JP5929665B2 - 電解コンデンサとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解コンデンサとその製造方法に関する。

電子機器で使用するコンデンサには様々なタイプのものがある。なかでもアルミニウム電解コンデンサは、大容量を活かしてCPU(Central Processing Unit)やLSI(Large Scale Integration)等の半導体装置の電源線に接続したり、瞬間的な電圧低下を補うためのコンデンサとして車載用の基板に実装したりするのに好適である。

そのアルミニウム電解コンデンサは、アルミニウムを材料とする陽極箔と陰極箔とでセパレータを巻き取り、各電極を外部に電気的に引き出すための導体棒を陽極箔と陰極箔の各々に接続することで作製される。陽極箔や陰極箔との間で接触電位差が生じるのを防止するため、その導体棒の材料としては、陽極箔や陰極箔と同じ材料のアルミニウムを使用するのが好ましい。

そして、その導体棒の端部には、アルミニウム電解コンデンサを回路基板に実装するためのリードが接続される。そのリードとしては、アルミニウム電解コンデンサと回路基板とを電気的に良好に接続するために、電気抵抗が小さい銅線又は銅覆鋼線が使用される。また、アルミニウム電解コンデンサは回路基板にはんだ付けされるが、そのはんだの濡れ性を良好にするために、銅線の表面は予めスズ層で被覆される。

ここで、このリードを上記の導体棒に接続するには、接続が容易な電気溶接が用いられる。その電気溶接の際、リードの表面のスズ層が溶融して溶接部の表面に再付着し、リードと導体棒との溶接部には厚さが不定のスズ層が形成される。そのスズ層には機械的な応力が内在しており、その応力が原因でウイスカと呼ばれるめっきひげが当該スズ層の表面に成長することが知られている。

ウイスカは、スズの線状の結晶であり導電性を有する。そのため、溶接部の表面からウイスカが剥離して回路基板上に付着すると、回路基板上の電子部品の端子同士がそのウイスカによって電気的にショートし、回路に不良が発生するおそれがある。

回路基板にウイスカが付着するのを防止するために様々な方法が提案されているが、いずれも改善の余地がある。

例えば、ウイスカが発生している溶接部を熱硬化性樹脂で覆い、溶接部からウイスカが剥離するのを防止する方法が提案されている。ただし、これでは熱硬化性樹脂の材料成分がアルミニウム電解コンデンサの内部電解液に溶けてアルミニウム電解コンデンサの電気的特性や耐久性能等が劣化して設計値から外れるおそれがある。更に、この方法では、溶接部を熱硬化性樹脂で覆うための余分な工数も必要となり、アルミニウム電解コンデンサの製造工程が煩雑になってしまう。

また、電気溶接の前にリードをアルカリ溶液で洗浄したり、リードを加熱したりすることでウイスカの発生を抑制する方法も提案されているが、この方法によってウイスカの発生が完全に抑制される保障はない。

更に、陰極箔や陽極箔を収容する円筒ケースの開口を封口体で塞ぐと共に、上記のリードを通すためにその封口体に設けられる孔の形状を工夫して、ウイスカがその孔を通り抜けることができないようにする方法も提案されている。この方法によれば、ウイスカが孔でブロックされるため回路基板にウイスカが飛散するのを抑制できるが、孔の形状に工夫を施した封口体は一般に普及していない特注品なので量産には向いていない。

そして、円筒ケースの開口端と回路基板との間にシリコーンゴム製のシートを挟み、回路基板上にウイスカが落ちるのをそのシートで防止する方法も提案されている。ただし、円筒ケースの開口端と回路基板の主面とが平行でない場合には、円筒ケースと回路基板との間にシートを挟むことができないため、この方法ではアルミニウム電解コンデンサのあらゆる実装構造には対応できない。

その他に、リードのスズ層を部分的に除去したり、回路基板にウイスカが落ちるのを防止するための膨大部をリードに設けたりする方法が提案されているが、いずれの方法も工程数の増大を招いてしまう。

特開２００３−２７２９６３号公報 特開２００７−６７１４６号公報 特開２００８−１３０７８２号公報 特開２００８−１０８８６５号公報 特開２００９−２１２１７５号公報 特開２０１０−１５３７１２号公報 特開２０１０−１５３７１３号公報 特開２０１０−１６１２７７号公報 特開２００８−２３５３２２号公報 特開２０１０−３８１１号公報 国際公開第２００７／０４３１８１号パンフレット

電解コンデンサとその製造方法において、ウイスカが飛散するのを防止することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回された容量部と、前記陽極箔に接続された第１の導体棒と、前記陰極箔に接続された第２の導体棒と、前記容量部、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒を収容し、かつ、開口を備えたケースと、前記ケースの前記開口に嵌められ、かつ、第１の孔と第２の孔とが形成された封口体と、前記第１の孔に通されて前記第１の導体棒と溶接された第１のリードと、前記第２の孔に通されて前記第２の導体棒と溶接された第２のリードと、前記第１の孔と前記第１のリードとの間に充填された複数の絶縁性の顆粒の第１の充填体と、前記第２の孔と前記第２のリードとの間に充填された複数の絶縁性の顆粒の第２の充填体とを有する電解コンデンサが提供される。

以下の開示によれば、第１の導体棒と第１のリードとの接続や、第２の導体棒と第２のリードとの接続によってウイスカが発生しても、第１の孔や第２の孔からそのウイスカが飛散するのを第１の充填体や第２の充填体で防止することができる。

図１は、本実施形態に係る電解コンデンサの斜視図である。 図２は、本実施形態に係る電解コンデンサが備える容量部の斜視図である。 図３は、本実施形態に係る電解コンデンサの断面図である。 図４は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための平面図（その１）である。 図５は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための平面図（その２）である。 図６は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための斜視図である。 図７は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための断面図（その１）である。 図８は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための断面図（その２）である。 図９は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法について説明するための拡大断面図である。 図１０は、第１及び第２の充填体として絶縁性の発泡ゴムを使用した場合の電解コンデンサの拡大断面図である。

（本実施形態）
以下に、本実施形態に係る電解コンデンサについて図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る電解コンデンサの斜視図である。

この電解コンデンサ１０は、アルミニウム電解コンデンサであって、第１及び第２のリード１１、１２と、アルミニウム製のケース１３と、封口体１４とを備える。

このうち、ケース１３は開口１３ａを備えた円筒形状であって、その開口１３ａに封口体１４が嵌められる。封口体１４の材料は特に限定されないが、本実施形態ではIIR(Isobutylene Isoprene Rubber)等のゴムを封口体１４の材料として使用する。

また、その封口体１４には直径が２mm〜３mm程度の第１及び第２の孔１４ａ、１４ｂが形成され、これらの孔１４ａ、１４ｂの各々に第１及び第２のリード１１、１２が通される。

なお、ケース１３の表面はスリーブで覆われるが、図１ではそのスリーブを省略している。

図２は、この電解コンデンサ１０が備える容量部の斜視図である。

図２に示すように、容量部１７は、陽極箔２４と陰極箔２５とをセパレータ２３を介して巻回することにより形成される。陽極箔２４と陰極箔２５はいずれもアルミニウム箔等の金属箔であり、セパレータ２３はガンマブチロラクトンやエチレングリコール等の溶媒にアミジン化合物やアンモニウム塩等の電解質を溶解してなる電解液を含浸した紙である。

そして、陽極箔２４と陰極箔２５の各々に第１及び第２の導体棒２７、２８が接続され、これらの導体棒２７、２８の各々に上記の第１及び第２のリード１１、１２が接続される。

第１及び第２の導体棒２７、２８の材料は特に限定されない。ただし、アルミニウムを材料とする陽極箔２４や陰極箔２５との間で接触電位差を生じさせないように、本実施形態では陽極箔２４や陰極箔２５と同じ材料であるアルミニウムを第１及び第２の導体棒２７、２８の材料として使用する。

また、第１及び第２の導体棒２７、２８の直径も特に限定されないが、本実施形態ではこれらの導体棒２７、２８の直径を各孔１４ａ、１４ｂ（図１参照）の直径と同じ２mm〜３mm程度とする。

一方、第１及び第２のリード１１、１２は、回路基板に電解コンデンサ１０を実装する際の端子となる部分であるため、電気抵抗が小さい銅線又は銅覆鋼線をその心線２１として使用する。そして、実装時におけるはんだに対する濡れ性を良好にするために、その心材２１の表面にはスズ層等の低融点金属層２２が形成される。

なお、第１及び第２のリード１１、１２の直径は、封口体１４の第１及び第２の孔１４ａ、１４ｂ（図１参照）の直径よりも小さい０．６mm〜０．８mm程度である。

また、第１のリード１１と第１の導体棒２７との接続には、他の方法と比較して接続が容易な電気溶接が用いられる。同様に、第２のリード１２と第２の導体棒２８も電気溶接により互いに接続される。

このように電気溶接を用いると、既述のように第１のリード１１と第１の導体棒２７との溶接部AにウイスカWが発生することがある。ウイスカWは、スズの線状の結晶であって、その長さは数１００μm、直径は数μm程度である。

図３は、この電解コンデンサ１０の断面図である。

図３に示すように、ケース１３の表面はポリエステルやPET(Poly Ethylene Terephthalate)等を材料とするスリーブ１５で覆われる。そして、ケース１３の内側に上記の容量部１７が収容される。

また、上記した第１及び第２の導体棒２７、２８の各々は、封口体１４の第１及び第２の孔１４ａ、１４ｂに通されており、ウイスカWの発生源である溶接部Aはこれらの孔１４ａ、１４ｂの内側に位置する。

ここで、ウイスカWが孔１４ａ、１４ｂから落ちて回路基板上に飛散すると、導電性のウイスカWによって回路基板上の他の電子部品同士が電気的にショートするおそれがある。

そこで、本実施形態では、第１及び第２の孔１４ａ、１４ｂの各々に絶縁性の第１及び第２の充填体３１、３２を充填することにより、上記したウイスカWの飛散を防止する。

第１及び第２の充填体３１、３２の形状は特に限定されないが、本実施形態ではこれらの充填体として複数の顆粒３３の集合体を採用する。その集合体を第１の孔１４ａと第１のリード１１との間の隙間に充填することで、ウイスカWが第１の孔１４ａから飛散するのを防止できる。同様に、上記の集合体を第２の孔１４ｂと第２のリード１２との間の隙間に充填することで、ウイスカWが第２の孔１４ｂから飛散するのを防止できる。

なお、顆粒３３の直径は特に限定されず、第１の孔１４ａと第１のリード１１との間の隙間や、第２の孔１４ｂと第２のリード１２との間の隙間に顆粒３３が入る程度に、その顆粒３３の直径を設定し得る。例えば、第１の孔１４ａと第１のリード１１との間隔が０．５mm程度の場合、これよりも小さい約０．１mm程度の直径の顆粒３３を採用し得る。

また、封口体１４から出る揮発成分でセパレータ２３（図２参照）に含浸された電解液が改質するのを防止するために、封口体１４の材料としては他のゴムと比較して揮発成分が少ないIIR等の材料を使用するのが好ましい。更に、このように揮発成分が少ない封口体１４と同一の材料から形成された第１及び第２の充填体３１、３２を使用して、これらの充填体３１、３２から出る揮発成分でセパレータ２３の電解液が改質するのを抑制するのが好ましい。

このように揮発成分が抑制された顆粒３３としては、例えば、IIRを材料とする顆粒ゴムの集合体がある。

特に、顆粒ゴムは、自身が弾性変形することによって第１の孔１４ａや第２の孔１４ｂの内面に押圧されるため、これらの孔１４ａ、１４ｂから脱落し難くなる。そのため、電解コンデンサ１０を任意の姿勢で回路基板に実装することができ、電解コンデンサ１０の実装構造の選択の幅が広がる。

また、仮に回路基板上に顆粒ゴムが脱落したとしても、顆粒ゴムは絶縁性であるため、回路基板の他の電子部品が顆粒ゴムによって電気的にショートすることはない。

しかも、隣接する顆粒ゴムの間に空隙Sが形成されるので、通電時に容量部１７から発生するガスをその空隙Sを介して外部に逃がすこともできるようになる。

次に、この電解コンデンサ１０の製造方法について説明する。

図４〜図９は、本実施形態に係る電解コンデンサ１０の製造方法について説明するための図である。

まず、図４の平面図に示すように、電気溶接により溶接部Aを介して第１のリード１１と第１の導体棒２７とを接続する。同様に、第２のリード１２と第２の導体棒２８も電気溶接で接続する。

次に、図５の平面図に示すように、第１の導体棒２７の先端をかしめることにより、第１の導体棒２７に平坦部２７ａを形成する。そして、これと同じ方法により第２の導体棒２８の先端にも平坦部２８ａを形成する。

次いで、図６の斜視図に示すように、陽極箔２４と陰極箔２５の各々に第１及び第２の導体棒２７、２８の各平坦部２７ａ、２８ａをかしめ等で機械的に固定する。そして、この状態で、陽極箔２４と陰極箔２５とをセパレータ２３を介して巻回することにより容量部１７を形成する。

その後に、容量部１７に、ガンマブチロラクトンやエチレングリコール等の溶媒にアミジン化合物やアンモニウム塩等の電解質を溶解してなる電解液を含浸させる。

続いて、図７の断面図に示すように、封口体１４の各孔１４ａ、１４ｂに導体棒２７、２８を通すことにより封口体１４と上記の容量部１７を一体化して、それらをアルミニウムケース１３内に入れる。

次に、図８の断面図に示すように、開口１３ａ寄りのケース１３をかしめて凹ますことにより、ケース１３に封口体１４を固定する。なお、極性表示等の目的でケース１３をスリーブ１５で覆う場合もあるが、必ずしもスリーブ１５は必要としない。

その後、図９の拡大断面図に示すように、第１の孔１４ａと第２の孔１４ｂの各々に複数の顆粒３３を充填し、これらの顆粒３３を第１及び第２の充填体３１、３２とする。既述のように、その顆粒３３としては、封口体１４と同じIIRを材料とする顆粒ゴムを使用し、顆粒３３から出る揮発成分を抑制するのが好ましい。

更に、各顆粒３３は充填時に各孔１４ａ、１４ｂ内を自在に動けるため、各充填体３１、３２、封口体１４、及び各リード１１、１２を位置決めする必要がなく、本工程の簡略化が図られる。

また、顆粒３３を充填する際、治具４０を用いて第１の孔１４ａと第２の孔１４ｂの各々に顆粒３３を押し込むのが好ましい。その治具４０は、第１のリード１１や第２のリード１２が通る開口４０ａを有し、治具４０の外径は、第１の孔１４ａと第２の孔１４ｂの各々の内径よりも狭い。

このような治具４０を用いることにより、第１の孔１４ａや第２の孔１４ｂの内面に顆粒３３が押圧され、これらの孔１４ａ、１４ｂから顆粒３３が脱落し難くなる。

特に、顆粒３３として使用する顆粒ゴムは柔軟性が高いため、このように顆粒３３を充填するときに容量部１７（図３参照）や各リード１１、１２が機械的なストレスを受ける危険性を低減できる。

以上により、本実施形態に係る電解コンデンサ１０の基本構造が完成する。

上記した本実施形態によれば、第１及び第２の充填体３１、３２によってウイスカWの飛散を防止できるので、ウイスカWによって回路基板の他の電子部品の端子同士が電気的に接続される危険性を低減することができる。よって、この電解コンデンサ１０を電源回路やCPUの周辺回路に使用することで、これらの回路の信頼性を高めることができる。

また、封口体１４や第１及び第２のリード１１、１２としては一般的に普及している普及品を使用でき、これらの部材として特注品を使用する必要がないため、電解コンデンサ１０を量産するのが容易となる。

更に、第１の孔１４ａ等に第１の充填体３１を充填する工程（図９参照）は、電解コンデンサの製造メーカだけでなく、電解コンデンサを実装する回路基板の製造メーカも行うことができ、本実施形態の方途が広がる。

なお、本実施形態では電解液を用いた非固体アルミニウム電解コンデンサについて説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、上記と同様の構造を持つ導電性高分子電解質を含浸、重合した固体アルミ電解コンデンサ等にも本実施形態を適用し得る。

（その他の実施形態）
上記では第１及び第２の充填体３１、３２として絶縁性の顆粒３３の集合体を採用した。これに代えて、内部に空隙を備えた絶縁性の発泡ゴムを第１及び第２の充填体３１、３２として採用してもよい。

図１０は、第１及び第２の充填体３１、３２として絶縁性の発泡ゴムを使用した場合の電解コンデンサ１０の拡大断面図である。その発泡ゴムとしては、例えば、合成ゴム等と有機系発泡成分とを混合させたゴムを使用し得る。

この場合も、ウイスカWが飛散するのを第１及び第２の充填体３１、３２で防止できる。また、発泡ゴムの空洞Sにより、充電時や放電時に容量部１７から発生するガスをその空隙Sを介して外部に逃がすこともできる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回された容量部と、
前記陽極箔に接続された第１の導体棒と、
前記陰極箔に接続された第２の導体棒と、
前記容量部、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒を収容し、かつ、開口を備えたケースと、
前記ケースの前記開口に嵌められ、かつ、第１の孔と第２の孔とが形成された封口体と、
前記第１の孔に通されて前記第１の導体棒と溶接された第１のリードと、
前記第２の孔に通されて前記第２の導体棒と溶接された第２のリードと、
前記第１の孔と前記第１のリードとの間に充填され、内部に空隙が形成された絶縁性の第１の充填体と、
前記第２の孔と前記第２のリードとの間に充填され、内部に空隙が形成された絶縁性の第２の充填体と、
を有する電解コンデンサ。

（付記２） 前記第１の充填体と前記第２の充填体は、複数の顆粒の集合体であることを特徴とする付記１に記載の電解コンデンサ。

（付記３） 前記顆粒は顆粒ゴムであることを特徴とする付記２に記載の電解コンデンサ。

（付記４） 前記第１の充填体と前記第２の充填体は発泡ゴムであることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の電解コンデンサ。

（付記５） 前記封口体、前記第１の充填体、及び前記第２の充填体の各々の材料は同一であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の電解コンデンサ。

（付記６） 前記陽極箔、前記陰極箔、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒の各々の材料はアルミニウムであり、
前記第１のリードと前記第２のリードの各々の表面に低融点金属層が形成されたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれかに記載の電解コンデンサ。

（付記７） 第１の導体棒と第１のリードとを溶接する工程と、
第２の導体棒と第２のリードとを溶接する工程と、
陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回することにより容量部を形成する工程と、
前記陽極箔に前記第１の導体棒を接続する工程と、
前記陰極箔に前記第２の導体棒を接続する工程と、
開口を備えたケースに、前記容量部、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒を収容する工程と、
第１の孔と第２の孔とが形成された封口体を前記ケースの前記開口に嵌めると共に、前記第１の孔と前記第２の孔の各々に前記第１のリードと前記第２のリードとを通す工程と、
前記第１の孔と前記第１のリードとの間に、内部に空隙が形成された絶縁性の第１の充填体を充填する工程と、
前記第２の孔と前記第２のリードとの間に、内部に空隙が形成された絶縁性の第２の充填体を充填する工程と、
を有する電解コンデンサの製造方法。

（付記８） 前記第１の充填体と前記第２の充填体の各々として複数の顆粒の集合体を採用することを特徴とする付記７に記載の電解コンデンサの製造方法。

（付記９） 前記第１の充填体と前記第２の充填体の各々として発泡ゴムを採用することを特徴とする付記７に記載の電解コンデンサの製造方法。

（付記１０） 前記第１の導体棒と前記第１のリードとを溶接する工程において、前記第１の導体棒と前記第１のリードとを電気溶接し、
前記第２の導体棒と前記第２のリードとを溶接する工程において、前記第２の導体棒と前記第２のリードとを電気溶接することを特徴とする付記７乃至付記９のいずれかに記載の電解コンデンサの製造方法。

１０…電解コンデンサ、１１、１２…第１及び第２のリード、１３…ケース、１３ａ…開口、１４…封口体、１４ａ、１４ｂ…第１及び第２の孔、１５…スリーブ、１７…容量部、２１…心材、２２…低融点金属層、２３…セパレータ、２４…陽極箔、２５…陰極箔、２７、２８…第１及び第２の導体棒、２７ａ、２８ａ…平坦部、３１、３２…第１及び第２の充填体、３３…顆粒。

Claims (3)

1. 陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回された容量部と、
   前記陽極箔に接続された第１の導体棒と、
   前記陰極箔に接続された第２の導体棒と、
   前記容量部、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒を収容し、かつ、開口を備えたケースと、
   前記ケースの前記開口に嵌められ、かつ、第１の孔と第２の孔とが形成された封口体と、
   前記第１の孔に通されて前記第１の導体棒と溶接された第１のリードと、
   前記第２の孔に通されて前記第２の導体棒と溶接された第２のリードと、
   前記第１の孔と前記第１のリードとの間に充填された複数の絶縁性の顆粒の第１の充填体と、
   前記第２の孔と前記第２のリードとの間に充填された複数の絶縁性の顆粒の第２の充填体と、
   を有する電解コンデンサ。
2. 前記顆粒は顆粒ゴムであることを特徴とする請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 第１の導体棒と第１のリードとを溶接する工程と、
   第２の導体棒と第２のリードとを溶接する工程と、
   陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回することにより容量部を形成する工程と、
   前記陽極箔に前記第１の導体棒を接続する工程と、
   前記陰極箔に前記第２の導体棒を接続する工程と、
   開口を備えたケースに、前記容量部、前記第１の導体棒、及び前記第２の導体棒を収容する工程と、
   第１の孔と第２の孔とが形成された封口体を前記ケースの前記開口に嵌めると共に、前記第１の孔と前記第２の孔の各々に前記第１のリードと前記第２のリードとを通す工程と、
   前記第１の孔と前記第１のリードとの間に、複数の絶縁性の顆粒の第１の充填体を充填する工程と、
   前記第２の孔と前記第２のリードとの間に、複数の絶縁性の顆粒の第２の充填体を充填する工程と、
   を有する電解コンデンサの製造方法。

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