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Hintergrund der Erfindung
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Kondensatoren
mit festem Elektrolyten (z. B. Tantalkondensatoren) haben einen
großen Beitrag zur Miniaturisierung von elektronischen
Schaltungen geleistet und die Anwendung solcher Schaltungen in extremen
Umgebungen ermöglicht. Viele herkömmliche Kondensatoren
mit festem Elektrolyten sind mit J-förmigen Anschlüssen
gestaltet, die zur Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte
geeignet sind. Diese Anschlüsse befinden sich an den Enden
des Kondensators und vergrößern dadurch seine
Gesamtlänge. Daher muss, wenn eine Anzahl dieser Kondensatoren
auf einer Leiterplatte Seite an Seite montiert wird, der Abstand
so groß gemacht werden, dass ein Kurzschließen
vermieden wird; dies verhindert eine dicht gepackte Montage der
Kondensatoren. Es wurden auch Kondensatoren entwickelt, bei denen
die Anschlüsse vor allem am Boden angeordnet sind – auch
als „Face-Down”-Anschlüsse bekannt. Jedoch
schränkt immer noch die Höhe dieser Kondensatoren
die Miniaturisierung ein, wenn sie auf der Leiterplatte montiert
werden, insbesondere bei relativ größeren Gehäuseformen.
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Daher
bleibt der Bedarf für einen Kondensator mit festem Elektrolyten
bestehen, der in der Lage ist, bei der Montage auf einer Leiterplatte
eine hohe Packungsdichte zu erreichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator
mit festem Elektrolyten offengelegt, der ein Kondensatorelement enthält,
das eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine
vordere Fläche und eine hintere Fläche definiert.
Das Kondensatorelement enthält eine Anode, eine dielektrische
Schicht, welche die Anode überzieht, und eine Katode, welche
die dielektrische Schicht überzieht, wobei die Katode einen
festen Elektrolyten enthält sowie ein Anodenleitungsdraht elektrisch
mit der Anode verbunden ist. Der Kondensator umfasst auch einen
Anodenanschluss, der elektrisch mit dem Anodenleitungsdraht verbunden ist,
und einen Katodenanschluss, der elektrisch mit der Katode verbunden
ist. Der Anodenanschluss enthält einen ersten Bestandteil,
der im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche des Kondensatorelements
liegt, und der Katodenanschluss enthält einen zweiten Bestandteil,
der im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche des Kondensatorelements
liegt. Weiter umfasst der Kondensator ein Gehäuse, welches das
Kondensatorelement einkapselt und mindestens einen Teil des ersten
Bestandteils und des zweiten Bestandteils frei lässt. Die
freiliegenden Teilbereiche des ersten Bestandteils und des zweiten
Bestandteils liegen im Wesentlichen koplanar, ragen von dem Gehäuse
nach außen und definieren eine obere Fläche, die
zu einer oberen Fläche des Kondensatorelements weist, bzw.
eine gegenüberliegende untere Fläche, die von
der oberen Fläche des Kondensatorelements weg weist. Die
oberen Flächen des ersten Bestandteils und des zweiten
Bestandteils sind so ausgebildet, dass sie auf einer Leiterplatte
zu montieren sind.
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Gemäß einer
anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine
Leiterplatte offen gelegt, die ein Substrat umfasst, das eine Montagefläche
definiert, auf der gegenüberliegende leitfähige
Elemente angeordnet sind. Eine eingelassene Öffnung ist
in der Montagefläche zwischen den leitfähigen
Elementen hergestellt. Weiter enthält die Leiterplatte
einen Kondensator mit festem Elektrolyten, der einen Anodenanschluss
und einen Katodenanschluss enthält, die vom Kondensator
in einer im Wesentlichen koplanaren Beziehung nach außen
ragen. Die Anoden- und Katodenanschlüsse sind elektrisch
mit jeweiligen leitfähigen Elementen verbunden, so dass
der Kondensator in die eingelassene Öffnung eingebettet
ist.
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Andere
Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
detaillierter dargelegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
vollständige und erhellende Darlegung der vorliegenden
Erfindung einschließlich deren bester Form, die sich an
jemanden mit gewöhnlichem Fachwissen richtet, erfolgt genauer
im Rest der Spezifikation, einschließlich Bezug auf die
beigefügten Figuren, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführung des Elektrolytkondensators
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht einer Ausführung des Elektrolytkondensators
der vorliegenden Erfindung ist, in der er auf einer Leiterplatte
montiert gezeigt wird;
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3 eine
Draufsicht des in 2 gezeigten Kondensators ist;
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4 eine
Ansicht von unten des in 2 gezeigten Kondensators ist;
und
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5 eine
perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des
Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung ist;
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Der
wiederholte Gebrauch von Referenzzeichen in der vorliegenden Spezifikation
und in den Zeichnungen soll dieselben oder analoge Merkmale oder
Elemente der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Detaillierte Beschreibung
repräsentativer Ausführungsformen
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Es
ist von jemandem mit gewöhnlichem Fachwissen zu verstehen,
dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
ist und nicht als Beschränkung der breiteren Aspekte der
vorliegenden Erfindung gedacht ist.
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Allgemein
ausgedrückt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf
einen Elektrolytkondensator, der so gestaltet ist, dass er in eine
Leiterplatte eingebettet werden kann. Der Elektrolytkondensator
enthält ein Kondensatorelement, Anoden- und Katodenanschlüsse
und ein Gehäuse, welches das Kondensatorelement einkapselt
und zumindest einen Teilbereich der Anoden- und Katodenanschlüsse
frei lässt, die von gegenüberliegenden Enden des
Gehäuses nach außen ragen. Jeder der Anschlüsse
besitzt eine obere Fläche, die zum Kondensatorelement weist, und
eine untere Fläche, die vom Kondensatorelement weg weist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolytkondensatoren zur
Oberflächenmontage werden die oberen Flächen dieser
freiliegenden Bereiche der Anoden- und Katodenanschlüsse
an der Leiterplatte montiert. Auf diese Weise kann der Kondensator
im Wesentlichen „kopfstehend” montiert werden,
so dass ein Teil oder die Gesamtheit seiner Dicke in die Leiterplatte
selbst eingebettet und dadurch das Höhenprofil des Kondensators
auf der Leiterplatte minimiert wird.
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Die
Anode kann aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet sein,
die eine hohe spezifische Ladung, wie ungefähr 5 000 μF·V/g
oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 25
000 μF·V/g oder mehr, in manchen Ausführungen
ungefähr 40 000 μF·V/g oder mehr und
in manchen Ausführungen ungefähr 70 000 μF·V/g
bis ungefähr 200 000 μF·V/g oder mehr
hat. Die Ventilmetallzusammensetzung enthält ein Ventilmetall
(d. h. ein Metall, das oxidiert werden kann) oder eine auf einem
Ventilmetall basierende Verbindung, wie etwa Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium,
Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon und so weiter.
Zum Beispiel kann die Ven tilmetallzusammensetzung ein elektrisch
leitfähiges Oxid von Niob, wie etwa Nioboxid, enthalten,
das ein Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0,
in einigen Ausführungen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungen
1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungen 1:1,0 ± 0,05
besitzt. Zum Beispiel kann das Nioboxid NbO
0.7,
NbO
1.0, NbO
1.1 und
NbO
2 sein. In einer bevorzugten Ausführung
enthält die Zusammensetzung NbO
1.0,
ein leitfähiges Nioboxid, das selbst nach dem Sintern bei
hohen Temperaturen chemisch stabil bleiben kann. Beispiele für
solche Ventilmetalloxide sind in den
US-Patenten
Nr. 6,322,912 an Fife;
6,391,275 an
Fife et al.;
6,416,730 an
Fife et al.;
6,527,937 an
Fife;
6,576,099 an Kimmel
et al.;
6,592,740 an
Fife et al.;
6,639,787 an
Kimmel et al. und
7,220,397 an
Kimmel et al. sowie den US-Patentanmeldungen Nr. 2005/0019581 an
Schnitter; 2005/0103638 an Schnitter et al. und 2005/0013765 an
Thomas et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für
alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen werden.
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Zum
Ausbilden der Anode können allgemein herkömmliche
Herstellungsverfahren verwendet werden. In einer Ausführung
wird zunächst ein Tantal- oder Nioboxid-Pulver ausgewählt,
das eine bestimmte Teilchengröße hat. Zum Beispiel
können die Teilchen flockig, kantig, knollenförmig
und Mischungen oder Abwandlungen davon sein. Die Teilchen weisen auch
typischerweise eine Siebgrößenverteilung von mindestens
etwa 60 mesh, in einigen Ausführungen von etwa 60 (ca.
0,27 mm) bis etwa 325 mesh und in einigen Ausführungen
von etwa 100 (ca. 0,16 mm) bis etwa 200 mesh auf. Weiter beträgt
die spezifische Oberfläche etwa 0,1 bis etwa 10,0 m2/g, in einigen Ausführungen etwa
0,5 bis etwa 5,0 m2/g und in einigen Ausführungen
etwa 1,0 bis etwa 2,0 m2/g. Der Begriff „spezifische
Oberfläche” bezieht sich auf die Oberfläche,
die mit dem Verfahren der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.)
nach Braunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical
Society, Bd. 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas
bestimmt wird. Ebenso liegt die Massendichte (oder Scott-Dichte)
zwischen etwa 0,1 und etwa 5,0 g/cm3, in
einigen Ausführungen zwischen etwa 0,2 und etwa 4,0 g/cm3 und in einigen Ausführungen zwischen
etwa 0,5 und etwa 3,0 g/cm3.
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Zur
Erleichterung der Ausbildung der Anode können den elektrisch
leitfähigen Teilchen andere Bestandteile zugefügt
werden. Zum Beispiel können die elektrisch leitfähigen
Teilchen wahlfrei mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel vermischt
werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander
haften, wenn sie zum Ausbilden des Anodenkörpers gepresst
werden. Geeignete Bindemittel können Kampfer, Stearin-
und andere seifige Fettsäuren, Carbowax (Union Carbide),
Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphthalin, Pflanzenwachs
und Mikrowachse (aufgereinigte Paraffine) sein. Das Bindemittel
kann in einem Lösungsmittel gelöst und verteilt
sein. Zu beispielhaften Lösungsmitteln können
Wasser, Alkohole und so weiter gehören. Wenn sie eingesetzt
werden, kann der Prozentsatz der Binde- und/oder Gleitmittel von
ungefähr 0,1% bis ungefähr 8% des Gewichts der
Gesamtmasse variieren. Es sollte jedoch verstanden werden, dass
in der vorliegenden Erfindung Binde- und Gleitmittel nicht erforderlich
sind.
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Das
resultierende Pulver kann mit einer beliebigen herkömmlichen
Pulver-Pressform verdichtet werden. Zum Beispiel kann die Pressform
eine Verdichtungspresse mit einer Station sein, bei der eine Pressform
und ein oder mehrere Stempel benutzt werden. Alternativ dazu können
Verdichtungs-Pressformen vom Amboss-Typ benutzt werden, bei denen nur
eine Pressform und ein einziger Unterstempel benutzt werden. Verdichtungspressen
mit Einzelstation stehen in verschiedenen Grundtypen zur Verfügung, wie
z. B. Nocken-, Kniehebelpressen und Exzenter-/Kurbel-Pressen mit
unterschiedlichen Eigenschaften, wie einfach wirkend, doppelt wirkend,
mit gleitender Pressform, beweglicher Platte, entgegenwirkendem
Kolben, Schrauben-, Schlag-, Heißpressen, Prägen
oder Maßprägen. Das Pulver kann um einen Anodenleitungsdraht
verdichtet werden (z. B. einen Tantal-Draht). Es muss weiterhin
erkannt werden, dass der Anodenleitungsdraht alternativ dazu nach
dem Pressen und/oder Sintern des Anoden-Körpers am Anoden-Körper
be festigt (z. B. geschweißt) werden kann. Nach dem Pressen
können alle Binde-/Gleitmittel entfernt werden, indem der Pressling
im Vakuum mehrere Minuten auf eine bestimmte Temperatur erhitzt
wird (z. B. ungefähr 150°C bis ungefähr
500°C). Alternativ können die Binde-/Gleitmittel
auch entfernt werden, indem der Pressling mit einer wässrigen
Lösung in Kontakt gebracht wird, zum Beispiel wie in dem
Bishop et al. erteilten
US-Patent
Nr. 6,197,252 beschrieben, das hier für alle Zwecke
in seiner Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen wird. Danach wird
der Pressling gesintert, um eine poröse, ganzheitliche
Masse zu bilden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung
der Pressling bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C bis
ungefähr 2000°C und in einigen Ausführungen von
ungefähr 1500°C bis ungefähr 1800°C
im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre gesintert werden.
Beim Sintern schrumpft der Pressling, weil Bindungen zwischen den
Teilchen wachsen. Zusätzlich zu den oben beschriebenen
Techniken kann auch jedes andere Verfahren zum Ausbilden des Anodenkörpers
gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden,
wie z. B. in dem
US-Patent 4,085,435 an Galvagni,
4,945,452 an Sturmer et
al.,
5,198,968 an Galvagni,
5,357,399 an Salisbury,
5,394,295 an Galvagni et
al.,
5,495,386 an Kulkarni
und
6,322,912 an Fife
beschrieben, die hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit
als Referenz mit aufgenommen werden.
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Obwohl
nicht erforderlich, kann die Dicke der Anode gewählt werden,
um die elektrische Leistungsfähigkeit des Kondensators
zu verbessern. Zum Beispiel kann die Dicke der Anode ungefähr
4 Millimeter oder weniger betragen, in manchen Ausführungen
ungefähr 0,05 bis ungefähr 2 Millimeter und in
manchen Ausführungen ungefähr 0,1 bis ungefähr
1 Millimeter. Auch die Form der Anode kann gewählt werden,
um die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Kondensators
zu verbessern. Zum Beispiel kann die Anode eine Form haben, die bogenförmig,
sinusförmig, rechteckig, U-förmig, V-förmig,
usw. ist. Die Anode kann auch eine „gerillte” Form
haben, die eine oder mehrere Rillen, Fugen, Furchen oder Einbuchtungen
enthält, um das Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren
und den Frequenzgang der Kapazität zu erweitern. Solche „gerillten” Anoden
werden zum Beispiel in den
US-Patenten
Nr. 6,191,936 an Webber et al.,
5,949,639 an Maeda et al. und
3,345,545 an Bourgault et
al. sowie in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2005/0270725
an Hahn et al. beschrieben, die hier für alle Zwecke in
ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
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Nach
der Ausbildung kann die Anode anodisch oxidiert werden, so dass
eine dielektrische Schicht über und/oder innerhalb der
Anode gebildet wird. Anodisches Oxidieren ist ein elektrochemischer Prozess,
mit dem die Anode oxidiert wird, um ein Material zu bilden, das
eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante hat. Zum Beispiel
kann eine Anode aus Niobiumoxid (NbO) anodisch oxidiert werden,
um Niobiumpentoxid (Nb2O5)
zu bilden. Typischerweise wird das anodische Oxidieren durchgeführt,
indem anfänglich ein Elektrolyt an die Anode gebracht wird, wie
etwa durch Tauchen der Anode in den Elektrolyten. Der Elektrolyt
liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit, wie einer
Lösung (z. B. wässrig oder nicht-wässrig),
einer Dispersion, einer Schmelze usw. vor. Allgemein wird im Elektrolyten
ein Lösungsmittel verwendet, wie etwa Wasser (z. B. entionisiertes
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, Diethylen-Glycoletheracetat
und Methoxypropylacetat), Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/caprin-Fettsäureamid
und N-Alkylpyrrolidone), Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril,
Butyronitril und Benzonitril), Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid
(DMSO) und Sulfolan) und so weiter. Das Lösungsmittel kann
zwischen etwa 50 Gew.-% und etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen
zwischen etwa 75 Gew.-% und etwa 99 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen
zwischen etwa 80 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen.
Obwohl nicht unbedingt erforderlich, ist die Verwendung eines wässrigen
Lösungsmittels (z. B. Wasser) oft erwünscht, um
die Bildung des angestrebten Oxids zu erleichtern. Tat sächlich
kann Wasser etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen
etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen
zwischen etwa 90 Gew.-% und 100 Gew.-% der (des) im Elektrolyten
verwendeten Lösungsmittel(s) ausmachen.
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Der
Elektrolyt ist ionisch leitfähig und kann eine ionische
Leitfähigkeit von ungefähr 1 Millisiemens pro
Zentimeter („mS/cm”) oder mehr haben, in einigen
Ausführungsformen ungefähr 30 mS/cm oder mehr
und in einigen Ausführungsformen zwischen ungefähr
40 mS/cm und ungefähr 100 mS/cm, bestimmt bei einer Temperatur
von 25°C. Um die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten
zu erhöhen, kann eine Verbindung verwendet werden, die
in der Lage ist, in dem Lösungsmittel zu dissoziieren,
um Ionen zu bilden. Für diesen Zweck geeignete ionische
Verbindungen können zum Beispiel sein: Säuren,
wie Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure,
Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure,
Boronsäure usw., organische Säuren, darunter Carbonsäuren, wie
Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure,
Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure,
Adipinsäure, Maleinsäure, Apfelsäure, Ölsäure,
Gallussäure, Weinsäure, Zitronensäure,
Ameisensäure, Essigsäure, Glycolsäure,
Oxasäure, 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, Phenolsulfonsäure, Dodecylsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure
usw., polymere Säuren, wie Poly-Acryl- oder Poly-Methacrylsäure
und deren Copolymere (z. B. Malein-Acryl-, Sulfon-Acryl- und Styrol-Acryl-Copolymere),
Carageensäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure
usw. Die Konzentration ionischer Verbindungen wird so gewählt,
dass die gewünschte ionische Leitfähigkeit erreicht
wird. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure)
zwischen ungefähr 0,01 Gew.-% und ungefähr 5 Gew.-%,
in einigen Ausführungsformen zwischen ungefähr
0,05 Gew.-% und ungefähr 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen
zwischen unge fähr 0,1 Gew.-% und ungefähr 0,5
Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Auf Wunsch können im
Elektrolyten auch Mischungen von ionischen Verbindungen verwendet
werden.
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Ein
Strom wird durch den Elektrolyten geschickt, um die dielektrische
Schicht zu bilden. Der Wert der Spannung bestimmt die Dicke der
dielektrischen Schicht. Die Stromversorgung kann zum Beispiel anfangs
auf einen galvanostatischen Modus eingestellt werden, bis die erforderliche
Spannung erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einen
potentiostatischen Modus umgeschaltet, um sicherzustellen, dass
sich die gewünschten Dicke des Dielektrikums auf der Oberfläche
der Anode bildet. Natürlich können auch andere
bekannte Verfahren verwendet werden, wie etwa Pulsverfahren oder schrittweise
potentiostatische Verfahren. Die Spannung liegt typischerweise im
Bereich von etwa 4 bis ungefähr 200 Volt und in einigen
Ausführungen von etwa 9 bis ungefähr 100 Volt.
Während der anodischen Oxidation kann der Elektrolyt auf
einer erhöhten Temperatur gehalten werden, wie etwa 30°C
oder mehr, in einigen Ausführungsformen zwischen etwa 40°C
und etwa 200°C und in manchen Ausführungsformen
zwischen etwa 50°C und etwa 100°C. Die anodische
Oxidation kann auch bei Raumtemperatur oder darunter erfolgen. Die
resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche
der Anode und in ihren Poren gebildet werden.
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Sobald
die dielektrische Schicht ausgebildet ist, kann optional eine Schutzschicht
aufgebracht werden, wie z. B. aus einem relativ isolierenden harzartigen
Material (natürlich oder synthetisch). Dieses Material
kann einen spezifischen Widerstand von mehr als ungefähr
10 Ω·cm, in manchen Ausführungen von
mehr als ungefähr 100 Ω·cm, in manchen Ausführungen
von mehr als ungefähr 1000 Ω·cm, in manchen
Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 10
5 Ω·cm, und in manchen
Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 10
10 Ω·cm haben. Einige harzartige Materialien,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können,
schließen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Polyurethan,
Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten
Fettsäuren (z. B. Glyceride) und so weiter ein. Geeignete
Ester von Fettsäuren sind zum Beispiel Ester der Laurinsäure, Myristinsäure,
Palmitinsäure, Stearinsäure, Elaeostearinsäure, Ölsäure,
Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure,
Shellolsäure, und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt.
Es hat sich herausgestellt, dass diese Ester von Fettsäuren
besonders nützlich sind, wenn sie in relativ komplexen
Kombinationen verwendet werden, um ein „Trocknungs-Öl” zu
bilden, das es erlaubt, den resultierenden Film schnell in eine
stabile Schicht zu polymerisieren. Solche Trocknungs-Öle
können Mono-, Di- und/oder Tri-Glyceride enthalten, die
ein Glycerol-Gerüst mit einem, zwei, bzw. drei Fettsäure-Resten
haben, die verestert sind. Einige geeignete Trocknungs-Öle,
die benutzt werden können, sind zum Beispiel Olivenöl,
Leinöl, Rizinusöl, Tungöl, Sojaöl
und Schellack, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese
und andere Schutzschicht-Materialien werden detaillierter in dem
Fife, et al. erteilten
US-Patent
Nr. 6,674,635 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit
für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
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Das
anodisch oxidierte Teil wird anschließend einem Schritt
zur Herstellung einer Katode unterworfen, die einen festen Elektrolyten,
wie etwa Mangandioxid, leitfähiges Polymer usw. enthält.
Ein fester Elektrolyt aus Mangandioxid kann zum Beispiel durch pyrolytische
Zerlegung von Magannitrat (Mn(NO
3)
2) hergestellt werden. Solche Verfahren werden
zum Beispiel im Sturmer et al. erteilten
US-Patent Nr. 4,945,452 beschrieben,
das hier in seiner Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz
mit aufgenommen wird. Alternativ kann eine Beschichtung aus leitfähigem
Polymer verwendet werden, die ein oder mehrere Polyheterozyklen
(z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Poly(3,4-Ethylendioxid-Thiophen (PEDT),
Polyaniline), Polyacetylene, Poly-p-Phenylene, Polyphenolate und
deren Derivate enthält. Darüber hinaus kann, falls
gewünscht, die Beschichtung aus leitfähigem Polymer
auch aus mehreren leitfähigen Polymerschichten ausgebildet
werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die
leitfähige Polymerkatode eine aus PEDT geformte Schicht
und eine weitere, aus einem Polypyrrol geformte Schicht enthalten.
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Es
können verschiedene Verfahren angewendet werden, um die
Beschichtung aus leitfähigem Polymer auf dem Anodenteil
aufzubringen. Zum Beispiel können herkömmliche
Verfahren, wie Elektropolymerisation, Siebdruck, Eintauchen, Elektrotauchbeschichtung
und Spritzen verwendet werden, um eine Beschichtung aus leitfähigem
Polymer auszubilden. In einer Ausführung können
zum Beispiel die Monomere, die zum Ausbilden des leitfähigen
Polymers (z. B. 3,4-Ethylendioxythiophen) verwendet werden, anfangs
mit einem Polymerisations-Katalysator gemischt werden, um eine Lösung
zu bilden. Ein geeigneter Polymerisations-Katalysator ist zum Beispiel
CLEVIOS C, wobei es sich um Eisen-III-Toluol-Sulfonat handelt, das
von H. C. Starck vertrieben wird. CLEVIOS C ist ein im Handel verfügbarer
Katalysator für CLEVIOS M, bei welchem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen
handelt, ein PEDT-Monomer, welches ebenfalls von H. C. Starck vertrieben wird.
Sobald eine Katalysatordispersion ausgebildet wurde, kann das Anodenteil
dann in die Dispersion getaucht werden, so dass sich das Polymer
auf der Oberfläche des Anodenteils ausbildet. Alternativ dazu
können Katalysator und Monomer(e) auch separat auf das
Anodenteil aufgebracht werden. In einer Ausführung kann
der Katalysator zum Beispiel in einem Lösungsmittel (z.
B. Butanol) gelöst werden und dann als Tauchlösung
auf das Anodenteil aufgebracht werden. Das Anodenteil kann dann
getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen. Danach
kann das Anodenteil in eine Lösung getaucht werden, die
das geeignete Monomer enthält. Sobald das Monomer in Kontakt
mit der Oberfläche des Anodenteils kommt, die den Katalysator
enthält, polymerisiert es chemisch darauf. Zusätzlich
kann der Katalysator (z. B. CLEVIOS C) auch mit den Materialien
gemischt werden, die zur Ausbildung der optionalen Schutzschicht
benutzt werden (z. B. harzartige Materialien). In solchen Fällen
kann das Anodenteil danach in eine Lösung getaucht werden,
die das Monomer (CLEVIOS M) enthält. Als Folge davon kann das
Monomer den Katalysator innerhalb und/oder auf der Oberfläche
der Schutzschicht kontaktieren und damit reagieren, um die das leitfähige
Polymer enthaltende Beschichtung auszubilden. Obwohl oben verschiedene
Verfahren beschrieben worden sind, versteht es sich, dass jedes
andere Verfahren zum Aufbringen der leitfähigen Beschichtung(en)
auf das Anodenteil in der vorliegenden Erfindung verwendet werden
kann. Zum Beispiel werden andere Verfahren zum Aufbringen solcher
leitfähigen Polymerbeschichtung(en) in den
US-Patenten 5,457,862 an Sakata et
al.,
5,473,503 an Sakata
et al.,
5,729,428 an Sakata
et al. und
5,812,367 an
Kudoh et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für
alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen werden.
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In
den meisten Ausführungen wird der feste Elektrolyt nach
dem Aufbringen ausgeheilt. Das Ausheilen kann nach jedem Aufbringen
eines festen Elektrolyten erfolgen, oder es kann nach dem Aufbringen
der gesamten Beschichtung erfolgen. In einigen Ausführungen
kann der feste Elektrolyt zum Beispiel durch Tauchen des Presslings
in eine Elektrolytlösung, wie etwa eine Lösung
von Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure, und
anschließendes Anlegen einer konstanten Spannung an die
Lösung bis zum Absinken des Stroms auf einen vorgewählten Pegel
ausgeheilt werden. Auf Wunsch kann dieses Ausheilen in mehreren
Schritten erfolgen. In einer Ausführung wird zum Beispiel
ein Pressling, der eine leitfähige Polymerbeschichtung
hat, zuerst in Phosphorsäure getaucht und ungefähr
20 Volt daran angelegt, und anschließend wird er in Schwefelsäure getaucht
und ungefähr 2 Volt daran angelegt. In dieser Ausführungsform
kann die Verwendung der zweiten Niederspannungs-Schwefelsäure-
oder -Toluolsulfonsäurelösung dazu beitragen,
dass die Kapazität des resultierenden Kondensators erhöht
und sein Verlustfaktor reduziert wird. Nach Aufbringen einiger oder
aller der oben beschriebenen Schichten kann der Pressling dann auf
Wunsch gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssigen Katalysator
und so weiter zu entfernen. Weiterhin kann in manchen Fällen
nach einigen oder allen oben beschriebenen Tauchschritten eine Trocknung
angewendet werden. Zum Beispiel kann das Trocknen nach Aufbringen
des Katalysators und/oder nach dem Waschen des Presslings erwünscht
sein, um die Poren des Presslings zu öffnen, damit er während nachfolgender
Tauchschritte eine Flüssigkeit aufnehmen kann.
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Auf
Wunsch kann auf dem Teil optional eine Kohlenstoffschicht (z. B.
Graphit) bzw. eine Silberschicht aufgebracht werden. Die Silberbeschichtung kann
zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder
Ladungs-Sammler für den Kondensator dienen, und die Kohlenstoffbeschichtung
kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten
begrenzen. Diese Beschichtungen können den festen Elektrolyten
teilweise oder ganz bedecken.
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Wie
oben angegeben, enthält der Elektrolytkondensator der vorliegenden
Erfindung auch einen Anodenanschluss, mit dem der Anodenleitungsdraht des
Kondensatorelements elektrisch verbunden ist, und einen Katodenanschluss,
mit dem die Katode des Kondensatorelements elektrisch verbunden
ist. Zum Ausbilden der Anschlüsse kann jedes leitfähige Material
verwendet werden, wie z. B. ein leitfähiges Metall (z.
B. Kupfer, Nickel, Silber, Nickel, Zink, Zinn, Palladium, Blei,
Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirkonium, Magnesium
und deren Legierungen). Besonders geeignete leitfähige
Metalle sind zum Beispiel Kupfer, Kupfer-Legierungen (z. B. Kupfer-Zirkonium,
Kupfer-Magnesium, Kupfer-Zink oder Kupfer-Eisen), Nickel und Nickel-Legierungen
(z. B. Nickel-Eisen). Die Dicke der Anschlüsse wird im
Wesentlichen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators
minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Anschlüsse
im Bereich von ungefähr 0,05 bis ungefähr 1 Millimeter,
in manchen Ausführungen von ungefähr 0,05 bis
ungefähr 0,5 Millimeter und von ungefähr 0,07
bis ungefähr 0,2 Millimeter liegen. Ein Beispiel für
ein leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus einer
Kupfer-Eisen-Legierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich
ist. Auf Wunsch kann die Oberfläche der Anschlüsse
galvanisch mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. überzogen
werden, wie in der Technik bekannt, um sicherzustellen, dass das
fertige Bauteil auf eine Leiterplatte montiert werden kann. In einer
speziellen Ausführung sind beide Oberflächen der
Anschlüsse mit Nickel, bzw. Flash-Silber beschichtet, während
die Montageoberfläche auch mit einer Lötzinn-Schicht
beschichtet wird.
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Mit
Bezug auf 1 wird eine Ausführung
eines Elektrolytkondensators 30 gezeigt, die einen Anodenanschluss 62 und
einen Katodenanschluss 72 in elektrischer Verbindung mit
einem Kondensatorelement 33 enthält. Das Kondensatorelement 33 hat eine
obere Fläche 37, eine untere Fläche 39,
eine vordere Fläche 36 und eine hintere Fläche 38.
Obwohl er in elektrischem Kontakt mit einer beliebigen der Flächen
des Kondensatorelements 33 stehen kann, steht der Katodenanschluss 72 in
der dargestellten Ausführung in elektrischem Kontakt mit
der unteren Fläche 39 und der hinteren Fläche 38.
Genauer enthält der Katodenanschluss 72 einen
ersten Bestandteil 73, der im Wesentlichen senkrecht zu
einem zweiten Bestandteil 74 angeordnet ist. Der erste Bestandteil 73 steht
im elektrischen Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren
Fläche 39 des Kondensatorelements 33.
Der zweite Bestandteil 74 steht in elektrischem Kontakt
und im Wesentlichen parallel zur hinteren Fläche 38 des
Kondensatorelements 33. Obwohl sie als fest eingebaut dargestellt sind,
versteht es sich, dass diese Teilbereiche alternativ getrennte Teile
sein können, die entweder direkt oder über ein
zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall)
miteinander verbunden sind.
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Der
Anodenanschluss 62 enthält ebenso einen ersten
Bestandteil 63, der im Wesentlichen senkrecht zu einem
zweiten Bestandteil 64 angeordnet ist. Der erste Bestandteil 63 steht
in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren
Fläche 39 des Kondensatorelements 33.
Der zweite Bestandteil 64 enthält einen Bereich 51,
der einen Anodenleitungsdraht 16 trägt. In der
dargestellten Ausführung besitzt der Bereich 51 eine „U-Form”,
um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des
Anschlussdrahtes 16 weiter zu verbessern.
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Die
Anschlüsse können mit dem Kondensatorelement unter
Verwendung einer beliebigen Technik nach dem Stand der Technik verbunden
werden. Es kann zum Beispiel in einer Ausführung ein Anschlussrahmen
bereitgestellt werden, der den Katodenanschluss 72 und
den Anodenanschluss 62 defi niert. Um das Elektrolytkondensator-Element 33 am Anschlussrahmen
zu befestigen, kann zuerst ein leitfähiger Kleber auf eine
Oberfläche des Katodenanschlusses 72 aufgebracht
werden. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige
Metallteilchen enthalten, die in einer Kunstharz-Mischung eingebettet sind.
Die Metallteilchen können aus Silber, Kupfer, Gold, Platin,
Nickel, Zink, Wismut, usw. bestehen. Die Kunstharzmischung kann
ein Duroplast-Kunstharz (z. B. Epoxidharz), einen Härter
(z. B. Säureanhydrid) und einen Haftvermittler (z. B. Silan-Haftvermittler)
enthalten. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung
mit der Publikations-Nummer 2006/0038304 beschrieben, das Osako
et al. erteilt wurde und das hier in seiner Gesamtheit für
alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird. Jedes aus einer Vielzahl
von Verfahren kann dazu benutzt werden, den leitfähigen
Kleber auf den Katodenanschluss 72 aufzubringen. Zum Beispiel
können Drucktechniken wegen ihrer praktischen und kostensparenden
Vorteile eingesetzt werden.
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Im
Allgemeinen kann eine Vielzahl von Methoden eingesetzt werden, um
die Anschlüsse am Kondensator anzubringen. In einer Ausführung
werden zuerst der zweite Bestandteil 64 des Anodenanschlusses 62 und
der zweite Bestandteil 74 des Katodenanschlusses 72 nach
oben in die in 1 gezeigte Stellung gebogen.
Danach wird das Kondensatorelement 33 so auf den Katodenanschluss 72 gesetzt,
dass seine untere Fläche 39 den Kleber berührt und
der Anodenleitungsdraht 16 im unteren U-förmigen
Bereich 51 aufgenommen wird. Auf Wunsch kann ein isolierendes
Material (nicht gezeigt), wie etwa ein Plastikplättchen
oder -band zwischen die untere Fläche 39 des Kondensatorelements 33 und den
ersten Bestandteil 63 des Anodenanschlusses 62 gelegt
werden, um die Anoden- und Katodenanschlüsse elektrisch
zu isolieren.
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Der
Anodenleitungsdraht 16 wird dann elektrisch mit dem unteren
Bereich 51 verbunden, wozu ein beliebiges in der Technik
bekanntes Verfahren verwendet wird, wie etwa mechanisches Schweißen, Laserschweißen,
leitfähige Kleber, usw. Zum Beispiel kann der Anodenleitungsdraht 16 mit
dem Anodenanschluss 62 unter Verwendung eines Lasers verschweißt
werden. Laser enthalten im Wesentlichen Resonatoren, die ein Laser-Medium
enthalten, das Photonen durch stimulierte Emission abgeben kann, und
eine Energiequelle, welche die Elemente des Laser-Mediums anregt.
Ein Typ eines geeigneten Lasers ist einer, in dem das Laser-Medium
aus einem Aluminium- und Yttrium-Granat (YAG) besteht, der mit Neodym
(Nd) dotiert ist. Die angeregten Teilchen sind Neodym-Ionen Nd3 +. Die Energiequelle
kann eine kontinuierliche Energie an das Laser-Medium liefern, um
einen kontinuierlichen Laserstrahl zu emittieren, oder Energie-Entladungen,
um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren. Nachdem der Anodenleitungsdraht 16 elektrisch
mit dem Anodenanschluss 62 verbunden ist, kann der leitfähige
Kleber ausgehärtet werden. Zum Beispiel kann eine Heißpresse
verwendet werden, um Hitze und Druck anzuwenden, um sicherzustellen,
dass das Elektrolytkondensator-Element 33 durch den Kleber
geeignet mit dem Katodenanschluss 72 verbunden wird.
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Sobald
das Kondensatorelement befestigt ist, wird der Leiterrahmen in ein
Kunstharzgehäuse eingeschlossen, das dann mit Silica oder
jedem anderen bekannten Vergussmaterial gefüllt werden kann.
Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach
der beabsichtigten Anwendung unterschiedlich sein. Geeignete Gehäuse
sind zum Beispiel die Gehäuse „A”, „B”, „F”, „G”, „H”, „J”, „K”, „L”, „M”, „N”, „P”, „R”, „S”, „T”, „W”, „Y” oder „X” (AVX
Corporation). Unabhängig von der verwendeten Gehäusegröße
wird das Kondensatorelement so eingekapselt, dass zumindest ein
Teilbereich der Anoden- und Katodenanschlüsse für
die Montage auf einer Leiterplatte frei liegt.
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Wie
zum Beispiel in 1 gezeigt, ist das Kondensatorelement 33 so
in einem Gehäuse 78 eingekapselt, dass ein Teilbereich 81 des
ersten Bestandteils 63 des Anodenanschlusses 62 und
ein Teilbereich 91 des ersten Bestandteils 73 des
Katodenanschlusses 72 durch entgegengesetzte Enden des
Gehäuses 78 nach außen ragen. In 1 haben die
freiliegenden Teil bereiche 81 und 93 jeweils die Form
von mit Abstand zueinander angeordneten Armbereichen. Jedoch brauchen
die freiliegenden Teilbereiche nicht diesen Aufbau zu besitzen. 5 zeigt
zum Beispiel eine zusätzliche Ausführung der vorliegenden
Erfindung, bei der die Armbereiche durch Verbindungsstücke 201 bzw. 203 angeschlossen
sind. Diese Verbindungsstücke 201 und 203 können
die Montagemöglichkeit des Kondensators 30 auf
einer Fläche einer Leiterplatte verbessern.
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Dessen
ungeachtet wird die Länge jedes der Teilbereiche 81 und 91 (z.
B. in der Richtung -x von 1) relativ
zur Länge des Kondensators im Wesentlichen so gewählt,
dass eine ausreichend große Fläche zum Verbinden
mit der Leiterplatte bereitgestellt wird, ohne einen zu großen
Flächenverbrauch zu verursachen. Obwohl zum Beispiel die
tatsächlichen Längen je nach Gehäusegröße
des Kondensators variieren können, liegt das Längenverhältnis
der Teilbereiche 81 und/oder 91 zur Länge
des Gehäuses 78 typischerweise zwischen 0,05 und
ungefähr 1, in einigen Ausführungen zwischen ungefähr
0,08 und ungefähr 0,5 und in einigen Ausführungen
zwischen ungefähr 0,1 und ungefähr 0,3.
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Der
Teilbereich 81 des Anodenanschlusses und der Teilbereich 91 des
Katodenanschlusses stehen vorteilhafterweise in einer im Wesentlichen
koplanaren Beziehung zueinander und optional zu einer unteren Fläche
des Kondensatorelements 33 und/oder des Gehäuses 78.
Obwohl nicht erforderlich, können auch andere Teilbereiche
des Anodenanschlusses 62 und des Katodenanschlusses 72 nach
der Einkapselung frei liegen. Zum Beispiel liegen in 1 die
Anschlüsse 62 und 72 ebenfalls an einer
unteren Fläche des Gehäuses frei. Nach der Einkapselung
können die freiliegenden Teile der Anoden- und Katodenanschlüsse 62 und 72 gealtert, überprüft
und auf die gewünschte Größe zugeschnitten
werden.
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Nach
seiner Formung kann der Kondensator 30 dann auf einer Leiterplatte
montiert werden. Genauer ausgedrückt, definieren die im
Wesentlichen koplanaren Teilbereiche 81 und 91 der
Anoden- und Katodenanschlüsse obere Flächen 83 bzw. 93,
die zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 weisen,
sowie untere Flächen 85 bzw. 95, die
von der unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 weg weisen.
Die Flächen 83 und 93 sind zur Montage
des Anodenanschlusses 62 und des Katodenanschlusses 72 in
einer eingelassenen Öffnung einer Leiterplatte gestaltet.
Auf diese Weise kann der Kondensator 30 im Wesentlichen „kopfstehend” montiert
werden, so dass ein Teil oder die Gesamtheit seiner Dicke in die
Leiterplatte selbst eingebettet und dadurch das Höhenprofil
des Kondensators 30 auf der Leiterplatte minimiert wird.
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Unter
Bezugnahme auf 2–4 wird zum
Beispiel eine Ausführung gezeigt, bei welcher der Kondensator 30 von 1 in
einer Leiterplatte 100 montiert ist, die ein Substrat 150 (z.
B. eine Isolierschicht) und leitfähige Elemente 111 enthält.
Es versteht sich, dass verschiedene andere elektronische Bauteile
ebenfalls auf der Leiterplatte 100 montiert werden können,
wie in der Technik bekannt ist, und dass lediglich zur Illustration
nur ein einzelner Kondensator gezeigt wird. Auf jeden Fall hat die
Leiterplatte 100 eine Montagefläche 109,
durch die hindurch eine Öffnung 105 zwischen den
leitfähigen Elementen 111 eingebracht ist. Um
sein Höhenprofil auf der Leiterplatte zu minimieren, ist
der Kondensator 30 innerhalb der Öffnung 105 eingebettet
und unter Verwendung bekannter Techniken, wie etwa Löten, an
der Montagefläche 109 angebracht. Die obere Fläche 83 des
freiliegenden Teilbereichs 81 des Anodenanschlusses und
die obere Fläche 93 des frei liegenden Teilbereichs 91 des
Katodenanschlusses sind nämlich beide an den leitfähigen
Elementen 111 befestigt, die sich auf der Montagefläche 109 befinden.
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Das
Ausmaß, zu dem der Kondensator 30 eingebettet
ist, hängt von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Dicke
der Leiterplatte 100, der Gehäu segröße
usw. ab. Die Dicke des Gehäuses kann zum Beispiel von ungefähr
0,05 bis ungefähr 4,0 Millimeter, in einigen Ausführungen
von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2 Millimeter und
in einigen Ausführungen von ungefähr 0,2 bis ungefähr
1,0 Millimeter betragen. Ebenso kann die Dicke der Leiterplatte
(ohne die daran angebrachten elektronischen Bauteile) von ungefähr
0,1 bis ungefähr 5 Millimeter, in einigen Ausführungen
von ungefähr 0,2 bis ungefähr 3 Millimeter und
in einigen Ausführungen von ungefähr 0,4 bis ungefähr
1,5 Millimeter betragen. Daher kann der Kondensator 30,
abhängig von den speziellen verwendeten Dicken, so eingebettet
sein, dass die untere Fläche des Gehäuses 78 im
Wesentlichen koplanar zur oberen Fläche der Leiterplatte 100 liegt.
Alternativ kann der Kondensator 30 so eingebettet sein,
dass seine untere Fläche leicht über die obere
Fläche der Leiterplatte 100 hinausragt. Trotzdem
wird das durch den Kondensator eingenommene Höhenprofil
verringert und kann je nach gewünschter Verwendung gesteuert
werden.
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Diese
und weitere Modifikationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung
können von einem Fachmann durchgeführt werden,
ohne dass vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird. Zusätzlich dazu muss verstanden werden, dass Aspekte
der verschiedenen Ausführungen ganz oder teilweise ausgetauscht
werden können. Weiterhin wird ein Fachmann erkennen, dass die
oben angegebene Beschreibung nur ein Beispiel ist und nicht mit
der Absicht angegeben wurde, die Erfindung einzuschränken,
wie sie in den beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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