DD206858A1 - Elektrolytkondensator - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINEN FESTELEKTROLYTKONDENSATOR. DAS ZIEL DER ERFINDUNG IST DIE VERBESSERUNG DER LANGZEITEIGENSCHAFTEN, UND DIE AUFGABE IST ES, EINE EDELMETALLFREIE KONTAKTSCHICHT ZU VERWENDEN. ERFINDUNGSGEMAESS WIRD AUF DEN SINTERKOERPER AUS VENTILMETALL MIT DER DIELEKTRISCHEN METALLOXIDSCHICHT UND DER KATODENSCHICHT EINE KATODEN-KONTAKTSCHICHT DURCH HOCHRATEZERSTAEUBEN AUFGEBRACHT. DIESE BESTEHT AUS EIER BARRIERESCHICHT AUS EINEM SCHWER IXIDIERBAREN NICHTEDELMETALL UND EINER LOETSCHICHT MIT BEGRENZTER LOESLICHKEIT IN UEBLICHEN LOTEN.

Description

elektrolytkondensator

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Elektrolytkondensator mit Pestelektrolyt. Er wird dort ange?/endet, wo hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit gestellt werden·

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Festelektrolytkondensatoren aus porösen Sinterkörpern eines TeatilinetaIls bekannt, die mit einem dielektrischen Oxidfilm des Metalls überzogen sind. Als Katode werden auf die oxidüberzogenen Körper leitende sauerstoffabspaltende Beläge aufgebracht, die vorzugsweise aus 'Manganoxid bestehen, was durch Tauchen der Sinterkörper in geeignete Mangannitratlösungen und nachfolgende Pyrolyse erreicht wird.

Aufgrund der schlechten elektrischen Leitfähigkeit der Manganoxidschicht und deren Hichtlötbarkeit müssen Beschichtungen mit weiteren Stoffen vorgenommen werden. Auf die Manganoxidschicht wird durch Eintauchen in eine definierte kolloidale Graphita ufschlämmung und anschließende Trocknung eine Schicht aus Kohlenstoff aufgebracht (DE-As 22 57 063). Der lötfähige Überzug entsteht durch Eintauchen des graphitierten Elektrodenkörpers in eine Suspension, bestehend aus organischen Bindemitteln und einem relativ hohen Anteil Silber, und anschließendes Tempern. Die Löteigenschaften und die Leitfähigkeit werden in einem begrenzten Bereich durch Art und Zusammensetzung der Binde-

mittel und durch den Anteil des Silbers bestimmt. Es sind auch Verfahren bekannt, die die Nachteile der Lötkontaktschicht auf der Basis von Silbersuspensionen nicht besitzen* So wurden z.B. Blektrodenkörper mit Hilfe von Plasma-Sprühverfahren mit Metall (Cu) beschichtet (DE-As 20 56 573). Der einschneidende Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß die Metallpartikel eine relativ hohe Energie besitzen und das Manganoxid und das Dielektrikum durchschlagen können. Dies führt zu nicht ausheilbaren Fehlstellen.

Ein weiteres Verfahren zum Aufbringen einer Katodenkontaktschicht besteht darin, daß/manganoxid- und graphitbedeckte Blektrodenkörper lötfähige Kontaktschichten der Metalle ITi, Gu, Ag, Au galvanisch abgeschieden werden (US-PS 4 104 704). Nachteilig ist hierbei die erforderliche anodische Polarisierung jedes einzelnen manganosidbedeckten Elektrodenkörpers gegenüber einer Hilfselektrode. Die technische Realisierung ist kompliziert und erschwert die Produktion.

Den Nachteil der erforderlichen elektrischen Kontaktierung vermeidet ein Verfahren der stromlosen chemischen Abscheidung (WP H01G/223 223). Alle chemischen und auch elektrochemischen Beschichtungsverfahren besitzen jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß die Schichten mit verschiedenen Begleitstoffen verunreinigt werden, wodurch nachweislich Beeinflussungen der Bauelemente bei Langzeitbeanspruchung auftreten.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen die Nachteile des Standes der Technik überwunden und ein Pestelektrolytkondensator mit verbesserten Eigenschaften der Kontaktschicht hergestellt werden. Die Langzeiteigenschaften sollen verbessert werden. Die Herstellung soll ökonomischer erfolgen·

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Darlegung des Wesens der Erfindung;

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein neues Kontaktschichtsystem für Pestelektrolytkondensatoren mit verbesserten Eigenschaften und einer edelmetallfreien Kontaktschicht auf dem Katodenbelag anzugeben. Die Aufgabe-wird gelöst, indem bekannterweise eine Elektrode aus Ventilmetall, vorzugsweise Tantal, als Sinterkörper, welche die Anode bildet, mit einer dielektrischen Metalloxidschicht und einer Katodenschicht, vorzugs\veise aus Eianganoxid, überzogen ist, und erfindungsgemäß die Katoden-Kontaktschicht durch Hochratezerstäuben aufgebracht ist. Die Katoden-Kontaktschicht ist ein Schichtsystem, welches aus einer Barriereschicht, aus einem schwer oxydierbaren und sich gegenüber der oxidischen Unterlage weitgehend neutral verhaltenden Hichtedelmetall, und einer darauf aufgebrachten Lötschicht mit begrenzter Löslichkeit in üblichen Loten besteht.

Die Barriereschicht hat die Aufgabe, den Austausch des nur leicht in der Katodenschicht gebundenen Sauerstoffs zwischen dieser und der Lötschicht zu verhindern. Ein solcher Austausch führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Bauelementeeigenschaften, insbesondere des Verlustwinkels.

Als geeignetes Material für eine solche Barriereschicht hat sich Hickel erwiesen. Mit Rücksicht auf den Perromagnetismus von Nickel, der das Aufbringen durch Hochratezerstäuben erschwert, können auch Hickelchromlegierungen mit einem geringen Chromanteil zur Anwendung kommen. Der Chromanteil ist gering zu halten, da er die chemische Ätzbarkeit der Schicht verschlechtert und eine Wirkung des Chromanteils als Haftvermittler wegen der stark porösen Oberfläche der Sinterkörper nicht erforderlich ist.

Eine ausreichende Barrierewirkung wird nach den durchgeführten Untersuchungen mit einer Schichtdicke ab 0,2 /um erreicht. Mit zunehmender Schichtdicke wird bei vergleichbaren Oberflächen der Sinterkörper noch eine gewisse Verbesserung der Kennwerte erreicht. Die Beschichtungskosten steigen jedoch ebenfalls. Eicperi-

mentell wurde eine optimale Schichtdicke von 0,75/um ermittelt.

Als Lötschicht sind edelmetallfreie Materialien mit guter bis mittlerer elektrischer Leitfähigkeit anwendbar. Hierfür haben sich in erster Linie Kupfer bzw. Kupfernickel-Legierungen als geeignet erwiesen, die je nach Erfordernis mit einer Schichtdicke zwischen 1 bis 4/um aufgebracht werden. Durch die Verwendung einer Kupfernickel-Legierung wird eine wesentliche Verlängerung der zulässigen Lötzeiten erreicht. Als Optimum der Schichtdicke wurden experimentell 2/um ermittelt. Die Barriere- und Lötschicht werden in Vakuumfolge aufgebracht·

Der Vorteil, die Katoden-Kontaktschicht durch Hochratezerstäuben im Vakuum aufzubringen, besteht darin, daß dabei die mögliche Reinheit der aufzubringenden Materialien, die realisierbaren Reinheitsbedingungen während des Beschiciitungsvorganges und die Vermeidung von Hilfs- oder Bindemitteln, die während der technologischen Schritte bei der Kondensatorherstellung oder bei der Langzeitbeanspruchung die Eigenschaften der Bauelemente nachteilig beeinflussen können, gegeben sind. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß halbedle oder unedle Metalle bzw. deren Legierungen verwendet werden können, wobei die Bauelementeeigenschaften vergleichbar bzw. besser als mit herkömmlichen Kontaktschichten mit notwendigerweise hohem Edelmetallanteil sind. Der prismatische oder zylindrische Sinterkörper erhält durch das Hochratezerstäuben eine ausreichend zusammenhängende Schicht bei vertretbarer mittlerer Schichtdicke, wenn das Schichtsystem von zwei Seiten und unter Ausnutzung der Gasstreuung bei einem Entladungsgasdruck von größer als 0,7 Pa aufgebracht wird. Außerdem sind möglichst großflächige Plasmatronquellen zu verwenden*

Da die Bauelemente während des gesamten Produktionszyklus an ihren Anodenanschlußdrähten reihenförmig auf einem Haltedraht befestigt sind, wobei der Abstand benachbarter Bauelemente aus Gründen der Anlagenausnutzung möglichst gering gehalten wird, gelingt die erforderliche allseitige Beschichtung mit vertret-

baren Toleranzen nur, wenn die in Richtung der Anodenanschlüsse liegenden Hauptachsen benachbarter Sinterkörper um einen V/inkel von etwa 30° gegeneinander versetzt werden.

Die Beschichtung erfolgt zweckmäßig von zwei Seiten und für die Barriere- und Lötschicht werden je zwei Plasmatronquellen verwendet, zwischen denen die Sinterkörper bewegt werden· Zur Vermeidung des Anoden-Katoden Schlusses ist es erforderlich, daß das Gebiet in der ITähe des Anodenanschlusses unbeschichtet bleibt· Hierfür kann eine Beschichtungsmaske verwendet werden, die z.B. in Form einer Kappe auf den Sinterkörper aufgesteckt wird. Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung des Anoden-Katodenschlusses besteht darin, das Schichtsystem nicht strukturiert aufzubringen und die Schicht in Anodennähe nachträglich abzuätzen· Dies kann durch teilweises Eintauchen der Bauelemente in chemische Ätzlösungen erfolgen*

Ausführungsbeispiel

Die nach gebräuchlichen Verfahren hergestellten, mit Osid- und Manganoxidschicht versehenen Tantalsinterkörper der Typen gemäß Tabelle 1 werden mit Aluminiummasken am Anodenanschlußaraht abgedeckt. Anschließend werden die reihenförmig angeordneten Sinterkörper in die Palettenrahmen einer Hochratezerstäubungs-Anlage eingesetzt, wobei die in Richtung des Anodenanschlußdrahtes liegenden Achsen benachbarter Bauelemente einen Winkel von 30° gegeneinander aufweisen. In der Beschichtungsanlage werden die Bauelemente zunächst mittels zweier, auf jeder Seite der Palette angeordneter Plasmatronquellen bei einem Argondruck von 1 Pa mit einer Barriereschicht aus Nickel mit der Schichtdicke 0,75/um versehen. Danach wird die Lötschicht aus Kupfer ebenfalls mittels zweiseitig angeordneter Plasmatronquellen bei dem gleichen Argondruck in Vakuumfolge mit einer Schichtdicke von 2/Um aufgebracht, üach Abschluß der Beschichtung werden die Bauelemente aus der Anlage entnommen und die Abdeckmaske wird entfernt. Die Bauelemente werden danach 5 s in ein geeignetes Flußmittel und dann in ein Tauchbad mit LSn60 GuO,4 bei einer Tempe-

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ratur von 245 C bis zu 10 s lang getaucht.

In Tabelle 1 sind die Kennwerte der so hergestellten Bauelemente im Vergleich, zu Bauelementen mit herkömmlicher Leitsilber-Kontaktierung dargestellt.

T = Kontaktierung mit Leitsilber

2 = Kontaktierung mit dem Schichtsystein Ui/Cu

Typ	C //UP	1	2	tan £/ %	CM	IrZ/UA	2
100/UP/15 V 47/uP/15 V 1OO/UP/25 V 47/UP/20 V	102,6 . 47,7 98,4 47,1	101,0 46,2 92,4 44,8	1	2,4 1,4 2,5 2,0	' 1	1,9 1,2 1,6 0,6
2,7 1,6 4,2 2,9	3,5 1,7 2,3 1,0

Tabelle 1

Das erfindungsgemäß hergestellte Kontaktschichtsystem weist also vergleichbare bis bessere Werte gegenüber dem herkömmlichen Verfahren auf Leitsilberbasis auf.

In Tabelle 2 sind die verbesserten Eigenschaften erfindungsgemäß hergestellter Kontaktschichten bei auf 280 ⁰C erhöhten Löt-'temperatüren und Lötung mit LSn60 CuO,4; Lötzeit 8 s; dargestellt.

Typ	vor dem Löten	C //UP	tan <T/ %	1R //UA	nach dem Löten	tan rf/ %	V/u
100/Up/25 V	97,9	4,0	2,9	C //UP	2,7	2,3
92,2

Tabelle 2

Claims (3)

Erfindungsanspmch

1. Elektrolytkondensator, aus einer Elektrode aus Ventilmetall, die mit einer dielektrischen Metalloxidschicht und einer den Selbstheileffekt gewährleistenden Katodenschicht, insbesondere einer leicht Sauerstoff abspaltenden Schicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Katodenkontaktschicht ein Schichtsystem, bestehend aus einer Barriereschicht aus einem schwer oxydierbaren Nichtedelineta11 und einer Lötschicht mit begrenzter Löslichkeit in gebräuchlichen Loten, durch Hochratezerstäuben aufgebracht ist.

2. Elektrolytkondensator nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriereschicht aus Nickel oder Nickelchrom mit geringem Chromanteil, mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 1/um, vorzugsweise 0,75/^m ist.

3. Elektrolytkondensator nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötschicht aus Kupfer oder Kupfernickel mit einer Schichtdicke von 1 bis 4/um ist.