JP2010165701A - 固体電界コンデンサ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電界コンデンサ素子の含浸性を向上させ、静電容量や誘電損失といった電気的特性を向上させることが可能な多孔質焼結体を有する固体電界コンデンサ素子、およびこれらの製造方法を提供する。
【解決手段】弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、かつ陽極ワイヤの一端を埋設した第１焼結体と、弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、前記粉末の平均粒径が前記第１焼結体を形成した粉末の平均粒径より小さく、かつ前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側において前記第１焼結体の少なくとも一部が露出するように前記第１焼結体の周りに形成された第２焼結体と、を含む多孔質焼結体を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電界コンデンサ素子およびこれらの製造方法に関する。

一般に、固体電界コンデンサ素子はタンタル等の多孔質焼結体を備えている。多孔質焼結体からは同じくタンタル等の陽極ワイヤが突出している。多孔質焼結体の外表面および多孔質焼結体の孔の表面には五酸化タンタル等の誘電体層が形成されている。誘電体層上には二酸化マンガン等の固体電解質層が形成されている。固体電解質層はグラファイト層および銀ペースト層からなる陰極層が形成されている（たとえば特許文献１参照）。多孔質焼結体は樹脂パッケージで封止されている。固体電界コンデンサにおいては、多孔質焼結体の材料であるタンタル等の粉末の粒径を小さくすることにより、大容量化を図っている。

固体電界コンデンサ素子のサイズを大きくすることなく大容量化を図るためには、ＣＶ値（μＦＶ／ｇ）を高める必要がある。ＣＶ値とは、単位質量あたりの静電容量Ｃと化成電圧との積であり、一般にμＦＶ／ｇで表される。このＣＶ値は、多孔質焼結体の材料であるタンタル等の微粉末の単位質量あたりの表面積に大きく左右される。微粉末の微細化を図るほど、単位質量あたりの表面積を増やすことができるため、ＣＶ値を高めることができる。

しかし、多孔質焼結体の材料であるタンタル等の微粉末の微細化を図るため、微粉末の粒径を小さくすると空隙率が低くなる。固体電界コンデンサ素子の製造工程においては、固体電解質層を形成するための硝酸マンガン水溶液等にタンタル等の多孔質焼結体を浸漬させる。空隙率が低いと、この浸透が十分に促進されず、多孔質焼結体の表面に固体電解質層が形成されない部分が残ることになる。これにより、静電容量の低下や、誘電損失の増大といった問題が発生する。

特開２００２−２３１５７９号

本発明は上記の事情のもとで考え出されたものであって、固体電界コンデンサ素子の含浸性を向上させ、静電容量や誘電損失といった電気的特性を向上させることが可能な多孔質焼結体を有する固体電界コンデンサ素子、およびこれらの製造方法を提供することをその課題とする。

上記課題を達成するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される個体電界コンデンサ素子は、弁作用金属で形成された陽極ワイヤと、弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、かつ前記陽極ワイヤの一端を埋設した第１焼結体と、弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、前記粉末の平均粒径が前記第１焼結体を形成した粉末の平均粒径より小さく、かつ前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側において前記第１焼結体の少なくとも一部が露出するように前記第１焼結体の周りに形成された第２焼結体と、を含む多孔質焼結体と、前記多孔質焼結体の外表面および前記多孔質焼結体の孔の表面に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された固体電解質層と、前記多孔質焼結体の外表面に形成された固体電解質層の表面の少なくとも一部に形成された陰極膜と、を備えたことを特徴としている。

通常、固体電解質層を形成するための陰極材料溶液は、焼結体の外表面から内部に向かって浸透していく。このような構成によれば、陰極材料溶液は焼結体（第１焼結体）の下側（陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側）から焼結体内部に浸透し、さらに焼結体内部から粒径の小さい粉末で形成された第２焼結体に向かって浸透する。その結果、陰極材料溶液は、焼結体の外表面から内部に向かって浸透していくだけでなく、焼結体の内部から外表面に向かっても浸透していく。従って、陰極材料溶液の含浸性が大幅に向上するため、静電容量の低下や、誘電損失の増大といった問題を解決することができる。

本発明に係る固体電界コンデンサ素子を示す斜視図および縦断正面図である。 本発明に係る固体電界コンデンサ素子の製造方法を示す断面図である。 本発明に係る固体電界コンデンサ素子の製造方法を示す断面図である。 本発明に係る固体電界コンデンサ素子の変形例を示す斜視図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る固体電界コンデンサ素子の一例を示している。同図に示された固体電界コンデンサ素子は、陽極ワイヤ１、多孔質焼結体２、リング体３、誘電体膜４、固体電解質層５、陰極膜６を備えている。なお、図１（ａ）は多孔質焼結体の第１焼結体と第１焼結体の位置関係を示す概念図で、第１焼結体２Aは第２焼結体２Bに挟まれるように形成されている。図１（ｂ）は、本発明に係る固体電界コンデンサ素子の縦断正面図を示している。

陽極ワイヤ１はたとえばタンタル等の弁作用金属で形成される。陽極ワイヤの一端は多孔質焼結体に埋設されている。陽極ワイヤは燐、酸素、炭素、窒素、水素、鉄、ニッケル、シリコン等の少なくとも一つを含む焼結抑制物質を不純物として含んでいてもよい。

多孔質焼結体２は、陽極ワイヤを構成する金属と同種の金属、たとえばタンタル等の弁作用金属の粉末を、多孔質に固め形成した後、焼結したものからなる。前記多孔質焼結体２は前記粉末の平均粒径の異なる第１焼結体２Aと第２焼結体２Bからなる。第１焼結体２Aを形成する粉末の平均粒径は第２焼結体２Bを形成する粉末の平均粒径よりも大きい。焼結体を形成する粉末の平均粒径が大きいほど焼結体と陽極ワイヤとの密着力は上がるため、陽極ワイヤの抜け防止の効果を考慮して、第１焼結体２Aには前記陽極ワイヤの一端が埋設されている。また、前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側において前記第１焼結体の少なくとも一部が露出し、さらに前記陽極ワイヤの一端が埋設した面と垂直な面においても前記第１焼結体の少なくとも一部が露出するように第１焼結体の周りに第２焼結体が形成されている。前記第１焼結体２Aはタンタル等の弁作用金属の粉末からなり、そのCV値はたとえば１０万μＦＶ／ｇ以上〜１５万μＦＶ／ｇ以下である。前記第２焼結体２Bはタンタル等の弁作用金属の粉末からなり、前記粉末の平均粒径が第１焼結体を形成した粉末の平均粒径より小さくなっている。前記第２焼結体を形成している粉末のCV値は、第１焼結体を形成する粉末のCV値よりも大きくなり、たとえば１５万μＦＶ／ｇ以上〜２０万μＦＶ／ｇ以下である。なお第１焼結体と第２焼結体との加圧成型後の密着性を考慮すると、お互いのCV値の差が５万μＦＶ／ｇ以下になるのが好ましい。

リング体３はたとえばフッ化エチレン重合体など、撥水性の樹脂で形成されており、陽極ワイヤ１の付け根部に形成されている。リング体の平面形状は円形状を呈しているが、この形状に限ることはなく、たとえば矩形状、ひし形状としてもよい。

誘電体層４はたとえば五酸化タンタルからなり、前記焼結体外表面および前記多孔質焼結体の孔の表面に形成されている。誘電体層４は、誘電体として機能するものであり、固体電界コンデンサの容量は、この誘電体の総面積および厚みによって決定される。

固体電解質層５はたとえば二酸化マンガンからなり、前記焼結体外表面を誘電体の上から覆うように、ならびに誘電体が形成された後も残存する前記多孔質焼結体の孔を埋めるように形成されている。なお、固体電解質層５としては、二酸化マンガンにかえてポリエチレンジオキシチオフェンまたはポリピロールなどの導電性ポリマを用いてもよい。

陰極膜６はたとえばグラファイト層および金属層が積層されたものである。グラファイト層は固体電解質層と金属層との間の接触点抵抗が大きい場合に、これらの間の抵抗を小さくする目的で設けられる。金属層はたとえばメッキ処理を施して銀などの導体層を形成することにより設けられる。

次に本発明に係る固体電界コンデンサ素子の製造方法について図を参照して説明する。

まず、下金型、押し込み金型、上金型からなる金型M1を用意する。図２（ａ）に示すように、前記下金型１０、押し込み金型１１により形成された凹部内にタンタル等の弁作用金属からなる微粉末２aを充填する。前記微粉末のCV値はたとえば１０万μＦＶ／ｇ以上〜１５万μＦＶ／ｇ以下である。

次いで、図２（ｂ）に示すように、前記陽極ワイヤ１を下端から突出するように保持した上金型１２を、前記微粉末２aに向けて前進させる。前記陽極ワイヤ１のうち前記上金型１２から突出する部分を前記微粉末２a内に挿入すると同時に、前記微粉末を固めるために前記押し込み金型１０を内側に向けて移動させ、前記微粉末を固め成型する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、前記押し込み金型１１を外側に向けて移動させると同時に、前記上金型１２を微粉末２ａの成形体を保持した状態で、前記下金型１０、押し込み金型１１により形成された凹部から引き抜く。その後、前記微粉末の第１成型体を適宜温度に加熱して焼結することで、第１焼結体を得る。

次いで、図３（ａ）に示すように、前記下金型１０、押し込み金型１１により形成された凹部内に前記微粉末２ａの平均粒径よりも小さい平均粒径をもつタンタル等の弁作用金属からなる微粉末２ｂを充填する。前記微粉末２ｂのCV値はたとえば１５万μＦＶ／ｇ以上〜２０万μＦＶ／ｇ以下である。前記微粉末２ｂと前記微粉末２ａとのCV値の差が５万μＦＶ／ｇ以下になるようにするのが好ましい。

次いで、図３（ｂ）に示すように前記第１焼結体を保持した上金型１２を、前記微粉末２ｂに向けて前進させる。前記第１燒結体を前記微粉末２ｂ内に挿入すると同時に、前記微粉末２ｂを固めるために前記押し込み金型１１を内側に向けて移動させる。この時、前記第１燒結体の底面、つまり前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側を下金型１０に接触させ、第１焼結体底面が前記微粉末２ｂに覆われないようにする。このように前記微粉末２ｂを固め成型することにより、陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側を第１焼結体の少なくとも一部が露出するように前記第１焼結体の周りに前記微粉末２ｂの成型体を形成することができる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、前記押し込み金型１１を外側に向けて移動させると同時に、前記上金型１２を前記第１焼結体の周りに微粉末２ｂの成形体を保持した状態で、前記下金型１０、押し込み金型１１により形成された凹部から引き抜く。その後、前記微粉末２ｂの第２成型体を適宜温度に加熱して焼結することで、第１焼結体、第２焼結体を有する多孔質焼結体を得る。なお、本実施形態においては２回に分けて焼結を行ったが、前記微粉末の成型体の周りに前記微粉末の成型体を形成した後に適宜温度に加熱して焼結することで、焼結回数を１回にしてもよい。

次いで、前記多孔質焼結体に誘電体膜を形成する。誘電体膜は多孔質焼結体を陽極酸化することで形成される。陰極として機能する金属容器内にリン酸水溶液等の化成液を保持し、この溶液内に多孔質焼結体を陽極として浸漬した状態で、多孔質焼結体と金属容器とを通電する。これにより多孔質焼結体におけるリン酸溶液と接する部分、すなわち多孔質焼結体の外表面および多孔質焼結体の孔の表面に、五酸化タンタルによる誘電体膜が形成される。また、前記多孔質焼結体の一端面から突出する陽極ワイヤの付け根部表面にも、五酸化タンタルによる誘電体膜が形成される。

次いで、陽極ワイヤの付け根部にフッ化エチレン重合体など、撥水性の樹脂で形成されたリング体を装着する。リング体の装着は、後述する固体電解質水溶液が、陽極ワイヤのうち誘電体膜を形成していない部分に染み上がり、陽極ワイヤに接触して電気的に導通するのを防止するためである。

次いで、前記誘電体膜が形成された多孔質焼結体に固体電解質層を形成する。前記誘電体膜が形成された多孔質焼結体を、たとえば硝酸マンガン水溶液等の固体電解質水溶液に浸漬させて引き上げる浸漬処理をおこなった後、加熱処理を行うといった一連の処理を複数回（例えば、１０回程度）繰り返す。これにより、焼結体外表面を誘電体の上から覆うように、ならびに誘電体が形成された後も残存する多孔質焼結体の孔を埋めるように二酸化マンガンによる固体電解質層が形成される。ここで多孔質焼結体を固体電質水溶液に浸漬する際には、陽極ワイヤの付け根部のリング体が装着された部位よりも上方の部分が固体電解質溶液に漬からないようにするのが好ましい。

次いで、前記固体電解質層の表面に、グラファイト層を下地として、銀等の金属層を上層とする陰極膜を形成することにより、上記固体電界コンデンサ素子が形成される。

本実施形態によれば、通常の浸透に加えて、固体電解質水溶液等の陰極材料溶液は第１焼結体の下側（陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側）から焼結体内部に向かって浸透し、さらに焼結体内部から粒径の小さい粉末で形成された第２焼結体に向かって浸透する。その結果、陰極材料溶液は、焼結体の外表面から内部に向かって浸透していくだけでなく、焼結体の内部から外表面に向かっても浸透していく。従って、陰極材料溶液の含浸性が大幅に向上するため、静電容量の低下や、誘電損失の増大といった問題を解決することができる。

本発明に係る固体電解コンデンサ素子およびその製造方法は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明に係る固体電解コンデンサ素子およびその製造方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

たとえば図４（ａ）に示すように、第１焼結体２Ａおよび第２焼結体２Ｂは、前記陽極ワイヤ１と平行な側において複数積層してもよい。この場合、第１焼結体の下側から焼結体内部に向かって浸透し、さらに焼結体内部から粒径の小さい粉末で形成された第２焼結体に向かって浸透する。その結果、陰極材料溶液は、焼結体の外表面から内部に向かって浸透していくだけでなく、焼結体の内部から外表面に向かっても浸透していくが、各焼結体の厚みが薄くなるため、より一層、焼結体内部に浸透しやすくなる。

また図４（ｂ）に示すように、第２焼結体２Ｂは、陽極ワイヤ１と平行な側において第１焼結体２Ａの全周を覆うように形成してもよい。この場合、前記陽極ワイヤ１の一端が埋設した側と対向する側において前記第１焼結体２Ａの少なくとも一部は露出している。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 陽極ワイヤ
２ 多孔質焼結体
３ リング体
４ 誘電体層
５ 固体電解質層
６ 陰極膜
１０ 下金型
１１ 押し込み金型
１２ 上金型

Claims (9)

1. 弁作用金属で形成された陽極ワイヤと、
   弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、かつ前記陽極ワイヤの一端を埋設した第１焼結体と、弁作用金属の粉末で多孔質に形成され、前記粉末の平均粒径が前記第１焼結体を形成した粉末の平均粒径より小さく、かつ前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側において前記第１焼結体の少なくとも一部が露出するように前記第１焼結体の周りに形成された第２焼結体と、を含む多孔質焼結体と、
   前記多孔質焼結体の外表面および前記多孔質焼結体の孔の表面に形成された誘電体膜と、
   前記誘電体膜上に形成された固体電解質層と、
   前記多孔質焼結体の外表面に形成された固体電解質層の表面の少なくとも一部に形成された陰極膜と、
   を備えたことを特徴とする固体電界コンデンサ素子。
2. 第１焼結体のCV値が１０万μＦＶ／ｇ以上〜１５万μＦＶ／ｇ以下で、第２焼結体のCV値が１５万μＦＶ／ｇ以上〜２０万μＦＶ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の固体電界コンデンサ素子。
3. 第１焼結体のCV値と第２焼結体とのCV値の差が５万μＦＶ／ｇであることを特徴とする請求項２記載の固体電界コンデンサ素子。
4. 前記第１焼結体および前記第２焼結体は、前記陽極ワイヤと平行な側において複数積層されていることを特徴とする請求項３記載の固体電界コンデンサ素子。
5. 前記第２焼結体は、前記陽極ワイヤと平行な側において前記第１焼結体の全周を覆うように形成されたことを特徴とする請求項３記載の固体電界コンデンサ素子。
6. 弁作用金属で形成された陽極ワイヤを弁作用金属の微粉末内に挿入すると同時に、前記微粉末を固め成型し第１成型体を形成する工程と、
   前記第１成型体を適宜温度に加熱して焼結することで多孔質の第１焼結体を形成する工程と、
   前記第１焼結体のうち前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側が露出するように、前記微粉末より平均粒径の小さい微粉末を固め成型し第２成型体を形成する工程と、
   前記第１焼結体および第２成型体を適宜温度に加熱して焼結することで多孔質焼結体を形成する工程と、
   前記多孔質焼結体の外表面および前記多孔質焼結体の孔の表面に誘電体膜を形成する工程と、
   前記誘電体膜上に固体電解質層を形成する工程と、
   前記多孔質焼結体の外表面に形成された固体電解質層の表面の少なくとも一部に陰極膜を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする固体電界コンデンサ素子の製造方法。
7. 弁作用金属で形成された陽極ワイヤを弁作用金属の微粉末内に挿入すると同時に、前記微粉末を固め成型し第１成型体を形成する工程と、
   前記第１成型体のうち前記陽極ワイヤの一端が埋設した側と対向する側が露出するように、前記微粉末より平均粒径の小さい微粉末を固め成型し第２成型体を形成する工程と、
   前記第１成型体および第２成型体を適宜温度に加熱して焼結することで第１焼結体および第２成型体からなる多孔質焼結体を形成する工程と、
   前記多孔質焼結体の外表面および前記多孔質焼結体の孔の表面に誘電体膜を形成する工程と、
   前記誘電体膜上に固体電解質層を形成する工程と、
   前記多孔質焼結体の外表面に形成された固体電解質層の表面の少なくとも一部に陰極膜を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする固体電界コンデンサ素子の製造方法。
8. 第１焼結体のCV値が１０万μＦＶ／ｇ以上〜１５万μＦＶ／ｇ以下で、第２焼結体のCV値が１５万μＦＶ／ｇ以上〜２０万μＦＶ／ｇ以下であることを特徴とする請求項５または６記載の固体電界コンデンサ素子の製造方法。
9. 第１焼結体のCV値と第２焼結体とのCV値の差が５万μＦＶ／ｇであることを特徴とする請求項７記載の固体電界コンデンサ素子の製造方法。
   
   

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