JP6058017B2 - Taシート/Nbシートにステンシル印刷された歪みのない陽極 - Google Patents

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Description

本発明は、陽極の製造分野に関する。殊に本発明は、薄いタンタル箔又はニオブ箔へのスクリーン印刷又はステンシル印刷によって歪みのない陽極を製造するための方法に関する。さらに本発明はまた、本発明による方法によって得られる陽極に関する。
タンタル固体電解コンデンサは、なかでも、その高いエネルギー貯蔵密度に基づき、有利にはポータブル機器への適用、例えば携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、パームトップ型コンピュータ及びカムコーダ等において用いられる。ここで、これらのタンタル固体電解コンデンサの主要な構成部材は、タンタル陽極である。ポータブル電子機器は、コンポーネントの集積密度が増大しているにも関わらず、ますます薄型になってきている。通常、このような陽極は、タンタル粉末及び/酸化ニオブ粉末を薄いタンタルシートに圧着し、引き続き焼結することによって製造される。しかしながら、タンタル粉末のこの従来の圧着によって大きなアスペクト比を作り上げることはできず、すなわち、低い取付け高さを有する平面タンタルコンデンサ用の陽極を、この方法で作り上げることはできない。
基材としてのタンタル箔にタンタルペーストを印刷し、引き続きバインダ除去/焼結することによって製造されるタンタル陽極は、焼結後にタンタル基材の大きな歪みを示すことが多い。その時、陽極はもはや平面ではなく、かつ一方では、不十分にしか加工できず、他方では、陽極の有効高さが、歪みが生じていない場合より大きく、すなわち、活性材料で満たされていてよい体積が余計にムダにされている。殊に比較的高い容量のタンタル粉末及びNbO粉末は、歪みの形成を促し、かつ殊に薄いタンタル箔は、特に大きな歪みを被る。したがって、先行技術によれば、100μmの厚さを超える、より厚みのあるタンタル箔若しくはタンタルシートが用いられる。この結果、ステンシル印刷された陽極は、タンタル不動態材料(タンタルシート支持層)に対する(焼結された陽極体の)好ましくない比を示し、それにより、プレスされた陽極と比較してより高い材料費を生むことになる。
それゆえ、本発明の課題は、薄いタンタル箔又はニオブ箔上での高い容量の粉末を基礎とする陽極を製造するための方法、並びにこの方法に従って得られる陽極を提供することであり、ここで、陽極は、減少した変形(歪み)を示す。
意想外にも、この課題は、箔の特別な前処理によって解決することができると判明した。
発明の詳細な説明
それゆえ、本発明の対象は、
a)タンタル又はニオブを包含する箔の表面を酸化する工程;
b)箔の加熱によって、表面上に形成された酸化物を箔中に拡散させる工程;
c)タンタル粉末、ニオブ粉末、酸化ニオブ粉末及びこれらの混合物から成る群から選択される粉末を包含するペーストを適用する工程;並びに
d)適用されたペーストを焼結する工程
を包含する、陽極の製造法である。
本発明による方法の工程b)は、箔の加熱による、工程a)において表面上に形成された酸化物の箔中への拡散に関する。理論に縛られることなく、表面上に形成された酸化物層の箔中への拡散は、格子間酸素の導入による箔の一種の予備伸長をもたらすと推測される。この結果、箔の予備伸長に基づき、工程d)において行われる焼結工程は、より少ない歪みと結び付くことになる。
箔の加熱による、表面上に形成された酸化物の箔中への拡散のための条件は、温度及び時間の適した選択によって達成されることができる。しかしながら、工程b)は、減圧下で又は代替的に不活性ガス雰囲気下で、箔の完全な酸化若しくは更なる酸化を実質的に回避するために実施することが好ましい。
本発明の更なる対象は、
a)タンタル又はニオブを包含する箔の表面を酸化する工程;
b)表面上で酸化された箔を、600℃を上回る温度に、好ましくは少なくとも10分のあいだ加熱する工程;
c)タンタル粉末、ニオブ粉末、酸化ニオブ粉末及びこれらの混合物から成る群から選択される粉末を包含するペーストを適用する工程;並びに
d)適用されたペーストを焼結する工程
を包含する、陽極の製造法である。
本発明による方法は、特には、タンタル若しくはニオブを包含するか又は実質的にタンタル若しくはニオブから成る非常に薄い箔の使用のために適している。有利な実施形態においては、100μmを下回る、好ましくは60μmを下回る、殊に10〜50μmの、特に15〜30μm未満の平均厚さを有する。
本発明によれば、箔は、3:1〜10:1以上の長さ対幅の比を有してよく、ここで、箔の0.5〜100mm2、好ましくは2〜40mm2の部分領域に、片面又は両面で焼結体が備え付けられている。
本発明による方法に従って得られる陽極は、殊に、平面状に形成されている電解コンデンサ、すなわち、その二次元における幾何学的な広がりが三番目の次元における広がりより大きい電解コンデンサ用に適している。
好ましくは、本発明による陽極は、箔が焼結体を少なくとも一方向で突き出ているように形成されている。これによって、さらに改善された熱伝導が達成され、かつ電気接触が簡素化される。
本発明による方法の工程a)における箔の表面の適切な酸化のために、基本的に、種々の技法が適している。本発明による方法の有利な実施形態においては、箔表面の酸化は、熱酸化、陽極酸化、化学的酸化、並びに印刷、熱処理(Termpern)、スパッタリング、物理気相成長(physical vapour deposition、PVD)又は化学気相成長(chemical vapour deposition、CVD)による酸化タンタル(V)又はNbOの塗布から選択されている方法によって行われる。
工程a)において、酸化物層が、印刷、熱処理、スパッタリング、PVD又はCVDによって塗布される場合、その時、タンタル箔は、一面でも両面でもコーティングされてよい。例えば、タンタル酸化物層の塗布は、ペースト形で400メッシュの粒度を有するタンタル酸化物粉末を5μmまでの厚みで印刷することによって実施してよい。
工程a)において同様に特に有利なのは、陽極酸化である。本発明の有利な実施形態においては、当業者に公知の方法において、酸化物層が、この厚みのタンタルシート若しくはタンタル箔のために合わせられた陽極酸化によって塗布される。
特に有利には、箔の表面の酸化は、300〜800℃、好ましくは350〜600℃の温度、殊に380〜550℃での熱酸化によって行われる。通常、箔の表面の熱酸化は、10〜120分にわたり行われる。
本発明による方法の工程b)は、好ましくは、600℃を上回る、さらに有利には700〜2000℃、殊に750〜1600℃、特には900〜1300℃の温度で行われる。
熱処理の期間は、箔の平均厚さに依存する。通常、本発明による方法の工程b)における熱処理は、少なくとも10分にわたり、好ましくは10〜240分、殊に20〜120分のあいだ行われる。
箔の更なる酸化を回避するために、工程b)は、減圧下で又は代替的に、好ましくは希ガスを包含し、かつ実質的に酸素を含まない(特に10体積%未満の酸素、殊に5体積%未満の酸素、例えば2体積%未満の酸素)不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
有利な実施形態においては、本発明による方法の工程b)における熱処理は、10-2barを下回る、好ましくは10-4barを下回る、殊に10-6barを下回るガス圧で行われる。
さらに、本発明の方法の工程c)におけるペーストの適用は、有利な実施形態においては、スクリーン印刷によって実施され、別の特に有利な実施形態においては、ステンシル印刷によって実施される。
ここで、ペーストは、有利には40〜92%の間のタンタル又はニオブ又は一酸化ニオブ(亜酸化ニオブ)を不連続相として、並びに実質的に、炭素原子、水素原子及び酸素原子のみから構成された有機化合物−ここで、炭素原子に対する酸素原子の比は、少なくとも0.5である−及び場合により150℃より下の温度で蒸発する溶剤を包含する連続相を包含する。特に有利には、ニオブ、一酸化ニオブ又はタンタルの割合は、ペーストの全質量を基準として50〜90質量%である。
有利には、有機化合物として、室温において液体の化合物が用いられる。この場合、連続相は、有利にはその他の点では溶剤不含である。液体有機化合物として適しているのは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール及びテトラエチレングリコール並びにこれらのエステル、グリセリン、グリセリンモノアセテート、グリセリンジアセテート、グリセリントリアセテート、ジオキシアセトン、プロパンジオール又はこれらの混合物でもある。さらに有利には、連続相は、付加的に有機バインダー系を含有する。バインダーは、連続相を基準として5質量%を超えない量で用いられるべきである。有利なバインダー系は、Hercules社のNatrosol Plus 331又はアクリルポリマー、例えばRohm社のRohagit KF 720、又はヒドロキシプロピルセルロースから成る。金属粉末をより良好に湿らせるために、好ましくは湿潤剤、例えばLanger社のダイズレシチン及び/又はBiesterfeld社のサーフィノールが用いられる。バインダーが僅かな量で用いられる限りにおいては、連続相における炭素原子に対する酸素原子の比は、実質的に影響を及ぼされない。ダイズレシチンと一緒に連続相中に組み込まれるリン及び窒素は無害であり、それというのも、リン及び窒素は、コンデンサのために用いることが可能なタンタル粉末又はニオブ粉末の通常のドーピング物質に数えられるからである。
バインダー系は、有利には、ペーストの粘度が25℃でコーン・プレート(4°)システム(直径20mm)を使用してBohlin社の回転粘度計(Gemini 200 HR NANO型)により測定して150〜500Pa・sの範囲(1s-1のせん断速度で)及び20〜75Pa・sの範囲(10s-1のせん断速度で)になるように調節する。本発明の更なる実施形態においては、有機化合物は固体物質であってもよい。室温で固体の適した有機化合物は、エリスリトール、ペンタエリスリトール、ペンチトール、3〜6個の炭素原子を有するアルドース若しくはケトース又はこれらの混合物である。そのうえ、糖又は糖様の化合物が適している。固体有機化合物が、溶剤と併用して用いられ、ここで、溶剤は、150℃までの温度で蒸発すべきである。溶剤として適しているのは、例えば水、エタノール、プロパノール及び短鎖グリコールである。
溶剤として適しているのは、そのうえ、固体有機化合物がその中で十分に溶解性を示す限りにおいては、上述の液体有機化合物である。それに従って、固体有機化合物は、連続相の主成分として液体有機化合物が用いられる場合、増粘剤として用いられることができる。
本発明において好ましくは用いられることができるペーストは、例えばWO−A−00/16353に記載されている。
本発明によるスクリーン印刷は、上記のペーストを、印刷スキージによって、典型的には20〜100μmの範囲の粗い目開きを有するスクリーンを通してタンタル箔に塗布する、当業者に公知のプロセスを意味する。ここで、第一の段階においては、スクリーンのメッシュに充填スキージによりペーストを充填する。続く第二の段階においては、印刷スキージがタンタル箔との線接触を生み、ここで、ブレード角度は、ブレード速度、スクリーンの形状及びペースト粘稠度と一緒に、ペーストがスクリーンのメッシュに圧縮される圧力を決定する。それゆえ、圧縮されたTa−/Nbペーストは、ブレードエッジの前方でスクリーンのメッシュを突き抜け、かつ接着力によってタンタル箔に固定される。引き続き、タンタル箔に接着しているペーストは、スクリーンのメッシュから離れる。
特に有利な実施形態において用いられる、当業者に同様に公知のステンシル印刷法の場合、スクリーンの代わりにステンシルが用いられる。
好ましい実施形態においては、工程c)におけるペーストは、タンタル粉末を包含する。殊に、15000〜300000μFV/gの容量を有するタンタル粉末の使用が有利である。
ペーストのために用いられることができる適した粉末は、例えば、STA200KA、STA150K、STA100K、STA70KA、STA50KF、NbO80K等の商品名でH.C.Starck社(Goslar在、ドイツ)より入手可能である。
本発明の特に有利な実施形態においては、本方法は、以下の工程:
a)タンタルを包含し、平均厚さが60μmを下回る箔の表面を、300〜800℃での熱酸化によって酸化する工程;
b)表面上で酸化された箔を、900〜1600℃に、かつ10-2barを下回る圧力で加熱する工程;
c)タンタル粉末を包含するペースト、好ましくは50〜90質量%のタンタル粉末を包含するペーストを、ステンシル印刷又はスクリーン印刷によって適用する工程;
d)適用されたペーストを焼結する工程;並びに
e)場合により陽極を個々分離する工程
を包含する。
工程e)における個々の陽極の分離(個別化)は、当業者に公知の方法に従って、例えばウェハソーを用いた鋸引き、パルスファイバーレーザーを用いたレーザー分離により行われる。
それゆえ、本発明の方法による超平面の歪みのない陽極の製造は、特に有利には、a)25〜50μm厚及び10×10cm2の寸法のタンタル箔を、300〜800℃の範囲で10〜120分のあいだ熱酸化によって表面酸化すること、b)続けて真空中1100℃で加熱すること、c)80〜90質量%のタンタル含有率を有するタンタルペーストを、ステンシル印刷によって、35〜150μmの範囲の厚さでタンタル箔表面の最大85%に塗布し、乾燥すること、引き続きd)陽極の焼結を行うこと、並びにe)最終的に個々の陽極を分離することを包含する。
本発明の更なる対象は、本発明の方法に従って得られる陽極である。本発明による陽極の有利な実施形態においては、陽極は、1〜10mmの水平寸法及び25〜250μmの垂直寸法を有する。
更なる対象は、固体電解コンデンサ及び電子部品のために、殊にポータブル機器、例えば移動通信機器、ラップトップ型コンピュータ、パームトップ型コンピュータ及びカムコーダにおけるコンデンサのために用いる、本発明による陽極の使用である。
ペーストの焼結若しくはペーストが適用された箔の焼結は、当業者によく知られた条件下で、好ましくは800〜1500℃の間の温度で行われる。

50μmの平均厚さ及び5cm×5cmの大きさを有する、そのつど8枚のタンタル箔を、試験目的で用いた。
例1
8cm×5cmのサイズの箔を、表面上の陽極酸化により酸化した。酸化物層が、非常に低い電流で125Vにて3時間の化成処理によって得られた。引き続き、酸化物層の厚さを95nmと測定し、かつ箔を5cm×5cmに切断した。
例2
5cm×5cmのサイズの箔を、Nabertherm社の炉(16リットルの容積を有するHAT 16/17型)において空気中400℃で1時間にわたり熱酸化によって表面酸化した。支持層として、2枚の箔を一緒に用いた。
例3
箔片の両面を、150KA−ペースト(H.C.Starck)で、200メッシュのスクリーンを用いて約10μmの厚みになるまで印刷した。
印刷パラメータ:
Figure 0006058017
例4
フィルムの片面のみを印刷し、かつ0.090〜0.097gの印刷材料を使用した以外は例3と同じである。
例1〜4において、引き続きフィルム片を、そのつど真空中において(10-6bar)最大1100℃で2時間加熱した(加熱間隔:10K/分で100℃に、2時間のdwell(dwell=滞留時間)、25K/分で450℃に、1時間のdwell、25K/分で1100℃に、2時間のdwell)。比較例1として、表面上で酸化も、真空中で加熱もしていない50μm厚のタンタル箔を使用した。
Figure 0006058017
熱処理(本方法の工程b)に相当)後、陽極処理された箔も酸化された箔もその色を失った。
引き続き、例1〜4の箔並びに比較例1の箔に、スクリーン印刷により陽極構造を備え付けた。
印刷パラメータ(製造元EKRAのM2型半自動機器)
Figure 0006058017
そのつど約0.8gの印刷材料。
引き続き、印刷された箔を焼結し(焼結プログラム:10K/分で100℃に、2時間のdwell、25K/分で450℃に、1時間のdwell、25K/分で1240℃に、2時間のdwell)かつ個々分離した。
このようにして得られた陽極を、その後、歪み、接着力及び外観について評価した。例1〜4からの陽極は、歪みを有しておらず、それ以外にも電子部品における更なる加工のために非常に良く適していた。それに対して、比較例1の陽極は、大きく歪みを有しており、かつ全体的に使用可能ではなかった。
処理されておらず、かつ単に真空中1100℃で処理された箔が、殊にエッジで、かつ時にエッジ部分の陽極間で強く隆起している一方で、本発明により処理された箔は、非常に僅かなエッジ隆起を示し、かつエッジ部分の陽極間で隆起を示さない。
OPM社のレーザー走査装置によりレーザー干渉測定されたプロファイル及びxy領域は、印刷された箔の裏面の中心で20×20mm2の部分を示す(50×50mm2の大きさの箔のエッジまで高低差は時に>1mmであり、それゆえ、干渉計の測定範囲外にあった)。
処理されていないタンタル箔の陽極の場合、エッジに対してx方向における中心の20×20mm部分における隆起は70μmであり、かつ対角線状には170μmである。中心における陽極間の高低差は20μmである。
同じイメージが、単に真空中1100℃で前処理されたものであって、しかし、前酸化はされていない箔の陽極でも得られる。
熱により前酸化された箔の陽極の場合、エッジに対してx方向における中心の20×20mm部分における隆起は<20μmであり、かつ対角線状には<90μmである。中心における陽極間の高低差は最大7μmである。
陽極前酸化された箔の陽極の場合、エッジに対してx方向における中心の20×20mm部分における隆起は<25μmであり、かつ対角線状には<60μmである。中心における陽極間の高低差は最大15μmである。
産業上の利用可能性
本発明による方法によって、非常に薄いタンタルシート上で歪みのない超平面の陽極が提供される。これらは、工業における多数の適用のために、殊に、公共セクター及び民間セクターにおけるポータブル電子機器及び超小型電子機器の領域において際立って適している。

Claims (12)

  1. 陽極の製造法であって、
    a)タンタル又はニオブを包含する箔の表面を酸化する工程;
    b)該箔の加熱によって、該表面上に形成された酸化物を該箔中に拡散させる工程;
    c)タンタル粉末、ニオブ粉末、酸化ニオブ粉末及びこれらの混合物から成る群から選択される粉末を包含するペーストを塗布する工程;並びに
    d)塗布されたペーストを焼結する工程
    を包含し、前記工程b)は、減圧下で又は2体積%未満の酸素を有する不活性ガス雰囲気下で行われる、製造法。
  2. 前記箔が、100μmを下回る平均厚さを有する、請求項1記載の方法。
  3. 前記箔表面の酸化を、熱酸化、陽極酸化、化学的酸化、並びに印刷、熱処理、スパッタリング、PVD及びCVDによる酸化タンタル(V)又はNbOの塗布から選択されている方法によって実施する、請求項1又は2記載の方法。
  4. 前記箔表面の酸化を、300〜800℃での熱酸化によって行う、請求項3記載の方法。
  5. 前記の工程b)における箔中への拡散を、600℃を上回る温度で行うことを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記の工程b)における箔中への拡散を、少なくとも10分にわたり行うことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 前記の表面上に形成された酸化物の箔中への拡散を、10-2barを下回るガス圧で行うことを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 前記の表面上に形成された酸化物の箔中への拡散を、不活性ガス雰囲気中で前記箔を加熱することによって行うことを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  9. 前記の工程c)における塗布を、スクリーン印刷又はステンシル印刷によって行うことを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 前記の工程c)におけるペーストが、タンタル粉末を包含することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
  11. 前記タンタル粉末が、15000〜300000μFV/gの範囲の比容量を有することを特徴とする、請求項10記載の方法。
  12. a)タンタルを包含し、平均厚さが60μmを下回る箔の表面を、300〜800℃での熱酸化によって酸化する工程;
    b)該表面上で酸化された箔を、900〜1600℃に、かつ10-2barを下回る圧力で加熱する工程;
    c)タンタル粉末を包含するペーストを、ステンシル印刷又はスクリーン印刷によって塗布する工程;
    d)塗布されたペーストを焼結する工程;並びに
    e)場合により陽極を個々分離する工程
    を包含する、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
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