JP2002299181A - 固体電解コンデンサ - Google Patents

固体電解コンデンサ

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直樹 安西
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量出現率の高い固体電解コンデンサを提供
する。 【解決手段】 弁作用金属からなる陰極箔と陽極箔と
を、セパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成
し、前記陰極箔と陽極箔の間に導電性ポリマーからなる
電解質層を形成した固体電解コンデンサにおいて、前記
陰極箔上に金属窒化物または弁金属からなる皮膜を形成
し、熱処理を施しているので、容量出現率が高く、ta
nδ、ESR特性も良好である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解コンデン
サに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器のデジタル化、高周波化
に伴い、特に電源の分野で、小型大容量で高周波領域で
のインピーダンスの低いコンデンサが要求されている。
【0003】これらの要求に対しては、アルミニウム等
の弁作用金属からなる陰極箔と表面に酸化皮膜を形成し
た弁作用金属からなる陽極箔をセパレータを介在させて
巻回してコンデンサ素子を形成し、これらの陰極箔と陽
極箔の間に固体電解質を形成した、固体電解コンデンサ
が用いられている。この巻回型の固体電解コンデンサ
は、小型大容量という特質を有し、さらに高周波領域で
のインピーダンス特性が良好であるので、上記の要求に
対しては、最も適したコンデンサの一つである。そし
て、この種の固体電解コンデンサにおいて、陽極材料と
しては、アルミニウムを初めとしてタンタル、ニオブ、
チタン等が使用され、陰極材料には、陽極材料と同種の
金属が用いられる。
【0004】ところで、このような固体電解コンデンサ
において、陰極箔にTiN、ZrN、TaN、NbNな
どの金属窒化物や、Ti、Zr、Ta、Nbなどの弁金
属からなる皮膜を形成することによって、容量出現率を
向上させた技術が開示されている(特開平2000−1
14108号公報、特開平2000−114109号公
報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
さらなる小型化への要求があり、本発明はこの要求に応
えることができる容量出現率の高い固体電解コンデンサ
を提供することをその目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の固体電解コンデ
ンサは、弁作用金属からなる陰極箔と陽極箔とを、セパ
レータを介して巻回してコンデンサ素子を形成し、前記
陰極箔と陽極箔の間に導電性ポリマーからなる電解質層
を形成した固体電解コンデンサにおいて、前記陰極箔上
に金属窒化物または弁金属からなる皮膜を形成し、熱処
理を施したことを特徴としている。
【0007】前記固体電解コンデンサにおいて、前記導
電性ポリマーが、チオフェン誘電体の重合体であること
を特徴としている。
【0008】前記チオフェン誘電体が3,4−エチレン
ジオキシチオフェンであることを特徴としている。
【0009】また、前記弁作用金属がアルミニウムであ
ることを特徴としている。
【0010】そして、前記金属窒化物が、TiN、Zr
N、TaN、NbNのいずれかであることを特徴として
いる。
【0011】また、前記弁金属が、Ti、Zr、Ta、
Nbのいずれかであることを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明は、電解質層として、導電
性ポリマーを用いた巻回型の固体電解コンデンサにおい
て、陰極箔上に金属窒化物または弁金属からなる皮膜を
形成し、この陰極箔を熱処理することによって、静電容
量値が大幅に向上し、さらにインピーダンス特性が向上
することが判明することによってなされたものである。
【0013】ここでの熱処理として、200℃以上で1
時間以上、好ましくは250℃以上で2時間以上、さら
に好ましくは3時間以上の熱処理を施すことが好まし
い。熱処理は、陰極箔上に金属窒化物または弁金属から
なる皮膜を形成した後に行ってもよいし、皮膜を形成し
た陰極箔と陽極箔をセパレータを介して巻回してコンデ
ンサ素子を形成した後に行ってもよい。
【0014】ここで、この導電性ポリマーとしてはチオ
フェン誘電体が好ましく、(化1)で示されるチオフェ
ン誘電体を挙げることができる。なかでも反応性が良好
で特性の良好な固体電解コンデンサを得ることができ
る、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)が好
ましい。
【化1】 ここで、XはOまたはS、XがOのとき、Aはアルキレ
ン、またはポリオキシアルキレン、Xの少なくとも一方
がSのとき、Aはアルキレン、ポリオキシアルキレン、
置換アルキレン、置換ポリオキシアルキレン、ここで、
置換基はアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基であ
る。
【0015】以上のように、陰極箔上に金属窒化物また
は弁金属からなる皮膜を形成し、熱処理を施すことによ
って、本発明の効果を得るものである。ここで、通常
は、陰極箔にはエッチッグ処理を施した金属箔を用いる
が、エッチング処理をしない金属箔を用いても、本発明
の効果が損なわれることはない。
【0016】ここで、陰極箔表面に酸化皮膜を形成し、
その上に金属窒化物または弁金属からなる皮膜を形成す
るとインピーダンス特性が向上するので好適である。
【0017】陰極箔に酸化皮膜を形成する方法として
は、通常の陽極酸化皮膜を形成する化成処理を用いるこ
とができる。すなわち、化成液中で電圧を印加して陰極
箔の表面に酸化皮膜を形成する。
【0018】化成液としては、リン酸二水素アンモニウ
ム、リン酸水素二アンモニウム等のリン酸系の化成液、
ホウ酸アンモニウム等のホウ酸系の化成液、アジピン酸
アンモニウム等のアジピン酸系の化成液等を用いること
ができる。これらの中では、リン酸二水素アンモニウム
が好ましい。なお、リン酸二水素アンモニウムの濃度
は、0.005〜3%が好適である。
【0019】また、この酸化皮膜を形成するために印加
する化成電圧は、1〜10V以下であることが好まし
い。1V以下であると、自然酸化皮膜と同等であって、
効果がなく、10V以上であると、酸化皮膜の厚みが増
して、つまり、陰極箔の誘電体皮膜の厚みが増すことに
なって、陰極箔の静電容量が減少し、そのことによっ
て、陽極箔と陰極箔の合成容量であるコンデンサの容量
が減少する。
【0020】そして、金属窒化物としては、表面に酸化
皮膜が形成されにくい、TiN、ZrN、TaN、Nb
N等を用いる。また弁金属としては、Ti、Zr、T
a、Nb等を用いることができる。
【0021】また、弁作用金属からなる陰極に金属窒化
物または弁金属からなる皮膜を形成する方法としては、
形成される皮膜の強度、陰極との密着性、成膜条件の制
御等を考慮すると、蒸着法が好ましく、なかでも、陰極
アークプラズマ蒸着法がより好ましい。この陰極アーク
プラズマ蒸着法の適用条件は、電流値は80〜300
A、電圧値は15〜20Vである。なお、弁作用金属か
らなる陰極を200〜450℃に加熱し、金属窒化物の
場合は窒素を含む全庄が1×10-1〜1×10-4Tor
rの雰囲気で行い、弁作用金属の場合は真空中で行う。
【0022】次いで、電解質層としてポリ3,4−エチ
レンジオキシチオフェンを用いた巻回型の固体電解コン
デンサの製造方法について説明する。陰極箔としては、
エッチングしたアルミニウム箔の表面にTiN膜を陰極
アークプラズマ蒸着法により形成したものを用いる。な
お、上述したように、陰極アークプラズマ蒸着法の条件
は、窒素雰囲気中でTiターゲットを用い、弁作用金属
からなる陰極を200〜450℃に加熱し、窒素を含む
全庄が1×10-1〜1×1-4Torr、80〜300
A、15〜20Vで行う。また、陽極箔としては、エッ
チングしたアルミニウム箔の表面に、従来から用いられ
ている方法で化成処理を施して誘電体皮膜を形成したも
のを用いる。以上の陰極箔と陽極箔をセパレータを介し
て巻回して、コンデンサ素子を形成する。
【0023】このコンデンサ素子にモノマーと酸化剤を
含浸し、加熱重合して導電性ポリマーを形成する。ここ
で、モノマーである3,4−エチレンジオキシチオフェ
ンは、特開平2−15611号公報等により開示された
公知の製法により得ることができる。また、酸化剤は、
溶媒であるブタノールに溶解したp−トルエンスルホン
酸第二鉄を用いており、酸化剤はブタノールに対して4
0重量%ないし55重量%の濃度、好ましくは45重量
%ないし50重量%であると良好な結果が得られる。ま
た、この酸化剤におけるブタノールとp−トルエンスル
ホン酸第二鉄の比率は任意でよいが、モノマーとの配合
比は1:2ないし1:15の範囲が好適である。
【0024】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細
に説明する。
【0025】高純度のアルミニウム箔(純度99%、厚
さ50μm)を被処理材として使用し、エッチング処理
後、化成電圧2Vで0.15%のリン酸二水素アンモニ
ウムの水溶液中で化成した。その後、その表面にTiN
膜を陰極アークプラズマ蒸着法により形成した。なお、
陰極アークプラズマ蒸着は、窒素雰囲気中でTiターゲ
ットを用い、高純度のアルミニウム箔を200℃に加熱
し、5×10−3Torr、300A、20Vで行っ
た。
【0026】このようにして形成した陰極箔を用いて、
固体電解コンデンサを形成した。コンデンサ素子5は、
径寸法が10φ、縦寸法が8mm、また定格電圧6.3
WV、定格静電容量33μFのものを用いている。なお
コンデンサ素子5の陽極電極箔1、陰極電極箔2にはそ
れぞれリード線4が電気的に接続され、コンデンサ素子
5の端面から突出している。
【0027】このコンデンサ素子をリン酸水溶液中で再
化成し、その後に250℃、2時間の熱処理をおこなっ
た。
【0028】このコンデンサ素子5に、3,4−エチレ
ンジオキシチオフェンと酸化剤とを含浸する。酸化剤
は、ブタノールに対して50重量%の配分で溶解したp
−トルエンスルホン酸第二鉄を用い、3,4−エチレン
ジオキシチオフェンに対して酸化剤を1:5で含浸し
た。
【0029】次いで、3,4−エチレンジオキシチオフ
ェンと酸化剤とを含浸したコンデンサ素子5に、60℃
で60分の熱処理を施して化学重合反応を促進させる。
この時の熱処理では、緩やかに化学重合反応は進み、陽
極電極箔1のエッチングピットの内部にポリマーである
ポリエチレンジオキシチオフェンが生成される。一方、
溶媒であるブタノールは完全には除去されず、したがっ
て、以降の熱処理でも化学重合反応は進行することにな
る。
【0030】次いで、2回目以降の熱処理において、1
回目の熱処理温度とは異なる200℃で、しかも短時間
の5分間の熱処理を施し、化学重合反応を更に促進させ
て重合度を上げるとともに、溶媒を除去し、残留物によ
る電気的特性への悪影響を排除する。その結果、重合温
度の上昇に伴う耐電圧特性の劣化を引き起こすことな
く、外観及び漏れ電流特性を良好にすることができる。
【0031】このようにして形成された、陽極電極箔1
と陰極電極箔2との間に介在したセパレータ3が固体電
解質層を保持したコンデンサ素子5を、通常のエージン
グ工程等の後工程を施した後、外装樹脂層で覆い、ある
いは外装ケースに収納して外装ケースの開口部を封口ゴ
ム等で封止して固体電解コンデンサを形成する。
【0032】ここで、従来例として化成皮膜とTiN膜
を形成しない陰極箔を用い、比較例として実施例におい
て熱処理を施さないTiN膜を形成した陰極箔を用いて
固体電解コンデンサを形成した。
【0033】このようにして形成した実施例、比較例、
従来例の固体電解コンデンサの初期特性を(表1)に示
す。
【0034】
【表1】
【0035】(表1)からわかるように、実施例の固体
電解コンデンサは比較例、従来例に比べて、静電容量は
高く、tanδ、ESRは低減されており、本発明の効
果が明らかである。
【0036】
【発明の効果】以上のようにこの発明は、弁作用金属か
らなる陰極箔と陽極箔とを、セパレータを介して巻回し
てコンデンサ素子を形成し、前記陰極箔と陽極箔の間に
導電性ポリマーからなる電解質層を形成した固体電解コ
ンデンサにおいて、前記陰極箔上に金属窒化物または弁
金属からなる皮膜を形成し、熱処理を施したことを特徴
ととしているので、高い容量出現率を有し、さらにta
nδ、ESRの良好な固体電解コンデンサを得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いるコンデンサ素子の分解斜視図で
ある。
【符号の説明】
1 陽極電極箔 2 陰極電極箔 3 セパレータ 4 リード線 5 コンデンサ素子

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 弁作用金属からなる陰極箔と陽極箔と
    を、セパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成
    し、前記陰極箔と陽極箔の間に導電性ポリマーからなる
    電解質層を形成した固体電解コンデンサにおいて、前記
    陰極箔上に金属窒化物または弁金属からなる皮膜を形成
    し、熱処理を施した固体電解コンデンサ。
  2. 【請求項2】 前記導電性ポリマーが、チオフェン誘電
    体の重合体であることを特徴とする請求項1に記載の固
    体電解コンデンサ。
  3. 【請求項3】 前記チオフェン誘電体が3,4−エチレ
    ンジオキシチオフェンであることを特徴とする請求項2
    に記載の固体電解コンデンサ。
  4. 【請求項4】 前記弁作用金属がアルミニウムであるこ
    とを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の固体電解
    コンデンサ。
  5. 【請求項5】 前記金属窒化物が、TiN、ZrN、T
    aN、NbNのいずれかであることを特徴とする請求項
    1乃至請求項4のいずれか一に記載の固体電解コンデン
    サ。
  6. 【請求項6】 前記弁金属が、Ti、Zr、Ta、Nb
    のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項
    4のいずれか一に記載の固体電解コンデンサ。
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