TWI528395B - 固體電解電容元件、其製造方法及導電糊 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種固體電解電容元件、其製造方法及導電糊,尤其係有關一種熱衝擊所致之ESR(等效串聯電阻)的劣化得以抑制,且每一製品之ESR變化差異小、產率佳的固體電解電容元件。
第1圖表示固體電解電容元件之一例。第1圖之固體電解電容元件1係於燒結有鉭、鈮、鈦、鋁等閥作用金屬的燒結體11之表面形成有氧化被膜12,並於其上具備包含固體電解質層13、碳層14、導電體層15的構造。此處燒結體11係作為陽極體,氧化被膜12作為電介質層使用,而固體電解質層13上之碳層14及導電體層15則作為陰極體使用。
氧化被膜12較理想為使用燒結體本身之氧化物,然亦可為其他氧化物。
又作為固體電解質層13,係廣泛使用二氧化錳或導電性高分子等。
一般而言,碳層14係藉由塗布含樹脂(亦稱為「黏著劑樹脂」)與溶劑之媒液中分散有碳粉末的碳糊並加以乾
燥所形成。茲認為該碳層14可降低固體電解質層13與導電體層15之間的接觸電阻,而使ESR下降。
此外,一般而言,導電體層15係藉由塗布媒液中分散有銀等金屬粉末的導電糊並加以乾燥及/或硬化所形成。
此種具備碳層與導電體層的固體電解電容元件係如專利文獻1、專利文獻2所記載,自昔至今廣泛為人所知。
[專利文獻1]日本特開2004-168966號公報
[專利文獻2]日本特開2008-004583號公報
近來,隨著電子設備的小型化、數位化、低耗電化,對於此等設備所使用的固體電解電容元件亦極力要求ESR(等效串聯電阻)的下降。
此外,亦有「不僅作為固體電解電容元件的初始特性的ESR較低,且意欲減小ESR之歷時變化、及隨之而生的每一製品(每一元件)之ESR的差異」之要求。亦即,就固體電解電容元件而言,非僅為該元件製造時,其後之熱歷程亦會導致ESR發生變化。舉例言,於元件製造時進行多次乾燥加熱步驟,其後,進行回焊之際、或進一步以最終製品形式完成後使用時之發熱會導致ESR劣化(
增大)。其變化程度依每一元件大為不同,隨著時間經過ESR的差異變大,基於品質管理上之觀點則較不理想。
以往,為解決上述之ESR劣化或差異的問題,係針對固體電解電容元件中的各層,例如碳層、導電體層各者嘗試進行個別之改良,但未能獲得充分的結果。
基於以上背景,本發明人等探討各層相關之改良,同時針對各層之組合,尤為碳層與導電體層之組合重複進行多次實驗及探討的結果,終至完成本發明。
亦即,本發明係供以解決上述問題而完成,茲以提供一種不僅ESR的初始特性良好、熱衝擊所致之ESR劣化小,且ESR變化差異亦得以抑制的固體電解電容元件為目的。
供解決上述問題之本發明係以下述為特徵:
(1)一種固體電解電容元件,係於陽極體表面至少包含電介質層、固體電解質層、含第1樹脂成分之碳層、及含第2樹脂成分之導電體層,其特徵為:第1樹脂成分及該第2樹脂成分均含有羥基,且該碳層表面之氫鍵性成分值γh 1[mN/m]與該導電體層表面之氫鍵性成分值γh 2[mN/m]的差△γh(=γh 2-γh 1)係處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內。
(2)如前述(1)之固體電解電容元件,其中該第1樹脂成分及/或該第2樹脂成分係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、胺基甲酸酯樹脂之群組中的至少1種。
(3)如前述(1)或(2)之固體電解電容元件,其中該導電體層係以銀為導電成分。
(4)一種固體電解電容元件之製造方法,係於陽極體表面至少包含電介質層、固體電解質層、碳層及導電體層,其特徵為:包含使用含有具羥基之第1黏著劑樹脂的碳糊形成該碳層之步驟;及使用含有具羥基之第2黏著劑樹脂的導電糊將該導電體層形成於該碳層上之步驟,該碳糊及該導電糊係以該碳層表面之氫鍵性成分值γh 1[mN/m]與該導電體層表面之氫鍵性成分值γh 2[mN/m]的差△γh(=γh 2-γh 1)處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內的方式組合使用。
(5)如前述(4)之製造方法,其中該第1黏著劑樹脂及/或該第2黏著劑樹脂係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、硬化後形成胺基甲酸酯樹脂之組成物之群組中的至少1種。
(6)一種導電糊,係於固體電解電容元件中,用於形成含有具羥基之樹脂成分的碳層上所設置的導電體層,其特徵為:該導電糊所含之黏著劑樹脂具有羥基,且若設該碳層表面之氫鍵性成分值為γh 1[mN/m]、設該導電體層表面之氫鍵性成分值為γh 2[mN/m]時,該氫鍵性成分值的差△γh(=γh 2-γh 1)係處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內。
(7)如前述(6)之導電糊,其中該黏著劑樹脂係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、硬化後形成胺基甲酸酯樹脂之組成物之群組中的至少1種。
根據本發明,可獲得一種即使進行長時間的高溫負載試驗,相較於習知品,ESR的劣化亦小,每一製品之歷時性ESR的變化差異亦得以抑制的固體電解電容元件。
1‧‧‧固體電容元件
11‧‧‧閥作用金屬燒結體(陽極體)
12‧‧‧氧化被膜(電介質層)
13‧‧‧固體電解質層
14‧‧‧碳層
15‧‧‧導電體層
第1圖係表示固體電解電容元件之一例的圖。
本發明可適用於具有碳層及導電體層的固體電解電容元件;以下,就第1圖所示之固體電解電容元件,以適用之實例加以說明。
此外,本說明書中,茲將未乾燥/未硬化狀態之糊料中所存在的樹脂稱為「黏著劑樹脂」,係與該糊料經乾燥及/或硬化而形成之層中所含的「樹脂成分」區別,以下將含「第1黏著劑樹脂」之糊料經乾燥及/或硬化而成之層中所含的樹脂稱為「第1樹脂成分」、將含「第2黏著劑樹脂」之糊料經乾燥及/或硬化而成之層中所含的樹脂稱為「第2樹脂成分」。
碳層14含有碳粉末及第1樹脂成分。本發明中
可使用的碳粉末未予以限定,由固體電解電容元件中一般所使用者言之,較佳為石墨粉末。
該碳粉末係均勻分散於含第1黏著劑樹脂及溶劑的媒液中而作成碳糊。將該碳糊塗布於固體電解質層13上後,加以乾燥及/或硬化即可得到碳層。
導電體層15含有金屬粉末及第2樹脂成分。該金屬粉末係均勻分散於含第2黏著劑樹脂及溶劑的媒液中而作成導電糊。將該導電糊塗布於碳層14(或經乾燥及/或硬化前之碳糊層)上後,加以乾燥及/或硬化即可得到導電體層。
本發明中可使用的金屬粉末未予以限定,基於導電性或成本上之觀點,較佳為使用銀粉末、銅、鎳、鋁等銀以外之其他金屬的任1種或2種以上之粒子的表面被覆有銀的複合粉末、或銀與前述其他金屬的任1種或2種以上形成的合金粉末(以下一併稱為「銀系粉末」)。透過使用銀系粉末,便可獲得以銀為導電成分的導電體層,當銀系粉末中如前述般含有銀以外之其他金屬時,「以銀為導電成分的導電體層」,係指亦包含此種其他金屬的導電體層。以本發明之金屬粉末而言,可僅使用此等銀系粉末當中的1種,亦可混合2種以上來使用,又可將鈀或白金、銅、金屬氧化物等的其他導電性粉末與該銀系粉末混合來使用。
上述碳糊及導電糊中,除此之外,一般而言還可添加視需求適當摻混之界面活性劑、消泡劑、塑化劑、分散劑等添加劑、或無機填料等。藉由添加此等添
加劑等,即可調整印刷性或形成之膜的特性。
本發明中,碳層所含之第1樹脂成分、及導電體層所含之第2樹脂成分均具有羥基。當任一或兩樹脂成分不具有羥基時,熱循環試驗後接觸電阻值上升以致ESR劣化。
為使第1、第2樹脂成分均具有羥基,以碳糊及導電糊所使用的第1、第2黏著劑樹脂而言,係使用具有羥基之黏著劑樹脂的1種或2種以上。作為此類黏著劑樹脂之一例,可列舉積水化學工業製BH-S,KS-5等丁縮醛樹脂、日立化成製HITALOID 6500或大成精細化工製8AT-935、8UA系列146,301,318,347,366等丙烯酸樹脂、新日鐵化學製EPOTOTE YR207,YDF-2001、長嶋特殊塗料製R-53、三菱化學製EPIKOTE 1001等環氧樹脂、新日鐵化學製YP-50,YP-70等苯氧基樹脂、群榮化學工業製PL-2222等苯酚樹脂、DIC製尿素樹脂P-138,P-196M,G-1850或三井化學製三聚氰胺樹脂U-VAN 20SE,22R,80S等胺樹脂,此外,硬化後形成胺基甲酸酯樹脂之組成物(例如含DIC製EPICLON H-201等環氧改質多元醇樹脂與DIC製D-550等嵌段化異氰酸酯之組成物)等。
為改善ESR的劣化或每一製品之歷時性的ESR變化差異,相對於該樹脂成分的總量,第1及第2樹脂成分所含之羥基的重量均為2~10重量%尤佳。透過使用此種樹脂成分,便不會發生塗膜的耐濕性受損導致漏電流增大等問題,可獲得優異的改善效果。
另,本發明並未排除「在具羥基之黏著劑樹
脂中進一步添加不具羥基之黏著劑樹脂並加以混合,再使含有其之糊料乾燥/硬化而形成碳層或導電體層」之形態。此時,不具羥基之黏著劑樹脂較佳設為低於各糊料中的黏著劑樹脂總量的30重量%,更佳設為低於10重量%。
本發明藉由將彼此相接的碳層與導電體層所具備的物性當中,兩層之固體表面的氫鍵性成分值γh的差控制/調整於後述範圍內,接觸電阻值的劣化或變異、甚而ESR的劣化或變異得以改善。
此處氫鍵性成分值γh可利用Owens-Wendt之方法求得。具體而言,係將表面能γL、分散力成分值γd L、氫鍵性成分值γh L已知的2種液體,滴下至碳層及導電體層各自的表面並測定接觸角θ,再解出得自下式1的聯立方程式來求取固體表面之氫鍵性成分值γh S與分散力成分值γd S。
[式1]γL.(1+cosθ)=2(γd L.γd S)1/2+2(γh L.γh S)1/2
後述實例中,作為表面能γL、分散力成分值γd L、氫鍵性成分值γh L已知的2種液體,係使用水(γL=72.8mN/m、γd L=21.8mN/m、γh L=51.0mN/m)與二碘甲烷(γL=50.8mN/m、γd L=49.5mN/m、γh L=1.3mN/m),並利用接觸測角計式接觸角測定機(ERUMA股份有限公司製MODEL G-I)測定接觸角θ。其後,由設碳層表面之氫鍵性成分值γh S為γh 1、分散力成分值γd S為γd 1,設導電體層表面之氫鍵性成分值γh S為γh 2、分散力成分值γd S為γd 2,再將前述各值代入式1所得之聯立方程式求取γh 1、γd 1、γh 2、γd 2各值。
其結果,本發明人等發現,就碳層表面之氫鍵性成分值γh 1與導電體層表面之氫鍵性成分值γh 2的差△γh(=γh 2-γh 1)若滿足-3≦△γh≦3[mN/m]時,接觸電阻值的劣化或變異,甚而ESR的劣化或變異得以改善,終至完成本發明。
再者,如後述,本發明人等就分散力成分值γd及表面自由能γ(=γh+γd)亦同樣地進行探討,然未能特別發現其對於接觸電阻值及ESR的相關性及影響,未確認分散力成分值γd及表面自由能γ可有效作為本發明中的控制因子。本發明中發現,在接觸電阻值及ESR的改善方面,氫鍵性成分值γh為極有效的控制因子,而達成本發明,故而,將氫鍵性成分值γh用作控制因子乃本發明特徵之一。
由於碳層及導電體層之各表面之氫鍵性成分值γh係隨碳糊及導電糊所含之碳粉末及金屬粉末,還有視需求所添加之添加劑而變化,無法一概而論,惟除糊料所含之黏著劑樹脂的種類外,還可藉由該黏著劑樹脂之極性官能基(胺基、羧基、羥基、乙醯基等)的含量、或碳粉末及金屬粉末之表面處理(例如疏水化處理等)的有無來加以調整。
除組合滿足以上要件之碳糊及導電糊來製備以外,本發明固體電解電容元件還可與習知例同樣地藉由形成燒結體11、氧化被膜12、固體電解質層13、碳層14、導電體層15來製造。
茲製備含銀粉末的以下10種銀糊來作為導電糊。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆及17.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-1,其中該清漆係使丁縮醛樹脂(積水化學工業製BH-S與積水化學工業製KS-5之1:1混合物)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆及17.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-2,其中該清漆係使丁縮醛樹脂(KS-5)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆、1.0重量%之丙烯酸樹脂(大成精細化工製8AT-935)及16.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-3,其中該清漆係使丁縮醛樹脂(BH-S:KS-5=1:1)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆、1.0重量%之丙烯酸樹脂(8AT-935)及16.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-4,其中該清漆係使丁縮醛樹脂(KS-5)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將42.0重量%之銀粉末、9.5重量%之苯酚樹脂(群榮化學工業製PL-4222)、30.0重量%之清漆、1.0重量%之環氧樹脂(新日鐵化學製EPOTOTE YR207)及17.5重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-5,其中該清漆係使丁縮醛樹脂(KS-5)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將71.0重量%之銀粉末、5.5重量%之環氧改質多元醇樹脂(DIC製EPICLON H-201BT60)、7.5重量%之嵌段化異氰酸酯(DIC製D-550)及16.0重量%之萜品醇,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-6。
透過將73.5重量%之銀粉末、9.0重量%之三聚氰胺樹脂(三井化學製U-VAN 20SE60)、4.0重量%之環氧樹脂(長島特殊塗料製R-53)、1.0重量%之硬化促進劑(King Industries製Nacure5225)及12.5重量%之萜品醇,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-7。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆及17.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-8,其中該清漆係使聚乙酸乙烯酯樹脂(日本合成化學製PV-500)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將53.0重量%之銀粉末、30.0重量%之清漆及17.0重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-9,其中該清漆係使聚乙烯乙酸乙烯酯樹脂(日本Unicar製NUC-3160)以樹脂固形量15重量%溶於苯甲醇而成。
透過將66.5重量%之銀粉末、24.0重量%之苯乙烯丁二烯樹脂(藤倉應用化工製SBR-5)及9.5重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用三滾筒研磨機予以混練攪拌來調製銀糊A-10。
將製備之各試料利用網版印刷法塗布於氧化鋁基板上,而形成乾燥及/或硬化後之膜厚約20μm的導電體層,其後,以前述方法算出氫鍵性成分值γh 2與分散力成分值γd 2。將其結果示於表1。又樹脂成分中之羥基的有無係利用日本分光製FT-IR傅立葉轉換紅外光譜儀6200,藉由羥基之吸收光譜3500cm-1附近的峰的有無來判定,於表1中一併記入其結果。
茲製備含石墨粉末的以下3種石墨糊來作為碳糊。
透過將4.8重量%之石墨粉末、32.5重量%之聚乙烯乙酸乙烯酯樹脂(NUC-3160)及62.7重量%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用球磨機予以混練攪拌來調製石墨糊G-1。
透過將8.3重量%之石墨粉末、12.5重量%之酚醛環氧樹脂(新日鐵化學製YDF-2001)、2.2重量%之硬化劑(長島特殊塗料製HARDENER N)及77.0重量%之2-丁氧乙醇,利用球磨機予以混練攪拌來調製石墨糊G-2。
透過將6.3重量%之石墨粉末、4.0重量%之丁縮醛樹脂(BH-S:KS-5=1:1)及89.7%之丙二醇甲醚乙酸酯,利用球磨機予以混練攪拌來調製石墨糊G-3。
將製備之各試料利用噴塗法噴塗於氧化鋁基板上,而形成乾燥及/或硬化後之膜厚約20μm的碳層。其後,以前述方法算出氫鍵性成分值γh 1與分散力成分值γd 1。將其結果示於表2。又將依前述方法判定之樹脂成分中之羥基的有無一併記入於表2。
組合製備之導電糊與碳糊,並量測對ESR值之影響達最大之接觸電阻。
於氧化鋁基板上使用試料G-1之石墨糊形成厚約20μm的碳層,並於其上,使用試料A-1之銀糊以等間隔形成多個1mm×20mm的細線形狀圖案後,透過150℃下60分鐘的乾燥及/或硬化而作成試料基板。此外,依同樣方式製備共計50個相同的試料基板。
針對製備之50個試料基板,基於TLM(Transmission Line Model)法測定接觸電阻後,重複進行-55℃~125℃之熱負載試驗300次。針對如此經過熱循環試驗的50個試料基板,再度測定接觸電阻。
由所得數據算出以下之「變異係數(CV值)」及「接觸電阻變化率」。
[式2][變異係數(CV值)]=[熱循環試驗後之接觸電阻值的標準偏差]÷[熱循環試驗後之接觸電阻值的平均值]×100
[式3][接觸電阻變化率(%)]=([熱循環試驗後之接觸電阻值的平均值]÷[熱循環試驗前之接觸電阻值的平均值]×100)-100
變異係數(CV值)愈大,意指熱衝擊所致之接觸電阻的變化(甚而ESR的變化)的差異愈大,又接觸電阻變化率愈大,意指熱歷程所致之接觸電阻的劣化(甚而ESR的劣化)愈大。此外,接觸電阻變化率為負數者,係指因熱歷程致使歐姆接觸提高之意。
將實驗例1所得之「變異係數(CV值)」及「接觸電阻變化率」記載於表3。另表3中一併記有試料A-1、試料G-1中所使用之樹脂成分中之羥基的有無的組合、氫鍵性成分值的差△γh(=γh 2-γh 1)、甚而作為參考之分散力成分值的差△γd(=γd 2-γd 1)。
[實驗例2~30]
以表3所記載之試料的組合,進行與實驗例1同樣的試驗暨測定。將其結果一併記入於表3。
<評定‧探討>
表3中附有*之例係屬本發明範圍以外。
由該表可明瞭,僅導電體層、碳層之任一者不具有羥基時,因熱歷程而導致接觸電阻上升,相對於此,均具有羥基時接觸電阻下降、或即使上升亦僅止於低於1%。
此外,若氫鍵性成分值的差△γh[mN/m]的絕對值為3以下時,變異係數CV值為3.5以下,可極度抑制熱歷程所致之變異,惟△γh[mN/m]的絕對值大於3時,變異係數CV值急遽上升。
本發明對於電子零件及電氣零件所使用的固體電解電容元件可適用之。
1‧‧‧固體電容元件
11‧‧‧閥作用金屬燒結體(陽極體)
12‧‧‧氧化被膜(電介質層)
13‧‧‧固體電解質層
14‧‧‧碳層
15‧‧‧導電體層
Claims (7)
- 一種固體電解電容元件,係於陽極體表面至少包含電介質層、固體電解質層、含第1樹脂成分之碳層、及含第2樹脂成分之導電體層,其特徵為:第1樹脂成分及前述第2樹脂成分均含有羥基,且前述碳層表面之氫鍵性成分值γh 1[mN/m]與前述導電體層表面之氫鍵性成分值γh 2[mN/m]的差△γh(=γh 2-γh 1)係處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之固體電解電容元件,其中該第1樹脂成分及/或該第2樹脂成分係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、胺基甲酸酯樹脂之群組中的至少1種。
- 如申請專利範圍第1或2項之固體電解電容元件,其中該導電體層係以銀為導電成分。
- 一種固體電解電容元件之製造方法,其係於陽極體表面至少包含電介質層、固體電解質層、碳層及導電體層之固體電解電容元件的製造方法,其特徵為:包含使用含有具羥基之第1黏著劑樹脂的碳糊形成該碳層之步驟;及使用含有具羥基之第2黏著劑樹脂的導電糊將該導電體層形成於該碳層上之步驟,該碳糊及該導電糊係以該碳層表面之氫鍵性成分值γh 1[mN/m]與該導電體層表面之氫鍵性成分值γh 2[mN/m]的差△γh(=γh 2-γh 1)處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內的方式組合使用。
- 如申請專利範圍第4項之製造方法,其中該第1黏著劑樹脂及/或該第2黏著劑樹脂係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、硬化後形成胺基甲酸酯樹脂之組成物之群組中的至少1種。
- 一種導電糊,係於固體電解電容元件中,用於形成含有具羥基之樹脂成分的碳層上所設置的導電體層,其特徵為:該導電糊所含之黏著劑樹脂具有羥基,且若設該碳層表面之氫鍵性成分值為γh 1[mN/m]、設該導電體層表面之氫鍵性成分值為γh 2[mN/m]時,該氫鍵性成分值的差△γh(=γh 2-γh 1)係處於-3≦△γh≦3[mN/m]之範圍內。
- 如申請專利範圍第6項之導電糊,其中該黏著劑樹脂係選自包含丁縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、苯氧基樹脂、苯酚樹脂、胺樹脂、硬化後形成胺基甲酸酯樹脂之組成物之群組中的至少1種。
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