JP5532773B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、固体電解コンデンサ、特に超高圧耐電圧特性を有する固体電解コンデンサに関する。

パワーエレクトロニクスデバイス用材料は、これまでのシリコンに変えて新しいものが求められており、その代表がシリコンカーバイドである。シリコンカーバイドはパワーデバイス用半導体材料として高耐圧低損失特性を備えているので、小型大電力用パワーデバイスを実現することができる。ここで、このような材料がインバータモジュールに用いられた場合、平滑用コンデンサには超高耐電圧、すなわち数百Ｖ、さらには１０００Ｖを越える耐電圧特性、そして高耐熱、高周波リプル耐性が求められる。また、低損失特性を生かしてスイッチング周波数の増大が可能となるので、受動電子部品の大きさは小さくなり、平滑用コンデンサに要求される静電容量は小さくなる。このような要求に対して、電解液を用いたアルミ電解コンデンサでは、高周波リプル用途においてＥＳＲが高く、静電容量あたりの許容リプル電流が極端に小さいので、必要以上に静電容量が大きなものを使わざるを得ない。長寿命化も大きな課題であり、ハイブリッド車駆動用パワーモジュールなどにおいては長期の寿命特性が求められ、信頼性も高いものが求められる。
特開２００８−０６１４０４号公報 特開２００６−００５１４５号公報

以上のような状況のなか、電解コンデンサとしては低ＥＳＲ特性を有し、信頼性も高い、固体電解コンデンサが適しているが、通常用いられるバリア皮膜を誘電体酸化皮膜として用いた固体電解コンデンサでは耐電圧に限界があり、このような分野への適用に制限がある。
そこで、本発明は、低ＥＳＲ特性、高信頼性を有し、数百Ｖの超高耐電圧特性を有する固体電解コンデンサを提供することを目的とする。

本発明の固体電解コンデンサは、ポーラス皮膜層を形成した弁金属からなる陽極のポーラス皮膜の表面近傍のみに陰極導電層を形成したことを特徴とする。

そして、このポーラス皮膜のポア内部に陰極導電層を有しない空間部を設けたことを特徴とする

また、陰極導電層が固体電解質および／または導電材であることを特徴とする。

そして、固体電解質が有機半導体または無機半導体であることを特徴とする。

また、導電材が蒸着金属、導電性ペーストまたはインジウム・スズ酸化物であることを特徴とする。

そして、陰極導電層が、ポーラス皮膜のポア径より径が大きな固体電解質および／または導電材の粒子または粒子の凝集体からなることを特徴とする。

本発明の固体電解コンデンサは、ポーラス皮膜層を形成したアルミニウムからなる陽極のポーラス皮膜の表面近傍のみに陰極導電層を形成しているので、ポーラス皮膜の高さ方向の酸化皮膜を誘電体として用いることができるので、高い耐電圧特性を有し、従来の固体電解コンデンサと同様に、低ＥＳＲ特性、高信頼性を有している。

本発明は、図１に示すように、ポーラス皮膜層２を形成した弁金属１からなる陽極を用い、ポーラス皮膜の表面近傍のみに陰極導電層３を形成している。ポーラス皮膜はアルミニウムをシュウ酸、リン酸、クロム酸、硫酸などの酸溶液中で、１０〜数１０Ｖ電圧印加し、陽極酸化によって、形成することができるが、ポーラス皮膜は電圧印加を続けることによって皮膜層の高さ方向の厚みを増大させることができる。したがって、その厚み分の耐電圧を得ることができるので、通常のバリア皮膜の限界をこえて、超高圧の耐電圧特性を得ることができる。なお、ポーラス皮膜と陰極導電層との間に誘電体層を設けてもよい。

また、図１に示すように、ポーラス皮膜の表面近傍のみに陰極導電層を形成しているが、ポーラス皮膜のポア内部に陰極導電層を有しない空間部を設けている。したがって、ポア内部の陰極導電層を有しない空間部を囲むポーラス皮膜、すなわち誘電体酸化皮膜の耐電圧を有することができる。以上のような本発明の構成によって、超高圧の耐電圧を得ることができる。弁金属としては誘電体皮膜として特性の良好なアルミニウムが好ましい。

ポーラス皮膜を形成する化成条件は、例えば、電解液濃度が１〜２０重量％のシュウ酸、硫酸、リン酸等の少なくとも１種を含む電解液を用い、その温度が１０℃〜４０℃で、アルミニウムを陽極として１０〜７０Ｖの定電圧化成を数分〜数十分行う。これにより厚さが０．１μｍ〜数μｍ程度のポーラス皮膜が形成される。

そして、ポーラス皮膜の表面近傍のみに陰極導電層を形成するが、この陰極導電層としては、固体電解質および／または導電材を用いることができる。固体電解質としては、有機半導体または無機半導体を用いることができる。有機半導体としては、導電性ポリマー、７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）を挙げることができる。なかでも導電性の良好な導電性ポリマーが好ましく、ポリチオフェン、ポリピロールおよびこれらの誘導体、ポリアニリンなどを挙げることができる。無機半導体としては、二酸化マンガン、二酸化鉛などを挙げることができる。

また、導電材としては、蒸着金属、導電性ペースト、またはインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を用いることができる。蒸着金属としては、アルミニウム、パラジウム、亜鉛、ニッケル、金、銀、銅、インジウム、錫、クロム、チタン等を挙げることができる。なお、上記の金属には金属の酸化物も含まれる。蒸着の方法は、一般的には真空蒸着法によるが、エレクトロプレーティング法、スパッタリング法等の方法によってもよい。導電ペーストは、導電性充填材と合成樹脂などのバインダーとからなり、導電性充填材としては金、銀、銅等の金属粉末やカーボン粉末を挙げることができ、通常は銀を用いることが多い。バインダーの合成樹脂はエポキシ樹脂、フェノール樹脂等が通常用いられているが、ポリアミド、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂を用いることもできる。インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）は、酸化インジウム、Ｉｎ₂Ｏ₃中に酸化スズ、ＳｎＯ₂をドープしたインジウム・スズ酸化物であり、スプレー熱分解法、ＣＶＤ法等の化学的成膜法と電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等の物理的成膜法などによって導電材として形成することができる。

また、陰極導電層がポーラス皮膜のポア径より径が大きな固体電解質または導電材の粒子または粒子の凝集体を用いると、ポーラス皮膜のポア内部に陰極導電層を形成することなく、表面近傍のみに陰極導電層を形成することができるので、ポーラス皮膜の皮膜層の高さ方向の厚み分だけの耐電圧を保持することができ、最大耐電圧となるので、好ましい。

そして、導電性ポリマーとしては、ＥＳＲ特性、耐熱性の良好なポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が好ましい。導電性ポリマーの粒子または凝集体を形成する方法としては、気相重合法、電解酸化重合法、化学酸化重合法等を用いることができる。導電性ポリマーの粒子または凝集体を溶媒に分散させた分散液に、ポーラス皮膜層を形成したアルミニウムを含浸し、乾燥することによって、導電性ポリマーからなる陰極電極層を形成することができる。導電性ポリマーの粒子等を分散させる溶媒は、導電性固体の粒子等の溶解度が低いか、または導電性固体の粒子等を溶解しない溶媒が好ましい。ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性ポリマーからなる導電性固体はほとんどの溶媒に不溶であるため、有機溶媒、無機溶媒の制限なく使用することができるが、取り扱い性や導電性ポリマーの粒子等の分散性を考慮すると、水または水を主溶媒として含有する混合溶媒が好ましい。

以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

アルミニウム箔上にポーラス皮膜を形成し、ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）を対極として絶縁破壊電圧を測定した。また、静電容量、誘電損失（ＤＦ）、インピーダンスの周波数特性を測定した。

（固体電解コンデンサの作製）
１．純度４Ｎ、１１０μｍのプレーンアルミニウム箔を化学研磨し、陽極酸化によってポーラス皮膜を形成した。化成条件は、２５℃、２％蓚酸溶液中で、１０ｍＡ／ｃｍ^２、２０Ｖ、５分で化成を行った。
２．ポーラス皮膜の構造を確認するために、２５℃、５０グラム／ｌ硼酸溶液中で、１ｍＡ／ｃｍ^２でＶ−ｔ特性を評価した。結果を（図２）に示す。図２と液抵抗から算出した結果、ポーラス皮膜層の厚さは３１０ｎｍ（耐電圧が２３０Ｖ相当）であった。
３．このポーラス皮膜の表面に、ＰＥＤＯＴのディスパージョン（信越化学、セプレジータ、１２ｎｍ）を滴下し、加熱して固体電解質層を形成し、この上にカーボンペースト、銀ペースト、アルミニウム箔を接合し、アルミ固体電解コンデンサを作製した。

（特性評価）
１．この固体電解コンデンサについて、Ｖ−Ｉ特性をｎ＝２個で測定した。結果を（図３）に示す。いずれも推定耐圧である２３０Ｖ付近で絶縁破壊が発生している。
２．この固体電解コンデンサについて、静電容量、誘電損失（ＤＦ）、インピーダンス、ＥＳＲの周波数特性を測定した。結果をそれぞれ（図４−１）、（図４−２）、（図４−3）に示す。また、従来の巻回型の固体電解コンデンサの周波数特性を（図５−１）、（図５−２）、（図５−３）に示す。従来の巻回型の固体電解コンデンサと比べて、同等の特性を示しており、固体電解コンデンサのとしての特性を有する電解コンデンサが得られたことがわかる。

同様にして、ポーラス皮膜層の厚さが１３４０ｎｍ（耐電圧が１０００Ｖ相当）のポーラス皮膜を用いて、９７０Ｖの固体電解コンデンサを得ることができた。以上の結果から、超高圧の固体電解コンデンサが得られたことがわかる。

本発明の固体電解コンデンサの模式図である。 本発明に用いるポーラス皮膜の耐電圧を示す図である。 本発明の固体電解コンデンサの耐電圧を示す図である。 本発明の固体電解コンデンサの静電容量を示す図である。 本発明の固体電解コンデンサのＤＦを示す図である。 本発明の固体電解コンデンサのインピーダンス、ＥＳＲを示す図である。 従来の固体電解コンデンサの静電容量を示す図である。 従来の固体電解コンデンサのＤＦを示す図である。 従来の固体電解コンデンサのインピーダンス、ＥＳＲを示す図である。

１ 弁金属
２ ポーラス皮膜層
３ 陰極電極層

Claims (4)

1. ポーラス皮膜層を形成した弁金属からなる陽極のポーラス皮膜の表面近傍のみに、ポーラス皮膜のポア径より大きな導電材粒子または凝集体からなる陰極導電層を形成し、ポーラス皮膜のポア内部に陰極導電層を有しない空間部を設けてポーラス皮膜層の高さ方向の酸化皮膜を誘電体とした固体電解コンデンサ。
2. 陰極導電層が固体電解質および／または導電材からなる請求項１記載の固体電解コンデンサ。
3. 固体電解質が有機半導体または無機半導体である請求項２記載の固体電解コンデンサ。
4. 導電材が蒸着金属、導電性ペースト、またはインジウム・スズ酸化物である請求項２記載の固体電解コンデンサ。