WO2017163724A1 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

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Definitions

  • the present disclosure relates to a solid electrolytic capacitor, and more particularly to reduction of leakage current.
  • the solid electrolytic capacitor includes an anode body, a dielectric layer formed on the surface of the anode body, and a solid electrolyte layer formed on the surface of the dielectric layer.
  • anode body a porous sintered body obtained by sintering a valve metal powder is used.
  • the dielectric layer is formed, for example, by forming a porous sintered body. Particularly, the corners of the porous sintered body are easily damaged by external stress or stress. Therefore, the dielectric layer formed by forming the porous sintered body is also easily damaged. When the dielectric layer is damaged, the leakage current increases. Therefore, in Patent Document 1, a convex portion made of an insulating resin is formed on the outside of a corner portion of a sintered body that is a cube or a ridge line including the corner portion.
  • the solid electrolytic capacitor of the present disclosure includes an anode body that is a porous sintered body, a dielectric layer formed on a surface of the porous sintered body, an insulating material disposed on the surface of the dielectric layer, A solid electrolyte layer formed on the surface of the insulating material, and comprising a capacitor element having at least one corner, wherein the corner of the capacitor element is more than the center of the capacitor element. Insulation material is arranged.
  • another solid electrolytic capacitor of the present disclosure includes an anode body that is a porous sintered body, a dielectric layer formed on a surface of the porous sintered body, and a surface of the dielectric layer.
  • leakage current can be reduced while maintaining the capacity of the solid electrolytic capacitor.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid electrolytic capacitor 20 according to this embodiment.
  • the solid electrolytic capacitor 20 includes a capacitor element 10, an exterior body 11 that seals the capacitor element 10, and an anode terminal 7 and a cathode terminal 9 that are exposed to the outside of the exterior body 11.
  • Capacitor element 10 includes anode body 1, which is a porous sintered body, anode lead 2, dielectric layer 3 formed on the surface of anode body 1, and insulating material or silane disposed on the surface of the dielectric layer.
  • a compound hereinafter collectively referred to as a protective material 4
  • Capacitor element 10 further includes a cathode layer 6 that covers the surface of solid electrolyte layer 5.
  • the capacitor element 10 has at least one corner.
  • the corner portion is a portion including an apex formed by the intersection of at least three ridge lines constituting the outer shape of the capacitor element 10 or the outer shape of the anode body 1.
  • the embedded portion 2 a including one end of the anode lead 2 is embedded in the anode body 1 from one surface of the anode body 1.
  • the extension part 2b including the other end of the anode lead 2 is electrically connected to the connection part 7a of the anode terminal 7 sealed with the exterior body 11 by welding or the like.
  • the cathode layer 6 is electrically connected via the connecting portion 9a of the cathode terminal 9 sealed with the exterior body 11 and the conductive adhesive 8 (for example, a mixture of thermosetting resin and metal particles). It is connected.
  • the exposed portion 7b of the anode terminal 7 and the exposed portion 9b of the cathode terminal 9 are drawn from different side surfaces of the exterior body 11, and extend in an exposed state up to one main flat surface (the lower surface in FIG. 1).
  • the exposed portions of the terminals on the flat surface are used for solder connection with a substrate (not shown) on which the solid electrolytic capacitor 20 is to be mounted.
  • the anode body 1 is a porous sintered body obtained by sintering a valve action metal powder or an alloy powder containing a valve action metal, and has at least one corner. Therefore, at least one corner is formed in the capacitor element 10.
  • the anode body 1 is produced by pressure-molding a valve action metal powder or the like into, for example, a hexahedron and sintering it. At this time, the extending portion 2b can be pulled out from one surface of the anode body 1 by pressure molding and sintering in a state where the embedded portion 2a is embedded in the hexahedron.
  • the anode body 1 having a rectangular cross section is illustrated, but the shape of the anode body is not limited to this, and it is sufficient that it has at least one corner.
  • valve action metals such as titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb) and the like can be used alone or in combination of two or more. Since the valve action metal oxide has a high dielectric constant, it is suitable as a constituent material of the anode member.
  • the material may be an alloy composed of two or more metals.
  • the alloy of the valve action metal preferably contains the valve action metal as a main component and contains 50 atom% or more of the valve action metal.
  • the average particle diameter D50 of the primary particles of the valve action metal powder is preferably 0.05 ⁇ m to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the average particle diameter D50 is a median diameter in a volume particle size distribution obtained by a laser diffraction particle size distribution measuring device (hereinafter the same).
  • the anode lead 2 is made of, for example, a conductive wire.
  • Examples of the conductive material constituting the anode lead 2 include the valve action metal.
  • the materials constituting the anode body 1 and the anode lead 2 may be the same or different.
  • the dielectric layer 3 is formed by anodizing the surface of the anode body 1 by chemical conversion treatment or the like. Anodization may be performed by a known method.
  • the dielectric layer 3 is not limited to this and may be an insulating layer that functions as a dielectric.
  • the dielectric layer 3 is easily damaged by external stress or stress. Therefore, in order to suppress damage to the dielectric layer 3, a protective material 4 that protects the dielectric layer 3 is disposed between the dielectric layer 3 and the solid electrolyte layer 5.
  • the protective material 4 is arranged so as to be unevenly distributed at the corners. Thereby, damage in the corner portion of the dielectric layer 3 is suppressed. Furthermore, by disposing the protective material 4 also at the center of the capacitor element 10, damage to the dielectric layer 3 can be easily suppressed at the center.
  • the protective material 4 is insulative (that is, an insulating material), even if the dielectric layer 3 is damaged, the protective material 4 functions in place of the dielectric layer 3, so that leakage current is reduced. Furthermore, it becomes easy to be prevented. As a result, pressure resistance is improved.
  • the protective material 4 is formed between the dielectric layer 3 and the solid electrolyte layer 5. Therefore, the anode body 1 and the dielectric layer 3 are in close contact with each other. Therefore, the leakage current is further easily suppressed.
  • the uneven distribution is a state in which the protective material 4 is also present in the central portion of the anode body 1 but the amount of the protective material 4 present in the corner portion is particularly large.
  • the mass Wvi of the protective material 4 per unit volume at the corner of the capacitor element 10 is larger than the mass Wci of the protective material 4 per unit volume at the center of the capacitor element 10.
  • the ratio of the mass Wvi to the mass Wci: Wvi / Wci is preferably 50 to 1000, and more preferably 50 to 500.
  • the presence of the protective material 4 can be confirmed by analysis of a cross section of the capacitor element 10, for example, element mapping using an electronic probe microanalyzer (EPMA). Specifically, element mapping may be performed on an element (protective material-containing element) included in the protective material 4 and image processing such as binarization processing may be performed. Alternatively, the protective material-containing element is color mapped. From the acquired image, the area ratio in the corner
  • the protective material-containing element is preferably an element that is not so much contained in other elements constituting the capacitor element 10. For example, when the protective material 4 is a silane compound, silicon is selected as the protective material-containing element.
  • the corner is determined as follows. As shown in FIG. 2, the capacitor element 10 is cut on a plane passing through the center of gravity G of the capacitor element 10 and a point (vertex Vt) formed by the intersection of at least three ridge lines of the capacitor element 10.
  • the corner V is a square that includes the vertex Vt as one of the vertices and the length of one side is 1/3 of the shortest side of the cross section.
  • the central portion C of the anode body 1 is a region including a center of gravity G as a center and a square having the same size as the corner portion V as an outer shape. When the anode lead 2 is applied to the central portion C, the region excluding the anode lead 2 may be the central portion C.
  • the capacitor element 10 is cut together with the anode lead 2 to perform analysis.
  • the center of gravity G of the capacitor element 10 may be obtained on the assumption that the capacitor element 10 is formed of a single material except for the anode lead 2.
  • the capacitor element 10 including the anode lead 2 can be cut as follows. First, after the capacitor element 10 is accommodated in a bottomed container, a thermosetting resin (for example, epoxy resin, acrylic resin, etc.) is poured into the container and cured. Thereafter, the anode lead 2 and the capacitor element 10 are cut together with the thermosetting resin.
  • a thermosetting resin for example, epoxy resin, acrylic resin, etc.
  • each area ratio calculated as described above can be regarded as each mass Wi (mass Wvi and mass Wci) of the protective material 4 per unit volume of the capacitor element 10. Therefore, the ratio: Wvi / Wci can be calculated from the area ratio.
  • the ratio: Wvi / Wci is in the vicinity of 1, specifically 0.95 to 1.05, the protective material 4 may be regarded as not unevenly distributed.
  • the corner VS of the surface is a square that includes a point where two sides intersect as one of the vertices on the surface of an arbitrary surface of the intermediate, and the length of one side is 1/3 of the shortest side of the surface. is there.
  • the center portion CS of the surface is a region that includes the center of gravity GS of the surface as a center and has a square having the same size as the corner portion VS.
  • angular part VS and center part CS can be considered as the mass in each area
  • the ratio of the mass Wvsi per unit volume of the protective material 4 included in the corner portion VS and the mass Wcsi per unit volume of the protective material 4 included in the central portion CS: Wvsi / Wcsi is obtained from Wvi / Wci. Can also be smaller. In other words, the protective material 4 can be unevenly distributed in the corner portion V of the capacitor element 10 at a ratio larger than Wvsi / Wcsi.
  • the protective material 4 When the protective material 4 is arranged as an alternative to the dielectric layer 3, the protective material 4 preferably has an insulating property. From the viewpoint of improving the adhesion between the dielectric layer 3 and the solid electrolyte layer 5, the protective material 4 is preferably a silane compound.
  • the silane compound is, for example, a hydrolysis reaction product of a silane coupling agent. In this case, the silane compound may be interposed between the dielectric layer 3 and the solid electrolyte layer 5 and chemically bonded to both layers.
  • the insulating material for example, a polymer (not including a dopant) constituting the solid electrolyte layer 5 such as polypyrrole, polythiophene, polyaniline, and derivatives thereof, but a polymer such as polyvinylene alcohol, polyethylene, and epoxy resin (hereinafter referred to as “insulating material”). And collectively referred to as protective polymers).
  • the silane coupling agent include ⁇ -glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, mercaptopropyltrimethoxysilane, and the like.
  • the solid electrolyte layer 5 is formed on at least a part of the surface of the protective material 4.
  • the solid electrolyte layer 5 includes, for example, a manganese compound or a conductive polymer.
  • a conductive polymer polypyrrole, polythiophene, polyaniline, and derivatives thereof can be used.
  • the solid electrolyte layer 5 containing a conductive polymer can be formed, for example, by subjecting a raw material monomer to chemical polymerization and / or electrolytic polymerization on the protective material 4. Alternatively, it can be formed by applying a liquid containing a conductive polymer to the protective material 4.
  • the protective material 4 is unevenly distributed in the corner portion V of the capacitor element 10. Therefore, the solid electrolyte layer 5 formed on the surface of the protective material 4 can be unevenly distributed in the central portion C of the capacitor element 10. That is, more solid electrolyte layers 4 than the corners V are formed at the center C of the capacitor element 10.
  • the mass Wce per unit volume of the solid electrolyte layer 5 in the central portion C of the capacitor element 10 can be larger than the mass Wve per unit volume of the solid electrolyte layer 5 in the corner portion V of the capacitor element 10.
  • the ratio of the mass Wve to the mass Wce: Wce / Wve is, for example, 50 to 1000, and may be 50 to 500.
  • the ratio: Wce / Wve may be calculated by regarding the area ratio in each region of the solid electrolyte layer 5 calculated by element mapping as the mass Wce or Wve, similarly to the mass Wi of the protective material 4.
  • the cathode layer 6 includes, for example, a carbon layer and a metal (for example, silver) paste layer formed on the surface of the carbon layer (both not shown). Such a cathode layer 6 is formed by sequentially applying a carbon paste and a silver paste. In addition, the structure of the cathode layer 6 is not restricted to this, What is necessary is just a structure which has a current collection function.
  • the anode member 1 and the anode lead 2 constitute an anode member of the capacitor element 10
  • the solid electrolyte layer 5 and the cathode layer 6 constitute a cathode member of the capacitor element 10
  • the dielectric layer 3 A dielectric member of the capacitor element 10 is configured.
  • the protective material 4 protects the dielectric layer 3 at the corner portion V of the capacitor element 10 or functions as an alternative to the dielectric layer 3.
  • the exterior body 11 is made of, for example, an insulating resin.
  • the insulating resin include epoxy resins, phenol resins, silicone resins, melamine resins, urea resins, alkyd resins, polyurethanes, polyimides, polyamideimides, unsaturated polyesters, and the like.
  • Step of Producing Anode Member The valve action metal powder and the anode lead 2 are placed in a mold so that the embedded portion 2a of the anode lead 2 is embedded in the valve action metal powder, and then molded by pressure. Thereafter, by sintering in vacuum, an anode member in which a part of the anode lead 2 is implanted is produced.
  • the pressure at the time of molding is not particularly limited. If necessary, the valve metal powder may be mixed with a binder such as polyacrylic carbonate.
  • Step of forming dielectric layer Dielectric layer 3 is formed on the surface of anode body 1.
  • the anode body 1 is immersed in a chemical conversion tank filled with an electrolytic aqueous solution (for example, phosphoric acid aqueous solution), and the extension portion 2b of the anode lead 2 is connected to the anode body of the chemical conversion tank, thereby anodizing.
  • the dielectric layer 3 made of an oxide film of the valve metal can be formed on the surface of the anode body 1.
  • the electrolytic aqueous solution is not limited to a phosphoric acid aqueous solution, and nitric acid, acetic acid, sulfuric acid, and the like can be used.
  • the protective material 4 is arranged on the surface of the dielectric layer 3.
  • the anode body 1 on which the dielectric layer 3 is formed is immersed in a treatment liquid containing a protective polymer (or a raw material thereof) that is a material of the protective material 4 or a silane coupling agent.
  • a protective polymer or a raw material thereof
  • the anode body 1 is pulled up to remove a solvent or a dispersion medium (hereinafter collectively referred to as a liquid component) contained in the treatment liquid.
  • the liquid component is removed by gradually evaporating. When the liquid component evaporates, the liquid component induces flow (coffee stain phenomenon).
  • FIG. 3 schematically shows a cross section P in the plane of the capacitor element 10.
  • the anode lead 2 and the protective material 4 in the central portion C are omitted, and the protective material 4 that is unevenly distributed in the corner portion V is indicated by hatching.
  • the protective material 4 can be unevenly distributed in the vicinity of the corner portion of the anode body 1 by a simple method of impregnating the treatment liquid containing the material of the protective material 4 and then gradually drying it. Therefore, the protective material 4 can be unevenly distributed without significantly reducing productivity. Further, according to the above method, the material of the protective material 4 moves on the flow generated inside the anode body 1, and therefore does not protrude greatly outside the anode body 1. Therefore, the outer shape of the capacitor element 10 does not become excessively large.
  • the anode body 1 is dipped in the treatment solution and pulled up, and then dried over 30 minutes or more so that the mass of the liquid component impregnated in the anode body 1 is reduced by 90% (remaining amount is 10 mass%). It is preferable to make it. In particular, from the viewpoint of productivity, it is preferable to dry at room temperature and normal pressure (for example, 20 ° C., atmospheric pressure) at a humidity of 50% or more over 30 minutes or more.
  • examples of the liquid component required for 30 minutes or more to be removed by 90% by mass include a compound having lower volatility than water.
  • the boiling point can be an indicator.
  • a compound having a boiling point higher than that of water for example, about 110 to 200 ° C., preferably about 110 to 150 ° C. is preferably used as the liquid component.
  • Liquid components having a boiling point higher than water include 1-butanol, 2-methylbutanol, ethylene glycol, acetic acid, acetic anhydride, butyl acetate, dibutyl ether, toluene, o-xylene, dimethylformamide, acetylacetone, benzaldehyde, chloromethyloxirane And diethyl carbonate, 1,4-dioxane, 2-chloroethanol, n-octane, 1-pentanol, 3-pentanol, diethylene glycol monoethyl ether, formic acid, pyridine, tetrachloroethylene, dimethyl sulfoxide and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the liquid component used is not limited to these, and a liquid component having appropriate volatility (boiling point) may be appropriately selected according to the drying conditions.
  • a liquid component having a boiling point higher than that of the exemplified liquid component can be used.
  • the liquid component for example, ethanol, acetone, etc.
  • the silane coupling agent is impregnated, the polymerization reaction of the silane coupling agent can be accelerated at this time.
  • the solid electrolyte layer 5 (first solid electrolyte layer) containing a conductive polymer is obtained by, for example, impregnating a monomer or oligomer into the anode body 1 on which the protective material 4 is disposed, and then chemically or electrolytically polymerizing the monomer.
  • the anode body 1 on which the protective material 4 is disposed is impregnated with a liquid containing a conductive polymer and dried. Thereby, the solid electrolyte layer 5 is formed on at least a part of the surface of the protective material 4.
  • a solid electrolyte layer (second solid electrolyte layer) containing the second conductive polymer may be formed in an overlapping manner.
  • the second solid electrolyte layer is formed, for example, by a method similar to the method of forming the first solid electrolyte layer.
  • Step of forming cathode layer By sequentially applying a carbon paste and a silver paste on the surface of the solid electrolyte layer 5, the cathode layer 6 composed of the carbon layer and the silver paste layer can be formed.
  • the configuration of the cathode layer 6 is not limited to this, and may be any configuration having a current collecting function.
  • An electrolytic capacitor was produced in the following manner.
  • Step 1 Production of Anode Member
  • tantalum metal particles having an average primary particle size D50 of about 0.1 ⁇ m and an average secondary particle size of about 0.2 ⁇ m were used.
  • an anode member in which a part of the anode lead (embedded portion) was embedded in the anode body was obtained.
  • Step 2 Formation of Dielectric Layer
  • a part of the anode body and anode lead is immersed in a chemical conversion tank filled with an aqueous phosphoric acid solution that is an electrolytic aqueous solution, and the other part (extension part) of the anode lead is formed in the chemical conversion tank.
  • the anode body was connected.
  • a uniform dielectric of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is formed on the surface of the anode body (the surface of the porous sintered body including the inner wall surface of the hole) and a part of the surface of the anode lead.
  • a body layer was formed.
  • the anodic oxidation was performed using a 0.02 mass% phosphoric acid aqueous solution at a conversion voltage of 10V.
  • Step 3 Arrangement of protective material ⁇ -glycidoxypropyltrimethoxysilane was used as a protective material and dissolved in 1-butanol to prepare a treatment liquid having a concentration of 5% by mass.
  • the obtained solution was impregnated into the anode body on which the dielectric layer was formed for 5 minutes, then lifted and allowed to stand at room temperature (20 ° C.) and atmospheric pressure for 30 minutes, and a silane compound ( ⁇ -glycidoxypropyltrimethoxysilane hydrolysis reaction product) was placed. Thereafter, the anode body was left in a high temperature bath at 210 ° C. and dried.
  • Step 4 Formation of Solid Electrolyte Layer
  • Step 5 Formation of cathode layer A carbon layer was formed by applying a carbon paste to the surface of the solid electrolyte layer. Next, a silver paste layer was formed by applying a silver paste on the surface of the carbon layer. In this way, a cathode layer composed of the carbon layer and the silver paste layer was formed to obtain a capacitor element. The mass per unit of the silane compound and the solid electrolyte layer at the corner and center of the obtained capacitor element was calculated by the above method. The results are shown in Table 1.
  • Step 6 Production of Solid Electrolytic Capacitor
  • the obtained capacitor element was sealed with an exterior body to complete the solid electrolytic capacitor shown in FIG.
  • the results are shown in Table 1.
  • Example 1 in which the protective material was unevenly distributed at the corners of the capacitor element, both the maximum value and the median value of the leakage current were reduced as compared with Comparative Examples 1 and 2. In particular, the reduction rate of the maximum value of the leakage current is high. On the other hand, the electrostatic capacitance of Example 1 was only reduced by about 0.7% as compared with Comparative Example 2.
  • Comparative Example 2 since acetone having high volatility was used as the liquid component of the treatment liquid, vaporization of acetone was completed before the silane compound sufficiently flowed in Step 3, and uneven distribution of the silane compound did not occur. Conceivable. When a liquid component having high volatility such as acetone is used, the silane compound can be unevenly distributed at the corners of the capacitor element by performing active cooling in Step 3.
  • the electrolytic capacitor according to the present disclosure is excellent in reliability and can be used for various purposes.

Abstract

本発明の固体電解コンデンサは、多孔質焼結体である陽極体と、前記多孔質焼結体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置された絶縁材と、前記絶縁材の表面に形成された固体電解質層と、を有し、少なくとも一つの角部を有するコンデンサ素子を備え、前記コンデンサ素子の前記角部に、前記コンデンサ素子の中心部よりも多くの前記絶縁材が配置されている。

Description

固体電解コンデンサ
 本開示は、固体電解コンデンサに関し、特に、漏れ電流の低減に関する。
 近年、電子機器の小型化および軽量化に伴って、小型かつ大容量の高周波用コンデンサが求められている。このようなコンデンサとして、等価直列抵抗(ESR)が小さく、周波数特性に優れている固体電解コンデンサの開発が進められている。固体電解コンデンサは、陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の表面に形成された固体電解質層とを具備する。陽極体としては、弁作用金属の粉末を焼結した多孔質焼結体が用いられる。
 誘電体層は、例えば、多孔質焼結体を化成することにより形成される。多孔質焼結体の特に角部は、外部からの応力やストレスにより損傷し易い。そのため、多孔質焼結体を化成して形成される誘電体層もまた、損傷し易い。誘電体層が損傷すると、漏れ電流が増大する。そこで、特許文献1では、立方体である焼結体の角部あるいは角部を含む稜線の外側に、絶縁性樹脂からなる凸部を形成している。
特開2011-49276号公報
 しかし、特許文献1の方法では、焼結体の角部または稜線の外側に凸部が形成されるため、固体電解コンデンサにおいて、容量に寄与しない部分の割合が増加する。そのため、固体電解コンデンサの容量密度が小さくなる。また、特許文献1では、凸部を形成した後、化成処理を行っているため、多孔質焼結体と誘電体層との密着性が低下し易い。多孔質焼結体と誘電体層との間に固体電解質が入り込むと、漏れ電流が発生する原因になる場合がある。
 本開示の固体電解コンデンサは、多孔質焼結体である陽極体と、前記多孔質焼結体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置された絶縁材と、前記絶縁材の表面に形成された固体電解質層と、を有し、少なくとも一つの角部を有するコンデンサ素子を備え、前記コンデンサ素子の前記角部に、前記コンデンサ素子の中心部よりも多くの前記絶縁材が配置されている。
 また、本開示の他の固体電解コンデンサは、多孔質焼結体である陽極体と、前記多孔質焼結体の表面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表面に配置されたシラン化合物と、前記絶縁材の表面に形成された固体電解質層と、を有し、少なくとも一つの角部を有するコンデンサ素子を備え、前記コンデンサ素子の前記角部に、前記コンデンサ素子の中心部よりも多くの前記シラン化合物が配置されている。
 本開示によれば、固体電解コンデンサの容量を維持しながら、漏れ電流を低減することができる。
本開示の一実施形態に係る固体電解コンデンサの断面模式図である。 角部および中心部を含む断面Pで切断したコンデンサ素子を示す斜視図である。 絶縁材あるいはシラン化合物が、コンデンサ素子の角部に偏在する様子を模式的に示す断面図である。
 本開示の一実施形態に係る固体電解コンデンサについて、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る固体電解コンデンサ20の断面模式図である。
<固体電解コンデンサ>
 固体電解コンデンサ20は、コンデンサ素子10と、コンデンサ素子10を封止する外装体11と、外装体11の外部にそれぞれ露出する陽極端子7および陰極端子9と、を備える。コンデンサ素子10は、多孔質焼結体である陽極体1と、陽極リード2と、陽極体1の表面に形成された誘電体層3と、誘電体層の表面に配置された絶縁材あるいはシラン化合物(以下、併せて保護材4と称す)と、保護材4の表面に形成された固体電解質層5と、を有する。コンデンサ素子10は、さらに、固体電解質層5の表面を覆う陰極層6を有している。また、コンデンサ素子10は、少なくとも一つの角部を有している。ここで、角部とは、コンデンサ素子10の外形または陽極体1の外形を構成する、少なくとも3本の稜線が交わって形成される頂点を含む部分である。
 陽極リード2の一端を含む埋設部2aは、陽極体1の一面から陽極体1の内部に埋設されている。陽極リード2の他端を含む延出部2bは、外装体11で封止されている陽極端子7の接続部7aと、溶接等により電気的に接続されている。一方、陰極層6は、外装体11で封止されている陰極端子9の接続部9aと、導電性接着材8(例えば熱硬化性樹脂と金属粒子との混合物)を介して、電気的に接続されている。陽極端子7の露出部7bおよび陰極端子9の露出部9bは、それぞれ外装体11の異なる側面から引き出され、一方の主要平坦面(図1では下面)まで露出状態で延在している。この平坦面における各端子の露出箇所は、固体電解コンデンサ20を搭載すべき基板(図示せず)との半田接続等に用いられる。
(陽極体)
 陽極体1は、弁作用金属の粉末または弁作用金属を含む合金の粉末を焼結して得られる多孔質焼結体であり、少なくとも一つの角部を有している。そのため、コンデンサ素子10には、少なくとも一つの角部が形成される。陽極体1は、弁作用金属の粉末等を例えば六面体に加圧成形し、焼結することにより作製される。このとき、埋設部2aを上記六面体に埋め込んだ状態で、加圧成形および焼結することにより、陽極体1の一面から、延出部2bが植立するように引き出すことができる。なお、図1では、矩形の断面を備える陽極体1を図示しているが、陽極体の形状はこれに限定されず、少なくとも一つの角部を有していればよい。
 陽極体1を構成する材料としては、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)等の弁作用金属を、1種または2種以上組み合わせて用いることができる。弁作用金属の酸化物は、誘電率が高いため、陽極部材の構成材料として適している。なお、上記材料は、2種以上の金属からなる合金であってもよい。弁作用金属の合金は、弁作用金属を主成分とし、弁作用金属を50原子%以上含むことが好ましい。
 弁作用金属の粉末の一次粒子の平均粒径D50は、例えば0.05μm~0.5μmであることが好ましい。ここで、平均粒径D50は、レーザー回折式の粒度分布測定装置により求められる体積粒度分布におけるメディアン径である(以下、同じ)。
(陽極リード)
 陽極リード2は、例えば、導電性を有するワイヤーから構成されている。陽極リード2を構成する導電性材料としては、上記弁作用金属が挙げられる。陽極体1および陽極リード2を構成する材料は、同種であってもよいし、異種であってもよい。
(誘電体層)
 誘電体層3は、陽極体1の表面を、化成処理等により陽極酸化することにより形成される。陽極酸化は、公知の方法により行えばよい。なお、誘電体層3はこれに限定されず、誘電体として機能する絶縁性の層であればよい。
(保護材)
 誘電体層3は、外部からの応力やストレスにより損傷し易い。そこで、誘電体層3の損傷を抑制するために、誘電体層3と固体電解質層5との間に、誘電体層3を保護する保護材4を配置する。特に、コンデンサ素子10の角部において誘電体層3は損傷し易いため、保護材4を上記角部に偏在するように配置する。これにより、誘電体層3の特に角部における損傷が抑制される。さらに、コンデンサ素子10の中心部にも保護材4が配置されることにより、中心部においても誘電体層3の損傷が抑制され易くなる。このとき、保護材4が絶縁性(すなわち、絶縁材)であると、誘電体層3が損傷した場合であっても、保護材4が誘電体層3に代わって機能するため、漏れ電流がさらに防止され易くなる。その結果、耐圧性が向上する。また、保護材4は、誘電体層3と固体電解質層5との間に形成される。そのため、陽極体1と誘電体層3とは密着される。よって、漏れ電流はさらに抑制され易い。
 偏在とは、陽極体1の中心部にも保護材4が存在するものの、特に角部に存在する保護材4の量が多い状態である。例えば、コンデンサ素子10の角部における単位体積当たりの保護材4の質量Wviは、コンデンサ素子10の中心部における単位体積当たりの保護材4の質量Wciよりも大きい。なかでも、質量Wviと質量Wciとの比:Wvi/Wciは、50~1000あることが好ましく、50~500であることがより好ましい。
 保護材4は、コンデンサ素子10の断面の分析、例えば、電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いた元素マッピングにより、その存在を確認することができる。具体的には、保護材4に含まれる元素(保護材含有元素)について元素マッピングを行い、二値化処理等の画像処理を行えばよい。あるいは、保護材含有元素をカラーマッピングする。得られた画像から、マッピングされた保護材含有元素の角部および中心部全体における面積割合を求めて比較する。角部における上記面積割合が、中心部における上記面積割合よりも多い場合、角部に、中心部よりも多くの保護材4が配置されているといえる。保護材含有元素は、コンデンサ素子10を構成する他の要素にあまり含まれない元素であることが好ましい。例えば、保護材4がシラン化合物である場合、保護材含有元素としてケイ素を選択する。
 角部は、具体的には、以下のように決定される。図2に示すように、コンデンサ素子10の重心Gと、コンデンサ素子10の少なくとも3本の稜線が交わってできる点(頂点Vt)と、を通る平面において、コンデンサ素子10を切断する。得られた断面Pにおいて、頂点Vtを頂点の一つとして含み、一辺の長さが当該断面の最も短い辺の1/3である正方形を角部Vとする。陽極体1の中心部Cは、重心Gを中心として含み、角部Vと同じ大きさの正方形を外形とする領域である。なお、陽極リード2が中心部Cにかかる場合、陽極リード2を除いた領域を中心部Cとすればよい。
 なお、陽極体1から陽極リード2が植立しており、陽極リード2が重心Gを通る場合、陽極リード2とともにコンデンサ素子10を切断し、分析を行う。この場合、コンデンサ素子10の重心Gは、陽極リード2を除いて、コンデンサ素子10が単一の材質により形成されていると仮定して求めればよい。陽極リード2を含むコンデンサ素子10の切断は、以下のようにして行うことができる。まず、有底の容器にコンデンサ素子10を収容した後、容器内に熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等)を流しこんで硬化させる。その後、熱硬化性樹脂とともに、陽極リード2およびコンデンサ素子10を切断する。
 さらに、上記のように算出された各面積割合は、コンデンサ素子10の単位体積当たりの保護材4の各質量Wi(質量Wviおよび質量Wci)とみなすことができる。そのため、上記面積割合から比:Wvi/Wciを算出することができる。なお、比:Wvi/Wciが1の近傍、具体的には0.95~1.05である場合、保護材4は偏在していないとみなせばよい。
 なお、保護材4が角部に偏在していることは、例えば、固体電解質層および陰極層を形成する前のコンデンサ素子10(以下、中間体と称する)の表面からも分析できる。中間体の表面をEPMAを用いて元素マッピングしたとき、中間体の表面の角部VSにおいて、保護材に含有される元素の面積割合が、表面の中央部CSにおける当該面積割合よりも多い場合、コンデンサ素子10の角部Vに、中心部Cよりも多くの保護材4が配置されているといえる。表面の角部VSは、中間体の任意の1面の表面において、2辺が交わる点を頂点の一つとして含み、一辺の長さが当該表面の最も短い辺の1/3である正方形である。表面の中央部CSは、表面の重心GSを中心として含み、角部VSと同じ大きさの正方形を外形とする領域である。また、角部VSおよび中央部CSにおける各面積割合は、上記と同様に、各領域における質量とみなすことができる。このとき、角部VSに含まれる保護材4の単位体積当たりの質量Wvsiと、中央部CSに含まれる保護材4の単位体積当たりの質量Wcsiとの比:Wvsi/Wcsiは、Wvi/Wciよりも小さくなり得る。言い換えれば、コンデンサ素子10の角部Vには、Wvsi/Wcsiよりも大きな比で、保護材4が偏在し得る。
 誘電体層3の代替として配置させる場合、保護材4は絶縁性を備えることが好ましい。誘電体層3と固体電解質層5との密着性向上の観点からは、保護材4は、シラン化合物であることが好ましい。シラン化合物は、例えば、シランカップリング剤の加水分解反応物である。この場合、シラン化合物は、誘電体層3と固体電解質層5の間に介在して、両層と化学的に結合していてもよい。絶縁材としては、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体等の固体電解質層5を構成する高分子(ただし、ドーパントを含まない)、ポリビニレンアルコール、ポリエチレン、エポキシ樹脂等の高分子(以下、まとめて保護高分子と称する)が挙げられる。シランカップリング剤としては、例えば、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシランおよびメルカプトプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
(固体電解質層)
 固体電解質層5は、保護材4の表面の少なくとも一部に形成される。固体電解質層5は、例えば、マンガン化合物や導電性高分子を含む。導電性高分子として、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体などを用いることができる。
 導電性高分子を含む固体電解質層5は、例えば、原料モノマーを保護材4上で化学重合および/または電解重合することにより、形成することができる。あるいは、導電性高分子を含む液体を、保護材4に塗布することにより、形成することができる。
 保護材4はコンデンサ素子10の角部Vに偏在している。そのため、保護材4の表面に形成される固体電解質層5は、逆にコンデンサ素子10の中心部Cに偏在し得る。つまり、コンデンサ素子10の中心部Cには、角部Vよりも多くの固体電解質層4が形成されている。言い換えれば、コンデンサ素子10の中心部Cにおける固体電解質層5の単位体積当たりの質量Wceは、コンデンサ素子10の角部Vにおける固体電解質層5の単位体積当たりの質量Wveより大きくなり得る。質量Wveと質量Wceとの比:Wce/Wveは、例えば、50~1000であり、50~500であり得る。比:Wce/Wveは、保護材4の上記質量Wiと同様に、元素マッピングによって算出される固体電解質層5の各領域における面積割合を、質量WceあるいはWveとみなして算出すればよい。
(陰極層)
 陰極層6は、例えば、カーボン層と、カーボン層の表面に形成された金属(例えば、銀)ペースト層と、を有している(いずれも図示せず)。このような陰極層6は、カーボンペーストおよび銀ペーストを順次、塗布することにより形成される。なお、陰極層6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。
 このようにして、陽極体1および陽極リード2により、コンデンサ素子10の陽極部材が構成され、固体電解質層5および陰極層6により、コンデンサ素子10の陰極部材が構成され、誘電体層3により、コンデンサ素子10の誘電体部材が構成される。保護材4は、特にコンデンサ素子10の角部Vにおいて、誘電体層3を保護し、あるいは、誘電体層3の代替として機能する。
(外装体)
 最後に、コンデンサ素子10は、外装体11により封止される。これにより、コンデンサ素子10と外部とは電気的に絶縁される。外装体11は、例えば、絶縁性の樹脂により形成される。絶縁性の樹脂としては、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、ポリアミドイミド、不飽和ポリエステル等が挙げられる。
(固体電解コンデンサの製造方法)
 本実施形態に係る固体電解コンデンサの製造方法の一例を、説明する。
(1)陽極部材を作製する工程
 弁作用金属の粉末と陽極リード2とを、陽極リード2の埋設部2aが弁作用金属の粉末の中に埋め込まれるように型に入れ、加圧により成形した後、真空中で焼結することにより、陽極リード2の一部が植設された陽極部材が作製される。成形の際の圧力は特に限定されない。弁作用金属の粉末には、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。
(2)誘電体層を形成する工程
 陽極体1の表面に誘電体層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、陽極リード2の延出部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、陽極体1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。
(3)保護材の配置工程
 次に、誘電体層3の表面に保護材4を配置する。具体的には、誘電体層3が形成された陽極体1を、保護材4の材料である保護高分子(もしくはその原料)またはシランカップリング剤を含む処理液に浸漬する。上記処理液を陽極体1に含浸させた後、陽極体1を引き上げて、上記処理液に含まれる溶媒または分散媒(以下、まとめて液状成分と称す)を除去する。このとき、液状成分を徐々に蒸発させることにより、除去する。液状成分が蒸発する際、液状成分は流動を誘起する(コーヒー・ステイン現象)。すなわち、陽極体1の中心部から、液状成分の蒸発が生じやすい表面、特に角部Vに向かう流動が誘起される。保護材4の材料はこの流動に乗って、陽極体1の中心部Cから角部Vに向かって移動し、図3に示すように、角部Vに偏在するように堆積する。図3は、コンデンサ素子10の平面における断面Pを模式的に示している。なお、図3では、陽極リード2および中心部Cにおける保護材4を省略し、角部Vに偏在する保護材4をハッチングを付して示している。
 本実施形態によれば、保護材4の材料を含む処理液を含浸させた後、徐々に乾燥させるというシンプルな方法により、保護材4を陽極体1の角部近傍に偏在させることができる。そのため、生産性を大きく低下させることなく、保護材4を偏在させることができる。さらに、上記方法によれば、保護材4の材料は、陽極体1の内部で生じる流動に乗って移動するため、陽極体1の外部に大きくはみ出すことはない。よって、コンデンサ素子10の外形は過度に大きくならない。
 保護材4の材料を角部Vに偏在させるためには、液状成分を除去する速度(乾燥速度)を制御することが重要である。例えば、陽極体1を上記処理液に浸漬し、引き上げてから、30分以上かけて、陽極体1に含浸された液状成分の質量が90%減少(残存量が10質量%)するように乾燥させることが好ましい。特に、生産性の観点から、常温常圧下(例えば、20℃、大気圧)、湿度50%以上で、30分以上かけて乾燥させることが好ましい。
 常温常圧下で液状成分を除去する場合、90質量%除去されるのに30分以上必要な液状成分としては、例えば、水よりも揮発性が低い化合物が挙げられる。揮発性の大小は、沸点が一つの指標になり得る。上記の場合、液状成分として、水より高い沸点(例えば、110~200℃程度、好ましくは110~150℃程度)を有する化合物が好ましく用いられる。
 水より高い沸点を有する液状成分としては、1-ブタノール、2-メチルブタノール、エチレングリコール、酢酸、無水酢酸、酢酸ブチル、ジブチルエーテル、トルエン、o-キシレン、ジメチルホルムアミド、アセチルアセトン、ベンズアルデヒド、クロロメチルオキシラン、ジエチルカーボネート、1,4-ジオキサン、2-クロロエタノール、n-オクタン、1-ペンタノール、3-ペンタノール、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、蟻酸、ピリジン、テトラクロロエチレン、ジメチルスルホキシド等が例示できる。これらは、単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。
 用いられる液状成分はこれらに限定されず、乾燥条件に応じて、適切な揮発性(沸点)を備える液状成分を適宜選択すればよい。加熱下で液状成分を除去する場合には、例示した上記液状成分より高い沸点を有する液状成分を用いることができる。また、冷却しながら液状成分を除去する場合には、例示した上記液状成分より低い沸点を有する液状成分(例えば、エタノール、アセトン等)を用いることができる。上記乾燥条件により液状成分の90%を除去した後、さらに加熱等を行ってもよい。シランカップリング剤を含浸させた場合、このときにシランカップリング剤の重合反応が促進され得る。
(4)固体電解質層の形成工程
 本実施形態では、導電性高分子を含む固体電解質層5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5(第1の固体電解質層)は、例えば、保護材4が配置された陽極体1に、モノマーやオリゴマーを含浸させ、その後、化学重合または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、保護材4が配置された陽極体1に、導電性高分子を含む液体を含浸し、乾燥させる。これにより、固体電解質層5は、保護材4の表面の少なくとも一部に形成される。さらに、重ねて第2の導電性高分子を含む固体電解質層(第2の固体電解質層)を形成してもよい。第2の固体電解質層は、例えば、第1の固体電解質層を形成する方法と同様の方法により形成される。
(5)陰極層の形成工程
 固体電解質層5の表面に、カーボンペーストおよび銀ペーストを順次、塗布することにより、カーボン層および銀ペースト層で構成される陰極層6を形成することができる。陰極層6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。
 以下、実施例に基づいて、本開示をより詳細に説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
 下記の要領で電解コンデンサを作製した。
(工程1)陽極部材の作製
 弁作用金属として、一次粒子の平均粒径D50が約0.1μm、二次粒子の平均粒子径が約0.2μmであるタンタル金属粒子を用いた。このタンタル金属の粉末およびタンタルからなる陽極リードを用いて、上記方法に従い、陽極体に陽極リードの一部(埋設部)が埋め込まれた陽極部材を得た。
(工程2)誘電体層の形成
 電解水溶液であるリン酸水溶液が満たされた化成槽に、陽極体と陽極リードの一部を浸漬し、陽極リードの他の部分(延出部)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)および陽極リードの一部の表面に、酸化タンタル(Ta25)の均一な誘電体層を形成した。陽極酸化は、0.02質量%リン酸水溶液を用いて、化成電圧10Vで行った。
(工程3)保護材の配置
 保護材の材料としてγ-グリシドキシプロピルトリメトキシシランを用い、1-ブタノールに溶解して、濃度5質量%の処理液を調製した。得られた溶液を誘電体層が形成された陽極体に5分間含浸させた後、引き揚げて、常温(20℃)、大気圧下で30分間静置し、誘電体層の表面にシラン化合物(γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシランの加水分解反応物)を配置した。その後、陽極体を210℃の高温槽内に静置して、乾燥した。
(工程4)固体電解質層の形成
 3,4-エチレンジオキシチオフェンと、ドーパントとしてのポリスチレンスルホン酸とを、イオン交換水に溶かした混合溶液を調製した。得られた混合溶液を撹拌しながら、イオン交換水に溶かした硫酸第二鉄と過硫酸ナトリウムとを添加し、重合反応を行った。反応後、得られた反応液を透析して、未反応モノマーおよび過剰な酸化剤を除去し、約3質量%のポリスチレンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェンを含む分散液を得た。得られた分散液を、シラン化合物が配置された陽極体に含浸させた後、乾燥し、シラン化合物の表面に固体電解質層を形成した。
(工程5)陰極層の形成
 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て、コンデンサ素子を得た。
 得られたコンデンサ素子の角部および中心部におけるシラン化合物および固体電解質層の単位当たりの質量を、上記の方法により算出した。結果を表1に示す。
(工程6)固体電解コンデンサの作製
 得られたコンデンサ素子を外装体により封止して、図1に示す固体電解コンデンサを完成させた後、以下に示す評価を行った。結果を表1に示す。
[評価]
 得られた電解コンデンサ(n=125)について、静電容量および漏れ電流を測定した。静電容量は、LCRメータを用いて、120Hzで測定した。漏れ電流は、陽極体と陰極との間に6.3Vの電圧を印加した後、40秒後に測定した。結果を表1に示す。なお、漏れ電流については、125個の試料の中央値および最大値をそれぞれ示す。
[比較例1]
 保護材の配置工程(工程3)を行わなかったこと以外、実施例1と同様にして、固体電解コンデンサ(n=125)を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
[比較例2]
 γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシランをアセトンに溶解させた処理液を用いたこと以外、実施例1と同様にして、固体電解コンデンサ(n=125)を作製し、評価を行った。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 コンデンサ素子の角部に保護材を偏在させた実施例1では、比較例1および2に比べて、漏れ電流の最大値および中央値ともに減少していた。特に、漏れ電流の最大値の減少率が高い。一方、実施例1の静電容量は、比較例2に比べて0.7%程度の減少に留まっていた。
 なお、比較例2では、Wvi/Wci=1であることからわかるように、シラン化合物は、コンデンサ素子の角部に偏在していない。そのため、漏れ電流の改善効果が低い。比較例2では、処理液の液状成分として高い揮発性を有するアセトンを用いたため、工程3において、シラン化合物が十分に流動する前に、アセトンの気化が完了し、シラン化合物の偏在が生じなかったと考えられる。アセトンのような高い揮発性を有する液状成分を用いる場合、工程3において積極的な冷却を行うことにより、シラン化合物をコンデンサ素子の角部に偏在させることができる。
 本開示に係る電解コンデンサは、信頼性に優れるため、様々な用途に利用できる。
1:陽極体、2:陽極リード、2a:埋設部、2b:延出部、3:誘電体層、4:保護材、5:固体電解質層、6:陰極層、7:陽極端子、7a:接続部、7b:露出部、8:導電性接着材、9:陰極端子、9a:接続部、9b:露出部、10:コンデンサ素子、11:外装体、20:固体電解コンデンサ

Claims (6)

  1.  多孔質焼結体である陽極体と、
     前記多孔質焼結体の表面に形成された誘電体層と、
     前記誘電体層の表面に配置された絶縁材と、
     前記絶縁材の表面に形成された固体電解質層と、
    を有し、少なくとも一つの角部を有するコンデンサ素子を備え、
     前記コンデンサ素子の前記角部に、前記コンデンサ素子の中心部よりも多くの前記絶縁材が配置されている、
    固体電解コンデンサ。
  2.  前記角部に含まれる前記絶縁材の単位体積当たりの質量Wviと、前記中心部に含まれる前記絶縁材の単位体積当たりの質量Wciとの比:Wvi/Wciが、50~1000である、
    請求項1に記載の固体電解コンデンサ。
  3.  前記コンデンサ素子の前記中心部に、前記コンデンサ素子の前記角部よりも多くの前記固体電解質層が形成されている、
    請求項1または2に記載の固体電解コンデンサ。
  4.  多孔質焼結体である陽極体と、
     前記多孔質焼結体の表面に形成された誘電体層と、
     前記誘電体層の表面に配置されたシラン化合物と、
     前記シラン化合物の表面に形成された固体電解質層と、
    を有し、少なくとも一つの角部を有するコンデンサ素子を備え、
     前記コンデンサ素子の前記角部に、前記コンデンサ素子の中心部よりも多くの前記シラン化合物が配置されている、
    固体電解コンデンサ。
  5.  前記シラン化合物が、シランカップリング剤の加水分解反応物である、
    請求項4に記載の固体電解コンデンサ。
  6.  前記角部に含まれる前記シラン化合物の単位体積当たりの質量Wviと、前記中心部に含まれる前記シラン化合物の単位体積当たりの質量Wciとの比:Wvi/Wciが、50~1000である、
    請求項4または5に記載の固体電解コンデンサ。
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