JP6913876B2 - 固体電解コンデンサに用いられる多孔質焼結体を製造するための金型、多孔質焼結体の製造方法、および固体電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解コンデンサ、および固体電解コンデンサに用いられる多孔質焼結体を製造するための金型ならびに方法に関する。

近年、電子機器の小型化および軽量化に伴って、小型かつ大容量の高周波用コンデンサが求められている。これまでにも、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が小さく、周波数特性が優れた数多くの固体電解コンデンサが数多く提案されている。固体電解コンデンサは、典型的には、コンデンサ素子と、これを封止する樹脂外装体と、コンデンサ素子に電気的に接続され、樹脂外装体の外部に露出する陽極端子および陰極端子と、を備える。また、コンデンサ素子は、陽極端子に電気的に接続される金属製リードの一部が埋設された陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の表面に形成された固体電解質層とを有する。陽極体は、タンタル、ニオブ、チタンなどの弁作用金属粒子を焼結した多孔質焼結体で構成されている。

多孔質焼結体は、通常、直方体（六面体）に成型され、固体電解質層と陰極端子との接続には導電性接着剤が用いられるが、これらの接着強度にばらつきが生じる場合があった。そこで特許文献１は、固体電解質層と陰極端子との接続強度のばらつきを抑制するために、多孔質焼結体の一部に凸部を設け、この凸部に陰極端子をはめ合うように接続することにより、接続強度を改善することを提案している。

また、誘電体層および固体電解質層を形成する際、弁金属箔が熱収縮し変形して、固体電解コンデンサの等価直列抵抗を増大させる場合があった。そこで特許文献２は、弁金属箔の一部の領域に凹凸を設けることにより、弁金属箔の変形を防止し、等価直列抵抗を低減させることを提案している。

実願昭６３−１３４０６７号（実開平２−５４２２１号）のマイクロフィルム 特開２０１３−１１０３４３号公報

図７に示すように、多孔質焼結体（陽極体）１０１は、直方体（６面体）の形状を有し、図８に示すように、固定した金型枠１１０（互いに着脱可能に固定された一対の第１および第２の固定金型部品１１２ａ，１１２ｂ；１１４ａ，１１４ｂ）で画定された矩形の成型空間１１６の内部にタンタルなどの金属粒子を均一に充填した後、金型枠１１６（例えば上側の第２の固定金型部品１１４ａ）に設けられた貫通孔１０３から金属製リード１０２を挿通した状態で、金型枠１１０の両側から一対のパンチ（押圧金型）１１８ａ，１１８ｂで押圧して、金属粒子を加圧成型することにより製造される。

またコンデンサ素子を作製するために、上述のように多孔質焼結体（陽極体）１０１の上に誘電体層および固体電解質層を形成するが、多孔質焼結体（陽極体）１０１から突出した一部の金属製リード１０２を把持し、多孔質焼結体１０１を懸垂させた状態で、多孔質焼結体（陽極体）１０１を誘電体層の形成工程および固体電解質層の形成工程に順次搬送する。このとき、多孔質焼結体（陽極体）１０１に対する金属製リード１０２の固着強度が十分でない場合、多孔質焼結体（陽極体）１０１が金属製リード１０２から脱落して、誘電体層および固体電解質層の形成工程における生産歩留まりが低下することがある。したがって、コンデンサ素子としての生産歩留まりを向上させるため、多孔質焼結体（陽極体）に対する金属製リードの固着強度を増大させることが求められている。

そこで本発明に係る第１の態様は、コンデンサ素子を備えた固体電解コンデンサを提供するものであって、このコンデンサ素子は、対向する一対の主面を含む多孔質焼結体と、前記多孔質焼結体に埋設され、その一方の主面から延びる金属製リードと、前記多孔質焼結体上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に形成された固体電解質層と、を備え、前記多孔質焼結体は、前記金属製リードが延びる主面において、前記金属製リードの周囲に凹部を含む。

また本発明に係る第２の態様は、前記金属製リードが埋設された前記多孔質焼結体を加圧成型するための金型を提供するものであって、この金型は、前記金属製リードに沿って対向配置された一対の第１の固定金型部品と、前記第１の固定金型部品に固定される一対の第２の固定金型部品であって、前記第２の固定金型部品の一方に前記金属製リードを挿通可能にする貫通孔を設けた一対の前記第２の固定金型部品と、前記第１および第２の固定金型部品により部分的に画定された成型空間内に挿入された金属粒子を押圧するように滑動可能な一対の押圧金型部品と、を備え、前記貫通孔を設けた前記第２の固定金型部品は、前記成型空間に対向する面において、前記貫通孔を包囲する凸部を含む。

さらに本発明に係る第３の態様は、多孔質焼結体の製造方法を提供するものであって、この製造方法は、対向する一対の第１の固定金型部品のそれぞれを、対向する一対の第２の固定金型部品に固定する工程と、一対の押圧金型部品を、前記第１および第２の固定金型部品に対して滑動可能に配置して成型空間を画定する工程と、前記成型空間内に金属粒子を充填する工程と、一対の前記第２の固定金型部品の一方に設けられた貫通孔に金属製リードを挿通する工程と、前記金属粒子から前記多孔質焼結体を成型するように一対の前記押圧金型部品を互いに対して押圧する工程と、を有し、前記貫通孔を設けた前記第２の固定金型部品は、前記成型空間に対向する面において、前記貫通孔を包囲する凸部を含む。

本発明に係る態様によれば、多孔質焼結体に対する金属製リードの固着強度を増大させて、生産歩留まりの高いコンデンサ素子を備えた固体電解コンデンサを実現することができる。

本発明に係る固体電解コンデンサの概略的な構成を示す断面図である。 本発明に係る多孔質焼結体（陽極体）を示す斜視図である。 図２に示す多孔質焼結体を製造するための製造金型を示す、下から見た斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３に示す第１および第２の固定金型部品のＸＺ平面に平行な断面図である。 従来技術および本発明に係る第２の固定金型部品を用いて加圧成型した場合の金属粒子の質量密度分布をコンピュータシミュレーションして得られたＸＺ断面画像である。 本発明に係る第２の固定金型部品を示す平面図である。 従来技術に係る固体電解コンデンサの概略的な構成を示す斜視図である。 図７の多孔質焼結体を製造するための製造金型を示す、上から見た斜視図である。

添付図面を参照して本発明に係る多孔質焼結体（陽極体）を含む固体電解コンデンサの実施形態を以下説明する。各実施形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（たとえば「上下」、「左右」、「前後」、および「Ｘ，Ｙ，Ｚ」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本発明を限定するものでない。なお各図面において、固体電解コンデンサの各構成部品の形状または特徴を明確にするため、これらの寸法を相対的なものとして図示し、必ずしも同一の縮尺比で表したものではない。

＜固体電解コンデンサ＞
図１を参照して、固体電解コンデンサ２０の概略的な構成について以下説明する。固体電解コンデンサ２０は、対向する３つの平面を含む略六面体の外形形状を有し、図１の断面図で示すように、コンデンサ素子１０と、コンデンサ素子１０を封止する樹脂外装体１１と、樹脂外装体１１の外部に露出する陽極端子７および陰極端子９とを備える。またコンデンサ素子１０は、陽極端子７に電気的に接続される金属製リード２の一部が埋設された多孔質焼結体（陽極体）１と、その表面に形成された誘電体層３と、誘電体層３の表面に形成された固体電解質層４と、固体電解質層４を覆う陰極層５ａ，５ｂとを有する。多孔質焼結体（陽極体）１は、タンタル、ニオブ、チタン、またはこれらの合金などの弁作用金属粒子を加圧成型して焼結させた多孔質焼結体で構成されているが、本発明はこれらの金属粒子に限定されるものではない。

多孔質焼結体（陽極体）１から突出した金属製リード２の一部は、抵抗溶接等によって陽極端子７に電気的に接続される。一方、陰極層５ａ，５ｂは、樹脂外装体１１内において導電性接着材８（例えば熱硬化性樹脂と金属粒子との混合物）を介して陰極端子９に電気的に接続される。図１に示す陽極端子７および陰極端子９は、樹脂外装体１１から突出し、その下面が樹脂外装体１１の底面と同一平面上に配設されるように折曲加工されている。陽極端子７および陰極端子９の下面は、固体電解コンデンサ２０を搭載すべき基板（図示せず）との半田接続等に用いられる。

＜多孔質焼結体（陽極体）＞
図２は、本発明の第１の実施形態に係る多孔質焼結体（陽極体）１を示す斜視図である。図２に示すＸ，Ｙ，Ｚ方向などを参照して、本発明の実施形態に係る多孔質焼結体について説明する。すなわち図１は、金属製リード２に沿って図２のＹＺ平面で切断したときの固体電解コンデンサ２０の断面図である。本発明に係る多孔質焼結体１は、ＸＹ平面に平行な上主面２２ａおよび下主面２２ｂと、ＹＺ平面に平行な左端面２４ａおよび右端面２４ｂと、ＸＺ平面に平行な前側面２６ａおよび後側面２６ｂとを有する。詳細後述するように、多孔質焼結体１は、押圧金型部品３６ａ，３６ｂを用いてＹ方向に加圧成型されるため、Ｙ方向に扁平し、左端面２４ａおよび右端面２４ｂは、前側面２６ａおよび後側面２６ｂより狭小となるように成型されている。また金属製リード２は、その一端部が多孔質焼結体１に埋設され、その他端部が多孔質焼結体１の上主面２２ａからＺ方向に延びている。

本発明に係る多孔質焼結体１の上主面２２ａは、円錐台状または円錐状の凹部２５を有するものであってもよい。すなわち凹部２５のＸＺ平面に平行な断面は、台形（略台形を含む）または三角形の形状を有するものであってもよい。また金属製リード２は、円錐台状の凹部２５の上底を貫くように、あるいは円錐状の凹部２５の頂点と重なるように配置されている。上記説明した多孔質焼結体１の外形形状は、以下後述するように、製造金型３０が画定する成型空間４０と実質的に同一のまたは相補的な形状を有する。

＜誘電体層＞
誘電体層３は、多孔質焼結体（陽極体）１を構成する導電性材料の表面を酸化することにより、酸化被膜として形成することができる。具体的には、電解水溶液（例えば、リン酸水溶液）が満たされた化成槽に、多孔質焼結体（陽極体）１を浸漬し、突出した陽極リード２を化成槽の陽極体に接続して、陽極酸化を行うことにより、陽極体１の表面に弁作用金属の酸化被膜からなる誘電体層３を形成することができる。電解水溶液としては、リン酸水溶液に限らず、硝酸、酢酸、硫酸などを用いることができる。

＜固体電解質層＞
固体電解質層４は、誘電体層３を覆うように形成されている。固体電解質層４は、例えば、二酸化マンガン、導電性高分子などで構成されている。導電性高分子を含む固体電解質層４は、例えば、誘電体層３が形成された多孔質焼結体（陽極体）１に、モノマーやオリゴマーを含浸させ、その後、化学重合もしくは電解重合によりモノマーやオリゴマーを重合させることにより、または誘電体層３が形成された多孔質焼結体（陽極体）１に、導電性高分子の溶液または分散液を含浸し、乾燥させることにより、誘電体層３上に形成される。

なお、上記説明した誘電体層３および固体電解質層４の形成工程において、一般に、多孔質焼結体（陽極体）１から突出した一部の金属製リード２を把持し、多孔質焼結体（陽極体）１を懸垂させた状態で、多孔質焼結体１の上に誘電体層３を形成し、さらにその上に固体電解質層４を形成する。

＜多孔質焼結体（陽極体）の製造金型および製造方法＞
図３は、図２に示す多孔質焼結体１を製造するための製造金型３０を下方から見た斜視図である。製造金型３０は、ＹＺ平面に平行に配置された一対の第１の固定金型部品３２ａ，３２ｂと、ＸＹ平面に平行に配置され、第１の固定金型部品３２ａ，３２ｂに着脱可能に固定される一対の第２の固定金型部品３４ａ，３４ｂと、ＸＺ平面に平行に配置された一対の押圧金型部品（「パンチ部品」ともいう。）３６ａ，３６ｂとを有する。図３に示す上側にある第２の固定金型部品３４ａは、成型空間４０に対向する面において、多孔質焼結体１の上主面２２ａの凹部２５と相補的な形状および寸法を有するような凸部３５を含む。

また第２の固定金型部品３４ａ，３４ｂの一方（図中、上側の第２の固定金型部品３４ａ）は、金属製リード２を挿通させることができるような貫通孔３１（図４）を有する。第１ならびに第２の固定金型部品３２ａ，３２ｂ；３４ａ，３４ｂおよび押圧金型部品３６ａ，３６ｂは、成型空間４０を画定し、成型空間４０内において、タンタル、ニオブ、チタン、またはこれらの合金などの弁作用金属粒子を受容することができる。さらに押圧金型部品３６ａ，３６ｂのそれぞれは、成型空間４０内において互いに接近する方向（Ｙ方向）に滑動することにより、充填された弁作用金属粒子を加圧成型することができるように構成されている。このように成型空間４０内に充填された弁作用金属粒子を加圧成型して、加熱（焼結）することにより、図２に示すような多孔質焼結体１を作製することができる。

図４（ａ）は、図３に示す製造金型３０のＸＺ平面に平行な断面図であり、第１および第２の固定金型部品３２ａ，３２ｂ；３４ａ，３４ｂが図示されている。図４（ａ）に示す第２の固定金型部品３４ａは、金属製リード２を包囲し、略台形の断面形状を有するように形成された凸部３５を含む。［発明が解決しようとする課題］の欄で上記説明したように、多孔質焼結体（陽極体）１に対する金属製リード２の固着強度が十分でない場合、多孔質焼結体（陽極体）１が金属製リード２から脱落して、誘電体層３および固体電解質層４の形成工程における生産歩留まりが低下することがある。

しかしながら、本発明に係る第２の固定金型部品３４ａには、Ｚ方向に突出した凸部３５を設けたので、押圧金型部品３６ａ，３６ｂが成型空間４０内を互いに接近するように（Ｙ方向に）金属粒子を押圧するとき、第２の固定金型部品３４ａに隣接して配置された金属粒子が、凸部３５の斜面に沿って、金属製リード２の周囲にある図４（ａ）のハッチング領域４２（「植設領域」ともいう。）に向かって押し出される。したがって、本発明によれば、植設領域４２の金属粒子の質量密度を増大させ、多孔質焼結体（陽極体）１に対する金属製リード２の固着強度を改善することができる。

この植設領域４２における金属粒子の質量密度が、従来技術に係る（成型空間４０に面した凸部を有さない）第２の固定金型部品を用いて加圧成型した場合と、本発明に係る（成型空間４０に面した凸部３５を有する）第２の固定金型部品３４ａを用いて加圧成型した場合の金属粒子の質量密度を、コンピュータシミュレーションした結果、図４に対応する図５のカラー画像を得た。金属製リード２の中心を貫通してＹ方向に延びる位置における相対的な質量密度を１．０としたとき（詳細図示せず）、従来技術に係る第２の固定金型部品を用いた場合の植設領域４２における相対的質量密度が０．７２であったところ、図４（ａ）に示す第２の固定金型部品３４ａを用いて加圧成型した場合、図５（ａ）に示すように植設領域４２における相対的質量密度が０．８７まで改善された。なお、図５（ａ）に示す第２の固定金型部品３４ａの凸部３５が金属製リード２の周囲全体に配設されたのに対し、図５（ｂ）に示す第２の固定金型部品３４ａの凸部３５は、金属製リード２の周囲の一部に配設された点で異なるが、植設領域４２における相対的質量密度が０．８３まで改善され、従来技術に比較して有意な質量密度の改善が認められた。したがって、コンピュータシミュレーションの結果からも、明らかに、成型空間４０内の金属製リード２の周囲の植設領域４２における質量密度を増大させることができる。よって本発明によれば、多孔質焼結体（陽極体）１に対する金属製リード２の固着強度を増大させることにより、多孔質焼結体の形成工程後の誘電体層３および固体電解質層４の形成工程における生産歩留まりを格段に改善することができる。

上記説明した第２の固定金型部品３４ａの凸部３５は、ＸＺ平面に平行な三角形状の断面を有するものであったが、択一的には、凸部３５は、図４（ｂ）に示すように、三角形の断面形状を有するものであってもよい。また凸部３５が三角形の断面形状を有する場合、その斜面と第２の固定金型部品３４ａとのなす角度（θ）の正接が、成型空間４０内に挿入された金属粒子と第２の固定金型部品３４ａとの間の摩擦係数（μ）の逆数以下となるように構成してもよい（tan(θ)≦１／μ）。例えば、金属粒子と第２の固定金型部品３４ａとの間の摩擦係数（μ）が０．４５であるとき、ＸＺ平面において斜面と第２の固定金型部品とのなす角度（θ）を約６６度以下に設定してもよい。これは、角度（θ）があまりに大きくなり過ぎると、一対の押圧金型部品３６ａ，３６ｂにより金属粒子が押圧されたとき、第２の固定金型部品３４ａに隣接して配置された金属粒子が、凸部３５の斜面に沿って植設領域４２に向かって押し出されず、この領域４２の金属粒子の質量密度を増大させることができなくなるためである。

また第２の固定金型部品３４ａの凸部３５は、成型空間４０に面した平坦な面からＺ方向に高さｈを有するように形成されている。凸部３５の高さｈは、金属製リード２の線径ｒの半分（すなわち半径）以上であることが好ましい（ｈ≧ｒ／２）。一方、金属製リード２は、凸部３５の頂部からＺ方向に距離ｌだけ埋設されるように構成されているが、多孔質焼結体（陽極体）１に対する固着強度を増大させるためにも、一対の第２の固定金型部品３４ａ，３４ｂの間の距離Ｌに対して十分深く埋設されることが好ましい。例えば金属製リード２の埋設距離ｌが一対の第２の固定金型部品３４ａ，３４ｂの間の距離Ｌの半分以上であることが好ましい（ｌ≧Ｌ／２）。

図６は、第２の固定金型部品３４ａの平面図であり、貫通孔３１、第１の固定金型部品３２ａ，３２ｂ、成型空間４０に面した凸部３５の位置関係を示すものである。金属製リード２は、実質的に円筒形状を有し、ＸＹ断面において円形の断面形状を有するが、第２の固定金型部品３４ａの凸部３５は、矩形（図６（ａ））、円形（図６（ｂ））、または楕円形（図６（ｃ））の平面形状を有するものであってもよい。

さらに多孔質焼結体（陽極体）１に対する金属製リード２の固着強度を増大させるため、詳細図示しないが、金属製リード２には、Ｚ方向に対して凹凸を有する表面またはＺ方向に沿った溝部を設けてもよい。

本発明は、陽極体として多孔質焼結体を具備する固体電解コンデンサに利用することができる。

１…多孔質焼結体（陽極体）、２…金属製リード、３…誘電体層、４…固体電解質層、５…陰極層、７…陽極端子、８…導電性接着材、９…陰極端子、１０…コンデンサ素子、１１…樹脂外装体、２０…固体電解コンデンサ、２２ａ…上主面、２２ｂ…下主面、２４ａ…左端面、２４ｂ…右端面、２５ａ，２５ｂ…端面凹部、２６ａ…前側面、２６ｂ…後側面、２７ａ，２７ｂ…側面凸部、３０…製造金型、３１…貫通孔、３２ａ，３２ｂ…第１の固定金型部品、３３ａ，３３ｂ…金型凸部、３４ａ，３４ｂ…第２の固定金型部品、３５…凸部、３６ａ，３６ｂ…押圧金型部品、３７ａ，３７ｂ…金型凹部、４０…成型空間、４２…植設領域

Claims (10)

1. 金属製リードが埋設された多孔質焼結体を加圧成型するための金型であって、
   前記金属製リードに沿って対向配置された一対の第１の固定金型部品と、
   前記第１の固定金型部品に固定される一対の第２の固定金型部品であって、前記第２の固定金型部品の一方に前記金属製リードを挿通可能にする貫通孔を設けた一対の前記第２の固定金型部品と、
   前記第１および第２の固定金型部品により部分的に画定された成型空間内に挿入された金属粒子を押圧するように滑動可能な一対の押圧金型部品と、を備え、
   前記貫通孔を設けた前記第２の固定金型部品は、前記成型空間に対向する面において、前記貫通孔を包囲する凸部を含み、
   前記凸部は、前記第２の固定金型部品に垂直な断面において、三角形、略半円形、または略台形の断面形状を有し、
   前記凸部の三角形または略台形の斜面の断面形状を表す直線または曲線の接線と前記第２の固定金型部品とのなす角度（θ）の正接が、前記金属粒子と前記第２の固定金型部品との間の摩擦係数（μ）の逆数以下である（tan(θ)≦１／μ）、金型。
2. 前記凸部は、矩形、部分的な円形または楕円の平面形状を有する、請求項１に記載の金型。
3. 前記凸部は、前記第２の固定金型部品に垂直な断面における高さ（ｈ）が金属製リードの半径（ｒ／２）以上である（ｈ≧ｒ／２）、請求項１または２に記載の金型。
4. 多孔質焼結体に埋設された金属製リードの部分の長さ（ｌ）は、一対の第２の固定金型部品の間の距離（Ｌ）の半分以上となるように構成された（ｌ≧Ｌ／２）、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金型。
5. 前記多孔質焼結体は、コンデンサ素子を備える固体電解コンデンサの陽極体として使用され、
   前記コンデンサ素子は、
   対向する一対の主面を含む前記多孔質焼結体と、
   前記多孔質焼結体に埋設され、その一方の主面から延びる金属製リードと、
   前記多孔質焼結体上に形成された誘電体層と、
   前記誘電体層上に形成された固体電解質層と、を備え、
   前記多孔質焼結体は、前記金属製リードが延びる主面において、前記金属製リードの周囲に凹部を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金型。
6. 前記多孔質焼結体の凹部は、前記主面に垂直な断面において、三角形、略半円形、または略台形の断面形状を有する、請求項５に記載の金型。
7. 対向する一対の第１の固定金型部品のそれぞれを、対向する一対の第２の固定金型部品に固定する工程と、
   一対の押圧金型部品を、前記第１および第２の固定金型部品に対して滑動可能に配置して成型空間を画定する工程と、
   前記成型空間内に金属粒子を充填する工程と、
   一対の前記第２の固定金型部品の一方に設けられた貫通孔に金属製リードを挿通する工程と、
   前記金属粒子から多孔質焼結体を成型するように一対の前記押圧金型部品を互いに対して押圧する工程と、を有し、
   前記貫通孔を設けた前記第２の固定金型部品は、前記成型空間に対向する面において、前記貫通孔を包囲する凸部を含み、
   前記凸部は、前記第２の固定金型部品に垂直な断面において、三角形、略半円形、または略台形の断面形状を有し、
   前記凸部の三角形または略台形の斜面の断面形状を表す直線または曲線の接線と前記第２の固定金型部品とのなす角度（θ）の正接が、前記金属粒子と前記第２の固定金型部品との間の摩擦係数（μ）の逆数以下である（tan(θ)≦１／μ）、多孔質焼結体の製造方法。
8. 前記凸部は、矩形、部分的な円形または楕円の平面形状を有する、請求項７に記載の多孔質焼結体の製造方法。
9. 対向する一対の主面を含む多孔質焼結体と、
   前記多孔質焼結体に埋設され、その一方の主面から延びる金属製リードと、
   前記多孔質焼結体上に形成された誘電体層と、
   前記誘電体層上に形成された固体電解質層と、を備え、
   前記多孔質焼結体は、前記金属製リードが延びる主面において、前記金属製リードの周囲に凹部を含む、コンデンサ素子を備えた固体電解コンデンサの製造方法であって、
   前記多孔質焼結体を、請求項７または８に記載の多孔質焼結体の製造方法により製造する、固体電解コンデンサの製造方法。
10. 前記多孔質焼結体の凹部は、前記主面に垂直な断面において、三角形、略半円形、または略台形の断面形状を有する、請求項９に記載の固体電解コンデンサの製造方法。

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