DE102014214966A1

DE102014214966A1 - Anschlussbaugruppe mit dünnem Draht/dickem Draht für Elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE102014214966A1
Application number: DE102014214966.5A
Authority: DE
Inventors: Lotfi Djebara; Stanislav Zednicek; Ivan Horacek; Jan Petrzilek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2015-02-26
Also published as: FR3009886A1; US20150055277A1; KR20150022713A; HK1203243A1; US20160172116A1; US9514891B2; CN104425132B; US9269499B2; CN104425132A; JP2015041779A

Abstract

Ein Kondensator, der ein Festelektrolytkondensatorelement enthält, das einen gesinterten porösen Anodenkörper, einen ersten Anodenanschluss und einen zweiten Anodenanschluss umfasst, wird bereitgestellt. Der erste Anodenanschluss weist eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke des zweiten Anodenanschlusses. Ein Teil des ersten Anodenanschlusses ist in den porösen Anodenkörper eingebettet, und ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses erstreckt sich ausgehend von einer Fläche desselben in Längsrichtung. Indessen ist der zweite Anodenanschluss zum Anschluss an ein Anoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden. In einer Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss direkt mit einer Fläche des Anodenkörpers verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss indirekt mit dem Anodenkörper verbunden sein, wie über eine Befestigung an einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses.

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 der volumetrische Kontakt zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss durch die geringe Größe der Tantalteilchen abnehmen kann. Tatsächlich kann es schwierig sein, viele Kontaktpunkte zwischen dem Anodenanschluss und den Pulverteilchen zu finden. Wenn die Kontaktfläche zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss abnimmt, gibt es eine entsprechende Zunahme des Widerstands an der Stelle, wo der Anodenanschluss und die Anode aufeinandertreffen. Dieser erhöhte äquivalente Serienwiderstand (ESR) führt zu einem Kondensator, der reduzierte elektrische Fähigkeiten aufweist. Andererseits nimmt mit zunehmendem Durchmesser eines Anodenanschlusses der innere Widerstand in dem Anodenanschluss selbst zu, und diese Erhöhung des inneren Widerstands kann jeder Verbesserung (Abnahme) des ESR, die das Ergebnis einer Erhöhung der Zahl der Kontaktpunkte zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss ist, entgegenwirken.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem verbesserten Festelektrolytkondensator, der eine Ausgeglichenheit zwischen dem Nutzen von vermehrten Kontaktpunkten zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss findet, ohne die negativen Wirkungen eines mit zunehmendem Durchmesser erhöhten Widerstands in dem Anschluss selbst, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Kondensators 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, einen ersten Anodenanschluss, einen zweiten Anodenanschluss, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht bedeckt und einen festen Elektrolyten umfasst. Ein erster Teil des ersten Anodenanschlusses ist im porösen Anodenkörper eingebettet, und ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses erstreckt sich von einer Fläche des porösen Anodenkörpers aus in Längsrichtung. Weiterhin befindet sich der zweite Anodenanschluss außerhalb des porösen Anodenkörpers.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, der einen gesinterten porösen Anodenkörper umfasst, offenbart. Das Verfahren umfasst das Positionieren eines ersten Teils eines ersten Anodenanschlusses innerhalb eines aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildeten Pulvers, so dass sich ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; das Kompaktieren des Pulvers um den ersten Teils des ersten Anodenanschlusses herum; das Sintern des kompaktierten Pulvers und des ersten Teils des ersten Anodenanschlusses unter Bildung des porösen Anodenkörpers; Positionieren eines zweiten Anodenanschlusses außerhalb des porösen Anodenkörpers; und Schweißen des zweiten Anodenanschlusses an ein Anoden-Endteil unter Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Anodenanschluss und dem Anoden-Endteil.
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 perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
2 eine Vorderansicht des Elektrolytkondensatorelements von 1;
3 eine Draufsicht auf das Elektrolytkondensatorelement von 1;
4 eine perspektivische Ansicht eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung, in den das Kondensatorelement der 1–3 eingebaut ist;
5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Elektrolytkondensatorelements der vorliegenden Erfindung;
6 eine Vorderansicht des Kondensatorelements von 5;
7 eine Draufsicht auf das Kondensatorelement von 5;
8 eine perspektivische Ansicht eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung, in den das Kondensatorelement der 5–7 eingebaut ist;
9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Elektrolytkondensatorelements der vorliegenden Erfindung;
10 eine Vorderansicht des Elektrolytkondensators von 9; und
11 eine Draufsicht auf den Elektrolytkondensator von 9.
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 Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, das einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht bedeckt und einen festen Elektrolyten umfasst, umfasst. Das Kondensatorelement umfasst auch eine Anodenanschluss-Baugruppe, die einen ersten Anodenanschluss und einen zweiten Anodenanschluss enthält.
In einer Ausführungsform kann der erste Anodenanschluss eine Dicke aufweisen, die größer sein kann als die Dicke des zweiten Anodenanschlusses, wie etwa wenn der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss beide aus Tantal bestehen. Zum Beispiel kann der erste Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer aufweisen, während der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 1800 Mikrometer aufweisen kann. Außerdem kann der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser aufweisen, die/der etwa 10% bis etwa 90% der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses beträgt. Indessen können in anderen Ausführungsformen der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss im Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen, oder der zweite Anodenanschluss kann eine Dicke aufweisen, die größer oder kleiner als die Dicke des ersten Anodenanschlusses ist, wie etwa wenn der erste Anodenanschluss aus Tantal besteht und der zweite Anodenanschluss aus einem Nichttantalmaterial (z. B. Edelstahl, Nickel oder einer Nickel-Eisen-Legierung) besteht. Die Dicke des Nichttantalmaterials hängt von dem besonderen gewählten Nichttantalmaterial und seinem Schmelzpunkt ab. Zum Beispiel können der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss jeweils eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer aufweisen; der erste Anodenanschluss kann eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer aufweisen, während der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2500 Mikrometer aufweisen kann; oder der erste Anodenanschluss kann eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer aufweisen, während der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 1800 Mikrometer aufweisen kann.
Unabhängig von den Durchmessern des ersten und des zweiten Anodenanschlussdrahts ist ein Teil des ersten Anodenanschlusses in den porösen Anodenkörper eingebettet, und ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses erstreckt sich ausgehend von einer Fläche desselben in Längsrichtung. Indessen ist der zweite Anodenanschluss zum Anschluss an ein Anoden-Endteil elektrisch mit dem Anodenkörper verbunden. In einer Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss direkt mit einer Fläche des Anodenkörpers verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss indirekt mit dem Anodenkörper verbunden sein, wie über eine Befestigung an einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses.
Die Erfinder haben Folgendes herausgefunden: Wenn der erste Anodenanschluss eine größere Dicke/einen größeren Durchmesser als der zweite Anodenanschluss aufweist, ist die Kontaktfläche zwischen dem eingebetteten Teil des ersten Anodenanschlusses und dem Anodenkörper erhöht, was den ESR durch Senkung des Widerstands an den Kontaktpunkten zwischen dem Anodenanschluss und dem Anodenkörper reduziert. Wenn die Dicke/der Durchmesser eines Anodenanschlusses jedoch zunimmt, nimmt der innere Widerstand des Anodenanschlusses ebenfalls zu. Um den Einfluss des erhöhten inneren Widerstands des ersten Anodenanschlusses, der aus der Erhöhung der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses resultiert, zu reduzieren, wird die Länge des äußeren (zweiten) Teils des ersten Anodenanschlusses minimiert, und ein zweiter Anodenanschluss unter Verwendung eines kleineren Durchmessers wird während der Verarbeitung als Trägerdraht und auch zum Anschluss an das Anoden-Endteil verwendet. Der zweite Teil des ersten Anodenanschlusses kann eine Länge von etwa 0 Mikrometer bis etwa 5000 Mikrometer aufweisen, während der zweite Anodenanschluss eine Länge von etwa 1 Mikrometer bis etwa 20 Millimeter aufweisen kann. Die Erfinder haben herausgefunden, dass mit einer solchen Konfiguration mit zwei Anodenanschlüssen der ESR des resultierenden Kondensators reduziert werden kann.
Weiterhin kann beim Verbinden des zweiten Anodenanschlusses mit dem Anoden-Endteil, wie wenn sich der zweite Anodenanschluss ausgehend von einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses erstreckt, während des Laserschweißens aufgrund der reduzierten Dicke/des reduzierten Durchmessers des zweiten Anodenanschlusses im Vergleich zum ersten Anodenanschluss weniger Energie verwendet werden. Weiterhin erleichtert die Verwendung eines zweiten Anodenanschlusses mit kleinerem Durchmesser die Verwendung des Laserschweißens, wenn ein erster Anodenanschluss mit größerem Durchmesser verwendet wird, wobei der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses so groß ist, dass ein erfolgreiches Laserschweißen des ersten Anodenanschlusses an einen Anoden-Endteil nicht möglich wäre. Außerdem kann die Leichtigkeit, mit der der zweite Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen mit dem Anoden-Endteil verbunden wird, ebenfalls verbessert werden. Wenn indessen leitfähige Kleber verwendet werden, um die Verbindung zum Anoden-Endteil herzustellen, kann aufgrund der kleineren Dicke/des kleineren Durchmessers des zweiten Anodenanschlusses im Vergleich zum ersten Anodenanschluss eine kleinere Menge Kleber verwendet werden. Außerdem können bei Verwendung eines zweiten Anodenanschlusses mit einer kleineren Dicke/einem kleineren Durchmesser als der erste Anodenanschluss auch andere Verarbeitungsschritte vereinfacht werden, da ein Anschluss mit einer kleineren Dicke/einem kleineren Durchmesser leichter zu handhaben ist als ein Anschluss mit einer größeren Dicke/einem größeren Durchmesser, und die Gesamtstabilität der Anodenanschluss-Baugruppe kann erhöht werden, da die Gefahr geringer ist, dass sich der zweite Anodenanschluss aufgrund seiner im Vergleich zum ersten Anodenanschluss kleineren Dicke/seines kleineren Durchmessers verbiegt. Außerdem werden bei Verwendung eines zweiten Anodenanschlusses mit einer kleineren Dicke/einem kleineren Durchmesser zum Tragen der Anoden während chemischer Verfahren, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, die Materialkosten reduziert, da ein Teil des zweiten Anodenanschlusses (z. B. Trägerdraht) schließlich von dem Kondensator selbst abgeschnitten wird und als Komponente des fertigen Kondensatorprodukts nicht benötigt wird.
Wie oben diskutiert, haben die Erfinder andererseits auch herausgefunden, dass durch Verwendung eines zweiten Anodenanschlusses, der aus einem anderen Material besteht als der erste Anodenanschluss, die mit der Bildung der Kondensatoren der vorliegenden Offenbarung verbundenen Kosten reduziert werden können, wie etwa wenn der erste Anodenanschluss aus Tantal besteht und der zweite Anodenanschluss aus Edelstahl, Nickel oder einer Nickel-Eisen-Legierung besteht. In solchen Ausführungsformen kann der zweite Anodenanschluss dieselbe Dicke/denselben Durchmesser aufweisen, oder der zweite Anodenanschluss kann eine Dicke/einen Durchmesser aufweisen, der entweder größer oder kleiner ist als die Dicke/der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses, der aus Tantal bestehen kann. In solchen Ausführungsformen unter Verwendung eines zweiten Anodenanschlusses, der nicht aus Tantal besteht, zum Tragen der Anoden während chemischer Verfahren, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, können die Materialkosten reduziert werden. Da zum Beispiel ein Teil des zweiten Anodenanschlusses (z. B. Trägerdraht) schließlich von dem Kondensator selbst abgeschnitten wird und als Komponente des fertigen Kondensatorprodukts nicht benötigt wird, kann ein im Vergleich zum ersten Anodenanschluss weniger kostspieliges Material verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlicher beschrieben.
I. Anode
Der poröse Anodenkörper wird typischerweise aus einer Ventilmetallzusammensetzung mit einer hohen spezifischen Ladung gebildet, wie etwa 2000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10000 μF·V/g oder mehr. Zum Beispiel können solche Pulver eine spezifische Ladung von etwa 10000 bis etwa 600000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 40000 bis etwa 500000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 70000 bis etwa 400000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 100000 bis etwa 350000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150000 bis etwa 300000 μF·V/g aufweisen. Wie in der Technik bekannt ist, kann die spezifische Ladung dadurch bestimmt werden, dass man die Kapazität mit der eingesetzten Anodisierungsspannung multipliziert und dann dieses Produkt durch das Gewicht des anodisierten Elektrodenkörpers dividiert.
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 einen ersten Teil 30a eines ersten Anodenanschlusses 30 herum kompaktiert, dass sich ein zweiter Teil 30b des ersten Anodenanschlusses 30 von dem kompaktierten porösen Anodenkörper 33 weg erstreckt, wie in den 1 und 4 gezeigt ist und im Folgenden noch ausführlicher diskutiert wird. 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 erste Anodenanschluss 30 darin eingebettet werden. Die Matrize kann einen einzigen oder mehrere Schlitze definieren, in die der Anodenanschluss eingesetzt werden kann. Nach dem Befüllen der Matrize mit Pulver und Einbetten des ersten Anodenanschlusses 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 Länge des ersten Anodenanschlusses, der sich entlang einer Längsachse (d. h. der z-Achse in den 1 und 4) erstreckt, verläuft. Dies zwingt die Teilchen in engen Kontakt mit dem ersten Anodenanschluss und schafft eine starke Bindung zwischen Anschluss 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.
In den besonderen Ausführungsformen, die in den 1–8 gezeigt sind, liegt der gesinterte poröse Anodenkörper 33 in Form eines rechteckigen Presslings vor. Neben einer rechteckigen Form kann die Anode jedoch auch eine kubische, zylindrische, kreisförmige oder irgendeine andere geometrische Form aufweisen. Die Anode kann auch insofern ”geriffelt” sein, als sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Vertiefungen oder Einkerbungen enthalten kann, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang des Kondensators 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 alle hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
II. Dielektrikum
Der Anodenkörper ist auch mit einem Dielektrikum beschichtet oder überzogen. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man die gesinterte Anode anodisch oxidiert (”anodisiert”), so dass auf und/oder innerhalb der Anode eine dielektrische Schicht 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 durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. 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.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann die dielektrische Schicht in bestimmten Ausführungsformen insofern eine über den gesamten Anodenkörper unterschiedliche Dicke besitzen, als sie einen ersten Teil, der eine äußere Oberfläche des Anodenkörpers bedeckt, und einen zweiten Teil, der eine innere Oberfläche des Anodenkörpers bedeckt, besitzt. In solchen Ausführungsformen ist der erste Teil selektiv so geformt, dass seine Dicke größer ist als die des zweiten Teils. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Dicke der dielektrischen Schicht nicht innerhalb eines bestimmten Bereichs gleichmäßig zu sein braucht. Bestimmte Teile der dielektrischen Schicht, die an die äußere Oberfläche angrenzen, können zum Beispiel tatsächlich dünner sein als bestimmte Teile der Schicht auf der inneren Oberfläche und umgekehrt. Dennoch kann die dielektrische Schicht auch so gebildet sein, dass wenigstens ein Teil der Schicht auf der äußeren Oberfläche eine größere Dicke hat als wenigstens ein Teil auf der inneren Oberfläche. Obwohl der genaue Unterschied dieser Dicken je nach der besonderen Anwendung variieren kann, beträgt das Verhältnis der Dicke des ersten Teils zur Dicke des zweiten Teils typischerweise etwa 1,2 bis etwa 40, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 bis etwa 25 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20.
Zur Bildung einer dielektrischen Schicht mit einer unterschiedlichen Dicke wird im Allgemeinen ein Mehrstufenverfahren eingesetzt. In jeder Stufe des Verfahrens wird der gesinterte Anodenkörper unter Bildung einer dielektrischen Schicht (z. B. Tantalpentoxid) anodisch oxidiert (”anodisiert”). Während des ersten Stadiums der Anodisierung wird typischerweise eine relativ kleine Formierungsspannung eingesetzt, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums für den inneren Bereich erreicht wird, wie Formierungsspannungen im Bereich von etwa 1 bis etwa 90 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 50 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 Volt. Danach kann der gesinterte Körper dann in einem zweiten Stadium des Verfahrens anodisch oxidiert werden, um die Dicke des Dielektrikums auf das gewünschte Niveau zu erhöhen. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass in einem Elektrolyten bei einer höheren Spannung anodisiert wird, als sie während des ersten Stadiums eingesetzt wurde, wie bei Formierungsspannungen im Bereich von etwa 50 bis etwa 350 Volt, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 300 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 70 bis etwa 200 Volt.
Während des ersten und/oder zweiten Stadiums kann der Elektrolyt auf einer Temperatur im Bereich von etwa 15°C bis etwa 95°C, in einigen Ausführungsformen etwa 20°C bis etwa 90°C und in einigen Ausführungsformen etwa 25°C bis etwa 85°C gehalten werden.
Die während des ersten und des zweiten Stadiums des Anodisierungsvorgangs eingesetzten Elektrolyte können gleich oder verschieden sein. Typischerweise ist es jedoch wünschenswert, verschiedene Lösungen einzusetzen, um das Erreichen einer größeren Dicke an den äußeren Teilen der dielektrischen Schicht zu erleichtern. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dass der im zweiten Stadium eingesetzte Elektrolyt eine geringere Ionenleitfähigkeit hat als der im ersten Stadium eingesetzte Elektrolyt, um zu verhindern, dass sich auf der inneren Oberfläche der Anode eine erhebliche Menge an Oxidschicht bildet. In dieser Hinsicht kann der während des ersten Stadiums eingesetzte Elektrolyt eine saure Verbindung, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., enthalten. Ein solcher Elektrolyt kann eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 100 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 20 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10 mS/cm aufweisen, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C. Der während des zweiten Stadiums eingesetzte Elektrolyt enthält typischerweise ein Salz einer schwachen Säure, so dass die Hydroniumionenkonzentration in den Poren infolge eines darin erfolgenden Ladungsdurchgangs zunimmt. Ionentransport oder -diffusion finden so statt, dass sich das Anion der schwachen Säure gemäß der Notwendigkeit, die elektrischen Ladungen auszugleichen, in die Poren bewegt. Als Ergebnis wird die Konzentration der hauptsächlichen leitfähigen Spezies (Hydronium-Ion) bei der Etablierung eines Gleichgewichts zwischen dem Hydroniumion, dem Säureanion und der undissoziierten Säure reduziert, und dadurch entsteht eine schlechter leitfähige Spezies. Die Reduktion der Konzentration der leitfähigen Spezies führt zu einem relativ hohen Spannungsabfall im Elektrolyten, was die weitere Anodisierung im Innern behindert, während auf der Außenseite eine dickere Oxidschicht bis zu einer höheren Formierungsspannung im Bereich der fortgesetzten hohen Leitfähigkeit aufgebaut wird. Zu den geeigneten Salzen schwacher Säuren gehören etwa zum Beispiel Ammonium- oder Alkalimetallsalze (z. B. Natrium, Kalium usw.) von Borsäure, Boronsäure, Essigsäure, Oxalsäure, Milchsäure, Adipinsäure usw. Besonders gut geeignete Salze sind Natriumtetraborat und Ammoniumpentaborat. Solche Elektrolyten weisen typischerweise eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 0,1 bis etwa 20 mS/cm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 10 mS/cm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 5 mS/cm auf, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C.
Falls gewünscht, kann jedes Stadium der Anodisierung durch einen oder mehrere Zyklen wiederholt werden, um die gewünschte Dicke des Dielektrikums zu erreichen. Weiterhin kann der Anodenkörper nach dem ersten und/oder dem zweiten Stadium auch mit einem anderen Lösungsmittel (z. B. Wasser) gespült oder gewaschen werden, um den Elektrolyten zu entfernen.
III. Fester Elektrolyt
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 2000000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500000.
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. 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.
IV. Externe Polymerbeschichtung
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann auch eine externe Polymerbeschichtung auf den Anodenkörper aufgetragen werden und den festen Elektrolyten bedecken. Die externe Polymerbeschichtung enthält im Allgemeinen eine oder mehrere Schichten, die aus einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Teilchen gebildet sind, wie es oben ausführlicher beschrieben ist. Die externe Beschichtung kann in der Lage sein, weiter in den Randbereich des Kondensatorkörpers einzudringen, um die Adhäsion auf dem Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, das den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Da man im Allgemeinen den Grad der Randabdeckung verbessern und nicht das Innere der Anode imprägnieren möchte, sind die in der externen Beschichtung verwendeten Teilchen typischerweise größer als die in irgendwelchen optionalen Dispersionen des festen Elektrolyten eingesetzten. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der mittleren Größe der in der externen Polymerbeschichtung verwendeten Teilchen zur mittleren Größe der in irgendeiner Dispersion des festen Elektrolyten eingesetzten Teilchen typischerweise etwa 1,5 bis etwa 30, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 15. Zum Beispiel können die in der Dispersion der externen Beschichtung eingesetzten Teilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 250 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 200 Nanometer aufweisen.
Falls gewünscht, kann auch ein Vernetzungsmittel in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, um den Grad der Adhäsion an dem festen Elektrolyten zu erhöhen. Typischerweise wird das Vernetzungsmittel vor der Auftragung der in der externen Beschichtung verwendeten Dispersion aufgetragen. Geeignete Vernetzungsmittel sind zum Beispiel in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2007/0064376 (Merker et al.) beschrieben und umfassen zum Beispiel Amine (z. B. Diamine, Triamine, Oligomeramine, Polyamine usw.); mehrwertige Metallkationen, wie Salze oder Verbindungen von Mg, Al, Ca, Fe, Cr, Mn, Ba, Ti, Co, Ni, Cu, Ru, Ce oder Zn, Phosphoniumverbindungen, Sulfoniumverbindungen usw. Besonders gut geeignete Beispiele sind zum Beispiel 1,4-Diaminocyclohexan, 1,4-Bis(aminomethyl)cyclohexan, Ethylendiamin, 1,6-Hexandiamin, 1,7-Heptandiamin, 1,8-Octandiamin, 1,9-Nonandiamin, 1,10-Decandiamin, 1,12-Dodecandiamin, N,N-Dimethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin, N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butandiamin usw. sowie Gemische davon.
Das Vernetzungsmittel wird typischerweise aus einer Lösung oder Dispersion aufgetragen, deren pH-Wert 1 bis 10, in einigen Ausführungsformen 2 bis 7 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 6 beträgt, bestimmt bei 25°5C. Saure Verbindungen können eingesetzt werden, um das Erreichen des gewünschten pH-Werts zu unterstützen. Beispiele für Lösungsmittel oder Dispergiermittel für das Vernetzungsmittel sind Wasser oder organische Lösungsmittel, wie Alkohole, Ketone, Carbonsäureester usw. Das Vernetzungsmittel kann durch irgendein bekanntes Verfahren, wie Schleuderbeschichtung, Imprägnieren, Gießen, tropfenweise Auftragung, Sprühauftragung, Aufdampfen, Sputtern, Sublimation, Rakelbeschichtung, Streichen oder Drucken, zum Beispiel durch Tintenstrahl-, Siebdruck oder Tampondruck, auf den Kondensatorkörper aufgetragen werden. Sobald es aufgetragen ist, kann das Vernetzungsmittel getrocknet werden, bevor die Polymerdispersion aufgetragen wird. Dann kann dieser Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Zum Beispiel kann die Gesamtdicke der gesamten externen Polymerbeschichtung einschließlich des Vernetzungsmittels und der Dispersionsschichten im Bereich von etwa 1 bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 40 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 μm liegen.
V. Andere Schichten des Kondensators
Falls gewünscht, kann der Kondensator neben der dielektrischen Schicht, dem festen Elektrolyten usw. 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.
Falls gewünscht, 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.
VI. Anodenanschluss-Baugruppe
Wie oben diskutiert, umfasst der Elektrolytkondensator der vorliegenden Erfindung einen ersten Anodenanschluss und einen zweiten Anodenanschluss, die eine Anodenanschluss-Baugruppe bilden. Der erste und der zweite Anodenanschluss können aus einem elektrisch leitenden Material, wie Tantal, Niob, Nickel, Aluminium, Hafnium, Titan, Edelstahl usw. sowie Legierungen, Oxiden und/oder Nitriden davon, gebildet werden. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass der erste und der zweite Anodenanschluss nicht aus demselben Material (z. B. Tantal) gebildet sein müssen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der erste Anodenanschluss aus Tantal bestehen, und der zweite Anodenanschluss kann aus Edelstahl, Nickel oder einer Nickellegierung bestehen. In einer bestimmten Ausführungsform besteht der zweite Anodenanschluss aus NILO^®, einer Nickel-Eisen-Legierung. Der erste und der zweite Anodenanschluss können jede beliebige Querschnittsform besitzen, wie kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig usw. Weiterhin muss nur einer der Anschlüsse in den porösen Anodenkörper eingebettet sein, und nur einer der Anschlüsse muss direkt mit einem Anodenanschluss verbunden sein. Zum Beispiel kann der erste Anodenanschluss einen ersten Teil, der in den porösen Anodenkörper eingebettet ist, und einen zweiten Teil, der sich ausgehend von einer Fläche desselben in Längsrichtung erstreckt, aufweisen. Indessen ist der zweite Anodenanschluss nicht im porösen Anodenkörper eingebettet und kann bei der Bildung einer Verbindung zu einem Anodenanschluss verwendet werden.
Außerdem kann unabhängig davon, ob der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus demselben oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden oder nicht, der erste Anodenanschluss eine größere Dicke/einen größeren Durchmesser als der zweite Anodenanschluss aufweisen, um die Bindung zwischen dem ersten Anodenanschluss und den Teilchen des Anodenkörpers zu verbessern, was zu einem niedrigeren ESR führen kann, während der zweite Anodenanschluss eine kleinere Dicke/einen kleineren Durchmesser als der erste Anodenanschluss aufweisen kann, um den inneren Widerstand der gesamten Anodenanschluss-Baugruppe zu reduzieren, was ebenfalls zu einem niedrigeren ESR führen kann. Die Kombination des ersten Anodenanschlusses mit einem größeren Durchmesser und des zweiten Anodenanschlusses mit einem kleineren Durchmesser reduziert den ESR des Kondensators synergistisch. Da der erste Teil des ersten Anodenanschlusses zum Beispiel im Anodenkörper eingebettet ist und einen größeren Durchmesser aufweist, um die Zahl der Kontaktpunkte zwischen dem ersten Anodenanschluss und dem Anodenkörper zu erhöhen, wird der Widerstand an den Kontaktpunkten reduziert. Außerdem kann sich der zweite Teil des ersten Anodenanschlusses mit dem großen Durchmesser ausgehend von einer Fläche des Anodenkörpers nur über einen kurzen Abstand erstrecken, um die Länge des ersten Anodenanschlusses mit dem größeren Durchmesser zu minimieren, was wiederum die Wirkung des erhöhten internen Widerstands in dem Anschluss aufgrund seines größeren Durchmessers minimieren kann. Indessen kann der externe zweite Anodenanschluss, der zur Bildung einer elektrischen Verbindung mit einem Anodenanschluss verwendet werden kann, einen kleineren Durchmesser als der erste Anodenanschluss aufweisen, was den inneren Widerstand des zweiten Anodenanschlusses reduziert und dadurch den ESR der Anschlussbaugruppe, die sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper erstreckt/außerhalb desselben liegt, minimiert. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss in einigen Fällen auch dieselbe Dicke/denselben Durchmesser aufweisen können oder der zweite Anodenanschluss eine größere Dicke/einen größeren Durchmesser aufweisen kann, wie etwa wenn der erste Anodenanschluss aus Tantal besteht und der zweite Anodenanschluss aus einem Nichttantalmaterial, wie Edelstahl, Nickel oder einer Nickel-Eisen-Legierung, besteht.
Wie oben beschrieben und in den 1–8 gezeigt, umfasst die Anodenanschluss-Baugruppe in einigen Ausführungsformen, wie wenn der erste und der zweite Anodenanschluss beide Tantal umfassen oder wenn der erste Anodenanschluss Tantal umfasst und der zweite Anodenanschluss ein Nichttantalmaterial umfasst, einen ersten Anodenanschluss, der im Allgemeinen eine größere Dicke/einen größeren Durchmesser als der zweite Anodenanschluss aufweist. Im Allgemeinen kann der erste Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser D1 von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer, wie etwa 200 Mikrometer bis etwa 1500 Mikrometer, wie etwa 250 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, aufweisen. Indessen kann der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser D2 von etwa 10 Mikrometer bis etwa 1800 Mikrometer, wie etwa 50 Mikrometer bis etwa 1200 Mikrometer, wie etwa 100 Mikrometer bis etwa 750 Mikrometer, aufweisen. Weiterhin kann der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser aufweisen, der etwa 10% bis etwa 90% der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses, wie etwa 15% bis etwa 85% der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses, wie etwa 20% bis etwa 80% der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses, wie etwa 25% bis etwa 75% der Dicke/des Durchmessers des ersten Anodenanschlusses, beträgt.
Indessen kann, wie in den 9–11 gezeigt ist, die Anodenanschluss-Baugruppe in einigen Ausführungsformen, wie wenn der erste Anodenanschluss Tantal umfasst und der zweite Anodenanschluss ein Nichttantalmaterial umfasst, einen ersten Anodenanschluss umfassen, der im Wesentlichen dieselbe Dicke/denselben Durchmesser wie der zweite Anodenanschluss aufweist. Der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss können also Dicken/Durchmesser D1 und D2 von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer, wie etwa 200 Mikrometer bis etwa 1500 Mikrometer, wie etwa 250 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, aufweisen. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass der zweite Anodenanschluss in einigen Fällen auch eine Dicke/einen Durchmesser D2 aufweisen kann, die/der größer ist als die Dicke/der Durchmesser D1 des ersten Anodenanschlusses, so dass der erste Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser D1 von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer, wie etwa 200 Mikrometer bis etwa 1500 Mikrometer, wie etwa 250 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, aufweisen kann, während der zweite Anodenanschluss eine Dicke/einen Durchmesser D2 von etwa 100 Mikrometer bis etwa 2500 Mikrometer, wie etwa 205 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer, wie etwa 255 Mikrometer bis etwa 1500 Mikrometer, aufweisen kann.
Wie in den 1, 3, 4–5, 7–8, 9 und 11 gezeigt ist, kann außerdem der erste Teil 30a des ersten Anodenanschlusses 30 (d. h. der Teil des ersten Anodenanschlusses, der sich von einer Fläche des porösen Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt) eine Länge (L1) in Längsrichtung (z-Richtung) aufweisen, die kürzer ist als die Länge (L2) des zweiten Anodenanschlusses 40 in Längsrichtung (z-Richtung). Die Länge L1 des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses 30 ist minimiert, um den ESR des Kondensators, der dem erhöhten inneren Widerstand des ersten Anodenanschlusses 30 aufgrund seines größeren Durchmessers zugeschrieben werden kann, zu reduzieren und die Stabilität der Anschlussbaugruppe 50 zu verstärken, indem man die Gefahr des Verbiegens aufgrund des Gewichts des ersten Anodenanschlusses 30 reduziert. Der zweite Teil des ersten Anodenanschlusses kann also eine Länge von mehr als 0 Mikrometer bis etwa 5000 Mikrometer, wie etwa 1 Mikrometer bis etwa 2500 Mikrometer, wie etwa 10 Mikrometer bis etwa 1250 Mikrometer, aufweisen, während der zweite Anodenanschluss eine Länge von etwa 1 Mikrometer bis etwa 20 Millimeter, wie etwa 100 Mikrometer bis etwa 15 Millimeter, wie etwa 1000 Mikrometer bis etwa 10 Millimeter, aufweisen kann.
Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Anodenanschluss-Baugruppe 50 je nachdem, wo der zweite Anodenanschluss mit dem porösen Anodenkörper verbunden ist, verschiedene Konfigurationen aufweisen kann. In einer Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss direkt mit einer äußeren Fläche des porösen Anodenkörpers verbunden sein, so dass der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses, der sich ausgehend von derselben Fläche des porösen Anodenkörpers in Längsrichtung erstreckt, benachbart ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht, wie in 1 gezeigt ist. Der zweite Anodenanschluss kann durch jedes geeignete Verfahren, wie durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder einen leitfähigen Kleber, mit der Fläche des porösen Anodenkörpers verbunden werden. In einer anderen Ausführungsform kann der zweite Anodenanschluss direkt mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden werden, wie etwa am Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses, wie in 5 gezeigt ist, so dass sich der zweite Anodenanschluss ausgehend vom Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstreckt. Der zweite Anodenanschluss kann durch jedes geeignete Verfahren, wie durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder einen leitfähigen Kleber, mit dem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses verbunden werden.
VII. Endteile
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 zweiten Anodenanschluss bzw. der Kathode verbunden werden. Die spezielle Konfiguration der Endteile kann variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Kathoden-Endteil 44 in einer Ausführungsform zum Beispiel, wie in den 4 und 8 gezeigt ist, einen planaren Teil 45 in elektrischem Kontakt mit einer unteren Fläche 39 des Kondensatorelements und einen hochragenden Teil 46, der im Wesentlichen senkrecht zu dem planaren Teil 45 und in elektrischem Kontakt mit einer hinteren Fläche 38 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.
Wir beziehen uns wiederum auf die 4 und 8. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Anoden-Endteil 35 ebenfalls einen planaren Teil 41 und einen hochragenden Teil 42 enthalten. Der hochragende Teil 42 kann einen Bereich enthalten, der den zweiten Anodenanschluss 40 der vorliegenden Erfindung trägt. Zum Beispiel kann der Bereich einen Schlitz 43 zur Aufnahme des zweiten Anodenanschlusses 40 besitzen. Der Schlitz kann jede gewünschte Form aufweisen und kann U-förmig, V-förmig, kreisförmig, rechteckig, quadratisch, gestuft usw. sein, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des zweiten Anodenanschlusses 40 am Anoden-Endteil 35 weiter zu verstärken. Zum Beispiel kann die Geometrie des Schlitzes zur Geometrie des zweiten Anodenanschlusses 40 passen. Der zweite Anodenanschluss 40 kann durch jede beliebige Technik, wie durch Laserschweißen, Widerstandsschweißen oder die Verwendung von leitfähigen Klebern usw., mit dem Anoden-Endteil 35 elektrisch verbunden werden. Unabhängig von der besonderen Schweißtechnik, die verwendet wird, um den zweiten Anodenanschluss 40 mit dem Anoden-Endteil 35 zu verbinden, ist die zur Bildung einer ausreichenden Verschweißung erforderliche Energiemenge im Vergleich zu der Energiemenge, die erforderlich wäre, wenn der erste Anodenanschluss 30 mit dem größeren Durchmesser direkt mit dem Anodenanschluss 35 verbunden wäre, reduziert. Durch Verwendung eines kleineren zweiten Anodenanschlusses 40, der als direkte Verbindung zum Anoden-Endteil 35 dienen soll, kann also der Nutzen der Einbettung eines relativ dicken ersten Anodenanschlusses 30 in den porösen Anodenkörper 33 immer noch realisiert werden (d. h. verbesserter Kontakt mit dem porösen Anodenkörper zum Reduzieren des ESR), doch kann der Schweißvorgang zur Bildung einer elektrischen Verbindung mit einem Anoden-Endteil aufgrund der reduzierten Dicke/des reduzierten Durchmessers des zweiten Anodenanschlusses 40 auf effizientere und kosteneffektivere Weise durchgeführt werden.
Weiterhin kann das Kondensatorelement, sobald es gebildet und an den Endteilen befestigt ist, wie oben diskutiert wurde, in ein Harzgehäuse eingeschlossen werden, 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 100 μm bis etwa 2,5 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 150 μm 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.
Unter Bezugnahme auf die 1–11 werden jetzt verschiedene Ausführungsformen des Festelektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung ausführlicher diskutiert.
In 1 ist eine besondere Ausführungsform eines Kondensatorelements 100 gezeigt, die aus einem porösen Anodenkörper 33 und einer Anodenanschluss-Baugruppe 50, die einen ersten Anodenanschluss 30 und einen zweiten Anodenanschluss 40 umfasst, gebildet wird. Allgemein gesagt ist 1 eine perspektivische Ansicht des porösen Anodenkörpers 33, der um den ersten Anodenanschluss 30 herum gebildet ist und die Anordnung und Abmessungen des porösen Anodenkörpers 33, des ersten Anodenanschlusses 30 und des zweiten Anodenanschlusses 40 zeigt. Zum Beispiel kann der poröse Anodenkörper 33 eine erste Seitenfläche 31, eine zweite Seitenfläche 32, eine vordere Fläche 36, eine hintere Fläche 37, eine obere Fläche 38 und eine untere Fläche 39 aufweisen. Der poröse Anodenkörper 33 kann auch eine Breite W, die sich zum Beispiel auf die Breite der vorderen Fläche 36 entlang der x-Achse beziehen kann, und eine Höhe H, die sich zum Beispiel auf die Höhe oder Dicke der vorderen Fläche 36 entlang der y-Achse beziehen kann, aufweisen. Die Breite W der vorderen Fläche 36 des porösen Anodenkörpers 33 kann im Bereich von etwa 200 Mikrometer bis etwa 8000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 400 Mikrometer bis 6000 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 600 Mikrometer bis etwa 4000 Mikrometer liegen. Außerdem kann die Höhe H der vorderen Fläche 36 des porösen Anodenkörpers 33 im Bereich von etwa 200 Mikrometer bis etwa 8000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 400 Mikrometer bis etwa 6000 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 600 Mikrometer bis etwa 4000 Mikrometer liegen.
Wie in 1 gezeigt ist, kann der erste Anodenanschluss 30 weiterhin einen ersten Teil 30a, der sich von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33, wie der vorderen Fläche 36, aus erstreckt, und einen zweiten Teil 30b, der sich innerhalb des Anodenkörpers 33 befindet, aufweisen. Die Dicke/der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses 30 kann je nach der Gesamtgröße des Anodenkörpers 33 variieren. Auf jeden Fall gilt: Je größer die Dicke/der Durchmesser D1 (siehe 2), desto größer die Zahl der Kontaktpunkte zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem Anodenanschluss 30 entlang des eingebetteten zweiten Teils 30b, was zu einem niedrigeren ESR und verbesserten elektrischen Fähigkeiten des Kondensators führt. Die Abmessungen des ersten Anodenanschlusses 30 werden oben in Abschnitt VI diskutiert.
Wie in den 1–3 gezeigt ist, erstreckt sich der erste Anodenanschluss 30 von der vorderen Fläche 36 des porösen Anodenkörpers 33 aus; man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass sich der erste Anodenanschluss 30 auch von irgendeiner anderen Fläche des porösen Anodenkörpers 33 aus erstrecken kann. Weiterhin kann der erste Teil 30a des ersten Anodenanschlusses 30, der sich von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33 aus erstreckt, eine Dicke D1 aufweisen (siehe 2, die die Vorderansicht des Kondensatorelements 100 zeigt), die sich, wie oben erwähnt, auch auf die Dicke des zweiten Teils 30b des ersten Anodenanschlusses 30 bezieht, der im porösen Anodenkörper 33 eingebettet ist.
Außerdem umfasst das Kondensatorelement 100 von 1 auch einen zweiten Anodenanschluss 40 als Teil seiner Anodenanschluss-Baugruppe 50. Wie gezeigt, hat der zweite Anodenanschluss 40 eine Dicke/einen Durchmesser D2 (siehe 2), die/der kleiner ist als die Dicke/der Durchmesser D1. In dem besonderen Kondensatorelement 100 von 1 kann der zweite Anodenanschluss 40 mit einem geeigneten Verfahren, wie es oben ausführlich diskutiert ist, direkt mit der Vorderfläche 36 der porösen Anode verbunden werden. Weiterhin ist der zweite Anodenanschluss 40 mit dem ersten Teil 30a des ersten Anodenanschlusses 30, dem Teil, das sich ausgehend von der Vorderfläche 36 des porösen Anodenkörpers in Längsrichtung (z-Richtung) erstreckt, benachbart und steht mit diesem in elektrischem Kontakt, wie in den 1–3 gezeigt ist. Die Abmessungen des zweiten Anodenanschlusses 40 werden oben in Abschnitt VI diskutiert.
Wie in 1 gezeigt ist, kann die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 zunächst kürzer sein als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40. Der zweite Anodenanschluss 40 wird als Trägerdraht während der chemischen Verarbeitung, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, sowie während irgendwelcher anderer Phasen der Montage des Kondensators verwendet. Die verschiedenen Bereiche für die Längen der Anodenanschlüsse sind jeweils oben in Abschnitt VI ausführlich diskutiert, und im Allgemeinen ist die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 kleiner als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40, um den inneren Widerstand, der dem ersten Anodenanschluss 30 zugeschrieben wird, zu minimieren, was wiederum den ESR reduziert. Die kürzere Länge des ersten Anodenanschlusses 30 kann auch die Stabilität der Anschlussbaugruppe 50 während der Verarbeitung verstärken, indem das Gewicht der Anodenanschluss-Baugruppe 50 reduziert wird, was die Tendenz der Anodenanschluss-Baugruppe 50 zum Verbiegen im Vergleich zu dem Fall, dass ein Anodenanschluss mit einem größeren Durchmesser und einer größeren Länge verwendet wird, einschränken kann. Weiterhin ist die für den ersten Anodenanschluss 30 erforderliche Materialmenge reduziert, was kosteneffizienter ist. Indessen weist der zweite Anodenanschluss 40, wenigstens anfangs, eine Länge L2 auf, die größer ist als die Länge L1 des ersten Anodenanschlusses 30, so dass der zweite Anodenanschluss 40, der einen kleineren Durchmesser aufweist, während der Montage des in 4 gezeigten Kondensators 200 verwendet werden kann. Sobald die chemische Verarbeitung und weitere Montage jedoch beendet ist, kann der zweite Anodenanschluss 40 auf ungefähr dieselbe Länge wie der erste Anodenanschluss 30 zurechtgeschnitten werden. Dann kann der zweite Anodenanschluss 40 an dem hochstehenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 an der Kerbe 43 befestigt werden, wie in 4 gezeigt ist, während der erste Anodenanschluss 30 an dem hochstehenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 an der Kerbe 47 befestigt werden kann, wie ebenfalls in 4 gezeigt ist, wie etwa durch Laserschweißen oder Widerstandsschweißen. Eine solche Konfiguration, wie sie oben diskutiert ist, kann den ESR des Kondensators im Vergleich zu dem Fall, dass ein einziger Anodenanschluss verwendet wird, reduzieren und ermöglicht auch eine leichtere Verarbeitung des Kondensatorelements aufgrund des zweiten Anodenanschlusses mit dem kleineren Durchmesser.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Kondensatorelement 300 und den Kondensator 400 der 5–8. Das Kondensatorelement 300 der 5–7 weist einen porösen Anodenkörper 33 auf, der dieselben Abmessungen aufweist, wie sie oben in Bezug auf das Kondensatorelement 100 der 1–3 diskutiert sind.
Wie weiterhin in 5 gezeigt ist, kann der erste Anodenanschluss 30 einen ersten Teil 30a, der sich ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33, wie der Vorderfläche 36, erstreckt, und einen zweiten Teil 30b, der sich innerhalb des Anodenkörpers 33 befindet, aufweisen. Die Dicke/der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses 30 kann je nach der Gesamtgröße des Anodenkörpers 33 variieren. Auf jeden Fall gilt: Je größer die Dicke/der Durchmesser D1 (siehe 6), desto größer die Zahl der Kontaktpunkte zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem Anodenanschluss 30 entlang des eingebetteten zweiten Teils 30b, was zu einem niedrigeren ESR und verbesserten elektrischen Fähigkeiten des Kondensators führt.
Wie in den 5–7 gezeigt ist, erstreckt sich der erste Anodenanschluss 30 ausgehend von der Vorderfläche 36 des porösen Anodenkörpers 33; man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass sich der erste Anodenanschluss 30 auch ausgehend von irgendeiner anderen Fläche des porösen Anodenkörpers 33 erstrecken kann. Weiterhin kann der erste Teil 30a des ersten Anodenanschlusses 30, der sich ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33 erstreckt, eine Dicke D1 (siehe 6, die die Vorderansicht des Kondensatorelements 100 zeigt) aufweisen, die sich, wie oben erwähnt, auch auf die Dicke des zweiten Teils 30b des ersten Anodenanschlusses 30, der in dem porösen Anodenkörper 33 eingebettet ist, bezieht.
Zusätzlich umfasst das Kondensatorelement 300 von 5 auch einen zweiten Anodenanschluss 40 als Teil seiner Anodenanschluss-Baugruppe 50. Wie gezeigt, kann der zweite Anodenanschluss 40 eine Dicke/einen Durchmesser D2 (siehe 6) aufweisen, die/der kleiner ist als die Dicke/der Durchmesser D1. In dem besonderen Kondensatorelement 300 von 5 kann der zweite Anodenanschluss 40 mit einem geeigneten Verfahren, wie es oben ausführlich diskutiert ist, direkt mit dem Ende 34 des zweiten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 verbunden werden und kann sich ausgehend davon in einer Längsrichtung (z-Richtung) des porösen Anodenkörpers erstrecken.
Zunächst ist die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 kürzer als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40, und der zweite Anodenanschluss 40 wird als Trägerdraht während der chemischen Verarbeitung, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, sowie während irgendwelcher anderer Phasen der Montage des Kondensators verwendet. Die verschiedenen Bereiche für die Längen der Anodenanschlüsse sind jeweils oben ausführlich diskutiert, und im Allgemeinen ist die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 kleiner als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40, um den inneren Widerstand, der dem ersten Anodenanschluss 30 zugeschrieben wird, zu minimieren, was wiederum den ESR reduziert. Weiterhin ist die für den ersten Anodenanschluss 30 erforderliche Materialmenge reduziert, was kosteneffizienter ist. Indessen weist der zweite Anodenanschluss 40 eine Länge L2 auf, die größer ist, so dass der zweite Anodenanschluss 40, der einen kleineren Durchmesser aufweist, während der Montage des in 8 gezeigten Kondensators 400 verwendet werden kann, um das Verfahren zu vereinfachen. Nach der Verarbeitung jedoch kann die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40 auf irgendeine geeignete Länge zurechtgeschnitten und dann an dem hochstehenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 an der Kerbe 43 befestigt werden, wie in 8 gezeigt ist. Da der zweite Anodenanschluss 40 einen kleineren Durchmesser D2 als der Durchmesser D1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 aufweist, kann der Anodenanschluss 35 leichter und effizienter mit der Anodenanschluss-Baugruppe 50 verbunden werden.
Noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Kondensatorelement 300 und den Kondensator 500 der 9–11. Das Kondensatorelement 500 der 9–11 weist einen porösen Anodenkörper 33 auf, der dieselben Abmessungen aufweist, wie sie oben in Bezug auf das Kondensatorelement 100 der 1–3 diskutiert sind. In den Ausführungsformen der 9–11 werden der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss jedoch aus verschiedenen Materialien gebildet, während dies in den Ausführungsformen der 1–8 nicht erforderlich ist.
Wie weiterhin in 9 gezeigt ist, kann der erste Anodenanschluss 30 einen ersten Teil 30a, der sich ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33, wie der Vorderfläche 36, erstreckt, und einen zweiten Teil 30b, der sich innerhalb des Anodenkörpers 33 befindet, aufweisen. Die Dicke/der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses 30 kann je nach der Gesamtgröße des Anodenkörpers 33 variieren. Auf jeden Fall gilt: Je größer die Dicke/der Durchmesser D1 (siehe 9), desto größer die Zahl der Kontaktpunkte zwischen dem porösen Anodenkörper 33 und dem Anodenanschluss 30 entlang des eingebetteten zweiten Teils 30b, was zu einem niedrigeren ESR und verbesserten elektrischen Fähigkeiten des Kondensators führt.
Wie in den 9–11 gezeigt ist, erstreckt sich der erste Anodenanschluss 30 ausgehend von der Vorderfläche 36 des porösen Anodenkörpers 33; man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass sich der erste Anodenanschluss 30 auch ausgehend von irgendeiner anderen Fläche des porösen Anodenkörpers 33 erstrecken kann. Weiterhin kann der erste Teil 30a des ersten Anodenanschlusses 30, der sich ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers 33 erstreckt, eine Dicke D1 (siehe 10, die die Vorderansicht des Kondensatorelements 500 zeigt) aufweisen, die sich, wie oben erwähnt, auch auf die Dicke des zweiten Teils 30b des ersten Anodenanschlusses 30, der in dem porösen Anodenkörper 33 eingebettet ist, bezieht.
Zusätzlich umfasst das Kondensatorelement 500 von 9 auch einen zweiten Anodenanschluss 40 als Teil seiner Anodenanschluss-Baugruppe 50. Wie gezeigt, kann der zweite Anodenanschluss 40 eine Dicke/einen Durchmesser D2 (siehe 10) aufweisen, die/der gleich der Dicke/dem Durchmesser D1 ist. In dem besonderen Kondensatorelement 500 von 9 kann der zweite Anodenanschluss 40 mit einem geeigneten Verfahren, wie es oben ausführlich diskutiert ist, direkt mit dem Ende 34 des zweiten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 verbunden werden und kann sich ausgehend davon in einer Längsrichtung (z-Richtung) des porösen Anodenkörpers erstrecken. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass der zweite Anodenanschluss 40 eine Dicke/einen Durchmesser aufweisen kann, die/der größer ist als die Dicke/der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses (nicht gezeigt).
Zunächst ist die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 kürzer als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40, und der zweite Anodenanschluss 40 wird als Trägerdraht während der chemischen Verarbeitung, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, sowie während irgendwelcher anderer Phasen der Montage des Kondensators verwendet. Die verschiedenen Bereiche für die Längen der Anodenanschlüsse sind jeweils oben ausführlich diskutiert, und im Allgemeinen ist die Länge L1 des ersten Teils 30a des ersten Anodenanschlusses 30 kleiner als die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40, um den inneren Widerstand, der dem ersten Anodenanschluss 30 zugeschrieben wird, zu minimieren, was wiederum den ESR reduziert. Weiterhin ist die für den ersten Anodenanschluss 30 erforderliche Materialmenge reduziert, was kosteneffizienter ist. Indessen weist der zweite Anodenanschluss 40 eine Länge L2 auf, die größer ist, so dass der zweite Anodenanschluss 40, der einen kleineren Durchmesser aufweist, während der Montage des Kondensators 500 verwendet werden kann.
Als Ergebnis der vorliegenden Offenbarung kann ein Kondensator gebildet werden, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist, wie sie durch die unten beschriebenen Testverfahren bestimmt werden. 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 mΩ bis etwa 50 mΩ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 mΩ 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
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.
Leckstrom
Der Leckstrom (”DCL”) wurde mit einer Leckstrom-Testeinrichtung gemessen, die den Leckstrom bei einer Temperatur von 23°C ± 2°C und der Nennspannung nach mindestens 30 Sekunden misst.
Laserschweißen
Das Laserschweißen erfolgte unter Verwendung eines Trumpf-Nd:YAG-HAAS-Lasers (der Licht im nahen Infrarot bei einer Wellenlänge von etwa 1064 Nanometer emittiert). Die Energie zum Schweißen bezieht sich allgemein auf die Menge an Laserenergie, die erforderlich ist, um den Anodenanschluss mit dem Anoden-Endteil/Leiterrahmen zu verbinden. Die Energie zum Schweißen wird in Joule angegeben.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 70000 μFV/g wurde zu Presslingen gepresst, wobei ein poröser Körper mit einer Länge von 4,15 mm, einer Breite von 3,60 mm und einer Dicke von 0,95 mm entstand. Das Tantalpulver wurde in den Trichter einer automatischen Tantalformmaschine gegeben und automatisch zusammen mit einem ersten Tantaldraht mit einem Durchmesser von 0,50 mm geformt und auf eine Dichte von 5,3 g/cm³ gepresst, um einen porösen Körper herzustellen. 70% der Gesamtlänge des Anodenanschlusses wurden in den porösen Anodenkörper eingebettet. Die Eindringtiefe des Drahts in den porösen Körper betrug 70% der Anodenlänge. Dieser geformte Körper wurde unter reduziertem Druck bei 1400°C stehen gelassen, wobei man einen gesinterten Körper erhielt.
Dann wurde ein zweiter Tantaldraht mit einem Durchmesser von 0,24 mm durch ein Widerstandsschweißverfahren mit dem Ende des Teils des ersten Drahts mit einem Durchmesser von 0,50 mm, der aus dem Körper herausragt, verschweißt. Danach wurde der zweite Tantaldraht mit einem Durchmesser von 0,24 mm an einen Edelstahl-Hilfsstreifen geschweißt.
Die Tantalanode wurde in einem flüssigen Elektrolyten in Form von 0,1% Phosphorsäure bei 13,1 V anodisiert, um Kondensatoren mit 330 μF bei 120 Hz herzustellen. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anode 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 Anode wurde in Methanol gewaschen, um Nebenprodukte der Reaktion zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und wiederum in Methanol gewaschen. Dieser Vorgang wurde sechsmal wiederholt. Danach wurde das Teil in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurde das Teil 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde nicht wiederholt. Danach wurde das Teil in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Dann wurde das Teil in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurde das Teil in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Das fertige Teil wurde mit herkömmlicher Montagetechnik fertiggestellt und dann vermessen. Ein Leiterrahmen auf Kupferbasis wurde verwendet, um das Montageverfahren zu Ende zu bringen. Sobald das Kondensatorelement durch ein Laserschweißverfahren befestigt wurde, um den Anodenanschlussdraht mit dem Anoden-Endteil zu verbinden, wurde die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40 auf 0,80 mm eingestellt. Dann wurde der Leiterrahmen mit einem Epoxid-Einbettungsharz eingeschlossen. Viele Teile (1500) von Kondensatoren mit 330 μF/6,3 V wurden auf diese Weise hergestellt.
Beispiel 2
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass die Länge L2 des zweiten Anodenanschlusses 40 auf 0,1 mm eingestellt wurde. Viele Teile (1500) wurden auf diese Weise hergestellt.
Vergleichsbeispiel 3
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass nur ein einziger Anschlussdraht mit einem Durchmesser von 0,24 mm verwendet wurde. Viele Teile (3000) wurden auf diese Weise hergestellt.
Vergleichsbeispiel 4
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass nur ein einziger Anschlussdraht mit einem Durchmesser von 0,50 mm verwendet wurde. Viele Teile (3000) wurden auf diese Weise hergestellt.

Die folgende Tabelle 1 fasst die Merkmale der oben besprochenen Beispiele 1–4 einschließlich der Durchmesser des Tantaldrahts, der Einstellungen beim Laserschweißen, der Medianwerte des DCL, der Medianwerte der Kapazität und der Medianwerte des ESR für die fertigen Kondensatoren zusammen.

	Ta-Draht-Durchmesser (Anodenanschluss 40) [mm]	Ta-Draht-Durchmesser (Anodenanschluss 30) [mm]	Energie beim Laserschweißen [J]	DCL [μA]	KAP [μF]	ESR [mΩ]
Beispiel 1	0,24	0,50	9,5	11,2	298,0	22,1
Beispiel 2	0,24	0,50	14,0	34,1	299,2	19,6
Vergleichsbeispiel 3	–	0,24	9,0	9,7	308,0	30,4
Vergleichsbeispiel 4	–	0,50	36,0	entfällt	entfällt	entfällt

Tabelle 1

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, liegt der Nutzen der Verwendung einer Baugruppe mit einem Anodenanschluss aus dünnem Draht/dickem Draht in besseren (niedrigeren) ESR-Werten im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen, bei denen nur ein einziger Anschlussdraht verwendet wird. Elektrische Daten für das Vergleichsbeispiel 4 stehen nicht zur Verfügung, da der Laserschweißvorgang nicht beendet werden konnte.
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.
Punkte

1. Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, wobei das Kondensatorelement Folgendes umfasst: einen gesinterten porösen Anodenkörper; einen ersten Anodenanschluss, wobei ein erster Teil des ersten Anodenanschlusses im porösen Anodenkörper eingebettet ist und sich ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses von einer Fläche des porösen Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; einen zweiten Anodenanschluss, wobei sich der zweite Anodenanschluss außerhalb des porösen Anodenkörpers befindet; eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt; und eine Kathode, die die dielektrische Schicht bedeckt und einen festen Elektrolyten umfasst.
2. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1, wobei der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des ersten Anodenanschlusses.
3. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 1 oder 2, wobei die Dicke des zweiten Anodenanschlusses etwa 10% bis etwa 90% der Dicke des ersten Anodenanschlusses beträgt.
4. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 2, wobei die Dicke des ersten Anodenanschlusses etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer beträgt.
5. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 2, wobei die Dicke des zweiten Anodenanschlusses 10 Mikrometer bis etwa 1800 Mikrometer beträgt.
6. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 2, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus demselben Material bestehen.
7. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 2, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus verschiedenen Materialien bestehen.
8. Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Punkte, wobei der erste Anodenanschluss aus einem anderen Material besteht als der zweite Anodenanschluss, wobei weiterhin der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die größer oder gleich der Dicke des ersten Anodenanschlusses ist.
9. Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Punkte, wobei der zweite Anodenanschluss so mit der Oberfläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist, dass der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses benachbart ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht.
10. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 9, wobei der zweite Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen mit der Fläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist.
11. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 9, wobei der zweite Anodenanschluss durch Laserschweißen mit der Fläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist.
12. Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Punkte, wobei der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
13. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 12, wobei der zweite Anodenanschluss mit einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses verbunden ist und sich ausgehend vom Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstreckt.
14. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 12, wobei der zweite Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
15. Festelektrolytkondensator gemäß Punkt 12, wobei der zweite Anodenanschluss durch Laserschweißen mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
16. Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Punkte, wobei der Anodenkörper aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 10000 μF·V/g bis etwa 600000 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.
17. Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Punkte, der weiterhin ein Anoden-Endteil, das mit dem zweiten Anodenanschluss elektrisch verbunden ist, und ein Kathoden-Endteil, das mit der Kathode elektrisch verbunden ist, umfasst.
18. Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, der einen gesinterten porösen Anodenkörper umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren eines ersten Teils eines ersten Anodenanschlusses innerhalb eines aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildeten Pulvers, so dass sich ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; Kompaktieren des Pulvers um den ersten Teils des ersten Anodenanschlusses herum; Sintern des kompaktierten Pulvers und des ersten Teils des ersten Anodenanschlusses unter Bildung des porösen Anodenkörpers; Positionieren eines zweiten Anodenanschlusses außerhalb des porösen Anodenkörpers; und Schweißen des zweiten Anodenanschlusses an ein Anoden-Endteil unter Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Anodenanschluss und dem Anoden-Endteil.
19. Verfahren gemäß Punkt 18, wobei der zweite Anodenanschluss so mit der Oberfläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist, dass der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses benachbart ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht, wobei der zweite Teil des ersten Anodenanschlusses ebenfalls an das Anoden-Endteil geschweißt wird.
20. Verfahren gemäß Punkt 19, wobei der zweite Anodenanschluss an die Oberfläche des porösen Anodenkörpers geschweißt wird.
21. Verfahren gemäß einem der Punkte 18 bis 20, wobei der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden wird.
22. Verfahren gemäß Punkt 21, wobei der zweite Anodenanschluss mit einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses verbunden ist und sich ausgehend vom Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstreckt.
23. Verfahren gemäß Punkt 21, wobei der zweite Anodenanschluss an den zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses geschweißt ist.
24. Verfahren gemäß einem der Punkte 18 bis 23, das weiterhin das Zurechtschneiden des zweiten Anodenanschlusses umfasst.
25. Verfahren gemäß einem der Punkte 18 bis 24, weiterhin umfassend: anodisches Oxidieren des gesinterten porösen Anodenkörpers unter Bildung einer dielektrischen Schicht; und Auftragen eines festen Elektrolyten auf den anodisch oxidierten gesinterten Anodenkörper unter Bildung einer Kathode.
26. Verfahren gemäß Punkt 25, weiterhin umfassend: Bilden einer elektrischen Verbindung zwischen der Kathode und einem Kathoden-Endteil; und Einbetten des Kondensators mit einem Formmaterial in einer solchen Weise, dass wenigstens ein Teil des Anoden-Endteils und ein Teil des Kathoden-Endteils exponiert bleiben.
27. Verfahren gemäß einem der Punkte 18 bis 26, wobei der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des ersten Anodenanschlusses.
28. Verfahren gemäß Punkt 27, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus demselben Material bestehen.
29. Verfahren gemäß Punkt 27, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus verschiedenen Materialien bestehen.
30. Verfahren gemäß einem der Punkte 18 bis 29, wobei der erste Anodenanschluss aus einem anderen Material besteht als der zweite Anodenanschluss, wobei weiterhin der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die größer oder gleich der Dicke des ersten Anodenanschlusses ist.

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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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Schnitter et al. [0027]
Thomas et al. [0027]
Hahn et al. [0031]
Osako et al. [0064]

Claims

Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, wobei das Kondensatorelement Folgendes umfasst: einen gesinterten porösen Anodenkörper; einen ersten Anodenanschluss, wobei ein erster Teil des ersten Anodenanschlusses im porösen Anodenkörper eingebettet ist und sich ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses von einer Fläche des porösen Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; einen zweiten Anodenanschluss, wobei sich der zweite Anodenanschluss außerhalb des porösen Anodenkörpers befindet; 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 der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des ersten Anodenanschlusses, wobei die Dicke des zweiten Anodenanschlusses etwa 10% bis etwa 90% der Dicke des ersten Anodenanschlusses beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei die Dicke des ersten Anodenanschlusses etwa 100 Mikrometer bis etwa 2000 Mikrometer beträgt und wobei die Dicke des zweiten Anodenanschlusses 10 Mikrometer bis etwa 1800 Mikrometer beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus demselben Material bestehen.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus verschiedenen Materialien bestehen.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der erste Anodenanschluss aus einem anderen Material besteht als der zweite Anodenanschluss, wobei weiterhin der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die größer oder gleich der Dicke des ersten Anodenanschlusses ist.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei der zweite Anodenanschluss so mit der Oberfläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist, dass der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses benachbart ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 7, wobei der zweite Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen mit der Fläche des porösen Anodenkörpers verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 9, wobei der zweite Anodenanschluss mit einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses verbunden ist und sich ausgehend vom Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstreckt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 9, wobei der zweite Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei der Anodenkörper aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 10000 μF·V/g bis etwa 600000 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.
Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, der einen gesinterten porösen Anodenkörper umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren eines ersten Teils eines ersten Anodenanschlusses innerhalb eines aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildeten Pulvers, so dass sich ein zweiter Teil des ersten Anodenanschlusses von einer Fläche des Anodenkörpers aus in Längsrichtung erstreckt; Kompaktieren des Pulvers um den ersten Teils des ersten Anodenanschlusses herum; Sintern des kompaktierten Pulvers und des ersten Teils des ersten Anodenanschlusses unter Bildung des porösen Anodenkörpers; Positionieren eines zweiten Anodenanschlusses außerhalb des porösen Anodenkörpers; und Schweißen des zweiten Anodenanschlusses an ein Anoden-Endteil unter Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Anodenanschluss und dem Anoden-Endteil.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der zweite Anodenanschluss so an die Oberfläche des porösen Anodenkörpers geschweißt wird, dass der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses benachbart ist und mit diesem in elektrischem Kontakt steht, wobei der zweite Teil des ersten Anodenanschlusses ebenfalls an das Anoden-Endteil geschweißt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der zweite Anodenanschluss mit dem zweiten Teil des ersten Anodenanschlusses verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der zweite Anodenanschluss mit einem Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses verschweißt wird und sich ausgehend vom Ende des zweiten Teils des ersten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstreckt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, das weiterhin das Zurechtschneiden des zweiten Anodenanschlusses umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, weiterhin umfassend: anodisches Oxidieren des gesinterten porösen Anodenkörpers unter Bildung einer dielektrischen Schicht; Auftragen eines festen Elektrolyten auf den anodisch oxidierten gesinterten Anodenkörper unter Bildung einer Kathode; Bilden einer elektrischen Verbindung zwischen der Kathode und einem Kathoden-Endteil; und Einbetten des Kondensators mit einem Formmaterial in einer solchen Weise, dass wenigstens ein Teil des Anoden-Endteils und ein Teil des Kathoden-Endteils exponiert bleiben.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des ersten Anodenanschlusses.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der erste Anodenanschluss aus einem anderen Material besteht als der zweite Anodenanschluss, wobei weiterhin der zweite Anodenanschluss eine Dicke aufweist, die größer oder gleich der Dicke des ersten Anodenanschlusses ist.