TW201314719A - 固態電解電容器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種固態電解電容器及其製造方法，具有高可靠度且抑制ESR等增加而提升製品良率。本發明中，該導電性高分子層係由第一導電性高分子層3與第二導電性高分子層10所構成，該第一導電性高分子層3包覆該介電質層2的表面，該第二導電性高分子層設於包覆該底面及該側面的該第一導電性高分子層3之表面，並設成露出該第一導電性高分子層3之該導出面的至少一部分。

Description

固態電解電容器及其製造方法
本發明係關於固態電解電容器及其製造方法。
以往，使用鉭、鋁等的固態電解電容器，因為電容容量大、頻率特性優異，所以廣泛使用於可攜式電子終端機或個人電腦等電子設備。近年來，伴隨著電子設備的高可靠度化與高性能化，更提高對於降低洩漏電流(LC)、低等效串聯電阻(低ESR)化等方面的要求。
在此，說明習知的固態電解電容器之構造。圖3係說明習知固態電解電容器之構成的概略剖面圖。陽極體21係鉭或鋁等閥作用金屬的微粉末所成型燒結的具有多數微小孔洞(多孔質層)的燒結體。與陽極體21共同成為陽極部的陽極導線28，係由閥作用金屬的電線等所構成，從陽極體21的陽極導線導出面(導出面)導出。陽極體21的表面及內部的多孔質層的表面形成有氧化皮膜的介電質層22。再者，介電質層22的表面形成有固態電解質層23。絕緣部30由環氧樹脂構成，配置於陽極導線28的根基部分，以防止固態電解質層23接觸陽極導線28而產生電性短路。
固態電解質層23的表面，形成有石墨層24、銀膏層25作為陰極部，構成電容器元件。電容器元件的陽極導線28與陰極部，藉由熔接或導電性黏接劑26而電性連接至外部電極端子即導線框架31、導線框架32。其後，設置由外封裝樹脂29構成的外封裝，完成固態電解電容器。
固態電解質層使介電質層與陰極部之間電性連接，具有引出 介電質層所具有的電容容量之功能。固態電解質層係在獲得固態電解電容器的電子特性方面的一個重要構成部分，其構造或製造方法等備受探討。近年來多製造採用由導電性高分子的導電性高分子層來作為固態電解質層的固態電解電容器。
就導電性高分子層的形成而言，習知係使用化學氧化聚合法，將形成有介電質層的陽極體(陽極體元件)浸漬於由單體、觸媒、成為摻雜物的氧化劑等添加至溶劑而成的溶液，在介電質層的表面聚合。一般而言，化學氧化聚合法中採用浸透性佳容易進入到多孔質層的細部的低黏度溶液，可獲得具有與形成作為介電質層與陰極部的層之密合性佳等特徵的導電性高分子層。
又，在化學氧化聚合法之上，亦採用導電性高分子懸浮溶液之方法。此導電性高分子懸浮溶液之方法(導電性高分子懸浮溶液法)，係在含有預先聚合且添加有摻雜物的導電性高分子之導電性高分子懸浮溶液，浸漬並含浸陽極體元件，將其拉起之後，藉由加熱使之乾燥而形成導電性高分子層的方法。藉由此方法獲得的導電性高分子層，相較於藉由化學氧化聚合法等獲得的導電性高分子層而言，具有密度高、耐熱性佳、導電性高分子層的形成快之特徵。此方法中所用的導電性高分子懸浮溶液及製造方法，記載於專利文獻1的請求項2、3及段落0014~0028。
就導電性高分子懸浮溶液法之導電性高分子層所對於介電質層的形成狀態而言，如前述的圖3所示，有些情況下導電性高分子層(固態電解質層23)還包覆於導出面的表面。此種構造的固態電解電容器之例記載於專利文獻2的圖1、段落0016。
如前所述，化學氧化聚合法之導電性高分子層，因為採用低黏度的溶液所以容易進入到多孔質層的細部，就反面而言，所形成的導電性高分子層在溶液性質上係低密度。因此，有可能因為 外封裝樹脂的封裝使得導電性高分子層受壓縮，令介電質層與石墨層相接觸而產生短路或LC增加。又，因為係低密度，所以氣體(氧)容易穿透，亦有可能因為陽極體內部的氧化產生ESR增加。
對於這種擔憂而言，藉由可獲得高密度導電性高分子層的導電性高分子懸浮溶液法來形成導電性高分子層係有效。亦即，只要能在陽極體元件表面以期望的厚均勻地形成導電性高分子層，即能獲得對於氧入侵與封裝壓力而言的高可靠度。因此，有人探討一種固態電解電容器，在化學氧化聚合法之導電性高分子層的表面，採用導電性高分子懸浮溶液來形成導電性高分子層。
【先前技術文獻】 【專利文獻】
專利文獻1：日本特開平11-121281號公報
專利文獻2：日本特開2010-3772號公報
再設有低密度的導電性高分子層的陽極體元件的全部表面，採用導電性高分子懸濁液溶液法形成高密度導電性高分子層時，有些情況下會封住殘留於陽極元件的多孔質內部的空氣或溶劑。在此種狀態下進行乾燥等加熱時，空氣或溶劑膨脹，有些情況下在導電性高分子層或介電質層的交界面產生微小的剝離，將因為ESR增加等使得製品良率降低課題。
所以，本發明的目的在於提供一種固態電解電容器及其製造方法，藉由解決上述問題來抑制ESR增加並具有高可靠度且防止短路等，提升製品良率。
本發明尋得一種固態電解電容器及其製造方法，係於固態電解電容器及其製造方法藉由採用導電性高分子懸濁液法，使用高黏度導電性高分子懸浮溶液，並具有第二導電性高分子層，設成包覆於形成有第一導電性高分子層的陽極體元件之底面及側面，且露出導出面的至少一部分，可靠度優異，且防止短路等，提升製品良率。
亦即，本發明之固態電解電容器，其具有電容器元件，該電容器元件與外部電極端子電性連接，並具有藉由絕緣材料包覆全部之面的外封裝，且包含：陽極體，包含導出陽極導線的導出面、位於該導出面相反側的底面、連接於該導出面及該底面的側面，並由具有多孔質層的閥作用金屬構成；介電質層，形成於該陽極體的表面；導電性高分子層，形成於該介電質層的表面；以及石墨層及銀膏層，依照次序形成於該導電性高分子層的表面，其特徵在於：該導電性高分子層由第一導電性高分子層與第二導電性高分子層構成，該第一導電性高分子層包覆該介電質層的表面，該第二導電性高分子層設於包覆該底面及該側面之該第一導電性高分子層的表面，並設成露出該第一導電性高分子層之該導出面的至少一部分。
又，本發明之固態電解電容器，其具有：該第一導電性高分子層，藉由化學氧化聚合法或導電性高分子懸浮溶液法而形成；以及該第二導電性高分子層，藉由可獲得比該第一導電性高分子層更高密度的導電性高分子層之導電性高分子懸浮溶液法而形成。
本發明之固態電解電容器，其在該第二導電性高分子層與該石墨層之間，以及在形成有該第一導電性高分子層的該導出面之表面的至少一部分，具有抗氧化層。
本發明之固態電解電容器之製造方法，其包含以下步驟：在包含導出陽極導線的導出面、位於該導出面相反側的底面與連接於該導出面及該底面的側面並由具有多孔質層的閥作用金屬所構成的陽極體表面，形成介電質層之步驟；在該介電質層的表面形成第一導電性高分子層之步驟；浸漬於導電性高分子懸浮溶液並乾燥，形成第二導電性高分子層，包覆該底面及該側面的該第一導電性高分子層之表面與露出該第一導電性高分子層之該導出面的至少一部分之步驟；在該第二導電性高分子層的表面形成石墨層後，形成銀膏層並形成陰極部之步驟；以及將該陽極導線與該陰極部，與外部電極端子電性連接並以絕緣材料進行外封裝之步驟。
本發明之固態電解電容器之製造方法中，該第一導電性高分子層係藉由化學氧化聚合法或導電性高分子懸浮溶液法而形成，該第二導電性高分子層係使用比形成該第一導電性高分子層時所採用的溶液更高黏度之導電性高分子懸浮溶液而形成。
本發明之固態電解電容器之製造方法中，更含有以下步驟：將形成有該第一導電性高分子層的該導出面與該第二該導電性高分子層的表面浸漬於或塗布含有抗氧化劑的溶液，並進行乾燥，形成抗氧化層。
本發明之固態電解電容器之製造方法中，該高黏度導電性高分子懸浮溶液之黏度係在100mPa．S以上500mPa．S以下。
依據本發明，可提供一種固態電解電容器及其製造方法，藉由化學氧化聚合法或藉由使用低黏度導電性高分子懸浮溶液的導電性高分子懸浮溶液法，將第一導電性高分子層形成於介電質層 之表面，且具有第二導電性高分子層，使用高黏度導電性高分子懸浮溶液，藉由導電性高分子懸浮溶液法包覆於形成有第一導電性高分子層的底面及側面，且設成露出導出面的至少一部分，藉以抑制來自外部的氧入侵而抑制ESR增加，且易於在加熱時釋放殘留的空氣等，能實現高可靠度，且防止短路等，提升製品良率。
(實施發明之最佳形態)
以下參照圖式說明本發明之實施形態。
(實施形態1)
圖1係說明本發明之實施形態1的固態電解電容器之構成的概略剖面圖。本發明的固態電解電容器，包含由具有多孔質層的閥作用金屬之燒結體所構成的陽極體1，並具有導出陽極導線8的導出面。在該具有多孔質層的陽極體1之表面形成有介電質層2。
陽極體1，係利用由具有閥作用的金屬微粒子所構成的燒結體，或者藉由蝕刻而擴面處理的多孔質層化之閥作用金屬等而形成。閥作用金屬可從鉭、鋁、鈦、鈮、鋯或此等之合金中適當選定。
介電質層2係使閥作用金屬之表面電解氧化的膜，形成於陽極體1的導出面、側面、底面及內部的多孔質層之表面。介電質層2的厚度，可藉由電解氧化的電壓來適當調整。絕緣部11係塗布環氧樹脂等物而形成於陽極導線28的根基部分。
其次於介電質層2的表面形成第一導電性高分子層3。第一導電性高分子層3係藉由化學氧化聚合法法或導電性高分子懸浮溶 液法的其中任一者來形成，包覆介電質層2的表面。
第一導電性高分子層3為顯現高導電性，含有例如由包含吡咯、噻吩、苯胺及其誘導體至少1種以上的單量體所構成的聚合物，尤其宜含有吡咯、3，4-乙烯基二氣噻吩或其誘導體。此外，就摻雜物而言，從顯現高導電性而言，宜含有磺酸系化合物。
在此，於形成時第一導電性高分子層3採用導電性高分子懸浮溶液法之情況，就易於進入到多孔質層的細部而言，宜使用1mPa．S以上90mPa．S以下的低黏度之導電性高分子懸浮溶液。
其次於第一導電性高分子層3的表面形成第二導電性高分子層10。第二導電性高分子層10係藉由導電性高分子懸浮溶液法來形成，包覆在形成有第一導電性高分子層3的陽極體元件之底面及側面，且設為露出導出面的至少一部分。亦即不包覆導出面，或者包覆在導出陽極導線8的根基部分周邊以外的區域。藉此，因為在加熱時易於使殘留的空氣等釋出，所以能提供一種固態電解電容器及其製造方法，實現高可靠度，且防止短路等，能夠提升製品良率。
在此，形成第二導電性高分子層10所使用的導電性高分子懸浮溶液，從在形成有第一導電性高分子層3的陽極體元件之底面及側面產生充足厚度的導電性高分子層抑制氧入侵或吸收緩和封裝壓之目的而言，宜使用100mPa．S以上500mPa．S以下的高黏度之導電性高分子懸浮溶液。
本發明所使用的導電性高分子懸浮溶液，主要構成有含有吡咯、噻吩、苯胺及其誘導體中至少1種以上的聚合物，與含有摻雜物的溶劑，就聚合物而言，從顯現高導電性而言，尤其宜含有吡咯、3，4-乙烯基二氧噻吩或其誘導體。
就摻雜物而言，由顯現高導電性而言，宜為例如由萘磺酸、苯磺酸、苯乙烯磺酸及其誘導體所構成的磺酸系化合物。
就溶劑而言，可只使用水，亦可使用含有可溶於水的有機溶劑之混和溶劑。就有機溶劑而言，宜為二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺、二甲基亞碸、乙二醇、丙三醇、山梨醇等極性溶劑，混合此等有機溶劑係因頗為具有促進聚合物溶解與提升成膜性之作用，宜適量添加。
其後，於第二導電性高分子層10的表面形成出作為陰極部的石墨層4、銀膏層5，獲得電容器元件。最後將電容器元件與外部電極端子即導線框架31、導線框架32藉由熔接或導電性黏接劑6予以電性連接，並設置外封裝樹脂9之外封裝，獲得本發明之固態電解電容器。
(實施形態2)
圖2係說明本發明之實施形態2的固態電解電容器之構成的概略剖面圖。本發明的固態電解電容器如圖2所示，為了更加提升對於高溫的可靠度，亦可於形成第二導電性高分子層10之後浸漬於或塗布含有抗氧化劑的溶液並乾燥，連導出陽極導線8的導出面均形成抗氧化劑層12。另，陽極體1、介電質層2、第一導電性高分子層3、第二導電性高分子層10、絕緣部11之構成係與實施形態1同等，故省略說明。
抗氧化劑可採用塑膠用一般使用之物，從獲得高抗氧化性而言，宜含有選自酚系化合物、苯基酮系化合物、水楊酸系化合物及苯並三氮唑系化合物所構成的群中至少1種化合物。
其後，於抗氧化劑層12的表面形成石墨層4、銀膏層5作為 陰極部，獲得電容器元件。最後將電容器元件與外部電極端子即導線框架31、導線框架32藉由熔接或導電性黏接劑6予以電性連接，並設置外封裝樹脂9之外封裝，獲得本發明之固態電解電容器。
【實施例】
以下說明本發明之實施例1、2。
(實施例1)
對於採用鉭粉末(約30,000CV/g)，縱3.5mm、橫3.0mm、高度1.5mm的直方體且埋入有直徑0.4mm的鉭線作為陽極導線的沖壓體，以大致1,500℃進行燒結，製作出具有導出陽極導線的多孔質層之陽極體。將此陽極體在磷酸水溶液中施加30V的電壓進行電解氧化，形成介電質層。
其次，將受到介電質層包覆的陽極體浸漬於含有氧化劑即過氧二硫酸銨與1，3，6-萘三磺酸的水溶液，在室溫下使其乾燥之後，浸漬於3，4-乙烯基二氧噻吩，再保持於室溫下進行3，4-乙烯基二氧噻吩的聚合。將此等一連串聚合操作重複4次，形成由化學氧化聚合法之導電性聚3，4-乙烯基二氧噻吩所構成的第一導電性高分子層。第一導電性高分子層的厚度定為12μm。另，第一導電性高分子層在封裝實施後受到壓縮，厚度成為1/3左右。
其次，利用乙醇清洗形成有第一導電性高分子層的陽極體元件，於乾燥之後，進行1次下述步驟：將陽極體元件之底面到側面浸漬於導電性高分子懸浮溶液，且控制使得導電性高分子懸浮溶液不附著於導出面，並拉起。在此，就導電性高分子懸浮溶液而言，係使用黏度大致在200mPa．S，並以4質量%混合有聚3，4-乙烯基二氧噻吩及聚磺酸苯乙烯的水溶液(以下稱導電性高分子懸浮溶液A)。其次，以125℃乾燥1小時，完成導電性高分子 懸浮溶液法之第二導電性高分子層。第二導電性高分子層的厚度定為15μm。
之後，使用石墨膏或銀膏等導電性膏來形成石墨層與銀膏層。其後，將導線框架分別連接至銀膏層及陽極導線，將全體藉由外封裝樹脂進行外封裝，獲得固態電解電容器。
(實施例2)
實施例2係於形成第一導電性高分子層時亦採用導電性高分子懸浮溶液法。
將陽極體元件浸漬於導電性高分子懸浮溶液直到絕緣部為止，在125℃乾燥20分鐘。重複3次該作業，形成第一導電性高分子層。第一導電性高分子層的厚度定為5μm。
在此，就導電性高分子懸浮溶液而言，係使用黏度大致30mPa．S，以2質量%混合聚3，4-乙烯基二氧噻吩及聚磺酸苯乙烯的水溶液。之後的步驟與實施例1同樣。
其次具體說明本發明之實施例3。
(實施例3)
與實施例1同樣地形成直到第二導電性高分子層，其次將形成有第一及第二導電性高分子層的陽極體元件浸漬於含有抗氧化劑的水溶液直到完全浸入。其後，在125℃乾燥30分鐘形成抗氧化層。就抗氧化劑而言係使用市售的酚系化合物。水溶液的酚系化合物含有量定為10質量%。另，抗氧化層的厚度定為1μm。形成石墨層起的步驟亦與實施例1同樣。
(比較例1)
就單體而言，使用3，4-乙烯基二氧噻吩，只使用化學氧化聚合法來形成導電性高分子層。亦即，將陽極體元件浸漬於含有氧化劑即過氧二硫酸銨與1，3，6-萘三磺酸的水溶液中，其次在室溫乾燥之後，浸漬於含有3，4-乙烯基二氧噻吩的液中，再保持於室溫進行3，4-乙烯基二氧噻吩的聚合。重複10次此等聚合操作，形成由導電性聚3，4-乙烯基二氧噻吩所構成的導電性高分子層。在導電性高分子層的形成以外係與實施例1同樣。導電性高分子層的厚度定為30μm。另，比較例1的導電性高分子層在封裝實施後受到壓縮，厚度成為1/3左右。
(比較例2)
與實施例1時同樣形成第一導電性高分子層，其次，將形成有第一導電性高分子層的陽極體元件，浸漬於導電性高分子懸浮溶液A直到到達絕緣部之後，在125℃乾燥20分鐘。亦即，在含有陽極導線與絕緣部附近的面形成第二導電性高分子層。其他構造係與實施例1同樣。
以實施例1、2、3及比較例1、2的條件製作各200個的固態電解電容器。表1顯示製造步驟中的LC檢査後之製品良率、初始ESR、125℃，1,000小時後的耐熱測試之ESR的上昇率。ESR的測定頻率系100kHz，LC測定時的施加電壓定為20V。ESR與LC係依據JISC5101-1來測量。
表1的實施例1~3之固態電解電容器，比起比較例2所獲得的將第二導電性高分子層形成於全部之面的固態電解電容器而言，製品良率有所提升。又，表1的實施例1~3之固態電解電容器，比起比較例1所獲得的只藉由化學氧化聚合法來形成導電性高分子層的固態電解電容器而言，抑制ESR增加。藉此，已確認本發明之效果。
以上使用實施例來說明本發明之實施形態，但本發明不限於此等實施例，如有不脫離本發明主旨精神範圍的設計變更，亦包含在本發明中。亦即，所屬技術領域中具有通常知識者所能思及完成的各種變形、修正均包含在本發明中。
1、21‧‧‧陽極體
2、22‧‧‧介電質層
3‧‧‧第一導電性高分子層
4、24‧‧‧石墨層
5、25‧‧‧銀膏層
6、26‧‧‧導電性黏接劑
8、28‧‧‧陽極導線
9、29‧‧‧外封裝樹脂
10‧‧‧第二導電性高分子層
11、30‧‧‧絕緣部
12‧‧‧抗氧化劑層
23‧‧‧固態電解質層
31、32‧‧‧導線框架(外部電極端子)
圖1係說明本發明之實施形態1的固態電解電容器之構成的概略剖面圖。
圖2係說明本發明之實施形態2的固態電解電容器之構成的概略剖面圖。
圖3係說明習知的固態電解電容器之構成的概略剖面圖。
1‧‧‧陽極體
2‧‧‧介電質層
3‧‧‧第一導電性高分子層
4‧‧‧石墨層
5‧‧‧銀膏層
6‧‧‧導電性黏接劑
8‧‧‧陽極導線
9‧‧‧外封裝樹脂
10‧‧‧第二導電性高分子層
11‧‧‧絕緣部
31‧‧‧導線框架
32‧‧‧導線框架(外部電極端子)

Claims (7)

  1. 一種固態電解電容器，具有電容器元件，該電容器元件與外部電極端子電性連接，並具有藉由絕緣材料包覆全部之面的外封裝，且包含：陽極體，具有導出陽極導線的導出面、位於該導出面相反側的底面、連接於該導出面及該底面的側面，並由具有多孔質層的閥作用金屬構成；介電質層，形成於該陽極體的表面；導電性高分子層，形成於該介電質層的表面；以及石墨層及銀膏層，依照次序形成於該導電性高分子層的表面，其特徵在於：該導電性高分子層由第一導電性高分子層與第二導電性高分子層構成，該第一導電性高分子層包覆該介電質層的表面，該第二導電性高分子層設於包覆該底面及該側面之該第一導電性高分子層的表面，並設成露出該第一導電性高分子層之該導出面的至少一部分。
  2. 如申請專利範圍第1項之固態電解電容器，具有：該第一導電性高分子層，藉由化學氧化聚合法或導電性高分子懸浮溶液法而形成；以及該第二導電性高分子層，藉由可獲得比該第一導電性高分子層更高密度的導電性高分子層之導電性高分子懸浮溶液法而形成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之固態電解電容器，其在該第二導電性高分子層與該石墨層之間，以及在形成有該第一導電性高分子層的該導出面之表面的至少一部分，具有抗氧化層。
  4. 一種固態電解電容器之製造方法，包含以下步驟：在一陽極體之表面形成介電質層之步驟，該陽極體包含導出陽極導線的導出面、位於該導出面相反側的底面，及連接於該導出面及該底面的側面，並由具有多孔質層的閥作用金屬所構成；在該介電質層的表面形成第一導電性高分子層之步驟；浸漬於導電性高分子懸浮溶液並乾燥而形成第二導電性高分子層之步驟，該第二導電性高分子層使包覆該底面及該側面的該第一導電性高分子層之表面以及該第一導電性高分子層之該導出 面之一部分露出；在該第二導電性高分子層的表面形成石墨層後，形成銀膏層並形成陰極部之步驟；以及將該陽極導線及該陰極部，與外部電極端子電性連接並以絕緣材料進行外封裝之步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項之固態電解電容器之製造方法，其中，該第一導電性高分子層係藉由化學氧化聚合法或導電性高分子懸浮溶液法而形成，該第二導電性高分子層係使用比形成該第一導電性高分子層時所採用的溶液更高黏度之導電性高分子懸浮溶液而形成。
  6. 如申請專利範圍第4或5項之固態電解電容器之製造方法，其中，更包含以下步驟：將形成有該第一導電性高分子層的該導出面與該第二該導電性高分子層的表面浸漬於或塗布含有抗氧化劑的溶液，並進行乾燥，形成抗氧化層。
  7. 如申請專利範圍第5項之固態電解電容器之製造方法，其中，該高黏度導電性高分子懸浮溶液之黏度係在100mPa．S以上500mPa．S以下。
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