JP5346847B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、主として電子機器の電源回路に用いられるデカップリングコンデンサ用の積層型の固体電解コンデンサに関するものである。

電子機器の高周波化に伴って電子部品の一つであるコンデンサに対しても、従来技術より高周波領域でのＥＳＲ（等価直列抵抗）特性に優れたコンデンサが求められてきており、このような要求に応えるために電気伝導度が高い導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが種々検討されている。

また、近年、パーソナルコンピュータのＣＰＵ周り等に使用される固体電解コンデンサには小型、かつ大容量化が強く望まれており、低ＥＳＲ化のみならず、更に高周波化に対応してノイズ除去や過渡応答性に優れた低ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）化も強く望まれており、このような広範囲の周波数領域での低インピーダンス化の要求に応えるために種々の検討がなされている。

そのような状況で低ＥＳＬや低インピーダンスを実現するために特許文献１、特許文献２のような構造を有するコンデンサが提案されている。

特許文献１には、コンデンサ素子を交互に相反する方向に積層した素子積層体を有して、両端の陽極電極部が板状のインダクタ部で連結した外部陽極端子と両端の陽極電極部に挟まれて中央に陰極電極部を有し、これらを被覆した絶縁性の外装樹脂からなる構成により、各端子間に流れる電流により発生する磁束を互いに打ち消し合ってＥＳＬを大きく低減し、更に外部陽極端子に設けた一対の端子部どうしをインダクタ部で連結した構成により、π型フィルタを形成して比較的低い周波数領域で低ＥＳＬ化を図った技術が紹介されている。

又、特許文献２には、両端に陽極電極を有し、陽極電極に挟まれた中央部に陰極電極を有した伝送線路構造を持った分布定数型ノイズフィルタであり、比較的高い周波数領域で低ＥＳＬ化を実現して電子部品から発せられる電気的ノイズを広帯域にわたって除去するコンデンサの技術が紹介されている。

特開２００８−７８３７０号公報 特許第３８５６６７１号公報

特許文献１に紹介されている技術では、コンデンサ素子が伝送線路構造を有しておらず、比較的高い周波数領域でのＥＳＬ低減が困難であり、特許文献２に紹介されている技術ではコンデンサ素子が伝送線路構造を有しているものの、コンデンサ素子の構造上、伝送線路素子は両端に陽極電極部を有する為に、静電容量の増加が見込めず、比較的低い周波数領域で低インピーダンス化への寄与が不十分であり、広い範囲の周波数特性と静電容量の確保は二律背反の傾向にある。

本発明の課題は、前述の従来技術における問題を鑑みてなされたものであり、従来よりも更に広範囲の周波数領域において低インピーダンス化を可能とし、かつ、静電容量を増加させた固体電解コンデンサを提供することである。

本発明の固体電解コンデンサは、表面を拡面化した弁作用金属からなる陽極部と、前記陽極部の表面に形成した酸化皮膜からなる誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成した導電性高分子からなる固体電解質層と、前記固体電解質層の表面にグラファイト層および銀陰極層を順次形成した陰極部を有した固体電解コンデンサ素子を複数積層し、前記陽極部を接続する外部陽極端子と前記陰極部を接続する外部陰極端子の表面が部分的に露出するように外装樹脂で覆ってなる固体電解コンデンサであって、前記外部陽極端子および前記外部陰極端子に近い側に配する前記固体電解コンデンサ素子は伝送線路構造を備えるとともに、前記固体電解コンデンサ素子に配した二つの前記陽極部と、前記陰極部を有する３端子型固体電解コンデンサ素子であり、前記３端子型固体電解コンデンサ素子に積層する前記固体電解コンデンサ素子は前記陽極部および前記陰極部を一つずつ有する２端子型固体電解コンデンサ素子であることを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサは、前記２端子型固体電解コンデンサ素子の少なくとも一つは、前記陰極部が前記３端子型固体電解コンデンサ素子の前記陰極部よりも体積が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、伝送線路構造を有する３端子型固体電解コンデンサ素子と２端子型固体電解コンデンサ素子とをひとつの固体電解コンデンサ内に取り入れることで、より広範囲な周波数領域において低インピーダンス化を図り、更に静電容量を増加させることを可能にした固体電解コンデンサを提供することが出来る。

本発明によれば、２端子型固体電解コンデンサ素子の少なくとも一つは、陰極部が最下部の３端子型固体電解コンデンサ素子の陰極部よりも体積を大きくすることで、更に静電容量を増加させることを可能にした固体電解コンデンサを提供することが出来る。

本発明の固体電解コンデンサの第一の実施の形態を説明する断面図。 本発明の固体電解コンデンサの第二の実施の形態を説明する断面図。 本発明の固体電解コンデンサの実施例と比較例１及び、比較例２との周波数特性を示すグラフ。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第一の実施の形態）
図１は第一の実施の形態を説明する固体電解コンデンサの断面図である。積層された固体電解コンデンサ素子の内、最下面の固体電解コンデンサ素子は伝送線路構造を有する３端子型固体電解コンデンサ素子１（以降、３端子型固体電解コンデンサ素子１）である。その最下面の３端子型固体電解コンデンサ素子１の上に２端子型固体電解コンデンサ素子２を配置した構造を有している。

この３端子型固体電解コンデンサ素子１、及び２端子型固体電解コンデンサ素子２にはそれぞれ陽極体が存在する。まず、３端子型固体電解コンデンサ素子１の陽極体は板状または箔状の弁作用を有する弁作用金属の表面にエッチングなどにより多数の空孔を形成し、その表面積を２００倍ほどに拡面化させたものである。この表面が拡面化された陽極体の表面に誘電体層を形成している。この誘電体層は、酸化皮膜にて形成することが好適である。その後、陽極体の一部分には固体電解質層を形成する電解液等の這い上がり防止としてレジスト層３を形成する。

誘電体層が形成された陽極体の表面には、さらに固体電解質層を形成する。固体電解質としては一般に導電性高分子が好適とされ、具体的にはポリピロールやポリチオフェン等が用いられる。さらに固体電解質層の表面に陰極部４を構成するため、グラファイト層、銀陰極層を順次形成する。銀陰極層を形成する材料としては導電性を有する銀ペーストが好適とされる。

そして、陽極体の両端部分にも形成された酸化皮膜及び、固体電解質層をＹＡＧレーザ等により除去して陽極部７を露出させる。これにより、最下面に積層する３端子型固体電解コンデンサ素子１が出来上がる。

２端子型固体電解コンデンサ素子２についても拡面化された弁作用金属からなる板状または箔状の表面に酸化皮膜からなる誘電体層が形成されている。その後、レジスト層３を設け、導電性高分子等からなる固体電解質層を形成する。更に、その固体電解質層の表面にグラファイト層、銀陰極層が順次形成され図１に示すような２端子型固体電解コンデンサ素子２が得られる。

この時、図１の２端子型固体電解コンデンサ素子２において破線で囲まれた部分の陰極部が延長され、この２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４の体積が３端子型固体電解コンデンサ素子１の陰極部４の体積より大きくなっている。これにより３端子型固体電解コンデンサ素子１を積層した構造のノイズフィルタよりも、静電容量を増加させることが可能になり、低周波数側のインピーダンスの低下に寄与するものである。

ここで、２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４の体積とはレジスト層３から陽極部７側の反対の方向に伸びている部分を指しており、伝送線路構造３端子型コンデンサ素子１の陰極部４の体積とは二つのレジスト層３で挟まれた陰極部４の部分をいう。共に陰極部４の下層には前述した誘電体層と固体電解質層が形成されている。

絶縁樹脂１５は延長した２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４と３端子型固体電解コンデンサ素子１の陽極部７とが電気的に接触することを防止するために施すものであり、２端子型固体電解コンデンサ素子２を作製する際にエポキシ樹脂等の絶縁性の樹脂を塗布し形成する。尚、この絶縁樹脂１５を形成させる場所は２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４と３端子型固体電解コンデンサ素子１の陽極部７とが電気的に接触することを防止することが可能であれば延長した２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４と対向した３端子型固体電解コンデンサ素子１の陽極部７の表面でもかまわない。

しかる後、３端子型固体電解コンデンサ素子１、及び２端子型固体電解コンデンサ素子２のそれぞれの陽極部７と陽極金属片６とを溶接等にて接合する。更に最下面の３端子型固体電解コンデンサ素子１、及び２端子型固体電解コンデンサ素子２の陰極部４同士を導電性樹脂５により接続する。

又、陽極金属片６が接続された、それぞれの陽極部７をレーザ溶接等で接合した後、得られたコンデンサ積層体８の最下面である３端子型固体電解コンデンサ素子１の陰極部下面９、及び陽極金属片下面１０とを、外部陰極端子１１、及び外部陽極端子１２とへ、それぞれ導電性樹脂５を用いて接続する。その後、モールド樹脂ケースとなる外装樹脂１３により外装することで本発明の固体電解コンデンサが得られる。

（第二の実施の形態）
図２は第二の実施の形態を示す製品の断面図である。第二の実施の形態は、第一の実施の形態に対して２端子型固体電解コンデンサ素子１４（２端子型固体電解コンデンサ素子２と内部の構成は同等）をさらに積層する構造である。

尚、２端子型コンデンサ素子１４を２端子型固体電解コンデンサ素子２の上に積層する方法は第一の実施の形態で説明した内容と同等であるため省略する。

ここで、第二の実施の形態においても最上部の２端子型固体電解コンデンサ素子１４の陰極部４が延長されており、３端子型固体電解コンデンサ素子１のみを積層した構造よりも静電容量が増加することにより、低周波数側のインピーダンス低下に寄与するものである。

又、何れの形態にも積層体の最下面の固体電解コンデンサ素子が伝送線路素子構造を有していることから、特許文献１に記載の従来の構造（π型フィルタ）よりも比較的高い周波数領域においてもインピーダンスの低減を可能にするものである。

前述の第一の実施の形態及び第二の実施の形態は、３端子型固体電解コンデンサ素子と２端子型固体電解コンデンサ素子とをひとつの固体電解コンデンサ内に設置することにより、これまで困難とされてきた、従来の２端子型固体電解コンデンサ素子（π型フィルタ構造）を有した固体電解コンデンサにて成し得なかった、比較的高い周波数領域でのインピーダンス低減を可能にする。そして、従来の伝送線路構造を有した３端子型固体電解コンデンサ素子を積層した構造での、更なる静電容量増加を同時に実現した固体電解コンデンサを得ることが可能となる。

尚、２端子型固体電解コンデンサ素子を積層する数は、製品に要求される電気的特性を満たし、かつ、製品の内部に配置し、製造可能であれば特に限定しない。また、２端子型固体電解コンデンサ素子の陽極部の向きも積層可能であれば問わない。

実施例について実施の形態で用いた図１を使って説明する。

図１に示すように３端子型固体電解コンデンサ素子１を形成する陽極体としては、表面がエッチング加工により拡面化された長さ４．４ｍｍ、幅２．２ｍｍ、厚さ１５０μｍのアルミニウム箔を用いその表面に酸化により誘電体皮膜を形成してアルミ化成箔としたものを用いた。このアルミ化成箔の表面に固体電解質層として導電性高分子膜を厚さ１５μｍにて形成し、更にその表面にグラファイト層を厚さ２０μｍ、銀ペーストにより銀陰極層を約１５μｍにて順次形成して陰極部４を製作した。尚、陰極部４の長さは１．８ｍｍとした。しかる後に、陽極金属片６を両端の陽極部７に溶接した。

２端子型固体電解コンデンサ素子２についても前述と同様の方法にて陰極部４を形成した後、片面の陽極部７に陽極金属片を接合した。この時、用いたアルミ化成箔の寸法は３端子型固体電解コンデンサ素子１と同等とした。そして、２端子型固体電解コンデンサ素子２の長さは４．４ｍｍとし、陰極部４の長さは３．１ｍｍとした。その後、得られた２端子型固体電解コンデンサ素子２と３端子型固体電解コンデンサ素子１の陰極部４同士を導電性樹脂５により接続した。

更に、それぞれの陽極部７をレーザ溶接で接合した後、得られたコンデンサ積層体８の最下面の３端子型固体電解コンデンサ素子１の陰極部下面９及び陽極金属片下面１０と、外部陰極端子１１及び外部陽極端子１２とを、それぞれ導電性樹脂５により接続した。その後、モールド樹脂ケースとなる外装樹脂１３により外装することで目的とした固体電解コンデンサを５個製作した。尚、製品外形寸法は縦５．０ｍｍ、横２．８ｍｍ、高さ２．０ｍｍとした。

（比較例１）
比較例１は、図２に示した２端子型固体電解コンデンサ素子２を交互に相反する方向に２枚積層した、π型フィルタの固体電解コンデンサであり、５個作製した。

尚、比較例１のコンデンサ素子は寸法が長さ３．５ｍｍ、幅２．２ｍｍ、厚さ１５０μｍのアルミニウム箔の表面を粗面化して酸化により誘電体皮膜を形成した陽極体からなり、陰極部の長さは２．４ｍｍとした。モールド樹脂ケースは実施例１と同じものを使用し、製品外形寸法も実施例１と同等とした。

（比較例２）
比較例２は、図１に示した伝送線路構造３端子型コンデンサ素子１を２枚積層した、ノイズフィルタの機能を有した固体電解コンデンサであり、５個作製した。

尚、比較例２のコンデンサ素子は寸法が長さ４．４ｍｍ、幅２．２ｍｍ、厚さ１５０μｍのアルミニウム箔の表面を粗面化して酸化により誘電体皮膜を形成した陽極体からなり、陰極部の長さは１．８ｍｍとした。モールド樹脂ケースは実施例１と同じものを使用し、製品外形寸法は実施例１と同等とした。

次に、本発明による実施例１と比較例１及び、比較例２との周波数特性の比較図を図３に示す。

この評価結果はネットワークアナライザにて低インピーダンス素子のインピーダンス特性評価に用いられるＳパラメータ：Ｓ_２１特性を測定して算出したものである。

図３の一点鎖線で示す、比較例１のπ型フィルタの固体電解コンデンサの周波数特性は高周波数（１０ＭＨｚ以上）でインピーダンスが急激に増加している。これはＥＳＬの増加によるものと推察され、この固体電解コンデンサは比較的、低い周波数領域である１ＭＨｚから１０ＭＨｚ付近の電気信号を通過させるＬＰＦ（ローパスフィルター）等に適していることが判る。

又、破線で示す、比較例２のノイズフィルタの機能を有した固体電解コンデンサの周波数特性は、周波数が１ＭＨｚから１ＧＨｚ付近までは、ほぼ一様な周波数特性を有しているが１０ＭＨｚ未満の比較的、低い周波数領域ではインピーダンスが若干増加する傾向にある。

比較例１、比較例２とも、それぞれに不得意とする周波数の領域があることが判るが実線で示した実施例１の固体電解コンデンサの周波数特性は比較例１、比較例２の不得意とする部分を克服した、更に広範囲で低インピーダンスの周波数特性を有していることが判り、本発明の顕著な効果が伺われる。

表１に実施例１と比較例１と比較例２における静電容量およびインピーダンス特性の評価結果を示す。

・ 測定周波数 １２０Ｈｚ
・ 測定電圧 ５００ｍＶ

表１に示すとおり実施例１は比較例２より静電容量が増加していることが判り、本発明の効果が伺われる。

以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

１ ３端子型固体電解コンデンサ素子
２、１４ ２端子型固体電解コンデンサ素子
３ レジスト層
４ 陰極部
５ 導電性樹脂
６ 陽極金属片
７ 陽極部
８ コンデンサ積層体
９ 陰極部下面
１０ 陽極金属片下面
１１ 外部陰極端子
１２ 外部陽極端子
１３ 外装樹脂
１５ 絶縁樹脂

Claims (2)

1. 表面を拡面化した弁作用金属からなる陽極部と、前記陽極部の表面に形成した酸化皮膜からなる誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成した導電性高分子からなる固体電解質層と、前記固体電解質層の表面にグラファイト層および銀陰極層を順次形成した陰極部を有した固体電解コンデンサ素子を複数積層し、前記陽極部を接続する外部陽極端子と前記陰極部を接続する外部陰極端子の表面が部分的に露出するように外装樹脂で覆ってなる固体電解コンデンサであって、前記外部陽極端子および前記外部陰極端子に近い側に配する前記固体電解コンデンサ素子は伝送線路構造を備えるとともに、前記固体電解コンデンサ素子に配した二つの前記陽極部と、前記陰極部を有する３端子型固体電解コンデンサ素子であり、前記３端子型固体電解コンデンサ素子に積層する前記固体電解コンデンサ素子は前記陽極部および前記陰極部を一つずつ有する２端子型固体電解コンデンサ素子であることを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記２端子型固体電解コンデンサ素子の少なくとも一つは、前記陰極部が前記３端子型固体電解コンデンサ素子の前記陰極部よりも体積が大きい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。

Images