CN105977031A - 用于电容器组件的导热封装材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电容器组件，其包括壳体、被气密密封于壳体内的电容器元件以及至少部分地封装电容器元件的导热材料。电容器元件包括烧结的阳极体、覆盖阳极体的电介质以及覆盖电介质的固体电解质。导热材料具有根据ISO 22007-2:2014确定的约1W/m-K或更大的热导率。
Description
背景技术
对于在诸如包括如防抱死制动系统、发动机系统、安全气囊、客舱娱乐系统等汽车应用的极端环境电子电路中使用的电容器的性能特征改进而言，电容器设计的许多具体方面一直是关注点。固体电解电容器(例如，钽电容器)对于电子电路的微型化作出了主要贡献，并且使得这种电路在极端环境中的应用成为可能。常规的固体电解电容器可通过以下步骤来形成：围绕金属导线压制金属粉末(例如，钽)，烧结所压制的构件，使所烧结的阳极阳极化，并在此后施加固体电解质以形成电容器元件。在汽车应用中，电容器组件可能需要具有较高的电容(例如，约100微法拉至约500微法拉)，在高电压下(例如，约50伏特至约150伏特)运行，且维持暴露于高温(例如，约100℃至约150℃)和高纹波电流下(例如，约25安培至约100安培)而无故障。由于电容器组件暴露于高纹波电流下可导致在电容器组件内产生高温，如果不能充分散热，可损坏电容器组件并降低其可靠性。因此，目前需要暴露于高纹波电流环境下时具有改善的散热能力的电容器组件。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，公开了一电容器组件，其包括壳体、气密密封于所述壳体内的电容器元件以及至少部分地封装所述电容器元件的导热材料。所述电容器元件包括烧结的阳极体，覆盖所述阳极体的电介质以及覆盖所述电介质的固体电解质。所述导热材料具有根据ISO 22007-2:2014确定的约1W/m-K或更大的热导率。
本发明的其它特征和方面在以下进行更详细的阐述。
附图说明
针对本领域技术人员，将结合附图在说明书的其余部分中更具体地阐述本发明的完整的和可实施的公开内容(包括其最佳方式)，其中：
图1为本发明电容器组件的一个实施方案的透视图；
图2为本发明电容器组件的另一个实施方案的底视图；
图3为用于本发明电容器组件中的多个电容器元件之一的透视图；
图4为本发明电容器组件的一个实施方案的顶视图；
图5为本发明电容器组件的另一个实施方案的顶视图；
图6为本发明电容器组件的另一个实施方案的顶视图；
图7为图4-5中电容器组件的壳体的一个实施方案的底视图，示出了外部的阳极端子和阴极端子；
图8为图6中电容器组件的壳体的一个实施方案的底视图，示出了外部的阳极和阴极端子；及
图9为本发明电容器组件的一个实施方案的透视图，其中已移除盖子以示出在壳体内封装至少一部分电容器元件的导热材料。
在本说明书和附图中，附图标记的重复使用意在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应理解，本讨论仅为示例性实施方案的描述，并非意在限制本发明的更广泛的方面，其更广泛的方面体现在示例性构造中。
一般而言，本发明涉及包括壳体的电容器组件，其中至少一个电容器元件位于并被气密密封于所述壳体内。导热材料包含于壳体内，至少部分地(在一些实施方案中完全地)封装所述电容器元件。例如，导热材料通常具有如根据ISO 22007-2:2014所确定的约1W/m-K或更大的热导率，在一些实施方案中为约2-20W/m-K，以及在一些实施方案中为约2.5-10W/m-K。尽管是导热性的，所述材料一般是不导电的，因此具有如根据ASTM D257-14所确定的相对高的体积电阻率，例如约1x1012欧姆·厘米或更高，在一些实施方案中约1x1013欧姆·厘米或更高，且在一些实施方案中约1x1014至约1x1020欧姆·厘米。通过高热导率与低导电性的结合，本发明人已发现，当用于电容器组件的壳体中时，所述封装材料可提供多种不同的益处。例如，当电容器组件暴露于纹波电流时，导热封装材料可充当向壳体表面散热的传热片，从而提高冷却效率及电容器组件的寿命。封装材料还可呈现如根据ASTMD570-98(2010)e-1所确定的低吸湿度，例如约1％或更小，在一些实施方案中约0.5％或更小，以及在一些实施方案中约0.1％或更小。通过这种方式，封装材料可抑制不想要的与可能进入壳体内的水发生的降解反应。
为了帮助获得所需的性质，封装材料包含一种或多种分散于聚合物基体中的导热填料。适宜的导热填料材料包括金属填料，如铝、银、铜、镍、铁、钴等及它们的组合(例如，涂覆以银的铜或涂覆以银的镍)；金属氧化物，例如氧化铝、氧化锌、氧化镁等及其组合；氮化物，例如氮化铝、氮化硼、氮化硅等及它们的组合；以及碳填料，例如碳化硅、碳黑，碳富勒烯、石墨薄片、碳纳米管、碳纳米纤维等及它们的组合。铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼和/或碳化硅粉末可特别适用于本发明。如果需要的话，可以用功能性涂层涂覆填料以改善填料与聚合物基体间的亲和性。例如，这样的涂层可包括不饱和或饱和脂肪酸，例如链烷酸、链烯酸、丙酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸等；有机硅烷、有机钛酸酯、有机锆酸酯、异氰酸酯、羟基封端的烯烃或烷烃等。
本发明中，可选择性地控制导热填料的尺寸以帮助获得所需的性质。例如，适宜的填料颗粒可具有约10纳米至约75微米的平均尺寸(例如，直径)，在一些实施方案中约15纳米至约50微米，以及在一些实施方案中约20纳米至约40微米。在一些实施方案中，可采用具有纳米级尺寸的填料颗粒，例如约10-500纳米，在一些实施方案中约20-350纳米，以及在一些实施方案中约50-200纳米，而在其他实施方案中，可采用具有微米级尺寸的填料颗粒，例如约1-50微米，在一些实施方案中约2-30微米，以及在一些实施方案中约5-15微米。封装材料也可采用纳米级和微米级导热填料的组合。在这样的实施方案中，微米级填料的平均尺寸与纳米级填料的平均尺寸的比可相对较大，以确保高的堆积密度，例如约50:1或更大，以及在一些实施方案中约70:1至约150:1。
在封装材料基体中可采用多种不同的聚合物树脂，可固化的热固性树脂已被发现特别适用于本发明。这样的树脂的实例包括，例如，有机硅聚合物、双酚A二缩水甘油醚聚合物、丙烯酸酯聚合物、氨基甲酸乙酯聚合物等。例如，在某些实施方案中，封装材料可采用一种或多种聚有机硅氧烷。用于这些聚合物中的硅键合的有机基团可包括一价烃和/或一价卤代烃基。这样的一价基团通常具有1至约20个碳原子，优选1-10个碳原子，且通过举例但并不局限于烷基(例如、甲基、乙基、丙基、戊基、辛基、十一烷基、和十八烷基)；环烷基(例如，环己基)；烯基(例如，乙烯基、烯丙基、丁烯基及己烯基)；芳基(例如，苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基和2-苯乙基)；以及卤代烃基(例如，3,3,3-三氟丙基、3-氯丙基和二氯苯基)。通常，至少50％，更优选至少80％的有机基团为甲基。这样的甲基聚硅氧烷可包括，例如，聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚甲基氢硅氧烷等。其他适宜的甲基聚硅氧烷可包括二甲基二苯基聚硅氧烷、二甲基/甲基苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、甲苯基/二甲基硅氧烷、乙烯基二甲基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基甲基/二甲基聚硅氧烷、乙烯基二甲基封端的乙烯基甲基/二甲基聚硅氧烷、二乙烯基甲基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基苯基甲基封端的聚二甲基硅氧烷、二甲基氢封端的聚二甲基硅氧烷、甲基氢/二甲基聚硅氧烷、甲基氢封端的甲基辛基聚硅氧烷、甲基氢/苯基甲基聚硅氧烷等。
有机聚硅氧烷也可包含一个或多个侧链和/或末端的极性官能团，例如羟基、环氧基、羧基、氨基、烷氧基、甲基丙烯酸基，或巯基，其给予聚合物一定程度的亲水性。例如，有机聚硅氧烷每个分子可包含至少一个羟基基团以及任选的平均至少两个硅键合的羟基(硅烷醇基)。这样的有机聚硅氧烷的实例包括，例如，二羟基聚二甲基硅氧烷、羟基-三甲基硅氧基聚二甲基硅氧烷等。可采用烷氧基改性的有机聚硅氧烷，例如二甲氧基聚二甲基硅氧烷、甲氧基-三甲基硅氧基聚二甲基硅氧烷、二乙氧基聚二甲基硅氧烷、乙氧基-三甲基硅氧基-聚二甲基硅氧烷等。其他适宜的有机聚硅氧烷是那些以至少一个氨基官能团改性的有机聚硅氧烷。这样的氨基官能团聚硅氧烷的实例包括，例如，二氨基官能团的聚二甲基硅氧烷。
理想地，有机聚硅氧烷具有相对低的分子量，以改善固化之前封装材料的黏性和流动性。例如，在一个实施方案中，有机聚硅氧烷(例如，聚二甲基硅氧烷)具有约100,000g/摩尔或更小的分子量，在一些实施方案中约60,000g/摩尔或更小，以及在一些实施方案中约5,000-30,000g/摩尔。例如，所得封装材料的黏度(在固化前)可为约500Pa·s或更小，在一些实施方案中为约100Pa·s或更小，以及在一些实施方案中为约1-50Pa·s，如在25℃温度下使用配备有设定间隙为0.5mm的20mm平行板的ARES R550PS压力控制流变仪所确定的。
可选择性地控制导热填料与聚合物基体的相对量来获得所需的性质。例如，封装材料通常包含约25-95体积％的导热填料，在一些实施方案中约40-90体积％，以及在一些实施方案中约50-85体积％。同样地，聚合物基体可占所述材料的约5-75体积％，在一些实施方案中约10-50体积％，以及在一些实施方案中约15-40体积％。如果需要的话，也可在所述封装材料中使用其他添加剂，例如相容剂、固化剂、光引发剂、黏度改性剂、颜料、偶联剂(例如，硅烷偶联剂)、稳定剂等。
如上所述，导热材料用于本发明电容器组件中，以至少部分地将一个或甚至多个电容器元件封装在壳体内。下面将更详细地描述所述电容器元件及壳体结构的多种实施方案。
1.电容器元件
A.阳极
电容器元件通常包含由阀金属粉末形成的阳极。粉末可具有约2,000微法拉*伏特每克("μF*V/g")至500,000μF*V/g的比电荷。如本领域中已知的，比电荷可通过由所用的阳极化电压(anodizing voltage)乘以电容，然后将该乘积除以阳极化之前的电极体的重量而确定。在某些实施方案中，粉末可具有高的比电荷，例如约70,000μF*V/g或更大，在一些实施方案中约80,000μF*V/g或更大，在一些实施方案中约90,000μF*V/g或更大，在一些实施方案中约100,000-400,000μF*V/g，以及在一些实施方案中约150,000-350,000μF*V/g。当然，粉末也可具有低的比荷，例如约70,000μF*V/g或更小，在一些实施方案中约60,000μF*V/g或更小，在一些实施方案中约50,000μF*V/g或更小，在一些实施方案中约2,000-40,000μF*V/g，以及在一些实施方案中约5,000-350,000μF*V/g。
粉末可包含单独的颗粒和/或这样的颗粒的附聚物(agglomerate)。形成粉末的化合物包括阀金属(即，能够氧化的金属)或阀金属基化合物，诸如钽、铌、铝、铪、钛，其合金，其氧化物以及其氮化物等。例如，阀金属组合物可包含铌的导电氧化物，如具有铌与氧的原子比为1:1.0±1.0的铌氧化物，在一些实施方案中为1:1.0±0.3，在一些实施方案中为1:1.0±0.1，以及在一些实施方案中为1:1.0±0.05。例如，铌氧化物可为NbO0.7、NbO1.0、NbO1.1及NbO2。以下描述了这样的阀金属氧化物的实例：Fife的美国专利6,322,912、Fife等人的美国专利6,391,275、Fife等人的美国专利6,416,730、Fife的美国专利6,527,937、Kimmel等人的美国专利6,576,099、Fife等人的美国专利6,592,740、Kimmel等人的美国专利6,639,787和Kimmel等人的美国专利7,220,397；以及Schnitter的美国专利申请公布2005/0019581、Schnitter等人的美国专利申请公布2005/0103638和Thomas等人的美国专利申请公布2005/0013765。
可通过使用本领域技术人员已知的技术形成粉末。例如，前体(precursor)钽粉末可通过用还原剂(例如，氢、钠、钾、镁、钙等)还原钽盐(例如，氟钽酸钾(K2TaF7)、氟钽酸钠(Na2TaF7)、五氯化钽(TaCl5)等)而形成。这样的粉末可以多种方式附聚，例如在约700-1400℃温度下通过一个或多个热处理步骤，在一些实施方案中温度约750-1200℃，以及在一些实施方案中约800-1100℃。热处理可在惰性或还原性气氛中进行。例如，热处理可在包含氢或释放氢气的化合物的(例如，氯化铵、氢化钙、氢化镁等)气氛中进行以部分烧结粉末并减小杂质(例如，氟)的含量。如果需要的话，附聚也可在吸气材料(例如，镁)的存在下进行。热处理后，高反应性粗附聚物可由于空气的逐渐进入而钝化。在Rao的美国专利6,576,038、Wolf等人的美国专利6,238,456、Pathare等人的美国专利5,954,856、Rerat的美国专利5,082,491、Getz的美国专利4,555,268、Albrecht等人的美国专利4,483,819、Getz等人的美国专利4,441,927以及Bates等人的美国专利4,017,302中也描述了其他适宜的附聚技术。
为了便于阳极体的构造，在粉末中也可包含某些组分。例如，可任选地将粉末与粘结剂和/或滑润剂混合以确保当压制成阳极体时颗粒间彼此充分粘附。适宜的粘结剂可包括，例如聚乙烯醇缩丁醛；聚醋酸乙烯酯；聚乙烯醇；聚乙烯基吡咯烷酮；纤维素聚合物(如羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素以及甲基羟乙基纤维素)；无规立构聚丙烯、聚乙烯；聚乙二醇(如陶氏化学公司的Carbowax)；聚苯乙烯、聚(丁二烯/苯乙烯)；聚酰胺、聚酰亚胺和聚丙烯酰胺，高分子量的聚醚；环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物；含氟聚合物(如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟代烯烃类共聚物；丙烯酸聚合物，如聚丙烯酸钠、聚(丙烯酸低级烷基酯)、聚(甲基丙烯酸低级烷基酯)以及丙烯酸低级烷基酯与甲基丙烯酸低级烷基酯的共聚物；以及脂肪酸和石蜡(例如硬脂酸和其它皂性脂肪酸、植物蜡、微晶蜡(精制石蜡))等。粘结剂可溶解并分散在溶剂中。示例性溶剂可包括水、醇类等。使用时，粘合剂和/或润滑剂占总质量的重量比可在约0.1％-8％之间变化。然而应理解，粘结剂和/或滑润剂在本发明中并非是必需的。
可使用任何常规的粉末压制装置压实所得粉末以形成粒料。例如，可采用包含模具及一个或多个模冲的单工位压力机的压模。可替代地，可使用仅用一模具和单下模冲的砧型的夯实压模。单工位夯实压模有几种基本类型可用，诸如凸轮式、肘杆式/肘板式和偏心/曲柄式压力机，这些压力机具有不同的生产能力，如单动、复动、浮动模、活动压板、对置柱塞、螺杆、冲击、热压、印压或精整式。粉末可围绕阳极引线(如钽线)而压实。应当进一步理解的是，或者，在阳极体的压制和/或烧结之后，也可以将阳极引线附着(例如，焊接)至阳极体。
在压制完成后，通过在真空状态下以一定温度(例如，约150℃-500℃)加热粒料数分钟，可将任何粘结剂/滑润剂去除掉。可替代地，粘结剂/滑润剂也可通过使粒料与水溶液接触而除去，如在Bishop等人的美国专利6,197,252中所描述的。其后，将粒料烧结以形成多孔的整体物质。例如，在一个实施方案中，可在约1200℃-2000℃的温度下烧结粒料，以及在一些实施方案中，在约1500℃-1800℃于真空或惰性气氛下烧结。烧结后，由于颗粒间件的结合增长，粒料收缩。烧结后粒料的压制密度可不同，但通常为约2.0-7.0克每立方厘米，在一些实施方案中约2.5-6.5克每立方厘米，以及在一些实施方案中约3.0-6.0克每立方厘米。压制密度是由材料的量除以压制粒料的体积而确定的。
尽管不是必需的，可选择阳极体的厚度以改善电容器的电气性能。例如，阳极的厚度可为约4毫米或更小，在一些实施方案中约0.05-2毫米，以及在一些实施方案中约0.1-1毫米。也可选择阳极的形状以改善所得电容器的电气性能。例如，阳极可具有弯曲的、正弦、矩形、U型、V型等形状。由于阳极可包含一个或多个槽沟、凹槽、凹口或凹痕，阳极也具有“槽口”形状，以增加表面积与体积之比，尽可能减小ESR并延长电容的频率响应。在例如Webber等人的美国专利6,191,936、Maeda等人的美国专利5,949,639、Bourgault等人的美国专利3,345,545以及Hahn等人的美国专利申请公布2005/0270725中描述了这种“槽口”状阳极。
阳极引线也可连接至阳极体，在纵向方向上从阳极体延伸出来。阳极引线可以是导线、板等形式，并且可以由阀金属化合物，例如钽、铌、氧化铌等制成。可使用已知技术来实现引线的连接，例如在形成过程中(例如，在压实和/或烧结之前)通过将引线焊接至阳极或嵌入阳极体内来实现。
B.电介质
电介质也覆盖或涂覆阳极体。电介质可通过对烧结的阳极进行阳极氧化(“阳极化”)而形成，使得介电层在阳极体上和/或阳极体内形成。例如，钽(Ta)阳极体可被阳极化为五氧化二钽(Ta2O5)。通常，阳极化是通过首先向阳极体施加溶液来进行的，例如通过将阳极体浸入电解质中。通常采用诸如水(例如，去离子水)的溶剂。为了增强离子导电性，可采用能够在溶剂中解离以形成离子的化合物。例如，酸(例如磷酸)可占阳极化溶液的约0.01-5重量％，在一些实施方案中约0.05-0.8重量％，以及在一些实施方案中约0.1-0.5重量％。如果需要的话，也可采用酸的共混物。
使电流通过阳极化溶液以形成介电层。形成电压的值控制介电层的厚度。例如，电源初始可设为恒电流模式直至达到所需的电压。此后，电源可切换到恒电位模式以确保在阳极体的整个表面上形成所需的介电厚度。当然，也可以采用其它已知的方法，例如脉冲或阶梯恒电位法。阳极氧化发生时的电压通常为约4-400伏，在一些实施方案中约9-200伏，以及在一些实施方案中约20-150伏。在氧化过程中，阳极化溶液可维持在升高的温度下，例如约30℃或更高，在一些实施方案中约40-200℃，以及在一些实施方案中约50-100℃。阳极氧化也可以在环境温度或更低的温度下完成。所得介电层可形成于阳极体的表面上及其孔内。
C.固体电解质
如上所述，固体电解质覆盖电介质，其通常用作阴极。在一些实施方案中，固体电解质可包括二氧化锰。如果固体电解质包括二氧化锰，二氧化锰固体电解质可，例如，通过硝酸锰(Mn(NO3)2)的热解而形成。例如，在授turmer等人的美国专利4,945,452中描述了这种技术。
在其他实施方案中，固体电解质包含导电聚合物，通常是π共轭的以及氧化或还原后具有导电性(例如，至少1μS/cm的导电性)的导电聚合物。这样的π-共轭导电聚合物的实例包括，例如，聚杂环(例如，聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等)、聚乙炔、聚对苯撑、聚苯酚等。在一个实施方案中，例如，该聚合物为取代的聚噻吩，如那些具有如下通用结构的取代的聚噻吩：
其中，
T为O或S；
D为任选取代的C1至C5亚烷基(例如，亚甲基、亚乙基、正亚丙基、正亚丁基、正亚戊基等)；
R7是直链或支链的，任选取代的C1至C18烷基(例如，甲基，乙基，正或异丙基，正、异、仲或叔丁基，正戊基，1-甲基丁基，2-甲基丁基，3-甲基丁基，1-乙基丙基，1,1-二甲基丙基，1,2-二甲基丙基，2,2-二甲基丙基，正己基，正庚基，正辛基，2-乙基己基，正壬基，正-癸基，正十一烷基、正十二烷基，正十三烷基，正十四烷基，正十六烷基，正十八烷基等)；任选取代的C5至C12环烷基(例如，环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环壬基、环癸基等)；任选取代的C6至C14芳基(例如，苯基、萘基等)；任选取代的C7至C18芳烷基(如，苄基，邻、间、对甲苯基，2,3-，2,4-，2,5-，2-6，3-4-，3,5-二甲苯基、异亚丙基等)；任选取代的C1至C4的羟烷基，或羟基；以及
q为0至8的整数，在一些实施方案中为0至2，以及在一个实施方案中为0；以及
n为2-5,000，在一些实施方案中为4-2,000，以及在一些实施方案中为5-1,000。取代基团“D”或“R7”的取代基的实例包括，例如，烷基、环烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、卤素、醚、硫醚，二硫化物、亚砜、砜、磺酸、氨基、醛基、酮基、羧酸酯、羧酸、碳酸酯、羧酸盐(carboxylate)、氰基、烷基硅烷和烷氧基硅烷基、羧酰胺基，等等。
特别适宜的噻吩聚合物是那些其中“D”是任选取代的C2至C3亚烷基。例如，该聚合物可为任选取代的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)，其具有以下通用结构：
用于形成导电聚合物的方法(如上所述)在现有技术中是公知的。例如，在Merker等人的美国专利6,987,663中描述了从单体前体形成取代聚噻吩的各种技术。例如，单体前体可具有如下结构：
其中，
T、D、R7和q如上定义。特别适宜的噻吩单体是那些其中“D”是任选取代的C2至C3亚烷基的。例如，可采用任选取代的3,4-乙烯二氧噻吩，其具有以下通用结构：
其中R7和q如上定义。在一个具体实施方案中，“q”为0。可商购的适宜的3,4-乙烯二氧噻吩的一个实例来自贺利氏公司(Heraeus Clevios)的CleviosTMM。其它适宜的单体在Blohm等人的美国专利5,111,327中以及Groenendaal等人的美国专利6,635,729中也进行了描述。也可以采用这些单体的衍生物，例如，上述单体的二聚物或三聚物。单体的更高的分子衍生物(即，四聚物、五聚物等)是适于在本发明中使用的。所述衍生物可以由相同的或不同的单体单元组成，并以纯的形式或者以与彼此和/或单体的混合物的形式使用。也可以采用这些前体的氧化或还原形式。
可利用各种方法形成导电聚合物层。例如，原位聚合层可通过在氧化催化剂存在下化学聚合单体而形成。氧化催化剂通常包括过渡金属阳离子，如铁(III)、铜(II)、铬(VI)、铈(IV)、锰(IV)、锰(Ⅶ)或钌(III)阳离子等。也可以采用掺杂剂以向导电聚合物提供额外的电荷并稳定聚合物的导电性。掺杂剂通常包括无机或有机阴离子，例如磺酸离子。在某些实施方案中，氧化催化剂具有催化和掺杂功能，这是因为它包括阳离子(例如，过渡金属)和阴离子(例如，磺酸)。例如，该氧化催化剂可以是包括铁(Ⅲ)阳离子的过渡金属盐，例如铁(III)卤化物(例如，FeCl3)，或其它无机酸的铁(III)盐(如Fe(ClO4)3或Fe2(SO4)3以及含有机基团的有机酸和无机酸的铁(III)盐。带有有机基团的无机酸的铁(III)盐的实例包括，例如，C1至C20链烷醇的硫酸单酯的铁(III)盐(例如，十二烷基硫酸铁(III)盐)。同样，有机酸的铁(III)盐的实例包括，例如，C1至C20烷烃硫酸(例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或十二烷基磺酸)的铁(III)盐；脂肪族全氟羧酸(例如，三氟甲磺酸、全氟丁烷磺酸或全氟辛烷磺酸)的铁(III)盐；脂肪族C1至C20羧酸(例如，2-乙基己基羧酸)的铁(III)盐；脂肪族全氟羧酸(例如，三氟乙酸或全氟辛酸)的铁(III)盐；C1至C20烷基任选取代的芳族磺酸(例如，苯磺酸，邻甲苯磺酸，对-甲苯磺酸，或十二烷基苯磺酸)的铁(III)盐；环烷烃磺酸(例如，樟脑磺酸)的铁(III)盐；等。也可使用这些上述铁(III)盐的混合物。对甲苯磺酸铁(III)、邻甲苯磺酸铁(III)及其混合物是特别合适的。可商购的一个合适的对甲苯磺酸铁(III)实例来自贺利氏公司的CleviosTMC。
可将氧化催化剂和单体依次或者一起施加以引发聚合反应。用于涂覆这些组分的适宜的涂覆技术包括丝网印刷、浸渍、电泳涂装和喷涂。例如，单体可首先与氧化催化剂混合以形成前体溶液。一旦混合物形成，其可被涂覆至阳极部件，然后使之聚合，使得在表面上形成导电涂层。可替代地，氧化催化剂和单体可依次涂覆。在一个实施方案中，例如，氧化催化剂溶解于有机溶剂(例如，丁醇)中，然后作为浸渍溶液涂覆。随后可对阳极部件进行干燥以除去其中的溶剂。此后，可将该部件浸入含单体的溶液中。无论怎样，通常在约-10℃至约250℃的温度下进行聚合，以及在一些实施方案中在约0℃至约200℃温度下聚合，取决于所使用的氧化剂和所需的反应时间。适宜的聚合技术(如上所述)在Biler的美国专利7,515,396中进行了更详细的描述。而用于涂覆这样的导电涂层的其它方法还在Sakata等人的美国专利5,457,862、Sakata等人的美国专利5,473,503、Sakata等人的美国专利5,729,428以及Kudoh等人的美国专利5,812,367中进行了描述。
除原位涂覆外，导电聚合物固体电解质也可以导电聚合物颗粒的分散体的形式涂覆。采用分散体的一个好处是，它可以使得在原位聚合过程中所产生的离子物质(例如，Fe2+或Fe3+)的存在最小化，离子物质会由于离子迁移，在高电场下导致电介质击穿。因此，通过将导电聚合物作为分散体而非通过原位聚合进行涂覆，所得电容器可表现出相对高的“击穿电压”。为了使阳极能够良好地被浸渍，在分散体中所采用的颗粒通常具有小的尺寸，例如约1-150纳米的平均尺寸(例如，直径)，在一些实施方案中约2-50纳米，以及在一些实施方案中约5-40纳米。颗粒的直径可使用已知技术确定，例如通过超高速离心、激光衍射等。颗粒的形状同样也可以改变。在一个具体实施方案中，例如，颗粒是球形的。然而，应当理解的是，本发明也可以设想其他形状，例如板、棒、盘、条、管、不规则形状等。分散体中颗粒的浓度根据所需的分散体黏度以及其中分散体施加至电容器的具体方式而不同。然而，通常颗粒占分散体的约0.1-10重量％，在一些实施方案中约0.4-5重量％，以及在一些实施方案中约0.5-4重量％。
分散体通常也包含增强颗粒稳定性的抗衡离子。即导电聚合物(例如，聚噻吩或其衍生物)通常在聚合物主链上具有中性或正(阳离子的)电荷。例如，聚噻吩衍生物通常在聚合物主链上带有正电荷。在某些情况下，聚合物可在结构单元中具有正和负电荷，正电荷位于主链上，而负电荷任选地位于基团“R”的取代基上，如磺酸基或羧酸基上。主链上的正电荷可被基团“R”上任选存在的阴离子基团部分或全部饱和。整体来看，在这些情况下，聚噻吩可以是阳离子、中性离子，或甚至是阴离子。但是，它们均被认为是阳离子型聚噻吩，因为聚噻吩主链具有正电荷。
抗衡离子可为单体的或聚合物的阴离子，其抵消了导电聚合物的电荷。例如，聚合物的阴离子可为聚合羧酸(例如，聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸等)的阴离子；聚合磺酸(例如，聚苯乙烯磺酸(“PSS”)、聚乙烯基磺酸等)的阴离子；等。酸也可以是共聚物，例如乙烯基羧酸和乙烯基磺酸与其他可聚合单体(如丙烯酸酯和苯乙烯)的共聚物。同样地，适宜的单体阴离子包括，例如，C1至C20烷烃磺酸(例如，十二烷基磺酸)的阴离子、脂肪族全氟羧酸(例如，三氟甲磺酸、全氟丁烷磺酸或全氟辛烷磺酸)的阴离子、脂肪族C1至C20羧酸(例如，2-乙基-己基羧酸)的阴离子、脂肪族全氟酸酸(例如，三氟乙酸或全氟辛酸)的阴离子、C1至C20烷基任选取代的芳族磺酸(例如，苯磺酸、邻甲苯磺酸、对-甲苯磺酸，或十二烷基苯磺酸)的阴离子、环烷烃磺酸(例如，樟脑磺酸或四氟硼酸、六氟磷酸、高氯酸盐、六氟锑酸盐、六氟砷酸盐或六氯锑酸盐)的阴离子等。尤其适宜的抗衡离子是聚合物阴离子，例如聚合羧酸或磺酸(例如，聚苯乙烯磺酸(“PSS”))。这样的聚合物阴离子的分子量通常为约1,000-2,000,000，且在一些实施方案中约2,000-500,000。
使用时，在分散体中以及在所得层中这种抗衡离子与导电聚合物的重量比通常为约0.5:1-50:1，在一些实施方案中约1:1-30:1，以及在一些实施方案中约2:1-20:1。导电聚合物的重量与所提到的重量之比称为所使用单体的重量比(weigh-in portion)，假定在聚合过程中完全转化。除导电聚合物和抗衡离子，分散体也可包含一种或多种粘结剂、分散剂、填料、粘合剂、交联剂等。
聚合物分散体可通过使用多种已知技术进行涂覆，例如通过旋涂、浸渍、倾倒、逐滴滴加、注射、喷涂、刮涂、刷涂、印刷(例如，喷墨、丝网印刷或移印)或浸涂。尽管根据所采用的涂覆技术而不同，分散体的黏度通常为约0.1-100,000mPa·s(在100s-1的切变率下测量)，在一些实施方案中约1-10,000mPa·s，在一些实施方案中约10-1,500mPa·s，以及在一些实施方案中约100-1000mPa·s。一旦涂覆，可对该层进行干燥和/或清洗。也可以此方式形成一个或多个附加层以获得所需的厚度。通常，由该颗粒分散体形成的层的总厚度为约1-50μm，在一些实施方案中约5-20μm。同样，抗衡离子与导电聚合物的重量比为约0.5:1-50:1，在一些实施方案中约1:1-30:1，以及在一些实施方案中约2:1-20:1。
如果需要的话，也可在固体电解质中包含羟基官能化非离子型聚合物。术语“羟基官能化”通常是指化合物包含至少一个羟基官能团或在溶剂的存在下能够具有这种官能团。不限于任何理论，羟基官能化非离子型聚合物被认为可提高导电聚合物与内部电介质表面之间的接触度，由于有较高的形成电压，接触在本质上通常较平滑。非预期地，这增加了所得电容器的击穿电压和湿-干电容。此外，具有一定分子量的羟基官能化聚合物的使用被认为还可以使得高压下化学分解的可能性降到最低。例如，羟基官能化聚合物的分子量可为约100-10,000克每摩尔，在一些实施方案中约200-2,000克每摩尔，在一些实施方案中约300-1,200克每摩尔，以及在一些实施方案中约400-800克每摩尔。
为此，通常可采用多种羟基官能化非离子型聚合物中的任一种。在一个实施方案中，例如，羟基官能化聚合物为聚亚烷基醚。聚亚烷基醚可包括聚亚烷基乙二醇(例如，聚乙二醇、聚丙二醇、聚四亚甲基二醇、聚环氧氯丙烷等)、聚氧杂环丁烷、聚亚苯基醚、聚醚酮等。聚亚烷基醚通常主要为具有末端羟基的线性非离子型聚合物。特别适宜的为聚乙二醇、聚丙二醇及聚四亚甲基二醇(聚四氢呋喃)，是由环氧乙烷、环氧丙烷或四氢呋喃通过与水的加聚反应而生成的。聚亚烷基醚可通过二元醇或多元醇的缩聚反应来制备。二元醇组分特别地可选自饱和或不饱和、有支链或无支链的包含5至36个碳原子的脂肪族二羟基化合物或芳基二羟基化合物，例如，戊烷-1,5-二醇、己烷-1,6-二醇、新戊二醇、双(羟甲基)环己烷、双酚A、二聚体二醇、氢化二聚体二醇或甚至以上所述二醇的混合物。此外，也可以在聚合反应中使用多元醇，包括例如，甘油、二聚甘油或多聚甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇或山梨醇。
除上述提及的那些，本发明中也可以使用其他羟基官能化非离子聚合物。这样的聚合物的实例包括，例如，乙氧基烷基酚；乙氧基或丙氧基C6-C24脂肪醇；具有通式CH3-(CH2)10-16-(O-C2H4)1-25-OH的聚氧乙烯乙二醇烷基醚(例如，八甘醇单正十二烷基醚和五甘醇单十二烷基醚)；具有通式CH3-(CH2)10-16-(O-C3H6)1-25-OH的聚氧丙烯醇烷基醚；具有通式C8H17-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚氧乙烯二醇辛基酚醚(例如，TritonTMX-100)；具有通式C9H19-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚氧化乙烯二醇烷代酚醚(例如，壬苯醇醚-9)；C8-C24脂肪酸的聚氧乙烯二醇酯，例如聚氧乙烯二醇山梨醇酐烷基酯(例如，聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单棕榈酸酯、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单油酸酯、PEG-20甲基葡萄糖二硬脂酸酯、PEG-20甲基葡萄糖倍半硬脂酸酯、PEG-80蓖麻油、PEG-20蓖麻油、PEG-3蓖麻油、PEG 600二油酸酯及PEG 400二油酸酯)、聚氧乙烯甘油烷基酯(例如，聚氧乙烯-23-月桂酸甘油酯和聚氧乙烯-20-硬脂酸甘油酯)；C8-C24脂肪酸的聚氧乙烯二醇醚(例如，聚氧乙烯10十六烷基醚、聚氧乙烯-10十八烷基醚、聚氧乙烯-20十六烷基醚、聚氧乙烯-10油醚、聚氧乙烯-20油醚、聚氧乙烯-20异十六烷基醚、聚氧乙烯-15十三烷基醚和聚氧乙烯-6十三烷基醚)；聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物(例如，泊洛沙姆)等及其混合物。
所述羟基官能化非离子型聚合物可以多种不同方式加入固体电解质中。在某些实施方案中，例如，非离子型聚合物可通过上述方法(例如，原位聚合物或预聚合的颗粒分散体)简单地加入到形成的任何导电聚合物层中。而在其他实施方案中，可在初始聚合物层形成之后涂覆所述非离子型聚合物。
D.外部聚合物涂层
尽管不是必需的，可向阳极体涂覆外部聚合物涂层并覆盖固体电解质。外部聚合物涂层通常包含由预聚合的导电颗粒分散体形成的一层或多层，如以上所详细描述的。外部涂层能够进一步渗透到电容器主体的边缘区域中，以增加对电介质的粘合并形成在机械性能上更加坚固的部分，这可以减小等效串联电阻和泄漏电流。如果需要的话，也可以在外部聚合物涂层中使用交联剂以提高对固体电解质的粘合度。通常，在涂覆用于外部涂层中的分散体之前涂覆交联剂。例如，适宜的交联剂在Merker等人的美国专利公布2007/0064376中进行了描述，并包括，例如，胺类(例如，二元胺、三元胺、低聚胺、多聚胺等)；多价的金属阳离子，诸如Mg、Al、Ca、Cr、Mn、Ba、Ti、Co、Ni、Cu、Ru、Ce或Zn的盐或化合物、磷化合物、锍化合物等。
E.其他组分
如果需要的话，电容器元件还可以包含在本领域中已知的其他层。例如，可任选地在电介质与固体电解质之间形成保护性涂层，如由诸如虫胶树脂的相对绝缘的树脂材料(天然的或合成的)制成的涂层。这些以及其他保护性涂层材料在Fife等人的美国专利6,674,635中进行了更详细的描述。如果需要的话，还可分别用碳层(例如，石墨)和银层涂覆部件。例如，银涂层可作为电容器的可焊接导体、接触层和/或电荷收集器，而碳涂层可限制银涂层与固体电解质的接触。这样的涂层可覆盖固体电解质的部分或全部。
II.壳体
如上所述，电容器元件被气密密封于壳体内以形成本发明的电容器组件。在某些实施方案中，可采用多个电容器元件，例如2至约150个，在一些实施方案中约5-100个，在一些实施方案中约25-75个，以及在一些实施方案中约30-50。气密密封通常发生在包含至少一种惰性气体的气态气氛中，以抑制使用过程中固体电解质的氧化。惰性气体可包括，例如，氮气、氦气、氩气、氙气、氖气、氪气、氡气等，以及它们的混合物。通常，惰性气体占壳体内气态气氛的多数，例如占气氛的约50-100重量％，在一些实施方案中占约75-100重量％，以及在一些实施方案中占约90-99重量％。如果需要的话，也可以使用相对小量的非惰性气体，例如二氧化碳、氧气、水蒸气等。然而，在这种情况下，非惰性气体通常占壳体内气氛的15重量％或更少，在一些实施方案中占10重量％或更少，在一些实施方案中占约5重量％或更少，在一些实施方案中占约1重量％或更少，以及在一些实施方案中占约0.01-1重量％。例如，水分含量(以相对湿度表示)可为约10％或更小，在一些实施方案中为约5％或更小，在一些实施方案中为约1％或更小，以及在一些实施方案中为约0.01-5％。
多种不同材料的任一种可用于形成壳体，如金属、塑料、陶瓷等。在一个实施方案中，例如，壳体可包括一层或多层金属，例如钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(如不锈钢)，其合金(如导电氧化物)以及其复合物(如涂覆有导电氧化物的金属)等。在另一个实施方案中，壳体可包括一层或多层陶瓷材料，例如氮化铝、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、玻璃等及其组合。
可使用多种不同技术中的任一种将电容器元件附接至壳体。尽管并非必需，但是可通过使得阳极端子和阴极端子形成于壳体的外部用于后续集成到电路中的这种方式将电容器元件附接至壳体。端子的特定构造取决于意图的应用。在一个实施方案中，例如，电容器组件形成为使得它是可表面安装的，而在机械性能上仍然是坚固的。例如，阳极引线和电容器元件的阴极可电连接至外部的、可表面安装的端子(例如，垫、片、板、框等)，其可延伸穿过壳体以通过阳极引线框(例如通过以下将更详细讨论的导电部件、镀层、焊盘等)与电容器元件的阳极相连接，且其可延伸通过壳体以通过镀层与阴极相连接。在另一个实施方案中，阳极引线和电容器元件的阴极可直接电连接至外部的、可表面安装的端子(例如，垫、片、板、框等)，其可延伸通过壳体以与阴极以及与阳极引线相连接。
通常选择外部端子的厚度或高度以使电容器组件的厚度最小化。例如，端子的厚度可为约0.05-1毫米，例如约0.05-0.5毫米，例如约0.1-0.2毫米。如果需要的话，如本领域中已知的，端子表面可利用镍、银、金、锡、钴等及其合金进行电镀，以确保最终部件可安装至电路板。在一个具体实施方案中，端子(多个)分别沉积以镍和银闪(nickel and silver flashes)，且安装表面也镀以锡焊层。在另一个实施方案中，在基底金属层(例如，铜合金)上对端子沉积以薄的外金属层(例如，金)，以进一步提高导电性。
本发明的导热材料被置于壳体内，使得它至少部分地封装电容器元件。在某些实施方案中，例如，材料可完全封装电容器元件。可通过多种方式实现封装。例如，导热材料可被置于与电容器元件直接接触。可替代地，导热材料可简单地被涂覆至壳体表面本身(例如，盖子)，使得它覆盖电容器元件。例如，参照图9，示出了电容器组件100的一个实施方案，该电容器组件100包含置于其上的导热封装材料143，从而封装一个或多个电容器元件(未示出)。一经涂覆，可使用多种技术中的任一种将所述材料固化。在一个实施方案中，例如，所述材料可在约20-200℃的温度下固化，以及在一些实施方案中在约25-150℃的温度下固化。如果需要的话，可通过向所述材料加入硬化剂或其他固化剂来促进固化。
通常多种不同壳体构造的任一种可用于本发明中。例如，尽管并非必需，“低轮廓”(lowprofile)电容器组件可用于具有相对低的厚度的一个实施方案中。参照图1-4及7-9，例如，示出了低轮廓电容器组件100的多种实施例，其中壳体具有在-z方向上约1-20毫米的高度H1，例如约2-10毫米，例如约3-6毫米。同样地，壳体在-x方向上的长度L1为约20-100毫米，例如约40-70毫米，例如约45-65毫米，而壳体在-y方向上的宽度W1可为约10-60毫米，例如约20-50毫米，例如约25-45毫米。此外，在一些实施方案中，壳体可具有约7000-12,000mm3的体积，例如约7500-11,500mm3，例如约8000-11,000mm3。此外，壳体可具有使得壳体在-x方向上的长度L1与壳体在-z方向上的高度H1的比至少为约2的低轮廓。例如，长度L1与高度H1的比可为约2-80，例如约4-60，例如约10-40。
尽管并非必需，示于图1-4及7-9中的电容器组件具有置于多个平行的行(例如，行1-4)中的多个电容器元件(例如，40)，其中每行10个的电容器元件沿壳体长度L1在纵向方向LG上延伸。然而，应理解，在每一行中可有任意数量的电容器元件，且可采用任意数目的行，取决于电容器组件的特定要求。如所示，电容器组件100的壳体包括下壁123及相对的侧壁124以及125，腔526形成于其间并包括电容器元件20(1)-20(40)。下壁123及侧壁124和125可由例如上述的一层或多层的金属、塑料或陶瓷材料形成。电容器元件20(1)-20(40)平行设置于壳体的腔526内，其中这样的平行设置有助于减小电容器组件100的ESR，其中减小的ESR有助于电容器组件100的有效散热能力。
电容器元件20(1)-20(40)是对齐的，使得一个电容器元件(例如，电容器元件20(1))的次表面25b邻近且面向其相邻电容器元件(例如，电容器元件20(2))的次表面25a。电容器元件20(1)-20(40)的每个电容器元件下主表面23b(见图3)面对壳体的下壁123并例如经由将在以下详细讨论的镀层而与下壁123接触，其中电容器元件20(1)-(40)的使得它们下主表面23b而不是其相对的次表面25a、25b、27a及27b与下壁123接触(见图3)的设置，增大了与外壳接触的电容器元件20(1)-20(40)的表面积，这进一步有助于电容器组件100的有效散热能力。更具体地，经由镀层与外壳接触的电容器元件的下主表面的总表面积与壳体体积的比可大于约0.05mm-1，在一些实施方案中大于约0.06mm-1，且在一些实施方案中约0.06-0.3mm-1，例如约0.065-0.25mm-1，例如约0.07-0.20mm-1，以及例如约0.075-0.15mm-1。
如上所述且如图1-2所示，电容器组件100还可包含外部阳极端子135及外部阴极端子137，阳极引线6及在每个电容器元件20(1)-20(40)的下主表面23b上的固体电解质/阴极平行电连接至所述阳极端子135及阴极端子137，此外，可在壳体的内部腔内采用引线框和镀层以促进以在机械性能上稳定的方式形成外部端子135和137。例如，参照图4，电容器组件100可包括具有第一平板状部分65以及就设置在通常与每个电容器元件20(1)-20(40)的阳极引线6延伸的方向垂直的平面内而言是“直立的”的第二部分67。以这种方式，第二部分67可限制引线6的移动，以提高使用时的表面接触和机械稳定性。此外，如果需要的话，可使用绝缘材料7(例如，TeflonTM垫圈)围绕引线6。第二部分67可具有连接至阳极引线6的安装区域(未示出)。该区域可具有“U型”，用于进一步提高引线6的表面接触与机械稳定性。此外，阳极引线6可经由激光焊接、电阻焊接、导电粘合剂或任何其他适宜的方法连接至阳极引线框的第二部分67。
例如，可采用包括用于每行电容器元件的第一部分65a、65b、65c和65d以及与40个电容器元件中的每一个相对应的四十个第二部分67(1)-67(40)(为简单起见，标记为67)的阳极引线框，以连接四行电容器元件(每行10个)(例如，第1行包括经由它们的阳极引线6在第二部分67(1)-(10)处连接至阳极引线框的电容器元件20(1)-20(10)；第2行包括经由它们的阳极引线6在第二部分67(11)-67(20)处连接至阳极引线框的电容器元件20(11)-20(20)；第3行包括经由它们的阳极引线6在第二部分67(21)-67(30)处连接至阳极引线框部件65c的电容器元件20(21)-20(30)；以及第4行包括经由它们的阳极引线6在第二部分67(31)-67(40)处连接至阳极引线框的电容器元件20(31)-20(40))。此外，尽管未示出，由于电容器元件20(11)-20(20)和20(21)-20(30)被如此定位使得它们的阳极引线6彼此相对，如果需要的话，与第2行和第3行相关联的阳极引线框的第一部分65b和65c可被组合为阳极引线框的单独的第一部分。如以上所讨论的，在一个具体实施方案中，每个阳极引线6是激光焊接至阳极引线框的每个第二部分67的。但也可理解的是，这些部件可经由电阻焊接、导电粘合剂等连接。同时，在一个具体实施方案中，阳极引线框的第一部分65a-65d可经由电阻焊接连接至壳体的下壁123。但是，也可理解，也可使用任何其他适宜的方法，例如经由导电粘合剂将第一部分65a-65d连接至壳体的下壁123。
此外，阳极引线框第一部分65a-65d及第二部分67(1)-67(40)的表面可被电镀以镍、银、金、锡、钴等，或允许其如在本领域中已知的，以确保经由阳极引线6至电容器元件20(1)-20(40)以及至壳体的下壁123的连接。在一个具体实施方案中，分别对阳极引线框沉积以镍和银闪，且安装表面也镀以锡焊层。在另一个实施方案中，在基底金属层(例如，铜合金)上对阳极引线框沉积以薄的外金属层(例如，金)，以进一步提高导电性。在再又一个实施方案中，镍铁合金条(例如，条)或任何其他适宜的金属材料条(未示出)可被焊接在阳极引线框的第一部分65a-65b下的壳体的下壁123上。
此外，也可采用各种部件以将四行电容器元件(每行10个)连接至壳体的下壁123(例如，第1行包括在它们的下主表面23b处连接至下壁123的电容器元件20(1)-20(10)；第2行包括在它们的下主表面23b处连接至下壁123的电容器元件20(11)-20(20)；第3行包括在它们的下主表面23b处连接至下壁123的电容器元件20(21)-20(30)；以及第4行包括在它们的下主表面23b处连接至下壁123的电容器元件20(31)-20(40))。例如，在一个实施方案中，电容器元件20(1)-20(40)的下主表面23b可经由导电粘合剂(未示出)连接至壳体的下壁123，其中下壁123包括四行金属镀层29a、29b、29c及29d。金属镀层29a、29b、29c及29d可由任何适宜的金属形成，且在一个具体实施方案中可为镍镀层。
电容器元件的附接，无论在阳极侧或阴极侧，通常可使用多种已知技术中的任何一种来实现，例如焊接、激光焊接、导电粘合剂等。使用时，导电粘合剂可由含有树脂组合物的导电金属颗粒形成。金属颗粒可为银、铜、金、铂、镍、锌、铋等。树脂组合物可包括热固性树脂(例如，环氧树脂)、固化剂(例如，酸酐)及偶联剂(例如，硅烷偶联剂)。在Osako等人的美国专利申请公布2006/0038304中描述了适宜的导电粘合剂。
参照图5，示出了电容器组件200的另一个实施方案。为了进一步提高电容器组件的散热能力，电容器组件200可任选包括在-y方向上的金属条133和在-x方向上的金属条131，金属条133和金属条131与若干电容器元件20的上部主表面23a接触。金属材料可为铜或任何其他散热材料且用于进一步增加可供散热的表面积。
现在转向图6，示出了具有替代图4-5中所示设置的电容器组件300，其中与如以上定义的第1行的电容器元件20(1)-20(10)及第2行中的电容器元件20(11)-20(20)相关联的阳极引线6彼此相对，如果需要的话，允许用于第1行和第2行的阳极引线框的第一部分65a和65b被组合为单一部件。类似地，与如以上定义的第3行的电容器元件20(21)-20(30)及第4行中的电容器元件20(31)-20(40)相关联的阳极引线6彼此相对，如果需要的话，允许用于第3行和第4行的阳极引线框的第一部分65c和65d被组合为单一部件。此外，如以上定义的第2行和第3行电容器元件的上部主表面23a彼此邻近，如果需要的话，允许镀层29b和29c组合为单一的部件。
如以上所讨论的，电容器组件包含阳极端子135和阴极端子137，其可位于壳体的外部并由单独的板、片等形成。此外，这样的端子可经由延伸穿过壳体下壁123的导电迹线连接至阳极引线框和阴极镀层/金属条(例如，条)部件。参照图7用于图4-5中电容器元件的设置以及图8用于图6中电容器元件设置，因为阳极引线框的第一部分65a-65d及金属镀层29a-29d延伸电容器组件100外壳的长度L1和宽度W1，将阳极引线框的第一部分65a-65d连接至外部阳极端子135的导电迹线139仅通过直接设置在外部阳极端子135上方的和直接设置在阳极引线框部件的第一部分65a-65d下方的外壳下壁123的部分而形成，而将金属镀层29a-29d连接至外部阴极端子137的导电迹线141仅通过直接设置在外部阴极端子137上方的和直接设置在金属镀层65a-65d下方的外壳下壁123的部分而形成。当然，本发明无论如何并非限于使用导电迹线用于形成所需端子，任何其他适宜的连接都可采用。例如，在一些实施方案中(未示出)，应理解，阳极引线框和阴极镀层的部分可延伸穿过外壳来同样形成外部阳极端子和外部阴极端子。
不论所采用的具体构造如何，如以上所讨论的，在将电容器元件20连接至下壁123后，电容器元件20可被涂覆以封装材料143并固化。此后，所得组件可被气密密封。例如，壳体也可包括盖子127，其在电容器元件被置于壳体内之后被放置于侧壁124和125的上表面上。盖子可由陶瓷、金属(例如，铁、铜、镍、钴等，及其合金)、塑料等形成。如果需要的话，可在盖子与侧壁124和125之间设置密封件(未示出)以帮助提供良好的密封。例如，在一个实施方案中，密封件可包括玻璃-金属密封、环(Goodfellow Camridge,Ltd.(顾特服剑桥有限公司))等。侧壁的高度通常是使得盖子不接触电容器元件的任何表面以使它们不被污染的高度。当放置在所需的位置时，通过使用诸如焊接(例如，电阻焊接、激光焊接等)、焊合(solder)等已知技术将盖子气密密封至侧壁124和125。在一些实施方案中，如上所述，气密密封可在惰性气体存在下进行，使得所得组件基本不含反应性气体，例如氧气或水蒸气。
无论其具体构造如何，即便暴露在高压环境和较高的温度下，本发明的电容器组件可表现出优异的电气性能。例如，由于本发明电容器组件的散热能力，在不损伤电容器组件的情况下可达到相对高的纹波电流。例如，最大的纹波电流可为约25安培或更大，在一些实施方案中约50安培或更大，以及在一些实施方案中约75安培或更大。此外，电容器组件的等效串联电阻(ESR)可小于约75毫欧姆，在一些实施方案中小于约50毫欧姆，以及在一些实施方案中小于约25毫欧姆。例如，ESR可为约0.5-50毫欧姆，例如为约1-25毫欧姆，例如约2-10毫欧姆。
通过参考以下的实例可更好地理解本发明。
测试过程
等效串联电阻(ESR)
使用具有Kelvin引线、2.2伏特DC偏压及0.5伏特峰-峰正弦信号的安捷伦E4980A精密LCR测量计测量等效串联电阻。工作频率为100kHz且温度为23℃+2℃。
电容(CAP)
使用具有Kelvin引线、2.2伏特DC偏压及0.5伏特峰-峰正弦信号的安捷伦E4980A精密LCR测量计测量电容。工作频率为120Hz。
泄漏电流(DCL)
使用Keithley 2410源测量计测量泄漏电流，在适当的电压下(25℃-85℃的Ur，125℃下的60％的Ur以及150℃下的50％的Ur)在在至少60秒后。
纹波电流：
使用GoldStar GP505电源、安捷伦33210A信号发生器、具有Pt100热电偶的Almemo2590-9数据记录器以及Fluke 80i示波器测量纹波电流。当适当值的纹波电流通过电容器时，工作频率为20kHz，AC信号且具有10伏特的DC偏压。随着纹波电流的增大，温度也增大，并通过热成像仪监测。
实例1
使用9,000μFV/g钽粉形成阳极样品。每个阳极样品埋有钽线，在1800℃下烧结，并压制至密度为5.3g/cm3。所得粒料具有4.6mm×5.25mm×2.6mm的尺寸。在具有8.6mS电导率的水/磷酸电解质中以85℃的温度使该粒料阳极化至260V以形成介电层。然后通过将阳极浸入具有1.1％固含量和20mPa·s黏度(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)分散体中来形成导电聚合物涂层。经涂覆后，在125℃下干燥所述构件20分钟。这一过程重复10次。此后，将所述构件浸入具有2％固含量和20mPa·s的黏度(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)分散体中。经涂覆后，在125℃下干燥所述构件20分钟。这一过程不再重复。接着，将所述构件浸入具有2％固含量和160mPa·s的黏度(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)分散体中。经涂覆后，在125℃下干燥所述构件20分钟。这一过程重复8次。然后将所述构件浸入石墨分散体中并进行干燥。最后，将所述构件浸入银分散体中并进行干燥。通过这一方式，制造了100V电容器的多个部件。
使用铜基引线框来完成将电容器元件置于陶瓷壳体内的组装过程。电容器组件包括4行(每行9个电容器元件)平行联接的36个电容器元件。接着将阴极连接件粘合至镍阴极端子，在具有58.0mm长度、35.0mm宽度及5.45mm厚度的陶瓷壳体的下壁处将阳极引线框焊接至镍阳极端子。壳体具有焊接在陶瓷壳体下壁内表面上的镀镍焊盘。
所有连接采用的粘合剂为银浆(silver paste)。然后将组件装入对流烤箱中以焊接银浆。在此之后，用于阳极连接的焊接为电阻焊接，在引线框部分与陶瓷壳体镀镍焊盘之间施加300W能量持续100ms的时间段。然后，将导热有机硅封装剂(热固性SC-320)涂覆在电容器元件的阳极和阴极部分的顶部，并在150℃下干燥24小时。接着，将盖子放置于壳体的顶部，紧接(closely)在陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为340.1μF，而ESR为4.3mΩ。以下示出泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
如所显示，根据实例制造的电容器组件能够经受25安培的纹波电流，而温度仅达到103.6℃。
实例2A
以在上述实例1中描述的相同方式形成多个电容器元件。
接着，采用铜基引线框来完成将电容器元件置于陶瓷壳体内的组装过程。电容器组件包括并联的2个电容器元件。接着将阴极连接件粘合至金阴极端子，在具有11.00mm长度、12.50mm宽度及5.40mm厚度的陶瓷壳体的下壁处将阳极引线框焊接至金阳极端子。壳体具有在部分陶瓷壳体内侧底部上的镀金焊盘。
阴极连接采用的粘合剂为银浆。然后将组件装入对流烤箱中以焊接银浆。用于阳极连接的焊接为电阻焊接，且在引线框部分与陶瓷壳体镀金焊盘之间施加300W的能量100ms。然后，将导热有机硅封装剂(热固性SC-320)涂覆至电容器元件的阳极和阴极部分的顶部，并在150℃下干燥24小时。接着，将盖子放置于壳体的顶部，紧接陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为18.3μF，而ESR为53.0mΩ。下面示出了泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
实例2B
以在上面实例2A中描述的相同方式形成多个电容器元件。
在电容器元件的阳极和阴极部分的顶部上涂覆耐热保护性有机硅涂层，并在23℃下干燥24小时。接着，在壳体的顶部放置盖子，靠近陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为18.3μF，而ESR为56.1mΩ。下面示出了泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
实例2C
以在上面实例2A中描述的相同方式形成多个电容器元件。
在电容器元件的阳极和阴极部分的顶部涂覆单组分环氧树脂基复合泡沫(syntactic foam)粉末封装剂，并在150℃下干燥4小时。接着，在壳体的顶部放置盖子，紧接在陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为19.5μF，而ESR为54.6mΩ。下面示出了泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
实例2D
以在上面实例2A中描述的相同方式形成多个电容器元件。
在阳极和阴极的顶部不施加封装剂。接着，在壳体的顶部放置盖子，紧接在陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为18.4μF，而ESR为49.8mΩ。下面再次示出泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
实例2E
以在上面实例2A中描述的相同方式形成多个电容器元件。
在阳极和阴极的顶部不施加封装剂。接着，在壳体的顶部放置盖子，紧接在陶瓷的密封环上。所得组件被置于焊接室，并且在进行密封环与盖子之间的缝焊之前以氮气对其进行吹扫。
经测试后，确定电容为18.8μF，而ESR为47.6mΩ。下面示出了泄漏电流和纹波电流测试结果的总结。
本发明的这些和其它修改以及变型可在不脱离本发明的精神和范围下，由本领域的普通技术人员来实施。此外，应当理解的是，各种实施例的各方面可以整体或部分地互换。此外，本领域技术人员将理解，上述仅通过实例进行说明，并不旨在限制在所附权利要求书中进一步描述的本发明。
Claims (24)
1.一种电容器组件，其包括：
壳体；
被气密密封于所述壳体内的电容器元件，其中所述电容器元件包括烧结的阳极体、覆盖所述阳极体的电介质以及覆盖所述电介质的固体电解质；以及
至少部分地封装所述电容器元件的导热材料，其中所述导热材料具有根据ISO22007-2:2014所确定的约1W/m-K或更大的热导率。
2.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述导热材料具有根据ASTM D257-14所确定的1×1012欧姆·厘米或更大的体积电阻率。
3.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述导热材料表现出根据ASTMD570-98(2010)e-1所确定的约1％或更小的吸湿度。
4.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述导热材料包含分散于聚合物基体内的导热填料。
5.如权利要求4所述的电容器组件，其中导热填料包括金属填料、金属氧化物填料、氮化物填料、碳填料，或它们的组合。
6.如权利要求5所述的电容器组件，其中所述导热填料包括铝、银、铜、镍、铁、钴、氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳黑、碳富勒烯、石墨薄片、碳纳米管、碳纳米纤维，或它们的组合。
7.如权利要求4所述的电容器组件，其中所述导热填料包括具有约10-500纳米平均尺寸的填料颗粒。
8.如权利要求4所述的电容器组件，其中所述导热填料包括具有约1-50微米平均尺寸的颗粒。
9.如权利要求4所述的电容器组件，其中所述导热填料包含纳米级颗粒和微米级颗粒，其中微米级填料颗粒的平均尺寸与纳米级填料颗粒的平均尺寸的比为约50:1或更大。
10.如权利要求4所述的电容器组件，其中所述聚合物基体包括有机聚硅氧烷。
11.如权利要求10所述的电容器组件，其中所述有机聚硅氧烷为聚二甲基硅氧烷。
12.如权利要求10所述的电容器组件，其中所述有机聚硅氧烷具有约5,000-30,000g/mol的分子量。
13.如权利要求4所述的电容器组件，其中所述导热填料占所述导热材料的约25-95体积％。
14.如权利要求4所述的电容器组件，其中聚合物基体占所述导热材料的约5-75体积％。
15.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述电容器组件包括多个电容器元件，所述电容器元件至少部分地由所述导热材料封装。
16.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述阳极体包括钽，且所述电介质包括五氧化二钽。
17.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述固体电解质包括导电聚合物层。
18.如权利要求17所述的电容器组件，其中所述导电聚合物层包括取代的聚噻吩。
19.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述壳体限定气态气氛，且其中惰性气体占所述气态气氛的约50-100重量％。
20.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述壳体由金属、陶瓷或其组合形成。
21.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述导热材料完全封装所述电容器元件。
22.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述导热材料与所述电容器元件直接接触。
23.如权利要求1所述的电容器组件，其中所述壳体限定具有上表面的侧壁及位于所述侧壁的上表面上的盖子。
24.如权利要求23所述的电容器组件，其中所述导热材料设置在所述盖子上。
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