JP6321419B2

JP6321419B2 - フィルムコンデンサ

Info

Publication number: JP6321419B2
Application number: JP2014060146A
Authority: JP
Inventors: 菊池　直樹; 直樹菊池
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015185660A

Description

本発明は、フィルムコンデンサに関する。

電子機器の進歩は、それらを構成する部品の性能向上に負うところが大きい。このような中で、フィルムコンデンサは、特に、パワーコンディショナーなどの直流・交流変換機器用途において静電容量の大幅な向上が望まれている（例えば、特許文献１を参照）。

フィルムコンデンサの単位体積当たりの静電容量を向上させるには、誘電体フィルムを薄層化することが選択肢の一つであるが、誘電体フィルムを薄層化すると、誘電体フィルムの表面の凹凸が小さくなり平滑になることから、誘電体フィルムの主面に電極層を形成した金属化フィルムを捲回していく製造工程において、誘電体フィルムと電極膜との間で滑り性が低下し、それによって誘電体フィルムに欠陥が生じ、フィルムコンデンサの絶縁破壊電圧が低下するなどの不具合が発生するという問題があった。

特開平６−５４６５号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、誘電体フィルムとの滑り性の高い金属膜と、これを電極膜として適用したときに絶縁破壊電圧を高めることのできるフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明のフィルムコンデンサは、誘電体フィルムの主面に、金属膜を電極膜として備え、前記金属膜は、アルミニウムを主成分とする膜状の金属基部の表面に、該金属基部と同じ主成分からなる単層のデンドライト状結晶を複数有し、該デンドライト状結晶が、前記表面に凸部を形成するとともに、前記表面上に延びていることを特徴とする。

本発明によれば、誘電体フィルムとの滑り性の高い金属膜と、これを電極膜として適用したときに絶縁破壊電圧を高めることのできるフィルムコンデンサを得ることができる。

本発明の金属膜の一例を示す金属膜の表面写真である。本発明のフィルムコンデンサの一実施形態を模式的に示す展開斜視図である。金属化フィルムの滑り性を評価する方法を示す模式図である。

本実施形態の金属膜１は、アルミニウムを主成分とする膜状の金属基部３を主体とするものであり、この金属基部３の表面３ａに金属基部３と同じ主成分からなる複数のデンドライト状結晶５が表面３ａに凸部を形成するように分布する構成となっている。

ここで、デンドライト状結晶５とは、図１および図２に示すような樹枝状の形状をした金属の結晶のことであり、これらは同じ主成分の金属からなる幹部５Ａと、この幹部５Ａから伸びた枝部５Ｂとから形成されているものである。また、同じ主成分とは同一の元素が９０質量％以上含まれているものを言う。

本実施形態の金属膜１は、例えば、この金属膜１を、図２に示すようなフィルムコンデンサの電極膜１１として適用したときに、誘電体フィルム１３の表面１３ａと接する電極膜１１の表面１１ａに複数のデンドライト状結晶５によって凸部となる部分が形成されていることから、電極膜１１の表面１１ａと誘電体フィルム１３の表面１３ａとの接触面積が小さくなり、電極膜１１と誘電体フィルム１３との滑り性を高めることができる。その結果、誘電体フィルム１３を多層に巻回しても電極膜１１と誘電体フィルム１３との接触に起因した拘束によって発生する応力を小さくすることが可能となる。また、誘電体フィルム１３の密着性がより均一化するとともに、フィルムコンデンサを形成して電圧を印加した場合の絶縁破壊電圧を高めることができる。また、フィルムコンデンサに電圧を印加した際に、誘電体フィルム１３の膨張によって起こるクラックなどの欠陥の発生を抑制することが可能になる。

つまり、誘電体フィルム１３と電極膜１１との滑り性が高いと、図２に示すような捲回式のフィルムコンデンサを作製するときに、捲回する層数を増やしても、捲回の初期段階である芯部から捲回の最終段階である外周面部まで誘電体フィルム１３と金属膜１との間で強固に接着しているか、層間で離れているような状態が発生しにくく、全体にわたって同じような張力（残留応力）でフィルムコンデンサを形成することができる。その結果、誘電体フィルム１３に亀裂などが発生し難くなり、これにより高い絶縁破壊電界を維持することができる。

この場合、電極膜１１を構成する金属膜１の厚み（平均厚み）は５０〜１００ｎｍであることが望ましい。金属膜１の厚み（平均厚み）が５０〜１００ｎｍであると、金属膜１の薄層化を可能にすることができるとともに、金属膜１が誘電体フィルム１３に密着して張力が加わっても破れにくく、依然として有効面積を確保できる。このとき金属基部３は表面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下であることが望ましい。

また、デンドライト状結晶５の厚み（平均厚み）は１０〜３０ｎｍであることが望ましい。デンドライト状結晶５の厚み（平均厚み）が１０〜３０ｎｍであると、電極膜１１の表面１１ａに誘電体フィルム１３の表面１３ａとの間で接着力を弱められる程度の適当な凹凸を有する状態にできるからである。また、デンドライト状結晶５このような厚みであると、誘電体フィルム１３に食い込む割合も低減されることから誘電体フィルム１１にクラックが発生するのを低減することもできる。

さらには、誘電体フィルム１３の表面１３ａに対する密着性およびこれに起因するフィルムコンデンサの絶縁性などの特性の点で、金属基部３の表面３ａに形成されたデンドライト状結晶５の面積割合も特定の範囲にすることが望ましい。

つまり、本実施形態の金属膜１では、デンドライト状結晶５が幹部５ａと、この幹部５ａから伸びた枝部５ｂとからなり、１つの幹部５ａから伸びた枝部５ｂの先端を結ぶことで多角形７を形成したときに、金属基部３の表面３ａに存在する複数のデンドライト状結晶５によって形成される多角形７の面積比率が単位面積当たり５〜１５％であることが望ましい。

金属基部３の表面３ａにおける複数のデンドライト状結晶５によって形成されている多
角形７の面積比率が単位面積当たり５〜１５％であると、フィルムコンデンサの絶縁破壊電圧を高くすることができる。

また、上述した金属膜１は、その表面１ａに複数のデンドライト状結晶５を有するものであるが、このデンドライト状結晶５の表面５ａはほぼ平坦であり、その表面５ａから金属基部３に向かうデンドライト状結晶５の側面５ｂは、その表面５ａから側面５ｂにかけてなだらかに傾斜していることが望ましい。デンドライト状結晶５が表面５ａから側面５ｂにかけてなだらかに傾斜している形状であると、金属膜１によって形成されている電極膜１１が誘電体フィルム１３に接したときに誘電体フィルム１３の表面１３ａが傷つき難くなり、絶縁破壊の危険性を低減することが可能になる。

また、金属膜１を構成する金属基部３およびデンドライト状結晶５はともにアルミニウムを主成分とするものであるが、これらの表面３ａ、５ａは金属膜１の導電率を損なわない程度に酸化膜を有しても良い。金属基部３およびデンドライト状結晶５の表面３ａ、５ａに酸化膜が形成されていると、電気化学的な反応が起こりにくく、金属基部３やデンドライト状結晶５の表面５ａに針状結晶（ウイスカ）などを形成されにくくなり、針状結晶（ウイスカ）によって誘電体フィルム１３が傷つくような事態を回避することができる。この場合も絶縁破壊電圧の低下を抑えることができる。

このような金属膜１を適用できる誘電体フィルム１３としては、それ自体で変形し易く、かつ電極膜１１に密着し易くなるような厚みや表面粗さ（Ｓａ）を有しているものに適している。この場合、誘電体フィルム１３の厚みとしては１〜３μｍ、特に、１〜２μｍであるもの、表面粗さ（Ｓａ）は１０ｎｍ以下であるものが好ましい。

本実施形態の金属膜１は、上述したように、図２に示すような捲回式のフィルムコンデンサに対して好適なものとして例示することができるが、この他に、矩形状の誘電体フィルム１３を電極膜１１と交互に積層したいわゆる積層型のフィルムコンデンサにも適している。積層型のフィルムコンデンサの場合、誘電体フィルム１３と電極膜１１ａとを交互に積層した積層体を基本構造とするものであるが、このような積層体を形成するときに、誘電体フィルム１３の表面１３ａに電極膜１１を付与したいわゆる長尺状の金属化フィルム１５を一旦捲回した状態で作製しておき、これを順次所望のサイズに切断して用いることになる。長尺状の金属化フィルム１５を捲回する際にも、電極膜１１と誘電体フィルム１３との接触に起因した拘束によって発生する応力を小さくすることができるからである。

本実施形態のフィルムコンデンサは、図２に示すように、誘電体フィルム１３の表面１３ａに電極膜１１を有する金属化フィルム１５が２層積層捲回されたコンデンサ本体１０の端面にメタリコン電極２０が設けられた構成となっている。メタリコン電極２０には端子としてさらにリード線を有していても良いが、フィルムコンデンサの小型化という点でリード線を有しない構造の方が望ましい。また、コンデンサ本体１０、メタリコン電極２０およびリード線の一部は絶縁性および耐環境の点から外装部材に覆われていることが望ましい。

次に、本実施形態のフィルムコンデンサは、例えば、以下に示すような製造方法によって得ることができる。まず、誘電体フィルム１の母材となる有機樹脂を用意する。

有機樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）およびシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、などが好適である。

これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における比誘電率（ε）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３．３、ポリプロピレン（ＰＰ）が２．３、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が３．０、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が２．２〜３．０である。また、これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における破壊電界強度（Ｅ）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３１０（Ｖ／μｍ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が３８０（Ｖ／μｍ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が２１０（Ｖ／μｍ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が３７０〜５１０（Ｖ／μｍ）である。

誘電体フィルム１３は、例えば、基材としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のフィルムを基材（ベースフィルム）として適用し、この基材の表面に上記した有機樹脂を含むスラリを塗布してシート成形することにより得ることができる。シート成形には、ドクターブレード法、ダイコータ法およびナイフコータ法等から選ばれる一種の成形法を用いる。

次に、誘電体フィルム１の表面にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属を蒸着することによって電極層１１となる金属膜１を形成して金属化フィルム１４を形成する。この場合、金属を蒸着するときの条件を調整することによって、金属基部３の表面３ａにデンドライト状結晶５を形成することができる。この場合、金属基部３の表面３ａにデンドライト状結晶５を所定の厚みおよび面積割合で形成できる条件としては、蒸着を行うときの真空度を６．７×１０^−４Ｐａ〜６．７×１０^−３Ｐａ、蒸着速度を０．０３ｎｍ／ｓｅｃ〜０．０５ｎｍ／ｓｅｃとし、金属基部３の厚みが５０ｎｍ〜１５３ｎｍとなる条件に設定することが望ましい。

次に、作製した金属化フィルム１４を図２に示すように２層積層し捲回することによりコンデンサ本体１０を形成する。

次に、コンデンサ本体１０の電極膜１１の露出した端面に、金属の溶射、スパッタ法およびメッキ法等から選ばれる一種の成膜法によってメタリコン電極２０を形成する。

ここで、必要に応じて、メタリコン電極２０に対しリード線を形成しても良いし、さらには、メタリコン電極２０（リード線を含む）を形成したコンデンサ本体１０の表面に外装樹脂を塗布しても良い。

具体的な材料の選択を行ってフィルムコンデンサを作製し、以下の評価を行った。

まず、有機樹脂としてポリシクロオレフィンポリマー（分子量：Ｍｗ＝２００００、比誘電率２．２）を準備し、シクロヘキサンを溶媒としてスラリーを調整した。

この後、上記スラリーをコーターを用いてＰＥＴフィルム上に塗布してシート成形を行って誘電体フィルムを作製した。

作製した誘電体フィルムは、１８０℃で脱溶剤を行った後の平均厚みが４．０μｍであった。

次に、誘電体フィルムの一方の主面に真空蒸着法によってアルミニウムの金属膜を形成して金属化フィルムを作製した。このとき金属基部の表面にデンドライト状結晶を形成するために、金属膜の厚み、真空度および蒸着速度を表１に示す範囲で変化させた。作製した金属膜（電極膜）は、いずれもデンドライト状結晶の表面がほぼ平坦であり、また、その表面から金属基部に向かうデンドライト状結晶の側面にかけてなだらかに傾斜している
形状となっていた。

次に、作製した金属化フィルム上に形成された金属膜の表面をデジタルマイクロスコープにより観察してデンドライト状結晶の有無を判定した。観察した領域は作製した金属化フィルムから任意に切り出した３カ所の試料を観察することによって決定した。このとき試料のサイズ（面積）は約２５ｍｍ^２とした。

金属膜の滑り性は、以下のようにして評価した。まず、金属化フィルムを２枚とこれをそれぞれ貼り付ける金属板（図３における符号３０）を２枚用意した。金属化フィルムおよび金属板のサイズ（面積）は１０ｍｍ×２０ｍｍとした。

次に、作製した金属化フィルムの１枚を両面テープによって金属膜が表面を向くようにして金属板に貼り付けた。もう１枚の金属化フィルムについては、誘電体フィルムが表面を向くように貼り付けた。

次に、２つの金属板にそれぞれ貼り付けた金属化フィルムを、金属膜と誘電体フィルムとが向かい合うように重ね、オートグラフを用いて荷重を１０ｇから５００ｇまで５段階で調整し、上側に置いた金属板を横方向に一定の速度で移動させた。このとき、いずれの荷重でも移動幅が２ｍｍ以内であったものを滑り性無し（表１における符号：×）とし、４ｍｍ以上あったものを滑り性良（表１における符号：○）とした。試料数は各１０個とし、滑り性無し（×）、滑り性良（○）の判定は１０個中６個以上となった方とした。

また、滑り性を評価した試料については、金属膜に合わせた方の誘電体フィルムの表面を観察し、クラックの有無を評価した。

金属膜におけるデンドライト状結晶の面積割合は、電極膜の表面をデジタルマイクロスコープにて倍率１００倍で観察し、デンドライト状結晶の先端部を図２に示すように結ぶことで作られる多角形の面積の和を単位面積の電極膜（図２における長破線Ｂの領域）の面積で除して求めた。長破線Ｂはデンドライト状結晶５によって形成される多角形を囲む矩形状（長方形または正方形）の面積とした。このような長方形の領域を５カ所選定し、平均値を求めたものを単位面積とした。

デンドライト状結晶の厚み（平均厚み）は、金属膜の表面写真を斜め方法から撮影し、１つの幹部を有するデンドライト状結晶を３つ抽出し、各デンドライト状結晶について５カ所の厚みを測定し、計１５カ所の平均値から求めた。金属膜（金属基部）の厚みは断面を観察して得られた写真を用いてほぼ等間隔に位置する３カ所の平均値から求めた。

絶縁破壊電圧は、誘電体フィルムの両主面に電極膜を形成した試料を作製し、毎秒１００Ｖの昇圧速度で直流電圧を印加し、漏れ電流値が１．０ｍＡを越えた瞬間の電圧値から求めた。試料は直径を約５０ｍｍとした。試料数は５個とし、平均値から求めた。

表１の結果より、表面にデンドライト状結晶を形成しなかった金属膜を適用した試料（試料Ｎｏ．３）は、いずれも滑り性が不良という結果であったのに対し、表面にデンドライト状結晶を形成した金属膜を適用した試料（試料Ｎｏ．１、２および４〜８）では、いずれも滑り性が良という判定であった。この中で、デンドライト状結晶の厚みを１０〜２０ｎｍとした試料（試料Ｎｏ．１、２、４〜６および８）では、クラックの発生数が１０個中２個以下であった。また、デンドライト状結晶の面積割合を５〜１５％とした試料（試料Ｎｏ．１、２および４〜６）では、絶縁破壊電圧が６９５Ｖ／μｍ以上であった。

１・・・・・・・金属膜
３・・・・・・・金属基部
３ａ・・・・・・（金属基部の）表面
５・・・・・・・デンドライト状結晶
５Ａ・・・・・・幹部
５Ｂ・・・・・・枝部
５ａ・・・・・・（デンドライト状結晶の）表面
５ｂ・・・・・・（デンドライト状結晶の）側面
７・・・・・・・多角形
１１・・・・・・電極膜
１１ａ・・・・・（電極膜の）表面
１３・・・・・・誘電体フィルム
１３ａ・・・・・（誘電体フィルムの）表面
１５・・・・・・金属化フィルム
３０・・・・・・金属板

Claims

誘電体フィルムの主面に、金属膜を電極膜として備え、
前記金属膜は、アルミニウムを主成分とする膜状の金属基部の表面に、該金属基部と同じ主成分からなる単層のデンドライト状結晶を複数有し、
該デンドライト状結晶が、前記表面に凸部を形成するとともに、前記表面上に延びていることを特徴とするフィルムコンデンサ。
前記デンドライト状結晶の厚みが１０〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
前記デンドライト状結晶が幹部と該幹部から伸びた枝部とからなり、１つの前記幹部から伸びた前記枝部の先端を結ぶことで多角形を形成したときに、前記表面に存在する複数のデンドライト状結晶によって形成される前記多角形の面積比率が単位面積当たり５〜１５％であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルムコンデンサ。