JP2009049373A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】各種電子機器に使用される固体電解コンデンサに関し、大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現することを目的とする。
【解決手段】粗面化して誘電体酸化皮膜層２が形成されたアルミニウム製の陽極箔１と表面にニッケル層４を形成したアルミニウム製の陰極箔３とをその間にセパレータ５を介在させて巻回した素子６と、この素子６の陽極箔１と陰極箔３間に含浸された導電性高分子からなる固体電解質７と、これらを収容した金属ケース１０と、この金属ケース１０の開口部を封止した封口部材１１からなる構成により、ニッケル層４形成時に発生する熱によりニッケルとアルミニウムの反応が一部に起こるためにニッケル層４と陰極箔３との結着強度が高まり、更にニッケル層４は厚みを薄くすることが容易なため、簡単な構成で安価に大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種電子機器に使用されるコンデンサの中で、特に、導電性高分子を固体電解質に用いた巻回形の固体電解コンデンサに関するものである。

電子機器の高周波化に伴い、電子部品の一つである電解コンデンサにおいても、従来よりも高周波領域でのインピーダンス特性に優れた大容量の電解コンデンサが求められてきており、このような要求に応えるために電気伝導度の高い導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが種々検討されている。

また、大容量化の要求に対しては、電極箔を積層させる場合と比較して構造的に大容量化が容易な巻回形（陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回した構造のもの）による導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが製品化されてきている。

そして、このような固体電解コンデンサは、寿命、温度特性に加え、特に優れた高周波特性を有するため、パーソナルコンピュータの電源回路等に広く採用されており、静電容量Ｃを増大させる目的で、自然酸化皮膜が形成され難いニッケル箔等の非弁作用金属箔を陰極箔として用いることにより、陰極静電容量を実質的に無限大にする、という技術が提案されている（特許文献１）。

更にまた、上記特許文献１による非弁作用金属のプレーン箔ではエッチング処理による粗面化ができないために陰極箔と固体電解質との実効的な接触面積が減少し、コンデンサ完成品としての等価直列抵抗が大きくなってしまうという課題を解決する目的で、エッチング処理により表面を粗面化したアルミニウム箔の表面に、無電解めっき法によって非弁作用金属であるニッケルのめっき膜を被着形成した陰極箔を用いる、という技術が提案されている（特許文献２）。
特公平４−７０８６号公報 特許第３４３９０６４号公報

しかしながら上記従来の固体電解コンデンサでは、ニッケル箔を陰極箔として用いる特許文献１の技術においては、一般的に陰極箔として用いられるアルミニウム箔と比較してニッケル箔は高価であるという課題があり、また、エッチング処理により表面を粗面化した金属箔の表面にニッケルのめっき膜を形成する特許文献２の技術においては、無電解めっき法においては、めっき膜の厚みを薄くすることが困難なために粗面化した細孔内部まで均一にニッケルのめっき膜を形成し難く、また、１μｍという厚みではエッチングピットを埋没させてしまうということに加え、粗面化した金属箔の表面に存在する酸化皮膜によってニッケルのめっき膜との結着強度を確保するのが難しいという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決し、簡単な構成で大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現すると共に、安価で高信頼性の固体電解コンデンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、表面を粗面化して誘電体酸化皮膜層が形成されたアルミニウム製の陽極箔とアルミニウム製の陰極箔とをその間にセパレータを介在させて巻回することにより形成された素子と、この素子の陽極箔と陰極箔との間に含浸された導電性高分子からなる固体電解質からなり、上記陰極箔の表面にニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層を形成した構成のものである。

本発明による固体電解コンデンサは、陰極箔の表面にニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層を形成した構成により、陰極箔の静電容量が消滅して発現しなくなり、陽極箔のみが容量として発現するために大容量化を図ることができると共に、上記ニッケル層に含まれるニッケル酸化物は半導体のために導電性を有し、このためにＥＳＲの低減に大きく貢献するばかりでなく、セパレータの炭化処理時やリフロー作業時の加熱に対しても酸化によるＥＳＲの上昇がほとんど無く、更に、ニッケル層の表面に存在するニッケル酸化物により、防食性の向上と、固体電解質との結着強度の向上が図れるものである。

また、上記ニッケル層は、ニッケル層を蒸着によって形成する際に発生する熱によって、陰極箔であるアルミニウムとニッケル及び酸素との拡散層を形成するので、陰極箔とニッケル層の結着強度が高まるという効果も有し、更に、ニッケル層の厚みを大幅に薄くすることが容易であることから、簡単な構成で安価に大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現することができるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１、３〜８に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１による固体電解コンデンサの構成を示した一部切り欠き斜視図、図２は同固体電解コンデンサに使用されるコンデンサ素子の要部を拡大した概念図であり、図１と図２において、１は表面をエッチング処理することにより粗面化層が形成され、この粗面化層上に化成処理によって誘電体酸化皮膜層２が形成されたアルミニウム箔からなる陽極箔、３はアルミニウム箔からなり、表面にニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層４が形成された陰極箔、５は電解紙からなるセパレータであり、このセパレータ５を上記陽極箔１と陰極箔３の間に介在させた状態で巻回することによってコンデンサ素子６を形成した後、このコンデンサ素子６を加熱して上記セパレータ５を炭化処理したものである。

上記陰極箔３は厚みが５０μｍの高純度のアルミニウム箔を用い、真空雰囲気中でアルミニウム箔の表面にニッケルの微粒子を蒸着させることにより、ニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層４を形成するようにしたものである。このニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層４は、ニッケルからなる層とニッケル酸化物からなる層とからなり、真空中の酸素濃度の調整によりニッケル酸化物からなる層は少なくともニッケルからなる層の外表面に形成され、ニッケル酸化物からなる層の厚さは、ニッケル層４の厚さの約１／１０である。

なお、上記ニッケル層４の形成は、蒸着法以外にスパッタ法、ＣＶＤ法等のドライプロセス法によって形成することが可能である。

更に、上記陰極箔３は、基材であるアルミニウム箔を薄くすれば小型化を図ることができ、逆に、厚くすればＥＳＲを低減することができるものである。

また、上記図２に示したコンデンサ素子６の概念図では、その構成をより分かり易くするために、陽極箔１の表面に形成された誘電体酸化皮膜層２、ならびに陰極箔３の表面に蒸着によって形成されたニッケル層４は夫々片面のみに形成された構成で図示したが、陽極箔１の表面の誘電体酸化皮膜層２、ならびに陰極箔３の表面のニッケル層４は夫々両面に形成されているものである。

７は上記コンデンサ素子６の陽極箔１と陰極箔３間に配設されたセパレータ５に含浸されることにより形成された導電性高分子からなる固体電解質、８と９は上記陽極箔１と陰極箔３に夫々接合されて外部へ引き出された陽極リード線と陰極リード線、１０はこの陽極リード線８と陰極リード線９が接合されたコンデンサ素子６を収容した有底円筒状のアルミニウムケース、１１は上記陽極リード線８と陰極リード線９が挿通する孔を備えて上記アルミニウムケース１０の開口部を封止した樹脂加硫ブチルゴム製の封口部材である。

なお、上記固体電解質７の形成は、複素環式モノマーである３、４−エチレンジオキシチオフェン１部と、酸化剤であるｐ−トルエンスルホン酸第二鉄２部と、重合溶剤であるｎ−ブタノール４部を含む溶液にコンデンサ素子６を浸漬して引き上げた後、８５℃で６０分間放置することにより化学重合性導電性高分子であるポリエチレンジオキシチオフェンの固体電解質７を形成したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

このように構成された本実施の形態１による固体電解コンデンサの容量と等価直列抵抗を測定した結果を比較例としての従来品（エッチング処理したアルミニウム箔を陰極箔として用い、ニッケル層は形成しない）と比較して（表１）に示す。

（表１）から明らかなように、本実施の形態１による固体電解コンデンサは、従来品と比較して容量が約２．７倍、ＥＳＲが約１／２という優れた性能を発揮していることが分かり、これは、陰極箔３の表面（両面）にニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層４を形成した構成により、陰極箔３の静電容量が消滅して発現しなくなり、陽極箔１のみが容量として発現することによるものである。

また、上記ニッケル層４に含まれるニッケル酸化物は半導体のために導電性を有し、このためにＥＳＲの低減に大きく貢献するばかりでなく、セパレータ５の炭化処理時やリフロー作業時の加熱に対しても酸化によるＥＳＲの上昇がほとんどなく、更に、ニッケル層４の表面に存在するニッケル酸化物により、防食性の向上と、固体電解質７との結着強度の向上が図れるものである。

更に、上記蒸着によるニッケル層４は、蒸着によるニッケル層４の形成時に発生する熱によって陰極箔３とニッケル層４の間にアルミニウムとニッケル及び酸素の拡散層が生成されるためにニッケル層４と陰極箔３との結着強度が高まるという効果も有し、ニッケル層４の厚みを大幅に薄くすることが容易であることから、簡単な構成で安価に大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現することができるという格別の効果を奏するものである。

なお、本実施の形態１においては、上記ニッケル層４の厚みは０．１μｍ／片面で形成したものであるが、更に薄くすることは技術的に何ら問題なく可能であり、その効果も十分に得ることができる。また、逆に厚くしても、より大きな効果が得られるものではなく、コスト的に高くなるばかりであることから、ニッケル層４の厚みは０．５μｍ／片面、更に好ましくは０．１μｍ／片面もあれば十分であると言える。

また、本実施の形態１においては、セパレータ５としてセルロース繊維を主体とする電解紙からなるセパレータを炭化処理して用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルロース繊維を主体とする電解紙でも紙力増強処理（ポリアクリルアミドやその誘導体）やシランカップリング剤を用いた表面疎水処理方法を用いることで、３００度程度の高温環境での炭化処理を行わずに、目的とするコンデンサ特性を達成できる。

更に、合成繊維を主体とするセパレータを用いると、セルロース繊維のように繊維内部で固体電解質７が偏在することなく、コンデンサ素子内に均一に固体電解質７を形成できるため、高周波領域でのインピーダンスをより低くすることができるものであり、このような合成繊維としては、固体電解質を形成する際の重合液に対して化学的に安定で、耐熱性にも優れた材料を選定することが必要であり、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ナイロン、ポリビニルアルコールもしくはそれらの誘導体が好ましい。特に、ポリエチレンテレフタレートおよびその誘導体、もしくはポリビニルアルコールとの混抄繊維については、固体電解質７であるポリエチレンジオキシチオフェンとのなじみが良くなって密着性・接着性が向上するため、セルロース繊維を主体とする電解紙からなるセパレータを炭化処理したものよりも高周波領域でのインピーダンスを１０％以上低くすることができるものである。

また、上記セパレータ５の炭化処理は、巻回したコンデンサ素子６を加熱処理することによって行う例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セパレータ５を単独で加熱処理して炭化処理を行った後、この炭化処理済みのセパレータ５を用いて巻回することによりコンデンサ素子６を作製することもできるものである。

更にまた、上記陽極箔１と陰極箔３から夫々導出された陽極リード線８と陰極リード線９を図示しない樹脂製の座板に通し、リード部分を折り曲げることによって面実装型の固体電解コンデンサとすることも可能なものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。

本実施の形態２は、上記実施の形態１で図１、図２を用いて説明した固体電解コンデンサの陰極箔の構成が一部異なるようにしたものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同様であるために同一部分には同一の符号を付与してその詳細な説明は省略し、異なる部分についてのみ以下に説明する。

本実施の形態２では、陰極箔３の表面に形成するニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層４を陰極箔３の片面の表面のみに形成したものであり、このように構成された本実施の形態による固体電解コンデンサの容量と等価直列抵抗を測定した結果を比較例としての従来品（エッチング処理したアルミニウム箔を陰極箔として用い、ニッケル層は形成しない）と比較して上記（表１）に併記して示す。

（表１）から明らかなように、本実施の形態２による固体電解コンデンサは、従来品と比較して容量が約２．６倍、ＥＳＲが約３／４という優れた性能を発揮していることが分かり、これらは全て上記実施の形態１と同様の作用効果に加え、ニッケル層４を陰極箔３の片面の表面のみに形成すれば、ニッケル層４を形成しない側の表面に形成されたアルミニウムの誘電体酸化皮膜の静電容量も実質的に消滅して発現しなくなるためである。

但し、ニッケル層４の形成を陰極箔３の片面の表面のみとしたことにより、上記実施の形態１と比較するとＥＳＲが増大し、従来品と近い値になっていることから、ニッケル層４の形成は少なくとも片面の表面上に形成する必要があると言える。

本発明による固体電解コンデンサは、大容量化と低ＥＳＲ化を同時に実現することができるという効果を有し、あらゆる分野のコンデンサとして有用である。

本発明の実施の形態１による固体電解コンデンサの構成を示した一部切り欠き斜視図 同固体電解コンデンサに使用されるコンデンサ素子の要部を拡大した概念図

符号の説明

１ 陽極箔
２ 誘電体酸化皮膜層
３ 陰極箔
４ ニッケル層
５ セパレータ
６ コンデンサ素子
７ 固体電解質
８ 陽極リード線
９ 陰極リード線
１０ アルミニウムケース
１１ 封口部材

Claims (8)

1. 表面を粗面化して誘電体酸化皮膜層が形成されたアルミニウム製の陽極箔とアルミニウム製の陰極箔とをその間にセパレータを介在させて巻回することにより形成された素子と、この素子の陽極箔と陰極箔との間に含浸された導電性高分子からなる固体電解質と、これらを収容した金属ケースと、この金属ケースの開口部を封止した封口部材からなる固体電解コンデンサにおいて、上記陰極箔の表面にニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層を形成した固体電解コンデンサ。
2. 陰極箔の表面に形成されたニッケルとニッケル酸化物からなるニッケル層が、陰極箔の少なくとも片面の表面に形成された請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
3. ニッケル層が、ニッケルからなる層とニッケル酸化物からなる層とからなる請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
4. ニッケル酸化物からなる層が、少なくともニッケルからなる層の外表面に形成された請求項３に記載の固体電解コンデンサ。
5. 陰極箔とニッケル層の間に、アルミニウムとニッケル及び酸素の拡散層が形成された請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
6. セパレータとして、セルロース繊維を主体とした電解紙を用いた請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
7. セパレータとして、セルロース繊維を主体とした電解紙を炭化処理した炭化紙を用いた請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
8. セパレータとして、合成繊維を主体としたものを用いた請求項１に記載の固体電解コンデンサ。

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