JP2009194200A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスおよび蒸気に対するバリア性に優れたモールド樹脂で外装を行い、且つ、回路基板実装時の繰り返しのリフロー時の信頼性を確保し、且つ、量産性に優れた固体電解コンデンサを提供すること。
【解決手段】 多孔質化された弁作用金属に陽極酸化皮膜２が形成され、この陽極酸化皮膜２上に固体電解質層４、グラファイト層５、導電性ペースト層６が順に積層されて陰極部が設けられ、この陰極部以外の場所に導電性部材からなる陽極部が設けられた固体電解コンデンサ素子での前記陽極部および前記陰極部をそれぞれ外部陽極端子８および外部陰極端子１０で電気的に接続し、絶縁性のモールド樹脂１３で外装する固体電解コンデンサにおいて、前記陰極部の前記モールド樹脂１３で被覆する部位の導電性ペースト層６上に金属を主成分とする緩衝層１２を形成した後、前記固体電解コンデンサ素子を前記モールド樹脂１３で外装してなる固体電解コンデンサ。
【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、特に回路基板実装時のリフローによるストレスに強い、導電性高分子を電解質と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、直下もしくは半導体パッケージ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、本発明と関連する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形成方法に関して説明する。まず弁作用金属である多孔質化した平板状のアルミニウム金属からなるアルミニウム基体の表面に、陽極酸化によって絶縁膜である誘電体皮膜を形成する。次いでこの誘電体皮膜の所定位置にエポキシ樹脂などにより絶縁体を形成してアルミニウム基体を２つの領域に区分し、前記領域の内の一方のみに、導電性高分子からなる固体電解質層を形成する。さらにこの固体電解質の上にスクリーン印刷等によりグラファイト層を形成し、そのグラファイト層の上に導電性ペースト層を形成して陰極部とする。一方、絶縁体により区分されたもう一つの領域では、誘電体皮膜を剥離させるなどしてアルミニウム基体を露出させ、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の外部陽極端子および外部陰極端子と電気的に接続し、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。こうして、ガスおよび蒸気に対するバリア性に優れたモールド樹脂で外装された固体電解コンデンンサが得られる。

しかし固体電解コンデンサでは、陰極部を形成する際に多くの場合ペースト中に樹脂を含有する導電性ペーストを用いるため、モールド外装時にモールドのエポキシ樹脂と導電性ペースト層中の樹脂が密着してしまい、リフロー時の熱により、モールドが膨張、収縮した際に導電性ペースト層がモールド側に追従し、下地のグラファイト層と剥離を起こし、これが原因となってＥＳＲが増大し、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、第一にモールド以外の外装材でコンデンサを形成するという方法が考えらる。しかし、例えば樹脂ケースでコンデンサ素子の露出部を覆った場合、樹脂ケースを高精度に加工し、その中に素子を入れることが必要となるため、コスト増大を招来しやすいという欠点がある。

上記のリフローによるモールドのストレスに強いコンデンサを実現する方法として、第二にモールドと導電性ペースト層の界面に有機物の緩衝層を設け、この緩衝層でモールドからのストレスを緩和する方法が考えられる。一般的には液状離型剤を使用し、モールドと導電性ペースト層の離型性を高める方法が用いられるが、粘性の低い離型剤を使用した場合、導電性ペースト層以外に電極基板にも離型剤が塗布されてしまうことが多く、モールドと電極基板間で剥離が発生し、また、導電性ペースト層の樹脂が離型剤の溶剤により溶解・膨潤し、特性劣化を引き起こすこともある。また、粘性の高い離型剤を使用した場合、離型剤の塗布形状に起因して凹凸が大きくなりやすく、製品の小型化が難しくなる。

上記の問題を避けるために、熱収縮性のチューブまたはフィルムで仮外装した後にモールドを実施した固体電解コンデンサとして、特許文献１に開示された例がある。

特開平５−２５１２８５号公報

上記の特許文献１に開示された固体電解コンデンサに関するそれぞれの技術を使用することが出来れば、リフローによるモールドのストレスをある程度緩和することが可能であると考えられる。しかし、この技術は緩衝層の形成方法として固体電解コンデンサ素子をフィルムで覆う工法を用いており、量産化工法としては不向きな点がある。

従って、本発明の目的はガスおよび蒸気に対するバリア性に優れたモールド樹脂で外装を行い、且つ、回路基板実装時の繰り返しのリフロー時の信頼性を確保し、且つ、量産性に優れた固体電解コンデンサを作製することにある。

本発明の固体電解コンデンサは、多孔質化された弁作用金属に陽極酸化皮膜が形成され、前記陽極酸化皮膜上にそれぞれ固体電解質層、グラファイト層、導電性ペースト層が順に形成されて陰極部が設けられ、前記陰極部以外の場所に導電性部材からなる陽極部が設けられてなる固体電解コンデンサ素子での前記陽極部および前記陰極部をそれぞれ外部陽極端子および外部陰極端子で電気的に接続し、絶縁性のモールド樹脂で外装した固体電解コンデンサにおいて、前記陰極部と前記モールド樹脂で被覆される部位の導電性ペースト層上に金属を主成分とした緩衝層を形成した後、前記固体電解コンデンサ素子を前記モールド樹脂で外装することで固体電解コンデンサを構成する。前記緩衝層を形成する手段として、ナノ金属粒子ペースト、メッキ等を用いることが可能であり、前記緩衝層中の金属成分として金、銀、銅、白金、ニッケル、パラジウムの内、１つ以上の金属が選択されることを特徴とし、また、前記緩衝層中の樹脂成分が１重量％未満であることを特徴とする。

上記の手段のように、導電性ペースト層とモールド樹脂の間に金属を主成分とした樹脂成分の少ない緩衝層を形成することにより、モールド樹脂は金属成分とは密着力が乏しいため、リフローによるストレスに対しても緩衝層がモールド樹脂と剥離を起こし、導電性ペースト層はほとんどストレスを受けない。また、形成方法としても、ペースト印刷、メッキ等の工法を用いることが出来るため、量産性に優れている。これにより、ガスおよび蒸気のバリア性に優れたモールド樹脂で外装を行い、且つ、回路基板実装時の繰り返しのリフロー時の信頼性を確保し、且つ、量産性に優れた固体電解コンデンサを実現できる。

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１にその構成を示す。図１（ａ）はその斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図である。

図１において、アルミニウム基体１は長方形状のアルミニウム箔からなり、その両面はエッチングにより多孔質化が施されている。このアルミニウム基体１の両表面は陽極酸化により陽極酸化皮膜２が形成されている。次いで前記の陽極酸化皮膜２の所定位置にエポキシ樹脂などにより絶縁体３を形成してアルミニウム基体１を２つの領域に区分し、前記領域の内の一方のみに導電性高分子からなる固体電解質層４、グラファイト層５、導電性ペースト層６を形成して陰極部を構成している。絶縁体３に隔てられ陰極部が形成されていない位置の陽極酸化皮膜２の片面のみに溶接によって長方形状の金属リードフレーム７が設けられており、陽極部が形成されている。金属リードフレーム７は銅箔などの金属部材からなり、固体電解コンデンサの実装面に設けられる外部陽極端子８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と金属リードフレーム７の接続部では陽極酸化皮膜２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。このように作製した固体電解コンデンサ素子は長方形板状で図１（ｂ）に示す断面形状を有している。次に固体電解コンデンサ素子の金属リードフレーム７と電極基板９内の外部陽極端子８、および、導電性ペースト層６と外部陰極端子１０をそれぞれ導電性接着剤１１で電気的に接続をし、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。

次に固体電解コンデンサ素子の電極基板に接続した面と反対側の陰極部の導電性ペースト層６上にスクリーン印刷でナノ金属粒子ペーストを塗布し、およそ１２５℃の温度で乾燥させてナノ金属粒子ペースト中の溶剤等を揮発させ、さらに１５０〜３００℃程度の炉で短時間熱処理を行い、ナノ金属粒子ペーストをキュアすることにより、樹脂成分の残留が１重量％未満である緩衝層１２を形成する。ここで用いる金属ペーストとして、ナノサイズの金属微粒子で構成される、ペースト、有機金属、および、酸化金属の混合ペースト等を用い、それらペーストは粒子サイズによる表面活性、有機物および酸素の脱離に伴う金属粒子の活性等により金属粒子同士が融着を起こして、金属を主成分とする緩衝層１２を形成する。なお、緩衝層１２の形成方法として金属ペーストを用いる他にも導電性ペースト層６上に電解メッキ、および、無電解メッキを施すことにより、緩衝層１２とすることも可能である。また、緩衝層に使用される金属成分として、金、銀、銅、白金、ニッケル、パラジウムの内、１つ以上の金属から選択し、この金属を主成分とした緩衝層１２を用いるとよい。ところで、緩衝層１２中に含まれる樹脂成分の量が１重量％以上になると、モールド樹脂１３との接着力が強くなり、リフロー後のＥＳＲの増加が実用的許容値を超えるので、その樹脂成分の量は１重量％未満にするのがよい。

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、外装を行うことで本実施の形態の固体電解コンデンサを形成する。

次に本発明の実施例を挙げてさらに説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１の固体電解コンデンサを以下の方法にて作製し、その電気的特性を測定した。

実施例１として固体電解コンデンサ素子の陰極部の緩衝層をナノ金属粒子ペーストで形成した固体電解コンデンサの作製方法を示す。図１を参照し、まず箔状のアルミニウム基体１を多孔質化し、さらにその表面に陽極酸化皮膜２を形成した。ここで箔状のアルミニウム基体１はアルミ電解コンデンサ用として市販されている材質のものであり、表面に陽極酸化皮膜２を形成する上での公称化成電圧が４Ｖ、単位面積（ｃｍ^２）あたりの静電容量が２６０μＦ、厚さが１０５μｍである。ここでアルミニウム基体１における陽極酸化皮膜２を有する多孔質部の厚みは片面で５０μｍである。この箔状のアルミニウム基体１を幅３．０ｍｍ、長さ７．０ｍｍの長方形状に切り出し、長さ方向の一端部から幅方向に３．０ｍｍ、長さ方向に４．５ｍｍの長方形の領域に陰極部を形成することとし、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３．０ｍｍ、長さ方向に１．０ｍｍの長方形の領域に陽極部を形成することとした。次に、陽極部と陰極部の間を電気的に絶縁するために、陽極部と陰極部の間に絶縁体３層の幅が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の両面の陰極部の陽極酸化皮膜２の表面に、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６：１：２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４を形成し、さらにその表面にスクリーン印刷によってグラファイト層５を厚み１５μｍになるように形成し、さらにその表面に１０重量％以上のメラミン樹脂と８０重量％以上の銀含有量を有した導電性ペースト層６を厚さ３０μｍに形成した。

次に陽極部上にあらかじめ両面にニッケルと銀メッキを施した銅箔からなる金属リードフレーム７を固定し、超音波溶接を用いて金属リードフレーム７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９の外部陽極端子８と外部陰極端子１０を、陽極部および陰極部をそれぞれ構成する金属リードフレーム７と導電性ペースト層６に、導電性接着剤１１により電気的に接合した。

次に固体電解コンデンサ素子の電極基板９に接続した面と反対側の陰極部の導電性ペースト層６上に、有機銀、酸化銀および希釈溶剤等からなる有機銀・酸化銀混合ペーストをスクリーン印刷で厚さ５μｍ以下に形成し、塗膜を１２５℃下で乾燥し、成分中の希釈溶剤のみを揮発させ、さらに２５０℃下の炉で３０秒間熱処理を行い、有機銀・酸化銀混合ペーストをキュアすることによって、有機銀中の有機物、および、酸化銀中の酸素が乖離し、銀粒子同士が活性化することによって融着を促し、成分中の樹脂成分が０．１重量％以下の緩衝層１２が形成された。

次に電極基板９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を測定した。測定項目は、静電容量、ＥＳＲ、漏れ電流の３項目で、それぞれリフロー前、第１リフロー後、第２リフロー後に電気特性の測定を行った。リフロー条件は２６０℃雰囲気下、３０秒間熱処理を行うこととし、２回繰り返し行い１回ごとに電気特性を測定した。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が１００ｋＨｚ、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の信号電圧を印加し、１分後の値を測定した。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、リフローの段階ごとに、表１、表２、表３の実施例１の欄に示す。

（実施例２）
実施例２として固体電解コンデンサ素子の陰極部の緩衝層１２をメッキで形成した固体電解コンデンサの作製方法を示す。

実施例１と同様に固体電解コンデンサ素子を作製し、固体電解コンデンサ素子の陽極部、陰極部をそれぞれ電極基板９の外部陽極端子８、外部陰極端子１０と接続した。実施例１と異なり、固体電解コンデンサ素子の陰極部の導電性ペースト層６上の一部に給電端子を接続し、同じく給電端子と接続した浴槽中に銅イオンを含んだメッキ液を満たし、固体電解コンデンサ素子の陰極側を給電端子が浸漬しない程度に浸漬して給電端子間を導通し、平均５μｍの銅メッキ層を形成して緩衝層１２とし、その後は実施例１と同様に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、リフローによる評価や電気特性の測定は実施例１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、表２、表３の実施例２の欄に示す。

（比較例１）
比較例として固体電解コンデンサ素子の陰極部の緩衝層１２を設けない従来型の固体電解コンデンサの作製方法を示す。図２は、本比較例の固体電解コンデンサを示し、図２（ａ）はその斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’面での断面図である。

実施例と同様に固体電解コンデンサ素子を作製し、コンデンサ素子の陽極部、陰極部をそれぞれ電極基板９の外部陽極端子８、外部陰極端子１０と接続した。実施例１および２と異なり、導電性ペースト層６上に緩衝層１２を設けず、導電性ペースト層６上を含む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、リフローによる評価や電気特性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、表２、表３の比較例１の欄に示す。

（比較例２）
比較例として固体電解コンデンサ素子の陰極部の緩衝層１２中に１重量％の樹脂成分を含む固体電解コンデンサの作製方法を示す。

実施例と同様に固体電解コンデンサ素子を作製し、コンデンサ素子の陽極部、陰極部をそれぞれ電極基板９の外部陽極端子８、外部陰極端子１０と接続した。実施例１および２と異なり、エポキシ樹脂を１重量％含む銀ペースト層を用いてコンデンサ素子の緩衝層１２を形成し、その後は実施例と同様に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、リフローによる評価や電気特性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、表２、表３の比較例２の欄に示す。

表１より、リフロー前のＥＳＲは実施例、比較例共にほとんど差がないのに対し、第１リフロー後のＥＳＲは実施例１、実施例２と比べて比較例１が大幅に増加し、比較例２もやや増加し、同様に第２リフロー後のＥＳＲは実施例１、実施例２と比べて比較例１が大幅に増加し、比較例２もやや増加した。

この結果は、緩衝層１２を設けない比較例１や緩衝層１２に樹脂成分を１重量％含む比較例２と比べて、本発明である実施例１、実施例２はリフローおよび繰り返しのリフローによるモールド樹脂１３の膨張、収縮に対して固体電解コンデンサ素子の導電性ペースト層６の剥離を防止し、固体電解コンデンサの電気特性の劣化を防ぐ効果があることが分かる。

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、導電性ペースト層６とモールド樹脂１３の間に金属を主成分とする緩衝層１２を形成することにより、モールド樹脂１３は金属成分とは密着力が乏しいため、それらはリフローによるストレスに対しても緩衝層１２がモールド樹脂１３と剥離を起こし、導電性ペースト層６はほとんどストレスを受けない。これらにより、ガスおよび蒸気のバリア性に優れたモールド樹脂１３で外装を行い、且つ、回路基板実装時の繰り返しのリフロー時の信頼性を確保し、且つ、量産性に優れた固体電解コンデンサを実現できる。

本発明に係る固体電解コンデンサの一例を示す図。図１（ａ）はその斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図。 比較例１の固体電解コンデンサを示す図。図２（ａ）はその斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’面での断面図。

符号の説明

１ アルミニウム基体
２ 陽極酸化皮膜
３ 絶縁体
４ 固体電解質層
５ グラファイト層
６ 導電性ペースト層
７ 金属リードフレーム
８ 外部陽極端子
９ 電極基板
１０ 外部陰極端子
１１ 導電性接着剤
１２ 緩衝層
１３ モールド樹脂

Claims (3)

1. 多孔質化された弁作用金属に陽極酸化皮膜が形成され、前記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積層した陰極部を設け、前記陰極部以外の場所に導電性部材からなる陽極部を設けてなる固体電解コンデンサ素子での前記陽極部および前記陰極部をそれぞれ外部陽極端子および外部陰極端子に電気的に接続し、絶縁性のモールド樹脂で外装した固体電解コンデンサにおいて、前記陰極部での前記モールド樹脂で被覆しようとする部位の前記導電性ペースト層上に金属を主成分とする緩衝層を形成した後、前記固体電解コンデンサ素子を前記モールド樹脂で外装したことを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記緩衝層中の金属成分として、金、銀、銅、白金、ニッケル、パラジウムの内、１つ以上の金属が選択されたことを特徴とする、請求項１記載の固体電解コンデンサ。
3. 前記緩衝層中の樹脂成分が１重量％未満であることを特徴とする、請求項１または２記載の固体電解コンデンサ。

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