JPH07123100B2 - タンタルキャパシターの製造方法及びタンタルキャパシター製造用の予備成形体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はタンタルキャパシターの技術分野に関し、更に
詳しくは大なる信頼性を保証するタンタルキャパシター
の製造方法およびタンタルキャパシター製造用の予備成
形体に関する。

従来技術、および発明が解決しようとする課題 タンタルキャパシターは小さい容積空間内に高いキャパ
シタンスを与える能力によって価値がある。例えば.027
ccのキャパシター本体によって10ボルトの作動電圧にて
50ないし100MFDのキャパシタンスを有するタンタルキャ
パシターを提供することができるのである。

固体タンタルキャパシターの製造にて公知の大抵の方法
に共通して、タンタル粉末を圧縮して所望の密度のペレ
ットを形成し、このペレットを焼結し、陽極化（anodiz
ation）によって五酸化タンタル（tantalum pentoxid
e）の誘電性フィルムを、焼結工程によって得られたス
ポンジ状集塊体（spongelike mass）全体に形成し、こ
の集塊体に二価マンガン硝化物（manganous nitrate）
の溶液を含浸させ、引続いて熱分解により陰極を形成
し、その後で引続いてグラファイトおよび銀被覆を付与
することによりキャパシターの陰極に対する成端（term
ination）を形成する工程が含まれている。

通常の実施方法においては、タンタルペレットは数種の
方法の何れかによって形成される。１つの公知の方法に
おいては、焼結されたペレットはこれに溶接されたタン
タルロッドを有する。このロッドが溶接される範囲はペ
レットの著しく圧縮された部分（increment）になし得
る。このロッドはキャパシターの陽極に対する電気的接
続を与え、また引続く陽極化および陰極形成工程の間に
ペレットを取扱う手段を与えるのである。上述の溶接方
法は、溶接部の形成が高価な工程（溶接作業の前後に２
つの別々の焼結を必要とする）である点で不利であり、
厳密に実施されない限り引続く処理工程の間およびキャ
パシターの製造に続く使用に際して溶接の界面に多くの
欠点を生じるのである。

他の通常実施されているタンタルキャパシターのペレッ
トを形成する方法においては、タンタルのロッドがペレ
ット形成ダイ内に挿入され、ロッドの一部分がタンタル
粉末によって包囲されるようになされる。タンタル粉末
はロッドの軸線に平行な方向またはこれに垂直な方向に
与えられる圧縮力を受けてロッドの一部分を取巻く大体
均一に圧縮されたペレットを形成するようになされる。
その後でペレットおよびロッドは焼結工程を施され、陽
極化され、陰極層が形成されて上述のように成端を付さ
れる（terminated）のである。

後者の方法は溶接工程を省略するもので、それに伴う利
点を有するが、タンタルの陽極ロッドおよびキャパシタ
ーの残余の部分の間に機械的および電気的な、場合によ
り生じる恐れのある欠点を見出したのである。事故を生
じた非溶接型式のタンタルキャパシターの破壊試験によ
って、このような欠点が多くの場合タンタルロッドおよ
びタンタル粉末を取巻く集塊体の間の接続を弱化させる
ものであることが発見されたのである。特に、このよう
な弱い接続は取巻いているタンタル粉末の集塊体が比較
的低い密度までしか圧縮されず、および／または焼結が
比較的低い時間および／または温度の組合せでしか行わ
れず、さらにタンタル粉末が焼結工程の間に収縮してロ
ッドから離脱し、ロッドおよび焼結されたタンタルの集
塊体の間の接着性の機械的完全性および電気的完全性を
損傷させる状態を生じさせる恐れがあるのである。この
ような性質の事故の可能性は常にあるから、その性質上
前述の低い密度および／または低い温度に向う傾向のあ
る条件で処理されなければならない10,000CV/GMまたは
それ以上のタンタル粉末を用いることが特に一般に行わ
れているのである。

本発明は要約すればタンタルロッド陽極およびキャパシ
ター本体の間の甚だ信頼性のある機械的および電気的接
続を与えるタンタル型式のキャパシターを製造する改良
された非溶接性の製造方法に指向されるものである。本
発明によって、タンタルロッドおよび周囲の粉末の集塊
体の機械的および電気的分離の恐れを減少させて陽極化
および陰極形成等によって容易に処理できる予備成形体
が提供されるのである。得られたキャパシターは使用に
際して大なる信頼性を発揮し、すなわちキャパシターの
残余の部分に対する陽極の機械的および電気的接続を損
傷する傾向を減少させ、または組合される誘電性フィル
ムに対する損傷の傾向を減少させるのである。

前述に鑑みて、本発明はタンタルキャパシターおよびタ
ンタルキャパシターの予備成形体を製造する改良された
方法を提供し、また物理的および熱的応力にさらに耐え
得る仕上げられたタンタルキャパシター製造用の予備成
形体を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明によって、焼結の前にタンタルペレットを形成す
る工程はダイの内部で行われるが、その場合タンタル粉
末の集塊体が場所によって異なる圧力を受け、その際タ
ンタル粉末の主な集塊体を形成する時に与えられる圧力
が高い能率のキャパシターの製造に対して最良の圧力に
なされるとともに、タンタルロッドが埋込まれている長
さに整合する粉末の部分に与えられる圧力がタンタル粉
末の主な集塊体に与えられる圧力よりも実質的に大きく
なされるのである。さらに詳しくは、固体のタンタル金
属は約16.6g/ccの密度を有する。能力のあるタンタルキ
ャパシターを形成するためには、上述の10,000CV/GMま
たはそれ以上のタンタル粉末が４ないし7g/ccの密度に
圧縮されなければならないことが一般に認められてい
る。本発明によって、タンタル粉末の主な集塊体はダイ
構造によって４ないし7g/ccの所望の密度に圧縮される
が、これに反してタンタル陽極ロッドが埋設されている
部分に整合する粉末の部分は実質的にさらに大なる圧力
を受け、これを８ないし10g/ccの密度まで締め固めるよ
うになされている。キャパシターの作動の能率のため
に、この大いに圧縮される部分は実際問題として粉末の
全質量の10％より少なく、望ましくは約６％に制限され
なければならないのである。

前記の８ないし10g/ccの密度まで締め固める理由は、集
塊体をタンタル陽極ロッドに対して密着させ後続する処
理の間の取扱いに不都合がないようにし、しかもある程
度の多孔性を集塊体中に残留させておくようにするため
である。8g/cc未満の密度の締め固めでは取扱中にタン
タル陽極ロッドと集塊体とが分離してしまう惧れがあ
る。一方、10g/ccを越えた密度の締め固めを行なうと隣
接する集塊体の部分（より低い密度に締め固められた部
分）に対して十分な密着を行なうことができない惧れが
ある。

前記の４ないし7g/ccの密度まで締め固める理由は、適
当なキャパシタンスを有し得ると同時に適当な密着性を
も有し得るようにするためである。7g/ccを越えた密度
にしてしまうとキャパシタンスがやや減少してしまい、
4g/cc未満の密度にしてしまうと密着性が減少して集塊
体のその後の取扱いに問題が生じる。

粉末集塊体の高い密度の部分の予備成形体を、全質量の
10％より小さくする理由は、キャパシタンスを適当な値
に保持するためである。高い密度に圧縮することは、キ
ャパシタンスを減少させてしまう。従って、せいぜい10
％までの部分しか高い密度に圧縮しない方が好ましい。
タンタル陽極ロッドと集塊体との密着のためには、８な
いし10g/ccの密度まで締め固めることが必要となるが、
それも、その部分を10％までにし、他の部分は４から7g
/ccの範囲として、キャパシタンスを増大させるように
するのが好ましい。

本発明を実施した結果は次のようなタンタル予備成形体
を提供する。すなわち粉末の大部分が、10,000CV/GMま
たはそれ以上のタンタル粉末について４ないし7g/ccの
望ましい密度に圧縮され、またロッドの埋設された部分
と整合している粉末の部分はさらに大なる圧縮力を受け
て、これを約9g/ccまで濃密になすようになされるので
ある。注目すべきことは、10,000CV/GMまたはそれ以上
のタンタル粉末の全体の集塊体が9g/ccの範囲まで濃密
化されると、得られる集塊体は、陽極化およびこれに引
続く工程によって処理され得る場合に、許容できない低
いキャパシタンスを生じ、商業的に不要のものになす恐
れがあることである。上述のように異なる圧力による圧
縮によって集塊体が焼結されていないタンタルペレット
予備成形体を形成することにより、焼結に続いて中間製
品が形成され、これが陽極ロッドの残余の部分からの分
離または取扱いおよび熱応力を含む処理の際の応力を受
けた時に誘電性フィルムに対する損傷の恐れを減少させ
て信頼性を有して陽極化および陰極形成を行うように処
理されることができるのである。この点に関して、焼結
の間にタンタル材料が陽極から収縮して離脱する傾向は
前述の異なる圧力による濃密化によって、たとえ完全に
排除されないとしても著しく減少されるのである。

実施例 さて第１図には埋設されたタンタル陽極ロッド11が突出
するようになされている圧縮されたタンタル粉末により
形成された通常のタンタルペレット10が概略的に示され
ている。このペレット10は単に予め定められた容積のダ
イをステアリン酸、グリプタル（商標）、オレイン酸、
硫化タンタル、カーボワックス、アクロワックス等のよ
うな公知の結合剤および潤滑剤を混合されたタンタル粉
末で充填することによって形成される。結合剤および潤
滑剤の％は全体の集塊体の重量に対して０％ないし４
％、或いは４％を越えたものとすることができる。タン
タル粉末の粒の大きさは最終製品であるキャパシターの
特性に影響を与える。そして、結合剤の必要量はタンタ
ル粉末の粒の大きさに従って変わる。一般的には、結合
剤および潤滑剤は全体の集塊体の重量の0.25％程度であ
る。このようにして、タンタルペレットの締め固めを容
易にし、生の状態の強度（green strength）を改善し、
また工具加工の際の摩耗を減少させるのである。第１図
の従来技術のペレットの形成においては、ペレット形成
締め固め力はタンタルロッドの軸線に平行な方向または
これに垂直な方向に与えられる。後者の場合には、予備
成形体の粉末の密度はペレットの厚さ全体にわたって若
干変化し、例えば、２つの平行な板の間で粉末を圧縮し
た場合に、板の近くの粉末はより密に圧縮され、板と板
との間の中央部分の粉末はあまり密に圧縮されない。

第２図に示されているように、本発明のペレットによっ
て、このペレットは本体12および突出する陽極ロッド13
を含んでいる。ダイの形状に関係するのであるが、この
ペレットの特徴は本体形成要素に加えて圧縮力（矢印1
4,15参照）を与える方向にロッド13に向って近接するさ
らに突出する対向する一対の打出し要素を有するパンチ
を設けることによって得られるのである。第２図を見れ
ば明らかに判るように、ペレット12を形成するダイは、
パンチが一対の上方および下方に突出する隆起部を含ん
で、これらの隆起部がペレットの上面および下面を形成
するパンチの部分を超えて伸長してペレットの本体内に
伸長するロッド13の部分に整合する部分で上部および下
部凹入部16,17を形成する点を除いてペレット10の形成
に使用されるものと実質的に同じである。既に注目され
ているように、また実際のペレット形成工程の説明に関
連してさらに詳しく説明されるように、ペレット12の主
な本体部分はタンタル粉末の容積と関連されて、粉末の
大部分が４ないし7g/ccの所望の密度（最良なのは4.5な
いし６）に圧縮されるとともに凹入部16および17の間の
ペレット本体の部分が約9g/ccさらに高い密度に圧縮さ
れるようになっているのである。第２図に関して図示さ
れ、説明されたようなペレットの形成体はタンタルロッ
ドの埋設された部分（increment）の取巻く粉末の部分
の著しい収縮を生じないで焼結でき、これによって引続
く処理の間にこれらの部分およびロッドの間の機械的な
接触を保証し、またタンタルロッドおよび処理されたキ
ャパシターの間の良好な電気的および機械的接触および
安定性を保証することが見出されている。仕上げられた
キャパシターのロッドおよびタンタル要素間の良好な電
気的接触の重要性に加えて、引続く処理の間のこのよう
な特性の存在はまた著しく重要である。何故ならば種々
の処理工程はタンタルロッドを使用する焼結された予備
成形体の取扱いおよび電気的処理を含んでいるからであ
る。従って、ロッドおよびタンタルの集塊体の間の良好
な電気的および機械的接触が陽極化および引続く工程の
間に存在しない場合には、これらの工程は正しくは完了
されないで、仕上げられたキャパシターの特性に種々の
変化する効果を与えるのである。

処理の詳細な例 特許法の規定に従って、以下に本発明の方法を利用した
代表的なタンタルキャパシターの製造の詳細な説明を行
う。ここに説明される方法が制限を与える意味のもので
なく、本発明の公式化（formulation）、時間、温度等
における多くの変更はタンタルキャパシターの製造技術
の当業者には容易に判るところであることが認められな
ければならない。

10作動ボルトにて47MFDのキャパシタンスを有するタン
タルキャパシターが下記のようにして製造された。出発
材料として、例として.25重量％のステアリン酸のよう
な結合剤および潤滑剤と完全に混合された15,000CV/GM
のバッチが準備された。この出発材料の或る容積が横断
面図で第3a図および第3b図に概略的に示されたようなダ
イ内に置かれた。このダイ20はそれぞれ上部および下部
パンチ21,22を含んでいて、これの内側の対向面はペレ
ット12の上面および下面を作るように附形されていた。
単一のダイ空所が第3a図および第3b図に概略的に示され
ているが、実際上は多数の空所を有する一連のダイが設
けられ得ることが認められる。

パンチ21,22はペレットの上面および下面を形成するた
めの対向する面23,24を含み、またペレットの対向する
大なる圧縮面積を形成する内方に突出する隆起部25,26
を含んでいる。タンタル粉末組成物の測定された容積が
ダイに装入され、タンタルロッド13が隆起部25,26と整
合するようにしてダイ内に装入された。判るように、装
入された材料の量は材料が受ける最終的な圧縮作用を制
御し、このような量はパンチ21,22の最初の間隔によっ
て変化可能である。通常の実施方法においては、タンタ
ル粉末の量はパンチを閉じた後で成形型の主な部分にお
いて最良で約4.5ないし6g/ccの密度を与えるように計算
されるのである。充填の後で、成形型は第3a図の位置か
ら第3b図の位置に閉じられ、これによって成形型の主な
容積範囲26′の粉末が所望の程度（４ないし7g/cc）に
圧縮され、タンタルロッド13と整合する範囲27の粉末は
８ないし10g/ccになすのが望ましい範囲の密度に圧縮さ
れた。３部分より成るダイの空所が図示されているが、
本体および大なる密度の部分を形成するために別個の可
動部分を使用して所望の効果を達成し得ることは容易に
認められる。

特別の例によれば、ペレットは下記の最終的な寸法に形
成される。すなわち、長手方向に4.83mm（.190in）（ワ
イヤーの挿入方向）、幅が2.89mm（.114in）、厚さが1.
73mm（.068in）である。打出される部分16,17は長手方
向および幅方向に1.22mm（.048in）で、深さ0.38mm（.0
15in）の厚さを有していた。タンタルロッド13は0.30mm
（0.012in）の直径を有していた。

上述した寸法的な特徴を利用して、タンタルロッドを取
巻く大なる密度の範囲はペレットの全体の予備成形体の
僅か約5.9％に過ぎなかった。

得られた生のペレットはタンタルロッドの取扱いによっ
て容易に処理し得る密着した集塊体（coherent mass）
を有していた。

これらのペレットは約20分間1600℃の温度で真空雰囲気
（約１×10^-5TORR）内で焼結された。この焼結は添加材
料を除去し、タンタル粉末を機械的且つ電気的に強固に
タンタルロッドに連結されたスポンジ状の密着した集塊
体に変換した。得られたキャパシター予備成形体を検査
したところ、ロッドを取巻く材料が実際にロッドから離
隔する程には収縮しなかったことを示した。

その後でこのキャパシター予備成形体はタンタルキャパ
シター工業にて通常行われるような以下に簡単に説明さ
れる方法で処理された。ペレットはそのロッドによって
金属帯片上に固定され、誘電性五酸化タンタル（dielec
tric tantalum pentoxide）のフィルムが予備成形体を2
5℃の硝酸溶液に浸漬することによってスポンジ状の集
塊体全体に形成されたが、この溶液は例として1450HM−
cmの抵抗を有していた。ロッドは電源の正のターミナル
に接続され、電圧が60ボルトまで次第に上昇された。例
として、この電圧は上述の60ボルトまで半時間にて次第
に上昇され、この電圧に約１時間保持されることができ
た。この分野の工業にて公知のように、与えられる電圧
は仕上げられるキャパシターの作動電圧に影響を与え、
与えられる電圧が高い程キャパシターの作動電圧が高く
なるのである。低い電圧を与えられて形成されたキャパ
シターは低い作動電圧しか生じないけれども、キャパシ
タンスが高いのである。

その後で陽極化されたキャパシターは硝酸マンガン（Ma
nganous nitrate）、Mn（NO₃）_２に含浸され、引続いて
熱分解されることにより陰極を形成する工程を受ける
が、この工程は陽極化されたキャパシターを５秒ないし
３分間試薬の溶液内に浸漬することによって行われ、こ
の溶液は実質的に25ないし65℃の温度に保持されたので
ある。上述の熱分解は陽極を乾燥空気または蒸気の雰囲
気内の200ないし400℃（300℃が望ましい）を炉内に置
くことによって行われた。このようにして形成されたキ
ャパシターはこれをグラファイトのコロイド状懸濁物、
例示的にはミシガン・ポート・ヒューロンのアチェソン
・コロイズ・コーポレーションによって商品名アクァダ
グーＥ（AQUADAG−Ｅ）にて販売されている２％グラフ
ァイト懸濁物内に浸漬することによって終了された（te
rminatedあのである。キャパシターは150℃にて半時間
乾燥され、銀充填ペンキ（silver filled paint）内に
浸漬されたが、これの図解的な例としてはマサチューセ
ッツ・カントンのエマーソン・アンド・カミング・イン
コーポレーテッドによって販売されているアミコン−Ｃ
−110である。このペンキは実質的に、エポキシ樹脂に
懸濁された銀の薄片および溶剤から成っていた。

得られたキャパシターはろう付けによるようにして取付
けられた陰極リード線を有することができ、または導電
体が銀面に係合されて絶縁プラスティックスリーブカバ
ーを熱収縮させることによってキャパシターの本体上に
定位置に保持するようになし得る。陰極リード線を取付
ける多くの他の手段がこの分野の工業で公知である。

組合う導電性材料の陽極リード線は、最初にタンタルロ
ッドをキャパシターの本体の短い距離内で切断し（例え
ば.050）、次に陽極リード線を容量放電（capacitive d
ischarge）または同様の手段によって残余のタンタルロ
ッドに溶接することによって取付けられることができ
る。タンタルロッドおよびキャパシターの本体の間の接
合部が屡極めて大きい機械的および／または熱的応力状
態になされるのはこれらの切断および／または溶接工程
の間である。

仕上げられたキャパシターはこの分野の工業で公知の浸
漬またはその他の公知の手段によって被覆される。上述
の手順によって形成されたキャパシターは10ボルトの作
動電圧にて約47MFDのキャパシタンスを有する。

特に出発タンタル粉末材料の性質および種々の処理パラ
メーターに含む多くの要因がタンタルキャパシターの性
能特性に影響を与えるのである。本発明のペレットは通
常の処理工程を施され、第１図に示された従来技術のペ
レットと同様にこのような工程に応答するから、処理の
さらに詳しい説明は不必要である。何故ならばこのよう
なことはタンタルキャパシターの製造に関係する当業者
の知識範囲内にあるからである。

上述の説明によって明らかなように、ペレットの主本体
内で第１の比率でタンタルペレットの予備成形体の圧縮
を行い、タンタル陽極ロッドが埋込まれている長さに整
合する粉末の長さの部分に第２のさらに大なる比率で圧
縮を行うことによって、処理、仕上げまたは引続く使用
の間に損傷を受け難いキャパシターの予備成形体が提供
されるのである。

上述の方法の諸工程および構造の詳細における多くの変
形は本説明をよく知った当業者にはよく判るところであ
る。従って、本発明の方法の諸工程および構造は特許請
求の範囲内で解釈されなければならないものである。

発明の効果 本発明は上述のように構成されているから、タンタル粉
末の集塊体が差動圧力を与えられ、その際にタンタル粉
末の主な集塊体を形成する圧力が高能率のキャパシター
の製造に対して最良の圧力になされるとともに、タンタ
ルロッドが埋込まれている長さに整合する粉末の部分に
与えられる圧力が実質的にさらに大きくなされることに
よって、タンタルロッド陽極およびキャパシター本体の
間の甚だ信頼性のある機械的および電気的接続を有する
タンタル型式のキャパシターを製造する製造方法が提供
され、またタンタルロッドおよび周囲の粉末の集塊体の
機械的および電気的分離の恐れを減少させて陽極化およ
び陰極形成等によって容易に処理できる予備成形体が提
供されるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の方法によって形成されたタンタルペ
レット予備成形体の概略的斜視図。 第２図は第１図と同様であるが、本発明によるタンタル
ペレット予備成形体を示す図面。 第3a図および第3b図はそれぞれ負荷され、圧縮された状
態の生の予備成形体を製造する成形ダイ装置の概略的図
面。 12……ペレットの本体 13……タンタル陽極ロッド 16,17……凹入部 20……ダイ 21,22……パンチ 23,24……対向面 25,26……隆起部 26′……主な容積範囲 27……タンタルロッドの埋込まれている長さに整合する
粉末の集塊体の長さの部分。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非溶接型式の改良されたタンタルキャパシ
   ターの製造方法において、粉末状態のタンタル粉末の集
   塊体を準備し、前記粉末の集塊体内に、途中までタンタ
   ルロッドを挿入し、前記粉末の集塊体に圧縮力を与える
   ことによりキャパシターの予備成形体を製造し、前記タ
   ンタルロッドが埋込まれている長さに整合している前記
   粉末の集塊体の長さの部分が前記タンタルロッドの長手
   方向軸線に対して垂直に与えられる力を受け、これによ
   り８ないし10g/ccの高い密度に締め固められるようにな
   し、一方それ以外の前記粉末の集塊体の部分が圧縮力を
   受け、これを４ないし7g/ccの低い密度に締め固められ
   るようになし、その後で前記予備成形体を不活性環境内
   で焼結し、この焼結された前記粉末の集塊体を陽極化
   し、含浸によって前記陽極化された粉末の集塊体内に陰
   極を形成する諸工程を含んでいる改良されたタンタルキ
   ャパシターの製造方法。
2. 【請求項２】前記粉末の集塊体の高い密度の部分の予備
   成形体が、この粉末の集塊体の全体の10％よりも少なく
   されている請求項１に記載された改良されたタンタルキ
   ャパシターの製造方法。
3. 【請求項３】タンタル粒子の密着した粉末状態の集塊体
   と、前記集塊体内に埋設された端部および突出する端部
   を有するタンタルロッドとを含む非溶接型式の改良され
   たタンタルキャパシター製造用の予備成形体において、
   前記タンタルロッドが埋込まれている長さ部分を直接取
   巻く前記集塊体の部分が８ないし10g/ccの密度に前記タ
   ンタルロッドの長手方向軸線に対して垂直に圧縮され、
   それ以外の前記集塊体の部分が４ないし7g/ccの密度に
   圧縮されていて、前記タンタル粒子の密着した粉末状態
   の集塊体は焼結されていないことを特徴とする改良され
   たタンタルキャパシター製造用の予備成形体。
4. 【請求項４】前記タンタルロッドが埋込まれている長さ
   部分を直接取巻く前記集塊体の部分が前記集塊体の端部
   まで延びている請求項３に記載された改良されたタンタ
   ルキャパシター製造用の予備成形体。