JP6519982B2

JP6519982B2 - コンデンサの製造方法

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Publication number: JP6519982B2
Application number: JP2014087909A
Authority: JP
Inventors: 駿介遠藤
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: JP2015207681A

Description

本発明は、固体電解コンデンサなどのコンデンサの製造方法に関する。

固体電解コンデンサなどのコンデンサでは、素子体を形成し、該素子体に固体電解質層を生成させている。

この固体電解質層を形成したコンデンサ素子を備えるコンデンサに関し、導電性高分子分散体溶液を用いてコンデンサ素子中に導電性高分子層を形成することが知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２０１１−１９９０８６号公報

ところで、このような導電性高分子層を形成したコンデンサ素子を備えるコンデンサでは、高耐圧化が可能である。このため、使用電圧が２０〔ＷＶ〕から３５〔ＷＶ〕へと上昇しているたとえば、車載用途、インバータなど、各種の用途に適している。

しかしながら、導電性高分子の分散体溶液の導電性高分子の微粒子の濃度は低いため、固体電解質層がコンデンサ素子内に十分に充填されない場合があり、コンデンサ素子の保形性が維持できず、その変形によって漏れ電流が大きくなることが確認されている。

図４は、樹脂モールドによってコンデンサ素子に変形を生じたコンデンサを示している。コンデンサ１０２では、コンデンサ素子１０４の形成の後、導電性高分子の分散体溶液による固体電解質層を形成した後、モールド処理によって樹脂モールド層１０６が形成されている。導電性高分子の分散体溶液による固体電解質層が形成されたコンデンサ素子１０４には電極箔間に空隙１０８が生じる。

このような空隙１０８を有するコンデンサ素子１０４を成形金型のキャビティ内に設置し、モールド樹脂を注入すると、このモールド樹脂の射出成形の圧力がコンデンサ素子１０４に作用する。この射出成形の圧力は大きく、コンデンサ素子１０４の保形耐圧を超える。このため、コンデンサ素子１０４は、射出成形圧力に耐えられず、図４に示すように、真円に近い円筒体に屈曲部１１０を生ずるなど、素子変形が発生する。

このような変形は電極箔間の間隔が歪になるなど、コンデンサ素子１０４の漏れ電流特性を変化させることになる。このようなコンデンサ素子１０４を備えるコンデンサ１０２では、漏れ電流が増大するなどの課題がある。

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、固体電解質層が形成されたコンデンサ素子の保形性を高め、樹脂モールドによる素子の劣化を防止することにある。

上記目的を達成するため、本発明のコンデンサの製造方法は、電極箔とセパレータを巻回して素子体を形成する工程と、前記素子体に導電性高分子の分散体溶液または可溶性導電性高分子溶液を含浸して固体電解質層を形成してコンデンサ素子を形成する工程と、前記コンデンサ素子の前記電極箔間および前記電極箔と前記セパレータの間に生じた空隙内に素子形状を保持する保形材料を充填する工程と、前記保形材料を充填したコンデンサ素子の外周囲に樹脂モールド層を形成する工程とを含んでいる。

本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) コンデンサ素子の空隙に保形材料が充填されているので、コンデンサ素子の保形性が高められ、樹脂モールド圧力による素子変形を防止できる。

(2) 素子変形が抑制され、漏れ電流を低減でき、コンデンサ特性を改善できる。

(3) コンデンサ素子内に保形材料を充填することによってコンデンサ素子の保形性を向上させるので、コンデンサ素子が大きくなりにくく、小型化の要求に対応できる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。

一実施の形態に係るコンデンサの製造工程の一例を示すフローチャートである。コンデンサを示す断面図である。実施例に係るコンデンサの製造工程を示すフローチャートである。従来の素子変形を生じたコンデンサ素子を含むコンデンサを示す断面図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係るコンデンサの製造工程を示している。この製造工程は、本発明のコンデンサの製造方法の一例である。

この製造工程には、素子形成工程（Ｓ１１）、固体電解質層形成工程（Ｓ１２）、ガラス充填工程（Ｓ１３）および樹脂モールド工程（Ｓ１４）の各工程が含まれる。

素子形成工程は陽極箔および陰極箔を含む巻回素子を形成する。巻回素子の形成ではたとえば、陽極箔および陰極箔の間にセパレータを挟み込んで巻回し、円筒状の巻回素子を形成する。陽極箔および陰極箔はたとえば、アルミニウム箔で形成される。

固体電解質層形成工程では、素子形成工程で形成された巻回素子の陽極箔および陰極箔の表面に固体電解質層を形成し、コンデンサ素子を形成する。

ガラス充填工程では、固体電解質層形成工程で固定電解質層が形成されたコンデンサ素子に生じている空隙に液状ガラスを充填する。この液状ガラスは、コンデンサ素子の素子形状を保持する保形材料の一例である。

樹脂モールド工程では、ガラス充填によって保形性が高められたコンデンサ素子の外面に樹脂モールド処理により樹脂モールド層を形成する。

図２は、製造されたコンデンサの断面を示している。このコンデンサ２はたとえば、固体電解コンデンサである。

このコンデンサ２には既述の巻回素子であるコンデンサ素子４を備えており、このコンデンサ素子４の周囲には樹脂モールド層６が形成されている。コンデンサ素子４は、素子中心８を中心に巻回され、空隙１０には液状ガラス１２が充填されている。これにより、コンデンサ素子４は、巻回素子の原型が保持され、この実施の形態では、真円に近い円形断面を持つ円筒体を成している。コンデンサ素子４には陽極側および陰極側の外部端子１４−１、１４−２が引き出されている。陽極側の外部端子１４−１はたとえば、陽極箔に接続され、陰極側の外部端子１４−２は陰極箔に接続されている。

この実施の形態では、液状ガラス１２が充填されている空隙１０を素子中心８および外部端子１４−１、１４−２の引出部に明示しているが、これに限定されるものではない。電極箔間や電極箔・セパレータ間に生じた空隙１０にも同様に液状ガラス１２が充填される。これにより、巻回状態の素子形状が保持される。

＜一実施の形態の効果＞

(1) 巻回素子であるコンデンサ素子４は液状ガラス１２の充填により、巻回素子としての原型形状に保形される。

(2) このようなコンデンサ素子４を成形型のキャビティに設置すれば、樹脂モールドの射出圧力に耐え、コンデンサ素子４の素子変形を防止できる。

(3) このように素子変形のないコンデンサ素子４を備えるコンデンサ２では、素子変形による漏れ電流を低減できる。

(4) コンデンサ素子４を被覆し、この被覆によりコンデンサ素子の硬度を高める従来技術と比較し、コンデンサ素子４内に液状ガラス１２を充填することによってコンデンサ素子４の保形性を向上させるので、コンデンサ素子４を小さくでき、コンデンサ素子４やコンデンサ２を小型化できる。

図３は、本発明の実施例に係るコンデンサの製造工程を示している。

この製造工程は一例として固体電解コンデンサの製造工程である。この製造工程には、巻回工程（Ｓ２１）、固体電解質層形成工程（Ｓ２２、Ｓ２３）、保形処理工程（Ｓ２４、Ｓ２５）、樹脂モールド工程（Ｓ２６）およびエージング工程（Ｓ２７）が含まれる。

巻回工程（Ｓ２１）では、素子材料である陽極箔、陰極箔およびセパレータを巻回する。一例として陽極箔の表裏面にセパレータが重ねられ、このセパレータを介在させて陰極箔が設置される。この積層材料を巻回する。このような巻回処理により、固体電解質層形成前の素子体が形成される。

固体電解質層形成工程（Ｓ２２、Ｓ２３）では、巻回工程で得られた素子体に固体電解質層を形成する。固体電解質にはたとえば、導電性高分子が用いられる。この固体電解質層の形成には浸漬工程（Ｓ２２）および乾燥工程（Ｓ２３）が含まれる。

浸漬工程（Ｓ２２）では、導電性高分子の分散体溶液に素子を浸漬し、減圧環境下で素子体に固体電解質を含浸する。つまり、浸漬工程は分散体溶液の含浸工程である。コンデンサ素子４の素子体に含浸する導電性高分子の分散体溶液は、溶媒に導電性高分子の微粒子を分散させた溶液である。この導電性高分子の微粒子は、概してその粒径は、１００〔ｎｍ〕以下と極めて小さいものである。導電性高分子としては、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリアセチレン類、ポリフェニレン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリアニリン類、ポリアセン類、ポリチオフェンビニレン類、およびこれらの共重合体などが挙げられる。中でも重合の容易さ、空気中での安定性の点からは、ポリピロール類、ポリチオフェン類およびポリアニリン類が好ましい。ポリチオフェン類の中では、ポリエチレンジオキシチオフェンが酸化形態で非常に高い導電性を有するので好ましい。導電性高分子の分散体溶液の溶媒としては、水および／または有機溶剤が挙げられる。この分散体溶液には、ポリスチレンスルホン酸等のスルホン酸系のドーパントを含有させることが好ましく、その他、界面活性剤や有機バインダー等を含有させてもよい。この導電性高分子の分散体溶液は、ｐＨ調整剤等を利用してそのｐＨを３未満としている。したがって、分散体溶液の酸性度は高いものとなっている。また導電性高分子の分散体溶液中の導電性高分子の微粒子の濃度は１〜５〔ｗｔ％〕の範囲が好ましい。ここでいう含浸とは、素子体中に分散体溶液を含ませる処理をいい、たとえば素子体を分散体溶液に浸漬することで素子体中に分散体溶液を含ませることもできる。この含浸工程は、常圧化で行うこともできるが、減圧下または加圧下で行うことで、陽極箔および陰極箔のエッチングピットの深部にまで、導電性高分子層を形成することができる。固体電解質層を生成させた素子体を乾燥工程（Ｓ２３）により乾燥させる。

乾燥工程（Ｓ２３）では、乾燥炉中の雰囲気温度たとえば、１５０〔℃〕に維持し、一定時間としてたとえば、３０〔分〕放置する。この乾燥工程（Ｓ２３）によって、導電性高分子の分散体溶液から溶媒等を除去して、素子体の陽極箔と陰極箔間に導電性高分子層を形成する。なお、導電性高分子の分散体溶液の導電性高分子の微粒子の濃度は低いため、素子体中への導電性高分子の搭載量を確保するにも、浸漬工程（Ｓ２２）−乾燥工程（Ｓ２３）は複数回たとえば、３回程度繰り返すことが好ましい。これにより、素子体がコンデンサ素子４として形成される。

保形処理工程（Ｓ２４、Ｓ２５）には、保形材料の浸漬工程（Ｓ２４）および保形材料の硬化工程（Ｓ２５）が含まれる。保形材料には充填材料が用いられ、この充填材料として液状ガラスが用いられる。

浸漬工程（Ｓ２４）では、液状ガラス１２に素子体を浸漬し、該素子体の空隙１０に液状ガラス１２を充填する。これにより、素子体の電極箔上の固体電解質層に生じている空隙１０に液状ガラス１２が充填される。そして、硬化工程（Ｓ２５）では、コンデンサ素子４の空隙１０中の液状ガラス１２を硬化させる。空隙１０に充填された液状ガラス１２は硬化して固形化する。これにより、コンデンサ素子４が巻回素子の原型状態に維持される。

樹脂モールド工程（Ｓ２６）では、保形処理されたコンデンサ素子４を成形型のキャビティ内に装填し、該キャビティに流動化しているモールド樹脂を注入する。これにより、キャビティ内形状に外観形状が成形された樹脂モールド層６がコンデンサ素子４の外周囲に形成される。

この樹脂モールド処理の際、キャビティ内で射出成形されるモールド樹脂から射出圧力がコンデンサ素子４に作用する。この射出圧力の作用に対し、コンデンサ素子４はガラス充填によって保形強度が強化され、その保形性によって素子変形が阻止される。

エージング工程（Ｓ２７）では、樹脂モールド処理されたコンデンサ２にエージング処理が施され、製品としてのコンデンサ２が製造される。

この製造工程では、固体電解質層の形成に導電性高分子の分散体溶液を用いたが、導電性高分子を溶解した導電性高分子溶液たとえば、可溶性導電性高分子溶液を用いて固体電解質層を形成してもよい。前者は分散体であることから、導電性高分子が溶液に溶けず分散しているのに対し、後者の可溶性導電性高分子溶液では導電性高分子が溶液に溶けている状態である点で相違する。いずれの処理によって、コンデンサ素子４に固体電解質層を形成してもよく、本発明はこれらの方法に限定されるものではない。

〔実験結果〕

＜コンデンサ素子４の充填率＞

固体電解質層形成前（巻回直後）のコンデンサ素子４、固体電解質層形成後のコンデンサ素子４および液状ガラス１２の充填後のコンデンサ素子４の充填率を測定した。コンデンサ素子の充填率は以下の通りである。このコンデンサ４の充填率は、固体電解質層形成後であれば、コンデンサ素子形成直後（固体電解質形成前の素子）に存在する素子中の空隙における固体電解質が充填されている率であり、液状ガラス充填後であれば、コンデンサ素子形成直後（固体電解質形成前の素子）に存在する素子中の空隙における固体電解質および液状ガラスが充填されている率である。

固体電解質層形成後：２０〜３５〔％〕
液状ガラス充填後：７０〜８０〔％〕

上記の通り、液状ガラス１２をコンデンサ素子４に充填することによって、コンデンサ素子４の充填率は大幅に向上している。そのため、外装樹脂の注入時の圧力によるコンデンサ素子４の変形を防止すると考えられる。

＜コンデンサ素子の硬度＞

液状ガラス１２を充填しないコンデンサ素子４と充填したコンデンサ素子４の硬度を比較した。硬度は、直径５．６６〔ｍｍ〕、高さ１．６〔ｍｍ〕のコンデンサ素子に、直径方向に一定の荷重を加えたときのコンデンサ素子４の変形率で確認した。つまり、コンデンサ素子４の側面をコンデンサ素子４の中心側に向かって荷重を加える。コンデンサ素子４の変形率は表１の通りである。

上記の通り、液状ガラス１２を充填することによって、コンデンサ素子４は変形し難くなっている。

なお、コンデンサ素子の充填率および硬度を測定した上記実験は、いずれも導電性高分子の分散体溶液によって固体電解質層を形成したコンデンサを用いているが、可溶性導電性高分子溶液によって固体電解質層を形成したコンデンサにおいても同様の結果となる。

〔漏れ電流の測定〕

この漏れ電流の測定には、液状ガラスにより保形処理した複数（たとえば、ｎ＝９、但しｎは個数）のコンデンサと、未処理の複数（たとえば、ｎ＝９）のコンデンサを用意した各コンデンサは同一特性のものであり、組立、エージング処理後の各コンデンサの漏れ電流を測定した。固体電解質層の形成に導電性高分子の分散体溶液または可溶性導電性高分子溶液を用いたコンデンサの漏れ電流の初期値は以下の通りである。

＜固体電解質層の形成に導電性高分子の分散体溶液を用いたもの＞

ａガラス充填無しのもの：漏れ電流＝１９８．１７〔μＡ〕

ｂガラス充填有りのもの：漏れ電流＝０．１３〔μＡ〕

＜固体電解質層の形成に可溶性導電性高分子溶液を用いたもの＞

ａガラス充填無しのもの：漏れ電流＝２０９３５．８９〔μＡ〕

ｂガラス充填有りのもの：漏れ電流＝１５３．５８〔μＡ〕

この実験から明らかなように、保形処理したコンデンサの漏れ電流は極めて少なく、未処理のコンデンサの漏れ電流に対し、１０００分の１程度の大幅な削減効果が得られることが確認されている。コンデンサ素子４に対する樹脂モールド処理前の保形処理が漏れ電流削減に大きく貢献し、コンデンサの信頼性を高めることが理解されよう。

〔他の実施の形態〕

(1) 上記実施の形態では、固体電解コンデンサの製造工程を例示したが、電解コンデンサなどのコンデンサであってもよい。

(2) 上記実施の形態では、コンデンサ素子４に生じる空隙１０について、巻回中心部や外部端子の巻き込み部分を明示しているが、これに限定されるものではなく、コンデンサ素子４の電極箔の固体電解質層に生じる空隙を含むものである。

(3) 上記実施の形態では保形材料に液状ガラス１２を例示したが、液状ガラス１２以外の他の充填物であってもよく、充填物は導電性または非導電性のいずれであってもよい。たとえば、ポリウレタン樹脂、ナイロン、ポリエステル、ポリエステルイミド、ポリエステルイミドナイロン、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、フェノール樹脂、アミノ樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル、アルキド、シリコーン樹脂、アクリルシリコーン樹脂、シリコーンオイル、シリコーンゲル、フッ素樹脂、アルコキシシラン、アルコキシシランエポキシ複合樹脂、セルロース、アミロース、液晶ポリマー、ポリアニオン、ポリカチオン、水溶性単分子化合であり２個以上のヒドロキシル基を有する化合物を用いても上記実施の形態と同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態や実施例の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明のコンデンサの製造方法は、樹脂モールド層で被覆されるコンデンサ素子の空隙内に素子形状を保持する保形材料を充填し、保形性を高めたので、モールド処理による素子変形を防止でき、素子変形による漏れ電流の増加を抑制できる。

２コンデンサ
４コンデンサ素子
６樹脂モールド層
８素子中心
１０空隙
１２液状ガラス
１４−１陽極側の外部端子
１４−２陰極側の外部端子
１０２コンデンサ
１０４コンデンサ素子
１０６樹脂モールド層
１０８空隙
１１０屈曲部

Claims

電極箔とセパレータを巻回して素子体を形成する工程と、
前記素子体に導電性高分子の分散体溶液または可溶性導電性高分子溶液を含浸して固体電解質層を形成してコンデンサ素子を形成する工程と、
前記コンデンサ素子の前記電極箔間および前記電極箔と前記セパレータの間に生じた空隙内に素子形状を保持する保形材料を充填する工程と、
前記保形材料を充填したコンデンサ素子の外周囲に樹脂モールド層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするコンデンサの製造方法。