DE102013206382A1

DE102013206382A1 - Gecrimpter Draht zur Verbesserung des Kontakts mit Anoden eines Festelektrolytkondensators

Info

Publication number: DE102013206382A1
Application number: DE102013206382A
Authority: DE
Inventors: Lotfi Djebara; Jiri Kobza
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-10-24
Also published as: GB2501573A; CN103377832A; US8947858B2; FR2989820A1; JP2013229566A; US20130279078A1; GB201301114D0

Abstract

Ein Kondensator, der ein Festelektrolytkondensatorelement enthält, das einen gesinterten porösen Anodenkörper und eine Anoden-Anschlussbaugruppe umfasst, wird bereitgestellt. Die Anschlussbaugruppe ist zum Anschluss an ein Anoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden. Die Anschlussbaugruppe enthält einen ersten Anschlussdraht, der wenigstens eine Kerbe umfasst, die sich an einem eingebetteten Teil des ersten Anschlussdrahts befindet. Die wenigstens eine Kerbe kann durch Crimpen des Anschlussdrahts vor dem Einbetten des Anschlussdrahts in den Anodenkörper gebildet sein. Der wenigstens eine Anschlussdraht ist in den Anodenkörper eingebettet und erstreckt sich von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung. Die resultierende Geometrie des Anschlussdrahts vermehrt die Kontaktpunkte zwischen dem Anodenkörper und dem Anschlussdraht nach dem Schrumpfen des Anodenkörpers, das nach dem Sintern erfolgt, um die elektrischen Fähigkeiten des Festelektrolytkondensators zu verbessern.

Description

Hintergrund der Erfindung
Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) haben hauptsächlich zur Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen beigetragen und ermöglichten die Anwendung solcher Schaltungen in extremen Umgebungen. Die Anode eines typischen Festelektrolytkondensators umfasst einen porösen Anodenkörper, wobei sich ein Anschlussdraht über den Anodenkörper hinaus erstreckt und mit einem Anoden-Endteil des Kondensators verbunden ist. Die Anode kann dadurch gebildet werden, dass man zuerst ein Tantalpulver zu einem Pressling presst, der dann gesintert wird, wobei verschmolzene Verbindungen zwischen einzelnen Pulverteilchen entstehen. Ein Problem bei vielen herkömmlichen Festelektrolytkondensatoren besteht darin, dass solche Pulver während des Sinterns häufig wegschrumpfen und sich von einem eingebetteten Anschlussdraht lösen. Typischerweise ist der Anschlussdraht meistens zylinderförmig mit einer glatten Oberfläche, was die Verbindung zu den Tantalteilchen des Presslings erschwert. Tatsächlich ist es auf einem geraden Anschlussdraht schwierig, irgendwelche Kontaktpunkte zwischen dem Anschlussdraht und den Pulverteilchen zu finden. Insbesondere schrumpft der Anodenkörper diametral zum Mittelpunkt des Anodenkörpers hin, während der Innendurchmesser des Anodenkörpers (der den Anschlussdraht umgibt) zunächst zunimmt. Durch diese Schrumpfung wird der Grad, mit dem der Anschlussdraht an die Teilchen des Anodenkörpers gebunden ist, stark reduziert, wodurch der äquivalente Serienwiderstand (ESR) erhöht und die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verschlechtert werden. Dasselbe gilt seitlich, wo der Anodenkörper zum Mittelpunkt hin und vom Kontakt mit dem Anschlussdraht weg schrumpft.
Während mehrere Anstrengungen unternommen wurden, um die Verbindung zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschlussdraht zu verbessern, beinhalten diese Anstrengungen zusätzliche Verarbeitungsschritte, die unter Herstellungsgesichtspunkten nachteilig sein können. Zum Beispiel beschreibt die US-Patentanmeldung Nr. 2010/0274337 (Hintz et al.) den zusätzlichen Schritt des Sinterns eines Metallpulvers auf einen Teil eines Anschlussdrahts unter Bildung eines Verbindungsbereichs bei einer höheren Temperatur, als sie für den Deoxidationssinterungsvorgang verwendet wurde. Außerdem beschreibt das US-Patent Nr. 6,447,570 (Pozdeev-Freeman) das Tempern bei Temperaturen oberhalb der Temperatur, die für die Deoxidation verwendet wird, um die Bindung des Anodenkörpers an den Anschlussdraht, der den Temperofen kontaminieren und beeinträchtigen kann, zu verbessern, oder das Anschweißen eines Anschlussdrahts an einen vorgesinterten Anodenkörper und dann Deoxidieren der Verbundstruktur.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem verbesserten Festelektrolytkondensator, bei dem die Kontaktpunkte zwischen dem Anschlussdraht und dem Anodenkörper erhöht sind, wodurch die elektrischen Eigenschaften durch Erreichen von extrem niedrigen ESR-Werten erheblich verbessert werden.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der ein Kondensatorelement umfasst. Das Kondensatorelement umfasst einen gesinterten porösen Anodenkörper. Eine Anschlussbaugruppe ist im Anodenkörper eingebettet. Die Anschlussbaugruppe umfasst einen ersten Anschlussdraht, der wenigstens eine Kerbe aufweist, die sich an einem eingebetteten Teil des ersten Anschlussdrahts befindet. Der erste Anschlussdraht erstreckt sich von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung. Eine dielektrische Schicht bedeckt den gesinterten porösen Anodenkörper, und eine Kathode, die einen festen Elektrolyten umfasst, bedeckt die dielektrische Schicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines gesinterten porösen Anodenkörpers offenbart. Das Verfahren umfasst das Ausbilden wenigstens einer Kerbe an einem Teil eines ersten Anschlussdrahts einer Anodendrahtbaugruppe, das Einbetten der Anodendrahtbaugruppe in ein Pulver, das aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet ist, so dass der Teil des Drahts, der die wenigstens eine Kerbe enthält, in dem Pulver eingebettet ist; das Kompaktieren des Pulvers um die Anschlussbaugruppe herum; und das Sintern des kompaktierten Pulvers und der Anschlussbaugruppe unter Bildung eines porösen Anodenkörpers.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung, die die Abmessungen der Anschlussbaugruppe zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
3 eine Draufsicht auf den Elektrolytkondensator von 2;
4 eine Vorderansicht des Elektrolytkondensators von 2;
5 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
7 eine Vorderansicht des Elektrolytkondensators von 6;
8 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
9 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
10 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
11 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
12 eine vergleichende Draufsicht auf eine Ausführungsform des Elektrolytkondensators gemäß dem Stand der Technik vor und nach dem Sintern; und
13 eine vergleichende Draufsicht auf eine Ausführungsform des Elektrolytkondensators gemäß der vorliegenden Erfindung vor und nach dem Sintern.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kondensator, der ein Festelektrolytkondensatorelement enthält, das einen gesinterten porösen Anodenkörper umfasst. Eine Anoden-Anschlussbaugruppe kann zum Anschluss an ein Anoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden werden. Die Anschlussbaugruppe kann im Anodenkörper eingebettet sein und in Längsrichtung aus einer Fläche desselben herausragen. Die Anschlussbaugruppe kann selbst einen ersten Anschlussdraht enthalten, der wenigstens eine Kerbe umfasst, die sich auf dem eingebetteten Teil des Drahts befindet, wobei die Kerbe die Funktion hat, den Kontakt zwischen dem ersten Anschlussdraht und dem Anodenkörper beim Sintern zu erhöhen, was die elektrischen Parameter des Kondensators erheblich verbessert.
Die 1 bis 4 zeigen eine besondere Ausführungsform einer Anode, die aus einem porösen Anodenkörper 33 und einer Anoden-Anschlussbaugruppe 16 gebildet wird. Allgemein gesagt ist 1 eine Draufsicht auf den porösen Anodenkörper 33, der um die Anoden-Anschlussbaugruppe 16 herum gebildet ist und die Abmessungen der Anschlussbaugruppe 16 zeigt. Indessen zeigt 2 eine perspektivische Ansicht der Anode, 3 zeigt eine Draufsicht auf die Anode von 2, und 4 zeigt eine Vorderansicht der Anode von 2.
In der besonderen Ausführungsform, die in den 1 bis 4 gezeigt ist, liegt der poröse Anodenkörper 33 in Form eines rechteckigen Presslings mit einer oberen Fläche 37, einer unteren Fläche 39, einer vorderen Flächen 36, einer hinteren Fläche 38, einer ersten Seitenfläche 31 und einer zweiten Seitenfläche (nicht gezeigt) vor. Neben einer rechteckigen Form kann die Anode auch eine würfelförmige, zylindrische, kreisförmige oder beliebige andere Form aufweisen. Die Anode kann auch eine ”geriffelte” Form haben, indem sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Vertiefungen oder Einkerbungen enthält, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen. Solche ”geriffelten” Anoden sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 (Webber et al.), 5,949,639 (Maeda et al.) und 3,345,545 (Bourgault et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0270725 (Hahn et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Außer einem porösen Anodenkörper 33 umfasst die Anode der vorliegenden Offenbarung auch eine Anoden-Anschlussbaugruppe 16, die eine elektrische Verbindung mit dem Kondensator ermöglicht. Die Anoden-Anschlussbaugruppe umfasst wenigstens einen Anschlussdraht, wie einen ersten Anschlussdraht 16a. Allgemein gesagt erstreckt sich, wie in 2 gezeigt ist, die Anoden-Anschlussbaugruppe 16 ausgehend von der vorderen Fläche 36 des porösen Anodenkörpers 33 in einer Längsrichtung L. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass sich die Anschlussbaugruppe 16 auch ausgehend von einer anderen Fläche des porösen Anodenkörpers 33 erstrecken kann. Weiterhin brauchen sich die Drähte, wenn es mehrere Anschlussdrähte gibt, nicht ausgehend von einer gemeinsamen Fläche des porösen Körpers zu erstrecken.
Wir beziehen uns nun auf 1. Die Anschlussbaugruppe 16 kann einen ersten Anschlussdraht 16a mit einer Länge X und einer Breite (Dicke) W umfassen. Die hier offenbarten Anschlussdrähte, wie der erste Anschlussdraht 16a, können jede beliebige Querschnittsform besitzen, wie kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig usw. Die Größe des ersten Anschlussdrahts 16a kann im Allgemeinen je nach der Gesamtgröße des Anodenkörpers 33 variieren. In den meisten Ausführungsformen variiert das Verhältnis der Länge X des oder der Anschlussdrähte in der Längsrichtung L zur Breite W (oder Dicke) der Drähte (”Aspektverhältnis”) in einigen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 150, in einigen Ausführungsformen von etwa 5 bis etwa 100 und in anderen Ausführungsformen von etwa 15 bis etwa 90. Zum Beispiel können die Drähte eine Breite oder Dicke von etwa 20 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 800 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen von etwa 100 bis etwa 600 Mikrometer aufweisen. Unter Verwendung des weitesten Bereichs für das Aspektverhältnis entspricht dies dem Fall, dass der oder die Anschlussdrähte, wie der erste Anschlussdraht 16a, eine Länge X von etwa 40 Mikrometer bis etwa 150 Millimeter, in einigen Ausführungsformen von etwa 100 Mikrometer bis 120 Millimeter und in einigen Ausführungsformen von etwa 200 Mikrometer bis etwa 90 Millimeter aufweist.
1 zeigt auch eine Kerbe 40, die in einem eingebetteten Teil des ersten Anschlussdrahts 16a gebildet ist, wobei die Kerbe eine Länge X', die sich entlang eines Teils der Länge X des ersten Anschlussdrahts 16a erstreckt, und eine Breite (Dicke) W', die einen Teil der Breite W des ersten Anschlussdrahts 16a umfasst, aufweist. Während, wie in 11 gezeigt ist, eine Kerbe 540 so ausgebildet sein kann, dass eine Seite des Drahts glatt und fortlaufend mit dem Rest dieser Seite des Drahts ist und die andere Seite rau ist (z. B. wurde die Geometrie des Drahts nur auf einer Seite verändert), kann eine Kerbe auch so ausgebildet sein, dass beide Seiten des Anschlussdrahts an der Kerbe rau sind (z. B. wurde die Geometrie des Drahts auf beiden Seiten verändert). Zum Beispiel wird die in den 1 bis 3 gezeigte Kerbe 40 in einer solchen Weise gebildet, dass beide Seiten des ersten Anschlussdrahts 16a an der Kerbe unter Bildung einer elliptischen Vertiefung im ersten Anschlussdraht geändert wurden. Diese raue Oberflächengeometrie steht im Kontrast zum Rest des ersten Anschlussdrahts 16a, der eine glatte Oberfläche ohne Vertiefungen aufweist. Da die Kerbe auf beiden Seiten des Anschlussdrahts eine elliptische Geometrie aufweist, gibt es wenigstens zwei Bereiche auf dem Anschlussdraht, wo vermehrte Kontaktpunkte vorkommen können. Als Ergebnis der vermehrten Kontaktpunkte, wie es in 13 gezeigt ist, die weiter unten ausführlicher besprochen wird, kann die Anode verbesserte elektrische Eigenschaften aufweisen.
Wir kehren nun zu den 1 bis 3 zurück. Die Kerbe 40 kann durch verschiedene Verfahren gebildet werden, einschließlich unter Anderem Crimpen, Formen, Quetschen, Verdrillen oder dergleichen. Außerdem ist eine Kerbe nicht auf eine bestimmte Form beschränkt, und die Kerbe kann rechteckig, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, U-förmig, V-förmig sein oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen. Die Kerbe 40 kann in jeder beliebigen, dem Fachmann bekannten Weise gebildet werden, wie etwa mit einem Crimpwerkzeug. Wenn ein Anschlussdraht gecrimpt wird, kann die Kerbe zum Beispiel durch Verformung des ersten Anschlussdrahts 16a gebildet werden, indem man mit dem Crimpwerkzeug Druck auf den ersten Anschlussdraht ausübt. Wie erwähnt, kann auf der Grundlage der Geometrie der Kontaktpunkte des Crimpwerkzeugs die am ersten Anschlussdraht 16a gebildete Kerbe rechteckig, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, U-förmig, V-förmig sein oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen.
Unabhängig von der Art und Weise, in der die Kerbe gebildet wird, variiert das Verhältnis der Länge X des Anschlussdrahts 16a zur Länge X' der Kerbe 40 in einigen Ausführungsformen von etwa 1,5 bis etwa 30, in einigen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 15 und in anderen Ausführungsformen von etwa 5 bis 10. Der Anschlussdraht kann also eine Länge aufweisen, die etwa das 1,5-fache der Länge der Kerbe bis etwa das 30-fache der Länge der Kerbe beträgt. Wenn der Anschlussdraht 16a zum Beispiel eine Länge X von etwa 50 Millimeter aufweist, kann die Kerbe eine Länge X' von etwa 2 Millimeter bis etwa 30 Millimeter, in einigen Ausführungsformen von etwa 4 Millimeter bis etwa 25 Millimeter und in einigen Ausführungsformen von etwa 5 Millimeter bis etwa 10 Millimeter aufweisen.
Außerdem variiert unabhängig von der Art und Weise, in der die Kerbe 40 gebildet wird, das Verhältnis der Breite (oder Dicke) W des Anschlussdrahts 16a zur Breite (oder Dicke) W' der Kerbe 40 in einigen Ausführungsformen von etwa 1,05 bis etwa 7, in einigen Ausführungsformen von etwa 1,25 bis etwa 5 und in anderen Ausführungsformen von etwa 1,5 bis etwa 3. Der Anschlussdraht kann also eine Breite aufweisen, die etwa das 1,05-fache der Breite der Kerbe bis etwa das 7-fache der Breite der Kerbe beträgt. Wenn der Anschlussdraht 16a zum Beispiel eine Breite W von etwa 500 Mikrometer aufweist, kann die Kerbe eine Breite W' von etwa 75 Mikrometer bis etwa 475 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen von etwa 100 Mikrometer bis etwa 400 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen von etwa 175 Mikrometer bis etwa 325 Mikrometer aufweisen.
Unabhängig von den Abmessungen der Anschlussdrähte, der eingesetzten Zahl der Anschlussdrähte oder der Geometrie der Kerben auf den Anschlussdrähten können die Anschlussdrähte aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Nickel, Aluminium, Hafnium, Titan usw., sowie Oxiden und/oder Nitriden davon (z. B. Nioboxid), bestehen. Außerdem kann es zwar sein, dass nur eine einzige Kerbe mit einer einzigen rauen Oberfläche (wenn zum Beispiel eine Vertiefung, die rechteckig, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, U-förmig, V-förmig ist oder irgendeine andere geeignete Form aufweist, auf nur einer Seite des Anschlussdrahts vorhanden ist) eingesetzt wird, um verbesserte kontaktpunkte zwischen dem Anodenkörper und dem Anschlussdraht zu schaffen, doch können, falls es gewünscht wird, auch mehr als eine Kerbe, wie 2, 3, 4 oder noch mehr, in einem Anschlussdraht eingesetzt werden (siehe z. B. 5 und 8). In 5 enthält der Anschlussdraht 116a zum Beispiel die Kerben 140a und 140b, wobei die Kerben 140a und 140b dadurch gebildet werden, dass man die Geometrien beider Seiten des Anschlussdrahts 116a so verändert, dass jede Kerbe zwei Vertiefungen in dem Anschlussdraht umfasst. Die Kerben in 5 haben zwar eine rechteckige Form, doch können die Kerben in jeder geeigneten Form gebildet sein. Siehe zum Beispiel 8, wo die Kerben 340a, 340b, 341a und 341b dreieckig oder V-förmig sind. Außerdem wurden die Kerben 140a und 140b zwar so geformt, dass beide Seiten des Anschlussdrahts Vertiefungen aufweisen, doch können sich die Vertiefungen oder veränderten Geometrien auch auf einer einzigen Seite des Anschlussdrahts befinden, wie in 9 bei Kerbe 440b und in 11 bei Kerbe 540 gezeigt ist. Die Kerben können sich also um den gesamten Umfang des eingebetteten Teils des Anschlussdrahts herum, entlang eines Teils oder der gesamten Länge des eingebetteten Teils des Anschlussdrahts oder in jeder anderen geeigneten Konfiguration befinden.
Außer dem Fall, dass ein einziger Anschlussdraht mehr als eine Kerbe enthält, wie es in 5 gezeigt ist, können auch mehr als ein Anschlussdraht eingesetzt werden, und es können 2, 3, 4 oder noch mehr Anschlussdrähte in dem porösen Anodenkörper eingebettet sein (siehe 6–11). Auch wenn mehrere Anschlussdrähte verwendet werden, braucht nur ein einziger Anschlussdraht eine Kerbe zu umfassen, um die Verbindungen zwischen der Anoden-Anschlussdrahtbaugruppe und dem porösen Anodenkörper zu verbessern, obwohl auch Kerben auf mehr als einem der Anschlussdrähte vorhanden sein können und jeder Anschlussdraht mehr als eine Kerbe enthalten kann. Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, können sich die beiden Anschlussdrähte 216a und 216b direkt nebeneinander befinden und aneinander festgesintert sein, obwohl es, wie in 8 gezeigt ist, nicht erforderlich ist, dass sich die Anschlussdrähte direkt nebeneinander befinden. 6 zeigt die Anschlussdrähte 216a und 216b, wobei der erste Anschlussdraht 216a eine Kerbe 240 umfasst und der zweite Anschlussdraht 216b herkömmlicherweise glatt und ohne Kerbe ist. 7 ist eine Vorderansicht der Ausführungsform von 6, die die beiden Anschlussdrähte 216a und 216b zeigt, die direkt nebeneinander positioniert sind.
Wie erwähnt, können die Anschlussdrähte wie bei herkömmlichen Verfahren getrennt sein (siehe 8), oder sie können während des Sinterns des porösen Anodenkörpers miteinander verbunden oder verschmolzen (d. h. ”aneinander festgesintert”) werden (siehe 6 und 7). Die Natur der Bindung kann variieren, wie etwa metallurgisch, kovalent, elektrostatisch usw. Obwohl es nicht erforderlich ist, können die Weglänge und der Widerstand für den Stromfluss innerhalb des porösen Anodenkörpers durch das Festsintern der Drähte weiter reduziert werden und somit auch der ESR reduziert werden. Außerdem können die aneinander festgesinterten Drähte auch zu einer Anschlussbaugruppe führen, die robuster und mechanisch stabiler ist, was die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Kondensators weiter verbessert.
8 zeigt eine herkömmliche Kondensatorkonfiguration, wie etwa eine, bei der mehrere Drähte voneinander beabstandet sind und nicht direkt nebeneinander liegen, wie in den 6 und 7. Wie in 8 gezeigt ist, können mehrere Anschlussdrähte 316a und 316b außerdem mehrere Kerben umfassen (340a und 340b im ersten Anschlussdraht 316a; 341a und 341b im zweiten Anschlussdraht 316b). Weiterhin zeigt die in 8 offenbarte Ausführungsform eine andere Kerbengeometrie, bei der die Kerben dreieckig oder V-förmig sind und sich entlang des eingebetteten Teils beiderseits jedes Anschlussdrahtes erstrecken.
Wenn mehrere Anschlussdrähte eingesetzt werden, können die Anschlussdrähte dieselbe ungefähre Größe (z. B. Breite oder Dicke) haben, wie in den 6-8 gezeigt ist, oder wenigstens einer der Drähte kann eine Größe aufweisen, die größer ist als bei den anderen Drähten, wie in den 9–11 gezeigt ist. Das Verhältnis der Breite oder Dicke des größeren Drahts zur Breite des kleineren Drahts kann in einigen Ausführungsformen zum Beispiel etwa 1 bis etwa 10, in anderen Ausführungsformen etwa 1,5 bis etwa 8 und in noch anderen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 5 betragen. Der größere Draht kann als Ort der elektrischen Verbindung zum Anoden-Endteil verwendet werden. Dadurch ist es wiederum möglich, den kleineren Draht in erster Linie dafür einzusetzen, die Zahl oder den Grad der Kontakte mit dem porösen Anodenkörper zu erhöhen und die mechanische Stabilität zu verstärken. Durch die Verwendung von verschiedenen, aber aneinander gesinterten Anschlussdrähten in dieser Weise kann bei wenigstens einem Teil der Anschlussbaugruppe die Beschädigung vermieden werden, die während der elektrischen Verbindung mit dem Anoden-Endteil, wie während des Laserschweißens, häufig anzutreffen ist.
In 9 ist zum Beispiel eine bestimmte Ausführungsform einer Anschlussbaugruppe 416 für einen porösen Anodenkörper 433 gezeigt, bei der ein erster Anschlussdraht 416a eingesetzt wird, der eine kleinere Breite oder Dicke (z. B. Durchmesser) als ein zweiter Anschlussdraht 416b aufweist. Weiterhin umfassen in dieser besonderen Ausführungsform die eingebetteten Teile des ersten Anschlussdrahts 416a und des zweiten Anschlussdrahts 416b Kerben 440a bzw. 440b. Die Breite oder Dicke des größeren, zweiten Anschlussdrahts 416b kann im Bereich von etwa 250 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 300 Mikrometer bis etwa 800 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 450 Mikrometer bis etwa 550 Mikrometer liegen. Ebenso kann die Breite oder Dicke des kleineren, ersten Anschlussdrahts 416a zum Beispiel im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Mikrometer bis etwa 225 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 120 Mikrometer bis etwa 220 Mikrometer liegen. 10 ist eine Vorderansicht von 9 und zeigt den Unterschied in der Größe/Breite zwischen dem ersten Anschlussdraht 416a und dem zweiten Anschlussdraht 416b.
Während bei den in 6–9 gezeigten Ausführungsformen jeder der Drähte dieselbe Länge aufweist, ist dies aber keineswegs erforderlich. 11 zeigt zum Beispiel eine besondere Ausführungsform einer Anschlussbaugruppe 516 für einen porösen Anodenkörper 533, bei dem ein erster Anschlussdraht 516a eingesetzt wird, der länger ist als ein dickerer zweiter Draht 516b. Weiterhin umfasst in der in 11 offenbarten Ausführungsform der erste Anschlussdraht 516a wenigstens eine Kerbe 540, die sich an einem eingebetteten Teil des Drahts befindet, um die elektrische Verbindung zwischen dem Anodenkörper 533 und der Anschlussbaugruppe 516 zu verbessern. Während auf dem zweiten Anschlussdraht 516b keine Kerben gezeigt sind, kann auch auf einem eingebetteten Teil des zweiten Anschlussdrahts 516b wenigstens eine Kerbe ausgebildet sein. Außerdem ist der zweite Anschlussdraht 516b zwar dicker oder größer im Durchmesser als der zweite Anschlussdraht 516a, doch hat er auch eine kürzere Länge als der erste Anschlussdraht 516a, was dabei hilft, die Verwendung von überschüssigem Material für den dickeren zweiten Anschlussdraht 516b zu minimieren. Der zweite Anschlussdraht 516b kann eingesetzt werden, um die elektrische Verbindung zum Anoden-Endteil herzustellen, aber dennoch wird sich der längere, kleinere oder im Durchmesser dünnere erste Anschlussdraht 516a zu Nutze gemacht, um annehmbare Kontaktpunkte mit dem porösen Anodenkörper 533 zu erreichen. Die kürzere Länge des zweiten Anschlussdrahts 516b kann einfach dadurch erreicht werden, dass man einen der Drähte vor der Verwendung kürzt. Das Verhältnis der Länge des längeren ersten Anschlussdrahts 516a zur Breite des kürzeren zweiten Anschlussdrahts 516b kann in einigen Ausführungsformen im Bereich von etwa 1 bis etwa 10, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 bis etwa 8 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 5 liegen.
Wir beziehen uns jetzt auf die 12 und 13; eine Ausführungsform einer Anode des Standes der Technik vor und nach dem Sintern kann mit einer Ausführungsform der Anode der vorliegenden Offenbarung vor und nach dem Sintern verglichen werden. 12a zeigt eine Ausführungsform einer Version eines porösen Anodenkörpers 33 des Standes der Technik mit einem eingebetteten ersten Anschlussdraht 16a, der sich vor dem Sintern von zum Beispiel Tantalpulver über den porösen Anodenkörper 33 hinaus erstreckt, wobei es keine Lücken zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem eingebetteten ersten Anschlussdraht 16a gibt. Dann zeigt 12b den porösen Anodenkörper 33 und den ersten Anschlussdraht 16a nach dem Sintern von zum Beispiel Tantalpulver. Man beachte, wie der poröse Anodenkörper 33 sowohl diametral 60 als auch seitlich 70 von dem ersten Anschlussdraht 16a weggeschrumpft ist. Dies führt zu einem eingeschränkten Kontakt zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem ersten Anschlussdraht 16a, was den ESR erhöht und die elektrischen Fähigkeiten der Anode reduziert.
In Gegensatz zu 12 zeigt 13 eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung vor und nach dem Sintern. 13a zeigt eine Ausführungsform eines porösen Anodenkörpers 33 der vorliegenden Erfindung mit einem eingebetteten ersten Anschlussdraht 16a, der vor dem Sintern von zum Beispiel Tantalpulver wenigstens eine Kerbe 40 auf einem eingebetteten Teil des Drahtes umfasst, wobei es keine Lücken zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem eingebetteten ersten Anschlussdraht 16a mit der Kerbe 40 gibt. 13b zeigt den porösen Anodenkörper 33 und den ersten Anschlussdraht 16a nach dem Sintern von zum Beispiel Tantalpulver. Wie gezeigt, ist der poröse Anodenkörper 33 diametral 61 und seitlich 71 von dem ersten Anschlussdraht 16a weggeschrumpft, aber durch die eingekerbte Geometrie des eingebetteten Teils des Anschlussdrahts 16a ist eine ungleichmäßige Breite des porösen Anodenkörpers 33 entstanden. Wenn die Schrumpfung beginnt, wird der poröse Anodenkörper 33 durch die größere Breite des Anodenkörpers 33 an der Kerbe 40 eingeengt, und es wird verhindert, dass er vollständig vom Anschlussdraht 16a wegschrumpft. Dadurch entstehen Kontaktpunkte 20 zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem ersten Anschlussdraht 16a auf der Grundlage von Druckkräften. Die resultierenden Kontaktpunkte senken wiederum den ESR und erhöhen die elektrischen Fähigkeiten der Anode.
Während 13 nur einen einzigen Anschlussdraht mit einem eingebetteten Teil zeigt, der eine einzige ellipsenförmige Kerbe aufweist, wobei der erste Anschlussdraht 16a auf beiden Seiten verändert wurde, ist dies nicht die einzige mögliche Konfiguration. Eine beliebig geformte Kerbe kann gebildet werden, wobei eine Seite oder beide Seiten des Anschlussdrahts 16a geometrisch verändert sind. Außerdem kann auch mehr als eine Kerbe entlang des eingebetteten Teils des Anschlussdrahts 16a vorhanden sein. Außerdem kann auch wenigstens ein zweiter Anschlussdraht eingesetzt werden, der wenigstens eine Kerbe aufweisen kann, die sich auf einem eingebetteten Teil des Drahtes befindet, oder er kann in herkömmlicher Weise glatt sein. Unabhängig von der Zahl der Anschlussdrähte oder der Zahl der Kerben entlang den eingebetteten Teilen jedes Anschlussdrahts gilt: Solange es wenigstens eine Kerbe an einem Anschlussdraht gibt, wobei eine Seite des Anschlussdrahts unter Bildung der Kerbe vertieft ist, können die Kontaktpunkte zwischen dem Anodenkörper 33 und dem oder den Anschlussdrähten vermehrt sein.
Wie bereits erwähnt, können die hier offenbarten Anschlussdrähte, wie der Anschlussdraht 16a in den 1–4, jede beliebige Querschnittsform besitzen, wie kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig usw. Außerdem kann die Größe des Anschlussdrahts im Allgemeinen je nach der Gesamtgröße des Anodenkörpers variieren. In den meisten Ausführungsformen variiert das Verhältnis der Länge des oder der Drähte in Längsrichtung zur Breite (oder Dicke) des oder der Drähte (”Aspektverhältnis”) in einigen Ausführungsformen von etwa 2 bis etwa 150, in einigen Ausführungsformen von etwa 5 bis etwa 100 und in einigen Ausführungsformen von etwa 15 bis etwa 90. Zum Beispiel können die Drähte eine Breite oder Dicke von etwa 20 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen von etwa 50 bis etwa 800 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen von etwa 100 bis etwa 600 Mikrometer aufweisen. Wenn mehr als ein Anschlussdraht verwendet wird, wie in den 6–11, kann die gesamte Anschlussbaugruppe eine Breite oder Dicke von etwa 50 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen von etwa 100 Mikrometer bis etwa 1500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen von etwa 200 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer aufweisen.
Außerdem wird der poröse Anodenkörper 33 typischerweise aus einer Ventilmetallzusammensetzung mit einer hohen spezifischen Ladung gebildet, wie etwa 5000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 20 000 μF·V/g oder mehr. Wie erwähnt, kann die Anschlussbaugruppe der vorliegenden Erfindung besonders gut für Pulver mit ”hoher spezifischer Ladung” geeignet sein, die häufig und in größerem Ausmaß als Pulver mit geringerer spezifischer Ladung während des Sinterns schrumpfen und sich von den Anschlussdrähten wegziehen. Solche Pulver haben typischerweise eine spezifische Ladung von etwa 20 000 bis etwa 600 000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 25 000 bis etwa 500 000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 30 000 bis etwa 400 000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 35 000 bis etwa 350 000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 40 000 bis etwa 300 000 μF·V/g. Die Ventilmetallzusammensetzung enthält ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine Verbindung, die auf einem Ventilmetall beruht, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. Zum Beispiel kann die Ventilmetallzusammensetzung ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob enthalten, wie ein Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Niob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. Bei dem Nioboxid kann es sich zum Beispiel um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung NbO_1,0, ein leitfähiges Nioboxid, das auch nach dem Sintern bei hohen Temperaturen chemisch stabil bleiben kann. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind in den US-Patenten Nr. 6,322,912 (Fife), 6,391,275 (Fife et al.), 6,416,730 (Fife et al.), 6,527,937 (Fife), 6,576,099 (Kimmel et al.), 6,592,740 (Fife et al.) und 6,639,787 (Kimmel et al.) und 7,220,397 (Kimmel et al.) sowie in den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.) und 2005/0013765 (Thomas et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Zur Bildung der Anode wird im Allgemeinen ein Pulver der Ventilmetallzusammensetzung eingesetzt. Das Pulver kann Teilchen mit einer Vielzahl von Formen enthalten, wie sphärolithisch, winklig, flockenförmig usw. sowie Gemische davon. Besonders gut geeignete Pulver sind Tantalpulver, die von der Cabot Corp. (z. B. flockiges Pulver C255, flockiges/sphärolithisches Pulver TU4D usw.) und H. C. Starck (z. B. sphärolithisches Pulver NH175) erhältlich sind. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Pulver unter Verwendung einer beliebigen, in der Technik bekannten Methode, wie durch Wärmebehandlung, agglomeriert werden. Bevor das Pulver in die Form einer Anode gebracht wird, kann es auch gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie unter Bildung des Anodenkörpers verpresst werden. Dann kann das resultierende Pulver mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pulverpressvorrichtung unter Bildung eines Presslings kompaktiert werden. Zum Beispiel kann eine Pressform eingesetzt werden, bei der es sich um eine Einplatz-Kompaktierpresse handelt, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren.
Unabhängig von seiner besonderen Zusammensetzung wird das Pulver so um die Anodenanschlussbaugruppe (16) der vorliegenden Erfindung herum kompaktiert, dass sich wenigstens ein Teil der Baugruppe von dem kompaktierten Körper (33) weg erstreckt. In einer besonderen Ausführungsform kann eine Pressform eingesetzt werden, die eine Matrize mit zwei oder mehr Teilen (z. B. Ober- und Unterteil) umfasst. Während der Verwendung können die Teile der Matrize nebeneinander platziert werden, so dass ihre Wände im Wesentlichen unter Bildung einer Hohlform mit der gewünschten Form der Anode ausgerichtet sind. Vor, während und/oder nach der Beladung der Hohlform mit einer bestimmten Pulvermenge kann der Anodendraht (16a) darin eingebettet werden. Die Matrize kann einen einzigen oder mehrere Schlitze definieren, in die die Drähte eingesetzt werden können. Da man die Drähte gemäß der obigen Beschreibung miteinander verbinden möchte, werden sie im Allgemeinen in großer Nähe zueinander platziert, obwohl sie vor dem Sintern nicht notwendigerweise in direktem physischen Kontakt miteinander zu sein brauchen. Nach dem Befüllen der Matrize mit Pulver und Einbetten der Anodendrähte in demselben kann die Hohlform dann geschlossen und Druckkräften durch einen Stempel ausgesetzt werden. Typischerweise werden die Druckkräfte in einer Richtung ausgeübt, die entweder im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse ”L” der Drähte verläuft. Dies zwingt die Teilchen in engen Kontakt mit den Drähten und schafft eine starke Bindung zwischen Drähten und Pulver.
Nach dem Pressen kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel entfernt werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 500°C) erhitzt. Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch entfernt werden, indem man den Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt bringt, wie es im US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Danach wird der poröse Anodenkörper (33) unter Bildung einer porösen integralen Masse gesintert. Insbesondere wird der Pressling typischerweise bei einer Temperatur von etwa 1200°C bis etwa 2000°C, in einigen Ausführungsformen von etwa 1300°C bis etwa 1900°C und in einigen Ausführungsformen von etwa 1500°C bis etwa 1800°C während einer Zeit von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 30 Minuten bis etwa 60 Minuten gesintert. Falls gewünscht, kann das Sintern in einer Atmosphäre erfolgen, die die Übertragung von Sauerstoffatomen auf die Anode einschränkt. Zum Beispiel kann das Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., erfolgen. Die reduzierende Atmosphäre kann unter einem Druck von etwa 10 Torr bis etwa 2000 Torr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 1000 Torr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Torr bis etwa 930 Torr stehen. Gemische aus Wasserstoff und anderen Gasen (z. B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden.
Sobald er gebaut wurde, kann ein Dielektrikum durch anodisches Oxidieren (”Anodisieren”) des gesinterten Anodenkörpers gebildet werden, so dass eine dielektrische Schicht über und/oder innerhalb der Poren des Körpers entsteht. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst eine Lösung auf die Anode aufträgt, etwa indem man die Anode in den Elektrolyten eintaucht. Im allgemeinen wird ein Lösungsmittel eingesetzt, wie Wasser (z. B. entionisiertes Wasser). Um die Ionenleitfähigkeit zu verstärken, kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Beispiele für solche Verbindungen sind zum Beispiel Säuren, wie sie im Folgenden in Bezug auf den Elektrolyten beschrieben sind. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure) etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% der Anodisierungslösung ausmachen. Falls gewünscht, können auch Gemische von Säuren eingesetzt werden.
Ein Strom wird durch die Anodisierungslösung geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Formierungsspannung entspricht der Dicke der dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums über der gesamten Oberfläche der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung, bei der die anodische Oxidation erfolgt, liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 Volt bis etwa 250 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 9 Volt bis etwa 200 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 20 Volt bis etwa 150 Volt. Während der Oxidation kann die Anodisierungslösung auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, wie etwa 30°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40°C bis etwa 200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 50°C bis etwa 100°C. Die anodische Oxidation kann auch bei Umgebungstemperatur oder darunter erfolgen. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
Das Kondensatorelement enthält auch einen festen Elektrolyten, der als Kathode für den Kondensator fungiert. Ein fester Elektrolyt in Form von Mangandioxid kann zum Beispiel durch pyrolytische Zersetzung von Mangannitrat (Mn(NO₃)₂)) gebildet werden. Solche Techniken sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,945,452 (Sturmer et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Alternativ dazu kann der feste Elektrolyt auch aus einer oder mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Die in solchen Schichten eingesetzten leitfähigen Polymere sind typischerweise π-konjugiert und weisen nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit auf, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS·cm^–1 nach der Oxidation. Beispiele für solche π-konjugierten leitfähigen Polymere sind zum Beispiel Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw.), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw. Besonders gut geeignete leitfähige Polymere sind substituierte Polythiophene mit der folgenden allgemeinen Struktur:
wobei
T = O oder S ist;
D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest (z. B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest (z. B. Methyl, Ethyl, n-Propyl oder Isopropyl, n-, iso-, sek- oder tert-Butyl, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n-Hexadecyl, n-Octadecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C6- bis C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z. B. Benzyl, o-, m-, p-Tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6, 3,4-, 3,5-Xylyl, Mesityl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest; und
q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 ist; und
n = 2 bis 5000, in einigen Ausführungsformen 4 bis 2000 und in einigen Ausführungsformen 5 bis 1000 ist. Beispiele für Substituenten für die Reste ”D” oder ”R₇” sind zum Beispiel Alkyl, Cycloalkyl, Aryl, Aralkyl, Alkoxy, Halogen, Ether, Thioether, Disulfid, Sulfoxid, Sulfon, Sulfonat, Amino, Aldehyd, Keto, Carbonsäureester, Carbonsäure, Carbonat, Carboxylat, Cyano, Alkylsilan- und Alkoxysilangruppen, Carboxylamidgruppen usw.
Besonders gut geeignete Thiophenpolymere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel kann das Polymer gegebenenfalls substituiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) sein, das die folgende allgemeine Struktur hat:
Verfahren zur Bildung von leitfähigen Polymeren wie den oben beschriebenen sind in der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,987,663 (Merker et al.), auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird, verschiedene Techniken zur Bildung von substituierten Polythiophenen aus einem monomeren Vorläufer. Der monomere Vorläufer kann zum Beispiel die folgende Struktur haben:
wobei
T, D, R7 und q wie oben definiert sind. Besonders gut geeignete Thiophenmonomere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel können gegebenenfalls substituierte 3,4-Alkylendioxythiophene eingesetzt werden, die die folgende allgemeine Struktur haben:
wobei R₇ und q wie oben definiert sind. In einer besonderen Ausführungsform ist ”q” = 0. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich. Weitere geeignete Monomere sind auch im US-Patent Nr. 5,111,327 (Blohm et al.) und 6,635,729 (Groenendahl et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Derivate dieser Monomere, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind, können ebenfalls eingesetzt werden. Höhermolekulare Derivate, d. h. Tetramere, Pentamere usw., der Monomere sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und können in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Thiophenmonomere werden in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert. Der oxidative Katalysator umfasst typischerweise ein Übergangsmetallkation, wie Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)-, Ruthenium(III)-Kation usw. Es kann auch ein Dotierungsmittel eingesetzt werden, um dem leitfähigen Polymer überschüssige Ladung zu verleihen und die Leitfähigkeit des Polymers zu stabilisieren. Das Dotierungsmittel umfasst typischerweise ein anorganisches oder organisches Anion, wie ein Ion einer Sulfonsäure. In bestimmten Ausführungsformen weist der in der Vorläuferlösung eingesetzte oxidative Katalysator insofern sowohl eine katalytische als auch eine dotierende Funktionalität auf, als er ein Kation (z. B. Übergangsmetall) und ein Anion (z. B. Sulfonsäure) enthält. Der oxidative Katalysator kann zum Beispiel ein Übergangsmetallsalz sein, das Eisen(III)-Kationen enthält, wie Eisen(III)-Halogenide (z. B. FeCl₃) oder Eisen(III)-Salze anderer anorganischer Säuren, wie Fe(ClO₄)₃ oder Fe₂(SO₄)₃, und die Eisen(III)-Salze organischer Säuren und anorganischer Säuren, die organische Reste umfassen. Beispiele für Eisen(III)-Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremonoestern von C₁- bis C₂₀-Alkanolen (z. B. das Eisen(III)-Salz von Laurylsulfat). Ebenso sind Beispiele für Eisen(III)-Salze von organischen Säuren zum Beispiel Eisen(III)-Salze von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Methan-, Ethan-, Propan-, Butan- oder Dodecansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); Eisen(III)-Salze von aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Eisen(III)-Salze von Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Camphersulfonsäure); usw. Gemische dieser oben genannten Eisen(III)-Salze können ebenfalls verwendet werden. Eisen(III)-p-toluolsulfonat, Eisen(III)-o-toluolsulfonat und Gemische davon sind besonders gut geeignet. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für Eisen(III)-p-toluolsulfonat ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM C erhältlich.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um eine leitfähige Polymerschicht zu bilden. In einer Ausführungsform werden der oxidative Katalysator und das Monomer entweder nacheinander oder zusammen aufgetragen, so dass die Polymerisationsreaktion in situ auf dem Teil stattfindet. Zu den geeigneten Auftragstechniken gehören Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung; sie können verwendet werden, um eine leitfähige Polymerbeschichtung zu bilden. Als Beispiel kann das Monomer zunächst unter Bildung einer Vorläuferlösung mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden. Sobald das Gemisch gebildet ist, kann es aufgetragen und polymerisieren gelassen werden, so dass die leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche entsteht. Alternativ dazu können der oxidative Katalysator und das Monomer auch nacheinander aufgetragen werden. In einer Ausführungsform wird der oxidative Katalysator zum Beispiel in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst und dann als Tauchlösung aufgetragen. Das Teil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen. Danach kann das Teil in eine Lösung, die das Monomer enthält, eingetaucht werden.
Die Polymerisation wird typischerweise je nach dem verwendeten Oxidationsmittel und der gewünschten Reaktionszeit bei Temperaturen von etwa –10°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 200°C durchgeführt. Geeignete Polymerisationstechniken, wie sie oben beschrieben sind, sind ausführlicher im US-Patent Nr. 7,515,396 (Biler) beschrieben. Noch andere Verfahren zum Auftragen einer oder mehrerer solcher leitfähigen Polymerbeschichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5,457,862 (Sakata et al.), 5,473,503 (Sakata et al.), 5,729,428 (Sakata et al.) und 5,812,367 (Kudoh et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Neben der in-situ-Auftragung kann eine leitfähige Polymerschicht auch in Form einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen aufgetragen werden. Obwohl ihre Größe variieren kann, ist es typischerweise wünschenswert, dass die Teilchen einen kleinen Durchmesser besitzen, um die zum Befestigen des Anodenteils verfügbare Oberfläche zu vergrößern. Zum Beispiel können die Teilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 300 Nanometer haben. Der D₉₀-Wert der Teilchen (Teilchen mit einem Durchmesser kleiner oder gleich dem D₉₀-Wert bilden 90% des Gesamtvolumens aller festen Teilchen) kann etwa 15 Mikrometer oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Mikrometer oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Nanometer bis etwa 8 Mikrometer betragen. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden.
Die Verarbeitung des leitfähigen Polymers in eine Teilchenform kann verstärkt werden, indem man ein getrenntes Gegenion verwendet, das der positiven Ladung, die das substituierte Polythiophen trägt, entgegenwirken soll. In einigen Fällen kann das Polymer positive und negative Ladungen in der Struktureinheit besitzen, wobei sich die positive Ladung auf der Hauptkette und die negative Ladung gegebenenfalls auf den Substituenten des Restes ”R”, wie Sulfonat- oder Carboxylatgruppen, befindet. Die positiven Ladungen der Hauptkette können teilweise oder zur Gänze mit den gegebenenfalls vorhandenen anionischen Gruppen an den Resten ”R” gesättigt sein. Insgesamt gesehen können die Polythiophene in diesen Fällen kationisch, neutral oder sogar anionisch sein. Dennoch werden sie alle als kationische Polythiophene angesehen, da die Polythiophen-Hauptkette eine positive Ladung trägt.
Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein. Polymere Anionen können zum Beispiel Anionen von polymeren Carbonsäuren (z. B. Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäuren usw.), polymeren Sulfonsäuren (z. B. Polystyrolsulfonsäuren (”PSS”), Polyvinylsulfonsäuren usw.) usw. sein. Die Säuren können auch Copolymere, wie Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäure mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Ebenso sind geeignete monomere Anionen zum Beispiel Anionen von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Kamphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluorophosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexachloroantimonate); usw. Besonders gut geeignete Gegenionen sind polymere Anionen, wie eine polymere Carbon- oder Sulfonsäure (z. B. Polystyrolsulfonsäure (”PSS”)). Das Molekulargewicht solcher polymeren Anionen liegt typischerweise im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2 000 000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500 000.
Wenn sie eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis solcher Gegenionen zu substituierten Polythiophenen in einer gegebenen Schicht typischerweise etwa 0,5:1 bis etwa 50:1, in einigen Ausführungsformen etwa 1:1 bis etwa 30:1 und in einigen Ausführungsformen etwa 2:1 bis etwa 20:1. Das Gewicht der substituierten Polythiophene, von dem bei den oben genannten Gewichtsverhältnissen die Rede ist, bezieht sich auf den eingewogenen Anteil der verwendeten Monomere, wenn man annimmt, dass während der Polymerisation eine vollständige Umsetzung stattfindet.
Die Dispersion kann auch ein oder mehrere Bindemittel enthalten, um die adhäsive Natur der polymeren Schicht weiter zu verstärken und auch die Stabilität der Teilchen innerhalb der Dispersion zu erhöhen. Die Bindemittel können organischer Natur sein, wie Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylchloride, Polyvinylacetate, Polyvinylbutyrate, Polyacrylsäureester, Polyacrylsäureamide, Polymethacrylsäureester, Polymethacrylsäureamide, Polyacrylnitrile, Styrol/Acrylsäureester, Vinylacetat/Acrylsäureester und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Polybutadiene, Polyisoprene, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Polysulfone, Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxyharze, Silikonharze oder Cellulosen. Es können auch Vernetzungsmittel eingesetzt werden, um die Adhäsionsfähigkeit der Bindemittel zu erhöhen. Solche Vernetzungsmittel sind zum Beispiel Melaminverbindungen, maskierte Isocyanate oder funktionelle Silane, wie 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, Tetraethoxysilan und Tetraethoxysilan-Hydrolysat oder vernetzbare Polymere, wie Polyurethane, Polyacrylate oder Polyolefine, und anschließende Vernetzung. Es können auch noch andere Bestandteile in der Dispersion vorhanden sein, wie in der Technik bekannt ist, wie Dispersionsmittel (z. B. Wasser), Tenside usw.
Wenn gewünscht, können ein oder mehrere der oben beschriebenen Auftragungsschritte wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der Beschichtung erreicht ist. In einigen Ausführungsformen wird jedes Mal nur eine relativ dünne Schicht der Beschichtung gebildet. Die gewünschte Gesamtdicke der Beschichtung kann im Allgemeinen je nach den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Typischerweise hat die resultierende leitfähige Polymerbeschichtung eine Dicke von etwa 0,2 Mikrometer (”μm”) bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 μm bis etwa 20 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 μm bis etwa 5 μm. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Dicke der Beschichtung nicht notwendigerweise an allen Stellen des Anodenteils dieselbe ist. Dennoch fällt die mittlere Dicke der Beschichtung auf dem Substrat im Allgemeinen in die oben genannten Bereiche.
Die leitfähige Polymerschicht kann gegebenenfalls geflickt werden. Das Flicken kann nach jeder Auftragung einer leitfähigen Polymerschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten Beschichtung erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Polymer geflickt werden, indem man das Teil in eine Elektrolytlösung eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung anlegt, bis die Stromstärke auf ein vorgewähltes Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann dieses Flicken auch in mehreren Schritten bewerkstelligt werden. Zum Beispiel kann eine Elektrolytlösung eine verdünnte Lösung des Monomers, des Katalysators und des Dotierungsmittels in einem Alkohollösungsmittel (z. B. Ethanol) sein. Die Beschichtung kann gegebenenfalls auch gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssige Reagentien usw. zu entfernen.
Falls gewünscht, kann der Kondensator auch andere Schichten enthalten, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten gegebenenfalls eine Schutzbeschichtung gebildet werden, wie etwa aus einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich oder synthetisch). Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10 Ω·cm haben, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 100, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1000 Ω·cm, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10⁵ Ω·cm und in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10¹⁰ Ω·cm. Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z. B. Glyceride) usw. Zu den geeigneten Estern von Fettsäuren gehören zum Beispiel unter anderem Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Eleostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Schellolsäure usw. Diese Ester von Fettsäuren haben sich als besonders nützlich erwiesen, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen unter Bildung eines ”trocknenden Öls” verwendet werden, das es dem resultierenden Film ermöglicht, schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Zu diesen trocknenden Ölen gehören etwa Mono-, Di- und/oder Triglyceride, die ein Glyceringerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten, die verestert sind, aufweisen. Einige geeignete trocknende Öle, die verwendet werden können, sind zum Beispiel unter anderem Olivenöl, Leinöl, Ricinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Es kann auch eine Kohlenstoffschicht (z. B. Graphit) bzw. eine Silberschicht auf das Anodenteil aufgetragen werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungskollektor für den Kondensator wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten einschränken. Solche Beschichtungen können einen Teil oder den gesamten festen Elektrolyten bedecken.
Die Dicke des resultierenden Kondensatorelements kann wie gewünscht variieren, beträgt jedoch typischerweise etwa 4 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 2 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 1 Millimeter.
Unabhängig von der besonderen Weise, in der der Kondensator gebildet wird, kann er mit Endteilen verbunden werden, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Zum Beispiel können das Anoden- und das Kathoden-Endteil elektrisch mit dem oder den Anodendrähten bzw. der Kathode verbunden werden. Die spezielle Konfiguration der Endteile kann variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. In einer Ausführungsform kann das Kathoden-Endteil zum Beispiel einen planaren Teil in elektrischem Kontakt mit einer unteren Fläche des Kondensatorelements und einen hochragenden Teil, der im Wesentlichen senkrecht zu dem planaren Teil und in elektrischem Kontakt mit einer hinteren Fläche des Kondensators positioniert ist, enthalten. Um das Kondensatorelement an dem Kathoden-Endteil zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber eingesetzt werden, wie in der Technik bekannt ist. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen umfassen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z. B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z. B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Das Anoden-Endteil kann ebenfalls einen planaren Teil und einen hochragenden Teil enthalten. Der hochragende Teil kann einen Bereich enthalten, der die Anodenanschlussbaugruppe der vorliegenden Erfindung trägt. Zum Beispiel kann der Bereich einen einzigen Schlitz zur Aufnahme sowohl des ersten als auch des zweiten Anodendrahts besitzen. Alternativ dazu kann der Bereich auch getrennte Schlitze für jeden Draht besitzen. Der Schlitz kann jede gewünschte Form, wie eine U-Form, V-Form usw., aufweisen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität der Drähte weiter zu verstärken. Jede beliebige Technik kann verwendet werden, um den oder die Drähte mit dem Anoden-Endteil zu verbinden, wie Widerstandsschweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw. Sobald der Kondensator an den Endteilen befestigt ist, wird er in ein Harzgehäuse eingebettet, das dann mit Siliciumoxid oder irgendeinem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt werden kann. Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Die Gesamtdicke des Gehäuses ist jedoch typischerweise gering, so dass die resultierende Baugruppe leicht in Produkte mit geringem Profil (z. B. Chipkarten) eingebaut werden kann. Zum Beispiel kann die Dicke des Gehäuses im Bereich von etwa 4,0 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 2,5 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,15 bis etwa 2,0 Millimeter liegen. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”H” oder ”T” (AVX Corporation). Nach der Einbettung können die exponierten Teile des jeweiligen Anoden- und Kathoden-Endteils altern gelassen, überprüft und zurechtgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die exponierten Teile gegebenenfalls zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses (z. B. unter einem Winkel von ungefähr 90°) gebogen werden.
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann ein Kondensator gebildet werden, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel kann der Kondensator der vorliegenden Erfindung einen extrem niedrigen ESR, wie etwa 300 Milliohm (mΩ) oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 100 mΩ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 50 mΩ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 20 mΩ aufweisen, bestimmt bei einer Frequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23°C ± 2°C. Außerdem kann der Leckstrom, der sich im Allgemeinen auf den Strom bezieht, der von einem Leiter über einen Isolator zu einem benachbarten Leiter fließt, auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden. Zum Beispiel ist der Zahlenwert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,1 μA/μF·V, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,01 μA/μF·V und in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 0,001 μA/μF·V, wobei ”μA” Mikroampère bedeutet und ”μF·V” das Produkt aus der Kapazität und der Nennspannung ist.
Testverfahren
Drahtzugfestigkeit (”WPS”)
”WPS” bezieht sich allgemein auf die Effizienz der Drahteinfügung vor dem Sintern des porösen Anodenkörpers. Die WPS wird typischerweise über ein digitales Push-Pull-Messgerät (Jirka & spol. SH-20K) bei einer Temperatur von 23°C ± 2°C in N gemessen.
Äquivalenter Serienwiderstand (”ESR”)
”ESR” bezieht sich allgemein auf das Ausmaß, in dem der Kondensator wie ein Widerstand wirkt, wenn er in einer elektronischen Schaltung aufgeladen und entladen wird, und wird gewöhnlich als mit dem Kondensator in Reihe geschalteter Widerstand ausgedrückt. Der ESR wird typischerweise mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks bei einer Betriebsfrequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23°C ± 2°C gemessen.
Kapazität (”KAP”)
Die Kapazität wurde mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Beispiele 1–2
Ein Tantalpulver mit 35 000 μFV/g wurde zu Presslingen gepresst, wobei ein poröser Körper mit Abmessungen von 5,10 mm (Länge) mal 3,70 mm (Breite) mal 0,90 mm (Dicke) entstand. Das Tantalpulver wurde in den Trichter einer automatischen Tantalformmaschine gegeben und automatisch zusammen mit einem Tantal-Anodenanschlussdraht von 0,19 mm (Breite – Beispiel 1) und 0,50 mm (Breite – Beispiel 2), der durch eine zusätzliche Vorrichtung innerhalb der Formmaschine automatisch eingekerbt wurde, geformt, um einen porösen Körper herzustellen. Die Eindringtiefe des Drahts betrug 70% der Anodenlänge. Dieser geformte Körper wurde unter reduziertem Druck bei 1400°C stehen gelassen, wobei man einen gesinterten Körper erhielt.
Die Tantalanode wurde in einem flüssigen Elektrolyten in Form von 0,1% Phosphorsäure bei 18 V anodisiert, um Kondensatoren mit einer Kapazität von 150 μF bei 120 Hz herzustellen. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Tantalanode 5 Minuten lang in eine Butanollösung von Eisen(III)toluolsulfonat (Clevios^TM C, H. C. Starck) und anschließend 1 Minute lang in 3,4-Ethylendioxythiophen (Clevios^TM M, H. C. Starck) eintauchte. Nach 45 Minuten Polymerisation war eine dünne Schicht aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf der Oberfläche des Dielektrikums entstanden. Die Teile wurden in Methanol gewaschen, um Nebenprodukte der Reaktion zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und wiederum in Methanol gewaschen. Der Polymerisationszyklus wurde zehnmal wiederholt. Die fertigen Teile wurden durch herkömmliche Montagetechnik komplettiert und gemessen. Ein Leiterrahmen auf Kupferbasis wurde zur Beendigung des Montageverfahrens verwendet. Sobald das Kondensatorelement befestigt war, wurde der Leiterrahmen mit Epoxid-Einbettungsharz eingeschlossen.
Vergleichsbeispiele 1–2
Kondensatoren wurden in der in den Beispielen 1–2 beschriebenen Weise gebildet, außer dass es keinen Schritt des Einkerbens des Anodenanschlussdrahts gab. Im Fall der Vergleichsbeispiele 1–2 wurde das Tantalpulver zusammen mit einem Tantal-Anodenanschlussdraht von 0,19 mm (Breite – Beispiel 1) und 0,50 mm (Breite – Beispiel 2) geformt. Viele Teile (1500) wurden auf diese Weise hergestellt und dann auf ihre elektrischen Eigenschaften (d. h. WPS, ESR und Kapazität) getestet.
Tabelle 1 fasst die Medianwerte des WPS von geformten Körpern und die Medianwerte der Kapazität und des ESR für die in den Beispielen 1–2 beschriebenen fertigen Kondensatoren im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1–2 zusammen. Tabelle 1

WPS [N] KAP [μF] ESR [mΩ]

Beispiel 1 9,5 187 13,2

Vergleichsbeispiel 1 3,7 184 14,1

Beispiel 2 23,6 182 7,7

Vergleichsbeispiel 2 13,4 181 8,5
Beispiele 3–4
Ein Tantalpulver mit 75 000 μFV/g wurde zu Presslingen gepresst, wobei ein (Längporöser Körper mit Abmessungen von 1,80 mm e) mal 2,40 mm (Breite) ickmal 1,20 mm (De) entstand. Das Tantalpulver wurde in den Trichter einer aschinautomatischen Tantalformme gegeben und automatisch zusammen mit einem Tantal-Anodenanschlussdraht von 0,17 mm (Breite – Beispiel 3) und 0,50 mm (Breite – Beispiel 4), der durch eine zusätzliche Vorrichtung innerhalb der Formmaschine automatisch eingekerbt wurde, geformt, um einen porösen Körper herzustellen. Die Eindringtiefe des Drahts betrug 75% der Anodenlänge. Dieser geformte Körper wurde unter reduziertem Druck bei 1300°C stehen gelassen, wobei man einen gesinterten Körper erhielt.
Die Tantalanode wurde in einem flüssigen Elektrolyten in Form von 0,1% Phosphorsäure bei 15 V anodisiert, um Kondensatoren mit einer Kapazität von 150 μF bei 120 Hz herzustellen. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Tantalanode 5 Minuten lang in eine Butanollösung von Eisen(III)toluolsulfonat (Clevios^TM C, H. C. Starck) und anschließend 1 Minute lang in 3,4-Ethylendioxythiophen (Clevios^TM M, H. C. Starck) eintauchte. Nach 45 Minuten Polymerisation war eine dünne Schicht aus Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf der Oberfläche des Dielektrikums entstanden. Die Teile wurden in Methanol gewaschen, um Nebenprodukte der Reaktion zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und wiederum in Methanol gewaschen. Der Polymerisationszyklus wurde zehnmal wiederholt. Die fertigen Teile wurden durch herkömmliche Montagetechnik komplettiert und gemessen.
Ein Leiterrahmen auf Kupferbasis wurde zur Beendigung des Montageverfahrens verwendet. Sobald das Kondensatorelement befestigt war, wurde der Leiterrahmen mit Epoxid-Einbettungsharz eingeschlossen.
Vergleichsbeispiele 3–4
Kondensatoren wurden in der in den Beispielen 3–4 beschriebenen Weise gebildet, außer dass es keinen Schritt des Einkerbens des Anodenanschlussdrahts gab. Im Fall der Vergleichsbeispiele 3–4 wurde das Tantalpulver zusammen mit einem Tantal-Anodenanschlussdraht von 0,19 mm (Breite – Beispiel 1) und 0,50 mm (Breite – Beispiel 2) geformt. Viele Teile (1500) wurden auf diese Weise hergestellt und dann auf ihre elektrischen Eigenschaften (d. h. WPS, ESR und Kapazität) getestet.
Tabelle 2 fasst die Medianwerte des WPS von geformten Körpern und die Medianwerte der Kapazität und des ESR für die in den Beispielen 3–4 beschriebenen fertigen Kondensatoren im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 3–4 zusammen. Tabelle 2

WPS [N] KAP [μF] ESR [mΩ]

Beispiel 3 4,9 123 34,8

Vergleichsbeispiel 3 0,7 122 38,3

Beispiel 4 9,2 119 25,9

Vergleichsbeispiel 4 1,8 118 27,1
Wie in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigt ist, verbessert (d. h. senkt) die Verwendung eines eingekerbten Anodenanschlussdrahts den ESR-Wert eines Kondensators gegenüber einem Vergleichsbeispiel, bei dem kein eingekerbter Draht verwendet wurde. Außerdem ist die Verwendung eines eingekerbten Drahts auch mit einem höheren WPS verbunden.
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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US 5729428 [0055]
US 5812367 [0055]
US 6674635 [0063]

Claims

Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, wobei das Kondensatorelement Folgendes umfasst: einen gesinterten porösen Anodenkörper, wobei eine Anschlussbaugruppe im Anodenkörper eingebettet ist, wobei die Anschlussbaugruppe einen ersten Anschlussdraht umfasst, wobei der erste Anschlussdraht wenigstens eine Kerbe aufweist, wobei sich die Kerbe an einem eingebetteten Teil des ersten Anschlussdrahts befindet, wobei sich der erste Anschlussdraht von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt; und eine Kathode, die die dielektrische Schicht bedeckt und einen festen Elektrolyten umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Kerbe rechteckig, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, U-förmig oder V-förmig ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Kerbe durch Crimpen des ersten Anschlussdrahts gebildet ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der erste Anschlussdraht ein Aspektverhältnis von Länge zu Breite von etwa 2 bis etwa 150 aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des ersten Anschlussdrahts etwa 20 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Länge des ersten Anschlussdrahts etwa das 1,5-fache bis etwa das 30-fache der Länge der Kerbe beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des ersten Anschlussdrahts etwa das 1,05-fache bis etwa das 7-fache der Breite der Kerbe beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Anschlussbaugruppe weiterhin einen zweiten Anschlussdraht umfasst, der sich von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 8, wobei der zweite Anschlussdraht wenigstens eine Kerbe aufweist, wobei sich die Kerbe an einem eingebetteten Teil des zweiten Anschlussdrahts befindet.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 8, wobei die Breite des zweiten Anschlussdrahts größer ist als die Breite des ersten Anschlussdrahts.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 20 000 μF·V/g bis etwa 600 000 μF·V/g gebildet ist, wobei das Pulver ein Ventilmetall, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, ein elektrisch leitfähiges Oxid davon oder ein elektrisch leitfähiges Nitrid davon umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin ein Anoden-Endteil, das elektrisch mit der Anschlussbaugruppe verbunden ist, ein Kathoden-Endteil, das elektrisch mit der Kathode verbunden ist, und ein Formmaterial, das das Kondensatorelement einbettet und wenigstens einen Teil des Anoden-Endteils und wenigstens einen Teil des Kathoden-Endteils exponiert lässt, umfasst.
Verfahren zur Bildung eines gesinterten porösen Anodenkörpers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bilden wenigstens einer Kerbe an einem Teil eines ersten Anschlussdrahts einer Anoden-Anschlussbaugruppe; das Einbetten der Anoden-Anschlussbaugruppe in ein Pulver, das aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet ist, und zwar so, dass der Teil des Drahtes, wo die wenigstens eine Kerbe gebildet wird, in dem Pulver eingebettet wird; das Kompaktieren des Pulvers um die Anschlussbaugruppe herum; und das Sintern des kompaktierten Pulvers und der Anschlussbaugruppe unter Bildung des porösen Anodenkörpers.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Kerbe durch Crimpen des ersten Anschlussdrahts gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Kerbe rechteckig, kreisförmig, elliptisch, dreieckig, U-förmig oder V-förmig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Länge des ersten Anschlussdrahts etwa das 1,5-fache bis etwa das 30-fache der Länge der Kerbe beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Breite des ersten Anschlussdrahts etwa das 1,05-fache bis etwa das 7-fache der Breite der Kerbe beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Anoden-Anschlussbaugruppe einen zweiten Anschlussdraht umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der zweite Anschlussdraht wenigstens eine Kerbe aufweist, wobei sich die Kerbe an einem eingebetteten Teil des zweiten Anschlussdrahts befindet.
Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensatorelements, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das anodische Oxidieren des gesinterten porösen Anodenkörpers gemäß Anspruch 13 unter Bildung einer dielektrischen Schicht; und das Auftragen eines festen Elektrolyten auf den anodisch oxidierten gesinterten Anodenkörper.