JPH03150828A - 電解コンデンサ用アルミニウム電極の製造方法 - Google Patents

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】

この発明は電解コンデンサに用いられるアルミニウム電
極の製造方法に関し、さらに詳しくは表面に誘電体層が
形成された陰極用電極に用いられる高純度アルミニウム
電極の製造方法に関する。

【従来の技術】

電解コンデンサは、小型、大容量、安価で整流出力の平
滑用などの用途に優れた特性を示し、各種の電気・電子
機器の重要な構成要素の一つである。 電解コンデンサは、一般にアルミニウム等の絶縁性酸化
皮膜が形成され得る、いわゆる弁金属を陽極に用い、前
記絶縁性酸化皮膜を誘電体層として用い、集電用の陰極
電極との間に電解液を介在させてコンデンサ素子が作成
され、この素子を外装容器内に収納し、電極と外部との
電気的接続を得るためのリード線を設けた構造を有する
。 陽極材料は前述したように、アルミニウムをはじめ、タ
ンタル、ニオブ、チタンなどが使用される。また集電の
ための陰極電極材料には、通常陽極材料と同種の金属が
用いられる。 ところが、弁金属は一般に自然酸化による酸化皮膜層が
表面に形成される。この傾向はアルミニウムにおいて特
に顕著である。そしてこの自然酸化皮膜は極めて薄い絶
縁層のため、陰極側にも静電容量が形成され、電解コン
デンサは陽極側の静電容量および、陰極側の静電容量が
直列に接続された合成容量となり、所望の静電容量が得
られなくなる。また所望の静電容量を得ようとすれば、
陽極側の静電容量を必要以上に大きくする必要がある。 この影響を少なくするためには、陽極側の静電容量値に
比べて陰極側の静電容量値を著しく高くすれば、陰極側
の静電容量による影客は殆ど無視できることになるが、
低電圧用の電解コンデンサの陽極側の静電容量は相当に
高く、これをより高くするのは困難で、合成容量による
静電容量値の低下は免れ得ない。 そこで陰極側の電極の静電容量値をより高くするために
、陰極電極表面をエツチング処理して表面積を拡大する
方法がある。しかしこの表面積を拡大する技術は、現在
では高度に洗練されているが、この技術のみによって電
解コンデンサの静電容量を飛躍的に増加させるのは次第
に困難になりつつある。 むしろ陰極との合成容量による静電容量の低下の問題の
解決のためには、陰極の表面部に静電容量値を持つ自然
酸化皮膜が形成されないか、あるいは形成されてもその
自然酸化皮膜が極めて薄く、高容量のまま保持できる形
態をとるのが望ましい。 このために、陰極材料の少なくとの表面に弁金属以外の
金属を用いれば、絶縁性の酸化皮膜が形成されない。 そこでこれを解決する手段として、例えば特開昭６０−
１８２６号公報のように、アルミニウムの表面に各種の
導電性の金属を真空蒸着することが知られている。また
薄膜を形成するためには、前記の真空蒸着によるものの
ほか、イオンブレーティング法、スパンタリング法また
はプラズマＣＶＤ法なのような各種の物理的方法がある
。 しかし、電解コンデンサは内部に電解液が含浸されてお
り、電解液との反応によって腐食等の不具合が発生する
ことから、陰極材料として弁金属以外に問題なく使用で
きるものは、白金、金等の安定性の高い貴金属に限られ
る。しかしこれらの貴金属を集電用の陰極として用いる
ことは、経済的な理由ゆえまず不可能である。 しかも前記した方法では、アルミニウム表面における金
属の蒸着膜の密着性は必ずしも充分でなく、特に被蒸着
物の選択と、蒸着技術を改良してより優れた電解コンデ
ンサ用アルミニウム陰極電極を製造する余地が残されて
いた。 また前記した既存の蒸着技術では、処理時間が長くかか
るため、生産効率の点でも不十分であった。

【発明が解決しようとする課題】

この発明は、上述した欠点を改良したもので、高純度ア
ルミニウムの表面に蒸着により金属の窒化物を付着させ
ることからなる、電解コンデンサ用アルミニウム電極の
製造方法を改良することにより、静電容量を増加させ、
かつ蒸着膜の密着性および緻密性を向上させるとともに
、電極表面を劣化から保護し、併せて処理時間を大幅に
短縮させることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

この発明は、電解コンデンサ用アルミニウム電極を製造
するに際し、高純度アルミニウム表面に、窒素を含んだ
全圧がｌＸｌ０−’〜Ｉ　Ｘ　１０−１〜１×１０−４
Ｔｏｒｒの雰囲気中で、タンタルの窒化物からなる蒸着
層を陰極アーク蒸着法によって形成することを特徴とす
る電解コンデンサ用アルミニウム電極の製造方法である
。 またこの発明では、被処理材である高純度アルミニウム
を２００℃ないし４５０℃に加熱することも特徴として
いる。 陰極アーク蒸着法は、ターゲット側を陰極とした陰極ア
ーク放電現象を利用して、ターゲット材料を局所的に溶
融蒸発させ、被処理材料表面に蒸着を行うもので、陰極
アーク放電の特性として、陰極側（ターゲット）に非常
に小さな陰極輝点を生じ、大きなアーク電流がこの小さ
い点に流れ込むことから、陰極点の近傍は極めて高温に
熱せられて、タンタル等の高融点材料も瞬時に熔融蒸発
させる。 通常の陰極アーク蒸着法によれば、薄着処理を行うチャ
ンバ内は、ヘリウム、アルゴン、ネオン等の不活性ガス
が僅かに存在する雰囲気中でＷ着を行うが、この発明に
おいてはタンタルを窒化させ、窒化物として蒸着膜を形
成する必要があることから、チャンバ内に微量の窒素ガ
スを存在させて、蒸着処理を行うものである。 そして溶融医発したターゲツト材は、同時に金属イオン
となり真空中に放出される。この際蒸着を行うチャンバ
内を窒素ガスを含む所定の圧力の雰囲気にしておくこと
によって、バイアス電圧を被処理材料に印加することに
より、この金属イオンは、加速された反応ガス粒子と共
に被処理材料の表面に窒化物として蒸着され、緻密な薄
膜を生成する。 この発明によれば、被処理材料としては、通常の電解コ
ンデンサの陰極に用いる高純度の箔状あるいは板状のア
ルミニウムを用いることができる。 このアルミニウム表面は、あらかじめ脱脂処理等にをよ
り表面を清浄化しておくことが望ましい。 またアルミニウム表面は、エツチング処理を施しても良
いし、プレーンのままであっても良い。 この発明における、陰極アーク蒸着の好ましい条件とし
ては、チャンバ内の窒素ガスの量は、窒化反応が充分行
われ、しかも遊離した金属イオンが被処理材表面に蒸着
形成されるのを妨げない範囲で選択されるべきで、その
範囲は窒素を含む全圧でｌＸｌ０−’〜Ｉ　Ｘ　１０−
１〜１×１０−４Ｔｏｒｒの範囲である。また上記範囲
において圧力の調整のため窒素以外に不活性ガスとして
アルゴン、ヘリウム、ネオン等のガスを混合できる。 またこの発明では、蒸着されるタンタルが被処理材であ
る高純度アルミニウム表面での窒化反応が円滑に行われ
るために、被処理材を加熱し、蒸着面での酸化反応を促
進させることも好ましいことである。この温度は窒化反
応促進の見地から言えば、比較的高い温度が良いが、被
処理材が高純度のアルミニウムであることから、その範
囲は２０、℃から４５０℃で行うことが好ましい。

【作　　　用】

この発明の陰極アーク蒸着法により、窒化タンタルの蒸
着薄膜が高純度アルミニウムの表面に形成できる。 窒化タンタルは、比抵抗値が１３５μΩ・ｃｎ＋と低い
抵抗値を有する硬質な化合物で、切削工具のチップ表面
の保護や時計用ケースの被覆などの用途が知られている
。 また窒化タンタルは、アルミニウムとの反応性も良好な
ことから、アルミニウム表面に低比抵抗の楊密な薄膜が
形成される。 この結果、アルミニウム電極は表面に形成された高静電
容量の極めて薄い自然酸化皮膜か、あるいは特定の微小
部分については、自然酸化皮膜が殆ど生成されない電導
度の高い金属アルミニウムの表面がそのまま窒化タンタ
ル薄膜によって安定して保護されることになり、電極全
体として高い静電容量が得られるものと思われる。 また窒化タンタルは、電解液との反応が起きにくく、電
解コンデンサの電気的特性を長期にわたって安定して維
持させる。 さらにこの発明の方法によれば、粒子のイオン化率が高
いため、イオンボンバード効果が強いこと、またコーテ
ィング中のバイアス効果も強いことなどの特徴があり、
窒化タンタルがアルミニウムとの反応性が良いことと相
まって被処理材との密着性が極めて高い皮膜となる。 この発明の陰極アーク蒸着法と、従来のイオンブレーテ
ィング法およびスパンタリング法について、−船釣な金
属の被処理材上のイオン化率および粒子エネルギーを比
較したものを、以下の第１表に示す。 （第　１　表） このように、陰極アーク蒸着法によれば、イオン化率が
他の方法に比べて著しく大きく、高イオンエネルギーで
あるため、反応効率が向上し、アルミニウム電極と蒸着
金属の窒化物との密着性ならびに緻密性を顕著に向上さ
せることができる。 また処理時間についても、この発明の陰極アーり蒸着法
によれば長くとも１０分程度で処理が終わるのに対し、
イオンブレーティング法では２０分程度、スパッタリン
グ法によれば５０分程度と、何れもこの発明の方法に比
べ相当の時間を要する。

【実　施　例】

以下実施例に基づいて、この発明を説明する。 図面は、陰極アーク蒸着に使用する装置の概略を説明し
たものである。この発明は図面の装置により、タンタル
からなる金属ターゲット（蒸発源）１０を陰極としてア
ーク放電を起こすと、アークはターゲラ１−１０の表面
にアークスポットを形成し、アークスポットに集中する
アーク電流のエネルギーにより、ターゲツト材１０は瞬
時に溶融蒸発すると同時に金属イオン１２となり、真空
中に放出される。 この際、高純度のアルミニウムからなる被処理材１４に
対しバイアス電圧を印加することにより、この金属イオ
ン１２は、加速された反応ガス粒子１６と共に被処理材
１４の表面に密着し、緻密な膜を生成する。なお、図面
中で、１８および２０はアーク電源、２２はバイアス電
源、２４は回転テーブル、２６はガス入口、２８はガス
出口、３０は真空チャンバである。 そして図面の陰極アーク蒸着装置を用いて、以下の実施
例の電解コンデンサ用電極を作成した。 −実差貝一 交流による電気化学的なエツチング処理が施された高純
度のアルミニウム箔（純度９９．９５％）を５０Ｘ　１
００ｍｍに切断したものを被処理材として使用し、この
表面に窒化タンタルを蒸着した。 実施例では、被処理材のアルミニウムを２００℃に加熱
しておき、窒素ガスを含むチャンバ内の全圧を５　Ｘ　
１０−　”Ｔｏｒｒの範囲に設定し、蒸発距離２００ｍ
ｍ、アーク電源の電流値を１００Ａ、蒸発速度０．０５
μｍ／分とし、４分間陰極アーク蒸着を行い、０．２μ
ｍの膜厚の窒化タンタル蒸着膜を形成した。 −比較１ニー 被処理材の高純度アルミニウムは、実施例と同じものを
使用し、タンタルを蒸発源として、窒素ガスを含む全圧
が２　Ｘｌ０−１〜１×１０−４Ｔｏｒｒの言回気中で
、蒸発距離２００ｍｍ、形成速度０．０１　ｐ　ｍ　７
分で２０分間イオンブレーティング法による窒化タンタ
ル蒸着を行い、０．２μｍの膜厚の窒化タンタル蒸着膜
を形成した。 一比較［１ 被処理材の高純度アルミニウムは、実施例と同一のもの
を用いた。従ってこの処理材では、表面が交流による電
気化学的なエツチング処理が施されたのみである。 これら実施例および比較例のうち、蒸着処理をしたもの
について、蒸着された窒化タンタルの付着力を測定し、
密着性を調べたところ、実施例のものは、付着力が３．
６Ｋｇｍ５であったのに対し、比較例１のものは２．８
Ｋｇｍ５であり、この発明の陰極アーク蒸着法による薄
膜の密着性の良いことがわかる。 次に、これらの実施例および比較例の、単位面積あたり
の静電容量値を測定した結果を第２表に示す。 （第　２　表） この結果かられかるように、従来のアルミニウム電極表
面をエツチング処理したのみの電極の静電容量は、蒸着
により窒化タンタル層を設けたものに比べて著しく静電
容量値が低いことがわかる。 また蒸着法により窒化タンクル薄膜を形成したものは、
いずれも高い静電容量値を示すが、この発明の陰極アー
ク蒸着によるものは、比較例１の従来の方法に比べて短
時間でほぼ同等の厚さの薄膜を得ることができ、製造効
率に優れることがわかる。 次に形成された薄膜の安定性を調べるために、これらの
被処理材を実際の陰極として電解コンデンサを作成し、
寿命試験を行い特性の変化を調べた。 作成した電解コンデンサは、リード線同一方向型の電解
コンデンサで、箔状の電極をセパレータと共に巻回した
素子に電解液を含浸し、金属ケースに収納し、開口部を
封口ゴムで密閉したものである。電解コンデンサを構成
する材料は、陰極箔として、上記の実施例および比較例
のものを用いた以外は全て共通のものを用いた。また組
立方法についても全て同じである。 電解コンデンサの定格は、定格電圧６．３■、定格静電
容量４７μＦ、外形寸法が直径５　ｍｍ、長さ７ｍａｍ
である。使用した電解液の組成は、エチレングリコール
７８重量％、アジピン酸アンモニウム１０重量％、水１
２重量％の組成からなるもので、通常用いられる電解液
に比べて、水の含有量を多くしである。これは、水によ
る電極箔の水和劣化の発生が顕著になるようにしたため
である。 この電解コンデンサに定格電圧を印加し、１１０゛Ｃで
５００時間寿命試験を行った後の静電容量値と、初期の
静電容量値との変化率を調べた。この結果を第３表に示
す。 （第 表） この結果かられかるように、この発明のアルミニウム電
極は、エツチング処理のみが行われたものはもとより、
他の蒸着法を用いたものに比べても表面の劣化や経時変
化が少なく、長期にわたって特性が安定していることが
わかる。

【発明の効果】

以上述べたようにこの発明によれば、電解コンデンサ用
の電極として、単位面積あたりの静電容量値を高めるこ
とができるので、特に低圧領域において、電解コンデン
サを小型化できるとともに、大容量の電解コンデンサが
得られる。 また電極表面が窒化タンタルによって保護されるので、
長期にわたって安定した電気特性が維持でき、電解コン
デンサの信頬性が向上する。 さらにこの発明によれば、電極の処理時間が短時間で済
むので、生産効率が良くなるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明で用いる陰極アーク蒸着装置の概略を
表した説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　高純度アルミニウム表面に、窒素を含む全圧が
   １×１０＾−＾１〜１×１０＾−＾４Ｔｏｒｒの雰囲気
   中で、タンタルの窒化物からなる蒸着層を陰極アーク蒸
   着法によって形成することを特徴とする電解コンデンサ
   用アルミニウム電極の製造方法。
2. （２）　被処理高純度アルミニウムを２００℃〜４５０
   ℃に加熱して蒸着を行う請求項１記載の電解コンデンサ
   用アルミニウム電極の製造方法。