JPWO2017163571A1

JPWO2017163571A1 - 電解コンデンサ

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Publication number: JPWO2017163571A1
Application number: JP2018507069A
Authority: JP
Inventors: 島本　由賀利; 由賀利島本; 吉田　寛; 寛吉田; 恭平小林
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2019-01-31
Also published as: CN108780703A; US20190013154A1; WO2017163571A1

Abstract

第１端辺および前記第１端辺に対向する第２端辺を有するシート状の陽極体と、前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層と、前記固体電解質層の表面に形成された陰極引出層と、を有するコンデンサ素子、および、陽極端子を備え、前記陽極体が、表面がエッチングされ、前記第１端辺側にある第１領域と、表面がエッチングされず、前記第２端辺側にある第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との境界と、を有するとともに、前記第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部を有し、前記誘電体層が、前記第１領域の表面に形成されており、前記括れ部を形成する切り欠き端辺が、前記第２領域に配置されており、前記陽極端子が、前記第２領域に接続されている、電解コンデンサ。

Description

本開示は、電解コンデンサに関し、特に内部短絡の防止に関する。

コンデンサ素子の陽極体として、弁作用金属を含む金属シートが用いられる。コンデンサ素子の容量を増加させるため、金属シートの主面の全部または一部に、エッチングが施される。例えば、特許文献１では、金属箔の主面の一部の表面にマスキングを施し、部分的にエッチングを行った後、化成処理を行うことを教示している。

エッチングおよび化成処理が施された部分に、さらに固体電解質層および陰極引出層を形成して陰極部を設ける際、エッチングされた領域とエッチングされていない領域との間に絶縁性の部材が配置される場合がある。これにより、固体電解質層を形成する際に、固体電解質が未エッチング部にまで這い上がってくることが抑制される。よって、陰極部と陽極体の陰極部以外の領域である陽極部とが分離される。陽極部には陽極端子が接合されるため、陰極部と陽極部とが分離されることにより、内部短絡が抑制される。

特開２００５−３４０７９４号公報

上記のように、絶縁性の部材を配置することにより、陰極部の主面からの固体電解質の這い上がりが抑制される。しかし、固体電解質は、未エッチング部を含む陽極部の縁（端面）においても陰極部の端面から陽極部の端面へと這い上がる場合がある。陽極部の端面に這い上がった固体電解質は、やがて陽極部の主面にまで広がり、陽極端子に接触して、内部短絡を生じる可能性がある。

本開示の電解コンデンサは、第１端辺および前記第１端辺に対向する第２端辺を有するシート状の陽極体と、前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層と、前記固体電解質層の表面に形成された陰極引出層と、を有するコンデンサ素子、および、陽極端子を備え、前記陽極体が、表面がエッチングされ、前記第１端辺側にある第１領域と、表面がエッチングされず、前記第２端辺側にある第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との境界と、を有するとともに、前記第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部を有し、前記誘電体層が、前記第１領域の表面に形成されており、前記括れ部を形成する切り欠き端辺が、前記第２領域に配置されており、前記陽極端子が、前記第２領域に接続されている。

本開示によれば、陽極部における固体電解質の這い上がりの程度が低減する。その結果、陰極部と陽極部との内部短絡が防止される。

本開示の実施形態に係るコンデンサ素子を模式的に示す断面図である。本開示の実施形態に係る陽極体を模式的に示す上面図である。図２に示す陽極体の要部を拡大して示す上面図である。本開示の実施形態に係る電解コンデンサを模式的に示す断面図である。

電解コンデンサは、第１端辺および第１端辺に対向する第２端辺を有するシート状の陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の表面の少なくとも一部に形成された固体電解質層と、固体電解質層の表面の少なくとも一部に形成された陰極引出層と、を有するコンデンサ素子を備える。陽極体は、表面がエッチングされ、第１端辺側にある第１領域と、表面がエッチングされず、第２端辺側にある第２領域と、第１領域と第２領域との境界とを有する。さらに、陽極体は、第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部を備えている。このとき、括れ部を形成する切り欠き端辺は、すべてが第２領域に配置される。第１領域の表面には誘電体層が形成されており、第２領域には陽極端子が接続されている。

以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る陽極体の構成について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るコンデンサ素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る陽極体１０を模式的に示す上面図である。図３は、図２に示す陽極体１０の要部（括れ部１１近傍）を拡大して示す上面図である。

（コンデンサ素子）
コンデンサ素子１００は、シート状の陽極体１０と、陽極体１０の表面の少なくとも一部に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０の表面の少なくとも一部に形成された固体電解質層３０と、固体電解質層３０の表面の少なくとも一部に形成された陰極引出層４０と、を有する。このようなコンデンサ素子１００もまた、シート状である。

陽極体１０は、表面がエッチングされた第１領域Ｒ１とエッチングされていない第２領域Ｒ２とを備えており、誘電体層２０は、少なくとも第１領域Ｒ１の表面に形成されている。第１領域Ｒ１と誘電体層２０と固体電解質層３０と陰極引出層４０とは、コンデンサ素子１００の陰極部１００Ｎを構成する。第２領域Ｒ２は、コンデンサ素子１００の陽極部１００Ｐを構成する。陽極部１００Ｐ（すなわち、第２領域Ｒ２）には、陽極端子２０２（図２参照）が接合され、電気的に接続される。

（陽極体）
陽極体１０は、導電性材料として弁作用金属を含むシートである。弁作用金属としては、チタン、タンタル、アルミニウムおよびニオブ等が挙げられる。陽極体１０は、一種、または二種以上の上記弁作用金属を含んでいてもよい。陽極体１０は、合金または金属間化合物の形態で、弁作用金属を含んでいてもよい。陽極体１０の厚みは特に限定されず、例えば、１５μｍ以上、３００μｍ以下である。

第１領域Ｒ１は、陽極体１０の第１端辺１０１側に配置されており、少なくとも表面がエッチングされている。第１領域Ｒ１は、第１端辺１０１を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。第２領域Ｒ２は、第１端辺１０１に対向する第２端辺１０２側に配置されており、エッチングされていない。第２領域Ｒ２は、第２端辺１０２を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。図２および図３に、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界を破線（境界ＬＢ）で示す。なお、境界ＬＢは、表面に凹凸が形成されている領域と表面が平滑な領域との境界である。このような境界が複数ある場合、より第２端辺１０２側にある境界を境界ＬＢとする。

陽極体１０は、第２端辺１０２に沿う方向の長さを短くする括れ部１１を備えている。括れ部１１は、第２領域Ｒ２の一部を第２端辺１０２の方向に沿って切欠くことにより形成されており、括れ部１１を形成する切り欠き端辺１１０のすべては、第２領域Ｒ２に配置されている。未エッチング部はエッチング部に比べて機械的強度が高い。そのため、切り欠き端辺１１０のすべてを、エッチングされていない第２領域Ｒ２に配置することにより、括れ部１１を設けることによる、陽極体１０の機械的強度の低下を抑制することができる。また、括れ部１１を陽極体１０を打ち抜いて形成する場合における、陽極体１０の欠損等が抑制される。

第２領域Ｒ２に括れ部１１を設けることにより、第１領域Ｒ１の表面からの固体電解質の這い上がりが妨げられる。さらに、陽極体１０の端面における固体電解質の這い上がりの経路を、括れ部１１の切り欠き端辺１１０に迂回させることができる。つまり、括れ部１１によって、固体電解質が、第１領域Ｒ１の表面および端面から、第２領域Ｒ２に這い上がる程度が低減される。ここで、陽極部１００Ｐの表面にも薄い誘電体層が形成される場合がある。そのため、内部短絡を防止するには、固体電解質が陽極端子２０２にまで到達しないことが重要である。

ここで、括れ部１１による効果が、より発揮され易い点で、陽極端子２０２は、括れ部１１と第２端辺１０２との間の第２領域Ｒ２に接続されることが好ましい。なかでも、陽極端子２０２は、第２端辺１０２と交わる第３端辺１０３の近傍に配置されることが好ましい。固体電解質層３０の這い上がりは括れ部１１によって阻害されるため、陽極端子２０２まで到達できず、陽極部１００Ｐと陰極部１００Ｎとの短絡が防止される。ここで、陽極端子２０２とは、コンデンサ素子１００と外部とを接続する陽極リード２０２Ｂ、および、陽極リード２０２Ｂに電気的に接続するかしめ部材２０２Ａ（いずれも図４参照）の少なくとも一方である。かしめ部材２０２Ａは、例えば、複数のコンデンサ素子１００をかしめるために用いられる。

さらに、切り欠き端辺１１０と中心線ＬＣとの最短距離Ｗ３は、陽極端子２０２と中心線ＬＣとの最短距離Ｗ４よりも短いことが好ましい。つまり、括れ部１１における切り欠きの深さ（中心線ＬＣに垂直な方向の長さ）を、陽極端子２０２の中心線ＬＣに垂直な方向の長さよりも深くする。これにより、固体電解質は、さらに陽極端子２０２にまで到達し難くなる。中心線ＬＣとは、第２端辺１０２および陽極体１０の厚さ方向に対して垂直な方向に延びて、かつ、陽極体１０を等分する直線である。

第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に、絶縁性の部材を配置してもよい。第１領域Ｒ１が、境界ＬＢ近傍に、急な勾配または段が形成されるようにエッチングされている場合、絶縁性の部材を用いなくてもよい。境界ＬＢ付近の高低差により、第１領域Ｒ１の表面からの固体電解質の這い上がりが抑制され易くなるためである。

なお、図２では、括れ部１１は、中心線ＬＣを挟んで互いに対向する位置に２箇所配置されているが、これに限定されない。例えば、括れ部１１は１箇所であってもよいし、中心線ＬＣに対して非対称に配置されてもよい。固体電解質の這い上がりの程度が低減され易い点で、中心線ＬＣを挟んで対向する位置に２箇所、括れ部１１を配置することが好ましい。

括れ部１１は、例えば、境界ＬＢの近傍に配置される。この場合、陽極体１０の端面に這い上がった固体電解質は、境界ＬＢ近傍で迂回させられる。よって、固体電解質の陽極体１０の端面からの這い上がりが、境界ＬＢ近傍で抑制される。つまり、固体電解質の第２領域Ｒ２における這い上がりの程度がさらに低減する。例えば、図３に示すように、切り欠き端辺１１０の一方の端部（第１端部１１０Ａ）が、第１端辺１０１と交わる第４端辺１０４に接続し、切り欠き端辺１１０の他方の端部（第２端部１１０Ｂ）が、第２端辺１０２と交わる第３端辺１０３に接続する場合、第１端部１１０Ａと境界ＬＢとの距離Ｄ１と、第１端部１１０Ａと第２端辺１０２との距離Ｄ２との比：Ｄ１／Ｄ２は、０．０１〜１．２５であることが好ましい。なかでも、距離Ｄ１は、距離Ｄ２よりも短いことがより好ましい。つまり、比：Ｄ１／Ｄ２は、０．０１以上、１未満であることが好ましい。

なお、距離Ｄ１は、第１端部１１０Ａと境界ＬＢとの間の最短距離である。同様に、距離Ｄ２は、第１端部１１０Ａと第２端辺１０２との間の最短距離である。陽極体１０が丸角であって、第２端辺１０２と第３端辺１０３との境界が明確でない場合、図３に示すように、第２端辺１０２の延長線を引いて、この延長線と第１端部１１０Ａとの最短距離をＤ２とする。

括れ部１１の第２端辺１０２に沿う方向の長さは、固体電解質の第１領域Ｒ１の表面および端辺からの這い上がりの程度を低減できる点で、第２端辺１０２の幅Ｗ１に対して小さいほど望ましい。一方、陽極体１０の強度維持の観点から、括れ部１１の上記長さは、第２端辺１０２の幅Ｗ１に対して過度に小さくないことが望ましい。これらを考慮すると、括れ部１１の第２端辺１０２に沿う方向の最小長さＷ２と第２端辺１０２の幅Ｗ１との比：Ｗ２／Ｗ１は、０．２５〜０．５であることが好ましい。なお、陽極体１０が丸角である場合、図２に示すように、２本の第３端辺１０３の延長線を引いて、これらの延長線の間の最短距離をＷ１とする。

括れ部１１の形状は特に限定されない。なかでも、図３に示すように、括れ部１１を形成する切り欠き端辺１１０は、第２端辺１０２側に、第２端辺１０２に沿う方向の第１直線部１１０Ｃを備えることが好ましい。これにより、第２領域Ｒ２が十分な面積を有しない場合にも、切り欠き端辺１１０の長さを可能な限り長くしながら、括れ部１１と第２端辺１０２との間に十分な面積を確保できる。そのため、第２領域Ｒ２に陽極端子２０２を接合させ易くなる。また、切り欠き端辺１１０の形状がシンプルであるため、例えば、陽極体１０を打ち抜いて括れ部１１を形成する場合、打ち抜きに用いられる刃の形状もシンプルになって、括れ部１１を精度よく形成することができる。

切り欠き端辺１１０は、境界ＬＢ側にも第２端辺１０２に沿う方向の第２直線部１１０Ｄを備えることが好ましい。固体電解質の第２領域Ｒ２の表面における這い上がりの、最初の障壁となる境界ＬＢ側の切り欠き端辺１１０が、固体電解質の這い上がり方向に対して垂直に配置されていることにより、固体電解質の第２領域Ｒ２における這い上がりの程度はさらに抑制される。

これらの観点から、好ましい切り欠き端辺１１０の形状は、例えば、第２端辺１０２に沿う第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを備えるＵ字型である。第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを繋ぐ繋ぎ部１１０Ｅの形状は特に限定されず、直線であってもよいし、曲線を含んでいてもよい。

第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ１と、境界ＬＢと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ２との比：Ｌ２／Ｌ１は、０．１〜４であることが好ましく、０．１〜０．５であることがより好ましい。括れ部１１が、境界ＬＢに近接して配置される場合、切り欠き端辺１１０が第２端辺１０２に沿う第２直線部１１０Ｄを備えるとともに、距離Ｌ１が十分に長いことにより、固体電解質が、括れ部１１を越えて這い上がることが抑制され易くなる。

切り欠き端辺１１０の形状が、第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを備えるＵ字型である場合、第１直線部１１０Ｃと第２端辺１０２との距離Ｌ３と、境界ＬＢと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ２との比：Ｌ２／Ｌ３は、０．１〜１．７であることが好ましく、０．１〜０．３であることがより好ましい。これにより、第１直線部１１０Ｃと第２端辺１０２との間の領域に、陽極端子２０２を接続するのに十分な面積を確保することができる。なお、陽極端子２０２が第１直線部１１０Ｃの近傍に配置される場合にも、括れ部１１によって固体電解質の這い上がりが阻害されるため、内部短絡は抑制される。

距離Ｌ１は平均値であり、第１直線部１１０Ｃの任意の３点から第２直線部１１０Ｄに向かって、それぞれ第１直線部１１０Ｃに垂直な線を引いたときの当該線の長さの平均値である。距離Ｌ２およびＬ３も平均値であり、同様にして算出すればよい。

（誘電体層）
誘電体層２０は、第１領域Ｒ１の表面を、化成処理等により陽極酸化することにより形成される。陽極酸化は、公知の方法により形成され得る。なお、誘電体層２０はこれに限定されず、誘電体として機能する絶縁性の層であればよい。誘電体層２０は、少なくとも第１領域Ｒ１の表面に形成される。

（固体電解質層）
固体電解質層３０は、誘電体層２０の表面の少なくとも一部に形成される。固体電解質層３０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、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。

導電性高分子を含む固体電解質層３０は、例えば、原料モノマーを誘電体層２０上で化学重合または電解重合することにより、形成することができる。あるいは、予め重合された導電性高分子を含む液体を誘電体層２０に塗布することにより、形成することができる。

（陰極引出層）
陰極引出層４０は、固体電解質層３０の表面の少なくとも一部に形成される。陰極引出層４０は、例えば、カーボン層と、カーボン層の表面に形成された金属（例えば、銀）ペースト層と、を有している。このような陰極引出層４０は、カーボンペーストおよび銀ペーストを順次、塗布することにより形成される。

（電解コンデンサ）
電解コンデンサ２００は、例えば図４に示すように、積層された複数のコンデンサ素子１００（１００Ａ〜１００Ｃ）と、各コンデンサ素子１００を封止する外装体２０１と、第２領域Ｒ２と電気的に接続する陽極端子２０２と、陰極引出層４０と電気的に接続する陰極端子２０３と、を備える。各コンデンサ素子１００は、例えば、各陽極部１００Ｐの所定の位置で、レーザ溶接や抵抗溶接、針かしめ、ろう接等によって接合され、互いに電気的に接続される。なお、隣接するコンデンサ素子１００どうしは、他の導電部材（例えば、金属板、金属片等）を介して接合されていてもよい。本実施の形態の電解コンデンサ２００はコンデンサ素子１００を３つ備えているが、配置されるコンデンサ素子１００の数は限定されない。電解コンデンサ２００は、例えば、１〜１５枚のコンデンサ素子１００を備える。

（陽極端子）
各コンデンサ素子１００は、図４に示すように、第２領域Ｒ２において接合されるとともに、かしめ部材２０２Ａによりかしめられていてもよい。これにより、積層された各コンデンサ素子１００どうしの接続信頼性が向上する。かしめ部材２０２Ａには、陽極リード２０２Ｂが電気的に接続されている。この場合、陽極端子２０２は、かしめ部材２０２Ａと、かしめ部材２０２Ａと電気的に接続する陽極リード２０２Ｂと、を備える。陽極リード２０２Ｂの一部は、外装体２０１から露出している。

かしめ部材２０２Ａは、最外に位置する２つのコンデンサ素子（図４では、コンデンサ素子１００Ａおよび１００Ｃ）の第２領域Ｒ２にそれぞれ接合している。例えば、複数のコンデンサ素子をレーザ溶接により接合した後、かしめ部材２０２Ａを当該溶接部に対応する位置でコンデンサ素子群を挟み込むように配置する。次いで、この状態で、さらにレーザ溶接することにより、かしめ部材２０２Ａとコンデンサ素子群とは接合される。かしめ部材２０２Ａは、例えば平板状の部材を曲げ加工することにより得られる。

陽極リード２０２Ｂは、かしめ部材２０２Ａを介して、各コンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２と電気的に接続している。陽極リード２０２Ｂとかしめ部材２０２Ａとは一体化していてもよい。かしめ部材２０２Ａおよび陽極リード２０２Ｂの材質は、導電性を有するものであれば、特に限定されない。

（外装体）
外装体２０１は、例えば、絶縁性の樹脂により形成される。絶縁性の樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミドイミド、不飽和ポリエステル等が挙げられる。

（陰極端子）
陰極端子２０３は、陰極引出層４０と電気的に接続している。陰極端子２０３の材質も、導電性を有するものであれば、特に限定されない。陰極端子２０３は、例えば、上記のような導電性接着剤２０４を介して、陰極引出層４０に接合している。

本開示に係る電解コンデンサは、信頼性に優れるため、様々な用途に利用できる。

１０：陽極体
１０１：第１端辺
１０２：第２端辺
１０３：第３端辺
１０４：第４端辺
１１：括れ部
１１０：切り欠き端辺
１１０Ａ：第１端部
１１０Ｂ：第２端部
１１０Ｃ：第１直線部
１１０Ｄ：第２直線部
１１０Ｅ：繋ぎ部
２０：誘電体層
３０：固体電解質層
４０：陰極引出層
１００、１００Ａ〜１００Ｃ：コンデンサ素子
１００Ｐ：陽極部
１００Ｎ：陰極部
２００：電解コンデンサ
２０１：外装体
２０２：陽極端子
２０２Ａ：かしめ部材
２０２Ｂ：陽極リード
２０３：陰極端子
２０４：導電性接着剤

Claims

第１端辺および前記第１端辺に対向する第２端辺を有するシート状の陽極体と、
前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層と、
前記固体電解質層の表面に形成された陰極引出層と、
を有するコンデンサ素子、および、
陽極端子を備え、
前記陽極体が、表面がエッチングされ、前記第１端辺側にある第１領域と、表面がエッチングされず、前記第２端辺側にある第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との境界と、を有するとともに、前記第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部を有し、
前記誘電体層が、前記第１領域の表面に形成されており、
前記括れ部を形成する切り欠き端辺が、前記第２領域に配置されており、
前記陽極端子が、前記第２領域に接続されている、
電解コンデンサ。
前記陽極体が、
前記第２端辺と交わる第３端辺と、
前記第１端辺と交わる第４端辺と、を備え、
前記切り欠き端辺が、
前記第４端辺に接続する第１端部と、
前記第３端辺に接続する第２端部と、を備え、
前記第１端部と前記境界との間の距離Ｄ１が、前記第１端部と前記第２端辺との間の距離Ｄ２よりも短い、
請求項１に記載の電解コンデンサ。
前記括れ部の前記第２端辺に沿う方向の長さＷ２と前記第２端辺の幅Ｗ１との比：Ｗ２／Ｗ１が、０．２５〜０．５である、
請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
前記切り欠き端辺が、前記第２端辺側に、前記第２端辺に沿う方向の第１直線部を備える、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解コンデンサ。
前記切り欠き端辺が、前記境界側に、前記第２端辺に沿う方向の第２直線部を備える、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解コンデンサ。
前記切り欠き端辺が、前記第２端辺側に、前記第２端辺に沿う方向の第１直線部と、前記境界側に、前記第２端辺に沿う方向の第２直線部と、を備えており、
前記第１直線部と前記第２直線部との間の距離Ｌ１と前記境界と前記第２直線部との間の距離Ｌ２との比：Ｌ２／Ｌ１が、０．１〜４である、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電解コンデンサ。
前記陽極端子が、前記括れ部と前記第２端辺との間に配置されており、
前記切り欠き端辺と、前記第２端辺および前記陽極体の厚さ方向に対して垂直な方向に延びて、かつ、前記陽極体を等分する中心線と、の最短距離Ｗ３が、前記陽極端子と前記中心線との最短距離Ｗ４よりも短い、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解コンデンサ。