JP3668255B2 - Method for producing electrode foil for electrolytic capacitor - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、電解コンデンサ用電極箔の製造方法に関する。更に詳しくは、電解コンデンサの小型大容量化に寄与する陰極箔の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電解コンデンサ用電極としては、一般にアルミニウム箔にエッチングを施して表面積を拡大したものが用いられている。電極の表面積を拡大することは、コンデンサの静電容量を増加させるために必須であり、小型大容量化への要求から更に電極の表面積を拡大することが求められている。しかしエッチングによるアルミニウム箔の表面積拡大は、アルミニウム箔の強度の低下などから限界に近付いている。
【0003】
これに対して特開昭56−29669号公報では、30度以上、好ましくは80〜85度の入射角で基体にアルミニウムやタンタルなどの弁金属の蒸気を入射させて多孔質金属膜を作成し、表面積が拡大した電解コンデンサ電極箔を得ることが提案されている。また特開昭59−167009号公報では、アルミニウム箔などの基体上にアルミニウム、タンタル、チタン、ニオブ、ジルコニウムなどの弁金属をアルゴンなどの不活性ガス中で蒸着して多孔質膜を形成し、電極の表面積を拡大すると共に誘電率を増加させることが提案されている。
【0004】
これらの技術は電解コンデンサの見掛けの単位面積当たりの静電容量の増加に大きな効果がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの技術には未だ以下のような課題があった。
【0006】
(1)充分な表面積拡大効果を得るためには該弁金属膜の厚みを1〜20μmと大きくする必要があり、生産性の点で問題があったほか、アルミニウム以外の弁金属は高融点材料であるため上記のような比較的厚い膜を形成しようとすると、蒸着時に基体が熱ダメ−ジを受けて平坦性が損なわれやすい。
【0007】
(2)弁金属を不活性ガス中で蒸着する方法では真空槽内の圧力を高くしたほうが同じ膜厚でも大きな表面積すなわち大きな静電容量が得られるが、一方、真空槽内の圧力を高くすると膜付着速度が減少していく問題がある。特に直進型電子ビ−ムガンを使うような大型生産機においては蒸発源と基体とをあまり近くできないので、真空槽内の圧力上昇に伴う膜付着速度の減少は著しく、大幅な生産性の低下をきたす。
【0008】
(3)不活性ガス中で蒸着し、表面積をある程度以上に拡大した多孔質金属膜は、コンデンサ化した際、特に高温雰囲気下では電解液との反応で生成した水和物や酸化物によって微細孔が塞がれて容易に表面積の減少すなわち静電容量の減少をきたしやすい。
【0009】
本発明は上記のごとき従来技術の諸欠点に鑑み創案されたもので、その目的とするところは、特性の安定性に優れ、静電容量の増加に効果が大きくかつ製造時の熱ダメ−ジの恐れがなく生産性に優れた電解コンデンサ用電極箔を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は以下の構成により達成される。
【0011】
すなわち、基体の少なくとも片面に金属薄膜を真空蒸着法によって形成して、o−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた電解液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量Aとホウ酸アンモニウムの10%水溶液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量Bとの比A/Bが0.3から0.8の範囲にある電解コンデンサ用電極箔を製造する方法であって、基体を円筒状のドラムに沿って走行させ、開口部を有するマスクを介してドラムとは反対側に蒸着源を配置し、金属蒸着を基体に入射するに際し、初期入射角、即ち蒸着源の中心と、基体走行方向に対しマスク開口部の上流側にある端を結ぶ直線が基体に入射する点で基体面に法線を立て、その法線と先に結んだ直線がなす角度、を0〜90度、最終入射角、即ち蒸着源の中心と、基体走行方向に対しマスク開口部の下流側にある端を結ぶ直線が基体に入射する点で基体面に法線を立て、その法線と先に結んだ直線がなす角度、を−90〜−45度とし、蒸着源近傍もしくは蒸着源と蒸気の基体への入射領域との間に設けたノズルから、金属蒸気の入射方向と同じ方向に向けて不活性ガスを供給することを特徴とする電解コンデンサ用電極箔の製造方法である。
【0012】
本発明で使用される基体としては、アルミニウム箔の他、アルミニウム合金箔やアルミニウム以外の金属箔、プラスチックフィルム、紙なども用いることができるが、漏れ電流が小さい点や機械的強度が高い点から、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔またはプラスチックフィルムの採用が好ましい。これらの金属箔には、表面積を増やす点ではエッチングやサンドブラストなどにより粗面化処理が施されていることが好ましく、工程を省略して生産性を上げる点では製造された状態の平坦なままであることが好ましい。該金属箔の厚さは、機械的強度と占有体積の関係から5〜100μmの範囲が好ましい。
【0013】
該プラスチックフィルムのプラスチックとしてはポリエチレンテレフタレ−ト、ポリカ−ボネ−トなどのポリエステル類、ポリプロピレンなどのポリオレフィン類、ポリフェニレンスルフィドなどのポリアリレンスルフィド類、ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリエ−テルケトン類およびポリイミド類などが挙げられるが、電気的特性や価格の点でポリエチレンテレフタレ−トまたはポリプロピレンが好ましい。機械的安定性や強度の点で、これらのプラスチックは二軸延伸されてフィルム化されていることが好ましい。該プラスチックフィルムの厚さは、機械的強度と占有体積の関係から1〜50μmの範囲が好ましい。
【0014】
本発明の金属薄膜が、プラスチックフィルムなどの非導電性基体の片面にだけ形成される場合は、これらの膜が形成される方とは反対の面が金属化されている必要がある。プラスチックフィルムの金属化は蒸着やスパッタによる金属膜の形成でなされる。該金属膜は導電性が高いほど誘電損失が小さくなり好ましいので、アルミニウム膜または亜鉛膜であることが好ましい。また該金属膜の厚さは、厚いほど導電性が良好になり一方薄いほどセルフヒ−リングしやすいので、0.03〜0.15μmの範囲が好ましい。該非導電性基体は金属化に先立ち、熱処理や各種洗浄処理による易接着化処理などの前処理が行われても良い。チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウムなどは導電性が高くないので、これらの金属または合金膜が非導電性基体上に形成される場合は、予め該非導電性基体が金属化されていることが誘電損失を小さくできる点で好ましい。
【0015】
本発明で言う金属薄膜はアルミニウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウムなどのいわゆる弁金属の一群から選ばれた少なくとも一つの金属またはこれらの合金からなることが好ましいが、コバルト、クロム、ニクロム、銀、銅、鉄、亜鉛などの金属やこれらの合金も採用可能である。チタンは、静電容量の増加に効果が大きく好ましい。該金属または合金薄膜の純度は漏れ電流を小さくするために99.8%以上、さらに好ましくは99.9%以上であることが望ましい。
【0016】
該金属薄膜には特性を損なわない範囲で、酸素、窒素、炭素、水素などが含まれていても良い。
【0017】
基体の熱ダメージを抑制するため、低コスト化を図るために、該金属薄膜の膜厚は薄い方が良く、一方、本発明のA/Bの値を0.3から0.8の範囲にするためや静電容量を増大させるためには膜厚が厚い方が良いので、0.05〜0.5μmの範囲、特に0.2〜0.4μmの範囲から選ばれることが更に好ましい。
【0018】
該金属薄膜の形成には、高速に薄膜形成ができる点で、真空蒸着法を採用する。
【0019】
真空蒸着においては、該金属薄膜の静電容量を大きくするために金属蒸着が基体へ入射する領域に不活性ガスを差し向ける。該不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、クリプトン、ヘリウムなどの希ガスのほか、炭化水素、窒素や水素も採用することができ、またこれらの混合ガスも採用することができる。炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレンなどをあげることができる。本発明の電解コンデンサ用電極箔を得るためには、金属薄膜を構成する元素とほとんど反応せず、かつ分子半径が大きいガスが効果が大きいので、中でもアルゴン、クリプトンの採用が好ましい。
【0020】
本発明の電解コンデンサ用電極箔は、基体の少なくとも片面に金属薄膜を形成した電解コンデンサ用電極箔であって、o−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた電解液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量Aとホウ酸アンモニウムの10%水溶液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量Bとの比A/Bが0.3から0.8の範囲ににあることが重要である。上記電解液の調製は重量濃度でおこなう。なお、o−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた電解液には、吸湿による1%以下の水が含まれることは許容される。
【0021】
A/Bが0.3未満であると、電解コンデンサの高温下稼働時の静電容量の低下が大きくなる。すなわち、電解コンデンサの耐熱性が不良である。一方、A/Bが0.8を越える金属薄膜を作ろうとすると、金属薄膜の構造があまり微細でないために所定の静電容量を得るためには金属薄膜を厚くしなければならない。すなわち、生産性が低下するとともに蒸着時に基体が熱ダメ−ジを受けて平坦性が損なわれやすい。電解コンデンサの耐熱性と生産性および熱ダメ−ジの点から、A/Bは0.35から0.7の範囲にあることがさらに好ましい。
【0022】
静電容量が小さい電解コンデンサ用電極箔はA/Bの値を大きくしやすいが、一方、小型大容量の電解コンデンサを得るためには、電解コンデンサ用電極箔はある程度以上の静電容量を持っていなくてはならない。A/Bの値が0.3から0.8の範囲にあり、かつ静電容量Aが200μF/cm2 以上であることが好ましい。静電容量Aが200μF/cm2 以上の電解コンデンサ用電極箔を用いて作製した電解コンデンサは小型大容量化が進むものの高温下での使用で静電容量の低下が大きくなりやすく、本発明は特に有効である。静電容量Aが300μF/cm2 以上であることがさらに好ましい。
【0023】
本発明の電解コンデンサ用電極箔を得るためには、真空蒸着において金属蒸気は特定の初期入射角と最終入射角をもって基体に入射させることが好ましい。
【0024】
以下、図2を用いて蒸気の基体への入射角について説明する。
【0025】
蒸発源の中心5とマスク3の基体走行方向下流端10を結ぶ直線11がドラム(基体)に入射する点12でドラム面に法線13を立てる。法線13と直線11がなす角βが初期入射角である。マスク3、ドラム1および蒸発源2の位置関係によって、初期入射角はドラム面に立てた法線に対して基体走行方向の上流側である場合と下流側である場合がある。入射角の正負については、該法線13と該直線11がなす角が、基体走行方向上流側にくる場合を負値とし、下流側にくる場合を正値とする。蒸発源の中心5とマスク4の基体走行方向上流端6を結ぶ直線7がドラムに入射する点8でドラム面に法線9を立てる。法線9と直線7がなす角αが最終入射角である。マスク4、ドラム1および蒸発源2の位置関係によって、最終入射角も負値である場合と正値である場合とがある。
【0026】
本発明のA/Bの値が0.3から0.8の範囲にある電解コンデンサ用電極箔を得るために、初期入射角が0〜90度でありかつ最終入射角が−90〜−45度の組合せを用いる。また、蒸気の基体への入射領域は、差し向けられる不活性ガスを有効に滞留させるために、マスク3の基体走行方向下流端10とマスク4の基体走行方向上流端6の間の開口部を除いて略密閉構造であることが好ましい。すなわち蒸気の基体への入射領域は、マスク3および4で下方が遮断され、ドラム1で上方が遮断され、更に図2には示されていないマスクとドラムの間を塞ぐ隔壁で側面が遮断されていることが好ましい。
【0027】
本発明の電解コンデンサ用電極箔の製造方法の一例を図1を参照して以下に示すがこれに限定されるものではない。
【0028】
図1は、長尺基体走行系を備えた真空蒸着装置の概略図である。真空槽14内に巻出し軸15、円筒状の冷却ドラム16、巻取り軸17から成る長尺基体走行系が設置されている。該基体走行系に所定厚みのアルミニウム箔基体18を設置する。真空槽14は、巻出し軸、巻取り軸が収められた上槽19と蒸発源21が収められた下槽20とに隔壁22、23およびマスク24、25で分離されており、排気口26および27よりそれぞれ真空排気される。基体走行方向上流側のマスク24および基体走行方向下流側のマスク25は蒸発源からの蒸気の基体への初期入射角および最終入射角が所定の角度になるよう設置される。下槽内を5×10-5Torr以下に排気し、バルブ33を開き蒸発源近傍に設置されたノズル34を通して隔壁22、23、マスク24、25および冷却ドラム16に囲まれた蒸気入射領域へアルゴンガスを差し向け、下槽内圧力を所定の圧力に調整する。蒸発源は電子ビ−ム加熱器で、チタンのインゴット30が充填されている。基体を走行させつつ、チタンのインゴットを溶融蒸発させて、基体上に所定の付着速度で所定の厚さのチタン薄膜を付着させる。同様にして基体のもう一方の面にもチタン薄膜を付着させる。
【0029】
金属の蒸発源としては誘導加熱器、抵抗加熱器、レ−ザ−加熱器なども採用できるが、高速に高融点金属を蒸発させるために電子ビ−ム加熱器を採用することが好ましい。これらの蒸発源と基体の間に高周波電力を放射するなどしてイオンプレ−ティングを行うことは適宜許される。またこれらの蒸発源はドラムの真下にある必要はなく、材料使用効率などの点から好適な位置を適宜選んで良い。
【0030】
本発明の電解コンデンサ用電極箔を得るために、蒸発源近傍もしくは蒸発源と蒸気の基体への入射領域との間に設けたノズル34から蒸気の基体への入射領域に向けて不活性ガスを差し向ける。蒸発源からの蒸気流は一般に蒸発源の真上で高濃度であり、真上から離れるにつれ急激に濃度が低下する。つまり蒸発源の真上で薄膜の生成速度が大きく、真上から離れるにつれ急激に生成速度が低下する。ノズルを蒸発源近傍もしくは蒸発源と蒸気の基体への入射領域との間に設け、不活性ガスを蒸気の濃度分布に近付けた分布で蒸気の基体への入射領域に供給することにより、図1に示されたノズル29や32などのように蒸気の入射方向とは異なる方向から不活性ガスを供給した場合に比べて、金属薄膜の深さ方向の微細構造がより均一になり、ひいてはA/Bの値を0.3から0.8の範囲に制御する効果がある。ノズルは、蒸発源近傍に設置することが蒸気流と不活性ガスの濃度分布をより近づけることができ、より好ましい。このときノズルから噴出するガスに強い方向性を持たせるために、ノズルの長さがノズル径の5倍以上であることが好ましい。該ノズルはドラム幅方向に複数個設けられることが形成される金属薄膜の幅方向の均一性を向上させるために好ましい。
【0031】
本発明の電解コンデンサ用電極箔を得るためには、下槽内圧力を4×10-4Torrから1×10-2Torrの範囲に設定することが好ましい。下槽内圧力が1×10-2Torrを越えると得られる金属薄膜の構造が微細になりすぎてA/Bの値が0.3未満になる。下槽内圧力が4×10-4Torr以下では、A/Bの値は0.3から0.8の範囲にあるものの金属薄膜の単位面積当りの静電容量Aを200μF/cm2 以上に大きくできず、生産性や電解コンデンサの小型化の点で好ましくない。
【0032】
窒素ガスや酸素ガスを下槽に導入しつつ金属薄膜を形成すると、静電容量を特に大きくできる利点があるが、A/Bの値が0.3未満になりやすい。窒素ガスや酸素ガスを下槽に導入しつつ形成した金属薄膜を大気中、100℃から200℃で30分から5時間程度の間、熱処理することは、A/Bの値を大きくし0.3から0.8の範囲にするために好ましい。熱処理は窒素ガスや酸素ガスを下槽に導入しつつ金属薄膜を形成した場合だけでなく、一般にA/Bの値を大きくする効果があるが、一方、金属薄膜の静電容量を低下させる。
【0033】
金属薄膜の形成に先立って、基体と金属薄膜との接着力を向上させるなどの目的で、熱処理や各種の洗浄処理などの前処理を行うことは適宜許される。
【0034】
本発明の作用の詳細は明らかでないが次のように推測される。
【0035】
ホウ酸アンモニウムの10%水溶液はo−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた電解液よりも粘度が低く、金属薄膜の微細な孔(隙間)へ侵入しやすいと考えられる。したがって、ホウ酸アンモニウムの10%水溶液の方がより狭い孔にまで入り込み、その分静電容量が大きく測定される。2つの電解液を使って測定した静電容量の差は金属薄膜の孔の微細さとその量を示唆する値であると推測される。微細すぎる孔の量が多いと、例えば電解液との反応で生成した水和物や酸化物によって、微細孔が容易に塞がれて表面積の減少、すなわち静電容量の減少を生じやすいと考えられる。一方、金属薄膜の微細孔を大きくしようとすると、金属薄膜の厚みを大きくしなければならず、生産性を損なうほか生産時に基体が熱ダメ−ジを受けやすくなるなどの問題がある。
【0036】
[特性の測定方法、評価方法]
(1)静電容量の測定方法
基体の両面に金属薄膜が形成された試料を切り出し、20mm×20mmの開口部を持つホルダ−2枚で試料を挟み込み固定する。該ホルダ−に固定された2枚の試料を用意し、電解液中で平行になるよう固定する。2枚の試料を電極として、LCRメ−タ−(安藤電気(株)製AG−4311)にて120Hzのときの静電容量を測定した。測定された値の2分の1を単位面積当たりの静電容量とした。
【0037】
電解液をo−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた液としたときの単位面積当りの静電容量値を静電容量A、電解液をホウ酸アンモニウムの10%水溶液中としたときの単位面積当りの静電容量値を静電容量Bとした。A/Bの値が0.3から0.8の範囲にあることが重要である。
【0038】
(2)耐熱性の評価
本発明の電極箔を陽極箔、セパレ−タとともに巻回して駆動用電解液を含浸させる。次いで、金属缶に封入し電解コンデンサを作製した。この電解コンデンサに定格電圧を印加しつつ110℃のオ−ブン中で1000時間保管し、高温下保管による静電容量の低下率で耐熱性を評価した。静電容量の低下が小さいほど、耐熱性が良いことを示す。また耐熱性の評価は、寿命の促進試験を兼ねており、耐熱性が良好であるほど寿命が長いことを示す。
【0039】
【実施例】
以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0040】
実施例
図1の長尺基体走行系を備えた真空蒸着装置に厚さ22μmの長尺の平坦なアルミニウム箔基体を装着した。マスク24および25を調節して、初期入射角が40度、最終入射角が−40度になるようにした。電子ビーム加熱器21にチタンのインゴット30を充填した後、真空槽14内を排気口26および27より真空排気して隔壁22、23、マスク24、25および冷却ドラム16でしきられた下槽20内圧力を5×10- 5Torr以下にした。次にバルブ33およびノズル34を通して蒸気の基体への入射領域に向けてアルゴンガスを0.2リットル/分供給し、下槽内圧力を1×10- 3Torrに調整した。基体を走行させながらチタンのインゴットを溶融蒸発させてアルミニウム箔上に1.5μm/分の蒸着速度で厚さ0.4μmのチタン薄膜を形成した。チタン薄膜を形成する際、冷却ドラム16は水冷した。同様にして該アルミニウム箔基体の他の一方の面にもチタン薄膜を形成した。
【0041】
かくして得た電解コンデンサ用電極箔の静電容量Aは、340μF/cm2 、静電容量Bは、760μF/cm2 であった。したがって、A/B=0.45である。
【0042】
この電解コンデンサ用電極箔を陰極とし、陽極酸化被膜が形成された厚さ90μmの陽極箔と共にセパレ−タを介して巻き回してコンデンサ素子を作製した。このコンデンサ素子に、γ−ブチロラクトン74%、o−フタル酸テトラエチルアンモニウム25%、水1%からなる駆動用電解液を含浸させ、金属缶に封入し、定格10V・8200μFの電解コンデンサを作製した。
【0043】
この電解コンデンサに電圧10Vを印加しつつ110℃のオ−ブン中で1000時間保管した。保管後の静電容量は、保管前に比べて3.6%低下しただけで、耐熱性は良好であった。
【0044】
耐熱性評価試験を実施せず、室温中に1000時間保管した実施例1の電解コンデンサを分解して、陰極箔を取り出した。この陰極箔をアセトン中で超音波洗浄したあと、静電容量の測定した。静電容量Aは、337μF/cm2 、静電容量Bは、710μF/cm2 であり、A/B=0.47であった。
【0045】
実施例2
アルゴンガスを0.7リットル/分供給し、下槽内圧力を7×10-3Torrに調整したことと、厚さ0.2μmのチタン薄膜を形成したこと以外は実施例1と同様にしてアルミニウム箔基体上にチタン薄膜を形成した。
【0046】
かくして得た電解コンデンサ用電極箔の静電容量Aは、350μF/cm2 、静電容量Bは、920μF/cm2 であった。したがって、A/B=0.38である。
【0047】
この電解コンデンサ用電極箔を陰極とし、実施例1と同様にして、定格10V・8200μFの電解コンデンサを作製した。
【0048】
この電解コンデンサに電圧10Vを印加しつつ110℃のオ−ブン中で1000時間保管した。保管後の静電容量は、保管前に比べて4.0%低下しただけで、耐熱性は良好であった。
【0049】
比較例1
アルゴンガスを1.4リットル/分供給し、下槽内圧力を1.3×10-2Torrに調整したことと、厚さ0.1μmのチタン薄膜を形成したこと以外は実施例1と同様にしてアルミニウム箔基体上にチタン薄膜を形成した。
【0050】
かくして得た電解コンデンサ用電極箔の静電容量Aは、320μF/cm2 、静電容量Bは、1330μF/cm2 であり、A/B=0.24であった。
【0051】
この電解コンデンサ用電極箔を陰極とし、実施例1と同様にして、定格10V・8200μFの電解コンデンサを作製した。
【0052】
この電解コンデンサに電圧10Vを印加しつつ110℃のオ−ブン中で1000時間保管した。保管後の静電容量は、保管前に比べて10.4%と大きく低下し、耐熱性は不良であった。
【0053】
【発明の効果】
本発明は、基体の少なくとも片面に金属薄膜を形成した電解コンデンサ用電極箔であって、o−フタル酸テトラエチルアンモニウムをγ−ブチロラクトンに25%溶解させた電解液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量とホウ酸アンモニウムの10%水溶液中で測定した該電解コンデンサ用電極箔の静電容量との比を所定の範囲にしたことにより、生産性に優れると共に静電容量の低下が小さく、耐熱性に優れ長寿命の電解コンデンサが得られたものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電解コンデンサ用電極箔を製造するための真空蒸着装置の一例である。
【図2】本発明の電解コンデンサ用電極箔を製造するための真空蒸着装置の一例であり、基体への金属蒸気の入射角の説明図である。
【符号の説明】
1:基体
2:蒸発源
3および4:金属蒸気を遮蔽するためのマスク
α:最終入射角
β:初期入射角
18:基体
21:蒸発源
28、31および33:ガス供給用バルブ
29、32および34:ノズル[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for producing an electrode foil for an electrolytic capacitor. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a cathode foil that contributes to a reduction in size and capacity of electrolytic capacitors.
[0002]
[Prior art]
As an electrode for an electrolytic capacitor, an electrode obtained by etching an aluminum foil to increase the surface area is generally used. Enlarging the surface area of the electrode is indispensable for increasing the capacitance of the capacitor, and it is required to further increase the surface area of the electrode in order to increase the size and capacity. However, the expansion of the surface area of the aluminum foil by etching is approaching its limit due to a decrease in the strength of the aluminum foil.
[0003]
On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-29669, a porous metal film is formed by allowing a valve metal vapor such as aluminum or tantalum to enter a substrate at an incident angle of 30 degrees or more, preferably 80 to 85 degrees. It has been proposed to obtain an electrolytic capacitor electrode foil with an increased surface area. In JP-A-59-167909, a porous film is formed by depositing a valve metal such as aluminum, tantalum, titanium, niobium or zirconium on a base such as an aluminum foil in an inert gas such as argon, It has been proposed to increase the surface area of the electrode and increase the dielectric constant.
[0004]
These techniques have a great effect on increasing the capacitance per apparent unit area of the electrolytic capacitor.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, these technologies still have the following problems.
[0006]
(1) In order to obtain a sufficient surface area expansion effect, it is necessary to increase the thickness of the valve metal film to 1 to 20 μm, which is problematic in terms of productivity, and valve metals other than aluminum are high melting point materials. For this reason, if a relatively thick film as described above is to be formed, the substrate is subject to thermal damage during vapor deposition, and the flatness tends to be impaired.
[0007]
(2) In the method of depositing the valve metal in an inert gas, increasing the pressure in the vacuum chamber can provide a large surface area, that is, a large capacitance even with the same film thickness, but if the pressure in the vacuum chamber is increased, There is a problem that the film deposition rate decreases. Especially in a large-scale production machine using a straight-ahead electron beam gun, the evaporation source and the substrate cannot be made very close, so the decrease in the film deposition rate accompanying the increase in the pressure in the vacuum chamber is significant, resulting in a significant reduction in productivity. Come on.
[0008]
(3) Porous metal films deposited in an inert gas and expanded in surface area to a certain extent are finer due to hydrates and oxides produced by reaction with electrolytes, especially in high-temperature atmospheres, when converted to capacitors. The hole is easily blocked, and the surface area is easily reduced, that is, the capacitance is easily reduced.
[0009]
The present invention was devised in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art. The object of the present invention is to provide excellent stability of characteristics, a great effect in increasing capacitance, and thermal damage during production. It is an object to provide an electrode foil for an electrolytic capacitor excellent in productivity.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is achieved by the following configurations.
[0011]
That is, the capacitance of the electrode foil for an electrolytic capacitor was measured in an electrolytic solution in which a metal thin film was formed on at least one surface of a substrate by a vacuum deposition method and 25% of tetraethylammonium phthalate was dissolved in γ-butyrolactone. An electrode foil for an electrolytic capacitor having a ratio A / B between A and a capacitance B of the electrode foil for an electrolytic capacitor measured in a 10% aqueous solution of ammonium borate in the range of 0.3 to 0.8 is manufactured. In the method, the substrate is moved along a cylindrical drum, an evaporation source is disposed on the opposite side of the drum through a mask having an opening, and an initial incident angle when the metal deposition is incident on the substrate, That is, a normal line is established on the substrate surface at a point where a straight line connecting the center of the vapor deposition source and the end on the upstream side of the mask opening with respect to the substrate traveling direction is incident on the substrate, and a straight line connected to the normal line is formed. Angle, 90 degrees, the final incident angle, i.e. make the center of the evaporation source, the normal to the substrate surface at a point where a straight line connecting the end on the downstream side of the mask opening to the substrate travel direction is incident on the substrate, the normal The angle formed by the straight line previously connected is -90 to -45 degrees, and the same direction as the incident direction of the metal vapor from the nozzle provided in the vicinity of the vapor deposition source or between the vapor deposition source and the vapor incident area on the substrate. An inert gas is supplied toward the surface of the electrolytic capacitor.
[0012]
As the substrate used in the present invention, aluminum foil, metal foil other than aluminum foil, metal foil other than aluminum, plastic film, paper, and the like can be used, but from the viewpoint of low leakage current and high mechanical strength. Adoption of aluminum foil, aluminum alloy foil or plastic film is preferred. These metal foils are preferably roughened by etching, sandblasting, etc. in terms of increasing the surface area, and in the point of increasing productivity by omitting the process, the manufactured state remains flat. Preferably there is. The thickness of the metal foil is preferably in the range of 5 to 100 μm from the relationship between mechanical strength and occupied volume.
[0013]
Examples of the plastic film include polyesters such as polyethylene terephthalate and polycarbonate, polyolefins such as polypropylene, polyarylene sulfides such as polyphenylene sulfide, polyamides, aromatic polyamides, and polyether ketones. And terephthalates or polyimides, but polyethylene terephthalate or polypropylene is preferred in terms of electrical characteristics and price. From the viewpoint of mechanical stability and strength, these plastics are preferably biaxially stretched into a film. The thickness of the plastic film is preferably in the range of 1 to 50 μm from the relationship between mechanical strength and occupied volume.
[0014]
When the metal thin film of the present invention is formed only on one side of a non-conductive substrate such as a plastic film, the surface opposite to the side on which these films are formed needs to be metallized. Metallization of a plastic film is performed by forming a metal film by vapor deposition or sputtering. The metal film is preferably an aluminum film or a zinc film because the higher the conductivity, the smaller the dielectric loss, which is preferable. The thickness of the metal film is preferably in the range of 0.03 to 0.15 μm because the thicker the film, the better the conductivity, while the thinner the film, the easier it is to self-heal. Prior to metallization, the non-conductive substrate may be subjected to pretreatment such as heat treatment and easy adhesion treatment by various cleaning treatments. Titanium, zirconium, tantalum, niobium, hafnium, etc. are not highly conductive. Therefore, when these metal or alloy films are formed on a non-conductive substrate, the non-conductive substrate may be metallized in advance. This is preferable in that the dielectric loss can be reduced.
[0015]
The metal thin film referred to in the present invention is preferably made of at least one metal selected from a group of so-called valve metals such as aluminum, titanium, zirconium, tantalum, niobium, hafnium or an alloy thereof, but cobalt, chromium, nichrome, Metals such as silver, copper, iron, zinc, and alloys thereof can also be used. Titanium is preferable because it is effective in increasing the capacitance. The purity of the metal or alloy thin film is preferably 99.8% or more, more preferably 99.9% or more in order to reduce the leakage current.
[0016]
The metal thin film may contain oxygen, nitrogen, carbon, hydrogen or the like as long as the characteristics are not impaired.
[0017]
In order to reduce the cost in order to suppress thermal damage to the substrate, the metal thin film should be thin, while the A / B value of the present invention is in the range of 0.3 to 0.8. In order to increase the electrostatic capacity, it is preferable that the film thickness is larger. Therefore, the thickness is more preferably selected from the range of 0.05 to 0.5 μm , particularly preferably from 0.2 to 0.4 μm.
[0018]
For the formation of the metal thin film, a vacuum vapor deposition method is adopted because the thin film can be formed at high speed .
[0019]
In vacuum deposition, metal deposition in order to increase the capacitance of the metal thin film directing insert the inert gas in a region that is incident to the substrate. Examples of the inert gas, argon, neon, krypton, other rare gases such as helium, hydrocarbons, nitrogen or hydrogen can also be employed, also can be employed a mixture of these gases. Examples of the hydrocarbon include methane, ethane, propane, ethylene, propylene, acetylene and the like. In order to obtain the electrode foil for an electrolytic capacitor of the present invention, the use of argon or krypton is preferable because a gas that hardly reacts with the elements constituting the metal thin film and has a large molecular radius is great.
[0020]
The electrode foil for an electrolytic capacitor of the present invention is an electrode foil for an electrolytic capacitor in which a metal thin film is formed on at least one side of a substrate, and measured in an electrolytic solution in which 25% of tetraethylammonium o-phthalate is dissolved in γ-butyrolactone. The ratio A / B between the capacitance A of the electrolytic capacitor electrode foil and the capacitance B of the electrolytic capacitor electrode foil measured in a 10% aqueous solution of ammonium borate is 0.3 to 0.8. It is important to be in range. The electrolytic solution is prepared by weight concentration. In addition, it is permissible for an electrolytic solution in which 25% of tetraethylammonium o-phthalate is dissolved in γ-butyrolactone to contain 1% or less of water due to moisture absorption.
[0021]
When A / B is less than 0.3, the decrease in the electrostatic capacity when the electrolytic capacitor is operated at a high temperature increases. That is, the heat resistance of the electrolytic capacitor is poor. On the other hand, if an attempt is made to make a metal thin film with A / B exceeding 0.8, the structure of the metal thin film is not so fine that the metal thin film must be made thick in order to obtain a predetermined capacitance. That is, the productivity is lowered and the substrate is easily damaged during vapor deposition, and the flatness is easily impaired. In view of heat resistance and productivity of the electrolytic capacitor and thermal damage, A / B is more preferably in the range of 0.35 to 0.7.
[0022]
Electrode capacitor electrode foils with a small capacitance are likely to increase the A / B value. On the other hand, in order to obtain a small and large capacity electrolytic capacitor, the electrolytic capacitor electrode foil has a certain capacitance or more. It must be. It is preferable that the value of A / B is in the range of 0.3 to 0.8 and the capacitance A is 200 μF / cm 2 or more. Electrolytic capacitors produced using electrode foils for electrolytic capacitors having an electrostatic capacity A of 200 μF / cm 2 or more are more compact and larger in capacity, but the capacitance tends to decrease greatly when used at high temperatures. It is particularly effective. More preferably, the capacitance A is 300 μF / cm 2 or more.
[0023]
In order to obtain the electrode foil for an electrolytic capacitor of the present invention, it is preferable that the metal vapor is incident on the substrate at a specific initial incident angle and final incident angle in vacuum deposition.
[0024]
Hereinafter, the incident angle of the vapor to the substrate will be described with reference to FIG.
[0025]
A
[0026]
In order to obtain an electrode foil for an electrolytic capacitor having an A / B value in the range of 0.3 to 0.8 of the present invention, the initial incident angle is 0 to 90 degrees and the final incident angle is -90 to -45. Use a combination of degrees . Further, the incident area of the vapor to the substrate has an opening between the
[0027]
Although an example of the manufacturing method of the electrode foil for electrolytic capacitors of this invention is shown below with reference to FIG. 1, it is not limited to this.
[0028]
FIG. 1 is a schematic view of a vacuum deposition apparatus provided with a long substrate traveling system. A long base traveling system comprising an unwinding
[0029]
As a metal evaporation source, an induction heater, a resistance heater, a laser heater, or the like can be used, but it is preferable to use an electron beam heater in order to evaporate a refractory metal at a high speed. It is permissible to perform ion plating by radiating high-frequency power between these evaporation sources and the substrate. Further, these evaporation sources do not need to be directly under the drum, and a suitable position may be appropriately selected from the viewpoint of material use efficiency.
[0030]
In order to obtain the electrode foil for an electrolytic capacitor of the present invention, an inert gas is supplied from the
[0031]
In order to obtain the electrode foil for an electrolytic capacitor of the present invention, it is preferable that the pressure in the lower tank is set in the range of 4 × 10 −4 Torr to 1 × 10 −2 Torr. When the pressure in the lower tank exceeds 1 × 10 −2 Torr, the resulting metal thin film structure becomes too fine and the A / B value becomes less than 0.3. When the pressure in the lower tank is 4 × 10 −4 Torr or less, the capacitance A per unit area of the metal thin film is 200 μF / cm 2 or more although the A / B value is in the range of 0.3 to 0.8. It cannot be increased, which is not preferable in terms of productivity and miniaturization of the electrolytic capacitor.
[0032]
When the metal thin film is formed while introducing nitrogen gas or oxygen gas into the lower tank, there is an advantage that the capacitance can be particularly increased, but the value of A / B tends to be less than 0.3. Heat-treating the metal thin film formed while introducing nitrogen gas or oxygen gas into the lower tank in the atmosphere at 100 ° C. to 200 ° C. for about 30 minutes to 5 hours increases the value of A / B to 0.3 Is preferable in the range of 0.8 to 0.8. The heat treatment is effective not only when the metal thin film is formed while introducing nitrogen gas or oxygen gas into the lower tank, but also generally has an effect of increasing the value of A / B, but reduces the capacitance of the metal thin film.
[0033]
Prior to the formation of the metal thin film, pretreatment such as heat treatment and various cleaning treatments is appropriately permitted for the purpose of improving the adhesion between the substrate and the metal thin film.
[0034]
Although the details of the operation of the present invention are not clear, it is assumed as follows.
[0035]
It is considered that a 10% aqueous solution of ammonium borate has a lower viscosity than an electrolytic solution in which 25% of tetraethylammonium o-phthalate is dissolved in γ-butyrolactone, and is likely to enter a fine hole (gap) of the metal thin film. Therefore, a 10% aqueous solution of ammonium borate enters a narrower hole, and the capacitance is measured to that extent. The difference in capacitance measured using the two electrolytes is presumed to be a value suggesting the fineness and amount of the holes in the metal thin film. If the amount of pores is too small, for example, hydrates or oxides generated by reaction with the electrolyte will easily block the pores, resulting in a decrease in surface area, that is, a decrease in capacitance. It is done. On the other hand, when trying to enlarge the fine holes of the metal thin film, there is a problem that the thickness of the metal thin film has to be increased, which impairs productivity and makes the substrate susceptible to thermal damage during production.
[0036]
[Measurement method and evaluation method of characteristics]
(1) Capacitance measurement method A sample in which a metal thin film is formed on both sides of a substrate is cut out, and the sample is sandwiched and fixed between two holders having 20 mm × 20 mm openings. Two samples fixed to the holder are prepared and fixed so as to be parallel in the electrolytic solution. Using two samples as electrodes, the electrostatic capacity at 120 Hz was measured with an LCR meter (AG-4311 manufactured by Ando Electric Co., Ltd.). One half of the measured value was defined as the capacitance per unit area.
[0037]
When the electrolytic solution is a solution obtained by dissolving 25% of tetraethylammonium o-phthalate in γ-butyrolactone, the capacitance value per unit area is capacitance A, and the electrolytic solution is in a 10% aqueous solution of ammonium borate. The capacitance value per unit area at this time was defined as capacitance B. It is important that the value of A / B is in the range of 0.3 to 0.8.
[0038]
(2) Evaluation of heat resistance The electrode foil of the present invention is wound together with an anode foil and a separator and impregnated with a driving electrolyte. Subsequently, it enclosed with the metal can and produced the electrolytic capacitor. The electrolytic capacitor was stored in an oven at 110 ° C. for 1000 hours while applying a rated voltage, and the heat resistance was evaluated based on the rate of decrease in capacitance due to storage at high temperature. It shows that heat resistance is so good that the fall of an electrostatic capacitance is small. The evaluation of heat resistance also serves as an accelerated life test, and the better the heat resistance, the longer the life.
[0039]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0040]
Example A long flat aluminum foil substrate having a thickness of 22 μm was attached to a vacuum deposition apparatus equipped with the long substrate running system of FIG. The
[0041]
The electrolytic capacitor electrode foil thus obtained had a capacitance A of 340 μF / cm 2 and a capacitance B of 760 μF / cm 2 . Therefore, A / B = 0.45.
[0042]
This electrolytic capacitor electrode foil was used as a cathode, and a capacitor element was produced by winding it with a 90 μm-thick anode foil on which an anodized film was formed, via a separator. This capacitor element was impregnated with a driving electrolytic solution consisting of 74% γ-butyrolactone, 25% o-tetraethylammonium phthalate, and 1% water, and sealed in a metal can to produce an electrolytic capacitor having a rating of 10 V · 8200 μF.
[0043]
The electrolytic capacitor was stored in an oven at 110 ° C. for 1000 hours while applying a voltage of 10V. The capacitance after storage was only 3.6% lower than that before storage, and the heat resistance was good.
[0044]
Without performing the heat resistance evaluation test, the electrolytic capacitor of Example 1 stored at room temperature for 1000 hours was disassembled, and the cathode foil was taken out. The cathode foil was ultrasonically cleaned in acetone, and the capacitance was measured. The electrostatic capacity A was 337 μF / cm 2 , the electrostatic capacity B was 710 μF / cm 2 , and A / B = 0.47.
[0045]
Example 2
Argon gas was supplied at 0.7 liters / minute, the pressure in the lower tank was adjusted to 7 × 10 −3 Torr, and a titanium thin film having a thickness of 0.2 μm was formed. A titanium thin film was formed on an aluminum foil substrate.
[0046]
Thus obtained capacitance A of the electrode foil for electrolytic capacitors is, 350μF / cm 2, the capacitance B was 920μF / cm 2. Therefore, A / B = 0.38.
[0047]
Using this electrolytic capacitor electrode foil as a cathode, an electrolytic capacitor having a rating of 10 V · 8200 μF was produced in the same manner as in Example 1.
[0048]
The electrolytic capacitor was stored in an oven at 110 ° C. for 1000 hours while applying a voltage of 10V. The capacitance after storage was only 4.0% lower than that before storage, and the heat resistance was good.
[0049]
Comparative Example 1
The same as in Example 1 except that argon gas was supplied at 1.4 liters / min, the pressure in the lower tank was adjusted to 1.3 × 10 −2 Torr, and a titanium thin film having a thickness of 0.1 μm was formed. Thus, a titanium thin film was formed on the aluminum foil substrate.
[0050]
The electrolytic capacitor electrode foil thus obtained had a capacitance A of 320 μF / cm 2 , a capacitance B of 1330 μF / cm 2 , and A / B = 0.24.
[0051]
Using this electrolytic capacitor electrode foil as a cathode, an electrolytic capacitor having a rating of 10 V · 8200 μF was produced in the same manner as in Example 1.
[0052]
The electrolytic capacitor was stored in an oven at 110 ° C. for 1000 hours while applying a voltage of 10V. The capacitance after storage was greatly reduced to 10.4% compared to before storage, and the heat resistance was poor.
[0053]
【The invention's effect】
The present invention relates to an electrode foil for an electrolytic capacitor in which a metal thin film is formed on at least one surface of a substrate, and the electrode for an electrolytic capacitor measured in an electrolytic solution in which 25% of tetraethylammonium phthalate is dissolved in γ-butyrolactone. By making the ratio of the capacitance of the foil and the capacitance of the electrode foil for an electrolytic capacitor measured in a 10% aqueous solution of ammonium borate within a predetermined range, the productivity is reduced and the capacitance is reduced. A small electrolytic capacitor with excellent heat resistance and long life was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a vacuum deposition apparatus for producing an electrode foil for an electrolytic capacitor according to the present invention.
FIG. 2 is an example of a vacuum vapor deposition apparatus for producing an electrode foil for an electrolytic capacitor according to the present invention, and is an explanatory view of an incident angle of a metal vapor to a substrate.
[Explanation of symbols]
1: substrate 2: evaporation sources 3 and 4: mask for shielding metal vapor α: final incident angle β: initial incident angle 18: substrate 21:
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