JPH01232711A - 固体電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

固体電解コンデンサの製造方法

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JPH01232711A
JPH01232711A JP1010966A JP1096689A JPH01232711A JP H01232711 A JPH01232711 A JP H01232711A JP 1010966 A JP1010966 A JP 1010966A JP 1096689 A JP1096689 A JP 1096689A JP H01232711 A JPH01232711 A JP H01232711A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、弁作用金属からなる焼結された陽極体と、こ
の陽極体に施された誘電体として作用する酸化被膜と、
硝酸マンガン含有溶液又は融液に繰り返し浸漬し引続き
熱分解により分解することによって製造される二酸化マ
ンガンからなる半導体電解質層と、この二酸化マンガン
層上に施された黒鉛層と、その上に施された軟ろう付け
可能の層とを有する固体電解コンデンサを製造する方法
に関する。
〔従来の技術〕
例えばタンタル又はニオブのような適当な弁作用金属か
らなる焼結体は、陽極酸化処理によりその内面及び外面
を誘電体として作用する酸化被膜で被覆されている。焼
結体内及び焼結体上の二酸化マンガン層は対向電極とし
て働き、その上の黒鉛層及び軟ろう付け可能の層(例え
ば銀導電塗料からなる)はコンデンサの陰極引出し部に
接続される。陽極引出し部としては、焼結体内に一緒に
焼結された弁作用金属からなる導線が利用されている。
タンタル−固体電解コンデンサは静電容量、残留電流、
損失因子及び皮相インピーダンスが温度によって僅かに
影響されるにすぎないことの他に耐用年数が長いことに
よって優れている。この場合量も安全な構造は、コンデ
ンサが金属ケース内に軟ろう及び遮断ガラス仮により湿
気から完全に保護されている、密閉された気密な構造で
ある。
プラスチックケースによる実施態様の場合ケースの熱膨
張に関して一層高い機械的な負荷以外に湿気に対する絶
対的な保護は得られない、プラスチック被覆は根本的に
水蒸気を浸出し、その結果場合によっては有害なイオン
が浸出する水によって活性化するおそれがある。
従ってプラスチックで被覆されたコンデンサはその内部
構造により湿気の影響に対して一層抵抗性を有するよう
に構成する必要がある。この場合確実性に関する尺度と
しては厳しい気象条件下での耐久試験におけるコンデン
サの残留電流を参考にすることができる。すなわち例え
ば20μF/20Vコンデンサの場合、耐久試験(85
°C2相対湿度95%、バイアス抵抗なしの定格電圧運
転による)後の残留電流は30IIAを越すことはない
(室温での残留電流測定)。
この場合五酸化タンタル層の僅かな反応性が直列等価抵
抗の少ない高導電性電解質の使用を可能とすることは有
利である。しかしタンタル−固体電解コンデンサの場合
、陰掻被膜は、黒鉛及び導電塗料との直接接触から誘電
体を保護するために、二酸化マンガンからなる十分な厚
さの層を有する必要がある。それというのも黒鉛又は導
電塗料は周知の通り直接五酸化タンタル層上に数%の化
成電圧で短絡するからである。
従って二酸化マンガン層を製造するには公知方法で成形
された焼結体を硝酸マンガンに浸漬し、これにより誘電
表面を硝酸マンガンで濡らす、更に硝酸マンガンの熱的
分解(熱分解)を200〜350°Cの温度で行うが、
そのVAMno、が焼結体の内部及び表面に発生ずる。
この熱分解を乾燥空気中でか又は水蒸気を含む空気中で
繰り返しく8〜15回)行うことにより多層MnO,層
が生じ、これは良好な導電性黒鉛層とそれに続く軟ろう
付け可能の層とを十分に隔離する。
従来製造されているこれらの二酸化マンガン層は標準的
な要求には十分答えるものである。例えばこの種のコン
デンサは高めた温度及び定格電圧を越える使用電圧(1
25°C,tJH;105°C1UH・1.35 )下
における耐久試験で(但し大気中の湿気なしで)良好な
結果を示す(こうして処理したコンデンサの約1%だけ
が残留電流〉30μAを有していた)。
しかし高い大気中の湿度での耐久試験では(85℃及び
相対湿度95%で1ooo時間、Ui+)、この種のコ
ンデンサは安全性が減少した(コンデンサの約10%が
残留電流>30 I/Aを有し、その大部分は短絡して
いた)。
乾燥した空気中での耐久試験の場合極く稀に発生する故
障は、潜在する製品欠陥又は材料不純物に起因する典型
的な初期故障であるが、高い大気中湿気での耐久試験で
は、その故障はコンデンサの構造に起因する欠陥に基づ
く、湿気内での滞留vIluIが長引くに伴い、故障の
回数は屡許容範囲を越えて上昇する。
比較可能の帯電及び定格電圧を有するが、金属ケースに
気密に内蔵されている、比較の対象として製造されたコ
ンデンサの場合、耐久試験中湿気による影響は全く認め
られない。
非晶質の五酸化タンタル層の遮断機能の故障原因は、そ
れ自体にあるか又は不完全な二酸化マンガン層にある。
酸化被膜中の不純物量が多い場合、遮断機能は妨害され
、局部的に高い残留電流により結晶状態が形成され、こ
れは、残留電流が誘電体の全厚にわたって広がると即座
に短絡を生ずる。
酸化被膜中に結晶状の島が存在する場合、これは故障危
険性のある範囲ではあるが、場合によっては二酸化マン
ガンを導電性の不良な酸化段階に部分的に変えることに
よって(MnOz→M n zch、ζ(MnOz )
〜1−101−1O0h、ζ(Mn。
Os )〜10’   10’ Ohm−c+m)、筋
められた抵抗を介して保護することができる。
酸化被膜の妨げとなる不純物によるこれらの故障メカニ
ズムは勿論、湿気中での故障に際しての単独の原因とし
ては問題にならない、それというのも五酸化タンタル層
を再検査した場合、これがその構成及び構造に関して整
然としていることを示すからである。酸化被膜の不純物
又は欠陥のある構造による残留電流の増加は認められな
い。
従って故障原因は、プラスチックケースの不十分な耐湿
性により誘電体の逆方向電流挙動に不利な影響を八ぼす
可能性のある二酸化マンガン層に求めることができる。
これらの影響は、二酸化マンガン層の細孔を通って入り
込みまた誘電体の前方の数箇所で陰捲箔の抵抗を下げる
黒鉛及び導電塗料粒子であり得る。
ケースを通って拡散する水蒸気は、粘着性の劣る黒鉛及
び銀粒子を簡単に拡散(より大きな体積成分の流動運動
による物質搬送)させ、従って誘電体の前方で小さすぎ
るバイアス抵抗により短絡を生ずるおそれがある。軟ろ
う付け可能の層として使用されるgM−jJllを塗料
の場合、銀粒子は一定の温度負荷容量を有するを機の結
合剤中に混入される。僅かな加熱ですでに導電塗料の熱
による破壊が始まり、従って銀粒子が機械的に遊離する
。更に浸入した水は誘電体と二酸化マンガン層とをより
良好に接続させる。すなわち二酸化マンガンにより場合
によっては誘電体の接続されていない欠陥箇所が付加的
に接続される。従って通常は妨げとならない五酸化クン
タル層の局部的な欠陥箇所が少なすぎるバイアス抵抗の
1箇所と重なると、電位欠損箇所を生じる0局部的に高
められた残留電流は加熱により電界の存在下に電界結晶
を生じ、従って短絡をもたらす。
二酸化マンガン層中の黒鉛、銀粒子及び水によって不純
化された領域(これは誘電体に密着している)はMn0
zからMn、03への遷移による回復メカニズムの作用
を不活性化する可能性があり、その結果Mnz Oxの
高い比抵抗は失われる。
従って先に記載した諸理由から、十分な厚さを有する、
平滑で細孔の少ない二酸化マンガン層を製造することが
必要である。
熱分解による熱負荷の結果誘電体層が損傷する可能性が
あることは公知であることから、1fffi度の硝酸マ
ンガン溶液に浸漬することにより二酸化マンガン層を製
造し得ることが予測できる。この場合規定の層厚を得る
ためには浸漬及び熱分解工程を少なくすることが必要で
あるが、その場合には十分に滑らかで細孔の少ない二酸
化マンガン層は得られない、それというのも特に予備乾
燥することなしに熱分解した場合、より深い内部から硝
気が漏出することにより外側の二酸化マンガン層中に大
きな細孔が生じるからである。極度に稀釈された溶液の
場合細孔が生じる危険性は減少するが、冒頭に記載した
通り、十分に厚い二酸化マンガン層を製造するには約8
〜15回の個々の浸漬及び熱分解工程が必要であり、こ
れにより良好な導電性の黒鉛層及び次の軟ろう付け可能
の層を酸化被膜から十分に間隔を置くことが保証される
200〜350 ℃で乾燥空気中において熱分解した場
合には数回の熱分解処理後にすでに0.1 tm又はそ
れ以上の厚い二酸化マンガン層が得られるか、これらは
極めて多孔性で目が粗くまた気孔率が大きすぎることか
ら誘電体に対する黒鉛層の間隔を十分に保つことができ
ない、これに対して200〜250℃の温度で水蒸気を
含む空気中において分解させた場合には、−層滑らかで
細孔が少な(また−層厚い二酸化マンガン層が生ずるが
、この場合十分な層厚を得るには浸漬及び引続いての熱
分解工程を多数回実施することが必要である。
乾燥した空気中でと水蒸気を含む空気中とで交互に分解
処理することによって、8〜15回繰り返した後に、コ
ンデンサの使用可能な電力を生じる二酸化マンガン層が
得られる。しかしこの場合にも誘電体を損なう可能性の
ある熱分解工程を多数口実hsする必要がある。
(発明が解決しようとする課題〕 従って本発明は、僅かな熱分解処理回数で十分な厚さの
また細孔の少ない二酸化マンガン層を焼結体上に製造す
ることのできる方法を提供することを課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
この課題は先に記載した形式の方法で本発明により、先
ず焼結体内部の細孔を公知方法で硝酸マンガン含有溶液
の熱分解によりほぼ二酸化マンガンで満たし、次にこの
焼結体を硝酸マンガンの水分の少ない融液と二酸化マン
ガン粉末とからなる混合物中に1回又は数回浸漬し、各
浸漬処理後に炉中で熱分解を実施して、まず焼結体を乾
燥雰囲気中で数秒以内に約100°Cに加熱し、引続き
細かい水滴をこの加熱された焼結体の表面に施し、熱分
解を?jiL過性霧状水蒸気中で完了させることによっ
て解決される。
一定の使用分野にとっては焼結体を硝酸マンガンの水分
の少ない融液と二酸化マンガン粉末とからなる混合物に
浸漬する前に、二酸化マンガン添加物を含まない水分の
少ない硝酸マンガン融液に1回又は数回浸漬し、各浸漬
後に混合物に浸漬した後と同様の熱分解を施すことが有
利である。
目的に応じて霧状水蒸気を炉内に配設された冷却バッフ
ルに、小水滴の噴射による焼結体の洗出が阻止されるよ
うに導く。
特に有利なのは、焼結体を予め乾燥することなく炉中に
入れることである。
焼結体内部の細孔を場合によっては数回の浸7a及び熱
分解工程で充填した後、水分の少ない硝酸マンガン融液
から二酸化マンガン層を製造する前に中間成形を行うこ
ともできる。
細孔を充填するために使用される硝酸マンガン溶液は約
1.1〜1.4g/c!の密度を有するのが有利であり
、また水分の少ない硝酸マンガン融液、例えば四水化物
の融液(Mn(Not)!X4H!(’))は約1.8
〜2.0 g /cm3の密度を有する。
二酸化マンガン粒子の添加量はを利には40〜60重量
%であり、この場合使用した二酸化マンガン粒子の粒径
は≦180μ鴫である。
一実施態様では硝酸マンガン溶液及び/又は融液の少な
くとも一方に二酸化珪素を、有利には0゜5〜lO重景
%加えるが、これは有利には酸水素加水分解により5i
C1<から製造され、例えば7〜40nmの粒径合有す
る。
(実施例〕 次に本発明の利点を以下の実施例に基づき詳述する。
成形したタンタル焼結体を密度約1.3 g / cj
の硝酸マンガン水溶液中に浸漬し、引続き水蒸気を含む
雰囲気中で200〜350°Cで熱分解させる。
この熱分解を1〜3回行うことにより焼結体の細孔は二
酸化マンガンでほぼ完全に充填される。
焼結体の細孔の大きさに応じて硝酸マンガン溶液にチキ
ソトロープ粘稠剤として、酸水素加水分解により大きな
活性表面を有する無品質二酸化珪素を添加することがを
利である。この種の二酸化珪素は市販されており、例え
ば「アエロジル」 (^erosil)の商品名で入手
することができる。
添加量としては粒径7〜40nmの二酸化珪素0.5〜
lO重量%が適当である。
熱分解に続き、焼結体を陽極二次成形処理して、熱の作
用により生じた酸化被膜の損傷箇所を取り除く。
焼結体の細孔を上記のようにしてほぼ充填した後、焼結
体を例えば1.8 g /cfilの密度を有するMn
 (NO3) !  ・4H!0の水分の少ない硝酸マ
ンガン融液中に浸漬し、熱分解により別の二酸化マンガ
ン層を製造する。
硝酸マンガン融液にMnO□粉末(βMnOよ)40〜
60重量%及び場合によっては、更に上記した特性を有
する無品質の二酸化珪素0.5〜lO重量%を混入する
こともできる。
MnO,粉末は次の粒径を有することが好ましい: 〈180μ鴎               99.9
%75〜180μ醜             5.0
%45〜75μm              10.
0%く45μ−85,0% 優れた混合物はMn(NOs)t  ・481060重
量%及びSin、粉末が0.5重量%混入されているM
nO240重量%からなる。蒸留水を添加することによ
って混合物の密度を例えば2.0g/cm3に調整する
ことができる。
この混合物中に浸漬した焼結体を引続き予備乾燥するこ
となく熱分解炉内に入れる。その際まず焼結体を熱い乾
燥炉空気中で数秒以内に約100゛Cに加熱するが、こ
の時間は焼結体の大きさに左右される。この場合重要な
ことは焼結体を上記の温度に加熱することである。
引続き純粋な水滴を湿った焼結体の表面に吹き付ける。
この場合重要なことは、圧縮空気によって加速された水
滴の一部が焼結体に当った後初めて蒸発し、生じる硝気
と共に炉室から吸い取られることである。熱分解の終了
時に焼結体は温度200〜350 ℃の流過する霧状水
蒸気中に置かれ炉内には冷却バッフルを介して、水滴の
噴射による焼結体の洗出を阻止する適当な空気を導くこ
とが有利である。
浸漬した焼結体をまず乾燥した空気のみを含む炉内に急
速に導入することによって、硝酸マンガンを乾燥空気中
で分解させる。その際水分の少ない混合物によって混合
物の内部から水はほとんど漏出せず、乾燥空気中での分
解に際してと同様のM n Otが部分的に生じる。
しかし分解の初期に生じるMnO,はなお硝酸マンガン
と混在しており、これは熱分解が更に進行した時点で初
めて水又は水蒸気で分解される。
次いで分解開始後初めて外部から導入された水によって
平滑で細孔の少ないMnO□層が生じる。
硝酸マンガンと二酸化マンガン粉末とからなる前記混合
物は浸漬に際して一層厚く塗付されるだけでなく、焼結
体を湿す硝酸マンガンの厚さに対して僅少量のガスを漏
出することによってより緊密なMnO,層をもたらす。
添加したM n Oを粉末の粒子はガスを放出せず、熱
分解に際して生じるMnO,によって包含される。
従ってこの混合物の1回の熱分解で、従来の熱分解では
8〜10回の分解後に初めて得られるような厚さのMn
oz層が得られる。より大きなMnO3粒子成分は、焼
結体上におけるMnO,層の十分な機械的安定性をもた
らす。
チキソトロープ粘稠剤として二酸化珪素を添加すること
によって、焼結体は1〜3回の浸漬処理で十分な厚さの
MnO,層(100〜250IIm+)が得られるよう
に確実に濡らされる。
この場合添加された二酸化珪素はチキソトロープ処理に
よる焼結体の浸漬を容易にするばかりでなく、その活性
表面に基づきイオン性不純物を著しく吸着させる。この
吸着はプラスチックケースに内蔵されるコンデンサにと
っては有利である。
すなわちこのケースは浸入する湿気に対して完全には保
護されない。浸入した湿気によって可動化されたイオン
性不純物は二酸化珪素によって吸収され、誘電体中の欠
陥箇所を介して生じる漏れ電流にはほとんど接しない。
第1図には85℃及び相対湿度95%で1000時間貯
蔵した定格データ20μF/20 Vのコンデンサでの
耐久実験結果を示す。第1図では残留電流■8がコンデ
ンサの数との関係で%で示されている0曲線1は、本発
明による方法で製造した陰極箔を有するコンデンサに関
し、曲線2は従来の陰極箔を有するコンデンサに関する
この図面から本発明により製造されたコンデンサは欠陥
を示さないが、従来のコンデンサは約15%損傷したこ
とが読み取れる。
超低速での比較実験を各コンデンサで実施する他の可能
性はいわゆる蒸気圧試験である。この場合各コンデンサ
を約110℃の温度で約2バールの圧力で貯蔵する。
第2図には、各コンデンサを上記の条件で水蒸気中にお
いて無負荷の状態下に40時間貯蔵した蒸気圧貯蔵の結
果が示されている。
この図面の場合にも残留電流■1の分布がコンデンサの
数との関連において%で示されている。
曲線3は本発明による方法で製造されたコンデンサに対
するものであり、曲線4は従来のコンデンサに関するも
のである。
この苛酷な条件下においても本発明により製造されたコ
ンデンサは極く僅かな欠陥を示すにすぎない(く10%
)が、従来のコンデンサではその約半分が故障した。
第1図及び第2図に基づくコンデンサの残留電流は、室
温及び定格電圧U、で求められた。
〔発明の効果〕
先に記載した実施例から、本発明により製造された二酸
化マンガン層は従来の方法で製造された層よりも滑らか
でかつ細孔が少ないことを読み取ることができる。陰極
箔中のこの減少した多孔率によって水の浸入による導電
性粒子の移動は困難となり、その際付加的に大きな活性
表面を有する二酸化珪素の吸着工程が拡散作用を減少さ
せる。
従って本発明による方法で製造されたコンデンサは特に
プラスチックケースに組み込むのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の方法で製造されたコンデンサと本発明に
より製造したコンデンサの電圧下における耐久試験後に
おける残留電流分布曲線図、第2図は従来の方法で製造
されたコンデンサと本発明により製造したコンデンサの
、水中で無負荷状態で貯蔵した後の残留電流分布曲線図
である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1) 弁作用金属からなる焼結された陽極体と、この陽
    極体に施された誘電体として作用する酸化被膜と、硝酸
    マンガン含有溶液又は融液に繰り返し浸漬し引続き熱分
    解により分解することによって製造される二酸化マンガ
    ンからなる半導体電解質層と、この二酸化マンガン層上
    に施された黒鉛層と、その上に施された軟ろう付け可能
    の層とを有する固体電解コンデンサを製造する方法にお
    いて、まず焼結体内部の細孔を公知方法で硝酸マンガン
    含有溶液の熱分解によりほぼ二酸化マンガンで満たし、
    次にこの焼結体を硝酸マンガンの水分の少ない融液と二
    酸化マンガン粉末とからなる混合物中に1回又は数回浸
    漬し、各浸漬処理後に炉中で熱分解を実施して、まず焼
    結体を乾燥雰囲気中で数秒間以内に約100℃に加熱し
    、引続き細かい水滴をこの加熱された焼結体の表面に施
    し、熱分解を流過性霧状水蒸気中で完了させることを特
    徴とする固体電解コンデンサの製法。 2) 焼結体を硝酸マンガンの水分の少ない融液と二酸
    化マンガン粉末とからなる混合物に浸漬する前に、二酸
    化マンガン添加物を含まない水分の少ない硝酸マンガン
    融液に1回又は数回浸漬し、各浸漬後に混合物に浸漬し
    た後と同様の熱分解を施すことを特徴とする請求項1記
    載の方法。 3) 霧状水蒸気を炉内に配設された冷却バッフルに、
    小水滴の噴射による焼結体の洗出が阻止されるように導
    くことを特徴とする請求項1又は2記載の方法。 4) 焼結体を予め乾燥することなく炉中に入れること
    を特徴とする請求項1ないし3の1つに記載の方法。 5) 焼結体内部の細孔を場合によっては数回の浸漬及
    び熱分解工程で充填した後、水分の少ない硝酸マンガン
    融液から二酸化マンガン層を製造する前に中間成形を行
    うことを特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の方
    法。 6) 硝酸マンガン融液に40〜60重量%の二酸化マ
    ンガン粒子を混入することを特徴とする請求項1ないし
    5の1つに記載の方法。 7) 粒径≦180μmの二酸化マンガン粒子を使用す
    ることを特徴とする請求項6記載の方法。 8) 細孔を充填するために密度約1.1〜1.4g/
    cm^3の硝酸マンガン溶液を使用することを特徴とす
    る請求項1ないし7の1つに記載の方法。 9) 密度約1.8〜2.0g/cm^3の水分の少な
    い硝酸マンガン融液を使用することを特徴とする請求項
    1ないし8の1つに記載の方法。 10) 硝酸マンガン溶液及び/又は融液の少なくとも
    一方に二酸化珪素を混入することを特徴とする請求項1
    ないし9の1つに記載の方法。 11) 0.5〜10重量%の二酸化珪素を混入するこ
    とを特徴とする請求項10記載の方法。 12) 二酸化マンガン及び二酸化珪素添加物を有する
    水分の少ない硝酸マンガン融液の密度を、蒸留水の付加
    により約2.0−2.6g/cm^3に調整することを
    特徴とする請求項10又は11記載の方法。 13) 酸水素加水分解によりSiCl_4から製造さ
    れかつ粒径が7〜40nmである二酸化珪素を使用する
    ことを特徴とする請求項10ないし12の1つに記載の
    方法。
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