JP4607171B2

JP4607171B2 - 固体電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4607171B2
Application number: JP2007330414A
Authority: JP
Inventors: 伸二中村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2019-12-14
Also published as: JP2008135764A

Description

本発明は、たとえば固体電解コンデンサなどに内蔵するヒューズを金属粉末の焼結体により構成した固体電解コンデンサに関する。さらに詳しくは、たとえばハンダ実装温度より高く、固体電解コンデンサなど保護する素子の耐熱温度より低い温度でも溶断し得るヒューズを焼結体ヒューズにより形成して内蔵した固体電解コンデンサに関する。

従来の固体電解コンデンサは、タンタル粉末などの弁作用金属粉末の焼結体であるコンデンサ素子の陽極と陰極がそれぞれ外部リードと電気的に接続され、その周囲が樹脂製パッケージにより被覆されることにより形成されている。そして、たとえば陰極側に、コンデンサ素子の陰極と外部リードとの間にヒューズを介在させることにより、回路の異常などによりコンデンサ素子が発熱し、コンデンサ素子の温度が上昇しすぎてショート状態となっても、回路の他の部品への悪影響を防止することができる構造になっている。

たとえばタンタルコンデンサの場合、タンタル粉末の焼結体からなるコンデンサ素子は６００℃程度で焼損する。そのため、それより低い温度で回路を遮断する必要がある。一方、この種の固体電解コンデンサなどは、一般にハンダリフローまたはハンダフローなどにより回路基板などに実装される。この実装温度は、２３０〜２６０℃程度であるため、ヒューズはそれより高い温度に耐える必要がある。このような観点から、従来は、ヒューズの材料として、Ｓｎ-Ｐｂ合金（Ｓｎ１：Ｐｂ９にＡｇを若干含む）が用いられ、３００℃程度で溶断するようにされている。

前述のように、３００℃程度で溶断するヒューズとしては、一般にＰｂを合金化させた材料が用いられている。しかし、Ｐｂは重金属であり、今日の環境汚染防止の観点からＰｂの使用を禁止する方向にある。このＰｂを使用しないで、同程度の融点を有する材料はなく、３００℃程度の温度で溶融する代替品の開発が急務になっている。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、有害なＰｂを使用しないで、従来と同程度の温度で溶断するヒューズを内蔵した固体電解コンデンサを提供することを目的とする。

本発明者は、前述のようにＰｂを使用することなく３００℃程度の低い温度で溶融し、従来のヒューズに代用することができる材料を得るため、鋭意検討を重ねた結果、金属を微粉末にして焼結することにより、その金属本来の融点より１／３以下程度の温度で溶融することを見出した。たとえばタンタルの１〜３μｍ程度の粉末を真空焼結し、熱天秤により温度を加えたときの材料変化を調べると、タンタルの本来の融点は３０００℃程度であるのに対して、６００〜８００℃程度で溶融することを見出し、融点の適度に低いＰｂを使用しなくても、ヒューズ材料として使用し得ることを見出した。

本発明による固体電解コンデンサは、陽極リードおよび外周面に形成された陰極を有するコンデンサ素子と、前記陽極リードおよび陰極がそれぞれ電気的に接続される第１および第２の外部リードと、前記陽極リードと第１の外部リードまたは前記陰極と第２の外部リードとの電気的接続の一方に介在されるヒューズと、該コンデンサ素子の周囲を被覆するパッケージとからなり、前記ヒューズがＰｂ以外の金属粉末の焼結体により２６０〜３５０℃で溶断するようにワイヤ状に形成された焼結体ヒューズであり、前記焼結体ヒューズの空孔率は３０〜５０％であることを特徴とする。

ここに金属微粉末とは、粒径が数μｍ程度の粉末をいい、それより大きい粒径や小さい粒径の粉末が多少含まれているものも含む意味である。

この構造にすることにより、たとえば銅粉末を焼結することにより３００℃程度で溶融する材料が得られ、０.１ｍｍφ程度のワイヤ状にすることにより、従来のＰｂを主成分としたヒューズの代りに使用することができる。なお、この焼結の際の条件により、粉末間の密着状態が変化し、溶融温度が変ってくる。たとえば焼結条件を高温度で行うと、粉末間の密着性が強くなり、金属単体の本来の性質に近づく方向になり、溶融温度が高くなる。また、焼結温度が低いと、充分に焼結が進まず、微粉末による溶融温度低下の効果が大きく、しかも微粉末間の接触抵抗値が増大し、過電流による加熱効果も生じ溶融しやすくなる。

前記焼結体ヒューズには、前記金属粉末の比抵抗より大きい比抵抗を有する金属が添加されていることが好ましい。

本発明によれば、従来ＰｂとＳｎとの合金により形成されたヒューズが用いられていたものが、有害なＰｂを使用しなくても同等の機能を果たすヒューズを金属粉末の焼結体により得ることができ、そのヒューズを固体電解コンデンサ内に内蔵しているため、社会の環境改善に非常に大きく寄与する。また、本発明によれば、その金属材料および焼結条件を選定することにより、その溶融温度を制御することができ、目的に応じたヒューズを得やすい。

さらに、本発明の固体電解コンデンサによれば、Ｐｂを使用しないヒューズを内蔵しながら、コンデンサ素子の焼損温度より低く、固体電解コンデンサを実装するハンダ付け温度より高い温度で溶断して、コンデンサ素子の過熱に伴う焼損に起因したショートなどによる回路内の他の部品への影響をなくすることができる。

つぎに、本発明による焼結体ヒューズおよびそれを用いた固体電解コンデンサについて説明をする。本発明による固体電解コンデンサは、コンデンサに内蔵するヒューズとして、金属粉末の焼結体によりワイヤ状または板状に形成された焼結体ヒューズが用いられている。

前述のように、本発明者は、Ｐｂを使用しないで、従来の２６０〜３５０℃程度で溶融する材料を得るため、鋭意検討を重ねた結果、金属粉末を焼結体にすることにより、その溶融温度が本来の金属単体の融点より１／３程度以下に低下し、低い温度で溶融し切断することを見出した。しかも、この溶断する温度は、焼結体の焼結温度、焼結時間などにより多少変化し、ある程度は焼結条件により溶融する温度を調整し得ることを見出した。

金属粉末としては、数μｍ程度の粒径を有するものが溶融温度を下げるのに好ましい。すなわち、結晶サイズが小さくなると、表面エネルギーが大きくなるため、活性な状態となり、低い温度で溶融する。しかし、余り粒径が小さすぎて、粉末同士が相互にくっつきすぎると表面積を大きくすることができず、溶融温度を下げるのに寄与しない。そのため、数μｍ程度の粒径の粉末が軽く接触する程度に焼結されることにより、表面積が大きくなり、溶融温度を下げる効果が生じる。この焼結状態により多少溶融する温度が変るが、金属そのものの融点に対して低下するため、融点の高い金属粉末の焼結体であれば高い温度で、融点の低い金属粉末であればその１／３程度の低い温度でそれぞれ溶融する。すなわち、所望の溶融温度に対して、金属粉末を選択することができる。

たとえば、Ｃｕの融点は１０８３℃、Ａｇの融点は９６２℃、Ａｕの融点は１０６４℃であり、これらの粉末を使用することにより、３００℃程度で溶断するヒューズを構成することができる。また、Ａｌの融点は６６０℃であるが、粉末の粒径を大きくして、または焼結状態を強くすることにより、微粒子により低下する溶融温度とバルクによる融点の中間的な温度で溶融させることができ、やはり３００℃程度で溶融するヒューズを形成することができた。

焼結体ワイヤを形成するには、金属粉末を焼結して円柱状のバルクにし、これをダイスを通して引っ張ることにより、細いワイヤ状にする。それを再度熱処理して所定の温度で溶融するようにする。この熱処理の条件は、用いられる金属により異なるが、一般的には金属融点の１／２〜１／３程度の温度で行うことにより、通常の焼結体が得られるが、この条件を変えることにより、ある程度焼結体の溶融温度を変えることができる。ワイヤでなく、板状にするには、板状に成形して（薄い箱型の凹部内に粉末を充填して）焼結することにより同様に板状の焼結ヒューズが得られる。または、バルク状の焼結体を製造し、その焼結体を機械加工してワイヤ状または板状に形成してもよい。ワイヤの太さや板状の厚さ、大きさなどは、その目的に応じて所望の溶融特性になるように形成される。

本発明の固体電解コンデンサに用いる焼結体ヒューズによれば、金属粉末にすることにより溶融温度がバルク金属より下がることを利用して、焼結体によりヒューズを構成しているため、環境を害するＰｂなどを使用することなく、所望の温度で溶融するヒューズを構成することができる。その結果、環境にやさしく、比較的低温で溶断することができる焼結体によるヒューズが得られる。

前述の例では、温度のみにより溶断するヒューズの観点でバルク金属の融点のみを考慮した金属粉末の焼結体ヒューズとしたが、電流経路に直接挿入されるヒューズに対しては、その過電流による過熱温度により溶融するように形成する必要がある。この場合、ヒューズ自身で温度を上昇させる必要があり、ジュール熱を発生する材料である必要がある。すなわち、比抵抗がある程度大きいものを使用する必要がある。その点からは、前述のＣｕは比抵抗が１.７（１０^-8Ω・ｍ、以下この単位を省略するがみな同じ）、Ａｇは１.６、Ａｕは２.２と、Ｓｎの１２、Ｐｂの２１に比して、相当小さい。そのため、電流による溶断を意図するのであれば、この比抵抗を考慮する必要がある。

この場合、焼結体にすることにより、粉末間の空隙部があり、同じ太さのヒューズに対して、電流の流れる部分の断面積が小さくなり、その分ヒューズとしての抵抗を稼げる。しかし、焼結体の空孔率はせいぜい３０〜５０％程度であり、比抵抗を２倍程度に上げる効果しかなく、さらに比抵抗を稼ぐためには、比抵抗の大きい金属粉末を混入させることが好ましい。たとえばＺｒの比抵抗は４４であり、これ自身は融点が高く、直接は溶断に至らないが、その発熱を隣接する大部分のＣｕ粉末などに伝熱することにより、溶断させ、ヒューズとして機能させることができる。もちろん、焼結条件を制御し、その空孔率により抵抗率を調整することもできる。なお、使用し得る金属の融点および比抵抗を表１にまとめる。この表１から、融点および比抵抗の適した金属粉末を選定し、または混合して用いることができる。

つぎに、前述の粒径が数μｍ程度のＣｕ粉末を空孔率が４０％程度になるように焼結した、０.１ｍｍφ程度の太さのワイヤをヒューズとして内蔵したタンタル電解コンデンサについて説明をする。

図１に、この焼結体ヒューズを用いた本発明の一実施形態である固体電解コンデンサの断面説明図が示されるように、弁作用金属の焼結体の一壁面からその焼結体内に陽極リード１１の一端部が埋め込まれて形成される陽極および焼結体の側壁に形成される陰極１２を有するようにコンデンサ素子１が形成されている。そして、陽極リード１１が板状の第１の外部リード２と溶接され、陰極１２が板状の第２の外部リード３と、前述の焼結体ヒューズ４を介して電気的に接続されている。この、コンデンサ素子１の周囲および前記第１および第２の外部リード２、３との接続部がパッケージ５により被覆されている。

コンデンサ素子１などは従来のコンデンサ素子と同じ構造で、タンタル、アルミニウム、ニオブなどの弁作用金属の粉末が直方体または立方体形状に成形されると共に、その一壁面に陽極リード１１が埋め込まれて焼結され、陽極酸化により粉末の周囲に、たとえばＴａ₂Ｏ₅などの酸化皮膜が形成され、焼結体の外周に二酸化マンガン層、グラファイト層、銀層などが形成されて陰極１２が形成されている。焼結体の大きさは種類によって異なるが、たとえば０.３ｍｍ立方程度から数ｍｍ立方程度の大きさに成形される。また、外部リード２、３は、４２合金、Ｎｉ、Ｃｕなどの板材を打ち抜いたリードフレームから形成されている。

この固体電解コンデンサを製造するには、たとえばタンタル粉末を前述の構造に成形すると共にその一壁面に、たとえば太さが０.２ｍｍφ程度のタンタル線を埋め込んで真空中で焼結することにより、陽極リード１１が一壁面に埋め込まれた焼結体を形成する。そして、陽極リード１１の付け根部分にテフロンリング１３を被せ、このコンデンサ素子の陽極リード１１の先端部を、たとえばステンレス板で形成したステンレスバーに数十個程度溶接する。

ついで、ステンレスバーに溶接された分をまとめて、たとえばリン酸水溶液中に浸漬し、陽極リード１１を陽極として陽極酸化をすることにより、タンタル粉末の周囲にＴａ₂Ｏ₅からなる酸化物皮膜を形成する（化成処理）。その後、硝酸マンガン水溶液中に浸漬し、二酸化マンガン層（図示せず）を焼結体の内部およびその外周面に形成すると共に、前述の酸化皮膜の形成工程を数回繰り返す再化成処理を行う。さらにその外表面（焼結体の外周）にグラファイト層（図示せず）を形成し、さらにその外表面に銀層（図示せず）を形成することにより、その表面が陰極１２とされたコンデンサ素子１を形成する。

このコンデンサ素子１の陽極リード１１を、リードフレームに形成された第１の外部リード２に抵抗溶接し、また、陰極１２を、リードフレームの第２の外部リード３に前述の焼結体からなるヒューズ４を介して熱圧着などにより電気的に接続する。この際、ヒューズを接着する際に、熱圧着の時間、圧力などに注意することが接着の際の切断を防止する点から好ましい。また、この焼結体ヒューズ４は、その溶断温度がコンデンサ素子１の焼損温度（６００℃程度）より低く、実装時のハンダ付温度（２３０〜２６０℃程度）より高い温度になるように、その材料および焼結条件などの設定により形成される。

このコンデンサ素子１が溶接されたリードフレームをモールド金型内にセッティングする。ついで、モールド金型の空洞内にモールド用樹脂を充填することにより、コンデンサ素子１の周囲および外部リード２、３との接続部がモールド用樹脂により被覆されてパッケージ５が形成される。リードフレームから各リードを切断分離し、フォーミングすることにより、図１に示される固体電解コンデンサが得られる。

前述の例は、ワイヤ状の焼結体ヒューズをコンデンサ素子１の陰極１２と第２の外部リードとの間に接続した例であるが、図２に示されるように、コンデンサ素子１の陰極１２と第２の外部リード３との間に板状ヒューズ４を介在させ、そのヒューズ４上に位置する第２の外部リード部分に貫通孔を設けて純度の高いケイ砂（ＳｉＯ₂）のような消弧剤６が設けられたものである。このような構造にすることにより、コンデンサ素子１の温度上昇により板状ヒューズ４が溶融すると、消弧剤６に吸収されて外部リード３とコンデンサ素子１の外周との間に空隙部が形成され、両者の間が電気的に分離される。このような板状のヒューズとして使用する場合にも、同様に温度により溶断するヒューズとして作用する。

さらに前述の各例では、ヒューズがコンデンサ素子の陰極と第２の外部リードとの間に挿入されていたが、陽極リードと第１の外部リードとの間に挿入される場合でも同様である。

本発明の一実施形態である焼結体ヒューズを用いた固体電解コンデンサの例を示す断面説明図である。本発明の他の実施形態である焼結体ヒューズを用いた固体電解コンデンサの例を示す断面説明図である。

符号の説明

１コンデンサ素子
２第１の外部リード
３第２の外部リード
４焼結体ヒューズ
５パッケージ
１１陽極リード
１２陰極

Claims

陽極リードおよび外周面に形成された陰極を有するコンデンサ素子と、前記陽極リードおよび陰極がそれぞれ電気的に接続される第１および第２の外部リードと、前記陽極リードと第１の外部リードまたは前記陰極と第２の外部リードとの電気的接続の一方に介在されるヒューズと、該コンデンサ素子の周囲を被覆するパッケージとからなり、前記ヒューズがＰｂ以外の金属粉末の焼結体により２６０〜３５０℃で溶断するようにワイヤ状に形成された焼結体ヒューズであり、前記焼結体ヒューズの空孔率は３０〜５０％であることを特徴とする固体電解コンデンサ。
前記焼結体ヒューズには、前記金属粉末の比抵抗より大きい比抵抗を有する金属が添加されていることを特徴とする請求項１記載の固体電解コンデンサ。