TWI426534B - 電容單元及堆疊式固態電解電容器 - Google Patents

Description

電容單元及堆疊式固態電解電容器

本發明係有關於一種電容單元及其固態電解電容器及其製造方法，尤指一種電容單元及其堆疊式固態電解電容器。

電容器已廣泛地被使用於消費性家電用品、電腦主機板、電源供應器、通訊產品、汽車等，其主要的作用包括：能量儲存、訊號處理、信號耦合等。

電容器已成為現今電子產品中不可或缺的元件之一；電容器依其電解質而可分為固態電解電容器與液態電解電容器，其中，液態電解電容器的壽命決定於電解液乾涸的時間，故若在105℃的情況下，可操作1000小時的液態電解電容器，其操作溫度每下降10℃，壽命將可增加一倍；而固態電解電容器之電解質，因係為固態，即無電解質乾涸之虞，故具壽命長的優點。另外，因為導電高分子具有高導電性及高熱穩定等優點，因此廣泛的應用於上述的固體電解電容器。

堆疊式固態電解電容器在結構上係由數個固態電解電容器單元所組成，而在傳統製程上固態電解電容器單元之負極部之最外層係利用銀膠塗佈成型，而在堆疊成型時，相鄰固態電解電容器單元之間同樣使用銀膏將固態電解電容器單元加以固定，但由於成本的問題，研發者必須以新材料加以取代，以解決產業上所遇到的困難。

本發明提供一種利用含銅之膠材所製作之電容單元及其固態電解電容器，其在製程上具有降低成本、簡化製程的效果，再者，所製作之固態電解電容器之特性亦有所提升。

本發明實施例提出一種電容單元，包含：正極部、負極部及絕緣部，該絕緣部圍繞成一圈並包覆該正極部之部分表面，該負極部位於該絕緣部後方並包覆該正極部之部分表面，其中該負極部至少包括一導電膠層，該導電膠層係為含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材所成型者。

本發明實施例提出一種堆疊式固態電解電容器，包含：多個堆疊成型之電容單元，每一電容單元包含：一正極部、一負極部及一絕緣部，該絕緣部圍繞成一圈並包覆該正極部之部分表面，該負極部位於該絕緣部後方並包覆該正極部之部分表面，其中該負極部至少包括一導電膠層，相鄰的該些電容單元之間具有一連接膠層，該導電膠層與該連接膠層的至少其中之一係為含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材所成型者；一正極導電導線架，該些電容單元之該正極部係固接於該正極導電導線架；一負極導電導線架，該些電容單元之該負極部係固接於該負極導電導線架；以及一封裝單元，該封裝單元包覆該些電容單元及部分的該正、負極導電導線架。

本發明利用含銅之膠材取代傳統製程中的銀膠，故可大幅降低生產的成本，而銅材料亦較適用於低溫製程，故可避免元件受到製程高溫的影響，因此具有較佳的可靠性。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明之用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明在於提供一種電容單元及其固態電解電容器，其使用銅膠、銅膏等含銅之膠材，以降低電容器的製作成本；另外，電容器的製程溫度亦可進一步降低，有助於製程成本的管控及提高元件的可靠度。

請參閱圖1所示，其為本發明之第一實施例之單一個電容單元1之結構剖面圖，電容單元1包括正極部11、負極部12及絕緣部13，其中負極部12係為一種多層結構，而其中之一為導電膠層123，導電膠層123為一種含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材(即銅膠或銅膏)所成型。

正極部11包含閥金屬層111(例如鋁箔片層)及氧化物介電層112(例如氧化鋁層)，氧化物介電層 112係披覆、覆蓋於閥金屬層111之表面，氧化物介電層112更可在正極部11與負極部12之間形成絕緣效果。

負極部12及絕緣部13則部分包覆正極部11，且裸露出正極部11的一端，負極部12由內至外(即由最接近正極部11開始起算)依序為導電高分子層121、碳膠層122及導電膠層123，在本具體實施例中，負極部12是對應正極部11反折而大致呈現U形結構，絕緣部13則連接於U形之負極部12的端部而圍繞成一圈並包覆正極部11之部分表面；更具體地說，負極部12位於絕緣部13之後方，而導電高分子層121包覆氧化物介電層112之部分表面，碳膠層122包覆於導電高分子層121之表面，導電膠層123包覆於碳膠層122之表面。再者，導電高分子層121可為聚噻吩衍生物，例如聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)；該導電膠層123係為一種含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材、樹脂(即銅膠或銅膏)，其中銅、銅合金或兩者之組合的固含量係約介於40%至90%，較佳為約50%至70%。

請參閱圖2A、圖2B，其顯示將本發明之第一實施例之單一電容單元1堆疊以形成多層之電容單元1的電容組，堆疊的單一電容單元1之數量並不加以限制，其主要可依據單一電容單元1的厚度及電容器之特性而加以調整，堆疊數量可例如但不限制為2至20，較佳為2至12；另外，圖2A係為一種單面堆疊的態樣，而圖2B則為一種雙面堆疊之態樣。

請參閱圖3，其顯示將上述之單面堆疊的多層之電容單元1製作為堆疊式固態電解電容器的實施例。堆疊式固態電解電容器具有多個堆疊成型之電容單元1、正極導電導線架3A、負極導電導線架3B及封裝單元4，如圖所示，該些電容單元1互相堆疊，每兩個相鄰電容單元1的負極部12之間以連接膠層2互相電性連接，並同樣利用連接膠層2而電性連接於負極導電導線架3B；每一電容單元1的正極部11之前端係經過彎折而一同焊接並電性連接於正極導電導線架3A。另外，封裝單元4可為一絕緣及隔熱的樹脂，其用於封裝、包覆堆疊成型之電容單元1及部分的正、負極導電導線架3A、3B，而裸露之正、負極導電導線架3A、3B可與外部裝置進行連接。

再一方面，每一電容單元1之負極部12的導電膠層123可為一種含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材，而每相鄰電容單元1的負極部12之間的連接膠層2亦同樣可為含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材，但導電膠層123與連接膠層2亦可為銀膠或任何導電膠材。換言之，導電膠層123與連接膠層2的至少其中之一係為上述的含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材，例如在一實施例中，導電膠層123為銅膠，連接膠層2則為銀膏；或者在一變化實施例中，導電膠層123為銀膠，連接膠層2則為銅膏；又或者在一變化實施例中，導電膠層123為銅膠，連接膠層2則為銅膏，其可視具體的應用而進行調整。

以下針對導電膠層123為銅膠，連接膠層2為銅膏之實施例進行製作方法的說明，請配合圖3：

步驟一：提供至少一電容組。如圖3所示，本實施例之電容組包括四個電容單元1，每個電容單元1具有正極部11、負極部12及絕緣部13，正極部11之前端延伸並彎折形成正極接腳；絕緣部13圍繞成一圈並包覆該正極部11之部分表面；負極部12大致為U字型，並位於該絕緣部13後方以包覆正極部11之部分表面，而負極部12之導電膠層123則以銅膠製作；絕緣部13在正極部11與負極部12之間形成絕緣效果。另外，該些電容單元1互相堆疊，每相鄰電容單元1的負極部12之間塗佈銅膏以形成連接膠層2，使電容單元1的負極部12互相電性連接。

步驟二：將電容組電性連接於正極導電導線架3A與負極導電導線架3B。正極導電導線架3A與電容組中之正極部11的正極接腳以焊接的方式固定，例如以雷射或電阻焊的方式進行焊接。負極導電導線架3B上塗佈銅膏以形成連接膠層2而電性連接於電容單元1的負極部12。

步驟三：以封裝單元4封裝包覆電容組及部分正、負極導電導線架3A、3B。

根據前述步驟，由於銅膏、銅膠的特性，故本發明可進一步降低上述製程的溫度，以提高元件的可靠度；另外，本發明使用含銅或銅合金之膠材可降低元件的製作成本。

請參閱圖4，其顯示本發明之第二實施例之單一個電容單元1之結構剖面圖，其與第一實施例不同之處在於，負極部12之導電膠層123係為厚度一致的結構層，而第一實施例之導電膠層123係為厚度漸增(以遠離絕緣部13的方向而言)的結構層，換言之，在第一實施例中，U形之負極部12的反折端的厚度會大於U形之負極部12的支臂自由端的厚度；而第二實施例中，U形之負極部12的反折端與支臂自由端的厚度相同。圖5則顯示將四個第二實施例之單一個電容單元1進行堆疊的示意圖，其中每一電容單元1大致呈現相互平行的態樣，具體而言，每一電容單元1的方位會大致平行於正、負極導電導線架3A、3B。圖6則顯示以第二實施例之電容單元1所製作之雙面堆疊之堆疊式固態電解電容器，同於前文，導電膠層123與連接膠層2的至少其中之一係為上述的含有銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材，以達到降低成本、提升元件特性的優點。

另一方面，如圖5、圖6所示，在第二實施例中，堆疊式固態電解電容器更可具有一輔助導線架3C，其可以焊接的方式或是以導電膠層123的黏接方式固定於正、負極導電導線架3A、3B。如圖所示，在本具體實施例中，輔助導線架3C係以焊接的方式固接於正極導電導線架3A，而前述之正極部11所彎折之正極接腳則固接於輔助導線架3C上，輔助導線架3C的作用在於增加正極導電導線架3A的厚度，以減少正極部11的彎折程度，進而避免漏電流等問題。

請參考圖7，其顯示本發明之第二實施例之單一個電容單元1之結構剖面圖，其與第一實施例不同之處在於，負極部12的導電膠層123之外表面具有階梯狀結構124，階梯狀結構124與第一實施例之厚度漸增的導電膠層123均可使負極部12產生厚度的變化，同樣使得負極部12之反折端的厚度會大於負極部12之支臂自由端的厚度，進而使後續焊接時不需將正極部11進行大幅度的彎折，以更進一步避免元件漏電流的問題。

經過具體的實驗之後，本發明列舉使用含銅之膠材與含銀之膠材所製作之電容的特性，如下表：

根據上表所示之結果，使用含銅之膠材所製作的電容元件之特性均可滿足規格上的需求，且在特性上更優於使用含銀之膠材所製作之電容元件。

本發明所提出之電容單元及其堆疊式固態電解電容器具有下列優點：

1、利用含銅之膠材可降低製程溫度，例如將製程溫度由130～170℃下降至100～130℃，故製程能源、成本可有效控管，且可避免元件受到製程高溫影響，故元件具有較佳的可靠度。

2、利用含銅之膠材所製作的元件仍具有滿足需求的特性，例如漏電流、等效串聯電阻(ESR)等均符合規格。

惟，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

1．．．電容單元

11．．．正極部

111．．．閥金屬層

112．．．氧化物介電層

12．．．負極部

121．．．導電高分子層

122．．．碳膠層

123．．．導電膠層

124．．．階梯狀結構

13．．．絕緣部

2．．．連接膠層

3A‧‧‧正極導電導線架

3B‧‧‧負極導電導線架

3C‧‧‧輔助導線架

4‧‧‧封裝單元

圖1係為本發明第一實施例之電容單元的示意圖。

圖2A係為本發明第一實施例之電容單元以單面堆疊的示意圖。

圖2B係為本發明第一實施例之電容單元以雙面堆疊的示意圖。

圖3係為本發明第一實施例之電容單元所製作之堆疊式固態電解電容器的示意圖。

圖4係為本發明第二實施例之電容單元的示意圖。

圖5係為本發明第二實施例之電容單元以單面堆疊的示意圖。

圖6係為本發明第二實施例之電容單元所製作之堆疊式固態電解電容器的示意圖。

圖7係為本發明第三實施例之電容單元的示意圖。

1‧‧‧電容單元

11‧‧‧正極部

111‧‧‧閥金屬層

112‧‧‧氧化物介電層

12‧‧‧負極部

121‧‧‧導電高分子層

122‧‧‧碳膠層

123‧‧‧導電膠層

13‧‧‧絕緣部

Claims (10)

1. 一種電容單元，包含：一正極部、一負極部及一絕緣部，該絕緣部圍繞成一圈並包覆該正極部之部分表面，該負極部位於該絕緣部後方並包覆該正極部之部分表面，其中該負極部至少包括一導電膠層，該導電膠層係為含有固含量為50%至70%的銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材所成型者，且該負極部係為U形結構，其具有一反折端及一相對的支臂自由端，該反折端的厚度會大於該支臂自由端的厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電容單元，其中該正極部包括一閥金屬層及一覆蓋於該閥金屬層之表面的氧化物介電層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電容單元，其中該負極部更包括一導電高分子層及一碳膠層，該導電高分子層包覆該氧化物介電層之部分表面，該碳膠層包覆於該導電高分子層之表面，該導電膠層包覆於該碳膠層之表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電容單元，其中該導電膠層之外表面具有至少一階梯狀結構。
5. 一種堆疊式固態電解電容器，包含：多個堆疊成型之電容單元，每一電容單元包含：一正極部、一負極部及一絕緣部，該絕緣部圍繞成一圈並包覆該正極部之部分表面，該負極部位於該絕緣部後方並包覆該正極部之部分表面，其中該負極部 至少包括一導電膠層，相鄰的該些電容單元之間具有一連接膠層，該導電膠層與該連接膠層的至少其中之一為含有固含量為50%至70%的銅、銅合金或兩者之組合的導電膠材所成型者，且該負極部係為U形結構，其具有一反折端及一相對的支臂自由端，該反折端的厚度會大於該支臂自由端的厚度；一正極導電導線架，該些電容單元之該正極部係固接於該正極導電導線架；一負極導電導線架，該些電容單元之該負極部係固接於該負極導電導線架；以及一封裝單元，該封裝單元包覆該些電容單元及部分的該正、負極導電導線架。
6. 如申請專利範圍第5項所述之堆疊式固態電解電容器，其中該正極部包括一閥金屬層及一覆蓋於該閥金屬層之表面的氧化物介電層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之堆疊式固態電解電容器，其中該負極部更包括一導電高分子層及一碳膠層，該導電高分子層包覆該氧化物介電層之部分表面，該碳膠層包覆於該導電高分子層之表面，該導電膠層包覆於該碳膠層之表面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之堆疊式固態電解電容器，其中該些堆疊成型之電容單元與該負極導電導線架之間具有所述之連接膠層。
9. 如申請專利範圍第5項所述之堆疊式固態電解電容器，其中該導電膠層之外表面具有至少一階梯狀結 構。
10. 如申請專利範圍第5項所述之堆疊式固態電解電容器，更包括一設置於該正極導電導線架上之輔助導線架。