JPWO2020111093A1 - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態に係る電解コンデンサは、陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を含むコンデンサ素子を備える。陽極体は、多孔質部分を有し、多孔質部分に細孔を有する。コンデンサ素子は、細孔内において、陽極体の表面を覆う誘電体層に付着したシリカ粒子をさらに備え、固体電解質層が、シリカ粒子を覆っている。
製造工程を短縮する観点からは、コロイダルシリカおよび導電性高分子を含む分散液を調製し、当該分散液に多孔質部分を浸漬して、シリカ粒子を誘電体層に付着させる方法も考えられる。しかしながら、この場合、シリカ粒子は固体電解質層(導電性高分子)内に分散した状態で存在し、細孔内に入り込み難い。
陽極体1は、細孔1Aを有する。細孔1Aにおいて露出する陽極体1の表面は、誘電体層3で覆われている。固体電解質層4が、細孔1Aの少なくとも一部を埋めている。細孔1A内において、シリカ粒子15が、誘電体層3の表面に分散して付着している。固体電解質層4は、誘電体層3を覆うほか、誘電体層3に付着したシリカ粒子15を覆っている。
以下、コンデンサ素子10について、電解質として固体電解質層を備える場合を例に挙げて、詳細に説明する。
陽極体1は、例えば、金属粒子を焼結して得られる直方体の多孔質焼結体である。上記金属粒子として、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)などの弁作用金属の粒子が用いられる。陽極体1には、1種または2種以上の金属粒子が用いられる。金属粒子は、2種以上の金属からなる合金であってもよい。例えば、弁作用金属と、ケイ素、バナジウム、ホウ素等とを含む合金を用いることができる。また、弁作用金属と窒素等の典型元素とを含む化合物を用いてもよい。弁作用金属の合金は、弁作用金属を主成分とし、例えば、弁作用金属を50原子%以上含む。
陰極部7は、固体電解質層4と、固体電解質層4を覆う陰極層5とを有している。固体電解質層4は、誘電体層3上のシリカ粒子15を介して、あるいは、誘電体層3上に直接、誘電体層3の少なくとも一部を覆うように形成されている。
陽極リード端子13は、陽極ワイヤ2の第二部分2bを介して、陽極体1と電気的に接続している。陽極リード端子13の材質は、電気化学的および化学的に安定であり、導電性を有するものであれば特に限定されない。陽極リード端子13は、例えば銅等の金属であってもよいし、非金属であってもよい。その形状は平板状であれば、特に限定されない。陽極リード端子13の厚み(陽極リード端子13の主面間の距離)は、低背化の観点から、25μm以上、200μm以下であってよく、25μm以上、100μm以下であってよい。
陰極リード端子14は、接合部14aにおいて陰極部7と電気的に接続している。接合部14aは、陰極層5と陰極層5に接合された陰極リード端子14とを、陰極層5の法線方向からみたとき、陰極リード端子14の陰極層5に重複する部分である。
外装体11は、陽極リード端子13と陰極リード端子14とを電気的に絶縁するために設けられており、絶縁性の材料(外装体材料)から構成されている。外装体材料は、例えば、熱硬化性樹脂を含む。熱硬化性樹脂としては、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、不飽和ポリエステル等が挙げられる。
以下に、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法の一例を説明する。
電解コンデンサの製造方法は、陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を含むコンデンサ素子を備える固体電解コンデンサを製造する方法であって、多孔質部分を有する陽極体を準備する工程と、陽極体を化成処理して、多孔質部分の細孔の内壁に沿って誘電体層を形成する工程と、細孔内における誘電体層の表面にシリカ粒子を付着させる工程と、シリカ粒子を付着させる工程後に、細孔の少なくとも一部を固体電解質層で埋める工程と、を含む。シリカ粒子を付着させる工程は、例えば、誘電体層形成後の陽極体を球状のコロイド状シリカ粒子が分散した分散液に浸漬後、乾燥させる工程を含む。
陽極体1としては、多孔質焼結体を用いることができる。弁作用金属粒子と陽極ワイヤ2とを、第一部分2aが弁作用金属粒子に埋め込まれるように型に入れ、加圧成形した後、焼結することにより、弁作用金属の多孔体である陽極体1を含む陽極部6を得る。陽極ワイヤの第一部分2aは、多孔質焼結体の一面からその内部に埋設されている。加圧成形の際の圧力は特に限定されない。焼結は、減圧下で行なうことが好ましい。弁作用金属粒子には、必要に応じて、ポリアクリルカーボネート等のバインダを混合してもよい。
次に、陽極体1を化成処理し、陽極体1の多孔質部分の細孔の内壁に沿って誘電体層3を形成する。具体的には、電解水溶液(例えば、リン酸水溶液)が満たされた化成槽に、陽極体1を浸漬し、陽極ワイヤ2の第二部分2bを化成槽の陽極体に接続して、陽極酸化を行うことにより、多孔質部分の表面に弁作用金属の酸化被膜からなる誘電体層3を形成することができる。電解水溶液としては、リン酸水溶液に限らず、硝酸、酢酸、硫酸などを用いることができる。
次に、誘電体層の表面にシリカ粒子15を付着させる。具体的には、例えば、球状のコロイド状シリカ粒子(コロイダルシリカ)が分散した分散液に、陽極体1を浸漬することにより、シリカ粒子15を陽極体1の細孔の内奥まで行き渡らせ、その後、乾燥させることにより、シリカ粒子15を細孔内の誘電体層に付着させる。分散液に陽極体1を浸漬する時間は、例えば、1分以上30分以下である。乾燥に要する時間は、例えば、10分以上〜30分以下である。乾燥は、例えば、110℃以上150℃以下の条件で行われる。
シリカ粒子は、球状が好ましい。粒子径は、例えば8nm以上80nm以下であり、10nm以上60nm以下が好ましく、15nm以上50nm以下がより好ましい。
続いて、固体電解質層4を形成し、陽極体1の細孔の少なくとも一部を固体電解質層で埋める。これにより、陽極体1、誘電体層3、および固体電解質層4を含むコンデンサ素子10を得る。本実施形態では、導電性高分子を含む固体電解質層4の形成工程を説明する。
導電性高分子を含む固体電解質層4は、例えば、誘電体層3が形成された陽極体1に、モノマーやオリゴマーを含浸させ、その後、化学重合や電解重合によりモノマーやオリゴマーを重合させる方法、あるいは、誘電体層3が形成された陽極体1に、導電性高分子の溶液または分散液を含浸し、乾燥させることにより、誘電体層3の少なくとも一部に形成される。
続いて、固体電解質層4の表面に、カーボンペーストおよび金属ペーストを順次、塗布することにより、カーボン層5aと金属ペースト層5bとで構成される陰極層5を形成する。陰極層5の構成は、これに限られず、集電機能を有する構成であればよい。
続いて、コンデンサ素子10および外装体11の材料(例えば、未硬化の熱硬化性樹脂およびフィラー)を金型に収容し、トランスファー成型法、圧縮成型法等により、コンデンサ素子10を封止する。このとき、陽極リード端子13および陰極リード端子14の一部を金型から露出させる。成型の条件は特に限定されず、使用される熱硬化性樹脂の硬化温度等を考慮して、適宜、時間および温度条件を設定すればよい。
以上の方法により、電解コンデンサ20が製造される。
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
下記の要領で電解コンデンサを作製した。
(陽極体の形成)
弁作用金属としてタンタル金属粒子を用いた。銅からなる陽極ワイヤの一端がタンタル金属粒子に埋め込まれるように、タンタル金属粒子を直方体に成形し、その後、成形体を真空中で焼結した。これにより、タンタルの多孔質焼結体からなる陽極体と、陽極体に一端が埋設され、残りの部分が陽極体の一面から植立した陽極ワイヤと、を含む陽極部を得た。
電解水溶液であるリン酸水溶液が満たされた化成槽に、陽極体および陽極体から植立した陽極ワイヤの一部を浸漬し、陽極ワイヤの他端を化成槽の陽極体に接続した。そして、陽極酸化を行うことにより、陽極体の表面(孔の内壁面を含む多孔質焼結体の表面)および陽極ワイヤの一部の表面に、酸化タンタル(Ta2O5)の均一な誘電体層を形成した。陽極酸化は、陽極体を0.02質量%リン酸水溶液中で、化成電圧10V、温度60℃の条件で2時間行った。
陽極体の細孔径分布を水銀圧入法にて測定し、上述の方法で細孔径を求めたところ、390nmに細孔径のピークを確認した。
球状のコロイダルシリカとして、日産化学株式会社製MEK−ST−L(粒子径40nm〜50nm)に、メチルエチルケトンをコロイダルシリカの含有量が5質量%となるように加え、分散液を調製した。得られた分散液に、陽極体を3分間浸漬した後、130℃で10分間乾燥させた。
3,4−エチレンジオキシチオフェンと、p−トルエンスルホン酸鉄(III)と、1−ブタノ−ルとを混合し、混合液を調製した。混合液に陽極体を浸漬した後、陽極体を混合液から引き上げ、大気中で熱処理を行った。この場合、p−トルエンスルホン酸鉄(III)は、酸化剤として機能する。陽極体の混合液への浸漬と熱処理を複数回行い、誘電体層上にポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)を含む固体電解質層を形成した。
固体電解質層の表面に、カーボンペーストを塗布することにより、カーボン層を形成した。次に、カーボン層の表面に、銀ペーストを塗布することにより、銀ペースト層を形成した。こうして、カーボン層と銀ペースト層とで構成される陰極層を形成した。
陰極層に導電性接着材を塗布した後、陰極リード端子を、導電性接着材を介して陰極層に接合した。陽極ワイヤと陽極リード端子とを、抵抗溶接により接合した。
次いで、各リード端子が接合されたコンデンサ素子および外装体の材料(未硬化の熱硬化性樹脂およびフィラー)を金型に収容し、トランスファー成型法により、コンデンサ素子を封止した。
このようにして、電解コンデンサを35個製造した。
得られた電解コンデンサについて、下記の手順で、漏れ電流値を評価した。
25℃の環境下で2Vの電圧を印加し、電解コンデンサを充電した。充電状態の電解コンデンサに流れる電流を測定し、漏れ電流として評価した。その後、25℃で、印加電圧を4Vから34Vまで、2Vずつ上昇させながら電解コンデンサを充電し、同様に漏れ電流を評価した。
球状のコロイダルシリカとして、日産化学株式会社製MEK−ST−40(粒子径10〜15nm)、または日産化学株式会社製MEK−ST−ZL(粒子径70〜100nm)を用いた分散液を調製した。また、鎖状コロイダルシリカとして、日産化学株式会社製MEK−ST−UPを用いた分散液を調製した。上記鎖状コロイダルシリカは、粒子径10〜15nmのシリカ粒子が連結した鎖状構造を有する。
また、分散液中のコロイダルシリカの含有量を5質量%から10質量%に変更した分散液を調製した。
誘電体層にシリカ粒子を付着させる工程を行わなかった。
これ以外については、実施例1と同様にして電解コンデンサを35個製造し、同様に評価した。
コロイダルシリカを含む分散液の調製において、分散媒として、メチルエチルケトンの代わりに水を用いた。これ以外については、実施例1と同様にして電解コンデンサを製造した。
サと比べて、修復前漏れ電流および修復後漏れ電流が大幅に改善している。また、漏れ電流の電解コンデンサ毎のばらつきも低減されている。
10:コンデンサ素子
1:陽極体
1A:細孔
2:陽極ワイヤ
2a:第一部分
2b:第二部分
3:誘電体層
3X:欠損部分
4:固体電解質層
5:陰極層
5a:カーボン層
5b:金属ペースト層
6:陽極部
7:陰極部
8:導電性接着材
11:外装体
11X:導出面
13:陽極リード端子
14:陰極リード端子
14a:接合部
15:シリカ粒子
Claims (9)
- 陽極体と、
前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、
を含むコンデンサ素子を備え、
前記陽極体は細孔を有し、
前記コンデンサ素子は、前記細孔内において、前記陽極体の表面を覆う前記誘電体層に付着したシリカ粒子をさらに備え、
前記固体電解質層が、前記シリカ粒子を覆っている、電解コンデンサ。 - 前記シリカ粒子は、球状である、請求項1に記載の電解コンデンサ。
- 前記シリカ粒子の粒径は、前記細孔の細孔径の2.5%以上15%以下である、請求項2に記載の電解コンデンサ。
- 固体電解質層は、導電性高分子を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 前記陽極体は、弁作用を有する金属粒子の焼結体である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解コンデンサ。
- 陽極体と、前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の少なくとも一部を覆う固体電解質層と、を含むコンデンサ素子を備える固体電解コンデンサを製造する方法であって、
細孔を有する前記陽極体を準備する工程と、
前記陽極体を化成処理し、前記細孔の内壁に沿って前記誘電体層を形成する工程と、
前記細孔内における前記誘電体層の表面にシリカ粒子を付着させる工程と、
前記シリカ粒子を付着させる工程後に、前記細孔の少なくとも一部を前記固体電解質層で埋める工程と、を含む、電解コンデンサの製造方法。 - 前記シリカ粒子を付着させる工程は、前記誘電体層形成後の前記陽極体を球状のコロイド状シリカ粒子が分散した分散液に浸漬後、乾燥させる工程を含む、請求項6に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記分散液は、疎水性溶媒を含む、請求項7に記載の電解コンデンサの製造方法。
- 前記分散液は、シラン系表面処理剤を含む、請求項7または8に記載の電解コンデンサの製造方法。
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WO2020111093A1 (ja) | 2020-06-04 |
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