「チップ形アルミ電解コンデンサの最新技術動向」
 
1.はじめに

 エレクトロニクス技術の高度化に伴い、搭載部品には「小形化」、「高効率化」、「高密度実装による雰囲気温度上昇への対応」、「長寿命化」などが求められている。
 昨今の市場環境は一時期の低迷は脱しつつあるが、今なお予断は許されない状況にある。部品需要はここにきて若干明るさが出てきたものの、本格的な回復にはまだ時間がかかりそうである。しかし、とりわけ車載関連分野に関しては堅調な推移を示しており、電気自動車やハイブリッド車といった環境負荷が小さいエコカーの市場が拡大している。
 こうした車載関連分野では、車両デザインの自由度を損なわないために搭載部品の省スペース化が加速しており、面実装化による高密度実装技術に拍車がかかっている。高密度実装技術は車載関連分野のみならず、デジタル関連機器や情報通信機器等も例外ではない。こうした背景を受けて市場ニーズはリード線形から面実装(チップ)形タイプに変わりつつあり、面実装品に要求される性能も年々高まっている。
 ここでは当社製品を例にチップ形アルミ電解コンデンサの最新技術動向を述べる。

2.アルミ電解コンデンサについて

 アルミ電解コンデンサは、体積当たりの静電容量が他のコンデンサよりも大きく、主材料となるアルミニウムは金属材料中でも比較的安価であり、今日でも、あらゆる電子機器に搭載されている汎用的な電子部品である。
 アルミ電解コンデンサは、誘電体として高純度アルミ箔表面に形成されたアルミニウム酸化皮膜(Al2O3)を用いている。誘電体となる酸化皮膜は、他の誘電体と比べて非常に薄く均一な層を形成することができ、かつ比誘電率が高いので大きな静電容量を得るのに有利である。
 アルミ電解コンデンサは陽極箔と陰極箔を対向させ、両極箔間にセパレータを介して円筒状に巻回させた素子に対して、電解液を含浸させアルミケースに挿入し封口材で封止する構造となっている。アルミ電解コンデンサの静電容量は誘電体の表面積に比例するが、効率よく大きな静電容量を得るために電極箔を化学的に粗面化(エッチング)し実効表面積を拡大させている。両極箔間に介されたセパレータは絶縁物であるが、電解液を含浸していない素子の静電容量は僅かであり、素子に電解液を含浸することによってセパレータが電解液を保持し、酸化皮膜が誘電体として有効に機能するようになる。すなわち、電解液は真の陰極の役割を果たしている。電解液の特性はアルミ電解コンデンサの諸特性に関わるため、コンデンサの定格、温度範囲、用途に応じて適切なものを選択している。
 チップ形アルミ電解コンデンサは、リフローによるはんだ付けに対応するため、高耐熱の電解液と封口材を使用している。また基板実装時の安定性と耐熱性の向上を目的に樹脂成形板(座板)が取り付けられている。この形状(JIS 32形)が、今日におけるチップ形アルミ電解コンデンサの主流となっている。【図1】

【図1】チップ形アルミニウム電解コンデンサ構造図

【図1】 チップ形アルミニウム電解コンデンサ構造図

3.小形・高容量・低インピーダンス品「CMシリーズ」
小形・高容量・低インピーダンス規定 チップ形アルミ電解コンデンサ「CMシリーズ」

小形・高容量・低インピーダンス規定
チップ形アルミ電解コンデンサ
「CMシリーズ」

 高度なエレクトロニクス化が進む車載機器分野をはじめデジタル関連分野、情報通信機器分野の市場ニーズに対応するため、業界最小の105℃ 2000時間保証・高容量・低インピーダンス規定品のチップ形アルミ電解コンデンサ「CMシリーズ」を開発。(写真1)
 機器の二次側や制御系へ採用されるコンデンサには低ノイズ、低インピーダンス化が要求されている。また、高密度実装化に加え機器の小型、高性能化に伴いコンデンサ単体での小形、高容量化、低インピーダンス化が必要不可欠とされている。
 本製品は、当社で今まで培ってきた技術をベースに製品構造の最適化を図っている。セパレータは実績のある低ESR(ESR:等価直列抵抗)かつ高密度で信頼性の高い薄手化セパレータを採用した。セパレータを薄手化することにより、両電極箔間にセパレータを介して巻回した構造を持つ円筒状素子の体積を縮小できる。換言すれば、同体積でより多くの電極箔を巻回出来るため、電極箔の対向面積を拡大することが可能となった。更に陽極箔には高容量電極箔を採用している。
 上記技術の採用により、同一定格当たりでは現行シリーズの「CLシリーズ」に比べ1ランク小形化を実現している。【図2】「CMシリーズ」のラインアップにより何れの市場においても常に要求のあるセット機器の小型化・軽量化、員数削減が可能となる。
 サイズ体系はφ4〜φ6.3×5.8L、φ6.3×7.7L、φ8×10L、φ10×10Lの6サイズで構成しており、定格電圧範囲は6.3〜50V、定格静電容量範囲は10〜2200μFをカバーする。

【図2】「CLシリーズ」と「CMシリーズ」のサイズ体系比較

【図2】「CLシリーズ」と「CMシリーズ」のサイズ体系比較

4.高信頼性(135℃)低温ESR規定品「CXシリーズ」
135℃ 2000時間保証低温ESR規定 チップ形アルミ電解コンデンサ「CXシリーズ」

135℃ 2000時間保証低温ESR規定
チップ形アルミ電解コンデンサ
「CXシリーズ」

 車載機器分野を中心に、エンジンルーム内の様な過酷な高温環境へ対応しつつ寒冷地での使用にも適した製品として、高信頼の耐久性試験後低温ESR規定品の要求が高まっている。本製品は耐久性試験後低温ESR規定品としては業界初となる135℃での耐久性を保証したシリーズとして開発。特長として「カテゴリ上限温度135℃」、「低温ESR規定」、「耐振動構造対応」と過酷環境下にある車載エンジン周辺部への搭載に適している。現行シリーズとなる「CZシリーズ」では125℃対応であったが、「CXシリーズ」では高温度環境下での安定性を向上した電解液の採用、高信頼性封口材の採用、高倍率陽極箔の採用、製品構造の最適化により耐久性は135℃ 2000hを保証している。(低温ESR保証時間:1000h)【図3】
 サイズ体系はφ6.3×10L、φ8×10L、φ10×10Lの3サイズで構成しており、定格電圧範囲は10〜35V、定格静電容量範囲は47〜470μFをカバーする。特にφ6.3×10Lは高密度実装化に対応するべく新たにラインアップしたサイズである。(写真2)
 なお、当社製品は環境負荷に配慮した製品開発を進めており、「CMシリーズ」及び「CXシリーズ」何れもRoHS指令に対応済みである。

【図3】「CZシリーズ」と「CXシリーズ」のESR経時劣化対比

【図3】「CZシリーズ」と「CXシリーズ」のESR経時劣化対比

5.アルミ電解コンデンサの今後の展望

 多種多様な分野のエレクトロニクス技術の進歩は、電子部品の小形化・高効率化・高性能化の上に成り立っている。
 デジタル関連機器に関してはよりコンパクトに、より高性能に、より手軽にと年々その様相は変化している。
 車載関連分野に関しては、電気自動車やハイブリッド車のような環境負荷を低減するために電動駆動の採用や、快適な車内空間を得るためにECUをエンジンルームに集中させシステムの簡略化や低コスト策を講じている。その一方で、ドライブアシスト機能やナビゲーションシステム等もこれまで以上に高度化、多様化している。
 常に進化を続けるエレクトロニクス技術に対しスピーディーに対応するために、「高付加価値品」や「カスタム品」といった製品開発は特に重要な位置付けとして注力していく必要がある。また、現行技術の応用だけではなくイノベーションにより生み出された新たな製品群を提案していく必要がある。「CMシリーズ」「CXシリーズ」で実現したイノベーションを更に発展させ、より高性能な製品開発に取り組んでいく。

ニチコン株式会社
2013年8月8日付 電波新聞掲載
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