環境におかれても、不当に破壊されることが無く、安定して存在する。その理由としては、処理温度が１２００℃程度である熱処理を含む析出窒化工程によって形成されることが考えられる。すなわち、絶縁膜２は、高温雰囲気において非金属元素１２ｂ、１２ｃであるＢ，ＳｉとＮとが複雑かつ多様な形態で結合することによって生成された絶縁物質からなる。この絶縁物質は、上述した熱処理温度よりも格段に低いたとえば３００℃程度の環境下においては、不当に破壊することがない。したがって、複合材料Ａおよびこれを用いたコンデンサＢは、従来のコンデンサの使用上限温度よりも顕著に高い３００℃程度の環境下において容量低下や絶縁耐圧低下が顕著となることがなく、安定して使用することが可能である。このようなコンデンサＢは、たとえば車載用あるいは産業機器用の電気回路構成部品、さらにはエネルギー貯蔵デバイスとして活用するのに適している。なお、絶縁膜２を形成するには、Ｎに代えてＯ（酸素）を用いることができる。この場合、上述した析出窒化工程に代えて、たとえばｐｐｍオーダーのごく微量な酸素を含むＡｒガス雰囲気において析出酸化工程を行うことにより、Ｏを含む絶縁膜２を形成できる。また、微量な酸素を含むＮ２ガス雰囲気において析出酸窒化工程を行うことにより、ＮとＯを含む絶縁膜２を形成できる。
金属元素１２ａとしてのＴａは、融点が１６００℃以上と高融点材料である。このため、１３００〜１４００℃程度の比較的高い温度で焼結することができる。これは、焼結温度よりも低い温度とすべき析出窒化工程における熱処理温度を比較的高い温度とするのに有利である。このような効果が得られる金属元素１２ａとしては、ＴａのほかにＭｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈを用いることができる。
非金属元素１２ｂ，１２ｃとしてのＢ，Ｓｉは、上述した元素から選ばれる金属元素１２ａに対して侵入しやすい元素である。また、Ｂ，ＳｉとＴａとの化合物は極めて電気を流しやすい良導電体物質である。これは、コンデンサＢの低抵抗化を測るのに適している。また、Ｂ，Ｓｉは、金属元素１２ａが焼結される温度よりも低い温度で活性化する。このため、焼結工程を行った後に、これよりも低い熱処理温度で析出窒化工程を行うことができる。これは、多孔質焼結体１２の形態とされた本発明で言う導電体の表面に緻密な絶縁膜２を形成するのに適している。さらに、Ｂ，Ｓｉを用いることは、上述した析出窒化工程により、高温に耐えうる絶縁膜２を形成するのに有利である。特に、２種類の非金属元素１２ｂ，１２ｃを用いることは、薄くかつ緻密な絶縁膜２を形成するとともに、絶縁膜２をたとえば３００℃程度の環境下で安定して存在させるのに好適である。この結果、コンデンサＢの使用条件温度を確実に高めることができる。なお、このような効果が得られる非金属元素１２ｂ、１２ｃとしては、Ｂ，Ｓｉのほかに、Ｃを用いることができる。また、本実施形態とは異なり、たとえばＢ，Ｓｉ，Ｃから選ばれた１種類の非金属元素１２ｂを用いた構成としてもよい。また、非金属元素を有する結合体の構成は、上述した実施形態に限るものではない。たとえば、非金属元素Ｃを含有する金属元素Ｔａの金属板に、ホウ素Ｂをスパッタリングして、Ｔａ，Ｃ，Ｂの結合体とすることもできる。この結合体を、たとえば析出窒化行程およびメッキ工程によりコンデンサとしてもよい。
本発明に基づく複合材料、コンデンサ、およびこれらの製造方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に基づくコンデンサ、およびこれらの製造方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
上述した多孔質焼結体１２は、本発明で言う導電体の一形態である。本発明の導電体の形態は、これに限定されず、たとえば薄板状、棒状などの形態であってもよい。
Claims (4)
- 金属元素と１以上の非金属元素との結合体である導電体を含む第１電極と、
上記導電体を覆う絶縁膜であって、上記非金属元素と、ＮおよびＯの少なくともいずれかと、を含む絶縁膜と、
上記絶縁膜を挟んで上記第１電極と絶縁された第２電極と、を備えており、
上記金属元素は、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｏｓ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ｔｈ，Ｖ，Ｌｕ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈから選ばれた元素であり、
上記絶縁膜は、上記非金属元素の濃度が、上記導電体よりも高くなっていることを特徴とする、コンデンサ。 - 上記導電体は、Ｃ，Ｂ，Ｓｉから選ばれた２以上の上記非金属元素を含み、
上記絶縁膜は、上記導電体に含まれたものと同じ上記２以上の非金属元素を含む、請求項１に記載のコンデンサ。 - 上記金属元素はＴａであり、上記非金属元素はＢ、Ｓｉである、請求項１に記載のコンデンサ。
- 上記第２電極はＮｉからなる、請求項１に記載のコンデンサ。
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