JP5435007B2 - 固体電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、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、特に、複数の弁作用金属基体が積み重ねられて積層体を構成している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。

この発明にとって興味ある固体電解コンデンサが、たとえば国際公開第２００６／１２９６３９号パンフレット（特許文献１）に記載されている。特許文献１に記載される固体電解コンデンサは、芯部と芯部の表面に沿って形成されたエッチング部とを有し、かつ陽極部と陰極部とを与える、複数の弁作用金属基体が積み重ねられてなる積層体を備えている。

各弁作用金属基体の表面には、誘電体皮膜が形成され、弁作用金属基体の陰極部において、誘電体皮膜上には、陰極層が形成され、陰極層には陰極外部端子が接続される。陰極層は、導電性高分子層、その上に形成されるカーボンペースト層およびその上に形成される銀ペースト層からなり、これら導電性高分子層、カーボンペースト層および銀ペースト層は、液状またはペースト状の各々の原料溶液に、誘電体皮膜が形成された弁作用金属基体を浸漬することによって形成される。

他方、複数の弁作用金属基体の陽極部は、１箇所に集まるように集積された状態とされて、陽極外部端子と接続される。ここで、弁作用金属基体の陽極部には上述した陰極層が存在しないため、複数の弁作用金属基体の陽極部が１箇所に集まるように集積されると、弁作用金属基体の陽極部となる各端部は、陰極層の厚み分だけ曲げられることになるが、特許文献１に記載の固体電解コンデンサでは、複数の弁作用金属基体の陽極部となる各端部の隣り合うものの間に、陰極層の厚みを補償し得るスペーサが挿入されている。

スペーサは、弁作用金属基体の上述した曲がりを最小限に抑え、この曲がりによって陽極部に隣接する陰極部上の陰極層に不所望な応力がかかるという問題を解消するように作用する。

特許文献１では、スペーサは、好ましくは、抵抗溶接により弁作用金属基体に接合されると記載されている。このような抵抗溶接を容易にするため、スペーサは、たとえば銅または銅系合金からなり、その表面には、融点の比較的低い、たとえば錫または錫系合金からなる接合材が設けられている。

しかしながら、上述の抵抗溶接を実施したとき、図８に示すような問題が生じることがある。図８は、１個の弁作用金属基体１の陽極部側を示す図であって、特に、その両主面上にそれぞれスペーサ２が配置された部分を示している。図８において、（Ａ）は抵抗溶接前の状態を示し、（Ｂ）は抵抗溶接後の状態を示している。

弁作用金属基体１は、芯部３と芯部３の表面に沿って形成されたエッチング部４とを有している。なお、スペーサ２の表面には、比較的低融点の接合材が設けられるが、この接合材の図示は省略されている。

図８（Ａ）に示すように、弁作用金属基体１の陽極部にスペーサ２を重ねた状態とし、抵抗溶接を実施すると、抵抗溶接では大電流が流れるため、抵抗溶接の条件によっては、図８（Ｂ）に示すように、弁作用金属基体１の芯部３が溶出することがあり、その結果、弁作用金属基体１とスペーサ２との接合強度、または弁作用金属基体１自身の強度が低下することがある。

図８（Ｂ）では、芯部３の溶出によって生じたスプラッシュ５が図示され、また、芯部３が、溶接前の図８（Ａ）に示した厚みに比べて、より薄くなった状態が図示されている。芯部３は、極端な場合には、溶接後において消失することもあり得る。特に、弁作用金属基体１の積み重ね枚数がより多くなると、抵抗溶接の際の電流がより大きくなるため、このような課題がより顕著になって現れる。

国際公開第２００６／１２９６３９号パンフレット

そこで、この発明の目的は、上述したような課題を解決し得る、すなわち、弁作用金属基体の芯部が溶出しておらず、かつ弁作用金属基体とスペーサとの間が十分な強度で接合されている、固体電解コンデンサを提供しようとすることである。

この発明の他の目的は、弁作用金属基体とスペーサとを抵抗溶接にて接合する際、弁作用金属基体の芯部が溶出しないように制御された、固体電解コンデンサの製造方法を提供しようとすることである。

この発明は、芯部と芯部の表面に沿って形成されたエッチング部とを有し、かつ陽極部と陰極部とを与える、複数の弁作用金属基体と、各弁作用金属基体の少なくとも陰極部に形成された、誘電体皮膜と、各弁作用金属基体の陰極部において誘電体皮膜上に形成された、陰極層とを備え、複数の弁作用金属基体は積み重ねられて積層体を構成し、この積層体において、各弁作用金属基体の陽極部間には、表面に接合材が設けられたスペーサが介在されている、固体電解コンデンサにまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。

すなわち、この発明に係る固体電解コンデンサは、弁作用金属基体における陽極部に位置する芯部の厚みＴａと陰極部に位置する芯部の厚みＴｃとが、｜Ｔｃ−Ｔａ｜／Ｔｃ×１００≦１０［％］の条件を満たし、かつスペーサに設けられた接合材の少なくとも一部が、弁作用金属基体のエッチング部に浸透していることを特徴としている。

この発明に係る固体電解コンデンサにおいて、スペーサに設けられた接合材の融点が弁作用金属基体の融点より低いことが好ましい。これによって、スペーサに設けられた接合材が、弁作用金属基体のエッチング部により浸透しやすくなり、それによって、弁作用金属基体とスペーサとの接合性をさらに向上させることができる。

この発明は、また、固体電解コンデンサの製造方法にも向けられる。

この発明に係る固体電解コンデンサの製造方法では、まず、芯部と芯部の表面に沿って形成されたエッチング部とを有し、かつ陽極部と陰極部とを与える、複数の弁作用金属基体が準備されるとともに、表面に接合材が設けられ、かつ接合材の融点より高い融点を有するスペーサが準備される。

次いで、上述した弁作用金属基体の少なくとも陰極部の表面に誘電体皮膜を形成する工程と、各弁作用金属基体の陰極部において誘電体皮膜上に陰極層を形成する工程と、各弁作用金属基体の陽極部間にスペーサを介在させた状態で、複数の弁作用金属基体を積み重ねる工程とが実施される。

そして、複数の弁作用金属基体が積み重ねられた積層体を得るため、弁作用金属基体とスペーサとを接合するように抵抗溶接する工程が実施されるが、この抵抗溶接工程において、スペーサに設けられた接合材のみが溶融するように溶接電流を制御することを特徴としている。

この発明の好ましい実施形態では、弁作用金属基体はアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなり、接合材は錫または錫を主成分とする合金からなり、スペーサは銅または銅を主成分とする合金からなる。この好ましい実施形態によれば、低コストで固体電解コンデンサを提供することができるとともに、弁作用金属基体およびスペーサにおいて高い導電率を実現でき、また、弁作用金属基体の取扱い性を良好なものとし、さらに、弁作用金属基体と接合材との間で４００℃以上の融点差を与えることができるので、抵抗溶接工程において、接合材のみの溶融を確実に達成することができる。

この発明によれば、弁作用金属基体の陽極部にスペーサを接合する際に、弁作用金属基体の芯部の溶出を防止することができる。また、溶融した接合材が、弁作用金属基体のエッチング部に浸透してアンカー効果を発現させることができる。これらによって、弁作用金属基体自身の接合強度低下を抑制しつつ弁作用金属基体とスペーサとの接合強度を向上させることができる。

この発明の一実施形態による固体電解コンデンサ１１を示す断面図である。 図１の部分Ｃを拡大して示す断面図である。 図１の部分Ｄを拡大して示す断面図である。 図１に示した固体電解コンデンサ１１の製造方法を説明するためのもので、複数の弁作用金属基体１４を示す断面図である。 図４に示した弁作用金属基体１４に陰極層１６を形成した状態を示す断面図である。 図５に示した弁作用金属基体１４を、スペーサ２７および２８、陰極外部端子２５ならびに陽極外部端子２６とともに積み重ねる工程を示す断面図である。 抵抗溶接後の弁作用金属基体１４の芯部１７の厚みを、陰極部２２と陽極部２３とで対比して示す断面図である。 この発明が解決しようとする課題を説明するための１個の弁作用金属基体１の陽極部側を示す図であって、（Ａ）は抵抗溶接前の状態を示し、（Ｂ）は抵抗溶接後の状態を示す。

図１ないし図３を参照して、この発明の一実施形態による固体電解コンデンサ１１について説明する。

図１に示すように、固体電解コンデンサ１１は、たとえば４個のコンデンサユニット１２が積み重ねられて構成された積層体１３を備えている。これら４個のコンデンサユニット１２の各々の構成は共通している。

各コンデンサユニット１２は、弁作用金属基体１４と、弁作用金属基体１４の表面に形成された誘電体皮膜１５（図１において、太線で示す。）と、誘電体皮膜１５上に形成された陰極層１６とを備えている。

弁作用金属基体１４は、たとえば、アルミニウム、タンタルまたはニオブからなるが、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなる。一例として、弁作用金属基体１４は、アルミニウム箔からなり、エッチング処理を施すことによって表面が粗面化され、それによって、芯部１７とその表面に沿って形成されるエッチング部１８とを有している。誘電体皮膜１５は、たとえば、弁作用金属基体１４の表面を酸化することによって形成される。

陰極層１６は、図２に示されるように、導電性高分子層１９、その上のカーボンペースト層２０およびその上の銀ペースト層２１からなる。これらの層１９〜２１は、後で詳細に説明するように、各々対応の原料溶液を付与することによって形成される。

なお、図２および図３において、弁作用金属基体１４のエッチング部１８が波線で示されているが、これはエッチング部１８を模式的に図解したものである。実際には、エッチング部１８はより複雑な表面形状を有している。

弁作用金属基体１４は、陰極層１６が形成された部分において陰極部２２を与え、陰極層１６が形成されていない部分において陽極部２３を与える。

弁作用金属基体１４の陰極部２２と陽極部２３との境界には、遮断部材２４が設けられる。遮断部材２４は、陰極層１６を形成するために付与される陰極原料溶液が陽極部２３に入らないように遮断するためのものである。遮断部材２４は、たとえば電気絶縁性の樹脂からなるもので、その一部が弁作用金属基体１４のエッチング部１８の内部に埋め込まれた状態、あるいは浸透した状態で配置されている。

特定のコンデンサユニット１２間には、陰極外部端子２５および陽極外部端子２６が配置され、外部に引き出されている。陰極外部端子２５は、陰極層１６における銀ペースト層２１に、たとえば導電性接着剤（図示せず。）を介して接続される。また、互いに隣接するコンデンサユニット１２における陰極層１６間についても、必要に応じて、たとえば導電性接着剤（図示せず。）を介して接続される。

積層体１３において、各弁作用金属基体１４の陽極部２３間には、スペーサ２７または２８が介在されている。スペーサ２８は、上述した陽極外部端子２６を挟むように設けられ、スペーサ２７に比べて、その厚み寸法が小さくされる。なお、このように厚み寸法の互いに異なる２種類のスペーサ２７および２８を使い分けるのではなく、たとえば厚み寸法の比較的大きいスペーサ２７のみというように、厚み寸法が共通の単に１種類のスペーサのみを用いるようにしてもよい。

スペーサ２７および２８は、好ましくは、銅または銅を主成分とする合金からなり、その表面には、図３に示すように、接合材２９が設けられている。接合材２９は、好ましくは、錫または錫を主成分とする合金からなり、その融点は、スペーサ２７および２８の融点より低いのはもちろん、弁作用金属基体１４の融点より低くされる。接合材２９は、たとえば錫めっきを施すことにより、スペーサ２７および２８の表面に付与される。

上述した弁作用金属基体１４とスペーサ２７および２８と陽極外部端子２６とは、抵抗溶接により互いに接合される。この抵抗溶接において、スペーサ２７および２８の表面に設けられた接合材２９は溶融して弁作用金属基体１４のエッチング部１８に浸透する。なお、弁作用金属基体１４の陽極部２３の表面にも誘電体皮膜１５が形成されているが、抵抗溶接を実施したとき、溶融した接合材２９は、溶接時の荷重により、誘電体皮膜１５を突き破り、エッチング部１８に浸透することができる。このことをモデル的に図解するため、図１および図３では、突き破られた誘電体皮膜１５を破線で示している。

なお、図１では明確に図示されないが、図３に示すように、接合材２９と弁作用金属基体１４の芯部１７とが接触している状態とされると、接合材２９と弁作用金属基体１４との接合強度をより向上させることができる。

固体電解コンデンサ１１は、また、積層体１３を覆うように成形された、たとえばエポキシ樹脂からなる外装樹脂３０（図１において、その輪郭を想像線で示す。）を備えている。

次に、主として図４ないし図６を参照して、上述した固体電解コンデンサ１１の製造方法について説明する。

まず、図４に示すように、複数の弁作用金属基体１４が用意される。弁作用金属基体１４は、たとえば、約１００μｍの厚みを有するアルミニウム箔からなり、前述したように、エッチング処理を施すことによって表面が粗面化され、それによって、芯部１７とその表面に沿って形成されるエッチング部１８とを有している。また、弁作用金属基体１４の表面は酸化され、それによって、たとえば酸化アルミニウムからなる誘電体皮膜１５が形成されている。

次に、図５に示すように、弁作用金属基体１４のエッチング部１８に、遮断部材２４が設けられる。遮断部材２４の一部は、前述したように、エッチング部１８の内部に埋め込まれた状態または浸透した状態とされる。

次に、同じく図５に示すように、陰極層１６が、各弁作用金属基体１４の陰極部２２において誘電体皮膜１５上に形成される。陰極層１６は、図２を参照して前述したように、導電性高分子層１９、その上のカーボンペースト層２０およびその上の銀ペースト層２１からなる。

まず、導電性高分子層１９を形成するため、弁作用金属基体１４の陰極部２２が導電性高分子原料溶液内に浸漬される。このとき、遮断部材２４によって、導電性高分子原料溶液の付与領域が制限される。その後、弁作用金属基体１４の陰極部２２が導電性高分子原料溶液から引き上げられ、必要に応じて乾燥されることによって、導電性高分子層１９が弁作用金属基体１４の陰極部２２上に形成される。

導電性高分子層の形成工程の一具体例を以下に記載すると、上記のように、弁作用金属基体１４の陰極部２２を、導電性高分子原料溶液としての３，４−エチレンジオキシチオフェンを含むイソプロパノール溶液に浸漬した後に、過硫酸アンモニウムとアントラキノン２スルホン酸ナトリウムの混合溶液に浸漬する操作を２０回繰り返すことにより、ポリエチレンジオキシチオフェンからなる導電性高分子層が形成される。

次に、導電性高分子層１９が形成された弁作用金属基体１４の陰極部２２がカーボンペースト内に浸漬される。このとき、遮断部材２４によって、カーボンペーストの付与領域が制限される。その後、弁作用金属基体１４の陰極部２２がカーボンペーストから引き上げられ、必要に応じて乾燥されることによって、カーボンペースト層２０が導電性高分子層１９上に形成される。

次に、導電性高分子層１９およびカーボンペースト層２０が形成された弁作用金属基体１４の陰極部２２が銀ペースト内に浸漬される。このとき、遮断部材２４によって、銀ペーストの付与領域が制限される。その後、弁作用金属基体１４の陰極部２２が銀ペーストから引き上げられ、必要に応じて乾燥されることによって、銀ペースト層２１がカーボンペースト層２０上に形成される。

以上のようにして、図５に示すように、陰極層１６が、弁作用金属基体１４の陰極部２２において誘電体皮膜１５上に形成される。

次に、図６に示すように、陰極層１６が形成された複数の弁作用金属基体１４、すなわち複数のコンデンサユニット１２を積み重ねる工程が実施される。複数のコンデンサユニット１２の積み重ねにあたっては、特定のコンデンサユニット１２間において陰極層１６と電気的に接続されるように陰極外部端子２５を配置するとともに、各弁作用金属基体１４の陽極部２３間にスペーサ２７または２８を介在させ、かつ、２個のスペーサ２８間に陽極外部端子２６を介在させた状態とされる。

次に、複数の弁作用金属基体１４、すなわち複数のコンデンサユニット１２が積み重ねられた積層体１３を得るため、弁作用金属基体１４とスペーサ２７および２８とを接合する抵抗溶接が実施される。この抵抗溶接では、スペーサ２７および２８に設けられた接合材２９（図３参照）のみが溶融するように溶接電流が制御される。なお、陽極外部端子２６についても、スペーサ２７および２８と同様の構造を有していて、たとえば、錫めっきを施した銅板から構成される。したがって、陽極外部端子２６とスペーサ２８間でも抵抗溶接が達成される。

上述の抵抗溶接の結果、スペーサ２７について図３に示したように、スペーサ２７および２８に設けられた接合材２９の少なくとも一部は、弁作用金属基体１４のエッチング部１８に浸透する。

また、上述の抵抗溶接における溶接電流は、図７を参照して説明すると、弁作用金属基体１４における陽極部２３に位置する芯部１７の厚みＴａと陰極部２２に位置する芯部１７の厚みＴｃとが、｜Ｔｃ−Ｔａ｜／Ｔｃ×１００≦１０［％］の条件を満たすように制御される。

上記条件を満たすようにすれば、抵抗溶接時に、弁作用金属基体１４の陽極部２３における芯部１７の溶出を防止することができるとともに、溶融した接合材２９が、弁作用金属基体１４のエッチング部１８に浸透してアンカー効果を発現させることができる。これらによって、弁作用金属基体１４とスペーサ２７および２８と陽極外部端子２６との各間での接合強度を向上させることができる。

なお、抵抗溶接を実施したとき、溶融した接合材２９は、溶接時の荷重により、誘電体皮膜１５を突き破り、エッチング部１８に浸透することを前述したが、誘電体皮膜１５を弁作用金属基体１４の陰極部２２にのみ形成するようにしてもよい。そのため、図５に示すように、弁作用金属基体１４に遮断部材２４が設けられた後、陰極層１６が形成される前に、弁作用金属基体１４の陰極部２２に対して、たとえば陽極酸化処理を実施し、それによって、酸化皮膜としての誘電体皮膜１５を弁作用金属基体１４の陰極部２２にのみ形成するようにしてもよい。

次に、外装樹脂３０が成形され、固体電解コンデンサ１１が完成される。

以下、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。

まず、図４に示すような複数の弁作用金属基体を用意した。弁作用金属基体は、アルミニウムからなり、芯部とエッチング部とを有し、表面に酸化アルミニウムからなる誘電体皮膜を形成するものであった。

次に、図５に示すように、弁作用金属基体の表面に遮断部材を設け、それによって陽極部と陰極部とに区分し、陰極部の誘電体皮膜表面に、導電性高分子層、カーボンペースト層および銀ペースト層からなる陰極層を形成した。このようにして、複数のコンデンサユニットを得た。

他方、錫めっきを施した銅板を用いて作製された、スペーサならびに陰極外部端子および陽極外部端子を用意した。

次に、上述したコンデンサユニット、スペーサ、陰極外部端子および陽極外部端子を、図６に示すように積み重ねた状態とし、次いで、弁作用金属基体の陽極部、スペーサおよび陽極外部端子の各間を、抵抗溶接により接合した。抵抗溶接では、以下の表１に示した３種類の条件を採用した。

なお、これらの条件は、１０枚のアルミニウム（融点：６６０℃）箔と、銅板に錫（融点：２３２℃）めっきを施した、スペーサおよび外部端子との積層を想定したものである。

表２には、抵抗溶接時の接合部の温度、抵抗溶接後の弁作用金属基体の芯部の陽極部および陰極部における各厚みが示されているとともに、陽極部における芯部の厚みをＴａとし、陰極部における芯部の厚みをＴｃとしたときの｜Ｔｃ−Ｔａ｜／Ｔｃ×１００［％］が「芯部厚み差」として示されている。

表２からわかるように、条件１および２のように、接合部温度を接合材としての錫のみが溶融するように溶接電流を制御すれば、条件３に比べて、陽極部における芯部の厚みの減少が抑えられている。このことから、条件１および２によれば、弁作用金属基体の芯部の抵抗溶接による溶出が防止されていることがわかる。

１１ 固体電解コンデンサ
１２ コンデンサユニット
１３ 積層体
１４ 弁作用金属基体
１５ 誘電体皮膜
１６ 陰極層
１７ 芯部
１８ エッチング部
２２ 陰極部
２３ 陽極部
２７，２８ スペーサ
２９ 接合材

Claims (5)

1. 芯部と前記芯部の表面に沿って形成されたエッチング部とを有し、かつ陽極部と陰極部とを与える、複数の弁作用金属基体と、
   各前記弁作用金属基体の少なくとも前記陰極部に形成された、誘電体皮膜と、
   各前記弁作用金属基体の前記陰極部において前記誘電体皮膜上に形成された、陰極層と
   を備え、
   複数の前記弁作用金属基体は積み重ねられて積層体を構成し、
   前記積層体において、各前記弁作用金属基体の前記陽極部間には、表面に接合材が設けられたスペーサが介在されていて、
   前記弁作用金属基体における前記陽極部に位置する前記芯部の厚みＴａと前記陰極部に位置する前記芯部の厚みＴｃとは、｜Ｔｃ−Ｔａ｜／Ｔｃ×１００≦１０［％］の条件を満たし、かつ
   前記スペーサに設けられた前記接合材の少なくとも一部が、前記弁作用金属基体の前記エッチング部に浸透している、
   固体電解コンデンサ。
2. 前記スペーサに設けられた前記接合材の融点が前記弁作用金属基体の融点より低い、請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
3. 前記弁作用金属基体はアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなり、前記接合材は錫または錫を主成分とする合金からなり、前記スペーサは銅または銅を主成分とする合金からなる、請求項２に記載の固体電解コンデンサ。
4. 芯部と前記芯部の表面に沿って形成されたエッチング部とを有し、かつ陽極部と陰極部とを与える、複数の弁作用金属基体を準備する工程と、
   表面に接合材が設けられ、かつ前記接合材の融点より高い融点を有するスペーサを準備する工程と、
   前記弁作用金属基体の少なくとも前記陰極部の表面に誘電体皮膜を形成する工程と、
   各前記弁作用金属基体の前記陰極部において前記誘電体皮膜上に陰極層を形成する工程と、
   各前記弁作用金属基体の前記陽極部間に前記スペーサを介在させた状態で、複数の前記弁作用金属基体を積み重ねる工程と、
   複数の前記弁作用金属基体が積み重ねられた積層体を得るため、前記スペーサに設けられた前記接合材のみが溶融するように溶接電流を制御しながら、前記弁作用金属基体と前記スペーサとを接合するように抵抗溶接する工程と
   を備える、固体電解コンデンサの製造方法。
5. 前記弁作用金属基体はアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金からなり、前記接合材は錫または錫を主成分とする合金からなり、前記スペーサは銅または銅を主成分とする合金からなる、請求項４に記載の固体電解コンデンサの製造方法。

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