JP7340817B2 - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
気相成長法では、被覆層を形成するための前駆体材料は、多孔体部分の細孔を通って、多孔体部分の外表面からある程度内部の領域にまで到達し得る。しかしながら、多孔体部分の外表面から離れるほど、前駆体材料が到達し難くなる。このため、多孔体部分において、被覆層の膜厚は、電極箔(多孔体部分)の外表面側で厚く、外表面から離れるほど薄くなる分布を有する。多孔体部分の任意の位置における被覆層の膜厚は、多孔体部分の細孔を介して外表面へ至る最短経路の長さに依存し、外表面までの最短距離に必ずしも依存するわけではないが、概ね、多孔体部分の外表面からの距離に依る。
さらに、電解コンデンサの組立後に、芯材部分および多孔体部分の金属が露出する端面に酸化膜を成長させる端面化成工程が行われる場合がある。端面化成工程が行われた場合、端面側において、基材部と被覆層との間に端面化成層(後述の第3誘電体層に相当)が介在できる。
一方で、端面側の芯材部分における誘電体層の膜厚TBは、被覆層の膜厚と、自然酸化膜および端面化成により形成される端面化成層(第3誘電体層)の膜厚との和となる。端面化成後に被覆層を形成する場合、端面側の芯材部分における誘電体層の膜厚TBを、膜厚T0よりも厚くすることが可能である。
図1および図2に、本発明の第1実施形態に係る電解コンデンサ用電極箔の一例の断面模式図を示す。図1は、後述する図9における陽極体21の厚さ方向の断面図に相当する。図2は、図1の端面近傍の領域Aの一部を拡大したものである。なお、図2および後述の図3~図5においては、多孔体部分102Aの細孔103と誘電体層104(104A~104D)とが強調して描かれており、図中における各構成要素の縮尺(特に、誘電体層の膜厚)は、実際の縮尺と一致しない。
ALD法)が適している。
したがって、端面近傍領域Aにおける誘電体層104の総膜厚TA=T1+T2Aは、領域Cの厚さ方向の深部における誘電体層104の総厚T0よりも、第2誘電体層の膜厚T2Aの分だけ厚くなり、端面108から遠ざかるに従って薄くなる。
したがって、端面近傍領域Aにおける誘電体層104の総膜厚TA=T1+T2Aは、領域Cの厚さ方向の深部における誘電体層104の総厚T0よりも、第2誘電体層の膜厚T2Aの分だけ厚くなり、第1の主面105から遠ざかるに従って、且つ、端面108から遠ざかるに従って薄くなる。
したがって、端面近傍領域Aにおける第2誘電体層104Bの膜厚T2Aは、領域Cの厚さ方向の深部における第2誘電体層104Bの膜厚T20より厚い(T2A>T20)。一方、第1の主面側に形成された第1誘電体層104Aの膜厚T1は、領域Cの厚さ方向の深部における第1誘電体層104Aの膜厚T10より薄い(T1<T10)。同様に、第3誘電体層104Cの膜厚T3も、膜厚T10よりも薄くなる(T3<T10)。
また、端面108側において、第2誘電体層104Bと芯材部分102Bとの間にも、第3誘電体層104C(化成層)が、第1誘電体層と一体に形成され得る。
図6は、本発明の第3実施形態に係る電解コンデンサの一例の断面模式図であり、図70は、同電解コンデンサに含まれる陽極体を製造するための陽極箔の構造を示す概略図である。
打抜き加工の後に、陰極形成部43bに第2誘電体層を形成し、第2誘電体層の形成後に化成を行うことにより、第1誘電体層及び第3誘電体層を形成してもよい。この場合、3つの端面近傍における誘電体層の断面構造は、図5に示す構造となる。
本実施形態において、第2誘電体層は、第1誘電体層より誘電率が高いことが好ましく、これにより電解コンデンサの静電容量を大きくできる。例えば、第1誘電体層が酸化アルミニウムの場合、第2誘電体層は酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタルなどが好ましく、中でも酸化タンタルが端面周辺においてリーク電流を低減でき、より好ましい。
電解コンデンサは、陽極体と、セパレータと、陰極体とをこの順で積層した積層体(図9の捲回体に相当)を備える。
図10の例では、セパレータの端面109が陽極体の端面に対して突出している。このため、セパレータの端部において、第3の主面107は、大部分は陽極体21の第1の主面105と対向するが、端面109側の一部に陽極体の第1の主面105と対向しない領域(非対向領域)を有している。第4誘電体層104Dは、非対向領域を被覆している。
端部領域E、および/または端部対向領域に対向する第1の主面105上において、第4誘電体層104Dの膜厚は端面109から遠ざかるほど薄くなる。
なお、セパレータは多孔質体であるが、図10において多孔質体の形状は不図示である。第4誘電体層104Dは、端部領域Eにおいて、セパレータの基材(例えば、繊維)に沿って形成されている。
次に、本実施形態に係る工程(a-i)~(a-iv)を具備する電解コンデンサ用電極箔の製造
方法について説明する。ただし、製造方法は、以下に限定されるものではない。
極基材を得る工程(粗面化箔切断工程)である。
(a-i)粗面化箔を準備する工程
例えば、第1金属により形成された金属素材を準備する。金属素材の形態は、特に限定されないが、金属箔が好ましく用いられる。以下、金属箔を用いる場合を想定して引き続き説明する。
多孔体部分102Aの形成は、金属箔をエッチング処理することにより行うことが好ましい。エッチング処理は、例えば、直流電流による直流エッチングまたは交流電流による交流エッチングにより行われる。
続いて、基材部102の少なくとも多孔体部分102Aを化成して、多孔体部分102Aに第1誘電体層104Aを形成する。第1誘電体層は、好ましくは、第1金属の酸化物である。
もよく、後で行ってもよい。粗面化箔切断工程(工程(a-iii))後に第1誘電体層10
4Aを形成する場合、多孔体部分102Aに第1誘電体層104Aを形成すると同時に、多孔体部分102Aおよび芯材部分102Bの切断面に第3誘電体層104Cを形成できる。
続いて、粗面化箔を所定の位置で切断し、基材部が露出した陽極基材を得る。この工程は、粗面化箔を準備する工程(工程(a-i))の後であれば、第1誘電体層を形成する工程
(工程(a-ii))の前に行ってもよいし、第1誘電体層を形成する工程(工程(a-ii))の後で行ってもよい。例えば、広幅のフープ状(捲回体)に巻き取られた粗面化箔を用いる場合は、電解コンデンサの特性に合わせた所定の位置で粗面化箔からフープ状の陽極基材を切断し、フープ状の陽極基材を形成してもよい。
次に、粗面化箔切断工程の後、陽極体の少なくとも切断面を第2誘電体層104Bで被覆する。例えば、陽極基材がフープ状(捲回体)に巻き取られている場合は、フープ状に巻き取られた状態で粗面化箔切断工程により形成された切断面を第2誘電体層で被覆すればよい。
第2誘電体層104Bは、切断面(端面108A、108B)を被覆するほか、多孔体部分102Aの細孔103表面に沿って形成され、多孔体部分102Aを被覆する。第2誘電体層の厚みは特に限定されないが、例えば、0.5nm以上、200nm以下である。第2誘電体層の厚みと第1誘電体層の厚みとの比は、特に限定されず、用途および所望の効果等に応じて適宜設定すればよい。第2誘電体層の厚みは、第1誘電体層の厚みT0に対して、1倍以上3倍以下が好ましく、1.1倍以上2倍以下が好ましい。また、第2誘電体層は、好ましくは、第2金属の酸化物である。
子層単位で対象物の表面に堆積する。そのため、(1)原料ガスの供給と、(2)原料ガスの排気(パージ)と、(3)酸化剤の供給と、(4)酸化剤の排気(パージ)と、を1サイクルとしたサイクル数により、第2誘電体層の厚みは制御される。つまり、ALD法は、形成される層の厚みを制御しやすい点で好ましい方法である。さらに、400~900℃の温度条件で行われる化学気相成長法(CVD)に対して、ALD法は室温(25℃)~400℃の温度条件で行うことができる。つまり、ALD法は、陽極基材および第1誘電体層への熱的ダメージを抑制することができる点でも好ましい。
いてもよい。中でも、電解コンデンサの容量を増加させやすい点で、第2金属の酸化物は、Ta2O5、ZrO2、Nb2O5、TiO2、HfO2などが好ましい。電解コンデンサ
の耐電圧を向上させる点では、Ta2O5、ZrO2、WO3、SiO2が好ましい。
(IV)([(C2H5)2N]4Ti)、テトラキス(エチルメチルアミノ)チタン(IV)(Ti[N(C2H5)(CH3)]4)、チタン(IV)(ジイソプロポキサイドービス(2,2,6,6-テトラメチル-3,5-ヘプタンジオネート(Ti[OCC(CH3)3
CHCOC(CH3)3]2(OC3H7)2)、四塩化チタン(TiCl4)、チタン(IV)イソプロポキシド(Ti[OCH(CH3)2]4)、チタン(IV)エトキシド(Ti[
O(C2H5)]4)等が挙げられる。
メトキシメチルジルコニウム(Zr(CH3C5H4)2CH3OCH3)、テトラキス(ジメ
チルアミド)ジルコニウム(IV)([(CH3)2N]4Zr)、テトラキス(エチルメチルアミド)ジルコニウム(IV)(Zr(NCH3C2H5)4)、ジルコニウム(IV)t-ブトキシド(Zr[OC(CH3)3]4)等が挙げられる。
H3)5、トリス(ジエチルアミド)(t-ブチルイミド)ニオブ(V)(C16H39N4N
b)等が挙げられる。
(C8H23NSi2)、2,4,6,8,10-ペンタメチルシクロペンタシロキサン((CH3SiHO)5)、ペンタメチルジシラン((CH3)3SiSi(CH3)2H)、トリス(イソプロポキシ)シラノール([(H3C)2CHO]3SiOH)、クロロペンタン
メチルジシラン((CH3)3SiSi(CH3)2Cl)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリジメチルアミノシラン(Si[N(CH3)2]4)、テトラエチルシラン(Si
(C2H5)4)、テトラメチルシラン(Si(CH3)4)、テトラエトキシシラン(Si
(OC2H5)4)、ドデカメチルシクロヘキサシラン((Si(CH3)2)6)、四塩化ケイ素(SiCl4)四臭化ケイ素(SiBr4)等が挙げられる。
ド(Ta(OC2H5)5)、(t-ブチルイミド)トリス(ジエチルアミノ)タンタル(
V)((CH3)3CNTa(N(C2H5)2)3)、ペンタキス(ジメチルアミノ)タンタル(V)(Ta(N(CH3)2)5)等が挙げられる。
、テトラキスジメチルアミノハフニウム(Hf[N(CH3)2]4)、テトラキスエチル
メチルアミノハフニウム(Hf[N(C2H5)(CH3)]4)、テトラキスジエチルアミノハフニウム(Hf[N(C2H5)2]4)、ハフニウム-t-ブトキシド(Hf[OC(CH3)3]4)等が挙げられる。
次に、本実施形態に係る工程(b-i)~(b-v)を具備する電解コンデンサの製造方法について説明する。ただし、製造方法は、以下に限定されるものではない。
極基材を得る工程(粗面化箔切断工程)である。
2誘電体層で被覆する工程である。
の製造方法の工程(a-i)~工程(a-iv)に対応するため、詳細な説明を割愛する。
以下、工程(b-iv)について詳細に説明する。
工程(b-iii)の後、陽極基材から陽極体を分離し、コンデンサ素子を形成する。例えば
、陽極体、セパレータ、陰極体がこの順で積層された積層体を形成することによって、コンデンサ素子が形成される。その後、積層体をケースに収容し、陽極体の多孔体部分102Aに電解液および固体電解質の少なくとも一方を含浸することにより、例えば図8に示す電解コンデンサを製造することができる。固体電解質を多孔体部分102Aに含浸させて固体電解質層を形成した後、更に電解液を含浸させてもよい。
あるいは、陽極体、固体電解質層、陰極体をこの順で積層することによって、コンデンサ素子を形成してもよい。
なお、陽極基材とは、例えば、図7の帯状部を有する陽極箔200や、フープ状の陽極箔を指し、コンデンサに搭載できる形状となったものを陽極体と呼ぶ。
体を形成する前に行ってもよいし、積層体を形成した後で行ってもよい。積層体の形成後に第2誘電体層104Bで被覆する場合には、切断面に加えてセパレータの露出する端部を第4誘電体層104Dで同時に被覆することができ、セパレータと陽極体との隙間を第4誘電体層で被覆することができる。これにより、図10に示す積層体の断面構造を有する電解コンデンサが得られる。
第1誘電体層104Aの形成後、基材部102に対して再度の陽極酸化処理を行ってもよい。これにより、切断面に第3誘電体層104Cを成長させ、電解コンデンサの耐圧を一層高めることができる。
このため、陽極基材の主面(第1の主面105)上に形成されている第1誘電体層104Aが更に成長し、厚膜化することはなく、切断面上において第3誘電体層104Cが成長する。第3誘電体層104Cの膜厚は、第1誘電体層104Aよりも薄い。
断面に形成される誘電体層の膜厚は、第3誘電体層104Cの膜厚と、第2誘電体層104Bの膜厚の和となる。このため、切断面に形成される誘電体層の膜厚の合計を、第1誘電体層104Aの膜厚よりも厚く形成することも可能である。これにより、図4に示す電極箔の断面構造を有する電解コンデンサを製造できる。また、第2誘電体層104Bの膜厚を、第1誘電体層104Aの膜厚よりも厚く形成することも可能である。
2誘電体層の膜厚が切断面の化成電圧に対して十分厚ければ、第3誘電体層104Cは略形成されない。つまり、切断面の化成電圧に対して第2誘電体層の膜厚を十分厚くすることで、切断面に形成される誘電体層の膜厚を第1誘電体層104Aの膜厚よりも厚く形成することも可能である。この場合においても、第1誘電体層104Aおよび第2誘電体層104B内の欠陥が化成工程において修復され、より緻密な誘電体層が得られる。特に、コンデンサ素子の形成工程では、誘電体層の表面にクラックなどの欠陥が生じ易いが、コンデンサ素子の形成(工程(b-iv))および第2誘電体層の被覆(工程(b-v))の後に工程(b-vi)を行うことによって、コンデンサ素子の形成で生じた誘電体層の欠陥を修復できる
。
Claims (8)
- 電極箔を用いた陽極体と、セパレータと、陰極体とをこの順で積層した積層体を備え、
前記電極箔は、
多孔体部分を有する基材部を備える陽極用電極体と、
前記多孔体部分の表面に配置される誘電体層と、を備え、
前記陽極用電極体は、前記多孔体部分の細孔が開口する第1の主面、前記第1の主面の裏面である第2の主面、および、前記第1の主面と前記第2の主面とを連結する端面と、を備え、
前記多孔体部分において、前記端面から所定の距離以下の端面近傍領域での前記誘電体層の第1の膜厚が、前記第1の主面に平行な方向での中央部において前記第1の主面から離れた深部での前記誘電体層の第2の膜厚よりも大きく、
前記セパレータの端部が、絶縁層で被覆されている、
電解コンデンサ。 - 前記端面近傍領域は、前記端面から少なくとも1μmまでの領域を含む、
請求項1に記載の電解コンデンサ。 - 前記誘電体層の前記第1の膜厚は、前記端面と前記誘電体層との距離が大きくなるに従って小さくなる、
請求項1または2に記載の電解コンデンサ。 - 前記基材部は、前記多孔体部分と連続する多孔化されていない芯材部分を備え、
前記誘電体層は、前記芯材部分の前記端面にも形成されており、
前記芯材部分の前記端面での前記誘電体層の第3の膜厚が、前記第2の膜厚よりも大きい、
請求項1~3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 前記セパレータは、前記電極箔における前記基材部の前記第1の主面と対向する第3の主面を備え、
前記絶縁層が、前記第1の主面の前記第3の主面と対向する第1領域および前記第3の主面の前記第1の主面と対向する第2領域の少なくとも一方に配置されている、
請求項1~4のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。 - 多孔体部分を有する基材部を備える粗面化箔を準備する工程と、
前記基材部に第1誘電体層を形成する工程と、
前記粗面化箔を準備する工程の後に、前記粗面化箔を所定の位置で切断して、切断面において前記基材部が露出した陽極基材を形成する粗面化箔切断工程と、
前記陽極基材から陽極体を分離し、前記陽極体を含むコンデンサ素子を形成する工程と、
前記コンデンサ素子を形成する工程の後に、原子層堆積法によって、前記切断面に第2誘電体層を形成する工程と、を有し、
前記コンデンサ素子を形成する工程において、前記陽極体、セパレータ、陰極体がこの順で積層された積層体を形成し、
前記第2誘電体層で被覆する工程において、前記切断面に加えて、前記積層体の前記セパレータの端部に絶縁層を形成するとともに、前記セパレータの前記陽極体に対向する第1領域および前記陽極体の前記セパレータに対向する第2領域の少なくとも一方に前記絶縁層を形成する、
電解コンデンサの製造方法。 - 前記第1誘電体層を形成する工程が、前記基材部に所定の第1電圧を印加して陽極酸化処理を行う工程であり、
前記陽極体に前記第1電圧よりも低い第2電圧を印加して陽極酸化処理を行い、前記切断面に第3誘電体層を形成する工程をさらに有する、
請求項6に記載の電解コンデンサの製造方法。 - 前記第3誘電体層を形成する工程が、前記第2誘電体層を形成する工程の後に行われる、
請求項7に記載の電解コンデンサの製造方法。
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