TW201616534A - 金屬陽極改良之固態電解電容器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種金屬陽極改良之固態電解電容器及其製造方法，所述金屬陽極改良之固態電解電容器包括一基材層、一導電高分子層及一電極層，所述基材層具有一陽極部及一陰極部，其中所述陽極部的厚度較所述陰極部的厚度為薄，所述導電高分子層包覆所述陰極部，所述電極層包覆所述導電高分子層。本發明的金屬陽極改良之固態電解電容器用於堆疊式封裝成型時，能大幅提升焊接成功率。

Description

金屬陽極改良之固態電解電容器及其製造方法
本發明是關於一種固態電解電容器，且特別是有關於一種金屬陽極改良之固態電解電容器及其製造方法。
按，電容器已廣泛地被使用於消費性家電用品、電腦主機板及其周邊、電源供應器、通訊產品、及汽車等的基本元件，其主要的作用包括：濾波、旁路、整流、耦合、去耦、轉相等。是電子產品中不可缺少的元件之一。隨著半導體製程技術的進步，由半導體構裝的電子產品因為市場的需求而開始朝更加精密先進的方向發展。就可攜式電子產品而言，消費者所期待的產品需滿足輕薄化、高頻化、多功能化、高可靠度並且符合RoHS，是以傳統液態電解電容器已逐漸無法滿足產品需求，固態電解電容器因此應運而生。
固態電解電容器依照不同的材質及用途有不同的型態，目前工業化生產的固態電解電容器主要以鋁質固態電解電容器(Aluminum solid electrolytic capacitor)和鉭質固態電解電容器(Tantalum solid electrolytic capacitor)為主。一般而言，為增加電容器的電容量，業界最常利用堆疊或層疊的方式將多個鋁質固態電解電容器單元並聯連接，並構裝成一個高電容量的固態電解電容器封裝結構，其總電容量為各電容量之總和。
惟，於堆疊構裝過程中常會遇到以下問題：首先，相鄰的兩個鋁質固態電解電容器單元的陽極部是透過焊接方式固定連接，但是受到陽極部的厚度限制，往往焊接成功率很低，或是焊接品質不佳，造成固態電解電容器封裝結構的可靠度較佳而容易失效；再者，因為陽極部太厚及其機械強度不足的影響，往往鋁質固態電解電容器的堆疊/層疊數量不能太多，導致電容量增加幅度有限。
此外，在焊接過程中，當堆疊設置的鋁質固態電解電容器的陽極部受到擠壓時容易發生熔融鋁芯飛濺之情事，此熔融鋁芯會在凝固後為封裝膠所包覆並佔據部分的空間；只是，封裝完成品在通過迴焊爐時，此熔融鋁芯又會發生二次熔融，從而其騰出的空間會導致封裝體的密封性不佳，使空氣中的水分進入而影響電容器的電氣特性強度。
針對上述的鋁質固態電解電容器存在的缺陷或不足，本發明人遂以其多年從事各種電容器的製造經驗和技術累積，積極地研究如何從結構上作改良，以期能改善先前技術之缺失，終於在各方條件的審慎考量下開發出本發明。
本發明之主要目的在於提供一種金屬陽極改良之固態電解電容器及其製造方法，所述金屬陽極改良之固態電解電容器應用於堆疊封裝成型時，能大幅提升焊接成功率，並增加堆疊/層疊的數量以大幅增加並聯的總電容量。
為達上述的目的及功效，本發明採用以下技術內容：一種金屬陽極改良之固態電解電容器，包括一基材層、一導電高分子層及一電極層，所述基材層具有一陽極部及一陰極部，其中所述陽極部的厚度較所述陰極部的厚度為薄，所述導電高分子層包覆所述陰極部，所述電極層包覆所述導電高分子層。
本發明另採用以下技術內容來達到上述的目的及功效：一種金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法，包括下列步驟：首先，提供一基材層，所述基材層具有一陽極部及一陰極部，而且所述陽極部及所述陰極部各包含一金屬芯體及分別形成於所述金屬芯層之雙面的兩層腐蝕層；接著，至少移除部分所述陽極部之腐蝕層，使所述陽極部的厚度較所述陰極部的厚度為薄；然後，形成一導電高分子層以包覆所述陰極部；以及最後，形成一電極層以包覆所述導電高分子層。
本發明至少具有以下有益效果：本發明透過“陽極部的厚度較陰極部的厚度為薄”的設計，當應用於堆疊封裝以增加電容量時，不僅能大幅提升焊接成功率、降低阻抗(ESR值)及增加電容器並聯的數量。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術內容得到進一步的了解。為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式作詳細說明如下。
C‧‧‧電容單元
1‧‧‧金屬陽極改良之固態電解電容器
10‧‧‧基材層
11‧‧‧陽極部
111‧‧‧第一金屬芯體
112‧‧‧第一腐蝕層
1121‧‧‧多孔質金屬層
1122‧‧‧氧化皮膜
12‧‧‧陰極部
121‧‧‧第二金屬芯體
122‧‧‧第二腐蝕層
1221‧‧‧多孔質金屬層
1222‧‧‧氧化皮膜
13‧‧‧導電高分子層
14‧‧‧電極層
141‧‧‧碳膠層
142‧‧‧銀膠層
15‧‧‧絕緣層
2‧‧‧封裝體
3‧‧‧導線架
31‧‧‧第一導電端子
32‧‧‧第二導電端子
t1、t2‧‧‧厚度
圖1為本發明之金屬陽極改良之固態電解電容器之剖面示意圖。
圖2為本發明之薄化處理前之基材層之示意圖。
圖3為本發明之第一實施例之薄化處理後之基材層之示意圖。
圖4為本發明之第一腐蝕層或第二腐蝕層之示意圖。
圖5為本發明之第二實施例之薄化處理後之基材層之示意圖。
圖6為本發明之金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法之流程示意圖。
圖7A及圖7B為本發明之基材層於薄化前與薄化後的剖面照片。
圖8為應用本發明金屬陽極改良之固態電解電容器之固態電解電容器封裝結構之示意圖。
本發明所揭示之內容涉及一種構造新穎的晶片型固態電解電容器(Stack-type solid electrolytic capacitor)，其主要技術特點在於，電容器陽極部經過雷射雕刻或機械壓密等方式處理而使其厚度減少，當利用數個所述晶片型固態電解電容器進行堆疊封裝以增加電容量時，不僅能大幅提升焊接成功率、降低阻抗(ESR值)及增加電容器並聯的數量，更重要的是，還能防止熔融金屬飛濺，使封裝結構具有良好的氣密性及可靠度。
接下來將透過數個實施例並配合所附圖式，說明本發明與先前技術相比具有創新、進步或功效等獨特技術部分，使本領域普通技術人員能據以實現。須說明的是，本領域普通技術人員在不悖離本發明的精神下所進行的修飾與變更，均不脫離本發明的保護範疇。
〔第一實施例〕
請參閱圖1，為本發明第一實施例之金屬陽極改良之固態電解電容器之剖面示意圖。如圖1所示，本實施例之金屬陽極改良之固態電解電容器1主要包括一基材層10、一導電高分子層13及一電極層14，其中基材層10具有一陽極部11及一陰極部12，導電高分子層13包覆陰極部12，電極層14包覆導電高分子層13；值得注意的是，陽極部11的厚度t1小於陰極部12的厚度t2。
金屬陽極改良之固態電解電容器1是利用絕緣層15區隔出電容器的陽極區域及陰極區域(圖中未標示)，並以此方式在基材層10上定義出彼此電性絕緣的陽極部11及陰極部12。配合參閱圖2所示，基材層10於薄化處理前，陽極部11包括第一金屬芯體111與形成於第一金屬芯體111之雙面的兩層第一腐蝕層112，陰極部12包括第二金屬芯體121與形成於第二金屬芯體121之雙面的兩層第二腐蝕層122，並且第一腐蝕層112的厚度與第二腐蝕層122 的厚度相同。配合參閱圖3所示，基材層10於薄化處理前後，陽極部11之第一腐蝕層112比陰極部12之第二腐蝕層122還薄，如此本實施例之陽極部11的厚度約介於25~100μm，陰極部12的厚度約介於70~130μm，雖然本實施例是以純度99.8%以上之鋁箔做為金屬芯體，但本發明並不限制於此。
請一併參閱圖2、圖3及圖4，第一和第二金屬芯體111、121可為一特定尺寸的鉭燒結體、鋁箔或鈮錠，而且第一金屬芯體111與第二金屬芯體121的厚度相同；值得注意的是，第一和第二腐蝕層112、122雖然都是由一多孔質金屬層1121、1221與覆蓋多孔質金屬層1121、1221的一層氧化皮膜1122、1222所組成，但是第一腐蝕層112與第二腐蝕層122的厚度並不相同。更進一步來說，第一腐蝕層112是利用雷射雕刻或機械壓密等方式進行薄化處理，而且經薄化處理後之第一腐蝕層112的厚度小於第二腐蝕層122的厚度。附帶一提，熟習此項技藝者能根據電容器的性能要求而使陽極部11達到所需之特定厚度，本發明並不加以限制。據此，當本發明使用於堆疊式封裝時能增加焊接的成功率和品質，並增加電容器的堆疊層數，最大堆疊層數為8層。
導電高分子層13被覆在陰極部12之第二腐蝕層122的表面上，主要當作晶片型固態電解電容器的固態電解質。導電高分子層13可包括聚乙烯二氧噻吩(polyethylene dioxythiophene，PEDOT)、聚噻吩(Polythiophene，PT)、聚乙炔(Polyacetylene，PA)、聚苯胺(Polyaniline，PAni)或聚吡咯(Polypyrrole，PPy)，雖然本實施例是以PEDOT為例，但本發明並不限制導電高分子層13的材質。附帶一提，上述所有的導電高分子材料皆具備高導電度、優異的耐熱性和溫度特性、易附著於介電層上且不會破壞介電層、及在外加電壓下不會劣化等特性，因而相當適合被使用於固態電解電容器的電解質。
電極層14被覆在導電高分子層13的表面上，具體結構為一 雙層電極層；在本實施例中，電極層14包括一碳膠層141及一銀膠層142，碳膠層141被覆在導電高分子層13的表面上，銀膠層142被覆在碳膠層141的表面上。
〔第二實施例〕
請一併參閱圖1及圖5，在本實施例中，陽極部11僅為單一第一金屬芯體111所構成，而陰極部12包括第二金屬芯體121與形成於第二金屬芯體121之雙面的兩層第二腐蝕層122。由圖5與圖3的比較可知，本實施例與前一實施例最大的差別在於：陽極部11在經過薄化處理後，不只是完全移除第一金屬芯體111上之腐蝕層，視需求還能移除部分的第一金屬芯體111，以此方式，經薄化處理後之陽極部11的厚度t1可小於陰極部12的厚度t2。
請參閱圖6，本發明之金屬陽極改良之固態電解電容器1的結構特徵已詳述如上，接下來將進一步說明金屬陽極改良之固態電解電容器1之製造方法，其主要包括下列步驟：
首先，執行步驟S100：提供一基材層10，其具有一陽極部11及一陰極部12。如圖2所示，陽極部11包括第一金屬芯體111與形成於第一金屬芯體111之雙面的兩層第一腐蝕層112，陰極部12包括第二金屬芯體121與形成於第二金屬芯體121之雙面的兩層第二腐蝕層122。
此步驟包含兩個實施要項：如圖3所示，第一，對第一和第二金屬芯體111、121進行腐蝕處理，腐蝕處理可為不施加電壓之化學性腐蝕或施加電壓之電氣化學性腐蝕，以分別在第一和第二金屬芯體111、121之雙面上形成一多孔質金屬層1121、1221，多孔質金屬層1121、1221大致呈現海綿狀，能使有效面積增加約1.5~100倍，進而能獲得較大的容量；第二，利用含硼酸或硝酸之化成液，並配合適當的化成條件，形成氧化皮膜1122、1222以覆蓋每一多孔質金屬層1121、1221，如此便完成基材層10的準備。 附帶一提，熟習此項技藝者能根據電容器的性能要求而腐蝕出具不同凹穴形貌的多孔質金屬層1121、1221，並能控制化成條件而形成特定厚度的氧化皮膜，藉此得到所需之容量，本發明並不限制多孔質金屬層1121、1221上之凹穴形貌。
接著，執行步驟S102：至少移除部分陽極部11之腐蝕層(第一腐蝕層112)，使陽極部11的厚度較陰極部12的厚度為薄。首先，如圖3所示，執行此步驟時主要利用雷射雕刻方式(Laser trimming or Laser stripping)，並沿著基材層10的厚度方向來移除陽極部11中一部分的第一腐蝕層112，但本發明非限制於此。再者，如圖5所示，基於電容器的性能或製程上的考量，執行此步驟時也能選擇將陽極部11之第一腐蝕層112完全移除，甚至是進一步移除部分的第一金屬芯體111。另外，基材層10於薄化處理前後的剖面照片如圖7A及圖7B所示，薄化處理前之陽極部11的厚度為110μm(即基材層的厚度)，薄化處理後之陽極部11的厚度為70μm。
執行此步驟時還能利用機械壓密方式，例如以平板壓力機(圖中未顯示)自基材層的厚度方向上壓下陽極部11之第一腐蝕層112，以使陽極部11的薄化。據此，本發明能大幅提升焊接成功率與封裝的氣密性品質，並能在不降低電容量不影響電容量的前提下提升自身的機械強度。
此後，如圖1所示，執行步驟S104：形成一導電高分子層13以包覆陰極部12，並執行步驟S106：形成一電極層14以包覆導電高分子層13。當以上步驟S100至S106逐步完成之後，即製得本發明的金屬陽極改良之固態電解電容器1。
〔應用實施例〕
請參閱圖7，為應用本發明之固態電解電容器封裝結構之示意圖。如圖所示，固態電解電容器封裝結構中之數個金屬陽極改良 之固態電解電容器1是依序堆疊而達成並聯連接，以構成電容單元C；就相鄰的兩個金屬陽極改良之固態電解電容器1而言，堆疊設置的兩個陰極部12可透過彼此的電極層14電性連接，堆疊設置的兩個陽極部11可透過焊接層(圖中未標示)結合在一起。
所述固態電解電容器封裝結構並包括一封裝體2及一導線架3，封裝體2包含不透光的封裝材料(如Epoxy或Silicone)，用於將電容單元C完全包覆，導線架3包括彼此分離的第一導電端子31及第二導電端子32，第一導電端子31一端與位於最下方的金屬陽極改良之固態電解電容器1的陽極部11相接，另一端則由封裝體2一側延伸至外部環境，第二導電端子32一端與位於最下方的金屬陽極改良之固態電解電容器1的陰極部12相接，另一端則由封裝體2另一側延伸至外部環境。值得注意的是，應用本發明的固態電解電容器封裝結構具有良好的氣密性及可靠度。
〔本發明實際達成的功效〕
綜上所述，本發明的有益效果可以在於，本發明實施例透過“基材層10之陽極部11包括第一金屬芯體111與形成於第一金屬芯體111之雙面的兩層第一腐蝕層112，而陰極部12包括第二金屬芯體121與形成於第二金屬芯體121之雙面的兩層第二腐蝕層122，且第一腐蝕層112的厚度要比第二腐蝕層122還薄”及“陽極部11僅為單一第一金屬芯體111所構成，而陰極部12包括第二金屬芯體121與形成於第二金屬芯體121之雙面的兩層第二腐蝕層122”的設計，當應用於堆疊封裝以增加電容量時，不僅能大幅提升焊接成功率、降低阻抗(ESR值)及增加電容器並聯的數量，更重要的是，還能防止熔融金屬飛濺，使封裝結構具有良好的氣密性及可靠度。
以上所述僅為本發明的實施例，其並非用以限定本發明的專利保護範圍。任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明的精神與範 圍內，所作的更動及潤飾的等效替換，仍落入本發明的專利保護範圍內。
1‧‧‧金屬陽極改良之固態電解電容器
10‧‧‧基材層
11‧‧‧陽極部
12‧‧‧陰極部
13‧‧‧導電高分子層
14‧‧‧電極層
141‧‧‧碳膠層
142‧‧‧銀膠層
15‧‧‧絕緣層
t1、t2‧‧‧厚度

Claims (10)

  1. 一種金屬陽極改良之固態電解電容器，包括：一基材層，具有一陽極部及一陰極部，其中，所述陽極部的厚度較所述陰極部的厚度為薄；一導電高分子層，係包覆所述陰極部；以及一電極層，係包覆所述導電高分子層。
  2. 如請求項1所述的金屬陽極改良之固態電解電容器，其中所述陽極部及所述陰極部各包括：一金屬芯體；以及兩層腐蝕層，係分別形成於所述金屬芯體之雙面；其中，所述陽極部之腐蝕層的厚度較所述陰極部之腐蝕層的厚度為薄。
  3. 如請求項1所述的金屬陽極改良之固態電解電容器，其中所述陽極部為一第一金屬芯體，所述陰極部包括一第二金屬芯體及分別形成於所述第二金屬芯體之雙面的兩層腐蝕層，所述第一金屬芯體的厚度較所述第二金屬芯體的厚度為薄。
  4. 如請求項1所述的金屬陽極改良之固態電解電容器，其中所述第一金屬芯體為一鉭燒結體、一鋁箔或一鈮錠。
  5. 如請求項4所述的金屬陽極改良之固態電解電容器，其中所述第二金屬芯體為一鉭燒結體、一鋁箔或一鈮錠。
  6. 如請求項1所述的金屬陽極改良之固態電解電容器，其中所述電極層包括一包覆所述導電高分子層的碳膠層及一包覆所述碳膠層的銀膠層。
  7. 一種金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法，包括下列步驟：提供一基材層，所述基材層具有一陽極部及一陰極部，而且所述陽極部及所述陰極部各包含一金屬芯體及分別形成於所述金屬芯層之雙面的兩層腐蝕層； 至少移除部分所述陽極部之腐蝕層，使所述陽極部的厚度較所述陰極部的厚度為薄；形成一導電高分子層以包覆所述陰極部；以及形成一電極層以包覆所述導電高分子層。
  8. 如請求項7所述的金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法，其中在所述至少移除部分所述陽極部之腐蝕層的步驟中，係以雷射雕刻方式沿著所述基材層的厚度方向將所述陽極部之腐蝕層完全移除或局部移除。
  9. 如請求項8所述的金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法，其中在以雷射雕刻方式沿著所述基材層的厚度方向將所述陽極部之腐蝕層完全移除的步驟中，係進一步移除部分的所述陽極部之金屬芯體。
  10. 如請求項7所述的金屬陽極改良之固態電解電容器的製造方法，其中在所述至少移除部分所述陽極部之腐蝕層的步驟中，係以機械壓密方式於所述基材層的厚度方向上壓下所述陽極部之腐蝕層。
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