CN105977036A - 低型面多阳极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种当接触到高纹波电流时有效散热的电容器组件。所述组件包括多个电容器元件，每个电容器元件包括阳极体、阳极引线、覆盖所述阳极体的介质层以及固体电解质。每个电容器元件由上主表面、下主表面以及第一相对的次表面与第二相对的次表面限定。所述主表面的表面面积大于所述相对的次表面的表面面积。具有长度、宽度及高度的密封的壳体限定了内空腔，所述多个电容元件设置在所述内空腔内。所述长度与所述高度的之比为约2至约80。此外，每个电容元件的所述下主表面面向所述壳体的底壁，其中所述底壁由所述壳体的长度及宽度限定。

Description

低型面多阳极组件
相关申请
本申请要求于2015年3月13日提交的美国专利申请序列号14/657,194的优先权，其全文通过引用并入本文。
发明背景
电容器设计的许多具体方面都集中在提高用于电子电路中的电容器在极端环境中的性能特征，例如汽车应用中，包括防抱死制动系统、引擎系统、安全气囊、客舱娱乐系统等。固体电解电容器(例如钽电容器)为电子电路的小型化做出了主要贡献，并使此种电路应用于极端环境成为可能。传统的固体电解电容器是通过围绕金属引线压制金属粉末(比如钽)，烧结压制部件，阳极氧化烧结的阳极，然后涂覆固体电解质并形成一电容器元件而形成的。在汽车应用中，电容器组件可能需要在高电容(比如约100微法拉至约500微法拉)，在高电压(比如约50伏至约150伏)下工作，持续暴露在高温(比如约100℃至约150℃)及高纹波电流(比如约25安培至约100安培)中，而不会出现故障。由于电容器组件暴露在高纹波电流中可能导致电容器组件内产生高温，如果不能充分地散热，电容器组件可能会损坏，降低其可靠性。当采用多个电容器元件形成具有足够高的电容的电容器组件时，该问题就更加复杂。正因如此，已经有人尝试减小包含多个电容器元件的电容器组件的等效串联电阻(ESR)，这是因为减小的ESR与电容器组件散发其接触高纹波电流时产生的热量的能力对应。
然而，目前需要这样的电容器组件，当其暴露在高纹波电流环境中时具有改善的ESR及散热性能，且也能够在高温及高压下可靠地工作，尤其是当电容器组件包含多个电容器元件时。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，公开了一种电容器组件。该电容器组件包括多个电容器元件，每个电容器元件包括烧结的多孔阳极体，覆盖阳极体的介质层以及覆盖介质层的固体电解质。阳极引线从每个电容器元件中延伸出来，每个电容器元件由上主表面和下主表面、第一相对的次表面以及第二相对的次表面限定。上主表面与下主表面的表面面积均大于每个相对的次表面的表面面积。
电容器组件还包括具有长度、宽度及高度的壳体，其中长度与高度之比的范围是约2至约80。该壳体密封并限定了内部空腔。多个电容器元件放置于内部空腔中，其中每个电容器元件的下主表面面向壳体的底壁，而且其中底壁由壳体的长度及宽度限定。
电容器组件进一步包括与每个电容器元件的阳极引线电连接的外部阳极端子以及与每个电容器元件的固体电解质电连接的外部阴极端子。
以下更详细地阐述了本发明的其他特征及方面。
附图说明
参考附图，在说明书的余下部分中将为本领域的普通技术人员更具体地阐述本发明的完整和可实施的公开内容，包括其最佳实施方式，其中：
图1是本发明的电容器组件的一个实施方案的透视图；
图2是本发明的电容器组件的另一实施方案的仰视图；
图3是本发明电容器组件中使用的多个电容器元件之一的透视图；
图4是本发明的电容器组件的一个实施方案的俯视图；
图5是本发明的电容器组件的另一实施方案的俯视图；
图6是本发明的电容器组件的另一实施方案的俯视图；
图7是图4与图5中的电容器组件的壳体的一个实施方案的仰视图，示出了外部阳极端子及外部阴极端子；
图8是图6中的电容器组件的壳体的一个实施方案的仰视图，示出了外部阳极端子及外部阴极端子；
图9是本发明的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封装在壳体内的电容器元件的至少一部分的可选封装材料。
本说明书及附图中重复使用的附图标记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
本领域的普通技术人员应当理解，本公开内容仅描述了示例性实施方案，并非意在限制本发明的更广义的内容，该更广义的内容体现在示例性构造中。
总体而言，本发明涉及在极端条件下使用的包含内置有多个电容器元件的壳体的低型面电容器组件。该电容器组件可能需要承受高达100安培的纹波电流，经受100℃或高于100℃的温度，并可以用于高压环境中，比如额定电压为约50伏或高于50伏。该电容器组件之所以为低型面(low profile)是因为壳体的长度与壳体的高度之比的范围为约2至约80。为了在上述环境下有助于实现良好性能，在本发明中对该组件的各个方面进行了控制，包括电容器元件的数量、电容器元件的布置方式及并入该组件的方式以及电容器元件的形成方式。例如，为了有助于减小该组件的ESR以改进该组件的散热性能并同时提高整体电容，电容器元件可以并联电连接。为了进一步有助于提高该组件的散热性能，多个电容器元件置于壳体内，以使电容器元件与壳体(例如，在壳体的由其长度与宽度限定的底壁)的接触表面面积最大，这可以使与壳体接触的电容器元件的主表面的总表面面积与壳体的容积之比范围为约0.06mm-1至约0.3mm-1。除了以某种方式连接并置于壳体内，例如在特定实施方案中并联连接，电容器元件也被封闭并密封在壳体内，以限制供应给电容器元件的固体电解质的氧气及湿气量。限制供应给固体电解质的氧气及湿气量可有助于进一步减小电容器组件的ESR，从而提高散热性能。
现在将更详细地对本发明的各种实施方案进行说明。
I.电容器元件
A.阳极
每个电容器元件的阳极通常由阀金属粉末形成。该粉末的比电荷为约每克2000微法拉*伏(μF*V/g)至约500000μF*V/g。如本领域已知的，比电荷由电容乘以所用的阳极氧化电压，再将该乘积除以阳极化之前的电极体的重量而得。在某些实施方案中，该粉末可以有较高的比电荷，例如约70000μF*V/g或更高，在一些实施方案中，约80000μF*V/g或更高，在一些实施方案中，约90000μF*V/g或更高，在一些实施方案中，约100000至约400000μF*V/g，在一些实施方案中，约150000至约350000μF*V/g。当然，该粉末也可能具有较低的比电荷，例如约70000μF*V/g或更低，在一些实施方案中，约60000μF*V/g或更低，在一些实施方案中，约50000μF*V/g或更低，在一些实施方案中，约2000至约40000μF*V/g，在一些实施方案中，约5000至约35000μF*V/g。
该粉末可以包含单个颗粒或此种颗粒的团聚体。形成该粉末的化合物包括阀金属(即能够氧化的金属)或基于阀金属的化合物，例如钽、铌、铝、铪、钛、它们的合金、它们的氧化物、它们的氮化物等。例如，阀金属组合物可以包括铌的导电氧化物，比如铌与氧的原子比为1:1.0±1.0的铌氧化物，在一些实施方案中，铌与氧的原子比为为1:1.0±0.3，在一些实施方案中，铌与氧的原子比为为1:1.0±0.1，在一些实施方案中，铌与氧的原子比为为1:1.0±0.05。例如，铌氧化物可以是NbO0.7、NbO1.0、NbO1.1以及NbO2。在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、Kimmel等人的美国专利7,220,397以及Schnitter的美国专利申请公开2005/0019581、Schnitter等人的美国专利申请公开2005/0103638及Thomas等人的美国专利申请公开2005/0103638中描述了此种阀金属氧化物的实例。
该粉末可以采用本领域的技术人员已知的技术形成。例如，前体钽粉可以利用还原剂(比如氢、钠、钾、镁、钙等)还原钽盐(比如氟钽酸钾(K2TaF7)、氟钽酸钠(Na2TaF7)、五氯化钽(TaCl5)等)形成。此种粉末可以以各种形式团聚，例如在约700℃至约1400℃的温度下通过一个或多个热处理步骤团聚，在一些实施方案中，温度为约750℃至约1200℃，在一些实施方案中，温度为约800℃至约1100℃。热处理可以在惰性或还原气氛中进行。例如，热处理可以在包含氢气或释氢化合物(比如氯化铵、氢化钙、氢化镁等)的气氛中进行，以部分地烧结粉末并减少杂质(例如，氟)的含量。如果需要，团聚也可以在存在吸气材料(比如，镁)的情况下进行。热处理后，高度反应的粗团聚体可以被逐渐进入的空气钝化。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也描述了其它适合的团聚技术。
为了便于制造该阳极体，粉末也可以包含某些成份。例如，该粉末可以可选地与粘合剂和/或润滑剂混合，以便当压制粉末形成阳极体时确保颗粒相互之间充分粘合。适合的粘合剂可以包括，比如聚乙烯醇缩丁醛；聚醋酸乙烯；聚乙烯醇；聚乙烯基吡咯烷酮；纤维素聚合物，比如羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素及甲基羟乙基纤维素；无规立构聚丙烯、聚乙烯；聚乙二醇(诸如来自于陶氏化学公司的聚乙二醇(Carbowax))；聚苯乙烯、聚(苯乙烯-丁二烯)；聚酰胺、聚酰亚胺及聚丙烯酰胺；高分子量聚醚；氧化丙烯与氧化丙烯的共聚物；含氟聚合物，比如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及氟烯烃共聚物；丙烯酸类聚合物，比如聚丙烯酸钠、聚(低烷基丙烯酸酯)、聚(低甲基丙烯酸烷基酯)及低烷基丙烯酸酯与低甲基丙烯酸烷基酯的共聚物；以及脂肪酸与蜡，比如硬脂酸及其它皂式脂肪酸、植物蜡、微晶蜡(精制石蜡)等。该粘合剂可以在溶剂中溶解和分散。示例性溶剂可以包括水、乙醇等。使用时，粘合剂和/或润滑剂的百分比以重量计可占总质量的约0.1％至约8％。然而应当理解的是，本发明不一定需要粘合剂和/或润滑剂。
可采用任何常规的粉末压制装置将得到的粉末压实成小球。例如，可以采用压模，其是包含一模具和一个或多个冲头的单工位压实压力机。作为替换，可以使用砧台式压实压力机模具，其仅采用一个模具及单个下冲头。单工位压实压力机模具有几种基本类型，比如具有不同性能(比如单动作、双动作、浮沉模、动型板、对置柱塞(opposed ram)、螺钉、冲击、热压、压印或精整(sizing))的凸轮压力机、肘杆/肘节式压力机以及偏心/曲轴压力机。该粉末可以围绕阳极引线(比如钽线)周围压实。应当进一步理解的是，作为替换，可在压制和烧结阳极体之后将阳极引线连接(例如，焊接)至阳极体。
压实之后，可以通过在一定温度(比如约150℃至约500℃)的真空下加热小球几分钟去除任何粘合剂/润滑剂。作为替换，可通过使小球接触水溶液去除粘合剂/润滑剂，比如Bishop等人的美国专利6,197,252所描述的那样。之后，烧结小球以形成多孔整体块。例如，在一个实施方案中，可以在约1200℃至约2000℃的温度下烧结小球，而在一些实施方案中，可在约1500℃至约1800℃的真空或惰性气氛中烧结小球。烧结时，由于颗粒之间的粘合力增大，小球收缩。烧结后的小球的压制密度可能变化，但通常为每立方厘米约2.0至约7.0克，在一些实施方案中，为每立方厘米约2.5至约6.5克，而在一些实施方案中，为每立方厘米约3.0至约6.0克。压制密度由材料总量除以压制小球的体积确定。
尽管无此要求，但可以选择阳极体的厚度以便提高电容器的电气性能，例如，阳极的厚度可以为约4毫米或少于4毫米，在一些实施方案中，为约0.05至约2毫米，而在一些实施方案中，为约0.1到约1毫米。也可以选择阳极的形状以便提高所得电容器的电气性能。例如，阳极的形状可以是弯曲的、正弦型的、矩形的、U形的、V形的等。阳极也可以为包含一条或多条沟痕、凹槽、凹坑或凹口的“沟槽”形状，以增大表面积与容积之比，从而使ESR最小化并扩大电容的频率响应。例如，在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开2005/0270725中描述了此种“沟槽”形状的阳极。
阳极引线也可以连接至从其纵向延伸的阳极体。阳极引线可以为导线、薄片等形式，且可以由阀金属化合物形成，比如钽、铌、氧化铌等。可以采用已知的技术实现引线连接，比如在形成期间(例如，在压实和/或烧结之前)将引线焊接至阳极体，或将引线嵌入阳极体中。
B.电介质
介质也覆盖或包覆电容器组件中的每个电容器元件的阳极体。介质通过阳极氧化(阳极化)烧结的阳极形成，以便在阳极体之上和/或之内形成介质层。例如，可将钽(Ta)阳极体阳极氧化成五氧化二钽(Ta2O5)。通常，首先通过向阳极体上涂覆一溶液，比如将阳极体浸入电解质中进行阳极氧化。通常采用溶剂，比如水(诸如去离子水)。为了增强离子电导率，可采用能够在溶剂中离解形成离子的化合物。此种化合物的实例包括，例如酸，比如下面针对电解质的详细描述。例如，酸(比如磷酸)可占阳极氧化液的约0.01wt.％至约5wt.％，在一些实施方案中，占约0.05wt.％至约0.8wt.％，而在一些实施方案中，占约0.1wt.％至约0.5wt.％。如果需要，也可以采用酸混合物。
电流经过阳极氧化液形成介质层。介质层的厚度由形成电压值控制。例如，可首先将电源设置为恒电流模式，直至达到所需的电压。之后，可将电源切换为恒电压模式以确保在阳极体的整个表面上形成所需的介质厚度。当然，也可以采用其它已知的方法，比如脉冲或阶跃电位法。发生阳极氧化的电压一般为约4V至约400V，在一些实施方案中，为约9V至约200V，而在一些实施方案中，为约20V至约150V。氧化过程中，可使阳极氧化液保持在一升高的温度下，如约30℃或更高，在一些实施方案中，约40℃至约200℃，而在一些实施方案中，约50℃至约100℃。也可以在环境温度或更低的温度下完成阳极氧化反应。得到的介质层可以在阳极体的表面上和其孔内形成。
C.固体电解质
如上所述，固体电解质覆盖通常作为电容器的阴极的介质。在一些实施方案中，固体电解质可以包括二氧化锰。如果固体电解质包括二氧化锰，则二氧化锰固体电解质可以，例如通过热分解硝酸锰[Mn(NO3)2]形成。此种技术在，例如Sturmer等人的美国专利4,945,452中有所描述，其全文对于各种目的以引用方式并入本文。
在其他实施方案中，固体电解质包含导电聚合物，其一般为π共轭结构且在氧化或还原之后具有导电性，比如其导电率至少约为1μS/cm。此种π共轭结构的导电聚合物的实例包括，例如聚杂环化合物(比如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等)、聚乙炔、聚对苯撑、聚苯酚盐等。在一个实施方案中，例如，聚合物是取代聚噻吩，比如具有下述通式结构的取代聚噻吩：
其中，
T是O或S；
D是任选取代C1-C5烯烃基(例如，亚甲基、乙烯基、正丙烯基、正丁烯基、正戊烯基等)；
R7是线性或支链的任选取代的C1-C18烷基(例如，甲基、乙基、正丙基或异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基、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-C12环烷基(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-C14芳基(如苯基、萘基等)；任选取代的C7-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、三甲苯基等)；任选取代的C1-C4羟烷基取代基或羟基；及
q是0-8的整数，在一些实施例中，是0-2的整数，在一些实施例中，是0；及
n是2-5,000，在一些实施例中，n是4-2,000，在一些实施例中，n是5-1,000。“D”或“R7”的取代基实例包括，例如，烷基、环烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、卤基、醚、硫醚、二硫化物、亚砜、砜、磺酸酯、氨基、醛、酮、羧酸酯、羧酸、碳酸酯、羧酸酯、氰基、烷基硅烷和烷氧基硅烷基、羧酰胺基等。
尤其适合的噻吩聚合物是“D”为任选取代C2-C3烯烃取代基的噻吩聚合物。例如，聚合物可为具有下述通式结构的任选取代的聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)：
用于形成导电聚合物的方法，例如以上描述的方法，在本领域是众所周知的。例如，Merker等人的美国专利6,987,663描述了从前体单体中形成取代聚噻吩的各种技术。该前体单体可以例如具有下述结构：
其中，
T、D、R7及q定义如上文所述。特别合适的噻吩单体是那些“D”为任选被取代的C2-C3烯基的噻吩单体。例如可以采用具有下述通式结构的任选取代的3,4-烯烃基二氧噻吩：
其中，R7及q如上定义。在一个特定实施方案中，“q”为0。一种合适的3,4-烯烃基二氧噻吩的一个实例可从Heraeus Clevios公司购得，名称为CleviosTMM。其它适合的单体在Blohm等人的美国专利5,111,327及Groenendaal等人的美国专利6,635,729中也有所描述。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。单体的更高分子量的衍生物，即四聚物、五聚物等适用于本发明。该衍生物可以由相同或不同的单体单元组成，可以以纯物质形式使用及以与另一种衍生物和/或与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。
可以采用多种方法形成导电聚合物层，例如原位聚合层可以在氧化催化剂存在的情况下通过化学聚合各单体形成。氧化催化剂一般包括过渡金属阳离子，诸如铁(III)、铜(II)、铬(VI)、铈(IV)、锰(IV)、锰(VII)或钌(III)阳离子等。也可以采用掺杂剂为导电聚合物提供过量的电荷，并稳定聚合物的导电率。掺杂剂一般包括无机或有机阴离子，诸如磺酸离子。在某些实施方案中，氧化催化剂具有催化及掺杂功能，这是因为其包括阳离子(诸如过渡金属)及阴离子(诸如磺酸)。例如，氧化催化剂可以是过渡金属盐，其包括铁(III)阳离子，诸如铁(III)卤化物(如FeCl3)或其它无机酸铁(III)盐，如Fe(ClO4)3或Fe2(SO4)3及有机酸及包含有机基的无机酸铁(III)盐。具有有机基的无机酸铁(III)盐的实例包括，例如，C1-C20烷醇的硫酸单酯铁(Ⅲ)盐(如月桂基硫酸铁(Ⅲ)盐)。同样，有机酸盐实例包括，例如，C1-C20烷基磺酸铁(Ⅲ)盐(例如，甲烷磺酸、乙烷磺酸、丙烷磺酸、丁烷磺酸或十二烷基磺酸)；脂肪族全氟磺酸铁(Ⅲ)盐(如三氟甲烷磺酸、全氟丁烷磺酸或全氟辛烷磺酸)；脂肪族C1-C20羧酸铁(Ⅲ)盐(如2-乙基己基羧酸)；脂肪族全氟羧酸铁(Ⅲ)盐(如三氟乙酸或全氟辛酸)；任选被C1-C20烷基取代的芳香族磺酸铁(Ⅲ)盐(如苯磺酸、邻甲苯磺酸、对甲苯磺酸或十二烷基苯磺酸)；环烷烃磺酸铁(Ⅲ)盐(如樟脑磺酸)等。也可以使用上述铁(III)盐的混合物。特别适合使用对甲苯磺酸铁(III)盐、邻甲苯磺酸铁(III)盐及其混合物。合适的对甲苯磺酸铁(III)盐的一个实例可从Heraeus Clevios公司购得，命名为CleviosTMC。
可以顺序涂覆或者一起涂覆氧化催化剂及单体以引发聚合反应。施用这些成分的合适涂覆技术包括丝印、浸渍、电泳涂装及喷涂。例如，可首先将单体与氧化催化剂混合形成前体溶液，一旦混合物形成，可将其涂覆到阳极部件，然后使其聚合以便在表面上形成导电涂层。作为替换，也可以顺序涂覆氧化催化剂及单体。在一个实施方案中，例如，将氧化催化剂溶解在有机溶剂(诸如丁醇)中，然后以浸渍溶液的形式涂覆；干燥阳极部件以从其中去除溶剂，之后，可将阳极部分浸渍在包含单体的溶液中。无论怎样，聚合反应通常在约-10℃至约250℃的温度下进行，在一些实施方案中，在约0℃至约200℃的温度下进行，这取决于所使用的氧化剂及所需的反应时间。Biler的美国专利7,515,396更详细地描述了合适的聚合技术，例如以上描述的聚合技术。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及Kudoh等人的美国专利5,812,367描述了涂覆这种导电涂层的其它方法。
除原位涂覆之外，也可以以导电聚合物颗粒分散体的形式涂覆导电聚合物固体电解质。采用分散体的一个有利之处在于分散体可使原位聚合过程中产生的离子种类(诸如Fe2+或Fe3+)最小化，由于离子迁移可能会导致高电场下介质击穿。因此，通过将导电聚合物作为分散体涂覆而非通过原位聚合，所得电容器可呈现出相对较高的“击穿电压”。为了能够更好地浸渍阳极，在分散体中使用的颗粒一般尺寸较小，比如平均尺寸(诸如直径)为约1至约150纳米，在一些实施方案中，为约2至约50纳米，而在一些实施方案中，为约5至约40纳米。颗粒的直径可以通过已知的技术确定，比如通过超速离心机、激光衍射等。同样地，颗粒的形状可改变。在一个特定实施方案中，例如，颗粒为球形。然而应当理解的是，本发明也可以构想其它形状，比如板状、棒状、盘状、条状、管状、不规则形状等。分散体中的颗粒浓度的变化取决于分散体所需的粘度以及将分散体涂覆于电容器的特定方式。一般地，颗粒构成分散体的约0.1wt.％至约10wt.％，在一些实施方案中，构成约0.4wt.％至约5wt.％，而在一些实施方案中，构成约0.5wt.％至约4wt.％。
分散体一般也包含提高颗粒稳定性的平衡离子。换言之，导电聚合物(比如聚噻吩或其衍生物)的中性或阳性(阳离子)聚合物主链上通常具有电荷。例如，聚噻吩衍生物的聚合物主链上通常携带正电荷。在一些情况下，聚合物的结构单元中具有正负电荷，其中正电荷在主链上，而负电荷任选在自由基“R”的取代基上，比如磺酸基团或羧酸基团。自由基“R”上的任选存在的阴离子基团可以使主链中的正电荷部分或全部饱和。从整体看，在一些情况下，聚噻吩可以是阳离子、中性离子甚至阴离子。然而，由于聚噻吩主链具有正电荷，其全部被认为是阳离子聚噻吩。
平衡离子可以是抵消导电聚合物电荷的单体阴离子或聚合阴离子。聚合阴离子可以是例如聚羧酸(比如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸等)阴离子、聚磺酸(比如聚苯乙烯磺酸(“PSS”)、聚乙烯醇磺酸酸等)阴离子等。这些酸也可以是共聚物，比如乙烯基羧酸及乙烯基磺酸与其它可聚合单体(诸如丙烯酸酯与苯乙烯)的共聚物。同样地，适合的单体阴离子包括例如C1-C20烷基磺酸(如十二烷基磺酸)的阴离子；脂肪族全氟磺酸(如三氟甲烷磺酸、全氟丁烷磺酸或全氟辛烷磺酸)的阴离子；脂肪族C1-C20羧酸(2-乙基己基羧酸)的阴离子；脂肪族全氟羧酸(如三氟乙酸或全氟辛酸)的阴离子；任选被C1-C20烷基取代的芳香族磺酸(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(如樟脑磺酸或四氟硼酸盐、六氟磷酸盐、高氯酸盐、六氟锑酸盐、六氟砷酸盐或六氯锑酸盐)的阴离子；等等。特别适合的反离子是聚合物阴离子，如聚羧酸或聚磺酸(如聚苯乙烯磺酸(“PSS”))。此种聚合阴离子的分子量一般为约1000至约2000000，而在一些实施方案中，为约2000至约500000。
使用时，分散体及所得层中的此种平衡离子与导电聚合物的重量比一般为约0.5：1至约50：1，在一些实施方案中，为约1：1至约30：1，而在一些实施方案中，为约2：1至约20：1。假设聚合反应过程中发生完全转化，则对应于上述提到的重量比的导电聚合物的重量指所使用的单体的称重部分。除导电聚合物及平衡离子之外，分散体也可以包含一种或多种粘合剂、分散剂、填充剂、胶粘剂、交联剂等。
可采用各种已知的技术涂覆聚合物分散体，比如旋转涂布、浸渍、浇注、滴加、注射、喷涂、刮涂、刷涂、印刷(比如喷墨、丝印或移印)或浸涂。尽管根据所采用的技术可有所不同，但分散体的粘度一般为约0.1mPas至约100000mPas(在剪切率为100s-1下测量)，在一些实施方案中，未约1mPas至约10000mPas，在一些实施方案中，为约10mPas至约1500mPas，而在一些实施方案中，为约100mPas至约1000mPas。一旦涂覆完成，可以烘干和/或清洗该层。也可以通过此种方式形成一层或多层附加层，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至约50微米，而在一些实施方案中，为约5至约20微米。同样地，平衡离子与导电聚合物的重量比为约0.5：1至约50：1，在一些实施方案中，为约1：1至约30：1，而在一些实施方案中，为约2：1至约20：1。
如果需要，固体电解质也可以包含羟基官能非离子聚合物。术语“羟基官能”一般指化合物包含至少一个羟基官能团或在存在溶剂的情况下能够具有这种官能团。无意于受理论限制，羟基官能非离子聚合物能够提高导电聚合物与内部电介质表面之间的接触度，由于形成电压较高，该表面在本质上通常相对平滑，这出乎意料地提高了所得电容器的击穿电压和湿干电容。此外，一般认为使用一定分子量的羟基官能聚合物也能够最大程度的降低高压下化学分解的可能性，例如，羟基官能聚合物的分子量可以为每摩尔约100至10000克，在一些实施方案中，为约200至2000，在一些实施方案中，为约300至约1200，而在一些实施方案中，为约400至约800。
一般任何种类的羟基官能非离子聚合物均可用于此目的。在一个实施方案中，例如羟基官能聚合物是聚烯烃基醚。聚烯烃基醚可以包括聚烯烃基二醇(比如聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇、聚环氧氯丙烷等)、聚氧杂环丁烷、聚苯醚、聚醚酮等。聚醚酮通常主要为线性的，含末端羟基基团的非离子聚合物。尤其适合的是聚乙二醇、聚丙二醇及聚丁二醇(聚四氢呋喃)，其通过将环氧乙烷、环氧丙烷或四氢呋喃在水中经加聚反应而得。可以利用二醇或多元醇通过缩聚反应制备聚烯烃基醚。二醇组分优选的选择饱和或不饱和的、有支链或无支链的包含5至36个碳原子的脂肪族二羟化合物或芳香族二羟化合物，比如戊基-1,5-二醇、己基-1,6-二醇、新戊二醇、双(羟甲基)-环己烷、双酚A、二聚二元醇、氢化二聚二醇或甚至所述的二醇的混合物。此外，也可以在聚合反应中使用多羟基醇，包括，比如甘油、双甘油及聚甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇或山梨醇。
除了以上提到的那些之外，本发明也可以采用其他羟基官能非离子聚合物。此种聚合物的一些实例包括，比如乙氧基烷基酚；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的聚氧乙烯二醇烷基醚(比如辛二醇单十二醚及五甘醇单十二烷基醚)；具有通式CH3-(CH2)10-16-(O-C3H6)1-25-OH的聚氧丙烯二醇烷基醚；具有下述通式C8H17-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚氧乙烯二醇辛基酚醚(比如TritonTMX-100)；具有下述通式C9H19-(C6H4)-(O-C2H4)1-25-OH的聚氧乙烯二醇烷基酚醚(比如壬苯醇醚-9)；C8-C24脂肪酸的聚氧乙烯二醇酯，比如聚氧乙烯二醇山梨醇酐烷基酯(诸如聚氧乙烯(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甲基葡糖倍半硬脂酸酯、PEG-80蓖麻油及PEG-20蓖麻油、PEG-3蓖麻油、PEG 600二油酸酯及PEG 400二油酸酯)以及聚氧乙烯烷基甘油酯(比如聚氧乙烯-23月桂酸甘油酯及聚氧乙烯-20硬脂酸甘油酯)；C8-C24脂肪酸的聚氧乙烯二醇醚(比如聚氧乙烯-10十六烷基醚、聚氧乙烯-10硬脂酰基醚、聚氧乙烯-20十六烷基醚、聚氧乙烯-10油烯基醚、聚氧乙烯-20油烯基醚、聚氧乙烯-20十六烷基醚、聚氧乙烯-15十三烷基醚及聚氧乙烯-6十三烷基醚)；聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物(如，泊咯沙姆)等及其混合物。
该羟基官能非离子聚合物可以以多种不同的方式结合到固体电解质中。在某些实施方案中，例如，非离子聚合物可简单地结合到通过如以上描述的方法(比如原位聚合或预聚合颗粒分散体)形成的任何导电聚合物层中。然而在其它实施方案中，非离子聚合物可以在形成首层聚合物层之后涂覆。
D.外部聚合物涂层
尽管未要求，但外部聚合物涂层可以涂覆于阳极体并覆盖电容器组件中的每个电容器元件的固体电解质。如以上更详细地描述的那样，外部聚合物涂层一般包括由预聚合导电颗粒分散体形成的一个或多个层。外部涂层可以进一步渗入电容器体的边缘区域，以增加对介质的附着力，从而得到机械稳定性更强的部件，降低等效串联电阻及漏电电流。如果需要，可以在外部聚合物涂层中采用交联剂以提高对固体电解质的附着度。通常，交联剂在涂覆用于外部涂层的分散体之前涂覆。例如，Merker等人的美国专利公开2007/0064376描述了适合的交联剂，其包括，例如胺类(比如二元胺、三元胺、低聚胺、多胺等)；多价金属阳离子，比如Mg、Al、Ca、Fe、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.电容器元件的其它组成
如果需要，电容器元件也可以包含本领域已知的其它层。例如，可选择性地在在介质与固体电解质之间形成保护涂层，比如由相对绝缘的树脂材料(天然的或合成的)制成的涂层，如虫胶漆树脂。Fife等人的美国专利6,674,635详细描述了这些及其它保护涂层材料。如果需要，还可以分别对该部件涂覆碳涂层(比如石墨)及银涂层。银涂层可以作为，例如用于电容器的可焊接导体、接触层和/或电荷收集器，而碳涂层可以限制银涂层与固体电解质的接触。此种涂层可以包覆部分或全部固体电解质。
不管用于形成多个电容器元件的每一个的各种组成如何，如图3所示，每个电容器元件20具有在x方向上的长度L2，y方向上的宽度W2及z方向上的高度H2，其中，长度L2的范围为约3毫米至约6毫米，比如约3.5毫米至约5.5毫米，比如约4毫米至约5毫米；宽度W2的范围为约2毫米至约10毫米，比如约2.5毫米至约8毫米，比如约3毫米至约6毫米；且高度H2的范围为约0.5毫米至约5毫米，比如约1.25毫米至约4毫米，比如约1.5毫米至约3毫米。此外，每个电容器元件20可以包括相对的主表面23a与23b，第一相对的次表面25a与25b及第二相对的次表面27a与27b。术语“主表面”用于指电容器元件20的表面面积大于电容器元件的其它表面(比如次表面)的表面面积的表面。如图所示，阳极引线6可以从第二相对的次表面27b中的一处延伸出，然而应当理解的是，阳极引线6可以从另一相对的次表面27a或第一相对的次表面25a与25b中的一处延伸出。在一些实施方案中，根据本发明的电容器组件采用的电容器元件20的特定布置及尺寸，每个电容器元件20的相对的主表面23a或23b(例如，上主表面23a或下主表面23b)之一的表面面积范围可以为约10平方毫米至45平方毫米，比如约12.5平方毫米至约40平方毫米，比如约15平方毫米至约30平方毫米。同时，参考图3至图6，在一些实施方案中，与外壳的底壁123接触的电容器元件20(1)至20(40)的所有相对的下主表面23b的总表面面积可以为约600平方毫米至约1200平方毫米，比如约700平方毫米至约1100平方毫米，比如约800平方毫米至约1000平方毫米。
II.壳体
如上所述，多个电容器元件密封在壳体内以形成本发明的电容器组件。密封在壳体内的电容器元件的数量可以为约2个至约200个，比如约10个至约100个，比如约20个至约50个。在一实施方案中，可以在包含至少一种惰性气体的氛围下进行密封以便在使用过程中抑制固体电解质氧化。惰性气体可以包括，例如氮气、氦气、氩气、氙气、氖气、氪气、氡气等及它们的混合物。通常，壳体内的气氛大部分是惰性气体，占气氛的比如约50wt.％至约100wt.％，在一些实施方案中，约75wt.％至约100wt.％，而在一些实施方案中，约90wt.％至99wt.％。如果需要，也可以采用相对少量的非惰性气体，比如二氧化碳、氧气，水蒸汽等。在一些情况下，非惰性气体通常占壳体内的气氛的约15wt.％或更少；在一些实施方案中，为10wt.％或更少；在一些实施方案中，为约5wt.％或更少；在一些实施方案中，为约1wt.％比或更少；而在一些实施方案中，为约0.01wt.％至约1wt.％。例如，水分含量(以相对湿度表示)可以为约10％或更低；在一些实施方案中，约5％为更低；在一些实施方案中，约1％或更低；在一些实施方案中，约0.01％至约5％。
可以使用各种不同材料形成壳体，比如金属、塑料、陶瓷等。在一个实施方案中，例如，壳体包括一层或多层金属，比如钽、铌、铝、镍、铪、钛、铜、银、钢(比如不锈钢)、它们的合金(比如导电氧化物)、它们的复合物(比如包覆导电氧化物的金属)等。在另一实施方案中，壳体包括一层或多层陶瓷材料，比如氮化铝、氧化铝、二氧化硅、二氧化锰、氧化钙、玻璃等及它们的组合物。通常将壳体的厚度或高度选择成使得低型面电容器组件的厚度或高度最小化。例如，参考图1，z方向上的壳体高度H1的范围可以为约1毫米至约20毫米，比如约2毫米至约10毫米，比如约3毫米至约6毫米。同时，x方向上的壳体长度L1的范围可以为约20毫米至约100毫米，比如约40毫米至约70毫米，比如约45毫米至约65毫米；而y方向上的壳体宽度W1的范围可以为约10毫米至约60毫米，比如约20毫米至约50毫米，比如约25毫米至约45毫米。进一步地，在一些实施方案中，壳体的容积可以为约7000立方毫米至约12000立方毫米，比如约7500立方毫米至约11500立方毫米，比如约8000立方毫米至约11000立方毫米。此外，壳体具有低型面，以便壳体在x方向上的长度L1与壳体在z方向上的高度H1之比至少为2。例如，长度L1与高度H1之比可以为约2至80，比如约4至约60，比如约10至约40。
可以采用各种不同技术之中的任一种将多个电容器元件固定附接至壳体。尽管并非必须如此，但电容器元件可以以在壳体外部形成阳极端子及阴极端子以便后续集成至电路中的方式附接至壳体。端子的具体构造可以取决于预期应用。在一个实施方案中，例如，形成的电容器组件是可表面安装的，但仍具有机械强度。例如，电容器元件的阳极引线及阴极可以电连接至外部可表面安装的端子(比如插脚、衬垫、板片、平板、框架等)，其可以延伸穿过壳体以便通过阳极引线框(比如通过以下更详细地描述的导电构件、镀层、焊垫等)与电容器元件的阳极连接，且其可以延伸穿过壳体以通过镀层与阴极连接。在另一实施方案中，电容器元件的阳极引线及阴极可以直接电连接至外部可表面安装的端子(比如插脚、衬垫、板片、平板、框架等)，其可以延伸穿过壳体以与阴极及阳极引线连接。
通常将外部端子的厚度或高度选择为使得电容器组件的厚度最小化。例如，该端子的厚度范围可以为约0.05毫米至约1毫米，比如约0.05毫米至约0.5毫米，比如约0.1毫米至约0.2毫米。如果需要，该端子的表面可以如本领域已知的电镀了镍、银、金、锡、钴等或它们的合金，以确保最终部件能够安装到电路板。在一个特定实施方案中，端子分别沉积有亮镍及亮银，安装表面也电镀有锡焊层。在另一实施方案中，端子在基底金属层(比如铜合金)上沉积有薄薄的外部金属层(比如金)，以进一步增加导电率。
参考图1、2及4，例如，示出了电容器组件100的一个特定实施方案，其包含40个电容器元件，设置在壳体内且布置成平行排列的多排(例如，1-4排)，其中每排10个电容器元件沿壳体的长度L1在纵向LG上延伸。然而应当理解的是，每排都可以包含任意数量的电容器元件，且根据对电容器组件的特定要求，可使用任意数量的排。如图所示，电容器组件100的壳体包括底壁123及相对的侧壁124和125，相对的侧壁124和125之间形成有包括40个电容器元件20(1)-20(40)的空腔526。底壁123及侧壁124和125可以由上述描述的一层或多层金属、塑料或陶瓷材料形成。电容器元件20(1)-20(40)平行布置在壳体的空腔526内，其中此种平行布置有助于减小电容器元件100的ESR，减小的ESR有效地提高电容器组件100的散热能力。
在图4至6中的实施方案中，电容器元件20(1)-20(40)对齐，以便一个电容器元件(比如电容器元件20(1))的次表面25b与相邻电容器元件(比如电容器元件20(2))的次表面25a相邻并面向该次表面25a。同时，每个电容器元件20(1)-20(40)的下次表面23b(见图3)面向壳体的底壁123，并通过例如以下更详细地讨论的镀层与底壁123接触，其中将电容器元件20(1)-20(40)布置成使其下次表面23b与底壁123而非与其相对的次表面25a、25b、27a及27b(见图3)接触增大了与外壳接触的电容器元件20(1)-20(40)的表面面积，这进一步有效地提高了电容器组件100的散热能力。本发明的电容器组件的散热能力可以以借助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的容积之比表示，其中该比值大于0.05mm-1可提高电容器组件的散热性能。例如，通过镀层与壳体接触的电容器元件的下主表面的总表面积与壳体的容积之比可以大于约0.06mm-1，且在一些实施方案中，其范围可以为约0.06mm-1至约0.3mm-1，比如约0.065mm-1至约0.25mm-1，比如约0.07mm-1至约0.20mm-1，比如约0.075mm-1至约0.15mm-1。
如上所述及图1至2所示，电容器组件100也可以包含外部阳极端子135及外部阴极端子137，每个电容器元件20(1)-20(40)的下主表面23b上的阳极引线6及固体电解质/阴极并联电连接至外部阳极端子135及外部阴极端子137。进一步地，壳体的内空腔内可采用引线框及镀层以便以机械稳定的方式促进外部端子135和137形成。例如，参考图4，电容器组件100可以包括阳极引线框，其具有第一平面部分65和“直立”的第二平面部分67，称之为“直立”是因为其设置在大致与每个电容器元件20(1)-20(40)的阳极引线6延伸的方向垂直的平面内。采用这种方式，第二部分67可以限制引线6的运动，以便使用时提高表面接触及机械稳定性。此外，如果需要，可以在引线6的周围使用绝缘材料7(比如TeflonTM垫圈)。第二部分67具有连接至阳极引线6的安装区域(未示出)。该区域为U形，用于进一步提高引线6的表面接触及机械稳定性。此外，阳极引线6可以通过激光焊接、电阻焊接、导电粘合剂或任何其它适合的方式连接至阳极引线框的第二部分67。
例如，阳极引线框包括每排电容器元件的第一部分65a、65b、65c与65d及与40个电容器元件的每一个对应的40个第二部分67(1)-67(40)(为简单起见，标为67)，该阳极引线框可用于连接4排电容器元件(每排包括10个)，例如第1排包括通过其阳极引线6在第二部分67(1)-(10)连接至阳极引线框的电容器元件20(1)-20(10)；第2排包括通过其阳极引线6在第二部分67(11)-67(20)连接至阳极引线框的电容器元件20(11)-20(20)；第3排包括通过其阳极引线6在第二部分67(21)-67(30)连接至阳极引线框的电容器元件20(21)-20(30)；第4排包括通过其阳极引线6在第二部分67(31)-67(40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，但是如果需要，与第2排及第3排关联的阳极引线框的第一部分65b及65c可以合并成阳极引线框的单个的第一部分，这是因为电容器元件20(11)-20(20)及20(21)-20(30)设置成其阳极引线6彼此相向。如上所述，在一个特定实施方案中，每条阳极引线6激光焊接至阳极引线框的每个第二部分67。然而应当理解的是，这些组件可以通过电阻焊接、导电粘合剂等连接。同时，在一个特定实施方案中，阳极引线框的第一部分65a-65d可通过电阻焊接连接至壳体的底壁123。然而还应当理解的是，也可以使用任何其它适合的方法，比如通过导电粘合剂将第一部分65a-65d连接至壳体的底壁123。
此外，阳极引线框的第一部分65a-65d及第二部分67(1)-67(40)的表面可以电镀有本领域已知的镍、银、金、锡、钴等或它们的合金，以确保通过阳极引线6充分地连接至电容器元件20(1)-20(40)及壳体的底壁123。在一个特定实施方案中，阳线引线框可以分别沉积有亮镍及亮银，安装表面也可以镀有一层锡焊层。在另一实施方案中，阳线引线框可以在基底金属层(比如铜合金)上沉积薄薄的外部金属层(比如金)以进一步增加导电率。在又一个实施方案中，镍-铁合金条(条)或任何其它适合的金属材料条(未示出)可以焊接在阳极引线框的第一部分65a-65d之下的壳体底壁123上。
此外，也可以采用各种组件将4排电容器元件(每一排包括10个)连接至壳体的底壁123，例如第1排包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(1)-20(10)，第2排包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(11)-20(20)，第3排包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(21)-20(30)，且第4排包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(31)-20(40)。在一个实施方案中，例如，电容器元件20(1)-20(40)的下主表面23b可以通过导电粘合剂(未示出)连接至壳体的底壁123，其中底壁123包括4排金属镀层29a、29b、29c及29d。金属镀层29a、29b、29c及29d可以由任何适合的金属形成，在一个特定实施方案中，金属镀层可以是镀镍层。
如上所述，应当理解的是，一般通过各种已知的技术之任一种将电容器元件附接在阳极侧或阴极侧，比如焊接、激光焊接、导电粘合剂等。使用时，导电粘合剂可以由包含树脂组合物的导电金属颗粒形成。金属颗粒可以是银、铜、金、铂、镍、锌、铋等。树脂组合物可以包括热固树脂(比如环氧树脂)、固化剂(比如酸酐)及偶联剂(比如硅烷偶联剂)。在Osako等人的美国申请公开2006/0038304中描述了合适的导电粘合剂。
此外，如图5所示，为了进一步增强电容器组件的散热能力，电容器组件可以包括其它部件。例如，电容器元件200包括y方向上的金属条133及x方向上的金属条131，x方向上的金属条131与几个电容器元件20的上主表面23a接触。金属材料可以是铜或任何其它散热材料，用于进一步增加可用于散热的表面面积。
现在回到图6，图示了电容器组件300，其布置为图4至5所示布置的替代方案，其中与如上定义的第1排中的电容器元件20(1)-20(10)及第2排中的电容器元件20(11)-20(20)关联的阳极引线6彼此相向，使得如果需要，可将第1排和第2排的阳极引线框的第一部分65a及65b合并成单个组件。同样地，与如上定义的第3排中的电容器元件20(21)-20(30)及第4排中的电容器元件20(31)-20(40)关联的阳极引线6彼此相向，使得如果需要，可将第3排及第4排的阳极引线框的第一部65c及65d合并成单个组件。此外，如上定义的第2排及第3排的电容器元件的上主表面23a相互相邻，使得如果需要，可将镀层29b及29c合并成单个组件。
如上所述，电容器组件包括阳极端子135及阴极端子137，其可设置在壳体之外并由单独的板材、薄板等形成。此外，这种端子可以通过延伸穿过壳体底壁123的导电迹线连接至阳极引线框及阴极镀层/金属条(条)。参照用于说明图4至5的电容器元件布置的图7及用于说明图6的电容器元件布置的图8，由于阳极引线框的第一部分65a-65d及金属镀层29a-29d沿电容器组件100的外壳的长度L1及宽度W1延伸，因此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仅通过相邻设置在外部阳极端子135之上且相邻设置在阳极引线框部件的第一部分65a-65d之下的外壳底壁123的部件形成，而将金属镀层29a-29d连接至外部阴极端子137的导电迹线141仅通过相邻设置在外部阴极端子137之上及相邻设置在金属镀层65a-65d之下的外壳底壁123的部件形成。当然，本发明并不限制于使用导电迹线形成所需的端子，可以采用任何其它合适的连接方式。例如，在一些实施方案(未示出)中，应当理解的是，部分阳极引线框及阴极镀层可以延伸穿过壳体，也形成外部阳极端子及外部阴极端子。
如上所述，将电容器元件20连接至底壁123之后，电容器元件20可涂覆树脂或封装材料。在一个特定实施方案中，封装材料可以是导热材料。参照图9，在按所需方式将电容器元件连接至电容器组件的底座123之后，可将封装材料143设置在电容器元件周围(未示出)，以便电容器元件至少部分被封装材料143封装，之后可固化封装材料143。此外，在一些实施方案中，封装材料143能够完全封装电容器元件。利用封装材料143以这种方式封装电容器元件可进一步提高本发明的电容器组件的散热能力。
如上所述，封装材料可以是导热材料。该导热材料通常具有例如约1W/m-K或更高的导热系数，在一些实施方案中，为约2W/m-K至约20W/m-K，而在一些实施方案中，为约2.5W/m-K至约10W/m-K，该系数是根据例如ISO 22007-2：2014确定的。尽管是导热的，但该材料通常不导电，因此具有较高的体积电阻率，比如约1×1012ohm-cm或更高，在一些实施方案中，为约1×1013ohm-cm或更高，而在一些实施方案中，为约1×1014ohm-cm至1×1020ohm-cm，该体积电阻率是根据例如ASTM D257-14确定的。通过将高导热系数与低导电率结合，本发明的发明人已发现当将封装材料应用于电容器组件的壳体中时可以提供各种不同的有益之处。例如，当电容器组件接触高纹波电流，导热封装材料可以作为散热器，将热量传递给壳体的表面，从而提高散热效率并延长电容器组件的寿命。封装材料也表现出低吸湿度，比如约1％或更低，在一些实施方案中，为约0.5％或更低，而在一些实施方案中，为约0.1％或更低，该吸湿度是根据例如ASTM D570-98(2010)e-1确定的。如此，封装材料可以抑制与可能进入壳体的水发生不希望的降解反应。
为了有助于获得所需的性能，封装材料包括一种或多种分散在聚合物基体中的导热填料。合适的导热填料材料包括金属填料，比如铝、银、铜、镍、铁、钴等及它们的组合物(比如镀银铜或镀银镍)；金属氧化物，比如氧化铝、氧化锌、氧化镁等及它们的组合物；氮化物，比如氮化铝、氮化硼、氮化硅等及它们的组合物；以及碳填料，比如碳化硅、碳黑、富勒烯、石墨片、碳纳米管、碳纳米纤维等及它们的组合物。铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼和/或碳化硅粉末尤其适用于本发明。如果需要，填料可以涂有功能性涂层，以增强填料及聚合物基体之间的亲合力。例如此种涂层可以包括不饱和或饱和脂肪酸，比如链烷酸、链烯酸、丙酸、月桂酸、棕榈酸、硬脂酸等；有机硅烷、有机钛酸、有机锆酸盐、异氰酸盐、羟基封端的烯烃或烷烃等。
本发明中可以选择性地控制导热填料的尺寸以帮助获得所需的性能。一般来说，此种填料的平均尺寸(比如直径)为约10纳米至约75微米，在一些实施方案中，为约15纳米至约50微米，而在一些实施方案中，为约20纳米至约40微米。在一些实施方案中，填料具有纳米级尺寸，比如约10纳米至约500纳米，在一些实施方案中，为约20纳米至约350纳米，在一些实施方案中，为约50纳米至约200纳米；而在其它实施方案中，填料可以具有微米级尺寸，比如约1微米至约50微米，在一些实施方案中，为约2微米至约30微米，而在一些实施方案中，为约5微米至约15微米。封装材料也可以同时采用纳米级及微米级导热填料的混合物。在此种实施方案中，微米级填料与纳米级填料的比例可以较大，以确保较高的填充密度，比如50：1或更大，在一些实施方案中，约70：1至约150：1。
虽然封装材料的基体可以采用各种不同的聚合树脂，但已发现可固化的热固树脂尤其适用于本发明。此种树脂的实例包括，例如硅酮聚合物、双酚A缩水甘油醚聚合物、丙烯酸盐聚合物、氨基甲酸酯聚合物等。在某些实施方案中，例如，封装材料可以采用一种或多种聚硅氧烷。这些聚合物中使用的硅键合的有机基团可以包含单价烃基团和/或单价卤代烃基团。此种单价基团一般具有约1个至约20个碳原子，优选1个至10个碳原子，实例有，但不限于烷基(比如甲基、乙基、丙基、戊基、辛基、十一基及十八基)、环烷基(比如环己基)、烯基(比如乙烯基、烯丙基、丁烯基及己烯基)、芳基(比如苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基及2-苯乙基)，以及卤代烃基团(比如3,3,3-三氟丙基、3-氯丙烯及二氯苯基)。通常，至少50％及更理想的是至少80％的有机基团为甲基。此种聚甲基硅氧烷的实例可以包括，例如聚二甲硅氧烷(“PDMS”)、聚甲基硅氢烷等。其它适合的聚甲基硅氧烷可以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、甲基苯基/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。
有机聚硅氧烷也可以包括一个或多个侧基和/端基极性官能团，比如羟基、环氧基、羧基、氨基、烷氧基、甲基丙酸烯基或巯基，其赋予聚合物一定的亲水性。例如，有机聚硅氧烷可以包括至少一个羟基基团，且任选地每分子平均至少两个硅键合的羟基基团(硅烷醇基)。此种有机聚硅氧烷的实例包括，例如二羟基聚二甲基硅烷、羟基-三甲基硅烷氧基聚二甲基硅氧烷等。也可以采用烷氧基改性的有机聚硅氧烷，比如二甲氧基聚二甲基硅氧烷、甲氧基-三甲基硅烷氧基-聚二甲基硅氧烷、二乙氧基聚二甲基硅氧烷、乙氧基-三甲基硅烷氧基-聚二甲基硅氧烷等。其它适合的有机聚硅氧烷是那些采用至少一个氨基官能团改性的有机聚硅氧烷。此种氨基官能团聚硅氧烷包括，例如二氨基官能团的聚二甲基氧烷。
理想的是，有机聚硅氧烷的分子量相对较低，以提高封装材料固化前的粘性及流动性。在一个实施方案中，例如有机聚硅氧烷(如聚二甲硅氧烷)的分子量为约100000克/摩尔或更低，在一些实施方案中，为约60000克/摩尔或更低，而在一些实施方案中，为约5000至约30000克/摩尔。封装材料(固化前)的粘度可以为，例如，约500Pa-s或更低，在一些实施方案中，为约100Pa-s或更低，而在一些实施方案中，为约1至约50Pa-s，该粘度是比如使用配备有以0.5毫米的间隙设置的20毫米平行板的ARES R550PS应力控制流变仪在25℃的温度下确定的。
可以选择性的控制导热填料及聚合物基体的相对含量，以便获得需要的性能。例如，含有的封装材料一般为约25vol.％至约95vol.％，在一些实施方案中，为约40vol.％至约90vol.％，在一些实施方案中，为约50vol.％至约85vol.％。同样地，聚合物基体占材料体积的约5vol.％至约75vol.％，在一些实施方案中，为约10vol.％至约50vol.％，在一些实施方案中，为约15vol.％至约40vol.％。如果需要，封装材料中也可采用其它添加剂，比如增容剂、固化剂、光引发剂、粘度改进剂、染料、偶联剂(比如硅烷偶联剂)、稳定剂等。
一旦按所需要的方式组装及连接，所得的封装件如上所述那样进行密封。再参照图1，例如，壳体也可以包括盖子127，将电容器元件放置在壳体中之后，将盖子127放置在侧壁124与125的上表面上。盖子可以由陶瓷、金属(铁、铜、镍、钴等及它们的合金)、塑料等形成。如果需要，可以在盖子与侧壁124和125之间设置密封件(未示出)，以便更好地密封。在一个实施方案中，例如，密封件可以包括玻璃与金属密封环(Goodfellow Camridge公司)等。侧壁的高度一般使得盖子不与电容器元件的任何表面接触，以便电容器元件不受污染。当放置在所需位置时，通过已知的技术将盖子密封于侧壁124与125，比如焊接(如电阻焊接、激光焊接等)、钎焊等。在一些实施方案中，可在存在惰性气体的情况下进行密封，如以上描述的那样，以便所得的组件基本上无活性气体，比如氧气或水蒸汽。
在图4至6所示的实施方案中，电容器组件包括40个电容器元件。然而如上所述，本发明可以采用任意数量的电容器元件，比如约2个至约200个，在一些实施方案中，约10个至约100个，在一些实施方案中，约20个至约50个。
不管其特定构造如何，本发明的电容器组件即使在接触高电压环境及高温时也具有极佳的电气性能。例如，由于本发明的电容器组件的散热性能，可以获得相对较高的纹波电流且不会损坏电容器组件。例如，最大纹波电流可以为约25安培或更高，在一些实施方案中，为约50安培或更高，儿在一些实施方案中，为约75安培或更高。此外，电容器组件的等效串联电阻(ESR)可以小于约50毫欧姆，在一些实施方案中，小于约25毫欧姆，在一些实施方案中，小于约10毫欧姆。例如，ESR可以为约0.5毫欧姆至约10毫欧姆，比如约1毫欧姆至约8毫欧姆，比如约2毫欧姆至约6毫欧姆。
可以通过参考下述实例更好地理解本发明。
测试程序
等效串联电阻(ESR)
利用具有Kelvin引线的Agilent E4980A精密LCR测试计以2.2伏直流偏压及0.5伏峰-峰正弦信号测量等效串联电阻。工作频率为100kHz，且温度为23℃±2℃。
电容(CAP)
利用具有Kelvin引线的Agilent E4980A精密LCR测试计以2.2伏直流偏压及0.5伏峰-峰正弦信号测量电容。工作频率为120Hz。
漏电流(DCL)
利用Keithley 2410源表测量在达到合适的电压(25℃-85℃为Ur，125℃为Ur的60％，而150℃为Ur的50％)下至少60秒后的漏电流。
纹波电流：
利用GoldStar GP 505电源、Agilent 33210信号发生器，带Pt100热电偶的Almemo 2590-9数据记录器及Fluke 80i示波器测量纹波电流。当合适的纹波电流值经过电容器时，工作频率为20千赫，且带交流信号及10伏直流偏压。纹波电流增加时，温度也上升并由热像照相机监控。
实施例
使用9000μFV/g钛粉形成阳极样品。每个阳极样品都嵌有钛丝，在1800℃下烧结，且压制成密度为5.3g/cm3。得到的小球的尺寸为4.6mm×5.25mm×2.6mm。在导电率为8.6mS的水/磷酸电解质中在85℃的温度下将小球阳极氧化至260伏，形成介质层；然后将阳极浸渍在固体含量为1.1％且粘度为20mPa.s(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-烯烃基二氧噻吩)的分散液中形成导电聚合物涂层；一旦涂覆完成，将该部件在125℃干燥20分钟；重量该步骤10次；之后，该部件浸渍在固体含量为2％且粘度为20mPa.s(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-烯烃基二氧噻吩)的分散液中；一旦涂覆完成，将该部件在125℃下干燥20分钟；不重复该步骤；然后，该部件浸渍在固体含量为2％且粘度为160mPa.s(CleviosTMK,H.C.Starck)的聚(3,4-烯烃基二氧噻吩)的分散液中；一旦涂覆完成，在125℃下将该部件干燥20分钟；重量该步骤8次；将该部件浸渍在石墨分散液中，并干燥；最后，将该部件浸渍在银分散液中，并干燥。通过该方式便制作了多个100伏电容器。
采用铜基引线框材料完成组装工艺，将电容器元件放置于陶瓷壳体内。电容器组件包括36个电容器元件，其分4排并列连接(每排9个电容器元件)。然后将阴极连接构件粘接至镍阴极端子，将阳极引线框焊接至长度为58.0mm、宽度为35.0mm且厚度为5.45mm的陶瓷壳体的底壁上的镍阳极端子。壳体具有镀镍焊垫，其焊接在陶瓷壳体底壁的内表面上。
用于进行所有连接的粘合剂是银膏。然后将组件装入对流烤箱中以焊接银膏。之后，用于阳极连接的焊接为电阻焊接，其使用在引线框部件与陶瓷壳体的镀镍焊垫之间施加的时长100毫秒的300W的能量。然后，将导热硅封装剂(Thermoset SC-320)涂覆在电容器元件的阳极及阴极部分的顶部，然后在150℃下烘干24小时；之后，将盖子放置在壳体的顶部，紧密地放置在陶瓷密封环上。将所得的组件放置在焊接室内，并在进行密封环及盖子之间的缝焊之前采用氮气净化。
测试之后，确定了电容为340.1μF，ESR为4.3mΩ。以下示出了漏电流及纹波电流的测试结果总结：
如表所示，根据实施例制造的电容器组件能够承受25安培的纹波电流，且仅达到103.6℃的温度。
在不脱离本发明的精神及范围的情况下，本领域的普通技术人员可对本发明进行这些及其它修改及变动。此外，应当理解，各种实施方案的方面可以整体或部分互换。另外，本领域的普通技术人员应当理解，上述描述仅为举例，并非旨在限制所附权利要求进一步描述的本发明。

Claims (20)

1.一种电容器组件，其包括：
多个电容器元件，每个电容器元件包含烧结的多孔阳极体，覆盖所述阳极体的介质层以及覆盖所述介质层的固体电解质，其中阳极引线从每个电容器元件延伸出来，每个电容器元件由上主表面、下主表面、第一相对的次表面与第二相对的次表面限定，其中每个所述上主表面与所述下主表面的表面面积大于每个所述相对的次表面的表面面积；
壳体，其具有长度、宽度及高度，其中所述长度与所述高度之比的范围为约2至约80，所述壳体是密封的并限定有内空腔，所述多个电容器元件设置在所述内空腔内，其中每个电容器元件的所述下主表面面向所述壳体的底壁，并且其中所述底壁由所述壳体的长度及宽度限定；
外部阳极端子，其与每个电容器元件的所述阳极引线电连接；以及
外部阴极端子，其与每个电容器元件的所述固体电解质电连接。
2.根据权利要求1所述的电容器组件，其中所述内空腔具有包含惰性气体的气氛。
3.根据权利要求1或2所述的电容器组件，其中所述壳体由金属、塑料、陶瓷或其组合物形成。
4.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，进一步包括将每个电容器元件的所述阳极引线与所述外部阳极端子连接的阳极引线框。
5.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述固体电解质通过导电粘合剂电连接至所述外部阴极端子。
6.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述电容器元件以多排平行布置，其中每排电容器元件沿所述壳体的长度纵向延伸。
7.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述电容器组件包括2个至约200个电容器元件。
8.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述多个电容器元件并列连接。
9.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述壳体的高度范围为约1毫米至约20毫米。
10.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述电容器元件的所述下主表面的总表面积与所述壳体的容积之比范围为约0.06mm-1至约0.3mm-1。
11.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述阳极体由包含钽、铌或它们的导电氧化物的粉末形成。
12.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述固体电解质包括导电聚合物或二氧化锰。
13.根据权利要求12所述的电容器组件，其中所述导电聚合物是取代聚噻吩。
14.根据权利要求13所述的电容器组件，其中所述取代聚噻吩是聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)。
15.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述固体电解质包括多种预聚合的导电聚合物颗粒。
16.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述电容器组件的最大纹波电流为约25安培或更高。
17.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中所述电容器组件的等效串联电阻小于约10毫欧姆。
18.根据前述权利要求任一项所述的电容器组件，其中封装材料至少部分地封装所述多个电容器元件。
19.根据权利要求18所述的电容器组件，其中所述封装材料是导热的。
20.根据权利要求19所述的电容器组件，其中所述封装材料的导热系数为约1W/m-K或更高。
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