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Hintergrund der Erfindung
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Elektrolytkondensatoren
werden häufig aus Ventilmetallen gebildet, die unter Bildung
einer dielektrischen Schicht oxidiert werden können. Typische
Ventilmetalle sind Niob und Tantal. Es wurden auch Kondensatoren
entwickelt, bei denen eine Anode eingesetzt wird, die aus einem
elektrisch leitfähigen Oxid von Niob und einem Niobpentoxid-Dielektrikum
hergestellt werden. Trotz der vielen Vorteile solcher Nioboxid-Kondensatoren
ist ihre Verwendung in Hochspannungsanwendungen (z. B. Nennspannung
von 16, 20 oder 35 Volt) aufgrund der relativ niedrigen dielektrischen
Festigkeit des Dielektrikums häufig eingeschränkt.
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Allgemein
gesagt werden mit zunehmender Ladung und Spannung an einem Kondensator
schließlich freie Elektronen auf Geschwindigkeiten beschleunigt,
bei denen bei Zusammenstößen mit neutralen Atomen oder
Molekülen in einem Vorgang, der Lawinendurchbruch genannt
wird, zusätzliche Elektronen freige setzt werden können.
Der Durchbruch erfolgt ganz abrupt (typischerweise in Nanosekunden)
und führt zur Bildung einer elektrisch leitfähigen
Strecke und einer zerstörerischen Entladung durch das Material
hindurch. In solchen Situationen kann es zu einer Beschädigung
oder Zerstörung des Kondensators kommen. Bei Nioboxid-Kondensatoren
wirken die Sauerstoffleerstellen von Nb2O5-x vermutlich als Elektronendonoren, die
bewirken, dass das anodische Oxid als Halbleiter des n-Typs wirkt.
Leider glaubt man, dass Punktdefekte des Schottky-Typs im Halbleiter
des n-Typs vorherrschen, wobei Sauerstoffatome ihren Platz in der
Gitterstruktur verlassen (wodurch eine Sauerstoffleerstelle entsteht)
und sich in Bereiche mit geringerer Konzentration bewegen. Im Falle
von Nioboxid-Kondensatoren treibt der Sauerstoffgradient an der
Grenzfläche zwischen der Niobmonoxid-Anode und dem Niobpentoxid-Dielektrikum
die Sauerstoffatome vermutlich dazu, in dem Niobmonoxid in die Bereiche
mit geringerer Konzentration zu diffundieren, wodurch Sauerstoffleerstellen
in dem Dielektrikum entstehen. Diese Defekte können tiefe
Fallen in dem Dielektrikum bilden, welche die elektrische Ladung
speichern und beim Anlegen einer Gleichspannung als Quelle für
Ladungsträgertransport durch Poole-Frenkel- und Tunnelmechanismus
dienen können. Durch das Anlegen einer hohen Spannung und
Temperatur wird die Sauerstoffdiffusion weiter beschleunigt, und
die Zahl der Defekte in dem Dielektrikum wird erhöht. Dies
führt zu Leckstrominstabilität bei beschleunigter
Temperatur- und Spannungsbelastung, was die Verwendung solcher Kondensatoren
bei höheren Anwendungsspannungen einschränken
kann.
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Daher
besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Elektrolytkondensator,
der bei relativ hohen Spannungen arbeiten kann.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator
offenbart, der eine Anode, eine dielektrische Schicht, die über
der Anode liegt, und eine Kathode, die eine feste Elektrolytschicht
enthält, welche über der dielektrischen Schicht
liegt, enthält. Die Anode umfasst einen porösen
Sinterkörper, der eine Oberfläche definiert. Der
Körper wird so behandelt, dass die Oberfläche
des Körpers ein nichtmetallisches Element enthält,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf
oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder
mehr beinhaltet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zur Bildung einer Kondensatoranode offenbart, das
Folgendes umfasst: das Kompaktieren eines Pulvers, das elektrisch
leitfähige Teilchen enthält, unter Bildung eines
Presslings; das Sintern des Presslings; und das In-Kontakt-Bringen des
gesinterten Presslings mit einer Lösung, die eine Verbindung
enthält, welche ein nichtmetallisches Element beinhaltet,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf
oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder
mehr beinhaltet.
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Gemäß noch
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators
offenbart. Das Verfahren umfasst das Kompaktieren eines Pulvers,
das elektrisch leitfähige Teilchen enthält, unter
Bildung eines Presslings; das Sintern des Presslings; das Behandeln
des gesinterten Presslings mit einem nichtmetallischen Element,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf
oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder
mehr beinhaltet; das Anodisieren des gesinterten Presslings unter
Bildung einer dielektrischen Schicht; und das Bilden einer festen
Elektrolytschicht über der dielektrischen Schicht.
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Weitere
Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden
ausführlicher dargelegt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im
Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen
ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der
vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung
für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei:
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ist 1 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Festelektrolytkondensators
der vorliegenden Erfindung;
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ist 2 eine
Querschnittsansicht des Kondensators von 1 entlang
einer Linie 2-2;
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ist 3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zum Verbinden eines Kondensatorelements mit einem Anodenanschluss;
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ist 4 eine
Querschnittsansicht des Kondensators, der gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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zeigt 5 graphisch
die Durchbruchspannung der in Beispiel 1 gebildeten Proben;
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zeigt 6 graphisch
die Durchbruchspannung der in Beispiel 2 gebildeten Proben;
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zeigt 7 graphisch
die Durchbruchspannung der in Beispiel 3 gebildeten Proben;
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zeigt 8 graphisch
die Durchbruchspannung der in Beispiel 4 gebildeten Proben; und
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zeigt 9 graphisch
die Durchbruchspannung der in Beispiel 5 gebildeten Proben.
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Bei
mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung
und der Zeichnung sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder
Elemente der Erfindung repräsentieren.
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Ausführliche Beschreibung
von repräsentativen Ausführungsformen
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Der
Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende
Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken
soll, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion
verkörpert sind.
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Allgemein
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Festelektrolytkondensator,
der eine Anode, eine dielektrische Schicht, die über der
Anode liegt, und eine Kathode, die eine feste Elektrolytschicht
enthält, welche über der dielektrischen Schicht
liegt, enthält. Die Anode ist aus einem Sinterkörper
gebildet, der eine Oberflächenbehandlung mit einem ”nichtmetallischen
Element” erfährt, welches echte Nichtmetalle (z.
B. Phosphor) sowie Halbmetalle sowie Elemente, die amphotere Oxide
bilden können und/oder sich wie Halbmetalle verhalten (z.
B. Antimon). Das nichtmetallische Element hat eine Elektronenkonfiguration
im Grundzustand, welche fünf (5) Valenzelektronen auf einem
Energieniveau von drei (3) oder darüber enthält.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen,
dass eine solche Elektronenkonfiguration dem Element die Fähigkeit
verleihen kann, sich an freie Sauerstoff-Elektronen zu binden, und
somit deren Bewegung vom Dielektrikum in die Anode blockiert. Eine
solche Elektronenkonfiguration ermöglicht es vermutlich auch,
dass sich das Element leicht in einer dielektrischen Matrix mit
fünf (5) Valenzelektronen (z. B. Nb2O5 oder Ta2O5) auflöst. Geeignete nichtmetallische
Elemente zur Verwendung bei der Oberflächenbehandlung können zum
Beispiel Phosphor, Antimon, Arsen und so weiter umfassen. Phosphor
zum Beispiel hat eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand von
1s22s22p63s23px 13py 13pz 1. Um fünf
(5) kovalente Bindungen zu bilden, kann eines der Elektronen des
3s-Orbitals in eines des 3d-Orbitale promoviert werden. Die Elektronen
des Niveaus 3 hybridisieren miteinander unter Bildung von 5 Hybridorbitalen,
alle mit gleicher Energie (d. h. dsp3-Hybride), die
den Raum mit Elektronen aus fünf (5) Sauerstoffatomen teilen
können, um fünf (5) neue Molekülorbitale und
somit fünf (5) kovalente Bindungen zu bilden. Ähnlich
wie Phosphor besitzen sowohl Antimon als auch Arsen eine Elektronenkonfiguration,
die ein Elektron in einem ”s”-Orbital enthält,
das in einen höheren Energiezustand promoviert werden kann.
Zum Beispiel enthält Arsen ein Elektron im 4s-Orbital,
das in das 4d-Orbital promoviert 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 promoviert 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 Promotion eines 2s-Elektrons im Allgemeinen nicht statt, was
bedeutet, dass Stickstoff typischerweise keine fünf (5)
kovalenten Bindungen ausbildet.
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Der
Anodenkörper kann mit Hilfe von in der Technik wohlbekannten
Methoden gebildet werden. Zum Beispiel können anfangs elektrisch
leitfähige Teilchen bereitgestellt werden, die eine relativ
hohe spezifische Ladung haben, wie etwa 25 000 Mikrofarad·Volt
pro Gramm (”μF·V/g”) oder mehr,
in einigen Ausführungsformen etwa 40 000 μF·V/g
oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60 000 μF·V/g
oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 000 μF·V/g
oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 80 000
bis etwa 200 000 μF·V/g oder mehr. Beispiele für
solche Teilchen sind solche, die aus einem Ventilmetall (d. h. einem Metall,
das zur Oxidation befähigt ist) oder einer Verbindung,
die auf einem Ventilmetall beruht, wie Tantal, Niob, Aluminium,
Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxiden davon (z. B. Oxide von
Niob), Nitriden davon usw., gebildet sind. Eine besonders wirksame
Art von Teilchen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist
ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob, wie ein Nioboxid
mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:weniger
als 2,5, in einigen Ausführungsformen 1:weniger als 1,5,
in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in
einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. Bei dem
Nioboxid kann es sich zum Beispiel um NbO
0 , 7, NbO
1,0,
Nb0
1,1 und NbO
2 handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Teilchen
NbO
1,0, ein leitfähiges Nioboxid,
das auch nach dem Sintern bei hohen Temperaturen chemisch stabil
bleiben kann. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind
in den
US-Patenten Nr. 6,322,912 (Fife),
6,391,275 (Fife et al.),
6,416,730 (Fife et al.),
6,527,937 (Fife),
6,576,099 (Kimmel et al.),
6,592,740 (Fife et al.)
und
6,639,787 (Kimmel
et al.) und
7,220,397 (Kimmel
et al.) sowie in den US- Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer
2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.) und 2005/0013765
(Thomas et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich
für alle Zwecke Bezug genommen wird.
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Die
Teilchen können jede gewünschte Form oder Größe
besitzen. Zum Beispiel können die Teilchen flockig, eckig,
knotenförmig und Mischungen oder Abänderungen
davon sein. Die Teilchen haben auch typischerweise eine Teilchengrößenverteilung
von wenigstens etwa 60 mesh, in manchen Ausführungsformen
von etwa 60 bis etwa 325 mesh und in manchen Ausführungsformen
etwa 100 bis etwa 200 mesh. Ferner beträgt die spezifische
Oberfläche etwa 0,1 bis etwa 10,0 m2/g,
in manchen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 5,0 m2/g und in manchen Ausführungsformen
etwa 1,0 bis etwa 2,0 m2/g. Der Ausdruck ”spezifische
Oberfläche” bezieht sich auf die Oberfläche,
die durch das Verfahren der physikalischen 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 beträgt die
Schüttdichte (oder Scott-Dichte) typischerweise etwa 0,1
bis etwa 5,0 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3),
in manchen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 2,5 g/cm3 und in manchen Ausführungsformen
etwa 0,5 bis etwa 1,5 g/cm3.
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Falls
gewünscht, können die Teilchen einem mechanischen
Mahlvorgang unterzogen werden, der die Teilchen zu einer geringeren
Größe vermahlt. Eine Vielzahl von Mahltechniken
kann verwendet werden, um die gewünschten Teilchenmerkmale
zu erreichen. Zum Beispiel kann das Pulver in einem flüssigen
Medium (z. B. Ethanol, Methanol, fluorierte Flüssigkeit
usw.) dispergiert werden, wobei eine Aufschlämmung entsteht. Dann
kann die Aufschlämmung in einer Mühle mit einem
Mahlkörper (z. B. Metallkugeln, wie Tantal) kombiniert werden.
Einige Beispiele für Mühlen, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können, sind in den
US-Patenten Nr. 5,522,558 ,
5,232,169 ,
6,126,097 und
6,145,765 beschrieben, auf die hier
ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Nach dem Mahlen kann das flüssige Medium von dem Pulver
abgetrennt oder daraus entfernt werden, wie etwa durch Trocknen
an der Luft, Erhitzen, Filtrieren, Verdampfen usw. Zum Beispiel
kann das Pulver gegebenen falls einem oder mehreren Säureauslaugungsschritten
unterzogen werden, um metallische Verunreinigungen zu entfernen.
Solche Säureauslaugungsschritte sind in der Technik wohlbekannt,
und es kann dabei eine Vielzahl von Säuren eingesetzt werden,
wie Mineralsäuren (z. B. Chlorwasserstoffsäure,
Bromwasserstoffsäure, Fluorwasserstoffsäure, Phosphorsäure,
Schwefelsäure, Salpetersäure usw.), organische
Säuren (z. B. Zitronensäure, Weinsäure,
Ameisensäure, Oxalsäure, Benzoesäure,
Malonsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure,
Phthalsäure usw.) usw.
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Obwohl
es nicht erforderlich ist, können die Teilchen auch unter
Verwendung irgendeiner in der Technik bekannten Methode agglomeriert
werden. Zu den typischen Agglomerationstechniken gehören
zum Beispiel ein oder mehrere Wärmebehandlungsschritte
in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre bei Temperaturen
im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1400°C während
insgesamt etwa 30 bis etwa 60 Minuten. Falls gewünscht,
können die Teilchen auch in Gegenwart eines Dotierungsmittels,
wie wässriger Säuren (z. B. Phosphorsäure),
mit Sinterverzögerern dotiert werden. Die Menge des hinzugefügten
Dotierungsmittels hängt zum Teil von der spezifischen Oberfläche
der Teilchen ab, doch ist es typischerweise in einer Menge von nicht
mehr als etwa 200 ppm vorhanden. Das Dotierungsmittel kann vor,
während und/oder nach dem oder den Wärmebehandlungsschritten
hinzugefügt werden.
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Die
Teilchen können auch einer oder mehreren Deoxidationsbehandlungen
unterzogen werden, um die Duktilität zu verbessern und
den Kriechstrom in den Anoden zu reduzieren. Zum Beispiel können
die Teilchen einem Getter-Material (z. B. Magnesium) ausgesetzt
werden, wie es im
US-Patent Nr.
4,960,471 beschrieben ist, auf das hier ausdrücklich
Bezug genommen wird. Die Temperatur, bei der eine Deoxidation stattfindet,
kann variieren, liegt aber typischerweise im Bereich von etwa 700°C
bis etwa 1600°C, in einigen Ausführungsformen
etwa 750°C bis etwa 1200°C und in einigen Ausführungsformen
etwa 800°C bis etwa 1000°C. Die Gesamtzeit der
Deoxidationsbehandlung oder -behandlungen kann im Bereich von etwa
20 Minuten bis etwa 3 Stunden liegen. Die Deoxidation erfolgt auch
vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre (z. B. Argon). Nach
Beendigung der Deoxidationsbehandlung oder -behandlungen verdampft
das Magnesium oder das andere Getter-Material typischerweise und
bildet einen Niederschlag auf der kalten Wand des Ofens. Um die
Entfernung des Gettermaterials zu gewährleisten, können
die Teilchen jedoch auch einem oder mehreren Säureauslaugungsschritten,
wie mit Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure usw.,
unterzogen werden.
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Sobald
sie gebildet sind, können die Teilchen dann mit einem Bindemittel
und/oder Gleitmittel gemischt werden, so dass ein Pulver entsteht,
das aneinander haften bleibt, wenn es gepresst wird. Bindemittel, die
gewöhnlich für Tantalpulver eingesetzt werden,
sind zum Beispiel Kampfer, Stearin- und andere seifige Fettsäuren,
Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole,
Naphthalin, Pflanzenwachs und Mikrowachse (aufgereinigte Paraffine).
Das Bindemittel wird in einem Lösungsmittel gelöst
und dispergiert. Beispiele für Lösungsmittel sind
Aceton, Methylisobutylketon, Trichlormethan, fluorierte Kohlenwasserstoffe
(Freon) (DuPont), Alkohole und chlorierte Kohlenwasserstoffe (Kohlenstofftetrachlorid).
Wenn sie benutzt werden, kann der Prozentsatz der Bindemittel und/oder
Gleitmittel von etwa 0,1% bis etwa 4 Gew.-% der Gesamtmasse variieren.
Es versteht sich jedoch, dass Bindemittel und Gleitmittel in der
vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
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Das
Pulver kann dann unter Verwendung einer Vielzahl von Pulverpressvorrichtungen
kompaktiert werden. Zum Beispiel kann die Pressform eine Einplatz-Kompaktierpresse
sein, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält.
Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps
verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel
verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen
erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder
Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach
wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte,
Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen
oder Kalibrieren.
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Dann
kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel entfernt
werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im Vakuum auf
eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 500°C) erhitzt.
Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch entfernt werden,
indem man den Pressling mit einer wässrigen Lösung
in Kontakt bringt, wie es im
US-Patent
Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist, auf das
hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen
wird. Das Pulver kann um einen Anodendraht (z. B. Tantaldraht) herum
kompaktiert werden. Es sollte weiterhin anerkannt werden, dass der
Anodendraht alternativ auch nach dem Pressen und/oder Sintern des
Anodenkörpers an der Anode befestigt (z. B. daran geschweißt) werden
kann. Nach der Kompaktierung kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel
entfernt werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im
Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C
bis etwa 500°C) erhitzt. Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel
auch entfernt werden, indem man den Pressling mit einer wässrigen
Lösung in Kontakt bringt, wie es im
US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et
al.) beschrieben ist, auf das hier ausdrücklich für
alle Zwecke Bezug genommen wird.
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Danach
wird der Pressling unter Bildung einer porösen zusammenhängenden
Masse gesintert. Das Sintern kann in einer reduzierenden Atmosphäre,
wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., erfolgen. Die reduzierende
Atmosphäre kann einen Druck von etwa 1 Torr bis etwa 2000
Torr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Torr bis etwa
1000 Torr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr
bis etwa 900 Torr aufweisen. Gemische aus Wasserstoff und anderen
Gasen (z. B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt
werden. Das Sintern kann unter Verwendung jeder Wärmebehandlungsvorrichtung
oder jedes Ofens, der bei der Wärmebehandlung von Metallen
gewöhnlich verwendet wird, durchgeführt werden.
Die Temperatur, die reduzierende Atmosphäre und die Sinterzeit
können von einer Vielzahl von Faktoren, wie der Art der Teilchen,
abhängen. Typischerweise erfolgt das Sintern bei einer
Temperatur von etwa 800°C bis etwa 2000°C, in
einigen Ausführungsformen etwa 900°C bis etwa
1900°C und in einigen Ausführungsformen etwa 1100°C bis
etwa 1800°C während etwa 5 Minuten bis etwa 100
Minuten und in einigen Ausführungsfor men etwa 30 Minuten
bis etwa 60 Minuten. Außer den oben beschriebenen Techniken
kann auch jede andere Technik zur Bildung der Anode gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie sie in den
US-Patenten Nr. 4,085,435 (Galvagni),
4,945,452 (Sturmer et al.),
5,198,968 (Galvagni),
5,357,399 (Salisbury),
5,394,295 (Galvagni et al.),
5,495,386 (Kulkarni) und
6,322,912 (Fife) beschrieben
ist, auf die hier ausdrücklich Bezug für alle Zwecke
genommen wird.
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Der
gesinterte Anodenkörper wird gemäß der
vorliegenden Erfindung mit einem nichtmetallischen Element behandelt.
Die Behandlung der Anode kann mit einer Vielzahl von bekannten Techniken
erfolgen, wie Tauchen, Sprühen, Streichen, Beschichten
usw. In einer Ausführungsform wird die gesinterte Anode
einfach in eine Lösung getaucht, die die zur Abgabe des
nichtmetallischen Elements verwendete Verbindung (z. B. Phosphorsäure)
enthält. Jede Verbindung, die das nichtmetallische Element
abgeben kann und keine erhebliche nachteilige Wirkung auf die elektrischen
Eigenschaften der Anode hat, kann zur Verwendung bei der Behandlung
der Anode geeignet sein. In einer Ausführungsform kann
es sich bei der Verbindung zum Beispiel um eine Phosphorsäure
(z. B. Orthophosphorsäure, Phosphorige Säure,
Hypophosphorige Säure, Diphosphorsäure, Pyrophosphorsäure,
Triphosphorsäure, Tetraphosphorsäure, Metaphosphorsäure
usw.) sowie ein Salz oder Ester davon, wie Ammoniumphosphate, Galliumphosphate,
Alkylphosphate usw., handeln. Falls gewünscht, kann auch
ein Gemisch aus einer Verbindung (z. B. Phosphor(V)-Verbindung)
und einer anderen Verbindung, wie einer basischen organischen Verbindung,
die Stickstoff enthält (z. B. Ammoniak, primäre
und sekundäre Amine, cyclische Amine, Verbindungen der
Pyridinfamilie und Chinoline und Verbindungen der Pyrrolfamilie),
verwendet werden.
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Die
Behandlungslösung liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit,
wie einer Lösung (z. B. wässrig oder nichtwässrig),
Dispersion, Schmelze usw., vor. In der Lösung wird im Allgemeinen
ein Lösungsmittel eingesetzt, wie Wasser (z. B. deionisiertes
Wasser), Ether (z. B. Diethylether und Tetrahydrofuran), Alkohole
(z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol),
Triglyceride, Ketone (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon),
Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat
und Methoxypropylacetat), Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid,
Dimethylcapryl/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone),
Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril),
Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan)
usw. Das bzw. die Lösungsmittel können etwa 50
Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen
etwa 75 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen
etwa 80 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% der Lösung ausmachen.
Ebenso kann die Verbindung oder können die Verbindungen,
die zur Abgabe des nichtmetallischen Elements verwendet werden,
etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen
etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen
etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Lösung ausmachen.
Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist die Verwendung eines
wässrigen Lösungsmittels (z. B. Wasser) häufig
wünschenswert, um die Oberflächenbehandlung zu
erreichen, ohne die Anode zu kontaminieren. Tatsächlich
kann Wasser etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen
etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen
etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% der in der Lösung verwendeten
Lösungsmittel ausmachen.
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Um
die gewünschte Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften
zu erreichen, kann das nichtmetallische Element in einer Menge von
etwa 100 ppm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa
200 ppm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 400
ppm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 500 ppm
oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 800 ppm oder
mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 1000 ppm oder mehr,
in einigen Ausführungsformen etwa 1500 ppm bis etwa 10
000 ppm und in einigen Ausführungsformen etwa 3000 ppm
bis etwa 5000 ppm vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des Anodenkörpers.
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Die
Dicke der resultierenden behandelten Anode kann relativ klein sein,
um die elektrische Leistungsfähigkeit des Kondensators
zu verbessern. Zum Beispiel kann die Dicke des Anodenkörpers
etwa 4 Millimeter oder weniger betragen, in einigen Ausführungsformen
etwa 0,2 bis etwa 3 Millimeter und in einigen Ausführungsformen
etwa 0,4 bis etwa 1 Millimeter. Eine solche, relativ geringe Anodendicke
(d. h. geringe Bauhöhe) hilft bei der Abfuhr der Wärme,
die von dem Pulver mit der hohen spezifischen Ladung erzeugt wird,
und bietet auch einen kürzeren Übertragungspfad,
um den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und die Induktivität
zu minimieren. Auch die Form des Anodenkörpers kann so
gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften des
resultierenden Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann
der Anodenkörper eine Form haben, die gekrümmt,
wellenförmig, rechteckig, U-förmig, V-förmig
usw. ist. Der Anodenkörper kann auch eine ”geriffelte” Form
haben, indem sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Vertiefungen
oder Einkerbungen enthält, um das Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den
ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen.
Solche ”geriffelten” Anoden sind zum Beispiel
in den
US-Patenten Nr. 6,191,936 (Webber
et al.),
5,949,639 (Maeda
et al.) und
3,345,545 (Bourgault
et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
2005/0270725 (Hahn et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich
für alle Zwecke Bezug genommen wird.
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Der
Anodenkörper kann anodisiert werden, so dass eine dielektrische
Schicht entsteht. Anodisierung ist ein elektrochemisches Verfahren,
bei dem die Anode oxidiert wird, so dass ein Material mit einer
relativ hohen Dielektrizitätskonstante entsteht. Zum Beispiel
kann Nioboxid(NbO)-Anode zu Niobpentoxid (Nb2O5) anodisiert werden. Typischerweise wird
die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst
einen Elektrolyten auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen
der Anode in den Elektrolyten. Die Behandlung des gesinterten Anodenkörpers
mit dem nichtmetallischen Element gemäß der vorliegenden
Erfindung kann vor und/oder nach der Anodisierung erfolgen. In bestimmten
Ausführungsformen können mehrere Anodisierungsschritte
eingesetzt werden. In solchen Fällen kann die Behandlung
vor dem ersten Anodisierungsschritt, zwischen getrennten Anodisierungsschritten
usw. erfolgen. Zum Beispiel können zwei getrennte Anodisierungsschritte
eingesetzt werden. In dieser besonderen Ausführungsform
kann die Behandlung mit dem nichtmetallischen Element vor dem ersten Anodisierungsschritt
und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Anodisierungsschritt
erfolgen.
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Der
anodisierende Elektrolyt liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit
vor, etwa als Lösung (z. B. wässrig oder nichtwässrig),
Dispersion, Schmelze usw. In dem Elektrolyten wird im Allgemeinen
ein Lösungsmittel eingesetzt, wie es oben beschrieben ist.
Der Elektrolyt ist ionenleitend und kann eine Ionenleitfähigkeit von
etwa 1 Millisiemens pro Zentimeter (”mS/cm”) oder
mehr aufweisen, in einigen Ausführungsformen etwa 30 mS/cm
oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 40 mS/cm
bis etwa 100 mS/cm, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C.
Um die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten zu verstärken,
kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel
unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Geeignete ionische Verbindungen
für diesen Zweck sind zum Beispiel Säuren, wie
Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure,
Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure,
Boronsäure usw., organische Säuren einschließlich Carbonsäuren,
wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure,
Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure, Adipinsäure,
Maleinsäure, Apfelsäure, Ölsäure,
Gallsäure, Weinsäure, Zitronensäure,
Ameisensäure, Essigsäure, Glycolsäure,
Oxalsäure, Propionsäure, Phthalsäure,
Isophthalsäure, Glutarsäure, Gluconsäure,
Milchsäure, Asparaginsäure, Glutaminsäure,
Itaconsäure, Trifluoressigsäure, Barbitursäure,
Zimtsäure, Benzoesäure, 4-Hydroxybenzoesäure,
Aminobenzoesäure usw., Sulfonsäuren, wie Methansulfonsäure,
Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure,
Styrolsulfonsäure, Naphthalindisulfonsäure, Hydroxybenzolsulfonsäure,
Dodecylsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure usw.,
polymere Säuren, wie Polyacryl- oder Polymethacrylsäure
und Copolymere davon (z. B. Maleinsäure-Acrylsäure-,
Sulfonsäure-Acrylsäure- und Styrol-Acrylsäure-Copolymere),
Carrageensäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure
usw., usw. Die Konzentration der ionischen Verbindungen wird so
gewählt, dass die gewünschte Ionenleitfähigkeit
erreicht wird. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure)
etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen
etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen
etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen.
Falls gewünscht, können in dem Elektrolyten auch
Gemische von ionischen Verbindungen eingesetzt werden. Ebenso können
die Lösungsmittel etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%,
in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis etwa 99
Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 80 Gew.-%
bis etwa 95 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen.
-
Ein
Strom wird durch den Elektrolyten geleitet, um die dielektrische
Schicht zu bilden. Der Wert der Spannung entspricht der Dicke der
dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst
im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche
Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen
Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die
gewünschte Dicke des Dielektrikums über der Oberfläche
der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können
auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische
Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung liegt typischerweise
im Bereich von etwa 4 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen
etwa 9 bis etwa 100 V. Während der anodischen Oxidation
kann der Elektrolyt auf einer erhöhten Temperatur gehalten
werden, wie etwa 30°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen
etwa 40°C bis etwa 200°C und in einigen Ausführungsformen
etwa 50°C bis etwa 100°C. Die anodische Oxidation
kann auch bei Umgebungstemperatur oder darunter durchgeführt
werden. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche
der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
-
Sobald
die dielektrische Schicht gebildet ist, kann gegebenenfalls eine
Schutzbeschichtung aufgetragen werden, zum Beispiel eine, die aus
einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich
oder synthetisch) besteht. Solche Materialien können einen
spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10 Ohm·cm haben,
in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 100, in einigen
Ausführungsformen mehr als etwa 1000 Ohm·cm, in
einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10
5 Ohm·cm und in einigen Ausführungsformen mehr
als etwa 1 × 10
10 Ohm·cm.
Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können, sind unter anderem Polyurethan,
Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten
Fettsäuren (z. B. Glyceride) usw. Zu den geeigneten Estern
von Fettsäuren gehören zum Beispiel unter anderem
Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure,
Stearinsäure, Eleostearinsäure, Ölsäure,
Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure,
Schellolsäure usw. Diese Ester von Fettsäuren
haben sich als besonders nützlich erwiesen, wenn sie in
relativ komplexen Kombinationen unter Bildung eines ”trocknenden Öls” verwendet
werden, das es dem resultierenden Film ermöglicht, schnell
zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Zu diesen trocknenden ölen
gehören etwa Mono-, Di- und/oder Triglyceride, die ein
Glyceringerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten,
die verestert sind, aufweisen. Einige geeignete trocknende Öle,
die verwendet werden können, sind zum Beispiel unter anderem
Olivenöl, Leinöl, Ricinusöl, Tungöl,
Sojaöl und Schellack. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien
sind ausführlicher im
US-Patent
Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich
für alle Zwecke Bezug genommen wird.
-
Der
anodisierte Teil kann danach einem Schritt zur Bildung einer Kathode
unterzogen werden, die einen festen Elektrolyten beinhaltet, wie
Mangandioxid, ein leitfähiges Polymer usw. Ein fester Elektrolyt
aus Mangandioxid kann zum Beispiel durch pyrolytische Zersetzung
von Mangan(II)nitrat (Mn(NO
3)
2)
gebildet werden. Solche Techniken sind zum Beispiel im
US-Patent Nr. 4,945,452 (Sturmer et
al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für
alle Zwecke Bezug genommen wird. Alternativ dazu kann auch eine
leitfähige Polymerbeschichtung eingesetzt werden, die einen
oder mehrere Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene,
Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline), Polyacetylene,
Poly-p-phenylene, Polyphenolate und Derivate davon enthält.
Falls gewünscht, kann die leitfähige Polymerbeschichtung überdies
auch aus mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet
werden. Zum Beispiel kann die Kathode aus dem leitfähigen
Polymer in einer Ausführungsform eine aus PEDT gebildete
Schicht und eine andere, aus einem Polypyrrol gebildete Schicht
enthalten. Verschiedene Verfahren können verwendet werden,
um die leitfähige Polymerbeschichtung auf den Anodenteil
aufzutragen. Zum Beispiel können herkömmliche
Techniken, wie Elektropolymerisation, Siebdruck, Tauchbeschichtung,
elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung,
verwendet werden, um eine leitfähige Polymerbeschichtung
zu bilden. In einer Ausführungsform können zum
Beispiel die zur Bildung des leitfähigen Polymers verwendeten
Monomere (z. B. 3,4-Ethylendioxythiophen) zunächst unter
Bildung einer Lösung mit einem Polymerisationskatalysator
gemischt werden. Ein geeigneter Polymerisationskatalysator ist zum
Beispiel CLEVIOS C, bei dem es sich um Eisen(III)toluolsulfonat
handelt und das von H. C. Starck vertrieben wird. CLEVIOS C ist
ein kommerziell erhältlicher Katalysator für CLEVIOS
M, bei dem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen handelt, ein PEDT-Monomer,
das ebenfalls von H. C. Starck vertrieben wird. Sobald eine Katalysatordispersion
gebildet ist, kann der Anodenteil dann in die Dispersion eingetaucht
werden, so dass das Polymer auf der Oberfläche des Anodenteils
entsteht. Alternativ dazu können der Katalysator und das
oder die Monomere auch getrennt auf den Anodenteil aufgetragen werden.
In einer Ausführungsform kann der Katalysator zum Beispiel
in einem Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst
und dann als Tauchlösung auf den Anodenteil aufgetragen
werden. Der Anodenteil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel
davon zu entfernen. Danach kann der Anodenteil in eine Lösung,
die das geeignete Monomer enthält, eingetaucht werden.
Sobald das Monomer mit der Oberfläche des Anodenteils,
der den Katalysator enthält, in Kontakt tritt, polymerisiert
es chemisch darauf. Außerdem kann der Katalysator (z. B.
CLEVIOS C) auch mit dem oder den Materialien, die zur Bildung der
fakultativen Schutzbeschichtung verwendet werden (z. B. harzartige
Materialien), gemischt werden. In solchen Fällen kann der
Anodenteil dann in eine Lösung eingetaucht werden, die das
Monomer (CLEVIOS M) enthält. Infolgedessen kann das Monomer
innerhalb und/oder auf der Oberfläche der Schutzbeschichtung
mit dem Katalysator in Kontakt treten und damit unter Bildung der
leitfähigen Polymerbeschichtung reagieren. Obwohl oben
verschiedene Verfahren beschrieben wurden, sollte man sich darüber im
Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch jedes andere
Verfahren zum Auftragen der leitfähigen Beschichtung oder
Beschichtungen auf den Anodenteil verwendet werden kann. Andere
Verfahren zum Auftragen solcher leitfähigen Polymerbeschichtungen
sind zum Beispiel in den
US-Patenten
Nr. 5,457,862 (Sakata et al.),
5,473,503 (Sakata et al.),
5,729,428 (Sakata et al.)
und
5,812,367 (Kudoh
et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für
alle Zwecke Bezug genommen wird.
-
In
den meisten Ausführungsformen wird der feste Elektrolyt,
sobald er aufgetragen ist, geflickt. Das Flicken kann nach jeder
Auftragung einer festen Elektrolytschicht erfolgen, oder es kann
nach der Auftragung der gesamten Beschichtung erfolgen. In einigen
Ausführungsformen kann der feste Elektrolyt zum Beispiel
geflickt werden, indem man den Pressling in eine Elektrolytlösung,
wie eine Lösung von Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure,
eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung
anlegt, bis die Stromstärke auf ein vorgewähltes
Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann dieses Flicken
in mehreren Schritten erfolgen. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform
ein Pressling mit einer leitfähigen Polymerbeschichtung
zuerst in Phosphorsäure eingetaucht, wobei etwa 20 Volt
angelegt werden, und dann in Schwefelsäure eingetaucht,
wobei etwa 2 Volt angelegt werden. In dieser Ausführungsform
kann die Verwendung der zweiten Lösung von Schwefelsäure
oder Toluolsulfonsäure mit der niedrigen Spannung dabei
helfen, die Kapazität zu erhöhen und den Dissipationsfaktor
(DF) des resultierenden Kondensators zu reduzieren. Nach der Auftragung
eines Teils oder der gesamten oben beschriebenen Schichten kann
der Pressling dann gegebenenfalls gewaschen werden, um verschiedene
Nebenprodukte, überschüssige Katalysatoren usw.,
zu entfernen. Weiterhin kann in manchen Fällen nach einem
Teil oder den gesamten oben beschriebenen Tauchvorgängen
getrocknet werden. Ein Trocknen kann zum Beispiel wünschenswert
sein, nachdem der Katalysator aufgetragen und/oder nachdem der Pressling
gewaschen wurde, um die Poren des Presslings zu öffnen,
so dass er bei anschließenden Tauchschritten eine Flüssigkeit
aufnehmen kann.
-
Falls
gewünscht, kann gegebenenfalls eine Kohlenstoffschicht
(z. B. Graphit) bzw. eine Silberschicht auf das Teil aufgetragen
werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer
Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungskollektor für den
Kondensator wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der
Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten einschränken.
Solche Beschichtungen können einen Teil oder den gesamten
festen Elektrolyten bedecken.
-
Dann
kann das resultierende Kondensatorelement mit Anschlüssen
versehen werden, wobei man in der Technik bekannte Methoden verwendet.
In den 1–2 ist zum
Beispiel eine Ausführungsform eines Kondensatorelements 30 gezeigt,
das eine im Wesentlichen rechteckige Form hat und eine vordere Fläche 36, eine
hintere Fläche 38, eine obere und eine untere
Fläche 37 bzw. 39 und Seitenflächen 32 (von
denen nur eine gezeigt ist) aufweist. Ein Anodendraht 34 erstreckt
sich von der vorderen Fläche 36 des Kondensatorelements 30 in
Längsrichtung (”y”-Richtung). Wie ferner
in 2 gezeigt ist, enthält das Kondensatorelement 30 einen
Anodenkörper 50, eine dielektrische Schicht 52,
die über dem Anodenkörper 50 liegt, eine
feste Elektrolytschicht 54, die über der dielektrischen
Schicht 52 liegt, eine Graphitschicht 56, die über
der festen Elektrolytschicht 54 liegt, und eine Silberschicht 58,
die über der Graphitschicht 56 liegt. Selbstverständlich
sollte man sich darüber im Klaren sein, dass solche Schichten
auf jede Fläche des Kondensators aufgebracht werden können
und nicht auf die gezeigte Art und Weise aufgebracht werden müssen.
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Beim
Ausbilden des Kondensatorelements 30 können der
Anoden- und der Kathodenanschluss elektrisch mit dem Anodendraht 34 bzw.
der festen Elektrolytschicht 54 verbunden werden (über
die Graphit- bzw. Silberschicht). Die spezielle Konfiguration der
Anschlüsse kann variieren, wie in der Technik wohlbekannt
ist. In 3 ist zum Beispiel eine Ausführungsform
gezeigt, die einen Anodenanschluss 70 und einen Kathodenanschluss 80 enthält.
In dieser speziellen Ausführungsform enthält der
Kathodenanschluss einen ersten Teil 82, der im Wesentlichen
senkrecht zu einem zweiten Teil 84 angeordnet ist. Der
erste Teil 82 ist elektrisch in Kontakt zur unteren Fläche 39 des
Kondensatorelements 30, und der zweite Teil 84 ist
elektrisch in Kontakt mit der hinteren Fläche 38 des
Kondensatorelements 30. Um das Kondensatorelement 30 am
Kathodenanschluss 80 zu befestigen, kann ein leitfähiger
Kleber verwendet werden, wie in der Technik bekannt ist. Der leitfähige
Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen enthalten,
die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. Bei den Metallteilchen
kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Eismut
usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz
(z. B. Epoxidharz), ein Härtungsmittel (z. B. Säureanhydrid)
und ein Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) enthalten.
Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung
Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben,
auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug
genommen wird.
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Der
Anodenanschluss 70 enthält einen ersten Teil 76,
der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Teil 74 positioniert
ist. Der zweite Teil 74 enthält einen Bereich,
der den Anodendraht 34 trägt. In der gezeigten
Ausführungsform besitzt der Bereich 51 eine ”U-Form”,
um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität
des Drahtes 34 weiter zu verstärken. Dann wird
der Anodendraht 34 mit einem Laser 90 an den Bereich 51 geschweißt.
Sobald das Kondensatorelement an den Anschlüssen befestigt
ist, wird es in einem Harzgehäuse eingeschlossen, das dann
mit Siliciumoxid oder irgendeinem anderen bekannten Einbettungsmaterial
gefüllt werden kann. Die Breite und Länge des
Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Die Gesamtdicke
des Gehäuses ist jedoch typischerweise klein, so dass die
resultierende Anordnung leicht in Produkten mit geringer Bauhöhe
(z. B. in Chipkarten) untergebracht werden kann. Zum Beispiel kann
die Dicke des Gehäuses im Bereich von etwa 4,0 Millimeter
oder weniger, in manchen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa
2,5 Millimeter und in manchen Ausführungsformen etwa 0,15
bis etwa 2,0 Millimeter liegen. Zu den geeigneten Gehäusen
gehören zum Beispiel die Gehäuse ”A”, ”B”, ”H” oder ”T” (AVX
Corporation). In 4 ist zum Beispiel eine besondere
Ausführungsform eines solchen Einbettungsgehäuses
für eine Kondensatoranordnung 100 als Element 88 gezeigt.
Das Einbettungsgehäuse 88 sorgt für zusätzlichen
strukturellen und thermischen Schutz der Kondensatoranordnung 100.
Nach der Einbettung können die freiliegenden Teile des
jeweiligen Anoden- und Kathodenanschlusses altern gelassen, überprüft
und zurechtgeschnitten werden. Falls gewünscht, können
die freiliegenden Teile gegebenenfalls entlang der Außenseite
des Gehäuses 88 zweimal 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 etwa 1000 Milliohm (mOhm), in einigen
Ausführungsformen weniger als etwa 500 mOhm und in einigen
Ausführungsformen weniger als etwa 100 mOhm. Der äquivalente
Serienwiderstand (ESR) eines Kondensators kennzeichnet im Allgemeinen
das Ausmaß, in 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 Ausführungsformen kleiner
als etwa 0,1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen
kleiner als etwa 0,01 μA/μF·V und in
einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,001 μA/μF·V,
wobei ”μA” Mikroampere bedeutet und μF·V
das Produkt der Kapazität und der Nennspannung ist. Ebenso
kann die Durchbruchspannung des Kondensators der vorliegenden Erfindung
wenigstens etwa 10 Volt betragen, in manchen Ausführungsformen
wenigstens etwa 15 Volt, in manchen Ausführungsformen wenigstens
etwa 20 Volt und in manchen Ausführungsformen etwa 20 Volt
bis etwa 100 Volt. Die Durchbruchspannung eines Kondensators kann
bestimmt werden, indem man die angelegte Spannung in Schritten von
0,5 Volt bei konstanter Stromstärke erhöht. Die
Spannung, bei der der Kondensator zerstört wird, ist die
Durchbruchspannung.
-
Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele
besser verständlich.
-
Testverfahren
-
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.
-
Lebensdauertest:
-
Für
den Lebensdauertest eines Kondensators wird er auf eine Testplatte
gelötet und unter einer bestimmten Spannung (z. B. 10,56
oder 16 V) und Temperatur (LB. 85°C, 105°C oder
125°C) in einen Ofen gelegt. Der Leckstrom wird vor und
nach dem Test gemessen. Wenn der Wert über einem bestimmten
vorher festgelegten Grenzwert (z. B. 1 μA) liegt, 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, 80 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unterwerkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Nach
dem Sintern wurden zwei Proben (Proben Nr. 1–2) der NbO-Anoden 1
Minute lang in einer Lösung, die 14 Gew.-% H3PO4 enthielt, benetzt (dekantieren), 2 Stunden
lang bei einer Temperatur von 100°C getrocknet und dann
30 Minuten lang bei einer Temperatur von 245°C gebrannt.
Bei Probe Nr. 2 wurden diese Schritte zweimal (2 ×) wiederholt.
-
Um
die Anoden zu oxidieren, wurden sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser-Lösung
mit einer Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und
einer Temperatur von 85 ± 5°C eingetaucht, es
wurde eine Spannung von 65 V bei einer Stromstärke von
mehr als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser
gewaschen. Das gesamte Teil wurde dann mit einer Mangandioxid-Kathodenschicht
versehen, wie in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil
bei Raumtemperatur in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30
Minuten lang bei 125°C geflickt. Dann wurde das Teil bei
Raumtemperatur in eine Silberdispersion getaucht und 30 Minuten
lang bei 125°C geflickt. Sobald das Kondensatorelement
fertig war, wurde es mit einem Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt
und eingebettet (Gehäusegröße ”A”,
2,2 μF/16 V).
-
Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/16 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 105°C/10,56
V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/10,56
V |
| Kontrolle | 0,13 | 20
Abl., 5 Sc | 18
Abl., 7 SC | 25
SC |
| 1 | 0,09 | 17
Abl., 8 Sc | 5
Abl. | 7
Abl., 17 SC |
| 2 | 0,11 | 15
Abl., 10 SC | 11
Abl. | 4
Abl., 21 SC |
-
Wie
angegeben, zeigten die Proben 1 und 2 eine Verbesserung im Lebensdauertest,
hauptsächlich bei 105°C. Die Durchbruchspannung
der Proben ist ebenfalls in 5 gezeigt,
was veranschaulicht, dass die minimalen Durchbruchspannungswerte
durch Tauchen/Brennen in 14 Gew.-% H3PO4 verbessert wurden.
-
Beispiel 2
-
NbO-Pulver
(HC Starck, 80 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unter werkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Nach
dem Sintern wurden drei Proben (Proben Nr. 3–5) der NbO-Anoden 1
Minute lang in einer Lösung, die 14 Gew.-% H3PO4 enthielt, benetzt (dekantieren), 2 Stunden
lang bei einer Temperatur von 100°C getrocknet und dann
30 Minuten lang bei einer Temperatur von 245°C gebrannt.
Bei den Proben Nr. 4 und 5 wurden diese Schritte zweimal (2 ×)
bzw. fünfmal (5 ×) wiederholt.
-
Um
die Anoden zu oxidieren, wurden sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser-Lösung
mit einer Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und
einer Temperatur von 85 ± 5°C eingetaucht, es
wurde eine Spannung von 12,5 V bei einer Stromstärke von
mehr als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser gewaschen.
Das gesamte Teil wurde dann mit einer Mangandioxid-Kathodenschicht
versehen, wie in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil
bei Raumtemperatur in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30
Minuten lang bei 125°C geflickt. Dann wurde das Teil bei
Raumtemperatur in eine Silberdispersion getaucht und 30 Minuten
lang bei 125°C geflickt. Sobald das Kondensatorelement
fertig war, wurde es mit einem Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt
und eingebettet (Gehäusegröße ”B”,
100 μF/6,3 V).
-
Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/16 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 105°C/10,56
V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/10,56
V |
| Kontrolle | 7,34 | 2
Abl., 23 SC | 25
SC | 5
Abl., 18 SC |
| 3 | 5,41 | 1
Abl., 24 SC | 3
Abl., 13 SC | 25
SC |
| 4 | 3,93 | 1
Abl., 2 SC | 25
SC | 8
Abl., 16 SC |
| 5 | 1,12 | 6
Abl., 7 SC | 3
Abl., 3 SC | 2
Abl., 2 SC |
-
Wie
angegeben, zeigten die Proben 3 und 5 eine Verbesserung im Lebensdauertest,
hauptsächlich bei 105°C. Die Durchbruchspannung
der Proben ist ebenfalls in 6 gezeigt,
was veranschaulicht, dass die minimalen Durchbruchspannungswerte
durch Tauchen/Brennen in 14 Gew.-% H3PO4 verbessert wurden.
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Beispiel 3
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NbO-Pulver
(HC Starck, 80 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unterwerkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Nach
dem Sintern wurde eine Probe (Probe Nr. 6) der NbO-Anoden 1 Minute
lang in einer Lösung, die 2,3 Gew.-% H3PO4 enthielt, benetzt (dekantieren), 2 Stunden
lang bei einer Temperatur von 100°C getrocknet und dann
30 Minuten lang bei einer Temperatur von 245°C gebrannt.
Diese Schritte wurden fünfmal (5 ×) wiederholt.
-
Um
die Anoden zu oxidieren, wurden sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser-Lösung
mit einer Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und
einer Temperatur von 85 ± 5°C eingetaucht, es
wurde eine Spannung von 65 V bei einer Stromstärke von
mehr als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser
gewaschen. Das gesamte Teil wurde dann mit einer Mangandio xid-Kathodenschicht
versehen, wie in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil
bei Raumtemperatur in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30
Minuten lang bei 125°C geflickt. Dann wurde das Teil bei
Raumtemperatur in eine Silberdispersion getaucht und 30 Minuten
lang bei 125°C geflickt. Sobald das Kondensatorelement
fertig war, wurde es mit einem Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt
und eingebettet (Gehäusegröße ”A”,
2,2 μF/16 V).
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Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/16 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 105°C/10,56
V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/10,56
V |
| Kontrolle | 0,10 | 25
SC | 25
SC | 25
SC |
| 6 | 0,14 | 25
SC | 25
SC | 23
SC |
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Wie
angegeben, gab es bei den 16-V-Proben beim Dotieren in 2,3 Gew.-%
Phosphorsäure keine eindeutige Verbesserung. Die Durchbruchspannung
der Proben ist ebenfalls in 7 gezeigt,
was veranschaulicht, dass die minimalen Durchbruchspannungswerte
durch Tauchen/Brennen in 2,3 Gew.-% H3PO4 verbessert wurden.
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Beispiel 4
-
NbO-Pulver
(HC Starck, 80 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unterwerkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Um
die Anoden zu anodisieren, wurden sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser- Lösung
mit einer Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und
einer Temperatur von 85 ± 5°C eingetaucht, es
wurde eine Spannung von 65 V bei einer Stromstärke von
mehr als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser
gewaschen. Danach wurde die Probe (Probe Nr. 7) 30 Minuten lang
in einer Lösung, die 2,3 Gew.-% H3PO4 enthielt, benetzt (dekantieren)(ohne zu
waschen), 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 100°C
getrocknet, 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 245°C
gebrannt und dann weiteren Formschritten unterzogen. Das gesamte
Teil wurde dann mit einer Mangandioxid-Kathodenschicht versehen, wie
in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil bei Raumtemperatur
in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30 Minuten lang bei 125°C
geflickt. Dann wurde das Teil bei Raumtemperatur in eine Silberdispersion
getaucht und 30 Minuten lang bei 125°C geflickt. Sobald
das Kondensatorelement fertig war, wurde es mit einem Laser an einen
Anschlussrahmen geschweißt und eingebettet (Gehäusegröße ”A”,
2,2 μF/16 V).
-
Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/16 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 105°C/10,56
V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/10,56
V |
| Kontrolle | 0,10 | 25
SC | 21
SC, 4 LI | 21
SC, 1 LI |
| 7 | 0,09 | entfällt | entfällt | entfällt |
-
Die
Durchbruchspannung der Proben ist ebenfalls in 8 gezeigt,
was veranschaulicht, dass die minimalen Durchbruchspannungswerte
durch Tauchen/Brennen in 2,3 Gew.-% H3PO4 verbessert wurden.
-
Beispiel 5
-
NbO-Pulver
(HC Starck, 80 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unterwerkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Danach
wurde eine Probe (Probe Nr. 8) der NbO-Anode 1 Minute lang in einer
Lösung, die 2,3 Gew.-% H3PO4 enthielt, benetzt (dekantieren), 2 Stunden
lang bei einer Temperatur von 100°C getrocknet und dann
30 Minuten lang bei einer Temperatur von 245°C gebrannt.
Diese Schritte wurden bei Probe Nr. 9 fünfmal (5 ×)
wiederholt. Um die Anoden zu anodisieren, wurden sie in eine schwache
Phosphorsäure/Wasser-Lösung mit einer Leitfähigkeit
von 8,6 ± 0,3 mS/cm und einer Temperatur von 85 ± 5°C
eingetaucht, es wurde eine Spannung von 12,5 V bei einer Stromstärke
von mehr als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser
gewaschen. Eine dritte NbO-Anodenprobe (Probe Nr. 10) wurde nach
1 Formschritt 30 Minuten lang in die Phosphorsäurelösung
eingetaucht, getrocknet (ohne zu waschen), 30 Minuten lang bei einer
Temperatur von 245°C gebrannt und dann weiteren Formschritten
unterzogen. Eine vierte NbO-Anodenprobe (Probe Nr. 11) wurde nach
dem Sintern ebenfalls 30 Minuten lang in eine 10 Gew.-% Lösung
des organischen Phosphats STEPFAC 8170 (Phosphorsäureester
eines Alkylphenoxypolyethoxyethanols) eingetaucht, dann getrocknet
und gebrannt.
-
Das
gesamte Teil wurde dann mit einer Mangandioxid-Kathodenschicht versehen,
wie in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil bei Raumtemperatur
in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30 Minuten lang bei 125°C
geflickt. Dann wurde das Tell bei Raumtemperatur in eine Silberdispersion
getaucht und 30 Minuten lang bei 125°C geflickt. Sobald
das Kondensatorelement fertig war, wurde es mit einem Laser an einen Anschlussrahmen
geschweißt und eingebettet (Gehäusegröße ”B”,
100 μF/6,3 V).
-
Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/16 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 105°C/10,56
V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/10,56
V |
| Kontrolle | 12,38 | verbrannt | 4
Abl., 21 SC | 3
Abl., 21 SC |
| 8 | 7,61 | 0
Abl., 1 SC | 16
Abl., 8 SC | 2
Abl., 23 SC |
| 9 | 3,45 | 4
Abl., 0 SC | 25
SC | 19
Abl., 5 SC |
| 10 | 1,63 | 13
Abl., 7 SC | 23
LI | 13
Abl., 7 SC |
| 11 | 2,33 | verbrannt | 23
Abl., 1 SC | 3
Abl., 8 SC |
-
Wie
angegeben, zeigten die Proben eine Verbesserung im Lebensdauertest.
Die Durchbruchspannung der Proben ist ebenfalls in 9 gezeigt,
was veranschaulicht, dass die minimalen Durchbruchspannungswerte
durch Tauchen/Brennen in 2,3 Gew.-% H3PO4 oder in STEPFAC 8170 verbessert wurden.
-
Beispiel 6
-
Tantalpulver
(HC Starck, 150 000 μF·V/g) wurde zunächst
mit einem Tantal-Anschlussdraht eingebettet und mit einer Pressmaschine
mit Ober- und Unterwerkzeug auf eine Dichte von 3,4 g/cm3 gepresst. Das Bindemittel wurde dann entfernt,
indem der Pressling in eine Stickstoffatmosphäre mit einer
Temperatur von 400°C bis 500°C gebracht wurde.
Der Pressling wurde dann 10 Minuten lang bei einer Temperatur von
1520°C in einer Argonatmosphäre gesintert. Um
die Anode zu anodisieren, wurde sie in eine schwache Phosphorsäure/Wasser-Lösung
mit einer Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und
einer Temperatur von 85 ± 5°C eingetaucht, es
wurde eine Spannung von 6 V bei einer Stromstärke von mehr
als 100 mA/g angelegt, und es wurde mit deionisiertem Wasser gewaschen.
Eine Tantal-Anodenprobe (Probe Nr. 12) wurde nach 1 Formschritt
30 Minuten lang in die 2,3 Gew.-% Phosphorsäurelösung
eingetaucht, getrock net, 30 Minuten lang bei einer Temperatur von
245°C gebrannt und dann weiteren Formschritten unterzogen.
Das gesamte Teil wurde dann mit einer Mangandioxid-Kathodenschicht
versehen, wie in der Technik bekannt ist. Danach wurde das Teil
bei Raumtemperatur in eine Graphitdispersion eingetaucht und 30
Minuten lang bei 125°C geflickt. Dann wurde das Teil bei
Raumtemperatur in eine Silberdispersion getaucht und 30 Minuten
lang bei 125°C geflickt. Sobald das Kondensatorelement
fertig war, wurde es mit einem Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt
und eingebettet.
-
Verschiedene
elektrische Parameter wurden gemessen, und mehrere der Kondensatoren
wurden einem Lebensdauertest unterzogen. Die Ergebnisse sind im
Folgenden aufgeführt.
| Probe | DCL
[μA] | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 40°C/4 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 85°C/2 V | Zahl
der DCL-Ablehnungen nach Lebensdauertest bei 125°C/2 V |
| Kontrolle | 3,27 | 0
Ablehnungen | 0
Ablehnungen | 0
Ablehnungen |
| 12 | 5,02 | 0
Ablehnungen | 1
LI | 0
Ablehnungen |
-
Diese
und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung
können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom
Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem
sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der
verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander
ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann
anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter
hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher
beschrieben ist, nicht einschränken soll.
- 1. Festelektrolytkondensator, umfassend:
eine Anode, die
einen porösen Sinterkörper umfasst, der eine Oberfläche
definiert, wobei der Körper so behandelt wird, dass die
Oberfläche ein nichtmetallisches Element enthält,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf
oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder
mehr beinhaltet;
eine dielektrische Schicht, die über
der Anode liegt; und
eine Kathode, die eine feste Elektrolytschicht
enthält, welche über der dielektrischen Schicht
liegt.
- 2. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei der poröse Sinterkörper ein Oxid von Niob,
Tantal, Vanadium oder einer Kombination davon enthält.
- 3. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei der poröse Sinterkörper ein Oxid von Niob
mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von etwa
1:weniger als 1,5 enthält.
- 4. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei der poröse Sinterkörper ein Oxid von Niob
mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 0,1
enthält.
- 5. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei der poröse Sinterkörper Tantal enthält.
- 6. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei das nichtmetallische Element Phosphor, Arsen, Antimon oder
eine Kombination davon umfasst.
- 7. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei das nichtmetallische Element Phosphor umfasst.
- 8. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
wobei die Kathode wenigstens eine zusätzliche Schicht umfasst,
die über der festen Elektrolytschicht liegt, wobei die
zusätzliche Schicht eine Kohlenstoffschicht, Silberschicht
oder eine Kombination davon umfasst.
- 9. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1,
der weiterhin einen Anodenanschluss umfasst, der sich von dem porösen
Sinterkörper aus erstreckt.
- 10. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt
9, der weiterhin Folgendes umfasst:
einen Kathodenanschluss,
der in elektrischer Verbindung mit der festen Elektrolytschicht
steht;
einen Anodenanschluss, der in elektrischer Verbindung
mit der Anode steht; und
ein Gehäuse, das den Kondensator
einbettet und wenigstens einen Teil des Anoden- und des Kathodenanschlusses
frei lässt.
- 11. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt
1, wobei die feste Elektrolytschicht ein leitfähiges Polymer
enthält.
- 12. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt
1, wobei die feste Elektrolytschicht Mangandioxid enthält.
- 13. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt
1, wobei die Durchbruchspannung des Kondensators wenigstens etwa
16 Volt beträgt.
- 14. Verfahren zur Bildung einer Kondensatoranode, wobei das
Verfahren Folgendes umfasst:
Kompaktieren eines Pulvers, das
elektrisch leitfähige Teilchen enthält, unter
Bildung eines Presslings;
Sintern des Presslings; und
In-Kontakt-Bringen
des gesinterten Presslings mit einer Lösung, die eine Verbindung
enthält, welche ein nichtmetallisches Element beinhaltet,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf oder
mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder mehr
beinhaltet.
- 15. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei der Pressling
bei einer Temperatur von etwa 1100°C bis etwa 1800°C gesintert
wird.
- 16. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Verbindung
eine Phosphorsäure, ein Phosphorsäuresalz, einen Phosphorsäureester
oder eine Kombination davon umfasst.
- 17. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Verbindung
Orthophosphorsäure umfasst.
- 18. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei der gesinterte
Pressling in die Lösung getaucht wird.
- 19. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Verbindung
etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Lösung ausmacht.
- 20. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Verbindung
etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Lösung ausmacht.
- 21. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Teilchen
ein Oxid von Niob mit einem Atomverhältnis von Niob zu
Sauerstoff von 1:1,0 ± 0,1 enthalten.
- 22. Verfahren gemäß Punkt 14, wobei die Teilchen
Tantal enthalten.
- 23. Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators,
wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Kompaktieren eines Pulvers,
das elektrisch leitfähige Teilchen enthält, unter
Bildung eines Presslings;
Sintern des Presslings;
Behandeln
des gesinterten Presslings mit einem nichtmetallischen Element,
das eine Elektronenkonfiguration im Grundzustand hat, welche fünf
oder mehr Valenzelektronen auf einem Energieniveau von drei oder mehr
beinhaltet;
Anodisieren des gesinterten Presslings unter Bildung
einer dielektrischen Schicht; und
Bilden einer festen Elektrolytschicht über
der dielektrischen Schicht.
- 24. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei der Pressling
bei einer Temperatur von etwa 1100°C bis etwa 1800°C gesintert
wird.
- 25. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei das Behandeln
des gesinterten Presslings das In-Kontakt-Bringen des Presslings
mit einer Lösung, die eine Verbindung enthält,
welche das nichtmetallische Element liefern kann, beinhaltet.
- 26. Verfahren gemäß Punkt 25, wobei die Verbindung
eine Phosphorsäure, ein Phosphorsäuresalz, einen Phosphorsäureester
oder eine Kombination davon umfasst.
- 27. Verfahren gemäß Punkt 25, wobei die Verbindung
Orthophosphorsäure umfasst.
- 28. Verfahren gemäß Punkt 25, wobei der gesinterte
Pressling in die Lösung getaucht wird.
- 29. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei das Anodisieren
des behandelten Presslings einen ersten und einen zweiten Anodisierungsschritt
umfasst.
- 30. Verfahren gemäß Punkt 29, wobei das Behandeln
des gesinterten Presslings vor dem ersten und zweiten Anodisierungsschritt
erfolgt.
- 31. Verfahren gemäß Punkt 29, wobei das Behandeln
des gesinterten Presslings zwischen dem ersten und dem zweiten Anodisierungsschritt
erfolgt.
- 32. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei die feste
Elektrolytschicht ein leitfähiges Polymer enthält.
- 33. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei die feste
Elektrolytschicht Mangandioxid enthält.
- 34. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei die Teilchen
ein Oxid von Niob mit einem Atomverhältnis von Niob zu
Sauerstoff von 1:1,0 ± 0,1 enthalten.
- 35. Verfahren gemäß Punkt 23, wobei die Teilchen
Tantal enthalten.
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6322912 [0021, 0029]
- - US 6391275 [0021]
- - US 6416730 [0021]
- - US 6527937 [0021]
- - US 6576099 [0021]
- - US 6592740 [0021]
- - US 6639787 [0021]
- - US 7220397 [0021]
- - US 5522558 [0023]
- - US 5232169 [0023]
- - US 6126097 [0023]
- - US 6145765 [0023]
- - US 4960471 [0025]
- - US 6197252 [0028, 0028]
- - US 4085435 [0029]
- - US 4945452 [0029, 0038]
- - US 5198968 [0029]
- - US 5357399 [0029]
- - US 5394295 [0029]
- - US 5495386 [0029]
- - US 6191936 [0033]
- - US 5949639 [0033]
- - US 3345545 [0033]
- - US 6674635 [0037]
- - US 5457862 [0038]
- - US 5473503 [0038]
- - US 5729428 [0038]
- - US 5812367 [0038]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Verfahren
der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.) von Brunauer, Emmet
und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938,
S. 309 [0022]