DE102008041169A1 - Dotiertes Keramikpulver zur Verwendung beim Ausbilden von Kondensator-Anoden - Google Patents

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Abstract

Ein Elektrolytkondensator, der einen Anoden-Körper enthält, der aus einem Pulver ausgebildet ist, das elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen und ein nichtmetallisches Element in einer Menge von ungefähr 100 ppm oder mehr enthält, wird in einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt. Das nichtmetallische Element hat eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand, die fünf Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder mehr umfasst. Beispiele für solche Elemente sind zum Beispiel Phosphor, Arsen, Antimon und so weiter. Der Kondensator enthält auch eine dielektrische Schicht, die über dem Anodenkörper liegt, und eine Elektrolyt-Schicht, die über der dielektrischen Schicht liegt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Elektrolytkondensatoren werden oft aus Ventilmaterialien ausgebildet, die in der Lage sind, oxidiert zu werden, um eine dielektrische Schicht zu bilden. Typische Ventilmetalle sind Niob und Tantal. Vor kurzem wurden Kondensatoren entwickelt, bei denen eine Anode verwendet wird, die aus einem elektrisch leitfähigen Oxid von Niob und einem Dielektrikum aus Niobpentoxid hergestellt sind. Kondensatoren auf der Basis von Nioboxid haben bedeutende Vorteile gegenüber Tantal-Kondensatoren. Zum Beispiel ist Nioboxid umfangreicher verfügbar und potenziell preiswerter zu verarbeiten als Tantal. Nioboxid-Kondensatoren sind auch beständiger gegen weitere Oxidation und somit weniger anfällig gegen thermische Abweichungen bei zu großen Spannungen (oder anderen Überlasten) als Tantal und Niob. Ferner hat Nioboxid im Vergleich zu Niob und Tantal eine um mehrere Größenordnungen höhere Mindest-Zündungs-Energie. Nioboxid-Kondensatoren können auch einen einzigartigen Hochwiderstands-Fehlermechanismus haben, mit dem der Leckstrom auf einen Wert begrenzt wird, der unter dem thermischen Abweichungs-Punkt des Kondensators liegt.
  • Trotz der vielen Vorteile, die solche auf Keramik (z. B. Nioboxid) basierenden Kondensatoren bieten, wurde ihr Einsatz in Anwendungen mit hohen Spannungen (z. B. Nennspannung von 16, 20 oder 35 Volt) oft durch die relativ kleine Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums begrenzt. Im Allgemeinen werden, wenn die Ladung und die Spannung eines Kondensators erhöht werden, freie Elektronen schließlich auf Geschwindigkeiten beschleunigt, bei denen zusätzliche Elektronen bei Kollisionen mit neutralen Atomen oder Mo lekülen in einem Prozess freigesetzt werden können, der Lawinendurchbruch genannt wird. Der Durchbruch findet abrupt statt (typischerweise in Nanosekunden), was zur Bildung eines elektrisch leitfähigen Pfades und einer zerstörenden Entladung durch das Material führt. In solchen Situationen kann der Kondensator beschädigt oder zerstört werden. Man nimmt an, dass in Nioboxid-Kondensatoren die Sauerstoff-Leerstellen von Nb2O5-x als Elektronen-Donatoren wirken, die bewirken, dass das Anoden-Oxid als n-Typ-Halbleiter wirkt. Man nimmt an, dass leider Punkt-Defekte vom Schottky-Typ im n-Typ-Halbleiter vorherrschen, wobei Sauerstoff-Atome ihren Platz in der Gitterstruktur verlassen (und dadurch eine Sauerstoff-Leerstelle erzeugen) und sich in die Bereiche mit geringerer Konzentration bewegen. Es wird angenommen, dass im Fall von Nioboxid-Kondensatoren der Sauerstoff-Gradient an der Schnittstelle zwischen der Anode aus Niobmonooxid und dem Dielektrikum aus Niobpentoxid die Sauerstoffatome antreibt, in die Bereiche mit kleinerer Konzentration im Niobmonoxid zu diffundieren, wodurch Sauerstoff-Leerstellen im Dielektrikum erzeugt werden. Solche Defekte können tiefe Haftzentren im Dielektrikum bilden, in denen die elektrische Ladung gespeichert werden kann und die bei einer angelegten Gleichspannung als Quelle des Ladungsträgertransportes durch Poole-Frenkel- und Tunnel-Mechanismen dienen können. Das Anlegen einer hohen Spannung und Temperatur beschleunigt die Sauerstoff-Diffusion noch weiter und erhöht die Anzahl von Defekten im Dielektrikum. Dies führt zu einer Leckstrom-Instabilität bei einer erhöhten Temperatur- und Spannungsbelastung, wodurch der Einsatz solcher Kondensatoren bei höheren Betriebsspannungen begrenzt werden kann.
  • Als solches besteht aktuell ein Bedarf an Elektrolytkondensatoren, die aus einer auf Keramik basierenden Anode ausgebildet sind, die in der Lage ist, mit relativ hohen Spannungen zu arbeiten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrolytkondensator offen gelegt, der einen Anoden-Körper enthält, der aus einem Pulver ausgebildet ist, das elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen und ein nichtmetallisches Element in einer Menge von 100 ppm oder mehr enthält. Das nichtmetallische Element hat eine Grundzustands-Elektronenkonfiguration, die fünf Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder mehr enthält. Beispiele für solche Elemente sind zum Beispiel Phosphor, Arsen, Antimon und so weiter. Der Kondensator enthält auch eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, und eine Elektrolyt-Schicht, die über der dielektrischen Schicht liegt.
  • Gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Keramik-Pulver zur Verwendung beim Ausbilden von Kondensator-Anoden offen gelegt. Das Keramik-Pulver enthält elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen und hat einen Phosphorgehalt von ungefähr 200 ppm oder mehr. In noch einer anderen Ausführung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Kondensator-Anode offen gelegt, das es umfasst, elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen mit einem Phosphor-Dotierstoff zu dotieren, um ein Pulver auszubilden, das einen Phosphorgehalt von ungefähr 200 ppm oder mehr hat. Das Pulver wird verdichtet, um einen Pressling zu bilden, und gesintert.
  • Andere Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter dargelegt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Eine komplette und befähigende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Art und Weise, gerichtet an einen Fachmann, wird im Rest der Beschreibung genauer angegeben, in der Bezug auf die begleitenden Figuren genommen wird, in denen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführung eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Querschnitts-Ansicht des Kondensators aus 1 entlang einer Linie 2-2 ist;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Laser-Schweißen eines Kondensators an einen Anoden-Anschluss ist; und
  • 4 eine Querschnitts-Ansicht eines mit Laser geschweißten Kondensators ist, der gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
  • Eine wiederholte Benutzung von Referenzzeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen ist beabsichtigt, um dieselben oder analoge Eigenschaften oder Elemente der Erfindung darzustellen.
  • Detaillierte Beschreibung repräsentativer Ausführungsformen
  • Es ist von jemandem mit gewöhnlichem Fachwissen zu verstehen, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und nicht als Beschränkung der breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung gedacht ist. Diese breiteren Aspekte sind im beispielhaften Aufbau enthalten.
  • Allgemein ausgedrückt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein elektrisch leitfähiges Keramik-Pulver zur Verwendung beim Ausbilden von Kondensator-Anoden. Das Pulver hat typischerweise eine hohe spezifische Ladung, wie z. B. ungefähr 25000 Mikrofarad·Volt pro Gramm ("μF·V/g") oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 40000 μF·V/g oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 60000 μF·V/g oder mehr, in manchen Ausfüh rungen ungefähr 70000 μF·V/g oder mehr, und in manchen Ausführungen ungefähr 80000 bis ungefähr 200000 μF·V/g oder mehr. Beispiele für Keramik-Teilchen zur Verwendung beim Ausbilden solcher Pulver sind Oxide von Ventilmetallen, wie Tantal, Niob, usw. Ein besonders effektiver Typ von Keramik-Teilchen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob, wie z. B. Nioboxid, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger als 2.5, in manchen Ausführungen 1:weniger als 1,5, in manchen Ausführungen 1:1,0 ±0,1 und in manchen Ausführungen 1:1,0 ±0,05 hat. Zum Beispiel kann das Nioboxid NbO0,7, NbO1,0, NbO1,1, und NbO2 sein. In einer bevorzugten Ausführung enthalten die Keramik-Teilchen NbO1,0, das ein leitfähiges Nioboxid ist, das chemisch stabil bleiben kann, sogar nach dem Sintern bei hohen Temperaturen. Beispiele solcher Ventilmetall-Oxide werden in den US-Patenten mit den Nummern 6,322,912 an Fife; 6,391,275 an Fife et al.; 6,416,730 an Fife et al.; 6,527,937 an Fife; 6,576,099 an Kimmel, et al.; 6,592,740 an Fife, et al. und 6,639,787 an Kimmel, et al. und 7,220,397 an Kimmel, al. beschrieben, sowie in den US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungs-Nummern 2005/0019581 an Schnitter; 2005/0103638 an Schnitter, et al.; 2005/0013765 an Thomas, et al., die alle hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
  • Die Keramik-Teilchen können jede gewünschte Form oder Größe besitzen. Zum Beispiel können die Teilchen flockig, eckig, kugelig und Mischungen oder Abänderungen davon sein. Die Teilchen haben auch typischerweise eine Teilchengrößenverteilung von mindestens ungefähr 60 Mesh, in manchen Ausführungen von ungefähr 60 bis ungefähr 325 Mesh, und in manchen Ausführungen von ungefähr 100 bis ungefähr 200 Mesh. Ferner ist die spezifische Oberfläche von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10,0 m2/g, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,5 bis ungefähr 5,0 m2/g, und in manchen Ausführungen von ungefähr 1,0 bis ungefähr 2,0 m2/g. Der Begriff "spezifische Oberfläche" bezieht sich auf die Oberfläche, die durch das Verfahren der phy sikalischen Gasadsorption (B.E.T.) von Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas bestimmt wurde. Auf ähnliche Weise ist die Schüttdichte (oder Scott-Dichte) typischerweise von ungefähr 0,1 bis ungefähr 5,0 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3), in manchen Ausführungen von ungefähr 0,2 bis ungefähr 2,5 g/cm3, und in manchen Ausführungen von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,5 g/cm3.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Keramik-Pulver auch ein "nichtmetallisches Element", das echte Nichtmetalle (z. B. Phosphor), sowie Halbmetalle, wie z. B. Elemente, die amphotere Oxide bilden können und/oder sich als Halbmetalle verhalten (z. B. Antimon), umfasst. Das nichtmetallische Element hat eine Grundzustands-Elektronenkonfiguration, die fünf (5) Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei (3) oder höher enthält. Ohne Absicht, durch die Theorie begrenzt zu sein, wird angenommen, dass eine solche Elektronenkonfiguration dem Element die Fähigkeit verleihen kann, sich an freie Sauerstoff-Elektronen zu binden, und somit ihre Bewegung von Dielektrikum in die Keramik-Anode blockiert. Es wird auch angenommen, dass eine solche Elektronenkonfiguration es dem Element erlaubt, sich leicht in eine Dielektrikums-Matrix aufzulösen, die fünf (5) Valenzelektronen hat (z. B. Nb2O5 oder Ta2O5).
  • Geeignete nichtmetallische Elemente zur Verwendung in einer Anode der vorliegenden Erfindung können zum Beispiel Phosphor, Antimon, Arsen und so weiter umfassen. Phosphor zum Beispiel hat eine Grundzustands-Elektronenkonfiguration von 1s22s22p63s23px 13py 13pz 1. Um fünf (5) kovalente Bindungen zu bilden, kann eines der Elektronen des 3s-Orbitals in eines des 3d-Orbitale befördert werden. Die Elektronen der Ebene 3 hybridisieren sich selbst, um 5 Hybrid-Orbitale zu ergeben, alle mit gleicher Energie (d. h. dsp3-Hybride), die den Platz mit Elektronen aus fünf (5) Sauerstoff-Atomen teilen können, um fünf (5) neue molekulare Orbitale und somit fünf (5) kovalente Bindungen auszumachen. Ähnlich wie Phosphor besitzen sowohl Antimon, als auch Arsen eine Elektronenkonfiguration, die ein Elektron in einem "s"-Orbital enthält, das in einen höheren Energiezustand befördert werden kann. Zum Beispiel enthält Arsen ein Elektron im 4s-Orbital, das in das 4d-Orbital befördert werden kann, das dann in fünf (5) dsp3-Hybride hybridisiert. Auf ähnliche Weise enthält Antimon ein Elektron im 5s-Orbital, das in das 5d-Orbital befördert werden kann, das dann in fünf (5) dsp3-Hybride hybridisiert. Stickstoff andererseits hat eine Elektronenkonfiguration von 1s22s22px 12py 12pz 1. Weil die Energielücke vom Energieniveau 2s zum Energieniveau 3s im Allgemeinen groß ist, findet eine Anhebung eines 2s-Elektrons im Allgemeinen nicht statt, was bedeutet, dass Stickstoff typischerweise keine fünf (5) kovalenten Bindungen ausbildet.
  • Das nichtmetallische Element wird im Allgemeinen durch einen Dotierstoff in das Keramik-Pulver aufgenommen. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung kann jeder Dotierstoff geeignet sein, der in der Lage ist, die gewünschte Konzentration des nichtmetallischen Elementes zu liefern und der keine nachteilige Wirkung auf die elektrischen Eigenschaften des Pulvers hat. In einer Ausführung kann der Dotierstoff zum Beispiel eine Verbindung sein, die mindestens ein Metall (z. B. Tantal, Niob, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, usw.) und mindestens ein nichtmetallisches Element (z. B. Phosphor, Arsen und Antimon) enthält. Eine Klasse von geeigneten Dotierstoffen für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind Metall-Phosphide, die in Pulverform bereitgestellt und somit leicht mit den Keramik-Teilchen gemischt werden können. Beispielhafte Metall-Phosphide sind zum Beispiel Eisenphosphid, Zinkphosphid, Titanphosphid, Manganphosphid, Zinnphosphid, Kupferphosphid, Nickelphosphid, Tantalphosphid, Chromphosphid, Niobphosphid, Lithiumphosphid, Natriumphosphid, Magnesiumphosphid, Cadmiumphosphid, Molybdänphosphid, Wolframphosphid, Vanadiumphosphid, Zirkoniumphosphid, Kobaltphosphid, Hafniumphosphid, Bariumphosphid, Borphosphid, Aluminiumphosphid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Iridiumphosphid, Scandiumphosphid, Yttriumphosphid, Lanthanphosphid, Cerphosphid, Praseodymphosphid, Terbiumphosphid, Erbium phosphid, Dysprosiumphosphid, Holmiumphosphid, Neodymphosphid, Samariumphosphid, Germaniumphosphid, Calciumphosphid, Silberphosphid, Platinphosphid, Gadoliniumphosphid, Aluminum-Gallium-Phosphid, Gallium-Indium-Phosphid, Aluminum-Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsen-Phosphid, usw. Wenn die Keramik-Teilchen aus einem Oxid von Niob gebildet werden, kann die Verwendung von Niobphosphid als Dotierstoff besonders wünschenswert sein, um die Kompatibilität des Dotierstoffs und der Keramik-Teilchen zu verbessern.
  • Natürlich können in der vorliegenden Erfindung auch andere Dotierstoffe verwendet werden. In bestimmten Ausführungen kann der Dotierstoff zum Beispiel eine Phosphorsäure sein, sowie ein Salz oder ein Ester davon, wie z. B. Ammoniumphosphate, Galliumphosphate, Alkylphosphate, usw. Phosphor kann auch in Form einer Mischung aus Phosphorsäure und einer anderen Verbindung eingebracht werden, wie z. B. einer alkalischen organischen Verbindung, die Stickstoff enthält (z. B. Ammoniak, primäre und sekundäre Amine, zyklische Amine, Verbindungen der Pyridin-Familie und Chinolin und Verbindungen aus der Familie der Pyrrole).
  • Es kann eine Vielzahl von Verfahren verwendet werden, um den Dotierstoff in das Pulver aufzunehmen. In einer Ausführung wird der Dotierstoff zum Beispiel einfach mit den elektrisch leitfähigen Keramik-Teilchen gemischt. Alternativ kann der Dotierstoff auf ein Anfangsmaterial (z. B. Nb2O5) aufgebracht werden, das anschließend bei Vorhandensein eines Getter-Materials (z. B. Tantal oder Niob) wärmebehandelt wird, um eine Sauerstoff-reduzierte und elektrisch leitfähige Keramik (z. B. NbO) auszubilden. Die Wärmebehandlung erfolgt typischerweise in einer Atmosphäre, die die Übertragung der Sauerstoff-Atome vom Anfangs-Oxid zum Getter-Material erleichtert. Zum Beispiel kann die Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre stattfinden, wie z. B. im Vakuum, in Edelgas, Wasserstoff, usw. Die reduzierende Atmosphäre kann einen Druck von ungefähr 10 Torr bis ungefähr 2000 Torr, in manchen Ausführungen von ungefähr 100 Torr bis ungefähr 1000 Torr und in manchen Ausführungen von ungefähr 100 Torr bis ungefähr 930 Torr haben. Typischerweise geschieht die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 800°C bis etwa 1900°C, in einigen Ausführungsformen von etwa 1000°C bis etwa 1500°C und in manchen Ausführungsformen von etwa 1100°C bis etwa 1400°C, während einer Zeit zwischen etwa 5 Minuten und etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungen zwischen etwa 30 Minuten und etwa 60 Minuten.
  • Um die gewünschte Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften zu erzielen, ist das nichtmetallische Element in einer Menge von ungefähr 100 Teilen von einer Million ("ppm") oder mehr vorhanden, in manchen Ausführungen von ungefähr 200 ppm oder mehr, in manchen Ausführungen von ungefähr 400 ppm oder mehr, in manchen Ausführungen von ungefähr 500 ppm oder mehr, in manchen Ausführungen von ungefähr 800 ppm oder mehr, in manchen Ausführungen von ungefähr 1,000 ppm oder mehr, in manchen Ausführungen von ungefähr 1500 ppm bis ungefähr 10000 ppm, und in manchen Ausführungen von ungefähr 3000 ppm bis ungefähr 5000 ppm. Es wurde entdeckt, dass selbst bei solchen hohen Gehalten solche nichtmetallischen Elemente das Sintern der Keramik-Teilchen nicht wesentlich verzögern.
  • Um das Bilden der Anode zu vereinfachen, können auch andere Komponenten zu den Keramik-Teilchen oder zum Dotierstoff hinzugefügt werden, entweder vor oder nachdem sie gemischt werden. Zum Beispiel können die Keramik-Teilchen und der Dotierstoff optional mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um sicherzustellen, dass die Teilchen richtig aneinander haften, wenn sie gepresst werden, um den Anoden-Körper zu bilden. Geeignete Bindemittel sind Kampfer, Stearin- und andere seifige Fettsäuren, Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphtalin, Pflanzen-Wachs und Mikrowachse (aufgereinigte Paraffine). Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und verteilt werden. Beispiele für Lösungsmittel sind Wasser, Alkohole, usw. Wenn sie benutzt werden, kann der Prozentsatz der Bindemittel und/oder Gleitmittel von ungefähr 0,1% bis ungefähr 8% nach Gewicht der Gesamtmasse variieren. Es versteht sich jedoch, dass Bindemittel und Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
  • Nach seiner Herstellung kann das Pulver mit einer beliebigen herkömmlichen Pulver-Pressform verdichtet werden. Zum Beispiel kann die Pressform eine Verdichtungs-Presse mit einer Station sein, bei der eine Pressform und ein oder mehrere Stempel benutzt werden. Alternativ dazu können Verdichtungs-Pressformen vom Amboss-Typ benutzt werden, bei denen nur eine Pressform und ein einziger Unterstempel benutzt werden. Verdichtungs-Pressen mit Einzelstation stehen in verschiedenen Grundtypen zur Verfügung, wie z. B. Nocken-, Kniehebelpressen und Exzenter-/Kurbel-Pressen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, gleitender Pressform, beweglicher Platte, entgegenwirkendem Kolben, Schrauben-, Schlag-, Heißpressen, Prägen oder Maßprägen. Das Pulver kann um einen Anodendraht (z. B. einen Tantal-Draht) verdichtet werden. Es muss weiterhin erkannt werden, dass der Anodendraht alternativ dazu nach dem Pressen und/oder Sintern des Anoden-Körpers am Anoden-Körper befestigt (z. B. geschweißt) werden kann. Nach dem Pressen können alle Binde-/Gleitmittel entfernt werden, indem der Pressling im Vakuum mehrere Minuten auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird (z. B. von ungefähr 150°C auf ungefähr 500°C). Alternativ können Binde-/Gleitmittel auch entfernt werden, indem der Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt gebracht wird, zum Beispiel wie in dem Bishop et al. erteilten US-Patent Nr. 6,197,252 , das hier für alle Zwecke in seiner Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen wird. Danach wird der Pressling gesintert, um eine poröse Gesamtmasse zu bilden. Zum Beispiel kann einer Ausführung der Pressling bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C bis ungefähr 2000°C im Vakuum gesintert werden, und in einigen Ausführungen von ungefähr 1500°C bis ungefähr 1800°C im Vakuum. Beim Sintern schrumpft der Pressling, weil Bindungen zwischen den Teilchen wachsen. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Techniken kann jedes andere Verfahren zum Ausbilden des Anoden-Körpers der vorliegenden Erfin dung benutzt werden, wie z. B. in dem US-Patent 4,085,435 an Galvagni, 4,945,452 an Sturmer, et al., 5,198,968 an Galvagni, 5,357,399 an Salisbury, 5,394,295 an Galvagni, et al., 5,495,386 an Kulkarni und 6,322,912 an Fife beschrieben, die hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
  • Obwohl nicht erforderlich, kann die Dicke des Anoden-Körpers so gewählt werden, dass die elektrischen Leistungsdaten des Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann die Dicke des Anoden-Körpers ungefähr 4 Millimeter oder weniger betragen, in einigen Ausführungen von ungefähr 0,2 bis ungefähr 3 Millimeter und in einigen Ausführungen von ungefähr 0,4 bis ungefähr 1 Millimeter. Eine solche, relativ geringe Anodendicke (d. h. geringe Bauhöhe) hilft bei der Abfuhr der Wärme, die von dem Pulver mit hoher spezifischer Ladung erzeugt wird, und bietet auch einen kürzeren Übertragungspfad, um den ESR und die Induktivität zu minimieren. Auch die Form des Anoden-Körpers kann so gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann der Anoden-Körper eine Form haben, die bogenförmig, sinusförmig, rechteckig, U-förmig, V-förmig, usw. ist. Die Anode kann auch eine „gerillte" Form haben, die eine oder mehrere Rillen, Fugen, Furchen oder Einbuchtungen enthält, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität zu erweitern. Solche „gerillten" Anoden werden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 von Webber et al., 5,949,639 von Maeda et al. und 3,345,545 von Bourgault et al., sowie in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2005/0270725 von Hahn et al. beschrieben, die hier für alle Zwe cke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
  • Nachdem er ausgebildet wurde, kann der Anoden-Körper so anodisch oxidiert werden, dass eine dielektrische Schicht über und/oder innerhalb der Anode gebildet wird. Anodisches Oxidieren ist ein elektrochemischer Prozess, mit dem die Anode oxidiert wird, um ein Material zu bilden, das eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante hat. Zum Beispiel kann eine Anode aus Nioboxid anodisch oxidiert werden, um Niobpentoxid (Nb2O5) herzustellen. Speziell in einer Ausführung wird die Anode aus Nioboxid in eine schwache Säurelösung (z. B. Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Mischungen davon, und so weiter) bei erhöhter Temperatur (z. B. ungefähr 85°C) getaucht, an die eine geregelte Spannung und ein geregelter Strom angelegt werden, um eine Niobpentoxid-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke herzustellen. Die Stromversorgung wird anfangs auf einem konstanten Strom gehalten, bis die erforderliche Formierungsspannung erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einer konstanten Spannung gehalten, um sicherzustellen, dass sich das Dielektrikum mit der gewünschten Dicke auf der Oberfläche der Anode bildet. Die Spannung zur anodischen Oxidation liegt typischerweise im Bereich von etwa 10 bis ungefähr 200 Volt und in einigen Ausführungen von etwa 20 bis ungefähr 100 Volt. Zusätzlich zum Ausbilden auf der Oberfläche der Anode wird ein Teil der dielektrischen Oxidschicht typischerweise auch auf der Oberfläche der Poren des Materials ausgebildet. Es sollte sich verstehen, dass die dielektrische Schicht aus anderen Typen von Materialien und unter Anwendung anderer Techniken gebildet werden kann.
  • Wenn die dielektrische Schicht ausgebildet ist, kann eine Schutzschicht optional aufgebracht werden, zum Beispiel eine aus einem relativ isolierenden Harz-Material (natürlich oder synthetisch). Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als ungefähr 0,05 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 5 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1000 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 105 Ohm-cm, und in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 1010 Ohm-cm haben. Einige Harz-Materialien, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, sind Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z. B. Glyceride) und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Geeignete Ester von Fettsäuren umfassen zum Beispiel Ester der Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Elaeostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuri tinsäure, Shellolsäure, und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Es hat sich herausgestellt, dass diese Fettsäureester besonders nützlich sind, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen verwendet werden, um ein „Trocknungs-Öl" zu bilden, das es erlaubt, den resultierenden Film schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Solche Trocknungs-Öle können Mono-, Di- und/oder Tri-Glyceride enthalten, die ein Glycerol-Gerüst mit einem, zwei, bzw. drei Fettsäure-Resten haben, die verestert sind. Einige geeignete Trocknungs-Öle, die benutzt werden können, sind zum Beispiel Olivenöl, Leinöl, Rizinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese und andere Schutzschicht-Materialien werden detaillierter in dem Fife, et al. erteilten US-Patent Nr. 6,674,635 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
  • Das anodisch oxidierte Teil wird danach einem Schritt zum Ausbilden von Katoden gemäß herkömmlicher Verfahren ausgesetzt. In einigen Ausführungen wird die Katode zum Beispiel durch pyrolytische Zersetzung von Mangannitrat (Mn(NO3)2) ausgebildet, um eine Katode aus Mangandioxid (MnO2) auszubilden. Solche Verfahren werden zum Beispiel in dem US-Patent 4,945,452 an Sturmer, et al. beschrieben, das hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen wird. Alternativ kann eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer benutzt werden, die Katode des Kondensators zu bilden. Die Beschichtung aus leitfähigen Polymeren kann ein oder mehrere leitfähige Polymere enthalten, wie z. B. Polypyrrole, Polythiophene, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline, Polyacetylene, Poly-p-Phenylene und Derivate davon. Darüber hinaus kann, falls gewünscht, die Beschichtung aus leitfähigem Polymer auch aus mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung die Beschichtung aus leitfähigem Polymer eine aus PEDT ausgebildete Schicht und eine weitere Schicht aus einem Polypyrrol enthalten. Es können verschiedene Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung aus leitfähigem Polymer auf dem Anoden-Teil verwendet werden. Zum Beispiel können herkömmliche Verfahren, wie Elektropolymerisation, Siebdruck, Ein tauchen, elektrophoretische Beschichtung und Spritzen verwendet werden, um eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer herzustellen. In einer Ausführung können zum Beispiel das/die Monomer(e), die dazu benutzt werden, das leitfähige Polymer zu bilden (z. B. 3,4-Ethylendioxythiophen) anfangs mit einem Polymerisations-Katalysator gemischt werden, so dass sie eine Lösung bilden. Zum Beispiel ist ein geeigneter Polymerisationskatalysator BAYTRON C, wobei es sich um Eisen-III-Toluol-Sulfonat handelt, der von der Firma H.C. Starck verkauft wird. BAYTRON C ist ein kommerziell erhältlicher Katalysator für BAYTRON M, bei dem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen handelt, ein PEDT-Monomer, das ebenfalls von H.C. Starck verkauft wird. Sobald die Katalysator-Dispersion ausgebildet ist, kann das Anoden-Teil in die Dispersion getaucht werden, so dass sich das Polymer auf der Oberfläche des Anoden-Teils ausbildet, Alternativ können der Katalysator und das/die Momomer(e) auch getrennt auf das Anoden-Teil aufgebracht werden. In einer Ausführung kann der Katalysator zum Beispiel in einem Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst sein und dann als Tauch-Lösung auf das Anoden-Teil aufgebracht werden. Das Anoden-Teil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel daraus zu entfernen. Danach kann das Anoden-Teil in eine Lösung getaucht werden, die das geeignete Monomer enthält. Sobald das Monomer Kontakt mit der Oberfläche des Anoden-Teils bekommt, die den Katalysator enthält, polymerisiert es darauf. Zusätzlich dazu kann der Katalysator (z. B. BAYTRON C) auch mit dem/den Material(ien) gemischt werden, die dazu benutzt werden, die optionale Schutzschicht zu bilden (z. B. mit Harzmaterialien). In solchen Fällen kann das Anoden-Teil dann in eine Lösung getaucht werden, die das leitfähige Monomer (BAYTRON M) enthält. Als Folge davon kann das leitfähige Monomer mit dem Katalysator in und/oder auf der Oberfläche der Schutzschicht in Kontakt kommen und damit reagieren, um die Beschichtung aus leitfähigem Polymer auszubilden. Obwohl oben verschiedene Verfahren beschrieben worden sind, versteht es sich, dass jedes andere Verfahren zum Aufbringen der leitfähigen Beschichtungen) auf dem Anoden-Teil in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Zum Beispiel werden andere Verfahren zum Aufbringen solcher leitfähigen Polymerbeschichtung(en) in den US-Patenten 5,457,862 von Sakata, et al., 5,473,503 von Sakata, et al., 5,729,428 von Sakata, et al. und 5,812,367 von Kudoh et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen werden.
  • In den meisten Ausführungen wird das leitfähige Polymer nach dem Aufbringen ausgeheilt. Die Ausheilung kann nach jedem Aufbringen einer Schicht aus leitfähigem Polymer erfolgen, oder sie kann nach dem Aufbringen der gesamten Beschichtung mit leitfähigem Polymer erfolgen. In einigen Ausführungen kann das leitfähige Polymer zum Beispiel durch Tauchen des Presslings in eine Elektrolytlösung, wie z. B. eine Lösung aus Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure, und anschließendes Anlegen einer konstanten Spannung an die Lösung bis zum Absinken des Stroms auf einen vorgewählten Pegel ausgeheilt werden. Bei Bedarf kann dieses Ausheilen in mehreren Schritten erfolgen. Zum Beispiel werden in einer Ausführung ein Pressling, der eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer hat, zuerst in Phosphorsäure getaucht und an ihn eine Spannung von ungefähr 20 Volt angelegt, und dann in Schwefelsäure getaucht und an ihn ungefähr 2 Volt angelegt. In dieser Ausführung kann die Verwendung der zweiten Schwefelsäure-Lösung oder Toluen-Schwefelsäure mit kleiner Spannung dazu beitragen, die Kapazität zu erhöhen und den dielektrischen Verlustfaktor (DF) des resultierenden Kondensators zu verringern. Nach dem Aufbringen einer oder aller der oben beschriebenen Schichten kann der Pressling dann bei Bedarf gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssigen Katalysator und so weiter zu entfernen. Weiterhin kann in manchen Fällen nach einigen oder allen oben beschriebenen Tauchschritten eine Trocknung angewendet werden. Zum Beispiel kann das Trocknen nach Aufbringen des Katalysators und/oder nach dem Waschen des Presslings erwünscht sein, um die Poren des Presslings zu öffnen, damit er während nachfolgender Tauchschritte eine Flüssigkeit aufnehmen kann.
  • Wenn die Katode ausgebildet ist, kann auf dem Teil optional eine Kohlenstoffbeschichtung (z. B. Graphit), bzw. eine Silberbeschichtung aufgebracht werden. Die Silberschicht kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungs-Sammler für das Kondensator-Element dienen, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem Elektrolyten begrenzen. Solche Beschichtungen können den gesamten oder einen Teil des Elektrolyten bedecken.
  • Das resultierende Kondensator-Element kann dann unter Verwendung von in der Technik bekannten Verfahren mit Anschlüssen versehen werden. Mit Bezug auf die 1–2 ist zum Beispiel eine Ausführung eines Kondensator-Elementes 30 gezeigt, das üblicherweise eine rechteckige Form hat und eine vordere Oberfläche 36, eine hintere Oberfläche 38, obere und untere Oberflächen 37, bzw. 39 und Seiten-Oberflächen 32 (von denen nur eine dargestellt ist) umfasst. Ein Anodendraht 34 erstreckt sich von der vorderen Oberfläche 36 des Kondensator-Elementes 30 in Längsrichtung ("y"-Richtung). Wie ferner in 2 gezeigt wird, enthält das Kondensator-Element 30 einen Anoden-Körper 50, eine dielektrische Schicht 52, die über dem Anoden-Körper 50 liegt, eine Schicht aus einem festen Elektrolyten 54, die über der dielektrischen Schicht 52 liegt, eine Graphit-Schicht 56, die über der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 liegt, und eine Silberschicht 58, die über der Graphit-Schicht 56 liegt. Natürlich muss verstanden werden, dass solche Schichten auf jede Oberfläche des Kondensators aufgebracht werden können und nicht auf die gezeigte Art und Weise aufgebracht werden müssen.
  • Beim Ausbilden des Kondensator-Elementes 30 können der Anoden- und der Katoden-Anschluss elektrisch mit dem Anodendraht 34, bzw. der Schicht aus dem festen Elektrolyten 54 verbunden werden (über die Graphit- und Silberschichten). Die spezielle Konfiguration der Anschlüsse kann variieren, wie in der Technik bekannt. Mit Bezug auf 3 ist zum Beispiel eine Ausführung gezeigt, die einen Anoden-Anschluss 70 und einen Katoden-Anschluss 80 enthält. In dieser speziellen Ausführung enthält der Katoden-Anschluss einen ersten Teil 82, der im Wesentlichen rechtwinkelig zu einem zweiten Teil 84 positioniert ist. Der erste Teil 82 ist elektrisch in Kontakt zur unteren Oberfläche 39 des Kondensator-Elementes 30, und der zweite Teil 84 ist elektrisch in Kontakt mit der hinteren Oberfläche 38 des Kondensator-Elementes 30. Um das Kondensator-Element 30 am Katoden-Anschluss 80 zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber verwendet werden, wie in der Technik bekannt. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen enthalten, die in einer Kunstharz-Mischung enthalten sind. Die Metallteilchen können Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Wismut, usw. sein. Die Kunstharz-Mischung kann ein Duroplast-Kunstharz (z. B. Epoxydharz), einen Härter (z. B. Säureanhydrid) und ein Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) enthalten. Geeignete leitfähige Kleber werden in der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2006/0038304 an Osako, et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
  • Der Anoden-Anschluss 70 enthält einen ersten Teil 76, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Teil 74 angeordnet ist. Der zweite Teil 74 enthält einen Bereich, der den Anodendraht 34 trägt. In der gezeigten Ausführung besitzt der Bereich 51 eine "U-Form", um den Kontakt zur Oberfläche und die mechanische Stabilität des Drahtes 34 weiter zu verbessern. Der Anodendraht 34 wird dann mit einem Laser 90 an den Bereich 51 geschweißt. Sobald das Kondensator-Element an den Anschlüssen befestigt ist, wird es von einem Kunstharz-Gehäuse umgeben, das dann mit Silica oder jedem anderen bekannten Einkapselungs-Material gefüllt werden kann. Die Breite und die Länge des Gehäuses können abhängig von der beabsichtigten Anwendung variieren. Die Gesamt-Dicke des Gehäuses ist jedoch typischerweise klein, so dass die resultierende Anordnung leicht in Produkten mit geringer Bauhöhe untergebracht werden kann (z. B. in "IC-Karten"). Zum Beispiel kann die Dicke des Gehäuses im Bereich von ungefähr 4,0 Millimeter oder weniger, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2,5 Millimeter und in manchen Ausführungen von ungefähr 0,15 bis ungefähr 2,0 Millimeter liegen. Geeignete Gehäuse können zum Beispiel die Gehäuse "A", "B", "H" oder "T" (AVX Corporation) umfassen. Mit Bezug auf 4 ist zum Beispiel eine spezielle Ausführung eines solchen Einkapselungs-Gehäuses für eine Kondensator-Anordnung 100 als Element 88 gezeigt. Das Einkapselungs-Gehäuse 88 bietet einen zusätzlichen strukturellen und thermischen Schutz für die Kondensator-Anordnung 100. Nach der Einkapselung können die offen liegenden Teile der entsprechenden Anoden- und Katoden-Anschlüsse gealtert, überprüft und abgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die offen liegenden Teile optional zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses 88 gebogen werden (z. B. in einem Winkel von ungefähr 90°).
  • Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann ein Kondensator ausgebildet werden, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel hat der Kondensator der vorliegenden Erfindung typischerweise einen ESR von weniger als ungefähr 1000 Milliohm (mOhm), in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 500 mOhm und in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 100 mOhm. Der äquivalente Reihenverlustwiderstand (ESR) eines Kondensators kennzeichnet im Allgemeinen das Ausmaß, zu dem der Kondensator beim Laden und Entladen in einem elektronischen Schaltkreis wie ein Widerstand wirkt, und wird üblicherweise als ein Widerstand in Reihe zum Kondensator ausgedrückt. Zusätzlich dazu kann der resultierende Leckstrom, der allgemein den Strom bezeichnet, der von einem Leiter durch einen Isolator zu einem benachbarten Leiter fließt, auf relativ kleinen Werten gehalten werden. Zum Beispiel ist der numerische Wert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,1 μA/μF·V, in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,01 μA/μF·V und in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,001 μA/μF·V, wobei μA Mikroampere ist, und μF·V das Produkt der Kapazität und der Nennspannung ist. Ebenso ist die Durchbruchspannung des Kondensators der vorliegenden Erfindung mindestens ungefähr 10 Volt, in manchen Ausführungen mindestens ungefähr 15 Volt, in manchen Ausfüh rungen mindestens ungefähr 20 Volt und in manchen Ausführungen von ungefähr 20 Volts bis ungefähr 100 Volt. Die Durchbruchspannung eines Kondensators kann bestimmt werden, indem man die angelegte Spannung in Schritten von 0,5 Volt bei konstantem Strom erhöht. Die Spannung, bei der der Kondensator zerstört wird, ist die Durchbruchspannung.
  • Die vorliegende Erfindung kann besser verstanden werden, wenn man auf die folgenden Beispiele Bezug nimmt.
  • Testprozeduren
  • Äquivalenter Serienwiderstand (ESR), Kapazität und Verlustfaktor.
  • Der äquivalente Serienwiderstand und die Impedanz wurden mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 0 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz. Die Kapazität und der Verlustfaktor wurden mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur betrug 23°C ±2°C.
  • Leckstrom:
  • Der Leckstrom ("DCL") wurde mit einer Leckstrom-Testeinrichtung MC 190 von Mantracourt Electronics LTD, UK gemessen. Der Test mit dem MC 190 misst den Leckstrom bei einer Temperatur von 25°C und einer bestimmten Nennspannung nach 10 Sekunden.
  • Lebensdauerprüfung:
  • Für die Lebensdauerprüfung eines Kondensators wird er auf eine Testplatte gelötet und mit Vc (0,66 × Vr = 0,66 × 16 V = 10,6 V) und bei einer bestimmten Temperatur (125°C) in einen Ofen gelegt. Der Leckstrom wird vor und nach dem Test gemessen. Wenn der Wert über einem bestimmten vorher festgelegten Grenzwert liegt (z. B. 1 μA), wird die Probe als "abgelehnt" bezeichnet ("rejected" – "rej."), Wenn der Wert über dem Kurzschluss-Grenzwert liegt (z. B. 179 μA), wird die Probe als "SC" bezeichnet.
  • BEISPIEL 1
  • NbO-Pulver (HC Starck, 80000 μF·V/g) wurde manuell mit Niobphosphid (325 Mesh, Alfa Aesar) vorgemischt, um endgültige Phosphor-Konzentrationen von 100, 200, 500, 1000 ppm zu erhalten. Das resultierende dotierte Pulver wurde in einem Pulvermischer Turbula® homogenisiert. Zu dem trockenen Pulver wurde eine wässrige Lösung hinzu gegeben, die ein Polyethyloxazolin-("PX")-Bindemittel (2 Gew.% PX auf der Basis des Trockengewichtes des dotierten NbO-Pulvers) enthielt. Die Bindemittel-Lösung und das dotierte Pulver wurden manuell gemischt. Danach wurde das Pulver bei 85°C für 4 Stunden getrocknet, um das Wasser zu verdunsten. Das Pulver wurde dann mit einem Tantal-Anschlussdraht versehen und mit einer Pressmaschine auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt, indem der Pressling in eine Stickstoff-Atmosphäre mit einer Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde. Der Pressling wurde dann bei einer Temperatur von 1520°C für 10 Minuten in einer Argon-Atmosphäre gesintert.
  • Um die Tantal-Anode anodisch zu oxidieren, wurde sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser-Lösung getaucht, die eine Leitfähigkeit von 8,6 ±0,3 mS/cm und eine Temperatur von 85 ±5°C hat, an die eine Spannung von 65 V und ein Strom von mehr als 100 mA/g angelegt wurde, und mit entioni siertem Wasser gewaschen. Das gesamte Teil wurde dann mit einer Katodenschicht aus Mangandioxid beschichtet, wie in der Technik bekannt. Danach wurde das Teil in eine Graphit-Dispersion bei Raumtemperatur getaucht und für 30 Minuten bei 125°C ausgeheilt. Das Teil wurde dann in eine Silber-Dispersion bei Raumtemperatur getaucht und für 30 Minuten bei 125°C ausgeheilt. Nachdem das Kondensator-Element ausgebildet wurde, wurde es dann mit Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt, der eine Dicke von 0,10 Millimeter hat (NILO als Rohmaterial). Der Durchmesser des Anodendrahtes war 0,17 Millimeter. Mit Silber angereicherter Kleber ACE 10131 (Protavic) wurde benutzt, um die Katoden-Anschlussleitung (der gegenüber liegende Teil des Anschlussrahmens) zu befestigen. Der Kleber wurde bei 175°C für 1 Minute ausgehärtet. Nachdem das Kondensator-Element am Anschlussrahmen befestigt wurde, wurde es dann eingekapselt, um einen Kondensator der Standard-Gehäuse-Größe A (AVX) auszubilden und bei 170°C für 60 Sekunden ausgehärtet.
  • Nach dem Ausbilden wurden verschiedene elektrische Parameter gemessen, und fünfundzwanzig (25) der Kondensatoren wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind unten angegeben.
    Phosphorgehalt [ppm] DCL [μA] Anzahl von DCL-Ablehnungen nach dem Lebensdauertest
    0 0,355 23 rej
    100 0,394 25 rej
    200 0,176 12 rej
    500 0,229 9 rej
    1000 0,173 2 rej
  • Wie gezeigt, wird die Leckstrom-Stabilität des Kondensators mit einem höheren Phosphorgehalt verbessert.
  • BEISPIEL 2
  • Kondensatoren wurden auf dieselbe Weise ausgebildet, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, dass das Ausgangs-NbO(N)-Pulver 3000 ppm Stickstoff enthielt. Nach dem Ausbilden wurden verschiedene elektrische Parameter gemessen, und fünfundzwanzig (25) der Kondensatoren wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind unten angegeben.
    Stickstoffgehalt [ppm] Phosphorgehalt [ppm] DCL [μA] Anzahl von DCL-Ablehnungen nach dem Lebensdauertest
    3000 0 0,101 25 rej
    3000 100 0,045 25 rej
    3000 200 0,120 25 rej
    3000 500 0,001 25 rej
    3000 1000 0,053 25 rej
  • Die Dotierung von NbO-Pulver mit Phosphor zeigt kleinere DCL-Ergebnisse als in Beispiel 1. Es wird erwartet, dass höhere Phosphor-Konzentrationen auch zu einer verbesserten DCL-Stabilität führen.
  • BEISPIEL 3
  • Kondensatoren wurden auf dieselbe Weise ausgebildet, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, dass das Ausgangs-NbO-Pulver 5000 ppm Stickstoff enthielt. Nach dem Ausbilden wurden verschiedene elektrische Parameter gemessen, und fünfundzwanzig (25) der Kondensatoren wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind unten angegeben.
    Stickstoffgehalt [ppm] Phosphorgehalt [ppm] DCL [μA] Anzahl von DCL-Ablehnungen nach dem Lebensdauertest
    5000 0 0,101 25 rej
    5000 100 0,045 25 rej
    5000 200 0,120 25 rej
    5000 500 0,001 25 rej
    5000 1000 0,053 25 rej
  • BEISPIEL 4
  • Kondensatoren wurden auf dieselbe Weise ausgebildet, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, dass das Ausgangs-NbO-Pulver eine spezifische Ladung von 60000 μF·V/g hatte. Nach dem Ausbilden wurden verschiedene elektrische Parameter gemessen, und fünfundzwanzig (25) der Kondensatoren wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind unten angegeben.
    Phosphorgehalt [ppm] DCL [μA] Anzahl von DCL-Ablehnungen nach dem Lebensdauertest
    0 0,297 23 rej
    100 0,844 25 SC
    200 0,756 25 SC
    500 0,361 25 SC
    1000 0,704 25 rej
  • Diese und weitere Änderungen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung können von einem Fachmann durchgeführt werden, ohne dass vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Zusätzlich dazu muss verstanden werden, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungen ganz oder teilweise untereinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird ein Fachmann erkennen, dass die oben angegebene Beschreibung nur ein Beispiel ist und nicht mit der Absicht angegeben wurde, die Erfindung einzuschränken, wie sie in den beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (25)

  1. Elektrolytkondensator, umfassend: Einen Anodenkörper, ausgebildet aus einem Pulver, das elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen und ein nichtmetallisches Element in einer Menge von ungefähr 100 ppm oder mehr enthält, wobei das nichtmetallische Element eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, die fünf oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder mehr umfasst; eine dielektrische Schicht, die über dem Anodenkörper liegt; und eine Elektrolyt-Schicht, die über der dielektrischen Schicht liegt.
  2. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Keramik-Teilchen ein Oxid von Niob, Tantal, Vanadium oder Kombinationen davon enthalten.
  3. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Keramik-Teilchen ein Oxid von Niob enthalten, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von ungefähr 1:weniger als 1,5 hat.
  4. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Keramik-Teilchen ein Oxid von Niob enthalten, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ±0,1 hat.
  5. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von ungefähr 80000 μF·V/g oder mehr hat.
  6. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei das nichtmetallische Element Phosphor, Arsen, Antimon oder eine Kombination davon umfasst.
  7. Elektrolytkondensator nach Anspruch 6, wobei das nichtmetallische Element Phosphor umfasst.
  8. Elektrolytkondensator nach Anspruch 6, wobei das nichtmetallische Element im Pulver in einer Menge von ungefähr 200 ppm oder mehr vorhanden ist.
  9. Elektrolytkondensator nach Anspruch 6, wobei das nichtmetallische Element im Pulver in einer Menge von ungefähr 1000 bis ungefähr 5000 ppm vorhanden ist.
  10. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, der ferner mindestens eine zusätzliche Schicht umfasst, die über der Elektrolyt-Schicht liegt, wobei die zusätzliche Schicht eine Kohlenstoff-Schicht, eine Silber-Schicht oder eine Kombination davon umfasst.
  11. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, der ferner einen Anodendraht enthält, der sich vom Anodenkörper erstreckt.
  12. Elektrolytkondensator nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen Katoden-Anschluss, der elektrisch mit der Elektrolyt-Schicht verbunden ist; einen Anoden-Anschluss, der elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden ist; und ein Gehäuse, das den Kondensator einkapselt und mindestens einen Teil der Anode und der Katode offen lässt.
  13. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Elektrolyt-Schicht ein leitfähiges Polymer enthält.
  14. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Elektrolyt-Schicht Mangandioxid enthält.
  15. Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, wobei die Durchbruchspannung des Kondensators mindestens ungefähr 16 Volt ist.
  16. Keramik-Pulver zur Verwendung beim Ausbilden von Kondensator-Anoden, wobei das Keramik-Pulver elektrisch leitfähige Keramik-Teilchen enthält, wobei das Pulver einen Phosphorgehalt von ungefähr 200 ppm oder mehr hat.
  17. Das Pulver nach Anspruch 16, wobei die Keramik-Teilchen ein Oxid von Niob enthalten, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ±0,1 hat.
  18. Das Pulver nach Anspruch 16, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von ungefähr 25000 μF·V/g oder mehr hat.
  19. Das Pulver nach Anspruch 16, wobei der Phosphorgehalt ungefähr 500 ppm oder mehr ist.
  20. Das Pulver nach Anspruch 16, wobei der Phosphorgehalt ungefähr 1000 bis ungefähr 5000 ppm ist.
  21. Verfahren zum Ausbilden einer Kondensator-Anode, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Dotieren elektrisch leitfähiger Keramik-Teilchen mit einem Phosphor-Dotierstoff, um ein Pulver auszubilden, das einen Phosphorgehalt von ungefähr 200 ppm oder mehr hat; Pressen des Pulvers, um ein gepresstes Pellet auszubilden; und Sintern des gepressten Pellets.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, das ferner vor dem Verdichten das Mischen des Pulvers mit einem Bindemittel umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Dotierstoff ein Metall-Phosphid enthält.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Metall-Phosphid Niobphosphid umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Keramik-Teilchen ein Oxid von Niob enthalten, das ein Atom-Verhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ±0,1 hat.
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