JP5279019B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

この発明は、固体電解質を陰極として備えた電解コンデンサに関し、特に固体電解コンデンサに関するものである。

従来、固体電解コンデンサとしては、アルミニウム、タンタルなどの弁作用金属を陽極とし、その表面に陽極酸化皮膜を形成して誘電体層とし、その上に固体電解質層、陰極引出層が順次形成された後、樹脂パッケージにより樹脂封止された構造のものが多く使われている（例えば、特許文献１参照）。

上記のコンデンサは、例えばバイパスコンデンサとしてＣＰＵなどの電子機器と電源回路とを結ぶ電源ラインとグラウンドの間に接続されて使用される。最近では、電子デバイスの高速化およびデジタル化に伴い、安定性がよくかつ高速応答が可能な電源系が必要とされる。
そのため、ノイズの除去や電源系の安定のために用いられる固体電解コンデンサも、広い周波数領域においてノイズ除去特性に優れ、また電力供給に際して高速応答性に優れることが要望される。また、大電流の電力供給に対応して静電容量が大きいことや発火防止の信頼性が高いことも強く要望される（例えば、特許文献２参照）。

これらの要望に対して平板状の素子や薄型の焼結体素子を積層する技術や端子電極数を増やす技術が実用化されている。

例えば、積層型固体電解コンデンサの構造としては、陽極部と陰極部を備えた平板状の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、複数枚積層してコンデンサ素子ユニットを作製し、それらユニットを一つのリードフレーム上に複数個パラレルに接続した２端子構成のものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、陽極部と陰極部を備えた平板状のコンデンサ素子を、複数枚、陰極部を中心として、その陽極部の方向が交互に左右互い違いになるように積層し、陽極部と陰極部にリードフレームを接続した積層型固体電解コンデンサにおいて、対向側にある陽極リードフレーム同士を最短距離で接続するため陰極リードフレームを２分割し、その間の空隙部に導電性の橋渡し部を配置した３端子構造のものがある（例えば、特許文献４参照）。
特許第２９６９６９２号公報 特開２００５−２２３１１３号公報 特開２０００−１３８１３８号公報 特開２００７−１８０３２７号公報

しかしながら、近年、ＣＰＵの高性能化に伴いＩＣの高速化／低電圧化が加速的に進み、デカップリングコンデンサにおいてもインダクタンス（ＥＳＬ）がより低いことが必要となってきている。

上記問題を解決するため、本発明に係る固体電解コンデンサは、板状の弁作用金属の一方側を陽極部とし、他方側に誘電体となる酸化皮膜、固体電解質層および陰極引出層からなる陰極部を形成したコンデンサ素子を複数枚集合してなるコンデンサ素子ユニットを備える固体電解コンデンサであって、
前記コンデンサ素子ユニットは、各コンデンサ素子の陰極部がその中心側を向くように集合され、かつ、各コンデンサ素子の陽極部がその他方側に形成された陰極部の外側に位置するように、前記複数枚のコンデンサ素子が同一平面上で放射状に配置され、前記複数枚のコンデンサ素子は互いに隣り合う陰極部の対向面同士が全面にわたって等間隔で近接している。
このようにして構成された発明によれば、電荷の充放電が陰極部を中心に放射状に行われることにより、ＥＳＬが低減し、また、端子電極数を増やすことができるためにＥＳＬをさらに低減することが可能である。

本発明に係る固体電解コンデンサは、上述のコンデンサ素子が互いに同一形状に形成されていることが好ましい。

本発明に係る固体電解コンデンサは、上述のコンデンサ素子ユニットを複数個有し、この複数個のコンデンサ素子ユニットの各陽極部および各陰極部が互いに重ね合わさるように積層されていることが好ましい。

本発明に係る固体電解コンデンサは、放射状に位置する各陽極部ごとに１つの陽極端子を設け、各陽極端子が導電性部材によって電気的に接続されても良い。

本発明によって提供される固体電解コンデンサは、複数枚のコンデンサ素子が同一平面上で陰極部が中心側を向くように集合され、その陽極部が他方側に形成された陰極部の外側に位置するように、放射状に配置してコンデンサ素子ユニットが構成されていることにより、インダクタンス（ＥＳＬ）をさらに低減することが可能となった。
その結果、低ＥＳＬの固体電解コンデンサを得ることができる。

以下、図面に基づき、本発明に係る固体電解コンデンサの実施例について詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の固体電解コンデンサにおいて、コンデンサ素子の基本構成を説明するための図である。図１は、１個のコンデンサ素子Ｃの外観斜視図である。図２は、図１のコンデンサ素子Ｃの詳細構成を示す断面図である。なお、図２では説明の便宜上、厚さは拡大して表示した。図３は、４枚のコンデンサ素子を同一平面上で各陰極部がコンデンサ素子ユニットの中心点で集まるようにして配置したコンデンサ素子ユニットを示す平面図である。

図１および図２において、符号１はアルミニウムなどの弁作用金属を粗面化した薄板（箔）を示し、陽極を構成する部分である。２は、表面が粗面化された弁作用金属薄板１の表面に形成された酸化皮膜層を示し、誘電体を構成する層である。３は、酸化皮膜層（誘電体層）２の表面に形成された固体電解質層を示し、陰極部を構成する層で、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によって形成した層である。この固体電解質層３は、酸化皮膜層２よりも被覆面積が僅かに小さくなるように、酸化皮膜層２の左端側一部を露出させた状態で、酸化皮膜層２上に形成される。４および５は、陰極引出層で、各々４はカーボン層、５は銀層である。

なお、機能的には弁作用金属薄板１全体が陽極であるが、本実施例では、弁作用金属薄板１の陰極部（固体電解質層）３が形成されていない部分、即ち図２の左側に突出している部分を陽極部（陽極露出部）Ｐとし、固体電解質層３、カーボン層４および銀層５からなる部分を陰極部Ｎとする。

図１および図２に示すように、本発明の固体電解コンデンサにおけるコンデンサ素子ユニットを構成している個々のコンデンサ素子Ｃは、陽極部Ｐおよび陰極部Ｎで構成されている。陽極部Ｐと陰極部Ｎとの間は、絶縁性マスキング部材６によって完全に絶縁隔離されている。なお、図１には、コンデンサ素子Ｃの一例として、野球のホームベースの形状に似た５角形の形状（陰極側のコンデンサ素子ユニットの中心回りの角度が９０°である）ものを例示したが、本発明の固体電解コンデンサにおけるコンデンサ素子の形状はこれに限定されるものではない。

図３に示すように、コンデンサ素子Ｃ１〜４は、同一平面上で陰極部Ｎ１〜４がそれぞれ中心側を向くように集合され、陽極部Ｐ１〜４が、それぞれ、その他方側に形成された陰極部Ｎ１〜４の外側に位置するように、放射状に配置されている。コンデンサ素子は、Ｃ１〜Ｃ４が互いに同一形状に形成され、互いに隣り合う陰極部、すなわちＮ１とＮ２、Ｎ２とＮ３、Ｎ３とＮ４、Ｎ４とＮ１の対向面同士が全面にわたって等間隔で近接している。本発明において好ましい陰極部同士の間隔は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである。

上記固体電解コンデンサは、コンデンサ素子Ｃ１〜４の陰極部Ｎ１〜４と、陰極電位取り出し用の陰極リードフレーム８との間が、導電性接着剤により電気的に導電接続されている。

陽極電位取り出し用の陽極リードフレーム７（陽極端子）（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）は、各陽極部Ｐ１〜Ｐ４ごとに１つずつ陰極リードフレームを囲むように配置した。

さらに、上記固体電解コンデンサは、コンデンサ素子Ｃ１〜４の陽極部Ｐ１〜４と陽極リードフレーム７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）との間を、抵抗溶接で溶接することにより３箇所仮止めした後、レーザー溶接により導電接合する。その後、図４に示すように外装樹脂９により封止される。

次に、本発明に係る固体電解コンデンサの効果を説明するために実施例および従来例を以下に示す。

（実施例１）
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弁作用金属薄板１として、このアルミニウム箔１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、表面に誘電体層（酸化皮膜層）２を形成した。

このようにして誘電体層（酸化皮膜層）２が形成されたアルミニウム箔（弁作用金属）１を、図１に示したように、幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断し、その後さらに箔の２つの隅（陰極部Ｎが形成される側）を幅（ｗ’）５.５ｍｍ、長さ（ｌ’）５．５ｍｍの寸法で裁断した。そして図２に示すように、適切な位置に絶縁性樹脂などのマスキング部材６を周方向に塗布して、左右の領域（陽極部Ｐと陰極部Ｎ）を区分した。

その後、裁断によってアルミニウム箔（弁作用金属）１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１０Ｖの電圧を印加して約３０分間酸化処理を行い、裁断面にも誘電体層（酸化皮膜層）２を形成した。その後、マスキング部材６により区分された陰極部側部分に、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）からなる固体電解質層３、カーボン層４および銀層５を順次設けて陰極部Ｎを形成した。

その後、図３に示すように、陰極部を中心側として、その陽極部が外側に位置するように、コンデンサ素子Ｃ１〜４を同一平面内で放射状に配置した。

コンデンサ素子Ｃ１〜４の陰極部Ｎ１〜４と、陰極リードフレーム８の間を、導電性接着剤（図示を省略する）を介して密に接合した。

本実施例では、陽極部Ｐ１〜４およびその下面側に配置した陽極リードフレーム７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）を抵抗溶接により導電接合した後、ＹＡＧレーザー溶接により再度接合した。ＹＡＧレーザー光のスポット径はφ＝０．８ｍｍ、レーザー溶接の出力波形は４．０Ｊで２．５ｍｓ照射後、２．４Ｊで５．０ｍｓ照射する２段階波形とした。
なお、今回のリードフレームの材料には銅合金系を使用した。

なお、陽極部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の表面に形成される酸化皮膜２は、抵抗溶接した際、溶接温度によって接合面の皮膜２は溶解されるので、電気的には完全に導電接合される。
その後、図４に示すように、陽極リードフレーム７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）、陰極リードフレーム８の外部回路との接続部だけを露出させた状態で、全体を樹脂９で外装し、固体電解コンデンサを作製した。

（実施例２）
実施例２は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本実施例では、図５に示すように、コンデンサ素子Ｃ１〜４の上に、導電性接着剤を介してコンデンサ素子Ｃ５〜８を積層し、積層型固体電解コンデンサを作製した。ここで、２枚に積層されたコンデンサ素子ユニットは、各陽極部および各陰極部が互いに重ね合わされている。すなわち、陽極部Ｐ５〜Ｐ８が、それぞれ陽極部Ｐ１〜Ｐ４に重ね合わせられ、陰極部Ｎ５〜Ｎ８が、それぞれ陰極部Ｎ１〜Ｎ４に重ね合わされている。

（実施例３）
実施例３は、上記実施例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。本実施例では、図６に示すように、陽極リードフレーム７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）をこのリードフレームと同じ材質の導電性部材（図６の点線部分１０）で電気的に接続し、外装樹脂９で覆うようにした。

（従来例１）
図７に従来例１の構造を示す。ここで、コンデンサ素子Ｃ１、Ｃ２の構成は、陰極部の２つの隅を裁断することを除き、図２と同様の構成である。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、表面に誘電体層を形成した。このようにして酸化皮膜が形成されたアルミニウム箔を幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断し、適切な位置に絶縁性樹脂などのマスキング部材６を周方向に塗布して、左右の領域（陽極部Ｐと陰極部Ｎ）を区分した。その後、前記裁断によって弁作用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１０Ｖの電圧を印加して約３０分間酸化処理を行い、裁断面にも誘電体層を形成した。その後、マスキング部材６より右側部分に、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を順次設けて陰極部Ｎを形成した。

２枚のコンデンサ素子の陰極部Ｎ１、Ｎ２は順次積層されるが、その積層面間は導電性接着剤（図示を省略する）を介して密に接合した。一方、各素子基板の陽極部はＰ１が左側に、Ｐ２が右側になるように、即ち交互に反対方向になるように積層した。
その後、左側に突出した陽極部Ｐ１と下面の陽極リードフレーム７、右側に突出した陽極部Ｐ２と陽極リードフレーム７’を抵抗溶接により導電接合した後、ＹＡＧレーザー溶接により再度接合した。８は陰極リードフレームであり、陰極部Ｎ１と導電性接着剤を介して接続した。この際、ＹＡＧレーザー光のスポット径はφ＝０．８ｍｍ、レーザー溶接の出力波形は４．０Ｊで２．５ｍｓ照射後、２．４Ｊで５．０ｍｓ照射する２段階波形とした。

このようにして作製された積層構造体は、図の破線で示したようにリードフレーム７、７’、８の外部回路との接続部だけを露出させた状態で、全体を樹脂９でモールドした。

（従来例２）
図８に従来例２の構造を示す。従来例２は、上記従来例１と略同様であるので、異なる点のみ説明する。幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断したコンデンサ素子を４枚、陰極部を中心として、その陽極部の方向が交互に左右互い違いになるように積層し、積層型固体電解コンデンサを作製した。

表１は、上記本発明の実施例の固体電解コンデンサと従来例の単純積層型の積層コンデンサとの性能比較表で、それぞれの例について静電容量（μＦ）、ＥＳＲ（ｍΩ）、ＥＳＬ（ｐＨ）、積層体の厚み（ｍｍ）を実測した結果を示す。なお静電容量は１２０Ｈｚ、ＥＳＲ（等価直列抵抗）は１００ｋＨｚ、ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）は１０ＭＨｚで測定した。

表１から分かるように、実施例の固体電解コンデンサのＥＳＬ値は、従来例の固体電解コンデンサに対して改善された。

本実施例では、電荷の充放電が陰極部を中心に放射状に行われることにより磁界が打ち消しあい、インダクタンス（ＥＳＬ）が低減することが実証された。また、陽極同士を接続した実施例３でも、上記効果が得られた。さらに、２段積層した実施例２の固体電解コンデンサの場合には、静電容量を増加させることができるうえ、ＥＳＬの値が極端に大きくならないことが確認された。

上記の実施例では、２段積層した場合について説明したが、積層段数を３段以上に増した場合でも有効である。

上記の実施例では、コンデンサ素子ユニットを回転を加えずそのまま積層したが、先に配置したコンデンサ素子ユニットに対して回転を加え積層した場合でも有効である。

上記の実施例では、コンデンサ素子の先端を９０°の角度にして４枚配置した場合について説明したが、コンデンサ素子の先端の角度は、これに限られるものではない。箔形状を例えば、頂角が鋭角の二等辺三角形状にし、隣りのコンデンサ素子の頂角を鈍角の二等辺三角形状にして、両者の角度を合計で１８０°にした場合でも有効である。この場合でも、磁界打ち消し効果により、コンデンサのインダクタンスを低減することができる。

上記の実施例では、５端子構造について説明したが、３端子、４端子、または６端子、８端子、１０端子、またそれ以上の端子数でも有効である。

上記の実施例では、固体電解質としてＰＥＤＴの場合について説明したが、ポリアニリン、ポリピロールなどの公知の導電性高分子も有効であることが確認されている。

上記の各実施例では、リードフレームの材料として銅合金系の場合について説明したが、銅系である場合でも有効であることが確認されている。

また、実施例では、コンデンサ素子の陽極部とリードフレームの間は直接接続したが、コンデンサ素子の陽極部とリードフレームの間、コンデンサ素子の陽極部間の何れか一箇所以上にニッケル、鉄、銅、アルミニウムの何れか、またはそれらの合金のマクラ材を介在させてもよい。

また、陰極リードフレーム、陽極リードフレームは、実施例では積層体の下面に取り付けた例について説明したが、コンデンサの使用態様や用途に応じて積層体の側面または中間部から取り出すようにしてもよい。

１個のコンデンサ素子基板の外観斜視図である。 図１の詳細構成を示す断面図である。 コンデンサ素子を４枚配置したコンデンサ素子ユニットを示す平面図である コンデンサ素子を４枚配置した場合の固体電解コンデンサを示す斜視図である。 コンデンサ素子を４枚配置し、それを２段積層した場合の固体電解コンデンサを示す斜視図である。 実施例３の電極リードフレームの構成を示す図である。 従来例１の積層した固体電解コンデンサを示す斜視図である。 従来例２の積層した固体電解コンデンサを示す斜視図である。

符号の説明

Ｐ、Ｐ１〜Ｐ４ 陽極部（陽極露出部）
Ｎ、Ｎ１〜Ｎ４ 陰極部
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ素子基板
１ 弁金属薄板
２ 誘電体層（酸化皮膜層）
３ 固体電解質層
４ カーボン層
５ 銀層
６ マスキング部材
７、７’、７ａ〜７ｄ 陽極リードフレーム
８ 陰極リードフレーム
９ 樹脂
１０ 導電性部材

Claims (4)

1. 板状の弁作用金属の一方側を陽極部とし、他方側に誘電体となる酸化皮膜、固体電解質層および陰極引出層からなる陰極部を形成したコンデンサ素子を複数枚集合してなるコンデンサ素子ユニットを備える固体電解コンデンサであって、
   前記コンデンサ素子ユニットは、各コンデンサ素子の陰極部が中心側を向くように集合され、かつ、各コンデンサ素子の陽極部がその他方側に形成された陰極部の外側に位置するように、前記複数枚のコンデンサ素子が同一平面上で放射状に配置され、
   前記複数枚のコンデンサ素子は互いに隣り合う陰極部の対向面同士が全面にわたって等間隔で近接していることを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記複数枚のコンデンサ素子は互いに同一形状に形成されてい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。
3. 前記コンデンサ素子ユニットを複数個有し、
   前記複数個のコンデンサ素子ユニットが、各陽極部および各陰極部が互いに重ね合わさるように積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体電解コンデンサ。
4. 放射状に位置する各陽極部ごとに１つの陽極端子を設け、
   各陽極端子を導電性部材によって電気的に接続したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体電解コンデンサ。

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