JP2009065059A - 固体電解コンデンサおよび固体電解コンデンサの実装基板への接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】低ＥＳＲ、低ＥＳＬで、過渡応答性に優れた固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】複数の陽極端子部を有する第１の素子Ａと、伝送線路を形成する第２の素子Ｂを積層して固体電解コンデンサを形成する。第１の素子Ａは、弁作用金属基体１の実装基板への接続面に誘電体酸化被膜４と、固体電解質５および導電性部材６からなる陰極電極層を設けて、陰極部ｂ１〜ｂｎを形成する。弁作用金属基体１における陰極部ｃ１，ｃ２をなす領域の一部に、弁作用金属基体１と一体に形成され、その表面が陰極電極層と面位置に露出した複数の陽極端子部ａ１〜ａｎを形成する。第２の素子は、弁作用金属基体１の両面に誘電体酸化被膜１４、固体電解質１５および導電性部材１６からなる陰極電極層を設けて、伝送線路形成用の陰極部２０とする。実装基板に対して、第２の素子を電源側に、第１の素子を負荷側となるように接続する。
【選択図】図６

Description

本発明は、過渡応答性に優れ、高周波領域までインピーダンスが低い固体電解コンデンサおよび固体電解コンデンサの実装基板への接続構造に関する。

電子回路のデジタル化が進み、大電流・低電圧で動作するＬＳＩなどの電源電圧安定化に対応するため、電荷供給が充分な速さでできる、過渡応答性の良いコンデンサが望まれている。

一方で高周波化が進んだＬＳＩからの高周波電流を電源系から遮断するための、高周波低インピーダンス素子が望まれているが、従来の２端子コンデンサでは、回路への接続に金属リード端子等を介在するために配線回路長が長くなるため、ＥＳＲ・ＥＳＬが大きく、過渡応答性が悪く、また、２端子コンデンサを組み合わせてノイズフィルタ回路を構成しても高周波領域までの充分な低インピーダンス化が図れない。

このような問題点を解決するために、特許文献１または特許文献２に示すように、陰極端子部と陽極端子部を、同一面上に陰極と陽極を交互に配置することで、ＥＳＲが低くなると共に、ＥＳＬが打ち消しあって低減されることで、過渡応答性を低減した固体電解コンデンサが開示されている。しかし、この特許文献１または特許文献２の技術では、従来に比べて高周波領域までの低インピーダンス化が図られるが、一定周波数以上の高周波領域ではインピーダンスが上昇する問題があった。

また、特許文献３に開示されている、分布定数型のノイズフィルタでは、伝送線路構造を用いることで、広帯域で高周波領域までの高周波電流の遮断を可能とすると共に、電極端子を実装面となる下面に配置し、陽陰極端子間を近づけることで、低ＥＳＲ、低ＥＳＬを図って過渡応答性を向上している。

この過渡応答性の向上に関しては、電子回路のさらなる大電流・低電圧化が年々進むことから、特許文献３のノイズフィルタに限らず、コンデンサに対しても更なる過渡応答性の改善が求められているが、従来では、このような要求を満足するコンデンサは提案されていなかった。

特開２００２-２３７４３１号公報 特開２００５-１４２４３７号公報 特開２００２-１６４７６０号公報

本発明は、以上のような従来の技術的課題を背景になされたものであり、その目的は、低ＥＳＲ、低ＥＳＬ化による過渡応答性の改善と、高周波領域までの低インピーダンス化による高周波電流の遮断を可能とした固体電解コンデンサおよび固体電解コンデンサの実装基板への接続構造を提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、平板状の弁作用金属基体における実装基板との接続面に、誘電体酸化被膜とこの誘電体酸化被膜上に固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層を順次設けた陰極部が形成され、この陰極部の領域内には前記弁作用金属基体の接続された複数の陽極端子部が形成された第１のコンデンサ素子と、平板状の弁作用金属基体に一対の陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体の両面にそれぞれ誘電体酸化被膜と、この誘電体酸化被膜上に固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層を順次設けた陰極部を形成してなる第２のコンデンサ素子とを備え、これら第１と第２のコンデンサ素子が、第１と第２のコンデンサの陽極端子部同士が互いに独立した状態で、平板状の弁作用金属基体の厚さ方向に積層されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、前記第２のコンデンサ素子は、該弁作用金属基体の表裏両面に形成された該陰極電極層が対向配置された部分を有し、この対向配置された陰極電極層と弁作用金属基体で挟まれた誘電体酸化被膜を含む領域において、伝送線路構造が形成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記請求項１または請求項２に記載の固体電解コンデンサの実装基板に対する接続構造において、前記第２のコンデンサ素子の一方の陽極端子部が、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、前記第２のコンデンサ素子の他方の陽極端子部が、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記第２のコンデンサ素子の陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されるとともに、前記第１のコンデンサコンデンサ素子の陽極端子部が、負荷回路部品に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、前記第１のコンデンサ素子の陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１のコンデンサ素子の陰極部領域に陽極端子部を設けることで、配置回路長を短くすることが可能となりＥＳＲが低減すると共に、ＥＳＬが互いに打ち消しあって低減される。また、複数の陽極端子部を設けることで電荷供給経路が増えることから、過渡応答性が改善され、一方では、伝送線路構造の第２のコンデンサ素子が電源導体層パターンの一部となることで、広帯域で高周波領域までの高周波電流の遮断を可能としている。

更に、本発明の固体電解コンデンサの実装基板への接続構造においては、電源ライン導体層と出力電源導体層は、前記固体電解コンデンサの伝送線路構造領域を通して接続されており、高周波ノイズ電流は電源系から遮断される。また、電荷供給経路数を多くした接続構造となるため、過渡応答性が良好である。

（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図面を参照して具体的に説明する。
本発明の固体電解コンデンサは、多数の陽極端子部を備えた第１のコンデンサ素子Ａと、伝送線路を形成する第２のコンデンサ素子Ｂとを積層して成るものであって、図１は、本発明の固体電解コンデンサを構成する第１のコンデンサ素子Ａの第１実施形態を示す断面図、図２はその実装基板への接続面側から見た平面図である。

図中、符号１は、平板状の弁作用金属基体であって、この弁作用金属基体１の下面（実装基板への接続面）には、誘電体酸化被膜４を形成すると共に、この誘電体酸化被膜４の表面に固体電解質５および導電性部材６からなる陰極電極層を順次設けて、陰極部ｂ１〜ｂｎ（図ではｎ＝５）が形成されている。

前記弁作用金属基体１における陰極部ｂ１〜ｂｎをなす領域の一部には、弁作用金属基体１と一体に形成され、その表面が陰極電極層と面位置に露出した複数の陽極端子部ａ１〜ａｎ（図の例ではｎ＝４）が形成されている。この場合、陽極端子部は、弁作用金属基体１本体と電気的に接続されていれば、弁作用金属基体１の一部を突出させて形成しても、別部材を接合して形成しても良い。また、陰極部ｂ１〜ｂｎの外周部（陽極端子部ａ１〜ａｎとの境界面）には、絶縁部材８が設けられている。

一方、前記弁作用金属基体１の上面（実装基板への接続面と反対側の面）には、誘電体酸化被膜１４を形成すると共に、この誘電体酸化被膜１４の表面に固体電解質１５および導電性部材１６からなる陰極電極層が設けられている。なお、図１においては、弁作用金属基体１の端部は、誘電体酸化被膜４，１４によって被覆されているが、絶縁部材で被覆することもできる。

この図１および図２の実施形態は、陰極部ｂ１〜ｂｎおよび陽極端子部ａ１〜ａｎを、矩形状をした弁作用金属基体１の長手方向に沿って交互に形成したが、これらの形状や数、配置箇所は、図１および図２に記載のものに限定されるものではない

例えば、図３に示すように、複数個の円形をした陽極端子部ａ１〜ａｎ（図４の例ではｎ＝４）と、これに対応して近接配置された複数の陰極部ｂ１〜ｂｎ（図４の例ではｎ＝４）を形成することもできる。また、図４に示すように、陽極端子部ａ１〜ａｎ（図の例ではｎ＝４）の形状を四角形として、誘電体酸化被膜４と陰極電極層部分の一方の縁に、一定の間隔で複数個配置することもできる。

次に、前記のような構成を有する第１のコンデンサ素子Ａに積層する第２のコンデンサ素子Ｂ（伝送線路形成用のコンデンサ素子Ｂ）を、図５を参照して説明する。

この第２のコンデンサ素子Ｂは、中心部の弁作用金属基体２１の両端部に外部に露出した陽極端子部ｃ１，ｃ２が設けられていると共に、この弁作用金属基体２１の両面にそれぞれ誘電体酸化被膜２４が形成され、この誘電体酸化被膜２４の表面に固体電解質２５および導電性部材２６からなる陰極電極層が順次設けられている。また、この誘電体酸化被膜２４や陰極電極層の周囲は、絶縁部材２８によって絶縁されている。

本実施形態の固体電解コンデンサは、図６に示すように、前記のような構成を有する第１のコンデンサ素子Ａにおける実装基板への接続面と反対側の面の上に、第２のコンデンサ素子をＢを積層したものである。この場合、第１と第２のコンデンサ素子Ａ，Ｂの陰極部は、本実施形態では２つの素子の導電性部材１６，２６間が導電性の接着剤２７などで接続されて共通にグランド導体層に接続されていてもよく、また両素子毎にグランドに接続されていてもよい。この第２のコンデンサ素子Ｂのグランド側（接地側）の端子部分を図中ｄ１で示す。

陽極端子部については、第１と第２のコンデンサ素子Ａ，Ｂ端子は独立しており、第１のコンデンサ素子Ａの陽極端子部ａ１〜ａｎは全て別々に出力電源導体層に接続され、第２のコンデンサ素子の一方の陽極端子部ｃ１は電源と接続され、他方の陽極端子部ｃ２は出力電源導体層に接続されている。

次に、前記のような構成を有する第１実施形態の固体電解コンデンサを実装基板に接続する構成について、図７を参照して説明する。すなわち、図７において、符号５１は実装基板であって、その片面に第１実施形態の固体電解コンデンサ５２が実装され、反対側の面にＩＣなどの負荷回路部品５３が実装されている。

実装基板５１には、電源５４に接続された電源ライン導体層５４ａ、この電源ライン導体層５４ａに接続された出力電源導体層５４ｂ、およびこれら電源ライン導体層５４ａと出力電源導体層５４ｂに形成されたコンデンサ陽極端子接続部５４ｃと負荷回路部品接続部５４ｄが設けられている。

このコンデンサ陽極端子接続部５４ｃは、第１のコンデンサ素子Ａの実装基板接続面に露出している陽極端子部ａ１〜ａｎと、第２のコンデンサ素子Ｂの陽極端子部ｃ１，ｃ２の位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。また、負荷回路部品接続部５４ｄは、負荷回路部品５３に設けられた複数の陽極接続端子の位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。

同様に、実装基板５１には、グランド（接地側）導体層５５ａが設けられ、このグランド導体層５５ａにもコンデンサ陰極部接続部５５ｃと負荷回路部品接続部５５ｄが設けられている。

このコンデンサ陰極端子接続部５５ｃは、第１のコンデンサ素子Ａの実装基板接続面に露出している複数の陰極部ｂ１〜ｂｎの位置に合わせて設けられた複数の端子を備えている。また、負荷回路部品接続部５５ｄは、第１のコンデンサ素子Ａ用及び第２のコンデンサ素子Ｂ用の２つの陰極接続端子の位置に合わせて設けられた２つの端子を備え、この２つの端子が同じく負荷回路部品５３に設けられた２つの陰極接続端子に接続されている。

次に、前記のような構成を有する第１実施形態の作用を、前記図１及び図５〜図９を参照して説明する。

前記図１の断面図に示すように、実装基板５１上に配置される第１のコンデンサ素子Ａは、その中心部に配置された平板状弁作用金属基体１の両側にそれぞれ誘電体酸化被膜４，１４と陰極電極層とが形成され、しかも、実装基板への接続面側には、複数個の陽極端子部ａ１〜ａｎとこれに対応する陰極部ｂ１〜ｂｎが形成されている。

従って、図７に示すように、各陽極端子部ａ１〜ａｎを電源ライン導体層５４ａから伸びるコンデンサ陽極端子接続部５４ｃに接続し、各陰極部ｂ１〜ｂｎをグランド導体層５５ａにおけるコンデンサ陰極部接続部５５ｃに接続すると、図８の電気回路図に示すように、第１のコンデンサ素子Ａと負荷回路部品５３との間に、複数個のコンデンサが並列に接続された状態となる。

一方、図７に示すように、前記第１のコンデンサ素子Ａの電源側において、第２のコンデンサ素子Ｂを、その陽極端子ｃ１，ｃ２を電源ライン導体層５４ａから伸びるコンデンサ陽極端子接続部５４ｃに接続し、陰極部ｄ１をグランド導体層５５ａにおけるコンデンサ陰極部接続部５５ｃに接続すると、図８の電気回路図に示すように、前記第１のコンデンサ素子ａによって形成された複数個のコンデンサの並列接続構造の電源側に、伝送線路が形成される。

この伝送線路は、第２のコンデンサ素子Ｂを示す図５において、丸で囲んだ部分に相当するものである。この部分は陽極端子部が形成されていない領域であり、弁作用金属基体２１の両面（２つの主面とも呼ばれる）に対して、両面ともに誘電体酸化被膜１４と陰極電極層が形成された構成となっている。この構成を伝送線路と呼び、ここを高周波電流が通るときのインピーダンスは特性インピーダンスと呼ばれる、周波数が変化しても一定値を取る特性を示す。

伝送線路は、図９に示す等価回路で示され、そのインピーダンスは、低周波数領域では集中定数回路となるのに対して、これが高周波領域では、分布定数回路（伝送線路）となり、Ｚ＝（Ｌ／Ｃ）^1/2と一定値を示す（図１０参照）。このため、高周波領域でのインピーダンス上昇も無く、非常に良い高周波電流遮断特性を示す。

なお、図９の等価回路は、個々の伝送線路ごとの等価回路を示すものであり、回路を多数組み併設しているのは、a)低周波で流れる場合を、１組の等価回路とみて、b)高周波になったときには、波長が短くなるので相対的に線路が長く見え、多数組の等価回路をいくつも連ねたように見える分布定数回路（特性インピーダンス一定）となるためである。

一方、電荷供給を充分な速さで行うための、過渡応答性の改善には、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）の低減が重要である。ＥＳＬ低減のポイントは次のようなことである。
(1) 電流経路（配線長）を短くすること。
(2) 電流経路を流れる電流により形成される磁場を、別の電流経路を流れる電流により形成される磁場で相殺すること。
(3) 電流経路をｎ個に分割して、実質的にＥＳＬを１／ｎとする。

これに対して、第１実施形態においては、次のような理由から、過渡応答性としては非常に良好な特性が得られる。
(a) 陽極端子部と陰極部が同一面から取り出され（下面：実装基板への接続面）ており、配線経路は短くなし得る。
(b) 陽極と陰極が近傍に交互配置されており、ＥＳＬが相殺される構造である。
(c) 電流経路が、任意に増やせる構成であり、ＥＳＬ低減ができる。

以上の通り、本実施形態によれば、第１のコンデンサ素子Ａは、その陽極端子一つ一つに対応して電荷供給コンデンサとしての役割を担っている。すなわち、伝送線路を構成する第２のコンデンサ素子Ｂを電源側に接続し、電源とは接続されず、負荷回路との間で電荷の出し入れを行う過渡応答改善のための第１のコンデンサ素子Ａを組み合わせた結果、低ＥＳＲ、低ＥＳＬ化による過渡応答性の改善と、高周波領域までの低インピーダンス化による高周波電流の遮断が可能となる。

（２）他の実施形態
本発明は前記のような実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態を包含するものである。

(1) 第１のコンデンサ素子Ａは、複数個の電荷供給コンデンサを形成する役割を担っているため、実装基板側に設けられた陰極部と陽極端子部があれば機能する。そのため、図１のように、弁作用金属基体１の反対面に陰極部を設ける必要はない。ただし、第２のコンデンサとの接続実施可能性の点や、容量の点からは、弁作用金属基体の反対側にも陰極部があったほうが有利である。

(2) 陽極端子部を備えた第１のコンデンサ素子Ａに対して、伝送線路を構成する第２のコンデンサ素子Ｂを複数後積層し、実装基板への装着時において第１のコンデンサ素子Ａの電源側に複数個接続することも可能である。

本発明における第１のコンデンサ素子Ａの一例を示す断面図。 図１の第１のコンデンサ素子Ａの実装基板接続面側の平面図。 本発明の第１のコンデンサ素子Ａの変形例における実装基板接続面側の平面図。 本発明の第１のコンデンサ素子Ａの他の変形例における実装基板接続面側の平面図。 本発明における第２のコンデンサ素子Ｂの断面図。 本発明の第１実施形態の固体電解コンデンサの断面図。 図６の固体コンデンサを実装基板へ接続した構造を示す断面図。 図７の実装基板への接続構造における電気回路図。 本発明における伝送線路の等価回路を示す回路図。 伝送線路のインピーダンス特性を示すグラフ。

符号の説明

Ａ…第１のコンデンサ素子
Ｂ…第２のコンデンサ素子
ａ１〜ａｎ…第２のコンデンサ素子の陽極端子部
ｂ１〜ｂｎ…陰極部
ｃ１，ｃ２…第１のコンデンサ素子の陽極端子部
１…弁作用金属基体
４，１４…誘電体酸化被膜
５，１５…固体電解質
６，１６…導電性部材
８，１８…絶縁部材
２０…陰極部
５１…実装基板
５２…固体電解コンデンサ
５３…負荷回路部品
５４…電源
５４ａ電源ライン導体層
５４ｂ…出力電源層
５４ｃ…コンデンサ陽極端子接続部
５４ｄ…負荷回路部品接続部
５５ａ…グランド（接地側）導体層
５５ｃ…コンデンサ陰極端子接続部
５５ｄ…負荷回路部品接続部

Claims (3)

1. 平板状の弁作用金属基体における実装基板との接続面に、誘電体酸化被膜とこの誘電体酸化被膜上に固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層を順次設けた陰極部が形成され、この陰極部の領域内には前記弁作用金属基体の接続された複数の陽極端子部が形成された第１のコンデンサ素子と、
   平板状の弁作用金属基体に一対の陽極端子部が形成され、前記弁作用金属基体の両面にそれぞれ誘電体酸化被膜と、この誘電体酸化被膜上に固体電解質と導電性部材からなる陰極電極層を順次設けた陰極部を形成してなる第２のコンデンサ素子とを備え、
   これら第１と第２のコンデンサ素子が、第１と第２のコンデンサの陽極端子部同士が互いに独立した状態で、平板状の弁作用金属基体の厚さ方向に積層されていることを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記第２のコンデンサ素子は、該弁作用金属基体の表裏両面に形成された該陰極電極層が対向配置された部分を有し、この対向配置された陰極電極層と弁作用金属基体で挟まれた誘電体酸化被膜を含む領域において、伝送線路構造が形成されてい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. 前記請求項１または請求項２に記載の固体電解コンデンサの実装基板に対する接続構造において、
   前記第２のコンデンサ素子の一方の陽極端子部が、電源に接続可能な実装基板の電源ライン導体層に電気的に接続され、
   前記第２のコンデンサ素子の他方の陽極端子部が、負荷回路に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、
   前記第２のコンデンサ素子の陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されるとともに、
   前記第１のコンデンサコンデンサ素子の陽極端子部が、負荷回路部品に接続可能な実装基板の出力電源導体層に電気的に接続され、
   前記第１のコンデンサ素子の陰極電極層が、実装基板のグランド導体層に電気的に接続されていることを特徴とする固体電解コンデンサの実装基板への接続構造。