JP4856362B2 - 高電圧セラミックコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電力信号分離、分電圧又はレーザ発振用電源等に用いられる超高圧の高電圧セラミックコンデンサに関する。

この種の高電圧セラミックコンデンサは、セラミック素体と、このセラミック素体の両主面に設けられた電極（Ａｇ又はＣｕ又はＮｉ／Ｓｎなど）と、前記電極の上に接合された金属端子と、前記誘電体セラミック及び前記電極の全体に密着して設けられた樹脂被覆とを有する。

上記高電圧セラミックコンデンサにおいて、金属端子は、一般的に高温処理により電極にはんだ付けされる。従来、上記はんだ付けに用いられるはんだは、金属鉛が入ったはんだ（鉛はんだ）が用いられていた。鉛はんだは、非常に柔らかく、伸び縮みに富んでいるため、はんだ付け時、及び、はんだ付け後の使用時に高電圧を印加した場合において、セラミックと金具端子の線膨張係数の違いを吸収し、端子の脱落、セラミックの割れを防止することができる。

しかし、昨今、公害上の問題で、はんだは、鉛を抜いた鉛フリーはんだ（Ｐｂレスはんだ）に移行している。Ｐｂレスはんだの成分として、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｚｎ等があるが、鉛入りはんだ比べ、大幅に硬くなり、伸びも少ない。このため、はんだ付け時、又は、はんだ付け後に、各部材の熱膨張係数の違いを吸収緩和できずに、端子の脱落やセラミック素体にクラック又はワレが発生してしまう問題があった。

しかも、セラミックコンデンサにおいても、小型化の要求から、はんだ接合面積の狭小化が急速に進展しつつあり、現段階でも、既に、十分な合金接合強度を確保することが困難になっている。

Ｐｂレスはんだについては、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１は、ＩＢ族金属粉入りのＳｎ−Ｚｎ系Ｐｂレスはんだを開示している。また、特許文献２は、Ｃｕボール入りのＳｎはんだを開示しているが、Ｃｕボール同士をＣｕＳｎ化合物で連結し、実装基板との接続強度を向上させることを狙ったものである。

しかし、何れも、高電圧セラミックコンデンサに特有の問題点とは関連性のない課題を解決しようとするものである。
特開２００２−２２４８８０号公報 特開２００２−２６１１０５号公報

本発明の課題は、金属端子の脱落、及び、セラミック素体のクラック又はワレの発生を防止した高電圧セラミックコンデンサを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る高電圧セラミックコンデンサは、コンデンサ素子と、金属端子と、はんだ接合部とを含む。前記コンデンサ素子は、セラミック素体の相対向する両面に電極を有する。前記金属端子は、一端面が前記電極の一面に向き合っている。前記はんだ接合部は、前記金属端子の前記一端面と前記電極の前記一面との間に介在し、両面をはんだ接合する。前記はんだ接合部を構成するはんだは、鉛を含まず、はんだ融点よりも高い融点を有する無機質粒子を含有する。

上述したように、本発明に係る高電圧セラミックコンデンサは、コンデンサ素子と、金属端子と、はんだ接合部とを含む。コンデンサ素子は、セラミック素体の相対向する両面に電極を有しており、金属端子は、一端面が前記電極の一面に向き合っている。この状態で、はんだ接合部は、金属端子の一端面と電極の一面との間に介在し、両面をはんだ接合する。これにより、金属端子がはんだ接合部によりコンデンサ素子の電極に面接合される。

はんだ接合部を構成するはんだは、鉛を含まない（Ｐｂレスはんだ）。従って、公害上の問題をクリアできる。問題は、Ｐｂレスはんだは、鉛入りはんだ比べ、大幅に硬くなり、伸びも少なくなることである。このため、従来、Ｐｂレスはんだを用いた場合、はんだ付け時、又は、はんだ付け後に、各部材の熱膨張係数の違いを吸収緩和できずに、端子の脱落やセラミック素体にクラック又はワレが発生してしまう問題が生じていた。

そこで、本発明では、はんだ接合部を構成するはんだに、はんだ融点よりも高い融点を有する無機質粒子を含有させる。上述したような無機質粒子を含有させると、はんだ付け時において、溶融域から固相域に移る際に、接合力が分散され、また、一部空洞部が発生する。この結果、はんだ付け時及びはんだ付け後に、金属端子とセラミック素体との間の線膨張係数の違いに起因して発生する応力が緩和され、金属端子の脱落やセラミック素体にクラック又はワレが発生してしまうという問題を解消することができる。

以上述べたように、本発明によれば、金属端子の脱落、及び、セラミック素体のクラック又はワレの発生を防止した高電圧セラミックコンデンサを提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

図１は本発明に係る高電圧セラミックコンデンサについて、その実施の形態を示す正面断面図、図２は図１に示した高電圧セラミックコンデンサの一部を拡大して模式的に示す断面図である。図示された高電圧セラミックコンデンサは、コンデンサ素子１と、金属端子２、３と、はんだ接合部４、５とを含む。全体は、例えばエポキシ樹脂など、周知の絶縁樹脂６によって被覆されている。

コンデンサ素子１は、セラミック素体１０の相対向する両面に電極１１、１２を有する。セラミック素体１０は、ＢａＴｉＯ_３やＳｒＴｉＯ_３等のセラミックス誘電体によって構成されている。電極１１、１２は、Ａｇ、ＣｕまたはＮｉ/Ｓｎなどを主成分とし、セラミック素体１０の両主面に焼付けなどの手段で固着されている。

金属端子２、３は、一端面２１、３１が前記電極１１、１２の一面に向き合っている。金属端子２、３は、電気伝導率の高い材料、たとえば、Ｃｕなどを主成分とする。図示の金属端子２、３は、電極１１、１２と接合される部分が、直径の大きなつば状となっていて、その中央部に突出する接続部を有する。接続部には、接続用ねじ孔２２、３２が設けられている。金属端子２、３の間には、たとえば、５〜５０ｋＶ程度の高電圧が印加される。

はんだ接合部４、５は、金属端子２、３の一端面２１、３１と電極１１、１２の一面との間に介在し、両面をはんだ接合する。はんだ接合部４、５を構成するはんだは、鉛を含まず、はんだ融点よりも高い融点を有する無機質粒子Ａ（図２参照）を含有する。

上述したように、本発明に係る高電圧セラミックコンデンサは、コンデンサ素子１と、金属端子２、３と、はんだ接合部４、５とを含む。コンデンサ素子１は、セラミック素体１０の相対向する両面に電極１１、１２を有しており、金属端子２、３は、一端面２１、３１が電極１１、１２の一面に向き合っている。この状態で、はんだ接合部４、５は、金属端子の一端面２１、３１と電極１１、１２の一面との間に介在し、両面をはんだ接合する。これにより、金属端子２、３がはんだ接合部４、５によりコンデンサ素子１の電極１１、１２に面接合される。

はんだ接合部４、５を構成するはんだは、鉛を含まない（Ｐｂレスはんだ）。具体的には、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｃｕ系はんだ等を用いることができる。従って、公害上の問題をクリアできる。問題は、Ｐｂレスはんだは、鉛入りはんだ比べ、大幅に硬くなり、伸びも少なくなることである。このため、従来、Ｐｂレスはんだを用いた場合、はんだ付け時、又は、はんだ付け後に、各部材の熱膨張係数の違いを吸収緩和できずに、金属端子２、３の脱落やセラミック素体１０にクラック又はワレが発生してしまうなどの問題が生じていたことは前述したとおりである。

そこで、本発明では、はんだ接合部４、５を構成するはんだに、はんだ融点よりも高い融点を有する無機質粒子Ａを含有させる。具体的には、例えば、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｃｕ系またはＳｎ／Ｚｎ系はんだに、上述した無機質粒子Ａを含有させる。無機質粒子Ａは、どのような材料が選ばれた場合でも、はんだ中には溶解せず、独立の形状を保つ。

上述したはんだ主成分に、無機質粒子Ａを含有させると、はんだ付け時において、溶融域から固相域に移る際に、接合力が分散され、また、一部空洞部Ｂ（図２参照）が発生する。この結果、はんだ付け時及びはんだ付け後に、金属端子２、３とセラミック素体１０との間の線膨張係数の違いに起因して発生する応力が緩和され、金属端子２、３の脱落やセラミック素体１０にクラック又はワレが発生してしまうという問題を解消することができる。なお、電極１１、１２と金属端子２、３のはんだ接合に当たっては、無機質粒子を含有するクリームはんだを、電極１１、１２の表面に塗布し、その上に金属端子２、３を押し当てるか、金属端子２、３の２１、３１面に同クリームはんだを塗布し、電極１１、１２に押し当て、その状態ではんだ熱処理を行なう。

無機質粒子Ａは、その含有量などを考慮すれば、セラミック粒子等を用いることも不可能ではないが、金属粒子であることが好ましい。金属粒子であれば、導電性、はんだ主成分との間の濡れ性及び線膨張係数の類似性など、好ましい物性的特性を利用することができるからである。金属粒子は、具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、ＢｉもしくはＺｎの群から選択された少なくとも一種、又は、それらの合金を含むことができる。これらは、何れも、上述した好ましい物性的特性を持っている。

また、無機質粒子Ａは、実質的に球形であることが好ましい。球形であると、粒径のそろった無機質粒子Ａにより、はんだ接合部４、５の層厚を一定化できる。

無機質粒子Ａは、粒径が１５〜１５０μｍの範囲にあることが好ましい。このような範囲の粒径であれば、はんだ接合部４、５に要求される好ましい接合厚さを、無機質粒子Ａの粒径に比例する厚さとして、確実に設定できる。

更に、無機質粒子Ａの配合率は０．５〜２０ｗｔ％の範囲であることが好ましい。０．５ｗｔ％未満では、無機質粒子Ａを添加した技術的意義が失われるし、２０ｗｔ％超では、はんだ付け強度が不十分になる。

図３は図１及び図２に示した高電圧セラミックコンデンサにおける無機質粒子配合率と、金属端子２、３の剥離強度を示すデータである。図において、横軸に無機質粒子配合率をとり、縦軸に剥離強度をとってある。無機質粒子としては、粒径が１５〜１５０μｍの範囲にあるＣｕ金属粒子を用いた。剥離強度の単位Ｎはニュートンを示す。図３に示すデータは、横軸に表示された無機質粒子配合率のそれぞれにおいて、１２個のサンプルを作成し、それぞれについて剥離強度を測定し、その平均値を示したものである。

図３を参照すると、Ｃｕ金属粒子でなる無機質粒子の配合率０．３ｗｔ％を境界にして、それよりも低い領域では、剥離強度が急激に低下する。Ｃｕ金属粒子でなる無機質粒子の配合率が０．３ｗｔ％を超えると、剥離強度が増大し、１〜２０ｗｔ％までは高い剥離強度を示すが、２０ｗｔ％を超えると、剥離強度は急激に低下する。これらのデータからは、Ｃｕ金属粒子でなる無機質粒子の配合率は、０．５〜２０ｗｔ％の範囲、特に、１〜２０ｗｔ％の範囲が好ましいことが理解される。無機質粒子として、Ａｇ、ＢｉもしくはＺｎを用いた場合も、同様の結果が得られた。

表１は、配合率とセラミック素体に発生したクラック数の関係を示している。表１では、Ｃｕ金属粒子でなる無機質粒子の配合率のそれぞれについて、１２個のサンプルを作成し、１２個のサンプル中、クラックを発生した数を表示してある。

表１を参照すると、無機質粒子の配合率０．３ｗｔ％以下ではクラックが発生するが、０．３ｗｔ％を超える領域では、クラックは発生しない。したがって、クラック防止の観点からは、無機質粒子の配合率は０．３ｗｔ％を超える値、具体的には、安全性を見込んで、０．５ｗｔ％以上であることが望ましいことになる。

図４は本発明に係る高電圧セラミックコンデンサの別の実施の形態を示す断面図である。図において、図１及び図２に表れた構成部分と対応する部分については、同一の参照符号を付してある。この実施の形態では、金属端子２、３は、図１及び図２に示したものよりは細い線状部材で構成されている。この金属端子２、３の先端部は、膨らんだ形状を有しており、先端部の端面２１、３１が、はんだ接合部４、５によって電極１１、１２に接合されている。

図５は本発明に係る高電圧セラミックコンデンサの別の実施の形態を示す断面図である。図において、図１及び図２に表れた構成部分と対応する部分については、同一の参照符号を付してある。この実施の形態は、いわゆる裸タイプの高電圧セラミックコンデンサを示すもので、金属端子２、３は、平板状部材で構成されている。この金属端子２、３は、一面２１、３１の全面が、はんだ接合部４、５によって電極１１、１２に接合されている。

図４及び図５に示した実施の形態においても、はんだ接合部４、５は、先に述べた無機質粒子を含有しており、図１及び図２に示した実施の形態と同様の作用効果を奏する。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係る高電圧セラミックコンデンサの正面断面図である。 図１に示した高電圧セラミックコンデンサの一部を拡大して模式的に示す断面図である。 はんだ接合部における無機質粒子配合率と、金属端子の剥離強度との関係を示す図である。 本発明に係る高電圧セラミックコンデンサについて、別の実施の形態を示す正面断面図である。 本発明に係る高電圧セラミックコンデンサについて、さらに別の実施の形態を示す正面断面図である。

符号の説明

１ コンデンサ素子
２、３ 金属端子
４、５ はんだ接合部
Ａ 無機質粒子

Claims (6)

1. コンデンサ素子と、金属端子と、はんだ接合部とを含む高電圧セラミックコンデンサであって、
   前記コンデンサ素子は、セラミック素体の相対向する両面に電極を有しており、
   前記金属端子は、一端面が前記電極の一面に向き合っており、
   前記はんだ接合部は、前記金属端子の前記一端面と前記電極の前記一面との間に介在し、両面をはんだ接合しており、
   前記はんだ接合部を構成するはんだは、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｃｕ系はんだであり、鉛を含まず、はんだ融点よりも高い融点を有する金属粒子を含有することにより発生した空洞部を有し、
   前記金属粒子は、前記はんだ中に溶解せず、独立の形状を保ち、前記金属端子の前記一端面と前記電極の前記一面との間に挟まって、粒径により前記はんだ接合部の層厚と前記空洞部の厚みとを規定しており、
   前記金属端子間に、５ｋＶ〜５０ｋＶの高電圧が印加される、
   高電圧セラミックコンデンサ。
2. 請求項１に記載された高電圧セラミックコンデンサであって、前記金属粒子は、Ｃｕ、Ａｇ、ＢｉもしくはＺｎの群から選択された少なくとも一種、又は、それらの合金を含む高電圧セラミックコンデンサ。
3. 請求項１または２に記載された高電圧セラミックコンデンサであって、前記金属粒子は、実質的に球形である高電圧セラミックコンデンサ。
4. 請求項１、２または３の何れかに記載された高電圧セラミックコンデンサであって、前記金属粒子は、粒径が１５〜１５０μｍの範囲にある高電圧セラミックコンデンサ。
5. 請求項１、２、３または４の何れかに記載された高電圧セラミックコンデンサであって、前記金属粒子の配合率は、０．５〜２０ｗｔ％の範囲である高電圧セラミックコンデンサ。
6. 金属端子間に５ｋＶ〜５０ｋＶの高電圧が印加される高電圧セラミックコンデンサの製造方法であって、
   鉛を含まないＳｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｃｕ系はんだに、はんだ融点よりも高い融点を有し、前記はんだ中に溶解せず、独立の形状を保つ金属粒子を含有させる第１の工程と、
   セラミック素体に設けた電極、又は金属端子の一方の表面に、前記第１の工程で得たクリームはんだを塗布し、その表面に他方の表面を押し当てた状態ではんだ熱処理を行い、
   前記金属粒子を前記金属端子の表面と前記電極の表面との間に挟むことによって、前記金属粒子の粒径によりはんだ接合部の層厚と、前記はんだ接合部に発生する空洞部の厚みとを規定して、前記電極と前記金属端子をはんだ接合する第２の工程とを含む、
   高電圧セラミックコンデンサの製造方法。

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