JP7008182B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、陽極体、誘電体および陰極部を含むコンデンサ素子と、コンデンサ素子を封止する外装体と、外装体から一部が露出する陽極端子および陰極端子と、を具備する固体電解コンデンサに関する。

小型かつ大容量でＥＳＲ（等価直列抵抗）の低いコンデンサとして、陽極部と、陽極部の表面に形成された誘電体と、誘電体の少なくとも一部を覆う陰極部とを具備する固体電解コンデンサが知られている。中でも、陰極部が固体電解質として導電性高分子を含む固体電解コンデンサが有望視されている。

固体電解コンデンサは、陽極体、誘電体および陰極部を具備するコンデンサ素子を封止する外装体を具備する。外装体は、コンデンサ素子を保護するとともに外部からの水分の浸入を抑制している。

一方、外装体は、固体電解コンデンサへの水分の浸入を完全に防止できるものではなく、コンデンサ素子は不可避的に浸入する水分の影響を受ける。そこで、特許文献１は、リフロー実装時に、固体電解コンデンサ内部の水分がガス化し、近傍部品を吹き飛ばす現象やツームストン現象を防止するために、外装体にガス抜き用の微細孔を設けることを提案している。また、特許文献２は、外装体を形成する樹脂体に、樹脂体よりも水蒸気透過性の高い物質で形成された通気路を設けることを提案している。

特開２０００－２９９２６１号公報 特開２００１－５７３２１号公報

しかし、外装体に微細孔や通気路を設けると、この微細孔や通気路が外部の水分の浸入ルートとなり、固体電解コンデンサの内部への水分の浸入を抑制することが却って困難になる。内部に浸入した水分は、コンデンサ素子の内部やコンデンサ素子と外装体との界面近傍に偏在する傾向がある。このような水分は、リフロー実装時に膨張し、内圧を上昇させるため、固体電解コンデンサの外観不良を生じることがある。

上記に鑑み、本発明の一局面は、陽極体と、前記陽極体の表面に形成された誘電体と、陰極部と、を有するコンデンサ素子と、前記陽極体と電気的に接続する陽極フレームと、前記陰極部と電気的に接続する陰極フレームと、前記陽極フレームの一部と前記陰極フレームの一部とを露出させて前記コンデンサ素子を封止する外装体とを備え、前記陽極フレームおよび前記陰極フレームの少なくとも一方が、前記外装体との接着面に、前記陽極フレームまたは前記陰極フレームの延在方向と交差する少なくとも１つの溝を有する、固体電解コンデンサに関する。

本発明によれば、固体電解コンデンサの内部への水分の浸入を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る固体電解コンデンサの一例の縦断面模式図である。 陽極フレームの要部の拡大断面図である。 陰極フレームの要部の拡大断面図である。 フレームの要部のバリエーションを示す拡大断面図である。 溝形状のバリエーションを示すフレームの要部の平面図である。 無機フィラーの粒子の大きさと溝の幅との関係を示す概念図である。

本発明に係る電解コンデンサは、陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体と、陰極部とを有するコンデンサ素子と、陽極体と電気的に接続する陽極フレームと、陰極部と電気的に接続する陰極フレームと、陽極フレームの一部と陰極フレームの一部とを露出させてコンデンサ素子を封止する外装体とを備える。外装体から導出された陽極フレームの一部（露出部）は、陽極端子として機能する。外装体から導出された陰極フレームの一部（露出部）は、陰極端子として機能する。ここで、陽極フレームおよび陰極フレームの少なくとも一方（以下、単にフレームとも称する。）は、外装体との接着面に、フレームの延在方向と交差する少なくとも１つの溝を有する。

フレームの外装体との接着面とは、フレームの外装体に封止されている部位の表面である。ここでは、フレームと外装体との間に剥離が生じている場合も含めて接着面と称する。

フレームの延在方向とは、例えば、コンデンサ素子の重心と、フレームが露出し始める外装体の端面の中心とを結ぶ直線の方向と見なすことができる。また、フレームの延在方向は、フレームが外装体の内部のコンデンサ素子との接続部から外部に導出される方向である。

外部からコンデンサ素子に至るまでの水分の移動経路は、外装体とフレームとの界面に沿って形成されることが多い。よって、フレームの延在方向は、水分が外部からコンデンサ素子に至るまでの水分の進行方向と対応している。溝の延在方向をフレームの延在方向と交差させることで、溝と水分の進行方向とが交差する。これにより、水分の浸入は溝により遮られ、もしくは溝の延在方向に沿って水分の進行方向が変更される。よって、水分はコンデンサ素子に到達しにくくなる。また、フレームの延在方向に水分の移動経路が形成された場合でも、移動経路は直線的ではなく、溝の凹凸に沿った迂回経路になる。

フレームの外装体との接着面に溝を設ける場合、外装体とフレームとの接触面積が大きくなるとともにアンカー効果が生じるため、外装体とフレームとが剥離しにくくなり、外装体とフレームとの密着性も高められる。これにより、水分の移動経路の形成が大きく抑制される。

以上のような溝の作用により、固体電解コンデンサの内部への水分の浸入が抑制されることで、リフロー実装時の膨張による固体電解コンデンサの外観不良が生じにくくなる。また、固体電解コンデンサの内圧の上昇が抑制されるため、リーク電流の発生も抑制される。更に、水分の浸入に起因するＥＳＲの増大なども抑制される。

溝の延在方向とフレームの延在方向とは、直交することが好ましいが、溝の延在方向とフレームの延在方向とが成す小さい方の角度θが、４５°≦θ＜９０°であってもよい。ただし、θが９０°に近いほど、固体電解コンデンサの内部への水分の浸入を抑制する効果は大きくなる。

溝は、直線状であってもよく、曲線状であってもよく、直線部と曲線部とを含む形状であってもよい。溝がいずれの形状であっても、溝の延在方向は、溝の一方の端部と他方の端部とを結ぶ直線の方向であり、溝の延在方向を一義的に決定することができる。

溝の一方の端部と他方の端部とを結ぶ直線の距離Ｌは、固体電解コンデンサの内部への水分の浸入を抑制する効果を高める観点から、長いほど好ましい。距離Ｌは、フレームの延在方向に対して垂直な方向の幅Ｗの１０％以上であることが好ましく、Ｌ＝Ｗであることがより好ましい。

溝の深さｄは、フレームの強度を十分に高く維持する観点から、フレームの厚さＴの１～８０％が好ましい。また、溝幅ｗは、水分の浸入を遮り、進行方向を変更させる効果を大きくする観点からは、あまり幅広でないことが好ましい。溝幅ｗは、例えば１～１００μｍが好ましく、１～４０μｍがより好ましい。ここでは、溝幅ｗとは、溝の開口側の最大幅を意味する。

溝の数が多いほど、水分の浸入を遮り、もしくは水分の進行方向を変更させる作用は大きくなる。また、外装体とフレームとの密着性も向上しやすく、迂回経路も長くなる。ただし、フレームの強度を十分に高く維持する観点からは、例えば溝の数を１～１００本とすることが好ましい。また、溝内での水分の移動をできるだけ抑制する観点から、複数の溝は、互いに交差しないことが好ましい。

以下、本発明の一実施形態に係る固体電解コンデンサについて、図１を参照しながら説明する。図１は、固体電解コンデンサの一例の断面模式図である。

＜固体電解コンデンサ＞
固体電解コンデンサ２０は、コンデンサ素子１０と、コンデンサ素子１０を封止する外装体１１と、外装体１１の外部に一部が露出する陽極フレーム７と、外装体１１の外部に一部が露出する陰極フレーム９とを備える。コンデンサ素子１０は、多孔質焼結体である陽極体１と、陽極リード２と、陽極体１の表面に形成された誘電体層３と、誘電体層３の表面に配置された固体電解質層４と、固体電解質層４の表面に形成された陰極部（導電性カーボン層５および銀ペースト層６）とを有する。

陽極リード２の一端を含む埋設部２ａは、陽極体１の一面から陽極体１の内部に埋設されている。陽極リード２の他端を含む延出部２ｂは、外装体１１で封止されている陽極フレーム７の陽極接続部７ａと、溶接等により電気的に接続されている。一方、陰極部は、外装体１１で封止されている陰極フレーム９の陰極接続部９ａと、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）を介して電気的に接続されている。

陽極フレーム７は、陽極接続部７ａと、外装体１１の外部に露出する陽極端子７ｂと、陽極接続部７ａと陽極端子７ｂとの間の中間部７ｃとを具備する。また、陰極フレーム９は、陰極接続部９ａと、外装体１１の外部に露出する陰極端子９ｂと、陰極接続部９ａと陰極端子９ｂとの間の中間部９ｃとを具備する。陽極フレーム７の中間部７ｃおよび陰極フレーム９の中間部９ｃは、外装体１１により封止されており、それらの両面が外装体と接着されている。

陽極端子７ｂおよび陰極端子９ｂは、それぞれ外装体１１の異なる側面から引き出され、一方の主要平坦面（図１では下面）まで延在している。この平坦面における各端子の露出箇所は、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。

以下、陽極フレーム７の中間部７ｃまたは陰極フレーム９の中間部９ｃに溝を設けた場合を説明する。ただし、陽極接続部７ａおよび／または陰極接続部９ａに溝を設けてもよく、以下の例は、溝を設ける場所を限定するものではない。

図２は、陽極フレーム７の要部（図１中の破線Ｘで囲まれた中間部７ｃ）の拡大断面図である。図２中の破線ｘは、陽極フレーム７の中間部７ｃと露出部（陽極端子７ｂ）との境界を示している。図３は、陰極フレーム９の要部（図１中の破線Ｙで囲まれた中間部９ｃ）の拡大断面図である。図３中の破線ｙは、陰極フレーム９の中間部９ｃと露出部（陰極端子９ｂ）との境界を示している。

中間部７ｃおよび中間部９ｃは、各フレームの裏表二つの主面がいずれも外装体１１と接着もしくは対向している部位である。また、中間部７ｃは、陽極接続部７ａよりも外装体１１の外部側に位置している。よって、中間部７ｃに溝７Ｇを形成することで、コンデンサ素子１０からより遠い位置（破線ｘにより近い位置）で、水分の浸入を遮り、もしくは進行方向を変更させることができる。同様に、中間部９ｃは、陰極接続部９ａよりも外装体１１の外部側の部位（すなわち陰極フレーム９の陰極部と接合されていない部位）に位置している。よって、中間部９ｃに溝９Ｇを形成することで、コンデンサ素子１０からより遠い位置（破線ｙにより近い位置）で、水分の浸入を遮り、もしくは進行方向を変更させることができる。

図２、３において、溝７Ｇおよび溝９Ｇの延在方向に対して垂直な断面形状は、楔形である。ただし、溝の断面形状は特に限定されない。また、溝７Ｇおよび溝９Ｇは、それぞれ中間部７ｃおよび中間部９ｃの両面に形成されているが、図４（ａ）に拡大断面図で示すように、溝Ｇをフレーム７（９）の一方の面だけに形成してもよい。また、図４（ｂ）に拡大断面図で示すように、フレーム７（９）を波形にプレス加工することにより、溝ＧとリブＲとを交互に形成してもよい。

溝形状（溝自身の延在方向に沿った形状）も、特に限定されず、図５（ａ）に概念的な平面図で示すように直線状の溝Ｇａでもよく、図５（ｂ）に概念的な平面図で示すように波線状の溝Ｇｂでもよく、図５（ｃ）に概念的な平面図で示すようにジグザグ形状の溝Ｇｃでもよい。また、図５（ｄ）に概念的な平面図で示すように、溝Ｇｄをフレーム７（９）の幅Ｗよりも短く形成したり、千鳥状に配置したりしてもよい。

外装体１１は、コンデンサ素子１０を封止できる絶縁性材料であればよいが、中でも、樹脂と無機フィラーとの複合材料が好ましい。このような複合材料は、フレームとの接着性に優れ、かつ強度や寸法安定性に優れている。ここで、無機フィラーが、粒状物である場合、粒状物の平均粒径は溝幅ｗ（すなわち最大幅）よりも大きいことが好ましい。この場合、無機フィラーの粒子は、溝に侵入しにくい大きさを有する。これにより、溝には樹脂が優先的に充填されるため、外装体とフレームとの接着性を向上させやすくなる。

図６は、無機フィラーの粒子Ｐ１、Ｐ２の大きさと溝Ｇの幅との関係を示す概念図である。図６（ａ）に示す粒子Ｐ１は、溝幅ｗよりも大きい粒径Ｄ１を有し、図６（ｂ）に示す粒子Ｐ２は、溝幅ｗよりも小さい粒径Ｄ２を有する。粒子Ｐ１は、溝Ｇに侵入することができないため、圧力が印加されるトランスファー成形のような工法では、溝Ｇの開口が粒子で塞がれることがなく、樹脂が溝Ｇの奥深くまで充填される。一方、粒子Ｐ２は、溝Ｇに侵入できるため、溝Ｇに嵌り込んだ状態となる。よって、粒子Ｐ２は、圧力が印加されても溝Ｇに嵌り込んだままで移動することができず、樹脂は溝Ｇの奥深くまで充填されにくい。そのため、溝Ｇ内には、粒子Ｐ２と溝Ｇとで閉ざされた空隙Ｖが形成されやすい。このような空隙Ｖが形成されると、空隙Ｖに水分が凝縮しやすくなる。

水分が凝縮しやすい空隙を低減する観点から、粒状物の平均粒径Ｄは、溝幅ｗの１～１００倍であることが好ましく、２～１０倍であることがより好ましい。

外装体の形成は、例えば、トランスファー成形法により行われる。絶縁性材料には、トランスファー成形の際に硬化する熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミドイミド、不飽和ポリエステル等が挙げられる。

次に、コンデンサ素子の主要な構成要素について説明する。

（陽極体）
陽極体１は、例えば、弁作用金属の粉末または弁作用金属を含む合金の粉末を焼結して得られる多孔質焼結体である。陽極体１は、弁作用金属の粉末等を例えば六面体に加圧成形し、焼結することにより作製される。このとき、陽極リード２の埋設部２ａを六面体に埋め込んだ状態で加圧成形し、焼結することにより、陽極体１の一面から延出部２ｂを引き出すことができる。

陽極体１を構成する材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）等の弁作用金属を、１種または２種以上組み合わせて用いることができる。弁作用金属の酸化物は、誘電率が高いため、陽極体の構成材料として適している。なお、上記材料は、２種以上の金属からなる合金であってもよい。

（陽極リード）
陽極リード２は、例えば、導電性を有するワイヤーから構成されている。陽極リード２を構成する導電性材料としても弁作用金属が好ましい。陽極体１および陽極リード２を構成する材料は、同種であってもよいし、異種であってもよい。

（誘電体層）
誘電体層３は、陽極体１の表面を、化成処理等により陽極酸化することにより形成される。陽極酸化は、公知の方法により行えばよい。なお、誘電体層３はこれに限定されず、誘電体として機能する絶縁性の層であればよい。

（固体電解質層）
固体電解質層４は、誘電体層３の表面の少なくとも一部に形成される。固体電解質層４は、例えば、マンガン化合物や導電性高分子を含む。導電性高分子として、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体などを用いることができる。導電性高分子を含む固体電解質層４は、例えば、原料モノマーを誘電体層３の表面において化学重合および／または電解重合することにより形成することができる。

（陰極部）
陰極部は、例えば、カーボン層５と、カーボン層５の表面に形成された金属（例えば銀）ペースト層６とを有する。ただし、陰極部の構成は、これに限られず、集電機能を有する構成であればよい。

本発明は、様々な固体電解コンデンサに適用し得るが、中でも、陽極体がタンタル粉末の焼結体を具備するチップ型の固体電解コンデンサに適している。本発明に係る固体電解コンデンサは、水分の浸入を受けにくいため、高温でリフロー実装される固体電解コンデンサとして好適である。

１：陽極体、２：陽極リード、２ａ：埋設部、２ｂ：延出部、３：誘電体層、４：固体電解質層、５：カーボン層、６：金属ペースト層、７：陽極フレーム、７ａ：陽極接続部、７ｂ：陽極端子、７ｃ：中間部、８：導電性接着材、９：陰極フレーム、９ａ：陰極接続部、９ｂ：陰極端子、９ｃ：中間部、１０：コンデンサ素子、１１：外装体、２０：固体電解コンデンサ、Ｇ：溝、Ｒ：リブ

Claims (4)

1. 陽極体と、前記陽極体の表面に形成された誘電体と、陰極部と、を有するコンデンサ素子と、
   前記陽極体と電気的に接続する陽極フレームと、
   前記陰極部と電気的に接続する陰極フレームと、
   前記陽極フレームの一部と前記陰極フレームの一部とを露出させて前記コンデンサ素子を封止する外装体とを備え、
   前記陽極フレームおよび前記陰極フレームの少なくとも一方が、前記外装体との接着面に、前記陽極フレームまたは前記陰極フレームの延在方向と交差する少なくとも１つの溝を有し、
   前記外装体が、樹脂と無機フィラーとの複合材料であり、
   前記無機フィラーが、粒状物であり、
   前記粒状物の平均粒径が、前記溝の幅よりも大きい固体電解コンデンサ。
2. 複数の互いに交差しない前記溝を有する、請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
3. 前記溝は、前記陰極フレームの前記陰極部と接合されていない部位に形成されている、請求項１または２に記載の固体電解コンデンサ。
4. 前記コンデンサ素子が、前記陽極体に一端が埋設された陽極リードを具備し、
   前記陽極リードの他端が、前記陽極フレームと溶接されており、
   前記溝は、前記陽極フレームの前記陽極リードと溶接されている部位よりも前記外装体の外部側の部位に形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の固体電解コンデンサ。

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