JP5112630B2

JP5112630B2 - 電解コンデンサ電極用アルミニウム材、電解コンデンサ用電極材の製造方法、アルミニウム電解コンデンサ用陽極材及びアルミニウム電解コンデンサ

Info

Publication number: JP5112630B2
Application number: JP2005367420A
Authority: JP
Inventors: 勝起吉田; 雅生前田; 潔渡邊
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007146269A

Description

この発明は、電解コンデンサ電極用アルミニウム材、電解コンデンサ用電極材の製造方法、アルミニウム電解コンデンサ用陽極材及びアルミニウム電解コンデンサに関する。

なお、この明細書において、「アルミニウム」の語はアルミニウム及びその合金の両者を含む意味で用い、またアルミニウム材には少なくともアルミニウム箔、アルミニウム板及びこれらの成形体が含まれる。

近年、電子機器の小型化に伴い、電子機器に組み込まれる電解コンデンサ電極用アルミニウム箔についても静電容量の向上が要望されている。

通常、電解コンデンサ電極に使用されるアルミニウム材は、拡面率を高めて静電容量を向上させるためにエッチング処理される。そして、エッチング処理により形成されるエッチピットは高密度且つ均一で深いほど拡面率が高くなる。よって、アルミニウム材にはエッチング適性を改善すべくエッチング処理の前工程として様々な処理が行われている。

例えば、(100)結晶方位の調整、アルミニウム材へのPb、Bi等微量不純物の添加による組成の調整、最終焼鈍前の脱脂洗浄、最終焼鈍前の水和処理と最終焼鈍での結晶性酸化膜の形成処理、最終焼鈍前の酸化処理等である（例えば特許文献１及び２）。

また、Zn、Mn、Cu、Fe、Si、Ga、Pb、Mg、B、V、Ti、Zr、Ni、C、P等の種々の元素の含有量を規定して高静電容量を得る方法も提案されている（例えば特許文献３及び４）。

さらに、最終焼鈍後のアルミニウム箔の飽和電流密度と電流密度急増電位について規定し、規定された範囲内の酸化皮膜は表面溶解が抑えられ、静電容量が高いという報告もある(例えば特許文献５）。
特公昭５８−３４９２５号公報特開平３−１２２２６０号公報特開平２-２７０９２８号公報特開平５−５１４５号公報特開平１１-３６０３２号公報

しかしながら、上述したような取り組みだけでは、昨今の電解コンデンサの高静電容量化の要求に対して十分な満足を得るものではなかった。特に、特許文献３及び特許文献４に記載された微量元素の含有量制御という技術に関しては、改善の余地がある。

また、特許文献５に記載された飽和電流密度と電流密度急増電位の規定については、表層の酸化膜の特性を規定するものであり、アルミニウム材中の微量含有元素との関係については検討されていない。

本発明は、このような技術背景に鑑み、深いエッチピットを高密度かつ均一に発生させて確実に拡面率を高め、静電容量の増大を図ることができる電解コンデンサ電極用アルミニウム材、電解コンデンサ用電極材の製造方法、アルミニウム電解コンデンサ用陽極材及びアルミニウム電解コンデンサを提供しようとするものである。

前記目的は以下の手段によって達成される。

（１）合金組成において、アルミニウム純度が99.98質量％以上であって、Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0005質量％以上含有し、且つZn含有量(質量％)及びGa含有量(質量％)が0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0245（但し、CZnはZn含有量(質量％)を表し、CGaはGa含有量(質量％)を表す。）なる関係を満たしており、Feを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Siを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Cuを0.001質量％以上0.008質量％以下、Pbを0.00003質量％以上0.0002質量％以下含有し、Ti含有量(質量％)、Zr含有量(質量％)及びV含有量(質量％)が0.00035≦CTi＋CZr＋CV≦0.0015（但し、CTiはTi含有量(質量％)を表し、CZrはZr含有量(質量％)を表し、CVはV含有量(質量％)を表す。）なる関係を満たし、かつB含有量が0.0002質量％以下、Fe、Si、Cu、Ga、Zn、Pb、Ti、Zr、V以外の不純物が各々0.001質量％以下であり、表面より5nmまでの表面層のGa含有量AGa(質量％)と深さ5nmより内部のGa含有量BGa(質量％)との比AGa/BGaが3以下であり、且つ電流密度急増電位(E)が−770mV vs S.C.Eより貴で、−710mV vs S.C.Eより卑であることを特徴とする電解コンデンサ電極用アルミニウム材。

（２）Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0008質量％以上含有する前項1に記載の電解コンデンサ電極用アルミニウム材。

（３）Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.001質量％以上含有する前項１または２に記載の電解コンデンサ電極用アルミニウム材。

（４）前項１ないし前項３のいずれか１項に記載されたアルミニウム材に、エッチングを実施する工程を含むことを特徴とする電解コンデンサ用電極材の製造方法。

（５）エッチングの少なくとも一部が直流電解エッチングである前項４に記載の電解コンデンサ用電極材の製造方法。

（６）前項４または前項５に記載の製造方法によって製造されたアルミニウム電解コンデンサ用陽極材。

（７）電極材として前項４または前項５に記載の製造方法によって製造されたアルミニウム電極材が用いられていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。

前項（１）に記載された発明によれば、合金組成において、アルミニウム純度が99.98質量％以上であって、Znを0.0002質量％以上、Gaを0.0005質量％以上含有し、且つZn含有量CZn(質量％)及びGa含有量CGa(質量％)が0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0245なる関係を満たしているから、深いエッチピットを高密度かつ均一に発生させて確実に拡面率を高め、静電容量の増大を図ることができる。

また、Feを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Siを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Cuを0.001質量％以上0.008質量％以下、Pbを0.00003質量％以上0.0002質量％以下含有しているから、エッチピットの不均一な形成や局部的な発生を抑制しつつエッチピットを成長でき、さらに静電容量を増大できる。

また、Ti含有量CTi(質量％)、Zr含有量CZr(質量％)及びV含有量CV(質量％)が0.00035≦CTi＋CZr＋CV≦0.0015なる関係を満たし、かつB含有量が0.0002質量％以下、Fe、Si、Cu、Ga、Zn、Pb、Ti、Zr、V以外の不純物が各々0.001質量％以下であるから、エッチピットの不均一な形成や局部的な集中形成を防止し得て、静電容量を増大できる。

また、Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0005質量％以上含有するから、優れた静電容量を得ることができる。

前項（２）に記載された発明によれば、Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0008質量％以上含有するから、さらに優れた静電容量を得ることができる。

前項（３）に記載された発明によれば、Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.001質量％以上含有するから、さらに優れた静電容量を得ることができる。

前項（４）に係る発明によれば、エッチングにより大きな静電容量を有する電解コンデンサ用電極材を製造することができる。

前項（５）に係る発明によれば、エッチングの少なくとも一部を直流エッチングで行うことにより、深くて太い多数のトンネル状ピットを生成することができ、アルミニウム材の組成を規定したことによる前記効果を効率的に発揮させることができる。

前項（６）に係る発明によれば、高静電容量のアルミニウム電解コンデンサ用陽極材となし得る。

前項（７）に係る発明によれば、高静電容量のアルミニウム電解コンデンサとなし得る。

本発明に係る電解コンデンサ電極用アルミニウム材において、組成を規定する各元素の添加意義、含有量の限定理由および物性の限定理由は次のとおりである。

アルミニウム純度は99.98質量％以上が好ましく、99.98質量％未満では不純物量が多くなって、微量添加元素の含有量を制御しても、エッチング時に過溶解が生じやすくなりエッチング特性が低下する。

Zn,Gaの組成についてはZnは0.0002質量％以上、Gaは0.0005質量％以上とする。Znを0.0002質量％未満又は、Gaを0.0005質量％未満に抑えようとすると、精製コストの面で不利であるため、経済的に効果的でない。特に、Gaは偏析法を用いた精製を行う場合、平衡分配係数が大きいため、精製効率が良くない。経済的な面から考えて、好ましいGaの範囲は0.0008質量％以上であり、さらに好ましい範囲は0.001質量％以上である。

Znは最終焼鈍後には約5倍程度表層に濃化し、粒界に偏析しやすいという特徴がある。そのため、Znの含有量は0.0007質量％未満とするのが望ましいが、0.0007質量％以上含有されることを妨げるものではない。

また、Zn,Gaはそれぞれの含有量の限定に加えて、Zn含有量CZn(質量％)及びGa含有量CGa(質量％)が0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0245なる関係を満たしていることを要件とする。アルミニウム材中のGa、Znはアルミニウムマトリックス中に固溶することにより、アルミニウム材の溶解性を増して、エッチピットの拡面効果を促進し、静電容量を増大させる。この効果は、6CGa＋7CZnが0.0056より小さいと十分でない。また、6CGa＋7CZnが0.0245より大きくなると、過溶解を引き起こすので、好ましくない。好ましくは0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0210の範囲であり、さらに好ましい範囲は0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0189である。

また、アルミニウム材の表面層(表面より5nmまでの層)のGa含有量AGa(質量％)と深さ5nmより内部のGa含有量BGa(質量％)との比AGa/BGaは3以下、好ましくは2.9以下、より好ましくは2.7以下とするのがよい。且つ電流密度急増電位(E)が−770mV vs S.C.Eより貴で、−710mV vs S.C.Eより卑であるのが良い。Gaは含有量が増加すると電流密度急増電位(E)が貴な方向に移行する。そのため、表面層のGa含有量AGa(質量％)が内部のGa含有量BGa(質量％)との比AGa/BGaで3を超えて濃化すると、表面層では電位が貴になり過ぎてしまうので、一段目エッチング時のピット発生を妨げ、不均一にする恐れがある。また、電流密度急増電位(E)が−770mV vs S.C.Eより卑になると、材料自体の溶解性が向上し過ぎるため好ましくない。Gaがアルミニウム材の表面層に濃化する場合、アルミニウム材の内部ではGaが希薄になってしまうため、電流密度急増電位(E)は卑に移行してしまう。よって、電流密度急増電位(E)を上記範囲内に制御するには、内部のGa含有量と表面層のGa含有量の両方を制御することが重要となる。表面層のGa含有量と深さ5nmより内部のGa含有量との比を3以下に制御するには、最終焼鈍の条件が大きく影響するため、最終焼鈍において520℃以上の高温で4時間以上の保持を行う必要がある。

アルミニウム材の化学組成において、Siは再結晶時の結晶粒の粗大化を防止する効果がある。含有量が0.0008質量％未満では前記効果に乏しく、0.004質量％を超えるとエッチピットの分布が不均一になる恐れがあるため、0.0008〜0.004質量％に規定するのが良い。さらにSi含有量の好ましい上限値は0.003質量％である。

Feはアルミニウムに不可避的に含有される元素であり、多量に含有していると最終焼鈍温度によってはAl-Fe系の析出物を形成してエッチピットの形成を不均一にする恐れがある。Fe含有量が0.004質量％を超えるとAl-Fe系の析出物を形成しやすくなり、0.0008質量％未満に規制するのは精製コストの面で不利であるため、0.0008〜0.004質量％とするのが良い。さらにFe含有量の好ましい上限値は0.003質量％である。

Cuは、アルミニウムマトリックス中に固溶することにより、アルミニウム材の溶解性を増してエッチピットの成長を促進し、静電容量を増大させる。含有量が0.001質量％未満ではその効果に乏しく、0.008質量％を超えると過溶解となり、エッチング特性を阻害する恐れがあるため、0.001〜0.008質量％の範囲に規定するのが良い。Cu含有量の好ましい下限値は0.003質量％であり、好ましい上限値は0.007質量％である。

Pbは、最終焼鈍時に箔表面に濃化し、エッチング初期のエッチピット発生を均一化し、局部的なエッチピット発生を抑制する。0.00003質量％未満では前記効果に乏しく、0.0002質量％を超えるとアルミニウム表面の溶解が激しくなり静電容量が却って低下するため、合計含有量を0.00003〜0.0002質量％の範囲とするのが良い。Pb含有量の好ましい下限値は0.00004質量％であり、好ましい上限値は0.00015質量％である。

Ti、ZrおよびVは、Ti含有量CTi(質量％)、Zr含有量CZr(質量％)及びV含有量CV(質量％)が0.00035≦CTi＋CZr＋CV≦0.0015と規定するのが良い。Ti,Zr,Vのような包晶系元素は偏析法を用いた精製塊を用いる場合、含有量が多くなる元素である。これらの元素はアルミニウムと金属間化合物を形成しやすく、合計で0.0015質量％を超えて含有すると、析出してエッチピットの形成を不均一にする恐れがあり、0.00035質量％未満にするのは、精製コストの面で不利であるため好ましくない。合計含有量の好ましい上限値は0.0011質量％である。

また、B含有量は0.0002質量％以下に規制するのが良い。BはTi、ZrおよびVと化合物を形成すると、エッチピットを局部的に集中発生させるおそれがあるため、可及的に少ないことが好ましい。B含有量のより好ましい上限値は0.0001質量％である。

なお、Fe、Si、Cu、Ga、Zn、Pb、Ti、Zr、V以外の不純物は各々0.001質量％以下とするのがよい。

本発明に係る電解コンデンサ電極用アルミニウム材の製造方法は特に限定されることはなく、常法に従い製造すればよいが、アルミニウム塊の精製は、安価な偏析法により行うのが望ましい。三層電解法により精製されたアルミニウム塊よりも安価な偏析法により精製された低コストのアルミニウム塊を多く用いても、深いエッチピットを高密度かつ均一に発生させて確実に拡面率を高め、静電容量の増大を図ることができ、高静電容量と低コストを共に達成できる。

また、アルミニウム材の厚さは限定されない。箔と称される200μｍ以下のものも、それ以上の厚いものも本発明に含まれる。

本発明に係るアルミニウム材は、拡面率向上のためのエッチングが施されて、電解コンデンサ用電極材として使用される。エッチング処理条件は特に限定されないが、好ましくは直流エッチング法を採用するのが良い。直流エッチング法によって、前記焼鈍において生成が促進されたエッチピットの核となる部分において、深く太くエッチングされ、多数のトンネル状ピットが生成され、高静電容量が実現される。

エッチング処理後、望ましくは化成処理を行って陽極材とするのが良く、特に、中圧用および高圧用の電解コンデンサ電極材として用いるのが良いが、陰極材として用いることを妨げるものではない。また、この電極材を用いた電解コンデンサは大きな静電容量を実現できる。

次に、この発明の具体的実施例について説明する。

アルミニウム材の製造に際しては、まず、小型ブックモールドにて、表１に示す各種組成の鋳塊を作製した。これらの鋳塊に対し、面削、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍を経て厚さ100μｍの箔に圧延し、脱脂洗浄後に表１に示す条件で最終焼鈍を行った。

そして、得られた各箔について、表面層のGa含有量と内部のGa含有量との比AGa/BGa及び分極測定時の電流密度急増電位(E)を調べた。

箔の片面から5nmの深さまでの領域（表面層）におけるGa含有量は以下の方法により、測定した。

まず、試験材50cm²の試験片を採取し、この試験片を50℃、0.02質量％NaOH水溶液に浸漬して表面層（表面から5nm深さ）を溶解させ、さらに試験片を1.3mol/l硝酸水溶液で洗浄し、洗浄液を前記NaOH水溶液と混合した。溶解厚さの定量は、プラズマ発光分光分析によるAl溶解量測定値に依った。また、溶解液をICP-MS(誘導結合プラズマ質量分析)によって、表面層のGa量を測定した。内部のGa含有量は、まず箔を1mol/lのHCl水溶液中に15分間浸漬し、さらに1質量％HF水溶液中に30秒間浸漬、イオン交換水にて水洗後に80℃で乾燥させ、GDMS(グロー放電質量分析)によって、Ga量を測定した。以上の測定結果より、表面層のGa含有量と内部のGa含有量の比AGa/BGaを算出した。算出結果を表２に示す。

また、電流密度急増電位(E)は以下の方法により、測定した。

まず、試験材を50℃、5質量％NaOH水溶液に30秒浸漬し、水洗し、30質量％HNO₃水溶液に60秒浸漬後、イオン交換水にて、水洗した。この処理のあと、直ちに、あらかじめ100ml/minでN₂ガスを30分以上吹き込みを行い、十分に脱気した40℃、2.67質量％AlCl₃水溶液にアルミニウム箔を浸漬し、5分間放置した。その後、自然電位から貴な方向に電位掃引速度20mV/minでアノード分極して電位―電流曲線を得た。測定時に、対極にはプラチナ、照合電極には、飽和カロメル電極（S.C.E）を用いた。この電位―電流密度曲線から、電流密度急増電位(E)を以下のようにして求めた。
１）電位-電流密度曲線(A)を求める(図１)。
２）この電位-電流密度曲線において、電位-900mV vs S.C.E.以上−600 mV vs S.C.E.以下の範囲にて電流密度(mA/cm²)の最小変化率を示す直線(B)、即ち最小変化率を示す位置で接線を引く。
３）電位-電流密度曲線において、電位−900mV vs S.C.E.以上−600 mV vs S.C.E.以下の範囲にて電流密度(mA/cm²)の最大変化率を示す直線(C)、即ち最大変化率を示す位置で接線を引く。
４）(B)、(C)の交点を(P)とし、(P)に対応する電位(E)を電流密度急増電位とする。
このようにして求めた電流密度急増電位(E)の測定結果を表２に示す。

また、エッチングは以下の方法により行った。

HCl：1mol/lとH₂SO₄：3.5mol／lを含む液温：75℃の水溶液に浸漬した後、電流密度：0.2A／cm²で電解処理を施した。電解処理後のアルミニウム材をさらに前記組成の塩酸−硫酸混合水溶液に90℃にて360秒間浸漬し、エッチングされたアルミニウム材を得た。得られたアルミニウム材を化成電圧：270ＶにてEIAJ規格に従い化成処理して陽極材とし、静電容量を測定した。その結果を比較例No.１静電容量を100としたときの相対比較にて、併せて表２に示す。

表２の結果より、Ga、Znの組成が本発明の範囲内にある実施例は、これらが本発明の範囲を逸脱する比較例１〜２に比べて、エッチングにより静電容量を増大し得ることを確認した。また、Fe、Si、Cu、Pb、Ti、Zr、V、Bの組成が本発明の範囲内にあり、表面層のGa含有量と内部のGa含有量との比が3以下であり、分極測定時の電流密度急増電位(E)が−770mV vs S.C.Eより貴で、−710mV vs S.C.Eより卑である実施例１〜２２は、範囲を逸脱する他の実施例２３〜２９よりも静電容量をさらに増大しうることがわかる。

電流密度急増電位を求めるための電位―電流密度曲線を示す図である。

Claims

合金組成において、アルミニウム純度が99.98質量％以上であって、Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0005質量％以上含有し、且つZn含有量(質量％)及びGa含有量(質量％)が0.0056≦6CGa＋7CZn≦0.0245（但し、CZnはZn含有量(質量％)を表し、CGaはGa含有量(質量％)を表す。）なる関係を満たしており、
Feを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Siを0.0008質量％以上0.004質量％以下、Cuを0.001質量％以上0.008質量％以下、Pbを0.00003質量％以上0.0002質量％以下含有し、
Ti含有量(質量％)、Zr含有量(質量％)及びV含有量(質量％)が0.00035≦CTi＋CZr＋CV≦0.0015（但し、CTiはTi含有量(質量％)を表し、CZrはZr含有量(質量％)を表し、CVはV含有量(質量％)を表す。）なる関係を満たし、かつB含有量が0.0002質量％以下、Fe、Si、Cu、Ga、Zn、Pb、Ti、Zr、V以外の不純物が各々0.001質量％以下であり、
表面より5nmまでの表面層のGa含有量AGa(質量％)と深さ5nmより内部のGa含有量BGa(質量％)との比AGa/BGaが3以下であり、且つ電流密度急増電位(E)が−770mV vs S.C.Eより貴で、−710mV vs S.C.Eより卑であることを特徴とする電解コンデンサ電極用アルミニウム材。
Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.0008質量％以上含有する請求項１に記載の電解コンデンサ電極用アルミニウム材。
Znを0.0002質量％以上0.0007質量％未満、Gaを0.001質量％以上含有する請求項１または２に記載の電解コンデンサ電極用アルミニウム材。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載されたアルミニウム材に、エッチングを実施する工程を含むことを特徴とする電解コンデンサ用電極材の製造方法。
エッチングの少なくとも一部が直流電解エッチングである請求項４に記載の電解コンデンサ用電極材の製造方法。
請求項４または請求項５に記載の製造方法によって製造されたアルミニウム電解コンデンサ用陽極材。
電極材として請求項４または請求項５に記載の製造方法によって製造されたアルミニウム電極材が用いられていることを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。