「導電性高分子アルミ固体電解コンデンサの最新技術動向」

導電性高分子アルミ固体電解コンデンサ
105℃5000時間保証
チップ形CSシリーズ(写真下)、リード線形「LSシリーズ」
導電性高分子アルミ固体電解コンデンサ
リード線形高電圧品「LVシリーズ」
  パーソナルコンピュータ、家庭用ゲーム機などデジタル機器の高性能化には目を見張るものがあり、一般家庭への普及が加速している。昨今では低価格のネットブックに代表される安価なノートブックPCの売れ行きが好調で、一人一台の時代の到来も現実味を帯びてきた。予想を上回るスピードで、社会、暮らしが変化している中で、その原動力がコンピュータの高速化・高機能化であり、そのキーになっているのが、CPU(中央処理装置)の進歩である。CPUの高速化・高機能化に伴い、電源回路には従来と異なる特性が求められている。

 CPUの高速化・高機能化により、動作周波数がいちだんと高周波化している中、電源回路に使用されるコンデンサには、より速い応答性が求められ、高周波特性に優れ、小形で低ESR(等価直列抵抗)であることに加え、CPUの近傍に搭載されることから、高温環境下でより安定な特性が求められるようになった。これらの要求特性は、従来の電解液を使用したアルミ電解コンデンサでは対応が難しく、それに応えるべく開発されたのが、電解液の替わりに導電性高分子を使用した導電性高分子アルミニウム固体電解コンデンサ(以下、導電性アルミ固体電解コンデンサという)である。現在は電源回路の平滑用途、電流ノイズ除去用途にコンピュータのみならず、広くデジタル機器をはじめとする様々な回路へと用途が広がっている。

 アルミ電解コンデンサに使用される陰極材料を表−1に示す。一般のアルミ電解コンデンサは、電解液と呼ばれる液体を製品内部に含み、電極間をイオン伝導で電荷が移動する。低ESR化は主として電解液とセパレータの低抵抗化によって実現されているが、電解液はイオン伝導であり、電荷を伴うイオンの移動度が、イオン半径に影響されることから、電解液では低ESR化に限界がある。一方、固体電解質は電子伝導であり、イオン伝導よりも高電導度であることから、固体電解質を使用したコンデンサの低抵抗化の開発が進められてきた。中でも近年開発された導電性高分子は、電解液の電導度の1万倍の高電導度であることから、固体電解コンデンサ用の材料に選定されている。
電解質の電導度(S/p) 陰極材料名 伝導機構 耐熱性
0.01
0.1
1
10
100
電解液 イオン伝導
二酸化マンガン 電子伝導 α相転移温度:500℃
TCNQ錯体 電子伝導 熱分解温度:200〜240℃
PPy 電子伝導 熱分解温度:300℃
PEDOT 電子伝導 熱分解温度:350℃
〔表−1:陰極材料の種類と電導度〕
 加えて、熱分解温度の比較においても表−1に示す差が見られる。近年、環境問題から鉛フリーはんだが導入され、電子部品がはんだ付け工程で受ける熱は高温化しており、電子部品自体の高温度対応が求められている。特に、電子部品をセット基板に溶融はんだで接続するリフロー工程では、電子部品を搭載した基板全体を250℃以上の高温下に晒す必要があり、鉛入りはんだを使用した実装より電子部品自身が受ける熱ストレスが大きくなっている。従って、様々な導電性高分子の中から、PPy(ポリピロール)やPEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)のように、熱安定性の高い導電性高分子が主に採用されている。
 導電性アルミ固体電解コンデンサの内部構造を図―1に示す。内部構造には、電解液を使用した一般的なアルミ電解コンデンサとの違いはない。異なる点は、内部に使用している電解質が固体(導電性高分子)か液体(電解液)かという点だけである。従って一般的なアルミ電解コンデンサの生産技術 (巻取、組立)を活用し、製造出来る利点がある。
〔図−1:導電性高分子アルミ固体電解コンデンサの内部構造〕
 導電性アルミ固体電解コンデンサへの市場要求として、以下の二つが挙げられる。

1)高信頼性(長寿命化)
 導電性アルミ固体電解コンデンサは、一般のアルミ電解コンデンサと異なり電解液を使用しておらず、電解液が封口部より蒸散してコンデンサ内部が乾いてしまう、いわゆる「ドライアップ現象」は発生しない。従って、長寿命が期待出来る製品である。一方で、デジタル家電の代表格である薄型テレビでは、画面をなめらかに動かすための倍速回路が搭載されたり、セット自体の薄さを競う状況にあり、搭載される部品には非常に厳しい条件になっている。特にインバータ回路等が搭載されることが多いセット上部においては、回路周辺温度が上昇する傾向にあり、電解液を使用している一般のアルミ電解コンデンサでは、回路要求仕様を満足するのが困難になってきている。また、薄型ディスプレイパネルの新しい用途として、デジタル・サイネージ(電子看板)がある。屋外に設置されるため、使用環境が過酷な上に頻繁にメンテナンスが出来ないことから、高い信頼性が要求される。
 当社は製造工程の見直しにより、導電性高分子の形成方法を改良。加えて素子設計及び部材構成の見直しによる最適化を行い、従来の2.5倍の保証時間を実現した105℃5000時間保証のチップ形「CSシリーズ」、同リード線形「LSシリーズ」を開発した。「CSシリーズ」のサイズはφ4×6L〜φ8×7Lmm、定格電圧4〜16V、静電容量範囲3.3〜560μFをラインアップしている。「LSシリーズ」のサイズはφ6.3×9L〜φ10×13Lmm、定格電圧2.5〜16V、静電容量範囲100〜1500μFをラインアップしている。用途は前述のデジタル家電機器だけでなく、高い信頼性を求められる産業用CPUボード、部品交換サイクルを延長したい産業機器など多岐にわたり、市場要求に対する導電性アルミ固体電解コンデンサのメリットを生かしたソリューションとなる。

2)高耐電圧化
 一般アルミ電解コンデンサの定格電圧は、誘電体の耐電圧と、電解液の耐電圧によって設定されている。高電圧対応のコンデンサが必要であれば、厚い誘電体を形成した陽極電極箔と、高耐圧の電解液を組み合わせることで、定格電圧700Vまでのアルミ電解コンデンサが上市されている。
 導電性アルミ固体電解コンデンサについても、定格電圧を設定する考え方は同じである。セット機器メーカーでは、回路電圧の約1.5倍を電圧変動における余裕度と設定し、回路設計を行っている場合が多く、例えば24Vラインに搭載されるコンデンサへの耐電圧要求は35Vとなる。
当社は製造工程の見直しにより、導電性高分子の形成方法を改良。加えて素子設計及び部材構成の高耐圧化を行い、定格電圧を市場要求の35Vまで拡大した、リード線形「LVシリーズ」を開発した。サイズはφ8×9L〜φ10×13Lmm、定格電圧16〜35V、静電容量範囲82〜560μFをラインアップしている。
市場では導電性アルミ固体電解コンデンサの特長に魅力を感じながらも、最高定格電圧に余裕がないために導入出来ない回路が多く存在している。今回の定格電圧範囲の拡大は、現在の導電性アルミ固体電解コンデンサが使用されている回路から、他の回路へのブレーク・スルーを可能にする。当社では更に高い電圧への展開を視野に入れ開発を続けている。

 導電性アルミ固体電解コンデンサの開発は、今後下記のように進むと考えられる。

1)低ESR・低ESL化
 ユーザー要求として、高周波におけるインピーダンス低減がある。現在は、100〜300kHzのESR値が規格化されており、この周波数帯で一層の低ESR化を実現すべく、導電性高分子の高電導度化が求められる。更に周波数帯が上がると、今度はESL(等価直列リアクタンス)がインピーダンスに影響する。ESLは、主としてコンデンサの構造に起因するが、低ESL化においても高電導度の導電性高分子が必要である。
 コンデンサ電極箔表面にある微細なピット(細孔)の隅々まで導電性高分子を形成することで、低ESR特性が得られる。また、素子を巻く形状に起因するESL対応としては、構造的な対策が必要となる。当社では、巻回形導電性アルミ固体電解コンデンサのチップ形「CJシリーズ」リード線形「LEシリーズ」を始めとする低ESR品を上市している。しかし、更なる低ESR化への市場要求は強く、新たな製品を市場投入すべく開発を行なっている。

2)小形化
 セット機器の小形・薄形化が進む中、セット機器メーカーは、部品の小形化を常に要求している。同一静電容量であれば、より小形の製品を求められ、同一サイズであれば、より大きな静電容量が要求される。導電性アルミ固体電解コンデンサの小形化は、電極箔の表面積を大きくすることで実現しており、微細なピット(細孔)を沢山形成する必要がある。そして、ピットの隅々まで導電性高分子を形成することで、小形・大容量の導電性アルミ固体電解コンデンサを実現している。当社では、同一サイズにおいて標準品の約3〜4倍の容量を得られるチップ形大容量品「CGシリーズ」、リード線形大容量品「LGシリーズ」を上市しており、同一容量比較においては1〜2ランクの小形化を実現している。

3)高温度対応
 導電性アルミ固体電解コンデンサの最高使用温度は、現在105℃が主流であるが、車載用途や産業機器用途には、125℃以上が必須であることから、高温度においても物性的に安定化を図った導電性高分子を開発中である。

4)高耐電圧化
 導電性アルミ固体電解コンデンサは、電源回路を中心に採用が進んできたが、その他のデジタル機器、車載機器、産業機器にも採用が広がり、高耐電圧化への要求が高まっている。導電性アルミ固体電解コンデンサの特長である、低ESR特性を保ちながら高耐電圧化を図った製品が求められている。

 巻回型導電性アルミ固体電解コンデンサは、大容量化が容易であり、単位面積当たりの静電容量が他のコンデンサに比べて大きいという特長がある。機器のデジタル化により、回路基板の多層化・高集積化が進む中で、基板上における電子部品の集積度は逆に下がっている。高さ方向のスペースを有効活用し、少ない部品搭載数で要求を満たせる巻回型導電性アルミ固体電解コンデンサは、タンタル固体電解コンデンサや積層セラミックコンデンサと比較して、単位面積当たりの静電容量集積率が高く、セットの小型化と低コスト化を目指したセット機器メーカーの開発方向にマッチした製品である。
 導電性アルミ固体電解コンデンサは、薄型テレビなどのデジタル家電やコンピュータのマザーボードなど、広範囲に使用されている。また、演算処理の高速化を実現したマルチコアシステムや、ブルーレイディスク機器など、最新機器から要求される特性に適用できる点が多く考えられ、将来に向けての期待は大きい。当社は、市場分野の拡大に向けて、さらなる小形、低ESR・低ESL、高耐電圧、高信頼性、高温度対応化に向け取り組んでいく。

ニチコン福井株式会社 技術課 森石 亮治
2009年1月7日付 電波新聞掲載
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