JP7223968B2

JP7223968B2 - 電解コンデンサ

Info

Publication number: JP7223968B2
Application number: JP2018565969A
Authority: JP
Inventors: 康太宗安; 昌宏佐藤; 直美栗原; 敬太上中
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2037-12-07
Also published as: WO2018142758A1; CN110199368B; US11049663B2; US20190333703A1; CN110199368A; JPWO2018142758A1

Description

本発明は、コンデンサ素子を備える電解コンデンサに関する。

電解コンデンサは、コンデンサ素子と、コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、コンデンサ素子およびリード部材の一部を封止する外装部材とを備える。

電解コンデンサがリフロー処理などにより高温環境下（例えば、２５０℃以上）に曝されると、電解コンデンサ内部のコンデンサ素子に熱が伝わり、コンデンサ素子の電気的特性が低下することがある。また、コンデンサ素子が固体電解質として導電性高分子を備える場合、導電性高分子の熱分解によりガスが発生する。これに伴い電解コンデンサの内圧が上昇することで、電解コンデンサの封止性が低下することがある。

一方、特許文献１では、電気化学素子と、電気化学素子を封止するフイルムとを備えた電気化学デバイスにおいて、フィルムの表面に赤外線反射層を設けることが提案されている。これにより、電気化学デバイス内部の電気化学素子への熱伝導による電気化学素子の劣化が抑制される。赤外線反射層には、アルミニウムなどの金属またはアルミニウムなどを含む合金が用いられる。

特開２００９－２６７０２６号公報

しかし、電解コンデンサの外装部材の表面を、導電性を有する赤外線反射層で覆うと、赤外線反射層と電解コンデンサのリード部材とが接触して短絡を生じるおそれがあり、電解コンデンサの信頼性が低下する。

本発明の一局面は、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、前記コンデンサ素子および前記リード部材の一部を封止する外装部材と、前記外装部材の表面の少なくとも一部を覆うとともに、電気的絶縁性を有する遮熱層と、を備え、前記遮熱層は、金属酸化物および金属水酸化物の少なくとも一方を含む、電解コンデンサに関する。

本発明の別の一局面は、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、前記コンデンサ素子を覆うとともに前記リード部材の一部を覆う外装樹脂層と、を備え、前記外装樹脂層は、電気的絶縁性を有する多孔質粒子を含む、電解コンデンサに関する。

本発明によれば、電解コンデンサ内部のコンデンサ素子への熱伝導が抑制されるため、信頼性の高い電解コンデンサを提供することができる。

本発明に係る電解コンデンサの一例を模式的に示す断面図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、コンデンサ素子およびリード部材の一部を封止する外装部材と、外装部材の表面の少なくとも一部を覆う遮熱層と、を備える。

遮熱層は、遮熱効果を発現する金属化合物を含む。遮熱効果を有する金属化合物としては、金属酸化物および金属水酸化物の少なくとも一方を用いることができる。このような遮熱層を備えることで、電解コンデンサがリフロー処理などにより高温環境下（例えば、２５０℃以上）に曝されても、電解コンデンサ内部のコンデンサ素子への熱伝導が抑制される。コンデンサ素子への熱伝導によるコンデンサ素子の劣化（電気化学的特性の低下）が抑制される。また、コンデンサ素子が固体電解質として導電性高分子を備える場合、導電性高分子の熱分解によるガス発生が抑制される。ガス発生に伴う電解コンデンサの内圧上昇による電解コンデンサの封止性の低下が抑制される。

遮熱層は電気的絶縁性を有する。よって、リード部材と遮熱層とが接触しても短絡を生じることがなく、信頼性に優れた電解コンデンサが得られる。金属化合物として遮熱層に含まれる酸化物や水酸化物も電気的絶縁性を有することが好ましい。

外装部材は、コンデンサ素子を覆うとともにリード部材の一部を覆う外装樹脂層Ｌ１であることが好ましい。また、外装部材は、コンデンサ素子を収容する有底ケースと、ケースの開口を塞ぐ封口部材とを備えてもよい。有底ケースの素材としては、樹脂、金属、セラミックスなどが挙げられる。封口部材は、例えば、樹脂またはゴム成分を含む。封口部材にリード部材を通す貫通穴を設けてもよい。

遮熱層に用いられる金属酸化物および／または金属水酸化物は、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛、ニッケル、チタン、ジルコニウム、インジウム、錫、鉄、銅、ロジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンなどを含む。これらを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

金属酸化物を含む遮熱層は、赤外線反射層として用いられる。遮熱効果が高いことから、遮熱層に用いられる金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化チタン、および酸化ジルコニウムよりなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。金属酸化物が水和物である場合、金属酸化物の水和物を含む遮熱層は、吸熱層を兼ねる。金属酸化物の水和物としては、例えば、ゼオライトが挙げられる。

金属水酸化物を含む遮熱層は、金属水酸化物が熱分解により水を生成するため、吸熱層として用いられる。吸熱による遮熱効果が高いことから、遮熱層に用いられる金属水酸化物は、水酸化アルミニウムおよび水酸化マグネシウムの少なくとも一方であることが好ましい。

遮熱層は、金属化合物と樹脂とを含むことが好ましい。この場合、金属化合物を粉末（粒子）の状態で遮熱層に含ませることができる。このような遮熱層は、例えば、樹脂層と、樹脂層中に分散する粒子状の金属化合物とを備える。粒子の形状は、多孔質でもよく、多孔質でなくてもよい。遮熱層（樹脂層）は、硬化性樹脂組成物の硬化物を含むことが好ましく、熱可塑性樹脂もしくはそれを含む組成物を含んでもよい。硬化性樹脂組成物や熱可塑性樹脂（組成物）については、後述の外装樹脂層で例示するものを用いることができる。

遮熱層は、例えば、硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂（組成物）に金属化合物を添加したものを、外装部材（外装樹脂層）の表面に塗布して、形成することができる。

遮熱層は、外装部材の表面の少なくとも一部を覆う。遮熱層は、外装部材の外面（コンデンサ素子と反対側の表面）を覆っていてもよく、内面（コンデンサ素子側の表面）を覆っていてもよい。ただし、遮熱層が、熱分解により水を生成する金属水酸化物や金属酸化物の水和物を含む場合、電解コンデンサの信頼性の観点から、遮熱層は、外装部材の外面を覆うことが好ましい。

遮熱層中の金属化合物の含有量は、例えば２０質量％以上である。遮熱層の厚みは、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この場合、電解コンデンサを小型化できるとともに、電解コンデンサ内部への熱伝導が十分に抑制される。

上記の金属化合物が多孔質粒子を形成していることが好ましい。なお、ここでいう多孔質粒子は、中空粒子を含む。多孔質粒子を用いることで、遮熱層内に多数の空隙が形成される。金属化合物による遮熱効果に加え、遮熱層内に形成された多数の空隙により、遮熱効果が高められる。このような遮熱層を備えることにより、電解コンデンサがリフロー処理などにより高温環境下（例えば、２５０℃以上）に曝されても、電解コンデンサ内部のコンデンサ素子への熱伝導が抑制される。

多孔質粒子を用いることで、遮熱層は、外装樹脂層Ｌ１よりも空隙を多く有することができる。遮熱層の空隙率は、例えば２０％以上８０％以下である。なお、電解コンデンサの封止性確保の観点から、外装樹脂層Ｌ１の空隙率は、例えば５％未満である。

遮熱層または外装樹脂層Ｌ１の空隙率は、例えば、走査型電子顕微鏡による遮熱層または外装樹脂層Ｌ１の断面の画像を用いて、その断面の面積に対する空隙部分の面積の比率を算出することで求めることができる。

多孔質粒子は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、ゼオライトなどで形成されている。多孔質粒子の平均粒径は、例えば１μｍ以上１００μｍ以下である。多孔質粒子のＢＥＴ比表面積は、例えば１０ｍ²／ｇ以上１０００ｍ²／ｇ以下である。遮熱層中の多孔質粒子の含有量は、例えば２０質量％以上である。

リード部材と外装樹脂層Ｌ１との界面の一部に隙間が存在する場合、遮熱層は当該隙間を埋めるように形成されていることが好ましい。この場合、当該隙間を介しての電解コンデンサ内部のコンデンサ素子への熱伝導を抑制することができる。また、電解コンデンサの封止性を更に高めることができる。

外装樹脂層Ｌ１による封止効果を高める観点から、外装樹脂層Ｌ１はフィラーを含むことが好ましい。封止性を高めるためには、フィラーは多孔質でないことが好ましく、例えば、球状粒子が用いられる。一方、遮熱層内に多数の空隙を形成するためには、多孔質粒子は、フィラーよりも多孔質であることが好ましい。また、多孔質粒子は、フィラーよりも、ＢＥＴ比表面積が大きいことが好ましい。多孔質粒子およびフィラーが、互いに同じ材料（例えば酸化ケイ素）で形成されている場合、多孔質粒子は、フィラーよりも見かけ密度が小さいことが好ましい。

熱的安定性および機械的強度の観点から、フィラーは、球状の酸化ケイ素粒子であることが好ましい。電解コンデンサが高温環境下に曝された際に、外装樹脂層Ｌ１が劣化して、外装樹脂層Ｌ１とリード部材との密着性が低下することが抑制される。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子と、コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、コンデンサ素子を覆うとともにリード部材の一部を覆う外装樹脂層Ｌ２と、を備える。

外装樹脂層Ｌ２は、多孔質粒子を含む。なお、ここでいう多孔質粒子は中空粒子を含む。多孔質粒子により外装樹脂層Ｌ２内に多数の空隙が形成されるため、高い遮熱効果が得られる。すなわち、外装樹脂層Ｌ２は遮熱層を兼ねる。よって、電解コンデンサがリフロー処理などにより高温環境下（例えば、２５０℃以上）に曝されても、電解コンデンサ内部のコンデンサ素子への熱伝導が抑制される。

外装樹脂層Ｌ２に含まれる多孔質粒子は、電気的絶縁性を有する。よって、リード部材と外装樹脂層Ｌ２に含まれる多孔質粒子とが接触しても短絡を生じることがなく、信頼性に優れた電解コンデンサが得られる。

外装樹脂層Ｌ２に含まれる多孔質粒子として、第１実施形態に記載の多孔質粒子を用いることができる。外装樹脂層Ｌ２に含まれる多孔質粒子は、金属酸化物で形成されていることが好ましい。この場合、封止性を損なうことなく、高い遮熱効果が得られる。金属酸化物としては、第１実施形態に記載の金属化合物で例示されるものを用いることができる。ただし、封止性確保の観点から、外装樹脂層Ｌ２に含まれる金属酸化物は、水和物ではないことが好ましい。

外装樹脂層Ｌ２による封止効果を高める観点から、外装樹脂層Ｌ２はフィラーを含むことが好ましい。封止性を高めるためには、フィラーは多孔質でないことが好ましく、例えば、球状粒子が用いられる。一方、外装樹脂層Ｌ２内に多数の空隙を形成するためには、多孔質粒子は、フィラーよりも多孔質であることが好ましい。また、多孔質粒子は、フィラーよりも、ＢＥＴ比表面積が大きいことが好ましい。多孔質粒子およびフィラーが、互いに同じ材料（例えば酸化ケイ素）で形成されている場合、多孔質粒子は、フィラーよりも見かけ密度が小さいことが好ましい。

熱的安定性および機械的強度の観点から、フィラーは、球状の酸化ケイ素粒子であることが好ましい。電解コンデンサが高温環境下に曝された際に、外装樹脂層Ｌ２が劣化して、外装樹脂層Ｌ２とリード部材との密着性が低下することが抑制される。

外装樹脂層Ｌ２が、フィラーを含み、外装樹脂層Ｌ２は、多孔質粒子およびフィラーの合計１００質量部に対して、多孔質粒子を２０質量部以上８０質量部以下含むことが好ましい。この場合、外装樹脂層Ｌ２において、フィラーによる封止効果と、多孔質粒子による遮熱効果とが、バランス良く得られる。

遮熱効果および電解コンデンサの封止性の観点から、多孔質粒子を含む外装樹脂層Ｌ２の空隙率は、２０％以上８０％以下であることが好ましい。例えば外装樹脂層Ｌ２にフィラーを含ませることで、多孔質粒子を含む外装樹脂層Ｌ２の空隙率が２０％以上８０％以下であっても、電解コンデンサの封止性を十分に確保することができる。外装樹脂層Ｌ２中の多孔質粒子の含有量は、例えば、５０質量％以上９５質量％以下である。

（外装樹脂層）
第１および第２実施形態のいずれにおいても、外装樹脂層は、硬化性樹脂組成物の硬化物を含むことが好ましく、熱可塑性樹脂もしくはそれを含む組成物を含んでもよい。硬化性樹脂組成物や熱可塑性樹脂（組成物）については、後述で例示するものを用いることができる。

外装樹脂層は、射出成形、インサート成形、圧縮成形などの成形技術を用いて形成することができる。外装樹脂層は、例えば、所定の金型を用いて、硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂（組成物）をコンデンサ素子の外面とともにリードの一部を覆うように所定の箇所に充填して形成することができる。第２実施形態のように外装樹脂層が遮熱層を兼ねる場合、硬化性樹脂組成物または熱可塑性樹脂（組成物）に上記の多孔質粒子を添加すればよい。

硬化性樹脂組成物は、硬化性樹脂に加え、フィラー、硬化剤、重合開始剤、および／または触媒などを含んでもよい。硬化性樹脂としては、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が例示される。硬化剤、重合開始剤、触媒などは、硬化性樹脂の種類に応じて適宜選択される。

硬化性樹脂としては、例えば、熱の作用により硬化または重合する化合物（例えば、モノマー、オリゴマー、プレポリマーなど）が使用される。このような化合物（または硬化性樹脂）としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、ジアリルフタレート、不飽和ポリエステルなどが挙げられる。硬化性樹脂組成物は、複数の硬化性樹脂を含んでもよい。

フィラーとしては、例えば、絶縁性の粒子（無機系、有機系）および／または繊維などが好ましい。フィラーを構成する絶縁性材料としては、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどの絶縁性の化合物、ガラス、鉱物材料（タルク、マイカ、クレーなど）などが挙げられる。外装樹脂層は、これらのフィラーを一種含んでもよく、二種以上組み合わせて含んでもよい。外装樹脂層中のフィラーの含有量は、例えば、１０質量％以上９０質量％以下である。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などを用いることができる。熱可塑性樹脂を含む組成物は、熱可塑性樹脂に加え、上記のフィラーなどを含んでもよい。

（コンデンサ素子）
外装部材が外装樹脂層である場合、電解コンデンサには、例えば、積層型のコンデンサ素子が用いられる。積層型のコンデンサ素子は、例えば、陽極体と、陽極体を覆う誘電体層と、誘電体層を覆う陰極部とを備える。陰極部は、誘電体層を覆う固体電解質層と、固体電解質層を覆う陰極引出層とを備える。

外装部材が、有底ケースと、有底ケースの開口部を塞ぐ封口部材とを備える場合、電解コンデンサには、例えば、表面に誘電体層を有する陽極体（アルミニウム箔）と、陰極体（アルミニウム箔）とを、陽極体と陰極体との間にセパレータを介在させて巻回したコンデンサ素子が用いられる。巻回型のコンデンサ素子は、電解液および／または固体電解質を含む。巻回型の電解コンデンサは、封止性を高めるために、さらに、封口部材を覆うモールド樹脂層を備えてもよい。

（リード部材）
積層型のコンデンサ素子を用いる場合、リード部材としては、例えば、リードフレームが用いられる。巻回型のコンデンサ素子を用いる場合、リード部材は、コンデンサ素子に接続されるリードタブと、リードタブの端部に接続されるリード線とを備える。リード線は、上記の封口部材を貫通する。

図１は、本発明に係る電解コンデンサの一例を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、電解コンデンサ１は、コンデンサ素子２と、コンデンサ素子２と電気的に接続された陽極端子４（陽極側のリード部材）および陰極端子５（陰極側のリード部材）と、コンデンサ素子２と陽極端子４および陰極端子５の一部とを覆う外装樹脂層３と、を備える。陽極端子４および陰極端子５の一部は、外装樹脂層３の外部に露出する。外装樹脂層３は、ほぼ直方体の外形を有しており、電解コンデンサ１もほぼ直方体の外形を有している。陽極端子４および陰極端子５には、リードフレームが用いられる。リードフレームの素材には、例えば、銅または銅合金などが用いられる。

電解コンデンサ１は、外装樹脂層３の表面を覆うとともに、電気的絶縁性を有する遮熱層１５を備える。遮熱層１５は、第１実施形態に記載の金属化合物を含む。金属化合物は多孔質粒子を形成していることが好ましい。また、遮熱層（図示しない）は、外装樹脂層３と陽極端子４および／または陰極端子５との界面の一部に隙間が存在する場合、当該隙間を埋めるように形成されていることが好ましい。また、遮熱層１５を設ける代わりに、第２実施形態に記載のように外装樹脂層３が遮熱層を兼ねてもよい。

陽極端子４および陰極端子５の主面４Ｓおよび５Ｓは、外装樹脂層３の同じ面から露出している。この露出面は、電解コンデンサ１を搭載すべき基板（図示せず）との半田接続などに用いられる。

コンデンサ素子２は、陽極体６と、陽極体６を覆う誘電体層７と、誘電体層７を覆う陰極部８とを備える。陰極部８は、誘電体層７を覆う固体電解質層９と、固体電解質層９を覆う陰極引出層１０とを備える。陰極引出層１０は、カーボン層１１および銀ペースト層１２を有する。

陽極体６は、陰極部８と対向する領域と、対向しない領域とを含む。陽極体６の陰極部８と対向しない領域のうち、陰極部８に隣接する部分には、陽極体６の表面を帯状に覆うように絶縁性の分離層１３が形成され、陰極部８と陽極体６との接触が規制されている。陽極体６の陰極部８と対向しない領域のうち、他の一部は、陽極端子４と、溶接により電気的に接続されている。陰極端子５は、導電性接着剤により形成される接着層１４を介して、陰極部８と電気的に接続している。

陽極体６は、弁作用金属、弁作用金属を含む合金、および弁作用金属を含む化合物などを含むことができる。これらを単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。弁作用金属としては、例えば、アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタンが好ましく使用される。陽極体６の表面は、多孔質である。このような陽極体６は、例えば、エッチングなどにより弁作用金属を含む基材（箔状または板状の基材など）の表面を粗面化することで得られる。

また、陽極体として、弁作用金属を含む焼結体（多孔質体）を用いてもよい。ただし、焼結体を用いる場合、陽極側のリード部材の一端が、焼結体に埋め込まれる。このような焼結体は、例えば、弁作用金属を含む粉末を、当該粉末中に棒状体の陽極リードの長手方向の一端を埋め込んだ状態で加圧し、所望の形状（例えば、ブロック状）の成形体を得た後、成形体を焼結することで得られる。

誘電体層７は、弁作用金属の酸化物（例えば酸化アルミニウム）を含む。誘電体層７は、陽極体６の多孔質な表面（孔の内壁面を含む）に沿って形成される。誘電体層７の表面は、陽極体６の表面の形状に応じた凹凸形状が形成されている。固体電解質層９は、このような誘電体層７の凹凸を埋めるように形成されていることが好ましい。

誘電体層７は、例えば、陽極体の表面を、化成処理などにより陽極酸化することで形成される。陽極酸化は、公知の方法、例えば、化成処理などにより行うことができる。化成処理は、例えば、陽極体を化成液中に浸漬することにより、陽極体の表面に化成液を含浸させ、陽極体をアノードとして、化成液中に浸漬したカソードとの間に電圧を印加することにより行うことができる。化成液としては、例えば、リン酸水溶液などを用いることが好ましい。

固体電解質層９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は、例えば、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。固体電解質層９は、ドーパントを含んでもよい。より具体的には、固体電解質層９は、導電性高分子としてポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、およびドーパントとしてポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）を含むことができる。

固体電解質層９は、例えば、原料モノマーを誘電体層上で化学重合および／または電解重合することにより形成される。また、固体電解質層９は、誘電体層７に、導電性高分子を含む処理液を付着させた後、乾燥させることにより形成してもよい。処理液は、さらにドーパントなどの他の成分を含んでもよい。処理液は、導電性高分子の分散液または溶液である。分散媒（溶媒）としては、例えば、水、有機溶媒、またはこれらの混合物が挙げられる。

カーボン層１１は、導電性を有していればよく、例えば、黒鉛などの導電性炭素材料を用いて形成される。銀ペースト層１２には、例えば、銀粉末とバインダ樹脂（エポキシ樹脂など）を含む組成物を用いて形成される。陰極引出層１０は、カーボン層１１および銀ペースト層１２を順次形成することで得られる。

本発明の電解コンデンサは、図１に示す構造の電解コンデンサに限定されず、様々な構造の電解コンデンサに適用することができる。例えば、弁作用金属を含む焼結体（多孔質体）を陽極体として用いる電解コンデンサなどにも、本発明を適用できる。

本発明に係る電解コンデンサは、高温雰囲気に曝された場合でも、高い信頼性が求められる様々な用途に利用できる。

１：電解コンデンサ、２：コンデンサ素子、３：外装樹脂層、４：陽極端子、５：陰極端子、６：陽極体、７：誘電体層、８：陰極部、９：固体電解質層、１０：陰極引出層、１１：カーボン層、１２：銀ペースト層、１３：分離層、１４：接着層、１５：遮熱層

Claims

コンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子と電気的に接続されたリード部材と、
前記コンデンサ素子および前記リード部材の一部を封止する外装部材と、
前記外装部材の表面の少なくとも一部を覆うとともに、電気的絶縁性を有する遮熱層と、を備え、
前記遮熱層は、金属水酸化物を含み、前記外装部材の外側に配されて、外気に露出する、電解コンデンサ。
前記遮熱層は、前記金属水酸化物から形成される多孔質粒子を含む、請求項１に記載の電解コンデンサ。
前記金属水酸化物は、水酸化マグネシウムおよび水酸化アルミニウムの少なくとも一方である、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
前記遮熱層の厚みは、１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。
前記コンデンサ素子は、固体電解質を備え、
前記固体電解質は、導電性高分子を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の電解コンデンサ。