JP2010040960A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】高周波領域において、低インピーダンスの固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】表面が多孔質で、裏面が平滑である平板状弁作用金属の表裏面に、陽極酸化皮膜を形成し、前記陽極酸化皮膜上に形成した絶縁体層４により陽極部領域と陰極部領域に分割し、前記陰極部領域の陽極酸化皮膜上に固体電解質層５、グラファイト層６、導電性ペースト層７を順に形成し陰極部とし、前記陽極部領域の裏面の陽極酸化皮膜を除去し導電性部材を接続し陽極部とし、前記陽極部と陽極外部端子、および裏面の陰極部と陰極外部端子をそれぞれ接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弁作用金属を用いた固体電解コンデンサに係り、特に高周波数領域において低インピーダンス特性を有する固体電解コンデンサに関する。

近年、デジタル機器の小型化、高機能化が進み、固体電解コンデンサもノイズ除去や電源電圧の安定化を目的としてＣＰＵの周囲、直下などで使用されるなど、電子回路における固体電解コンデンサの役割が重要になってきている。

導電性高分子を固体電解質とする従来の固体電解コンデンサの一例として、平板型素子構造を有するアルミニウム固体電解コンデンサの作製に関して図面を参照して説明する。図２は従来の固体電解コンデンサを示す図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。まず両面を多孔質化した多孔質部２を有する平板状のアルミニウムからなるアルミニウム基体１の表面に、陽極酸化によって絶縁膜である陽極酸化皮膜を形成する。次いで前記の陽極酸化皮膜の所定位置にエポキシ樹脂などにより絶縁体層４を形成してアルミニウム基体を２つの領域、即ち陽極部領域と陰極部領域に区分し、前記領域のうちの一方の陰極部領域のみに、導電性高分子からなる固体電解質層５を形成する。さらにこの固体電解質層５の上にスクリーン印刷等によりグラファイト層６を形成し、さらにグラファイト層６の上に導電性ペースト層７を形成して陰極部とする。一方、絶縁体層４により区分されたもう一つの領域の陽極部領域では、陽極酸化皮膜を剥離させるなどしてアルミニウム基体１を露出させ、金属リードフレームを溶接して陽極部とする。固体電解コンデンサ素子の陽極部および陰極部をそれぞれ電極基板１０の外部陽極端子９および外部陰極端子１１と電気的に接続し、固体電解コンデンサの実装用端子とする。次に電極基板と接続していないコンデンサ素子の露出部をエポキシ樹脂でモールドすることにより、固体電解コンデンサを形成している（例えば特許文献１参照）。

導電性高分子を電解質とする固体電解コンデンサでは等価直列抵抗（以降、ＥＳＲと呼称）が低いため、低周波領域におけるインピーダンスは十分に低いが、このコンデンサを高周波駆動の回路に適用するためには、高周波領域におけるインピーダンスも同時に低減させる必要がある。しかし固体電解コンデンサでは、素子の内部構成が原因でコンデンサ内部での電極の配線回路の引き回し長さが増加してしまい、これが原因となって等価直列インダクタンス（以降、ＥＳＬと呼称）が大きくなり、高周波領域でのインピーダンスが相対的に増大するという問題があった。

この解決策として、第一にコンデンサの形状自体を小型にすることで電極の配線回路の引き回し長さを減少させる方法が挙げられる。しかし、従来の固体電解コンデンサの製造技術では積層セラミックコンデンサと比較して陰極部の体積効率が劣るため、積層セラミックコンデンサより小型の形状の固体電解コンデンサを実現することは容量やＥＳＲ等の特性面で難しく、また、従来の形状の固体電解コンデンサでは高周波領域でのインピーダンスが積層セラミックコンデンサと比較して高くなってしまう。

従来の大きさの固体電解コンデンサを用い、積層セラミックコンデンサよりＥＳＬを小さくする方法として、多端子構造のコンデンサが提案されている。多端子構造のコンデンサはコンデンサの種別に依らずにそのＥＳＬの低下に効果がある方法である。コンデンサの陽極部および陰極部と外部との電気的な接点として、それぞれ複数の外部陽極端子および外部陰極端子を埋め込んだ形状の電極基板を設けておき、コンデンサ内の陰極部および陽極部をこの電極基板上の外部電極端子に電気的に接続してそれぞれ外部への接続端子とする。これによって外部陽極端子と外部陰極端子の間に生じる電流ループを多くすることができ、高周波領域におけるＥＳＬの低減を図ることができる。

また、半導体を直接バンプで接続できる高周波応答性の優れた固体電解コンデンサが特許文献２に開示されている。

特開２００８−９１８０６号公報 特開２００１−３０７９５５号公報

前述の特許文献２等に開示されたそれぞれの固体電解コンデンサに関する技術を使用することができれば、固体電解コンデンサのより一層の低ＥＳＬ化を実現できると考えられる。しかし、この技術は電極部の形成方法が複雑であり、従来の形状の固体電解コンデンサ素子に適用することは難しい。即ち、本発明の課題は高周波領域で低インピーダンスを実現する固体電解コンデンサを提供することにある。

本発明は固体電解コンデンサの高周波数領域で低インピーダンス化を実現するため、従来の形状の固体電解コンデンサ素子を用い、固体電解コンデンサ素子の外部電極端子（外部陽極端子及び外部陰極端子）側の厚みを薄くすることでコンデンサ素子と外部電極端子の間の配線回路の引き回し長さを減少させ、それによりＥＳＬの低減が実現されることを見出したものである。

本発明の固体電解コンデンサは、表面の多孔質部と裏面の平滑部を有する平板状弁作用金属の表裏面に陽極酸化皮膜を形成し、前記陽極酸化皮膜上に形成した絶縁体層により陽極部領域と陰極部領域に分割し、前記陰極部領域の陽極酸化皮膜上に固体電解質層、グラファイト層、導電性ペースト層を順に形成し陰極部とし、前記陽極部領域の裏面の陽極酸化皮膜を除去し導電性部材を接続し陽極部とし、前記陽極部と陽極外部端子、および裏面の陰極部と陰極外部端子をそれぞれ接続したことを特徴とする。

本発明によれば、固体電解コンデンサ素子と電極基板の間に多孔質部を形成しない構成をとることにより、アルミニウム基体と電極基板の間の配線回路の引き回し長さを多孔質部の厚み分だけ短くすることが可能となり、それにより配線回路の引き回し長さを減少させ、それによってＥＳＬを低減する。よって、本発明を実施することにより高周波数領域において低インピーダンスの固体電解コンデンサが実現される。

本発明の実施の形態による固体電解コンデンサについて、図面に基づいてその構成を説明する。図１は本発明の固体電解コンデンサを示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。

図１において、アルミニウム基体１は長方形の平板状アルミニウム箔からなり、その一方の面（表面）はエッチングにより多孔質部２が形成されており、他方の面（裏面）は多孔質化が形成されておらず平滑部３である。このアルミニウム基体１の両面は陽極酸化により陽極酸化皮膜（図示省略）が形成されている。次いで陽極酸化皮膜上の所定の位置にエポキシ樹脂などにより幅の狭い絶縁体層４を形成してアルミニウム基体１を陽極部領域と陰極部領域の２つの領域に区分し、前記領域のうちの陰極部領域のみに導電性高分子からなる固体電解質層５、グラファイト層６、導電性ペースト層７を形成して陰極部を構成している。平滑部３側すなわち裏面の絶縁体層４を介して陰極部が形成されていない位置すなわち陽極部領域のアルミニウム基体に溶接により直方体状の金属リードフレームからなる導電性部材８が設けられており陽極部が形成されている。導電性部材８は銅箔などの金属部材からなり、固体電解コンデンサの底面に設けられる外部陽極端子９とアルミニウム基体１との間の陽極の電気的接続を行う役割を有している。なおアルミニウム基体１と導電性部材８の接続部では陽極酸化被膜が剥離されており、両者は超音波溶接によって接続することが可能となっている。次に固体電解コンデンサ素子の導電性部材８と電極基板１０の外部陽極端子９、裏面の導電性ペースト層７と外部陰極端子１１をそれぞれ導電性接着剤１２で電気的に接続し、固体電解コンデンサの電子回路における実装面を形成した。

次に、実装面以外の固体電解コンデンサ素子の露出部をモールド樹脂１３で覆い、外装を行うことで固体電解コンデンサを形成した。なおここでは片側の端部に陽極部を設けたが両側の端部に陽極部を設けることもできる。また、電極基板を用いずに導電性部材と外部陽極端子、導電性ペースト層と外部陰極端子を接続することもできる。

実施例について図１を参照して説明する。前記発明の実施の形態に係る固体電解コンデンサを以下の方法にて作製し、その電気的特性や形状を測定した。まず平板状のアルミニウム基体１の一方の面（裏面）にフォトレジストを塗布してマスキングとし、その後エッチング液に浸漬しフォトレジストのマスキング部以外の表面に多孔質部２を形成し、次にフォトレジストの被覆部を露光して除去し多孔質が形成されていない裏面を平滑部３とした。次にアルミニウム基体１の表裏面を陽極酸化により陽極酸化皮膜を形成した。ここで平板状のアルミニウム基体１に陽極酸化皮膜を形成する上での公称化成電圧が４Ｖ、単位面積（ｃｍ²）あたりの静電容量が１５０μＦである。ここで、アルミニウム基体１と多孔質部をあわせた全体の厚みは１００μｍであり、その内訳としてアルミニウム基体１の厚みは４０μｍ、多孔質部２の厚みは６０μｍである。この平板状のアルミニウム基体１を幅２．０ｍｍ、長さ４．０ｍｍの直方体状に切り出し、長さ方向の一端部から幅方向に２．０ｍｍ、長さ方向に３．０ｍｍの長方形の領域を陰極部を形成する陰極部領域とし、陰極部が形成されていない側の長さ方向の端部から幅方向２．０ｍｍ、長さ方向に０．５ｍｍの長方形の領域を陽極部を形成する陽極部領域とした。次に、陽極部領域と陰極部陽域の間を電気的に絶縁するために、陽極部領域と陰極部領域の間に絶縁体層４の幅が０．５ｍｍ、厚さが１５μｍになるようにエポキシ樹脂をスクリーン印刷して形成した。次に、アルミニウム基体１の両面の陰極部領域の陽極酸化皮膜上に、モノマーとして３、４−エチレンジオキシチオフェン、酸化剤としてペルオキソ二硫酸アンモニウム、ドーパントとしてパラトルエンスルホン酸を、それぞれモル比が１：１：２の割合で反応させて導電性高分子からなる固体電解質層５を形成し、さらにその上にスクリーン印刷によってグラファイト層６を厚み２５μｍになるように形成し、さらにその上に８０ｗｔ％以上の銀含有量を有した導電性ペースト層７を厚さ４０μｍに形成した。

次に、平滑部３側の裏面の陽極部上に両面にあらかじめニッケルと銀メッキを施した銅箔からなる導電性部材８を固定し、超音波溶接を用いて導電性部材８と陽極部のアルミニウム基体１間を電気的に接続し、コンデンサ素子の陽極部の導通を可能とした。

次に、回路基板実装用の電極基板１０の外部陽極端子９と外部陰極端子１１を、平滑部３側の陽極部および陰極部を構成する導電性部材８と導電性ペースト層７に、それぞれ導電性接着剤１２により電気的に接合した。

次に、電極基板１０と接続していない固体電解コンデンサ素子の露出部全体をエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１３によって覆い、２００℃で熱処理を行うことにより樹脂を硬化し、固体電解コンデンサを作製した。この方法による固体電解コンデンサの作製数は３０個とした。

作製した３０個の固体電解コンデンサについて電気特性や形状を測定した。測定項目は、静電容量、ＥＳＲ、漏れ電流、ＥＳＬ、製品厚みの５項目で測定を行った。静電容量およびＥＳＲは、いずれも交流インピーダンスブリッジ法により測定している。このうち静電容量の測定条件は、印加した基準信号の周波数が１２０Ｈｚ、電圧が１Ｖｒｍｓで、ＤＣバイアスを０Ｖとした。一方ＥＳＲは印加した基準信号の周波数を１ＭＨｚ、電圧が１Ｖｒｍｓ、ＤＣバイアスは０Ｖとしている。また、漏れ電流については固体電解コンデンサの定格電圧である２．５Ｖの信号を印加し、１分後の値を測定した。固体電解コンデンサを所定の評価基板にはんだ付けにより接合して、ネットワークアナライザを用いて１００ＭＨｚにおけるＳ２１特性（伝達特性）を測定し、その結果をもとに等価回路のシミュレーションを行うことにより算出した。作製した３０個の固体電解コンデンサの各特性の平均値を表１の実施例に示す。

（比較例）
比較例として固体電解コンデンサ素子の平板状のアルミニウム基体の両面に多孔質部を形成した従来の固体電解コンデンサの作製方法を図２の従来の固体電解コンデンサの図面を参照して示す。

まず平板状のアルミニウム基体１のエッチング処理を行い、両面に多孔質部２を設けたアルミニウム基体１を用いて実施例と同様に固体電解コンデンサ素子として作製した。ここで用いた平板状のアルミニウム基体１は表面に陽極酸化皮膜を形成する上での公称化成電圧が４Ｖ、単位面積（ｃｍ²）あたりの静電容量が１５０μＦである。ここで、アルミニウム基体１と多孔質部をあわせた全体の厚みは１００μｍであり、その内訳としてアルミニウム基体１の厚みは４０μｍ、多孔質部の厚みは片側で３０μｍ、両側で６０μｍである。固体電解コンデンサ素子の多孔質部２の陽極部、陰極部をそれぞれ電極基板１０の外部陽極端子９、外部陰極端子１１と接続した。その後、固体電解コンデンサ素子の露出部をモールド樹脂１３で覆い、固体電解コンデンサを形成した。この方法による固体電解コンデンサの作製数は３０個とした。また、電気特性や形状の測定は実施例と同様にし、作製した３０個の固体電解コンデンサの各特性の平均値を表１の比較例に示す。

表１より、実施例は比較例よりＥＳＬが低減していることが分かる。

上記の結果は、固体電解コンデンサ素子の外部電極端子（外部陽極端子９及び外部陰極端子１１）側の面に多孔質部２を設けないことにより、比較例より多孔質部２の厚み３０μｍが陽極部及び陰極部でそれぞれ薄くなり、電極の配線回路の引き回し長さを減少させ、ＥＳＬを低減することが可能となる。

以上示したように、本発明の固体電解コンデンサによれば、固体電解コンデンサ素子と電極基板１０の間に多孔質部２を形成しない構成をとることにより、アルミニウム基体１と電極基板１０の間の配線回路の引き回し長さを多孔質部２の厚み分だけ短くすることが可能となり、それにより配線回路の引き回し長さを減少させ、それによってＥＳＬを低減する。よって、本発明を実施することにより低インピーダンスの固体電解コンデンサが実現される。

本発明の固体電解コンデンサを示す図、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の断面図。 従来の固体電解コンデンサを示す図。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線の断面図。

符号の説明

１ アルミニウム基体
２ 多孔質部
３ 平滑部
４ 絶縁体層
５ 固体電解質層
６ グラファイト層
７ 導電性ペースト層
８ 導電性部材
９ 外部陽極端子
１０ 電極基板
１１ 外部陰極端子
１２ 導電性接着剤
１３ モールド樹脂

Claims (1)

1. 表面の多孔質部と裏面の平滑部を有する平板状弁作用金属の表裏面に陽極酸化皮膜を形成し、前記陽極酸化皮膜上に形成した絶縁体層により陽極部領域と陰極部領域に分割し、前記陰極部領域の陽極酸化皮膜上に固体電解質層、グラファイト層、導電性ペースト層を順に形成し陰極部とし、前記陽極部領域の裏面の陽極酸化皮膜を除去し導電性部材を接続し陽極部とし、前記陽極部と陽極外部端子、および裏面の陰極部と陰極外部端子をそれぞれ接続したことを特徴とする固体電解コンデンサ。

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