JP6293318B1 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 外装絶縁部材の製造容易性と高い固着強度とを実現するとともに、金属イオンのマイグレーションに起因する固体電解コンデンサの特性劣化を抑制する。【解決手段】固体電解コンデンサ10のコンデンサ素子20において、固体電解質層32は引き出し部の根元の近くに縁部を有している。陽極端子42は、引き出し部の根元から離れた位置で引き出し部に接続されている。イオン捕捉部材60は、第1樹脂62と、第1樹脂62中に分散配置させたイオン捕捉剤64とからなる。イオン捕捉部材60は、固体電解質層32の縁部と陽極端子42との間において、直接または誘電体層26を介して、引き出し部の少なくとも一部を全周に渡って覆っている。外装絶縁部材70は、第1樹脂62と親和性の高い第2樹脂からなり、コンデンサ素子20を包むとともにイオン捕捉部材60の少なくとも一部を覆い、かつ陽極端子42の一部と陰極端子44の一部とを覆っている。【選択図】図1

Description

本発明は、固体電解コンデンサに関する。
固体電解コンデンサとして、特許文献1に開示されたものがある。開示された固体電解コンデンサは、コンデンサ素子と、陽極端子と、陰極端子と、外装絶縁部材とを有している。また、コンデンサ素子は、誘電体で覆われた陽極体と、陽極体から延びる陽極リードワイヤと、陰極層とを有している。この固体電解コンデンサにおいて、陽極リードワイヤは陽極端子に接続され、陰極層は陰極端子に接続されている。また、陽極端子の一部は、マスク層で覆われている。陽極端子の一部がマスク層で覆われているので、陽極端子からの金属イオンの溶出が防止又は抑制され、金属イオンのマイグレーションに起因する特性劣化が抑制される。
特開2015−142134号公報
特許文献1の固体電解コンデンサにおいて、マスク層は、外装絶縁部材を構成する第1樹脂とは異なる第2樹脂から成る。そのため、外装絶縁部材を形成する際に第2樹脂が第1樹脂の流動性を低下させたり、外装絶縁部材の形成後に第1樹脂と第2樹脂との間において十分な固着強度が得られなかったりするという問題点がある。
本発明は、金属イオンのマイグレーションに起因する固体電解コンデンサの特性劣化を抑制することができ、しかも上記問題点を解決することができる固体電解コンデンサを提供することを目的とする。
本発明は、第1の固体電解コンデンサとして、
コンデンサ素子と、陽極端子と、陰極端子と、イオン捕捉部材と、外装絶縁部材と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は、陽極体と、前記陽極体の内側から外側へ延びる陽極リードワイヤと、誘電体層と、固体電解質層を含む陰極層とを有しており、
前記誘電体層は、前記陽極体と前記固体電解質層との間に位置しており、
前記陽極リードワイヤは、前記陽極体の外側へ突出する引き出し部を有しており、
前記引き出し部は、少なくとも部分的に前記誘電体層で覆われており、
前記固体電解質層は、前記引き出し部の根元の近くに縁部を有しており、
前記陽極端子は、前記根元から離れた位置で前記引き出し部に接続されており、
前記陰極端子は、前記陰極層に接続されており、
前記イオン捕捉部材は、第1樹脂と、前記第1樹脂中に分散配置させたイオン捕捉剤とからなり、
前記イオン捕捉部材は、前記固体電解質層の縁部と前記陽極端子との間において、直接または前記誘電体層を介して、前記引き出し部の少なくとも一部を全周に渡って覆っており、
前記外装絶縁部材は、前記第1樹脂と親和性の高い第2樹脂からなり、
前記外装絶縁部材は、前記コンデンサ素子を包むとともに、前記イオン捕捉部材の少なくとも一部を覆い、かつ前記陽極端子の一部と前記陰極端子の一部とを覆っている
固体電解コンデンサを提供する。
また、本発明は、第2の固体電解コンデンサとして、第1の固体電解コンデンサであって、
前記イオン捕捉部材は、前記固体電解質層の前記縁部と前記陽極端子との間において、前記コンデンサ素子の表面に沿って形成される可能性がある金属イオンの通過経路を遮断するように設けられている
固体電解コンデンサを提供する。
また、本発明は、第3の固体電解コンデンサとして、第1又は第2の固体電解コンデンサであって、
前記イオン捕捉部材は、前記引き出し部の一部であって、前記固体電解質層の前記縁部よりも先端側の部分全体を包んでいる
固体電解コンデンサを提供する。
また、本発明は、第4の固体電解コンデンサとして、第1から第3の固体電解コンデンサのいずれか一つであって、
前記イオン捕捉部材は、前記イオン捕捉剤を1wt%〜20wt%有している
固体電解コンデンサを提供する。
また、本発明は、第5の固体電解コンデンサとして、第1から第4の固体電解コンデンサのいずれか一つであって、
前記イオン捕捉剤は、陰イオン捕捉剤を備えている
固体電解コンデンサを提供する。
さらに、本発明は、第6の固体電解コンデンサとして、第1から第5の固体電解コンデンサのいずれか一つであって、
前記イオン捕捉剤は、陽イオン捕捉剤を備えている
固体電解コンデンサを提供する。
さらにまた、本発明は、第7の固体電解コンデンサとして、第1から第6の固体電解コンデンサのいずれか一つであって、
前記引き出し部と前記陽極端子とを電気的に接続する接続部材をさらに備えており、
前記イオン捕捉部材が前記接続部材を覆っている
固体電解コンデンサを提供する。
本発明の固体電解コンデンサは、第1樹脂中にイオン捕捉剤を分散配置させたイオン捕捉部材を備えている。これにより、金属イオンのマイグレーションを抑制することができ、それによって、特性劣化を抑制することができる。また、本発明の固体電解コンデンサにおいて、外装絶縁部材は、第1樹脂と親和性の高い第2樹脂から成る。これにより、外装絶縁部材の成形時における第2樹脂の流動性の低下を抑制するとともに、成形後において、第1樹脂と第2樹脂との間に十分な固着強度を得ることができる。
本発明の実施の形態による固体電解コンデンサを示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の別の変形例を示す断面図である。
図1を参照すると、本発明の一実施の形態による固体電解コンデンサ10は、コンデンサ素子20と、基板40と、陽極端子42と、陰極端子44と、スペーサ50と、イオン捕捉部材60と、外装絶縁部材70とを備えている。また、コンデンサ素子20は、陽極体22と、陽極リードワイヤ24と、誘電体層28と、陰極層30とを備えている。
本実施の形態の陽極体22は、焼結されたタンタル粉末からなる。陽極リードワイヤ24は、タンタルワイヤであり、部分的に陽極体22に埋設されている。換言すると、陽極リードワイヤ24は、陽極体22の内部から外側へ延びている。陽極リードワイヤ24は、引き出し部26を有している。引き出し部26は、陽極リードワイヤ24の一部であって、陽極体22の外側に突出する部分である。誘電体層28は、陽極体22を覆い、さらに陽極リードワイヤ24の引き出し部26の一部を覆うように形成されている。陽極体22及び誘電体層28は、以下のように形成される。まず、タンタル粉末にタンタルワイヤからなる陽極リードワイヤ24を部分的に埋設した後、タンタル粉末をプレス成型して成型体(多孔質体)を得る。成型体のサイズは、例えば、0.5mm×0.3mm×0.3mmである。次いで、得られた成型体を焼結する。焼成は、例えば1250℃で行う。これにより、陽極リードワイヤ24が部分的に埋設された陽極体22が形成される。その後、陽極体22を陽極リードワイヤ24とともにリン酸水溶液中に浸し、例えば、20Vの直流電圧を印加して陽極化成を行う。なお、陽極化成には、他の溶液を用いることとしてもよい。これにより、陽極体22上及び陽極リードワイヤ24の引き出し部26上に陽極酸化皮膜が形成される。後の工程において、陽極リードワイヤ24の引き出し部26上に形成された陽極酸化皮膜の一部は、レーザー加工等により除去される。その結果、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の一部が露出する。こうして、陽極酸化皮膜からなり、陽極体22の表面を覆うとともに陽極リードワイヤ24の引き出し部26の表面を部分的に覆う誘電体層28が形成される。
図1に示されるように、本実施の形態の陰極層30は、固体電解質層32と導電体層36とを含んでいる。固体電解質層32は、誘電体層28上に形成され、導電体層36は、固体電解質層32上に形成されている。但し、本発明はこれに限定されるわけではない。陰極層30は、固体電解質層32を含んでいる限り、他の構造を有していてもよい。陰極層30は、陽極体22の全体を包むように誘電体層28上に形成されている。換言すると、誘電体層28は、陽極体22と固体電解質層32との間に位置している。陰極層30は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26上に形成された誘電体層28上にも延びている。しかしながら、陰極層30は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26上に形成された誘電体層28上に形成されていなくてもよい。いずれにしても、本実施の形態において、陰極層30の縁部、特に固体電解質層32の縁部34は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の根元付近に位置している。
本実施の形態の固体電解質層32はポリエチレンジオキシチオフェンからなるものである。即ち、本実施の形態の固体電解質層32は導電性ポリマーからなる。固体電解質層32は、誘電体層28が形成された陽極体22を導電性高分子溶液に浸漬させ、取り出して乾燥させることを繰り返すことで形成される。導電性高分子溶液は、エチレンジオキシチオフェンの水溶液と、酸化剤と、ドーパントを含む溶液である。酸化剤として、無機酸又は有機酸の鉄塩をはじめ様々な物質を用いることができる。また、ドーパントとしてポリスチレンスルホン酸を始めとする様々な物質を用いることができる。
本実施の形態の導電体層36は、カーボン層と導電性ペースト層の積層体である。但し、本発明はこれに限られない。導電体層36は、カーボン層と導電性ペースト層の積層体以外の構成を有してもよい。例えば、導電体層36は、導電性ペースト層に代えてメッキ層を有していてもよい。本実施の形態において、導電体層36は固体電解質層32上に形成されている。カーボン層は、カーボンブラックと、グラファイトフィラーと、バインダーとを含む溶液に固体電解質層32が形成された陽極体22を浸漬させ、取り出して乾燥させて形成される。また、導電性ペースト層は、カーボン層の表面上に銀ペーストを塗布し、乾燥させて形成される。
本実施の形態のスペーサ50は、金属板からなる。スペーサ50は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26と陽極端子42との間を電気的に接続する接続部材であるとともに、コンデンサ素子20の姿勢を安定させる支持部材でもある。スペーサ50には、電気伝導性、加工性等の観点により、陽極リードワイヤに用いたタンタル以外の金属、例えば鉄ニッケル合金が用いられる。スペーサ50は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26に接合されている。この接合は、前述したように、陽極リードワイヤ24上に形成された陽極酸化皮膜の一部をレーザー加工等により除去した後に行われる。この接合には、電気溶接を用いることができる。本実施の形態において、スペーサ50は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の側面であって、引き出し部26の先端から中央付近までの領域に接合されている。換言すると、スペーサ50は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の根元及び固体電解質層32の縁部34から離れた位置に接合されている。
本実施の形態の基板40は、絶縁物からなる。本実施の形態の陽極端子42及び陰極端子44の夫々は、基板40の表面から裏面にかけて形成された導体パターンであってよい。コンデンサ素子20は、スペーサ50とともに基板40の表面上に搭載される。詳しくは、基板40の表面側において、陽極端子42にスペーサ50が接続される。この接続には、高温ハンダ46が用いられる。高温ハンダ46をレーザー溶融させて、陽極端子42にスペーサ50を接続する。同時に、陰極端子44には、基板40の表面側において、導電体層36が接続される。この接続には、導電性ペースト48が用いられる。導電性ペースト48は、150℃で120分間ベーキングすることにより固化される。こうして、陽極端子42は、スペーサ50を介して陽極リードワイヤ24の引き出し部26に接続され、陰極端子44は、陰極層30に接続される。陽極端子42は、スペーサ50を介して、固体電解質層32の縁部34から離れた位置で陽極リードワイヤ24の引き出し部26に接続されている。なお、陽極端子42とスペーサ50との接続及び陰極端子44と導電体層36との接続には、それぞれ、他の接続手段を用いてもよい。
本実施の形態のイオン捕捉部材60は、第1樹脂62と、第1樹脂62中に分散配置させたイオン捕捉剤64とからなる。本実施の形態において、第1樹脂62はエポキシ樹脂である。しかしながら、本発明はこれ限られず、他の樹脂を用いてもよい。第1樹脂62は、後述する第2樹脂と親和性の高いものであればよい。また、イオン捕捉剤64は、ハイドロタルサイト化合物からなる陰イオン(アニオン)捕捉剤である。但し、イオン捕捉剤64は、陽イオン(カチオン)捕捉剤であってもよし、あるいは、両イオン(アニオン、カチオン)捕捉剤であってもよい。イオン捕捉剤64の材料は特に限定されず、その目的に応じて適宜選択されてよい。イオン捕捉部材60は、以下のように形成される。まず、第1樹脂62(エポキシ樹脂)を混錬して所定の第1粘度を持たせる。次に、第1樹脂62にイオン捕捉剤64を加えてさらに混錬し、所定の第2粘度を持つ混錬物を得る。混錬物におけるイオン捕捉剤64の割合は、例えば、エポキシ樹脂99gに対して1gとする。但し、本発明はこれに限られない。イオン捕捉剤64の割合は、イオンを有効に捕捉できる濃度、即ち1wt%以上であればよい。第1粘度及び第2粘度は、ともにB型粘度計を用いて測定することができる。次に、エポキシ樹脂とイオン捕捉剤64との混錬物を、マイクロディスペンサを用いて、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の少なくとも一部を全周に渡って覆うように塗布する。塗布後、160℃で90分間ベーキングし、エポキシ樹脂を硬化させ、イオン捕捉部材60とする。本実施の形態では、イオン捕捉部材60は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の略全体を包んでいる。詳しくは、イオン捕捉部材60は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の一部であって、固体電解質層32の縁部34よりも先端側の部分全体を包んでいる。但し、イオン捕捉部材60が固体電解質層32の脱ドープを生じさせる場合は、イオン捕捉部材60を固体電解質層32の縁部34から離す必要がある。本実施の形態において、イオン捕捉部材60は、さらに、スペーサ50を覆うとともに、高温ハンダ46、陽極端子42、及び基板40の夫々の一部をも覆っている。しかしながら、本発明は、これに限られない。イオン捕捉部材60は、固体電解質層32の縁部34と陽極端子42との間において、直接または誘電体層28を介して、陽極リードワイヤ24の引き出し部26の少なくとも一部を全周に渡って覆っていればよい。ここで、固体電解質層32の縁部34と陽極端子42との間というのは、コンデンサ素子20及びスペーサ50の表面に沿って固体電解質層32と陽極端子42とを結ぶ経路を想定した場合において、固体電解質層32の縁部34と陽極端子42との間を意味する。つまり、イオン捕捉部材60は、コンデンサ素子20及びスペーサ50の表面に沿って形成される可能性があるイオンの通過経路を遮断するように設けられる。但し、イオン捕捉部材60は、金属イオンの発生源となり得る部分を覆っていることが望ましい。例えば、引き出し部と陽極端子との間を電気的に接続するスペーサ50やその他の接続部材が存在する場合には、接続部材を覆い、かつ陽極端子の一部も覆うことが望ましい。
本実施の形態の外装絶縁部材70は、第1樹脂62と親和性の高い第2樹脂から成る。第2樹脂は、また、基板40と高い親和性を有している。第1樹脂62がエポキシ樹脂の場合、第2樹脂として、エポキシ樹脂やフェノール樹脂を用いることができる。第1樹脂62と親和性の高い第2樹脂を用いることで、外装絶縁部材70の成形時の流動性の低下を抑制するとともに、外装絶縁部材70とイオン捕捉部材60との間において高い固着強度を実現することができる。但し、イオン捕捉部材60がコンデンサ素子20全体を覆う程に広い範囲に形成されている場合や、イオン捕捉部材60に含まれるイオン捕捉剤64の割合が多すぎる場合は、外装絶縁部材70の成型時に第2樹脂の流動性が大きく低下することがある。したがって、イオン捕捉部材60は、陽極リードワイヤ24の引き出し部26全体を包む程度を塗布範囲の最大限とする。望ましくは、イオン捕捉部材60は、金属イオンの発生可能箇所に集中的に配置する。また、イオン捕捉剤64の割合は20wt%までとする。イオン捕捉部材60の塗布範囲とイオン捕捉剤64の割合は、外装絶縁部材70を形成する際に必要とされる第2樹脂の流動性が得られるように決定される。本実施の形態において、外装絶縁部材70は、コンデンサ素子20全体を包むように形成される。また、本実施の形態において、外装絶縁部材70は、さらにスペーサ50及びイオン捕捉部材60を包み、基板40の表面の一部と、陽極端子42の一部及び陰極端子44の一部とを覆っている。但し、外装絶縁部材70は、イオン捕捉部材60の一部を外部に露出させるように形成されてもよい。
以上のように、本実施の形態の固体電解コンデンサ10では、イオン捕捉部材60が陽極リードワイヤ24の引き出し部26の少なくとも一部を全周にわたって覆っている。それゆえ、熱膨張係数の違いにより、陽極リードワイヤ24の引き出し部26とその周囲の樹脂(第1樹脂62及び外装絶縁部材70)との間に隙間が生じた場合であって、その隙間に水分が侵入してスペーサ50や陽極端子42から金属イオンが溶出した場合であっても、その金属イオンは、固体電解質層32や陰極層30に到達する前に、イオン捕捉部材60に含まれるイオン捕捉剤64によって捕捉される。よって、金属イオンが陰極層30に到達し、電子を受け取って金属として析出することが抑制される。また、金属イオンが固体電解質層32の脱ドープを促進させることも抑制される。これにより、短絡や容量低下を防止することができる。具体的には、高温高湿試験(85℃、85%RHの環境下にて定格電圧を印加し、160時間放置)を行った結果、イオン捕捉部材60を備えていない固体電解コンデンサ(比較例1)では短絡発生率が80%であったが、本実施の形態の固体電解コンデンサでは0%であった。また、本実施の形態の固体電解コンデンサ10においては、外装絶縁部材70を形成する際の流動性の低下を抑え、外装絶縁部材70と基板40との間に高い固着強度を得ることができる。具体的には、特許文献1に開示されるマスク層(シリコン層)を備える固体電解コンデンサ(比較例2)では、基板40と外装絶縁部材70と間の固着強度は5Nであったが、本実施の形態の固体電解コンデンサでは15Nであった。
以上、本発明について実施の形態を掲げて具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。例えば、陽極体22及び陽極リードワイヤ24を構成する材料として、タンタル以外の弁作用金属又はその導電性酸化物を用いてもよい。また、陽極体22と陽極リードワイヤ24とは同一の材料からなることが好ましいが、異なる材料を用いて構成されてもよい。また、図2に示される固体電解コンデンサ10Aや図3に示される固体電解コンデンサ10Bのように、基板40を有さない構成であってもよい。その場合、特に限定はされないが、陽極端子42A又は42B及び陰極端子44A又は44Bとして、銅フレームにニッケル層及び錫層を重ねるようにメッキした部材等を用いることができる。
10,10A,10B 固体電解コンデンサ
20 コンデンサ素子
22 陽極体
24 陽極リードワイヤ
26 引き出し部
28 誘電体層
30 陰極層
32 固体電解質層
34 縁部
36 導電体層
40 基板
42 陽極端子
44 陰極端子
46 高温ハンダ
48 導電性ペースト
50 スペーサ
60 イオン捕捉部材
62 第1樹脂
64 イオン捕捉剤
70 外装絶縁部材

Claims (7)

  1. コンデンサ素子と、陽極端子と、陰極端子と、イオン捕捉部材と、外装絶縁部材と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は、陽極体と、前記陽極体の内側から外側へ延びる陽極リードワイヤと、誘電体層と、固体電解質層を含む陰極層とを有しており、
    前記誘電体層は、前記陽極体と前記固体電解質層との間に位置しており、
    前記陽極リードワイヤは、前記陽極体の外側へ突出する引き出し部を有しており、
    前記引き出し部は、少なくとも部分的に前記誘電体層で覆われており、
    前記固体電解質層は、前記引き出し部の根元の近くに縁部を有しており、
    前記陽極端子は、前記根元から離れた位置で前記引き出し部に接続されており、
    前記陰極端子は、前記陰極層に接続されており、
    前記イオン捕捉部材は、第1樹脂と、前記第1樹脂中に分散配置させたイオン捕捉剤とからなり、
    前記イオン捕捉部材は、前記固体電解質層の縁部と前記陽極端子との間において、直接または前記誘電体層を介して、前記引き出し部の少なくとも一部を全周に渡って覆っており、
    前記外装絶縁部材は、前記第1樹脂と親和性の高い第2樹脂からなり、
    前記外装絶縁部材は、前記コンデンサ素子を包むとともに前記イオン捕捉部材の少なくとも一部を覆い、かつ前記陽極端子の一部と前記陰極端子の一部とを覆っている
    固体電解コンデンサ。
  2. 請求項1に記載の固体電解コンデンサであって、
    前記イオン捕捉部材は、前記固体電解質層の前記縁部と前記陽極端子との間において、前記コンデンサ素子の表面に沿って形成される可能性がある金属イオンの通過経路を遮断するように設けられている
    固体電解コンデンサ。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の固体電解コンデンサであって、
    前記イオン捕捉部材は、前記引き出し部の一部であって、前記固体電解質層の前記縁部よりも先端側の部分全体を包んでいる
    固体電解コンデンサ。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか一つに記載の固体電解コンデンサであって、
    前記イオン捕捉部材は、前記イオン捕捉剤を1wt%〜20wt%有している
    固体電解コンデンサ。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか一つに記載の固体電解コンデンサであって、
    前記イオン捕捉剤は、陰イオン捕捉剤を備えている
    固体電解コンデンサ。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか一つに記載の固体電解コンデンサであって、
    前記イオン捕捉剤は、陽イオン捕捉剤を備えている
    固体電解コンデンサ。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか一つに記載の固体電解コンデンサであって、
    前記引き出し部と前記陽極端子とを電気的に接続する接続部材をさらに備えており、
    前記イオン捕捉部材が前記接続部材を覆っている
    固体電解コンデンサ。
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