WO2004073000A1 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

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Kazumasa Fujimoto
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Sanyo Electric Co., Ltd.
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    • H01G9/151—Solid electrolytic capacitors with wound foil electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a solid electrolytic capacitor in which an anode foil and a cathode foil are wound.
  • FIG. 2 is a cross-sectional front view of a conventional solid electrolytic capacitor (1)
  • FIG. 3 is a perspective view of a capacitor element (2) (for example, Japanese Patent Publication No. 4-19695). reference).
  • the capacitor element (2) is composed of an anode foil (4), which is an aluminum foil on which a dielectric oxide film is formed, and a cathode foil (5), which is an aluminum foil, formed of an insulating material such as paper. It is composed of a winding element (20) wound in a roll via a separator (6), which is fixed by a tape (26), and has a TC NQ (7, 7, 8, 8—tetracyanoki) inside. Nodimethane) impregnated with a solid electrolyte such as a complex salt, or a conductive polymer layer is formed.
  • the anode foil (4) and the cathode foil (5) have a pair of lead wires (25) and (25) drawn out therefrom, and the lead wires (21) (25) 21) is extended.
  • Such a solid electrolytic capacitor (1) is widely used, but a large-capacity and small-sized capacitor is desired from the market. So, in addition, there has been proposed a method in which a film made of a metal nitride is formed on a cathode foil (5) (see, for example, Japanese Patent Publication No. 2000-1114).
  • the principle of increasing the capacity of a capacitor by forming a film made of metal nitride on the cathode foil (5) will be described.
  • a dielectric oxide film is not intentionally formed on the cathode foil (5), but an oxide film is actually formed by natural oxidation. Therefore, the capacitance C of the capacitor is a capacitance in which the capacitance C a on the anode foil (4) side and the capacitance C c on the cathode foil (5) side are connected in series. It is.
  • the capacitance C of the capacitor becomes smaller than the capacitance C a on the anode foil (4) side.
  • a metal nitride film (50) such as TiN is formed on the cathode foil (5) by sputtering or vapor deposition, the metal nitride molecules become oxide films (50). It is presumed that it breaks through 51) and comes into contact with the aluminum substrate of the cathode foil (5). Therefore, the base and the metal nitride conduct, and the cathode foil (5) has no capacity. This increases the capacitance without increasing the external dimensions of the capacitor.
  • the coating may be formed from a non-valve metal instead of the metal nitride.
  • the valve metal refers to a metal whose surface is covered with an oxide film, and corresponds to tantalum, niobium, etc. in addition to aluminum.
  • Such capacitors are required to have a low ESR (equivalent series resistance) in addition to increasing the capacitance.
  • the vertical width of the anode foil (4) or the cathode foil (5) may be increased.
  • the vertical width of both the anode foil (4) and the cathode foil (5) cannot be wider than that of the separator (6).
  • Increasing the separation (6) is contrary to the miniaturization of capacitors.
  • the foil (4) (5) May cause a large leakage current or short-circuit failure. Therefore, the width of both foils (4) and (5) is about 0.5-1 mm narrower than the width of Separeya (6).
  • An object of the present invention is to reduce the contact failure between the foils (4) and (5) while achieving a large capacity, low ESR, and small size of the capacitor.
  • the solid electrolytic capacitor (1) is formed by winding an anode foil (4) and a cathode foil (5) through a separator (6), and has a solid electrolyte layer or a conductive polymer layer formed therein. It has a capacitor element (2).
  • a coating (50) made of metal nitride or non-valve metal is formed on the cathode foil (5).
  • the width of the cathode foil (5) is smaller than the width of the anode foil (4), and the anode foil (4) is formed to have substantially the same width as the separator (6).
  • Figure 1 is a perspective view of the capacitor element
  • Figure 2 is a cross-sectional front view of a conventional solid electrolytic capacitor
  • Figure 3 is a perspective view of a conventional capacitor element
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the metal nitride film breaks through the oxide film and reaches the base material.
  • the capacitor element (2) is composed of an anode foil (4), which is an aluminum foil with a chemical conversion film, and a cathode foil (5), which is an aluminum foil. It consists of a winding element (20) wound in a roll shape through the evening (6) and stopped by a tape (26). The inside of the winding element (20) is impregnated with a solid electrolyte such as a TCNQ complex salt, or a conductive polymer layer is formed. A pair of lead wires (2 1) (2 1) extends from the winding element (20).
  • the coating may be formed from a non-valve metal as described above.
  • the vertical width of the anode foil (4) is formed to be substantially the same as the width of the separator (6).
  • the width of the cathode foil (5) is more than 50% and less than 100% of the width of the anode foil (4).
  • the capacitor element (2) is formed by the following procedure. Since the anode foil (4) is cut out from a sheet made of aluminum, a dielectric oxide film is not formed on the end face of the anode foil (4). Therefore, first, the cut element of the winding element (20) is cut to form a dielectric oxide film on the end face of the anode foil (4). Thereafter, the winding element (20) is heat-treated at 280 ° C. to stabilize the characteristics of the dielectric oxide film.
  • the winding element (20) is immersed in a mixed solution of 3,4-ethylenedioxythiophene containing n-butyl alcohol as a diluent and iron P-toluenesulfonate ( ⁇ ), and then heat-polymerized to form a foil.
  • a conductive polymer layer is formed between (5) to complete the capacitor element (2).
  • the capacitor element (2) is sealed in the case (3) to complete the solid electrolytic capacitor (1).
  • the electrolyte layer is formed of a polythiophene-based conductive polymer, but a polypyrrole-based or polyaniline-based functional polymer may be used. Further, a solid electrolyte layer such as a TCNQ complex salt may be formed instead of the conductive polymer layer.
  • the applicant made 40 capacitor elements (2) each having a width of the cathode foil (5) of 90%, 80%, and 60% of the width of the anode foil (4). Electrolytic capacitors (1) were prepared and used as Examples 1, 2, and 3, respectively. As described above, the vertical width of the anode foil (4) is substantially the same as that of the separator (6), and does not exceed the width of the separator (6).
  • Table 1 shows the defect rate in the winding process, the defect rate after completion of the capacitor, and the leakage current (LC) defect rate of Examples 1, 2, and 3 and Conventional Examples 1 and 2 (unit:%).
  • the width of the cathode foil (5) should be more than 50% and less than 100% of the anode foil (4), and the anode foil (4) should be almost the same as the separator foil (6). If the width is formed, it is possible to increase the capacity of the capacitor and lower the ESR while maintaining the conventional process failure rate (short failure rate, leakage current failure rate).
  • a coating made of a metal nitride or a non-valve metal is formed on the cathode foil (5), and the cathode foil (5) has no capacity or has a negligibly small capacity. Therefore, the capacitance of the capacitor is determined by the capacitance of the anode foil (4). Is determined.
  • the anode foil (4) is formed to have substantially the same width as the separator (6), the ESR of the anode foil (4) can be reduced and the capacitance can be increased. Since the cathode foil (5) is formed narrower than the anode foil (4), poor contact between the foils (4) and (5) can be prevented, and the leakage current increases and short-circuit failure occurs. Can be prevented.

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Abstract

固体電解コンデンサ1は、陽極箔4と陰極箔5をセパレータ6を介して巻き取って構成され、内部に固体電解質層又は導電性ポリマー層が形成されたコンデンサ素子2を具えている。陰極箔5上には金属窒化物又は非弁作用金属からなる被膜が形成されている。陰極箔5の幅は、陽極箔4の幅よりも狭く形成され、陽極箔4はセパレータ6と略同じ幅に形成されている。

Description

• 明 細 書 固体電解コンデンサ 技術分野
本発明は、陽極箔と陰極箔を巻き取った固体電解コンデンサに関する。 背景技術
図 2は、 従来の固体電解コンデンサ（ 1 )の断面正面図であり、 図 3は、 コンデンサ素子（2 )の斜視図である（例えば、 日本国特許公告公報 平 4 - 1 9 6 9 5号参照）。
これは、 上面が開口したアルミニウム製のケース（ 3 )内に、 コンデン サ素子（ 2 )を収納して、 ゴム製のパッキング（30)にてケ一ス（ 3 )の開口 を封止している。 ケース（3 )の上端部をカールしてパッキング（30)を固 定し、 ケース（3 )の上面には、 プラスチック製の座板（31)が取り付けら れている。 コンデンサ素子（2 )から延びたリ一ド線（21) (21)はパッキン グ（30)及び座板（31 )を貫通した後、 横向きに折曲されている。
コンデンサ素子（2 )は、 図 3に示すように、 誘電体酸化被膜を形成し たアルミニウム箔である陽極箔（4 )と、 アルミニウム箔である陰極箔 (5 )とを、 紙等の絶縁体であるセパレー夕（6 )を介してロール状に巻回 し、 テープ（26)で止めた巻取り素子（20)から構成され、 内部に T C NQ (7、 7、 8、 8—テトラシァノキノジメタン）錯塩等の固体電解質を含浸す るか、 又は導電性ポリマー層が形成されている。 陽極箔（4 )と陰極箔 (5 )カゝらは一対のリード夕ブ（25) (25)が引き出され、 該リード夕ブ（25) (25)から前記リ一ド線（21) (21)が延びている。
かかる固体電解コンデンサ（1 )は、 広く用いられているが、 市場から は大容量且つ小型のコンデンサが所望されている。 そこで、 以下のよう に陰極箔（5 )に金属窒化物からなる被膜を形成したものが提案されてい る（例えば、 日本国特許公開公報 2 0 0 0 — 1 1 4 1 0 8号参照）。 陰極箔（5 )に金属窒化物からなる被膜を形成して、 コンデンサを大容 量化する原理を説明する。 一般に、 陰極箔（5 )上には誘電体酸化被膜を 意図的には形成しないが、 実際には自然酸化により酸化被膜が形成され る。 従って、 コンデンサの静電容量 Cは、 陽極箔（4 )側の静電容量 C a と陰極箔（ 5 )側の静電容量 C cとが直列に接続された容量となり、 以下 の式で示される。
C = C a Cc/ (C a+ Cc) = C aX 1 / (C a/ C c+ 1 )
即ち、 陰極箔（5 )が静電容量 C cを有すれば、 コンデンサの静電容量 Cは陽極箔（4)側の静電容量 C aよりも小さくなる。
しかし、 図 4に示すように、 陰極箔（5 )にスパッタリング法や蒸着に より， T i N等の金属窒化物の被膜（50)を形成すれば、 金属窒化物の分 子が酸化被膜 (51)を突き破って、 陰極箔（5 )のアルミニウム基材に接す ると推測される。 従って、 基材と金属窒化物が導通し、 陰極箔（5 )は容 量を有さない。 これにより、 コンデンサの外形を大きくすることなく、 静電容量を大きく している。
尚、 金属窒化物に代えて非弁作用金属から被膜を形成してもよい。 こ こで、 弁作用金属とは、 その表面が酸化被膜で覆われる金属を指し、 ァ ルミ二ゥムの他に、 タンタル、 ニオブ等が該当する。
しかし、 上記のコンデンサでは以下の問題がある。
斯種コンデンサは、 大容量化に加えて E S R (等価直列抵抗）が低いこ とも求められており、 この為には、 陽極箔（4 )又は陰極箔（ 5 )の上下幅 を広くすればよい。 しかし、 陽極箔（4)及び陰極箔（5 )の両方の上下幅 は、 セパレー夕（6 )よりも広くできない。 セパレ一夕（6 )を広くするこ とは、 コンデンサの小型化に反する。 更に、 陽極箔（4)及び陰極箔（5)の上下幅が、 セパレー夕（6 )と同じ 又は稍狭い場合は、 箔（4) (5)の巻きズレにより、 両箔（4) (5)が接触 して、 漏れ電流が大きい又はショート不良となる可能性が高い。 故に、 両箔（4) (5 )は、 セパレ一夕（6 )の幅よりも 0. 5— 1 mm程度幅狭に している。
出願人は、上記の如く、 陰極箔（5 )に金属窒化物の被膜を形成すれば、 陰極箔（5 )の静電容量がなくなることに鑑みて、 金属窒化物の被膜を形 成した陰極箔（ 5 )を幅狭にして、 両箔（ 4 ) ( 5 )が接触することを防止す ることを着想した。
本発明の目的は、 コンデンサの大容量化、 低 E S R化、 小型化を達成 しつつ、 両箔（4 ) ( 5 )の接触不良を低減することにある。
発明の開示
固体電解コンデンサ（ 1 )は、 陽極箔（ 4 )と陰極箔（ 5 )をセパレ一夕 (6 )を介して巻き取って構成され、 内部に固体電解質層又は導電性ポリ マー層が形成されたコンデンサ素子（ 2 )を具えている。 陰極箔（ 5 )上に は金属窒化物又は非弁作用金属からなる被膜（50)が形成されている。 陰 極箔（5 )の幅は、 陽極箔（4)の幅よりも狭く形成され、 陽極箔（4)はセ パレ一夕（ 6 )と略同じ幅に形成されている。
図面の簡単な説明
図 1は、 コンデンサ素子の斜視図、
図 2は、 従来の固体電解コンデンサの断面正面図、
図 3は、 従来のコンデンサ素子の斜視図、
図 4は、 金属窒化物の被膜が酸化被膜を突き破って基材に達する状態を 示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の一例を図を用いて詳述する。 固体電解コンデンサ（1 )の全体形状は、 図 2に示す従来品と同様であ る。 コンデンサ素子（2 )は、 図 1に示すように、 化成被膜を形成したァ ルミ二ゥム箔である陽極箔（4 )と、アルミニウム箔である陰極箔（5 )を、 絶縁体であるセパレー夕（ 6 )を介してロール状に卷回し、 テープ（2 6)で 止めた巻取り素子（20)から構成される。 巻取り素子（20)の内部に T C N Q錯塩等の固体電解質が含浸され、 又は導電性ポリマー層が形成されて いる。 巻取り素子（20)からは一対のリード線（2 1 ) (2 1 )が延びている。 陰極箔（5 )上には、 チタン（T i )薄膜と窒化チタン薄膜である被膜が 形成され、 前記の如く、 これにより陰極箔（ 5 )は静電容量を有さない、 または有しても無視できるほど小さい。 従って、 陰極箔（5 )の幅は、 コ ンデンザの静電容量には全く影響を与えない。 尚、 被膜を前記の如く、 非弁作用金属から形成してもよい。
陽極箔（4 )の上下幅は、 セパレー夕（6 )と略同じ幅に形成される。 ま た、 陰極箔（ 5 )の幅は、 陽極箔（ 4 )幅の 5 0 %を越え 1 0 0 %未満の幅 である。
コンデンサ素子（2 )は、 以下の手順で形成される。 陽極箔（4 )は、 ァ ルミ二ゥム製シートから切り出されて作成されるので、 陽極箔（ 4 )の端 面には、 誘電体酸化被膜が形成されていない。 従って、 先ず、 巻取り素 子（20)の切り口化成を行って、 陽極箔（4 )の端面に誘電体酸化被膜を形 成する。 この後、 卷取り素子（20)を 2 8 0 °Cで熱処理して、 誘電体酸化 被膜の特性を安定させる。
次に、 希釈剤として n - -ブチルアルコールを含む 3 , 4 一エチレンジ ォキシチォフェン及び P — トルエンスルホン酸鉄（ΠΙ )の混合溶液に、 巻 取り素子（20)を浸漬後、 熱重合して両箔（4 ) ( 5 )間に導電性ポリマー層 を形成し、 コンデンサ素子（2 )が完成する。 コンデンサ素子（2 )を前記 ケース（3 )に封入して、 固体電解コンデンサ（1 )が完成する。 本例では、 ポリチォフェン系の導電性ポリマーで電解質層を形成して いるが、 ポリピロール系又はポリァニリン系の機能性高分子を用いても よい。 また、 導電性ポリマー層に代えて、 T C N Q錯塩等の固体電解質 層を形成してもよい。
実験結果
出願人は、 陰極箔（5 )の幅を陽極箔（4)の 9 0 %、 8 0 %、 6 0 %の 幅に形成したコンデンサ素子（2 )を 4 0ケずつ作成し、 これらで固体電 解コンデンサ（ 1 )を作成し、 夫々実施例 1、 2、 3 とした。 陽極箔（4) の上下幅は、 前記の如く、 セパレー夕（ 6 )と略同じ幅であり、 セパレー 夕（6 )の幅を越えない。
また、 陰極箔（5 )及び陽極箔（4)の幅を、 夫々セパレー夕（6 )の幅の 7 5 %、 1 0 0 %とした従来のコンデンサ素子（2 )を 4 0ケずつ作成し、 これらで固体電解コンデンサ（ 1 )を作成し、 従来例 1、 2 とした。 従来 例 1、 2のコンデンサ素子（2 )の陰極箔（ 5 )上には、 金属窒化物の被膜 が作成されていない。 試作したのは、 定格電圧 4 Vで、 ケース（3 )の外 形寸法が直径 8. 0 mmで高さ 1 7. O mmのコンデンサである。
実施例 1、 2、 3 と従来例 1、 2 との巻き取り工程での不良率、 コン デンサ完成後の不良率、漏れ電流（L C)不良率を表 1に示す（単位 ： ％)。
(表 1 )
Figure imgf000007_0001
上記の表 1から、 陰極箔（ 5 )及び陽極箔（ 4 )の幅を、 セパレ一夕（6 ) の幅と同じにした従来例 2のコンデンサでは、 巻取り工程及び検査工程 でのショート不良率、 漏れ電流不良率が著しく上昇し、 大量生産に適さ ないことが判る。
次に、 1 2 0 H z の交流定格電圧を印加して、 静電容量（C a p、 単 位 ： F )、 誘電損失（ t a η δ、 単位 ： ％ )を測定し、 1 0 0 k H z の 交流定格電圧を印加して、 等価直列抵抗（E S R、 単位 ： πιΩ)を測定し た。 また、 直流定格電圧を 2分印加した後に、 漏れ電流（L C、 単位 ： ； Α)を測定した。 測定結果の平均値を表 2 に示す。 (表 2 )
Figure imgf000008_0001
上記の表 2から、 陽極箔（4 )の幅を、 セパレー夕（6 )の幅の 7 5 ?oに した従来例 1のコンデンサでは、 静電容量が著しく低下する。 従って、 コンデンサの大容量化を達成するには、 陽極箔（ 4 )の幅をセパレー夕 ( 6 )とほぼ同じにしておく必要がある。
上記表 1及び 2から、 陰極箔（5 )の幅を、 陽極箔（4 )の 5 0 %を越え 1 0 0 %未満の幅とし、 陽極箔（4 )をセパレー夕（6 )と略同じ幅に形成 すれば、 従来の工程不良率（ショート不良率、 漏れ電流不良率）を維持し たまま、 コンデンサの大容量化、 低 E S R化を達成することができた。 産業上の利用可能性
陰極箔（5 )上には金属窒化物又は非弁作用金属からなる被膜が形成さ れており、 陰極箔（ 5 )は容量を有さない、 又は有しても無視できるほど 小さい。 従って、 コンデンサの静電容量は、 陽極箔（4 )の静電容量で決 定される。
かかる陽極箔（4 )はセパレー夕（ 6 )と略同じ幅に形成されているか ら、 陽極箔（4)の E S Rは小さくでき、 且つ静電容量を大きくできる。 陰極箔（5 )は陽極箔（4)よりも狭く形成されているから、 両箔（4) (5 ) の接触不良を防止でき、 漏れ電流が大きくなつたり、 ショート不良品が 発生することを防止できる。

Claims

請求の範囲
1. 陽極箔（4)と陰極箔（5 )をセパレー夕（6 )を介して巻き取って 構成され、 内部に固体電解質層又は導電性ポリマー層が形成されたコン デンサ素子（2 )を具え、 陰極箔（5 )上には金属窒化物又は非弁作用金属 からなる被膜（50)が形成された固体電解コンデンサに於いて、
陰極箔（5 )の幅は、 陽極箔（4)の幅よりも狭く形成され、 陽極箔（4) はセパレータ（6 )と略同じ幅に形成されたことを特徴とする固体電解コ
2. 陰極箔（5)の幅は、 陽極箔（4)の幅の 5 0 %を越え 1 0 0 %未 満である請求項 1 に記載の固体電解コンデンサ。
3. コンデンサ素子（2)内の電解質は、 ポリチォフェン系導電性高 分子を用いる請求項 1に記載の固体電解コンデンサ。
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