DE102016214217A1

DE102016214217A1 - Mehrfache Anschlussdrähte unter Verwendung eines Trägerdrahts für Elektrolytkondensatoren mit niedrigem ESR

Info

Publication number: DE102016214217A1
Application number: DE102016214217.8A
Authority: DE
Inventors: Lotfi Djebara; Ludek Kubes; Radek Matousek; Stanislav Zednicek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2017-02-09
Also published as: JP6716385B2; US20170040116A1; JP2017076778A; CN106449102B; US9905368B2; CN106449102A

Abstract

Ein Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement, einen ersten Anodenanschluss, einen zweiten Anodenanschluss und einen Trägerdraht umfasst. Das Kondensatorelement umfasst einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht, welche einen festen Elektrolyten umfasst, bedeckt. Der erste und der zweite Anodenanschluss weisen einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, auf, während sich der Trägerdraht außerhalb des Anodenkörpers befindet. Weiterhin ist ein erster Teil des Trägerdrahts ist mit dem äußeren Teil des ersten und des zweiten Anodenanschlusses verbunden, während sich ein zweiter Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Oberfläche des Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt. Eine solche Anordnung reduziert den ESR und den Leckstrom des Kondensators.

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 Anodenanschluss 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 die geringe Teilchengröße der Tantalteilchen den volumetrischen Kontakt zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss senken 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 gesenkt ist, gibt es dort, wo der Anodenanschluss und die Anode aufeinandertreffen, eine entsprechende Zunahme des Widerstands. Dieser erhöhte äquivalente Serienwiderstand (ESR) führt zu einem Kondensator, der reduzierte elektrische Fähigkeiten aufweist. Die Verwendung von Anodenanschlüssen mit einem erhöhten Durchmesser oder die Verwendung von mehrfachen Anodenanschlüssen kann eingesetzt werden, um den ESR zu senken. Mit zunehmendem Durchmesser des oder der Anodenanschlüsse nimmt jedoch der innere Widerstand in dem oder den Anodenanschlüssen zu, und diese Zunahme des inneren Widerstands kann jeder Verbesserung (Abnahme) des ESR, den man als Ergebnis der Erhöhung der Kontaktpunkte zwischen dem Anodenkörper und dem Anodenanschluss beobachtet, entgegenwirken. Weiterhin erhöht eine Erhöhung des Durchmessers des oder der Anodenanschlüsse die Energie, die erforderlich ist, um den Anodenanschluss durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen mit dem Anoden-Endteil eines Leiterrahmens zu verbinden.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem verbesserten Festelektrolytkondensator, der eine Ausgewogenheit zwischen dem Nutzen von erhöhten Kontaktpunkten zwischen dem Anodenkörper und zwei oder mehr Anodenanschlüssen ohne die negativen Wirkungen eines mit zunehmendem Durchmesser der Anschlüsse erhöhten Widerstands in den Anodenanschlüssen findet, wodurch die elektrischen Fähigkeiten des Kondensators durch das Erreichen ultraniedriger ESR-Werte signifikant verbessert werden. Es besteht auch ein Bedürfnis nach einer solchen Ausgewogenheit, während auch die zum elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses mit einem Anoden-Endteil benötigte Energie minimiert wird.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der ein Kondensatorelement, einen ersten Anodenanschluss, einen zweiten Anodenanschluss und einen Trägerdraht umfasst. Das Kondensatorelement umfasst einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht, welche einen festen Elektrolyten umfasst, bedeckt. Zusätzlich weist der erste Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, auf. Ebenso weist der zweite Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, auf. Indessen befindet sich der Trägerdraht außerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers. Ein erster Teil des Trägerdrahts ist mit dem äußeren Teil des ersten Anodenanschlusses und dem äußeren Teil des zweiten Anodenanschlusses verbunden, und ein zweiter Teil des Trägerdrahts erstreckt sich in Längsrichtung von der Oberfläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Positionieren eines ersten Anodenanschlusses und eines zweiten Anodenanschlusses innerhalb eines Pulvers, das aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet ist, wobei der erste Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb eines porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, aufweist und wobei der zweite Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb eines porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers erstreckt, aufweist, das Kompaktieren des Pulvers um den eingebetteten Teil des ersten Anodenanschlusses und den eingebetteten Teil des zweiten Anodenanschlusses herum, das Sintern des kompaktierten Pulvers unter Bildung eines gesinterten porösen Anodenkörpers und das Positionieren eines Trägerdrahts außerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers, wobei der Trägerdraht einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbinden des ersten Teils des Trägerdrahts mit dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Anodenanschluss und das Verbinden des zweiten Teils des Trägerdrahts mit einem Anoden-Endteil unter Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Teil des Trägerdrahts und dem Anoden-Endteil, wobei sich weiterhin der zweite Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt.
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 und einschließlich Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
3 eine Draufsicht auf eine zusätzliche Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
4 eine Draufsicht auf noch eine andere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht auf noch eine andere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
8 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
9 eine Draufsicht auf eine zusätzliche Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
10 eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
11 eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
12 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
13 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
14 eine Draufsicht auf eine zusätzliche Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
15 eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
16 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung; und
18 ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Elektrolytkondensators der vorliegenden Erfindung.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der 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 enthält, das einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht, welche einen festen Elektrolyten umfasst, bedeckt, umfasst. Der Kondensator umfasst auch einen ersten Anodenanschluss und einen zweiten Anodenanschluss. Der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss weisen jeweils einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers in Längsrichtung erstreckt, auf. Der Kondensator umfasst auch einen Trägerdraht, der sich außerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, wobei ein erster Teil des Trägerdrahts mit dem äußeren Teil des ersten Anodenanschlusses und dem äußeren Teil des zweiten Anodenanschlusses verbunden ist, wobei sich ein zweiter Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Oberfläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Verwendung von zwei oder mehr Anodenanschlüssen, die innerhalb des Anodenkörpers eingebettet sind, aufgrund von erhöhten Kontaktpunkten zwischen dem Anodenanschlussmaterial und dem Anodenkörper den ESR des resultierenden Kondensators im Vergleich zu dem Fall, dass ein einziger Anodenanschluss innerhalb des Anodenkörpers eingebettet ist, reduzieren kann. Weiterhin kann die besondere Anordnung des Trägerdrahts den ESR des resultierenden Kondensators weiter reduzieren, wobei sich ein erster Teil des Trägerdrahts zwischen den externen Teilen des ersten und des zweiten Anodenanschlusses befindet und mit diesen verbunden ist. Außerdem kann die Verwendung eines Trägerdrahts, bei dem der zweite Teil des Trägerdrahts einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser des ersten Anodenanschlusses und ein Durchmesser des zweiten Anodenanschlusses, den ESR weiter reduzieren, indem sie den gesamten inneren Widerstand, der dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Anodenanschluss zuzuordnen ist, einschränkt. Außerdem erleichtert der Trägerdraht die Reduktion der Energie, die erforderlich ist, und den Anodenkörper elektrisch mit dem Anoden-Endteil zu verbinden.
Weiterhin kann die besondere Anordnung der eingebetteten Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses den Leckstrom (DCL) des resultierenden Kondensators reduzieren. Zum Beispiel kann in einer bestimmten Ausführungsform ein Teil des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses oder beide abgeflacht oder gequetscht sein, was den DCL des resultierenden Kondensators reduzieren kann. Außerdem kann die Verwendung eines Trägerdrahts mit einem kleineren Durchmesser als der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss, um die Anoden während chemischer Vorgänge, wie Anodisierung und Kathodenaufbau, zu tragen, Materialkosten reduzieren, da ein Teil des Trägerdrahts schließlich von dem Kondensator selbst abgeschnitten werden kann und als Komponente des ersten Kondensatorprodukts nicht benötigt wird.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt ausführlicher beschrieben.
I. Kondensatorelement
Das Kondensatorelement der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anode, eine dielektrische Schicht und eine Kathode sowie optionale zusätzliche Schichten, die im Folgenden jeweils ausführlicher beschrieben sind.
A. Anode
Der poröse Anodenkörper des Kondensators der vorliegenden Erfindung kann typischerweise aus einer Ventilmetallzusammensetzung mit einer hohen spezifischen Ladung gebildet sein, 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 μF·V/g bis etwa 600000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 40000 μF·V/g bis etwa 500000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 70000 μF·V/g bis etwa 400000 μF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 100000 μF·V/g bis etwa 350000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150000 μF·V/g 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 auf einem Ventilmetall basierende Verbindung, 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 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. Zum Beispiel kann es sich bei dem Nioboxid 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 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 den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.), 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 Heraeus (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, wenn wir uns zum Beispiel auf 1 beziehen, so um wenigstens einen eingebetteten Teil 60 eines ersten Anodenanschlusses 59 herum und einen eingebetteten Teil 63 eines zweiten Anodenanschlusses 62 herum kompaktiert, dass sich ein externer Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und ein externer Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 von dem kompaktierten porösen Anodenkörper 3 weg erstreckt, wie im Folgenden noch ausführlicher diskutiert wird. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass das Pulver auch um mehr als zwei Anodenanschlüsse, wie 3 Anodenanschlüsse, 4 Anodenanschlüsse, 5 Anodenanschlüsse, oder mehr herum kompaktiert werden kann. 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 aufeinander 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 können der eingebettete Teil 60 des ersten Anodenanschlusses 59 und der eingebettete Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 darin eingebettet werden. Die Matrize kann einen einzigen oder mehrere Schlitze definieren, in die die Anodenanschlüsse eingesetzt werden können. Nach dem Befüllen der Matrize mit Pulver und Einbetten des ersten Anodenanschlusses und des zweiten 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, das sich entlang einer Längsachse (d. h. der z-Achse in den 1 bis 18) erstreckt, verläuft. Dies zwingt die Teilchen in engen Kontakt mit dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten 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 unter Bildung einer porösen integralen Masse gesintert. Der Pressling wird 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 1–18 gezeigt sind, liegt der gesinterte poröse Anodenkörper 33 in Form eines quadratischen oder rechteckigen Presslings vor. Außer einer quadratischen oder rechteckigen Form kann die Anode jedoch auch eine kubische, zylindrische, kreisförmige oder jede andere geometrische Form aufweisen. Die Anode kann auch insofern eine ”geriffelte” Form haben, dass sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Aussparungen oder Einkerbungen enthalten kann, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen. Solche ”geriffelten” Anoden sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 (Webber et al.), 5,949,639 (Maeda et al.) und 3,345,545 (Bourgault et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0270725 (Hahn et al.) beschrieben, auf die hiermit für alle Zwecke ausdrücklich Bezug genommen wird.
Wir beziehen uns nun auf die 1–18; verschiedene Kondensatoren der vorliegenden Offenbarung können einen porösen Anodenkörper 33 mit wenigstens einem ersten Anodenanschluss 59, einem zweiten Anodenanschluss 62, wie es oben diskutiert wurde, in Verbindung mit wenigstens einem Trägerdraht 65, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird. Wie in den 16–17 gezeigt ist, kann der poröse Anodenkörper 33 (und das daraus gebildete Kondensatorelement) eine vordere Fläche 74, eine hintere Fläche 75, eine obere Fläche 76 und eine untere Fläche 77, eine erste Seitenfläche 78 und eine zweite Seitenfläche 79 aufweisen. Wir beziehen uns nun auf die 1 und 16–17; der poröse Anodenkörper 33 kann auch eine Breite W₅, die sich zum Beispiel auf die Breite der vorderen Fläche 74 entlang der x-Achse beziehen kann, eine Länge L₁, die sich zum Beispiel auf die Länge der ersten Seitenfläche 78 oder der zweiten Seitenfläche 79 in z-Richtung beziehen kann, und eine Höhe H₁, die sich zum Beispiel auf die Höhe oder Dicke der vorderen Fläche 36 entlang der y-Richtung beziehen kann, aufweisen. Die Breite W₅ der vorderen Fläche 74 des porösen Anodenkörpers 33 kann im Bereich von etwa 0,5 Millimeter bis etwa 6 Millimeter, wie etwa 0,75 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, wie etwa 1 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, liegen. Weiterhin kann die Länge L₁ der ersten Seitenfläche 78 oder der zweiten Seitenfläche 79 in z-Richtung im Bereich von etwa 0,25 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, wie etwa 0,5 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, wie etwa 0,75 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, liegen. Außerdem kann die Höhe H₁ der vorderen Fläche 74 des porösen Anodenkörpers 33 in y-Richtung im Bereich von etwa 0,2 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, wie etwa 0,4 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, wie etwa 0,6 Millimeter bis etwa 2 Millimeter liegen.
B. Dielektrikum
Obwohl es nicht gezeigt ist, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass ein Dielektrikum den porösen Anodenkörper bedeckt oder beschichtet. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man die gesinterte Anode anodisch oxidiert (”anodisiert”), so dass auf und/oder innerhalb des Anodenkörpers eine dielektrische Schicht entsteht. Zum Beispiel kann ein Anodenkörper aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst eine Lösung auf den Anodenkörper aufträgt, etwa durch Eintauchen des Anodenkörpers 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 Bildungsspannung bewirkt die 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 des Anodenkörpers gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung bei der die anodische Oxidation auftritt liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 250 V und in einigen Ausführungsformen etwa 9 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 V. 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 durchgeführt werden. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche des Anodenkörpers und innerhalb seiner Poren gebildet werden.
C. Fester Elektrolyt
Das Kondensatorelement enthält auch einen festen Elektrolyten, der als Kathode für den Kondensator fungiert. Ein fester Elektrolyt aus 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 sein. Die darin eingesetzten leitfähigen Polymere können π-konjugiert sein und nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS/cm 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 = 0 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 ebenfalls 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 können in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert werden. 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 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 auf dem Anodenteil in situ stattfindet. Geeignete Auftragstechniken, zu denen etwa Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung gehören, können zur Bildung einer leitfähigen Polymerbeschichtung verwendet werden. Als Beispiel kann das Monomer zunächst unter Bildung einer Vorlauferlösung mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden. Sobald das Gemisch gebildet ist, kann es auf den Anodenteil 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 Anodenteil 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 kann typischerweise bei Temperaturen von etwa –10°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 200°C durchgeführt werden, abhängig von dem verwendeten Oxidationsmittel und der gewünschten Reaktionszeit. Geeignete Polymerisationstechniken, wie sie oben beschrieben sind, sind ausführlicher in 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.
Außer 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 bis etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer. 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.
D. Zusätzliche Schichten
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann 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 Haftung am Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, was den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Da man im Allgemeinen den Grad der Randabdeckung verbessern und nicht das Innere des Anodenkörpers imprägnieren möchte, haben die in der externen Beschichtung verwendeten Teilchen typischerweise eine größere Größe als diejenigen, die in irgendwelchen optionalen Dispersionen des festen Elektrolyten eingesetzt werden. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der mittleren Größe der Teilchen, die in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, zur mittleren Größe der Teilchen, die in irgendeiner Dispersion des festen Elektrolyten eingesetzt werden, 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 Nanometer bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Nanometer bis etwa 250 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Nanometer bis etwa 200 Nanometer aufweisen.
Falls gewünscht, kann auch ein Vernetzungsmittel in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, um den Grad der Haftung am festen Elektrolyten zu verstärken. 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 kann typischerweise aus einer Lösung oder Dispersion aufgetragen werden, deren pH-Wert 1 bis 10, in einigen Ausführungsformen 2 bis 7 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 6 beträgt, bestimmt bei 25°C. 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, 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 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Mikrometer bis etwa 40 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer liegen.
Falls gewünscht, kann der Kondensator auch andere Schichten enthalten. 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, 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 oder mehr und in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10¹⁰ Ω·cm aufweisen. Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt 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 Teil 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.
II. Anodenanschluss-Baugruppe
Wie oben diskutiert, kann der Elektrolytkondensator der vorliegenden Erfindung eine Anoden-Baugruppe umfassen, die wenigstens einen ersten Anodenanschluss, einen zweiten Anodenanschluss und einen Trägerdraht umfasst, obwohl man sich darüber im Klaren sein sollte, dass jede geeignete Anzahl von Anodenanschlüssen und Trägerdrähten verwendet werden kann. Der erste Anodenanschluss, der zweite Anodenanschluss und alle zusätzlichen Anodenanschlüsse können einen eingebetteten Teil, der innerhalb des porösen Anodenkörpers eingebettet ist, und einen externen Teil, der sich ausgehend von einer Fläche desselben in Längsrichtung erstreckt, aufweisen. Weiterhin ist der wenigstens eine Trägerdraht nicht innerhalb des porösen Anodenkörpers eingebettet und kann ersten Teil, der mit dem äußeren Teil des ersten Anodenanschlusses, dem zweiten Anodenanschluss und jedem zusätzlichen Anschluss verbunden ist, während sich ein zweiter Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt. Der erste Anodenanschluss, der zweite Anodenanschluss, jeder zusätzliche Anodenanschluss, der Trägerdraht und alle zusätzlichen Trägerdrähte können aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Nickel, Aluminium, Hafnium, Titan, Edelstahl usw. sowie Legierungen, Oxiden und/oder Nitriden davon gebildet sein. In einer Ausführungsform können die Anodenanschlüsse und der Trägerdraht aus Tantal bestehen. In einer anderen Ausführungsform können der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss aus Tantal bestehen, während der Trägerdraht aus Edelstahl, Nickel oder einer Nickellegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung, Messing, Zinnmessing, Nickelsilber, Bronze, Phosphorbronze, Kupronickel, Patronenmessing und irgendwelchen Derivaten davon bestehen kann, was dazu beitragen kann, die Kosten der Anodenanschluss-Baugruppe zu reduzieren. In einer bestimmten Ausführungsform kann der Trägerdraht aus NILO^® gebildet sein, bei dem es sich um eine Nickel-Eisen-Legierung handelt.
Außerdem können der erste und der zweite Anodenanschluss jede gewünschte Querschnittsform besitzen, wie kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig, trapezoid, normal-oval, länglich oval usw. oder eine Kombination davon. In einigen Ausführungsformen können der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss kreisförmig sein, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss (und alle anderen, zusätzlichen Anodenanschlüsse) eine Breite oder einen Durchmesser in der x-Richtung W₁ bzw. W₂ (oder Höhe in der z-Richtung, nicht gezeigt) im Bereich von etwa 200 Mikrometer bis etwa 800 Mikrometer, wie etwa 300 Mikrometer bis etwa 700 Mikrometer, wie etwa 400 Mikrometer bis etwa 600 Mikrometer, aufweisen können. Weiterhin kann der eingebettete Teil des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses durch eine Lücke oder Breite W₃ in x-Richtung beabstandet sein, wobei die Lücke W₃ im Bereich von etwa 25 Mikrometer bis etwa 400 Mikrometer, wie etwa 50 Mikrometer bis etwa 300 Mikrometer, wie etwa 100 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer, liegen kann (siehe 1–5).
Während in anderen Ausführungsformen der größte Teil der Länge des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und des Trägerdrahts kreisförmig mit den oben beschriebenen Abmessungen sein können, können ein Teil des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und/oder ein Teil des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses (z. B. ein Endteil des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses) aufgrund von Abflachen, Krimpen, Komprimieren oder sonstiges Verändern der Form des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und/oder des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses mit zum Beispiel einer Krimp- oder Quetschvorrichtung eine ovale oder rechteckige Form aufweisen, so dass die abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teile eine Dicke oder einen Durchmesser in x-Richtung aufweisen können, die oder der größer ist als der Rest des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses. Dieses Abflachen, Krimpen, Komprimieren usw. kann den DCL des resultierenden Kondensators reduzieren. Weiterhin kann dieses Abflachen, Krimpen, Komprimieren usw. obwohl es nicht erforderlich ist, in einem solchen Ausmaß durchgeführt werden, dass die Teile des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses, die abgeflacht, gekrimpt, komprimiert usw. wurden, miteinander in Kontakt stehen, so dass es keine Lücke zwischen den abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teilen gibt (siehe 11–17). In anderen Ausführungsformen gibt es eine Lücke zwischen diesen abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teilen des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses, wobei die Lücke oder Breite W₃ reduziert sein kann, so dass sie im Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer, wie etwa 1 Mikrometer bis etwa 150 Mikrometer, wie etwa 5 Mikrometer bis etwa 125 Mikrometer, liegt (siehe 6–10).
Außerdem können ein Teil des externen Teils des ersten Anodenanschlusses und/oder ein Teil des externen Teils des zweiten Anodenanschlusses aufgrund von Abflachen, Krimpen, Komprimieren oder sonstiges Verändern der Form des externen Teils des ersten Anodenanschlusses und/oder ein Teil des externen Teils des zweiten Anodenanschlusses eine ovale oder rechteckige Form aufweisen, um den ersten Anodenanschluss und den zweiten Anodenanschluss mit dem Trägerdraht zu verbinden, wobei ein Teil davon auch aufgrund von Abflachen, Krimpen, Komprimieren oder sonstiges Verändern der Form des Trägerdrahts eine ovale oder rechteckige Form aufweisen kann, wenn der Trägerdraht durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder nach irgendeinem geeigneten Verfahren mit dem externen Teil des ersten Anodenanschlusses und dem externen Teil des zweiten Anodenanschlusses verbunden wird.
Weiterhin können der eine oder die mehreren Trägerdrähte kreisförmig sein und können eine Breite oder einen Durchmesser in der x-Richtung W₄ (oder Höhe in der z-Richtung, nicht gezeigt) im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 300 Mikrometer, wie etwa 75 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer, wie etwa 100 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer, aufweisen. Um den ESR des resultierenden Kondensators zu reduzieren, kann das Verhältnis der Breite/des Durchmessers des ersten oder zweiten Anodenanschlusses zur Breite/zum Durchmesser des Trägerdrahts im Allgemeinen im Bereich von etwa 1,1 bis etwa 5, wie etwa 1,25 bis etwa 4, wie etwa 1,5 bis etwa 3, liegen. Außerdem kann wenigstens ein Teil des ersten Teils des Trägerdrahts (z. B. der Teil, der mit den externen Teilen des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und jedes zusätzlichen Anodenanschlusses verbunden ist) aufgrund der Bildung der Verbindung zwischen den Anodenanschlüssen und dem Trägerdraht durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder nach irgendeinem geeigneten Verfahren abgeflacht, gekrimpt, komprimiert oder in sonstiger Weise verändert werden.
Als Ergebnis der oben beschriebenen Anodenanschluss/Trägerdraht-Konfigurationen kann die Bindung zwischen den eingebetteten Teilen des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und jedes zusätzlichen Anodenanschlusses und den Teilchen des Anodenkörpers aufgrund der größeren Breite/größeren Durchmesser des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und jedes zusätzlichen Anodenanschlusses verbessert werden, was zu einem niedrigeren ESR führt. Da der oder die Trägerdrähte indessen eine geringere Breite/einen geringeren Durchmesser aufweisen als die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse, ist die Energie, die erforderlich ist, um den Anodenkörper mit dem Anoden-Endteil elektrisch zu verbinden, signifikant reduziert. Somit kann die Kombination der Anodenanschlüsse mit dem größeren Durchmesser mit dem oder den Trägerdrähten mit dem kleineren Durchmesser den ESR und den DCL des resultierenden Kondensators synergistisch reduzieren. Während außerdem die externen Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses dieselbe oder eine größere Breite/Durchmesser aufweisen wie die eingebetteten Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses, können sich die externen Teile nur über eine kurze Strecke von einer Fläche des Anodenkörpers weg erstrecken, um die Länge der externen Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses zu minimieren, was wiederum den ESR minimieren kann. Zum Beispiel können die externen Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses eine Länge L₂ in z-Richtung im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 1250 Mikrometer, wie etwa 100 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer, wie etwa 250 Mikrometer bis etwa 750 Mikrometer, aufweisen. Andererseits können der oder die Trägerdrähte, die verwendet werden können, um eine elektrische Verbindung mit einem Anoden-Endteil zu bilden, einen geringeren Durchmesser aufweisen als die Anodenanschlüsse, was den inneren Widerstand des oder der Trägerdrähte reduzieren kann und dadurch den ESR der Anodenanschluss-Baugruppe, die sich von dem porösen Anodenkörper weg außerhalb desselben erstreckt, minimiert.
Im Folgenden sind verschiedene Ausführungsformen des von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogenen Kondensators ausführlicher diskutiert. Die 1–5 zeigen Kondensatoren, bei denen ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss und ein Trägerdraht oder ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss, ein dritter Anodenanschluss, ein erster Trägerdraht und ein zweiter Trägerdraht verwendet werden, wobei die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse einen gleichmäßigen Durchmesser aufweisen, so dass es eine Lücke zwischen den eingebetteten Teilen der Anodenanschlüsse gibt. Indessen zeigen die 6–10 Kondensatoren, bei denen ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss und ein Trägerdraht oder ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss, ein dritter Anodenanschluss, ein erster Trägerdraht und ein zweiter Trägerdraht verwendet werden, wobei die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse abgeflacht, gekrimpt, komprimiert usw. wurden, so dass es eine kleinere Lücke zwischen den eingebetteten Teilen der Anodenanschlüsse gibt als die in den 1–5 vorhandene Lücke. Andererseits zeigen die 11–17 Kondensatoren, bei denen ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss und ein Trägerdraht oder ein erster Anodenanschluss, ein zweiter Anodenanschluss, ein dritter Anodenanschluss, ein erster Trägerdraht und ein zweiter Trägerdraht verwendet werden, wobei die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse abgeflacht, gekrimpt, komprimiert usw. wurden, so dass die abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teile des ersten Anodenanschlusses und des zweiten Anodenanschlusses miteinander in Kontakt sind und die abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teile des zweiten Anodenanschlusses und des dritten Anodenanschlusses miteinander in Kontakt sind (d. h. es gibt keine Lücke zwischen den eingebetteten Teilen der Anodenanschlüsse).
Wir wenden uns nun zuerst 1 zu, wo ein Kondensator 100 gezeigt ist, der ein Kondensatorelement umfasst, das einen porösen Anodenkörper 33, ein Dielektrikum (nicht gezeigt), eine Kathode (nicht gezeigt), einen ersten Anodenanschluss 59, einen zweiten Anodenanschluss 62 und einen Trägerdraht 65 umfasst. Der erste Anodenanschluss 59 umfasst einen eingebetteten Teil 60, der innerhalb des porösen Anodenkörpers 33 eingebettet ist, und einen externen Teil 61, der sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper 33 in Längsrichtung oder z-Richtung erstreckt, während der zweite Anodenanschluss 62 einen eingebetteten Teil 63, der innerhalb des porösen Anodenkörpers 33 eingebettet ist, und einen externen Teil 64, der sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper 33 in Längsrichtung oder z-Richtung erstreckt, umfasst. Der eingebettete Teil 60 des ersten Anodenanschlusses 59 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite oder Durchmesser W₁ auf, und der eingebettete Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite oder Durchmesser W₂ auf, so dass es eine Lücke W₃ zwischen dem eingebetteten Teil 60 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem eingebetteten Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 gibt. Der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 sind mit einem ersten Teil 66 des Trägerdrahts 65 verbunden, wobei der Trägerdraht 65 eine Breite W₄ aufweist und sich in Längs- oder z-Richtung von dem porösen Anodenkörper 33 weg erstreckt. Insbesondere befindet sich der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 zwischen dem externen Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62. Weiterhin können der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59, der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 und der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65, obwohl es nicht erforderlich ist, durch Widerstandsschweißen oder nach irgendeinem geeigneten Verfahren abgeflacht, gekrimpt, komprimiert usw. werden, um die Verbindung zu bilden. Wir beziehen uns nun auf 18; als Ergebnis kann der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 eine abgeflachte Fläche 36 aufweisen, der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 kann eine abgeflachte Fläche 37 aufweisen, und der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 kann eine abgeflachte Fläche 38 aufweisen, wobei sich der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 zwischen dem externen Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 befindet und mit diesen verbunden ist. Der Trägerdraht 65 umfasst auch einen zweiten Teil 67, der an einem Schlitz 43 elektrisch mit einem hochragenden Teil 42 eines Anoden-Endteils 35 verbunden ist und sich bis über den hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 hinaus erstreckt, obwohl der Trägerdraht 65 am hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 zurechtgeschnitten werden kann, bevor man den Kondensator innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) montiert. Die verschiedenen Merkmale des Anoden-Endteils 35, des Kathoden-Endteils 44 und des Gehäuses werden im Folgenden ausführlicher diskutiert.
In einer anderen Ausführungsform, wie sie in 2 gezeigt ist, zieht die vorliegende Erfindung einen Kondensator 101 in Betracht, wobei der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 an den Schlitzen 43a bzw. 43b elektrisch mit dem hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils verbunden sein können, anstatt dass der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 an einem Schlitz 43 elektrisch mit einem hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 verbunden ist, wie in dem Kondensator 100 von 1.
Wir beziehen uns nun auf 3; in einer zusätzlichen Ausführungsform ist ein Kondensator 102 gezeigt, der ein Kondensatorelement umfasst, das einen porösen Anodenkörper 33, ein Dielektrikum (nicht gezeigt), eine Kathode (nicht gezeigt), einen ersten Anodenanschluss 59, einen zweiten Anodenanschluss 62, einen dritten Anodenanschluss 71, einen ersten Trägerdraht 65 und einen zweiten Trägerdraht 68 umfasst. Der erste Anodenanschluss 59 umfasst einen eingebetteten Teil 60, der innerhalb des porösen Anodenkörpers 33 eingebettet ist, und einen externen Teil 61, der sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper 33 in Längsrichtung oder z-Richtung erstreckt, der zweite Anodenanschluss 62 umfasst einen eingebetteten Teil 63, der innerhalb des porösen Anodenkörpers 33 eingebettet ist, und einen externen Teil 64, der sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper 33 in Längsrichtung oder z-Richtung erstreckt, und der dritte Anodenanschluss 72 umfasst einen eingebetteten Teil 72, der innerhalb des porösen Anodenkörpers 33 eingebettet ist, und einen externen Teil 73, der sich ausgehend von dem porösen Anodenkörper 33 in Längsrichtung oder z-Richtung erstreckt. Der eingebettete Teil 60 des ersten Anodenanschlusses 59 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite oder Durchmesser W₁ auf, und der eingebettete Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 weist eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite oder Durchmesser W₂ auf, so dass es eine Lücke W₃ zwischen dem eingebetteten Teil 60 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem eingebetteten Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 gibt. Weiterhin weist der eingebettete Teil 72 des dritten Anodenanschlusses 71 eine im Wesentlichen gleichmäßige Breite oder Durchmesser W₆ auf, so dass es eine Lücke W₇ zwischen dem eingebetteten Teil 63 des zweiten Anodenanschlusses 62 und dem eingebetteten Teil 72 des dritten Anodenanschlusses 71 gibt. Außerdem sind der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 sind mit einem ersten Teil 66 des ersten Trägerdrahts 65 verbunden, wobei der erste Trägerdraht 65 eine Breite W₄ aufweist und sich in Längs- oder z-Richtung von dem porösen Anodenkörper 33 weg erstreckt. Insbesondere befindet sich der erste Teil 66 des ersten Trägerdrahts 65 zwischen dem externen Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62. Außerdem sind der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 und der externe Teil 73 des dritten Anodenanschlusses 71 mit einem ersten Teil 69 des zweiten Trägerdrahts 68 verbunden, wobei der zweite Trägerdraht 68 eine Breite W₈ aufweist und sich in Längs- oder z-Richtung von dem porösen Anodenkörper 33 weg erstreckt. Insbesondere befindet sich der erste Teil 69 des zweiten Trägerdrahts 68 zwischen dem externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 und dem externen Teil 73 des dritten Anodenanschlusses 71. Weiterhin können der externe Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59, der externe Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62, der externe Teil 73 des dritten Anodenanschlusses 71, der erste Teil 66 des ersten Trägerdrahts 65 und der erste Teil 69 des zweiten Trägerdrahts 68, obwohl es nicht erforderlich ist, durch Widerstandsschweißen oder nach irgendeinem geeigneten Verfahren abgeflacht, gekrimpt, komprimiert usw. werden, um die Verbindung zu bilden. Der erste Trägerdraht 65 umfasst auch einen zweiten Teil 67, der an einem Schlitz 43a elektrisch mit einem hochragenden Teil 42 eines Anoden-Endteils 35 verbunden ist und sich bis über den hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 hinaus erstreckt, während der zweite Trägerdraht 68 auch einen zweiten Teil 70 umfasst, der an einem Schlitz 43b elektrisch mit einem hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 verbunden ist und sich bis über den hochragenden Teil 42b hinaus erstreckt, obwohl der erste Trägerdraht 65 und der zweite Trägerdraht 68 am hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 zurechtgeschnitten werden können, bevor man den Kondensator innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) montiert. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Abmessungen für W₆, W₇ und W₈ dieselben sein können, wie sie oben für W₁, W₂, W₃ und W₄ diskutiert wurden.
Dann zieht die vorliegende Erfindung in noch einer anderen Ausführungsform, wie sie in 4 gezeigt ist, einen Kondensator 103 in Betracht, der dem Kondensator 100 von 1 ähnlich ist, abgesehen von der Lage des ersten Teils 66 des Trägerdrahts 65. Anstatt dass sich der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 zwischen dem externen Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und dem externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 befindet und sich in Längs- oder z-Richtung von dem Anodenkörper weg erstreckt, wie es in 1 gezeigt ist, befindet sich in 4 der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 in dem Kondensator 103 im Wesentlichen senkrecht zur Längs- oder z-Richtung und erstreckt sich in Quer- oder x-Richtung über die Breite W₁ des externen Teils 61 des ersten Anodenanschlusses 59 und die Breite W₃ des externen Teils 64 des zweiten Anodenanschlusses 62.
In noch einer anderen Ausführungsform, wie sie in 5 gezeigt ist, zieht die vorliegende Erfindung einen Kondensator 104 in Betracht, der dem Kondensator 102 von 3 ähnlich ist, abgesehen davon, dass anstatt der Verwendung eines einzelnen Trägerdrahts 65 und eines zweiten Trägerdrahts 68 nur ein erster Trägerdraht 65 verwendet wird, um eine Verbindung zwischen den drei Anodenanschlüssen und dem hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 zu bilden. Um einen einzelnen Trägerdraht 65 zu verwenden, um den externen Teil 61 des ersten Anodenanschlusses 59, den externen Teil 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 und den externen Teil 73 des dritten Anodenanschlusses 71 miteinander zu verbinden, befindet sich der erste Teil 66 des Trägerdrahts 65 im Wesentlichen senkrecht zur Längs- oder z-Richtung und erstreckt sich in Quer- oder x-Richtung über die Breite W₁ des externen Teils 61 des ersten Anodenanschlusses 59, die Breite W₃ des externen Teils 64 des zweiten Anodenanschlusses 62 und die Breite W₆ des externen Teils 73 des dritten Anodenanschlusses 71. Dann wird ein zweiter Teil 67 des Trägerdrahts 65 am Schlitz 43 mit einem hochragenden Teil 42 des Anoden-Endteils 35 verbunden.
Wir beziehen uns nun auf die 6–10; die Kondensatoren 105, 106, 107, 108 und 109 sind gezeigt, die den Kondensatoren 100, 101, 102, 103 bzw. 104 ähnlich sind, außer dass die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse abgeflacht, gekrimpt, komprimiert oder in sonstiger Weise verändert wurden, so dass die abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teile eine Dicke oder einen Durchmesser in x-Richtung aufweisen können, die oder der größer ist als der Rest der eingebetteten Teile des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und des dritten Anodenanschlusses, was zu einer kleineren Lücke W₃ zwischen den abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. eingebetteten Teilen 80 und 81 des ersten Anodenanschlusses 59 bzw. des zweiten Anodenanschlusses 62 und einer kleineren Lücke W₇ zwischen den abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. eingebetteten Teilen 81 und 82 des zweiten Anodenanschlusses 62 bzw. des dritten Anodenanschlusses 71 im Vergleich zu den Lücken W₃ und W₇ der 1–5 führt. Weiterhin können als Ergebnis des Abflachens, Krimpens, Komprimierens usw. des eingebetteten Teils 80 des ersten Anodenanschlusses 59, des eingebetteten Teils 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 und des eingebetteten Teils 82 des dritten Anodenanschlusses 71 der abgeflachte eingebettete Teil 80 des ersten Anodenanschlusses 59, der abgeflachte eingebettete Teil 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 und der abgeflachte eingebettete Teil 82 des dritten Anodenanschlusses 71 die Breiten W₉, W₁₀ und W₁₁ aufweisen, die im Vergleich zu den Breiten W₁, W₂ und W₆ der eingebetteten Teile 60, 63 und 72 des ersten Anodenanschlusses 59, des zweiten Anodenanschlusses 62 und des dritten Anodenanschlusses 71 erhöht sind.
Wir beziehen uns nun auf die 11-15; die Kondensatoren 110, 111, 112, 113 und 114 sind gezeigt, die den Kondensatoren 100, 101, 102, 103 bzw. 104 ähnlich sind, außer dass die eingebetteten Teile der Anodenanschlüsse abgeflacht, gekrimpt, komprimiert oder in sonstiger Weise verändert wurden, so dass die abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. Teile eine Dicke oder einen Durchmesser in x-Richtung aufweisen können, die oder der größer ist als der Rest der eingebetteten Teile des ersten Anodenanschlusses, des zweiten Anodenanschlusses und des dritten Anodenanschlusses, so dass es keine Lücke zwischen den abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. eingebetteten Teilen 80 und 81 des ersten Anodenanschlusses 59 bzw. des zweiten Anodenanschlusses 62 gibt und es keine Lücke zwischen den abgeflachten, gekrimpten, komprimierten usw. eingebetteten Teilen 81 und 82 des zweiten Anodenanschlusses 62 bzw. des dritten Anodenanschlusses 71 gibt, so dass die eingebetteten Teile 80 und 81 des ersten Anodenanschlusses 50 und des zweiten Anodenanschlusses 62 miteinander in Kontakt und verbunden sind, und die eingebetteten Teile 81 und 82 des zweiten Anodenanschlusses 62 und des dritten Anodenanschlusses 71 sind miteinander in Kontakt und verbunden. Weiterhin können als Ergebnis des Abflachens, Krimpens, Komprimierens usw. des eingebetteten Teils 80 des ersten Anodenanschlusses 59, des eingebetteten Teils 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 und des eingebetteten Teils 82 des dritten Anodenanschlusses 71 der abgeflachte eingebettete Teil 80 des ersten Anodenanschlusses 59, der abgeflachte eingebettete Teil 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 und der abgeflachte eingebettete Teil 82 des dritten Anodenanschlusses 71 die Breiten W₉, W₁₀ und W₁₁ aufweisen, die im Vergleich zu den Breiten W₁, W₂ und W₆ der eingebetteten Teile 60, 63 und 72 des ersten Anodenanschlusses 59, des zweiten Anodenanschlusses 62 und des dritten Anodenanschlusses 71 erhöht sind.
Weiterhin zeigen die 16 und 17 alternative Anordnungen für die Anodenanschlüsse in 14 bzw. 15. Anstatt dass zum Beispiel in 16 der abgeflachte eingebettete Teil 80 des ersten Anodenanschlusses 59 und der abgeflachte eingebettete Teil 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 durch Widerstandsschweißen (RW) und/oder Laserschweißen (LW) miteinander verbunden werden, so dass die Breite W₉ und W₁₀ der abgeflachten eingebetteten Teile 80 und 81 in Quer- oder x-Richtung erhöht sind, wie in 14, werden das Widerstandsschweißen oder das Laserschweißen so durchgeführt, dass die Breite W₉ und W₁₀ der abgeflachten eingebetteten Teile 80 und 81 reduziert werden und die Höhe H₂ und H₃ der eingebetteten Teile 80 und 81 erhöht werden. Anstatt dass ebenso in 17 der abgeflachte eingebettete Teil 80 des ersten Anodenanschlusses 59, der abgeflachte eingebettete Teil 81 des zweiten Anodenanschlusses 62 und der abgeflachte eingebettete Teil 82 des dritten Anodenanschlusses 71 durch Widerstandsschweißen (RW) und/oder Laserschweißen (LW) miteinander verbunden werden, so dass die Breite W₉, W₁₀ und W₁₁ der abgeflachten eingebetteten Teile 80, 81 und 82 in Quer- oder x-Richtung erhöht sind, wie in 15, werden das Widerstandsschweißen oder das Laserschweißen so durchgeführt, dass die Breite W₉, W₁₀ und W₁₁ der abgeflachten eingebetteten Teile 80, 81 und 82 reduziert werden und die Höhe H₂, H₃ und H₄ der eingebetteten Teile 80, 81 und 82 erhöht werden.
Unabhängig von dem besonderen Aufbau oder der Art und Weise, wie der Kondensator der vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann er mit Endteilen verbunden werden, wie in der Technik wohlbekannt ist. Zum Beispiel können Anoden- und Kathoden-Endteile elektrisch mit dem zweiten Anodenanschluss bzw. der Kathode verbunden sein. Die spezielle Konfiguration der Endteile kann variieren, wie in der Technik wohlbekannt ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, kann zum Beispiel, wie in den 1–17 gezeigt ist, der Kondensator der vorliegenden Erfindung einen Leiterrahmen 40 umfassen, der ein Kathoden-Endteil 44 und ein Anoden-Endteil 35 umfasst. Das Kathoden-Endteil 44 kann einen planaren Teil 45 in elektrischem Kontakt mit einer unteren Fläche 77 des Kondensatorelements und einen hochragenden Teil 46, der im Wesentlichen senkrecht zum planaren Teil 45 positioniert ist und sich in elektrischem Kontakt mit einer hinteren Fläche 75 des Kondensatorelements befindet, enthalten. Um das Kondensatorelement am 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 1–17; obwohl es nicht erforderlich ist, kann das Anoden-Endteil 35 ebenso einen planaren Teil 41 und einen hochragenden Teil 42 enthalten. Der hochragende Teil 42 kann einen Bereich enthalten, der den zweiten Teil 67 des ersten Trägerdrahts 65 der vorliegenden Erfindung trägt. Zum Beispiel kann der Bereich einen Schlitz 43 zur Aufnahme des zweiten Teils 67 des ersten Trägerdrahts 65 besitzen. Wenn zwei Trägerdrähte verwendet werden, kann weiterhin der hochragende Teil 42 des Anoden-Endteils 35 einen Bereich, der einen zweiten Teil 67 des ersten Trägerdrahts 65 trägt, und einen Bereich, der einen zweiten Teil 70 des zweiten Trägerdrahts 68 trägt, enthalten. Insbesondere kann der Bereich einen Schlitz 43a zur Aufnahme des zweiten Teils 67 des ersten Trägerdrahts 65 und einen Schlitz 43b zur Aufnahme des zweiten Teils 70 des zweiten Trägerdrahts 68 besitzen. Der oder die Schlitze können jede gewünschte Form aufweisen und können U-förmig, V-förmig, kreisförmig, elliptisch, oval, rechteckig, quadratisch, gestuft usw. sein, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des zweiten Teils 72 des zweiten Anodenanschlusses 70 am Anoden-Endteil 35 weiter zu verstärken. Zum Beispiel kann die Geometrie der Schlitze 43 und 43a zur Geometrie des zweiten Teils 67 des ersten Trägerdrahts 65 passen, und die Geometrie des Schlitzes 43b kann zur Geometrie des zweiten Teils 70 des zweiten Trägerdrahts 68 passen. Die zweiten Teile 67 und 70 des ersten Trägerdrahts 65 und des zweiten Trägerdrahts 68 können durch jede geeignete 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, ist die zur Bildung einer ausreichenden Verschweißung erforderliche Energiemenge im Vergleich zu der Energiemenge, die erforderlich wäre, wenn die Anodenanschlüsse mit dem größeren Durchmesser direkt mit dem Anoden-Endteil verbunden wäre, reduziert. Durch Verwendung eines oder mehrerer Trägerdrähte mit kleinerem Durchmesser, die als direkte Verbindung zum Anoden-Endteil dienen sollen, kann also der Nutzen der Einbettung von relativ dicken Anodenanschlüssen in den porösen Anodenkörper 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/Höhe oder des reduzierten Durchmessers des oder der Trägerdrähte auf effizientere und kosteneffektivere Weise durchgeführt werden. Weiterhin kann der reduzierte innere Widerstand der Trägerdrähte weiterhin den ESR senken.
Sobald das Kondensatorelement gebildet und an den Endteilen befestigt ist, wie oben diskutiert wurde, und sobald die gegebenenfalls überschüssige Länge des Trägerdrahts zurechtgeschnitten wurde, können außerdem das Kondensatorelement und die Anodenanschluss-Baugruppe 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 5 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 Millimeter bis etwa 4 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 Millimeter bis etwa 3 Millimeter liegen. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”H” oder ”T” (AVX Corporation). Nach der Einbettung können die exponierten Teile des jeweiligen Anoden- und Kathoden-Endteils altern gelassen, überprüft und zurechtgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die exponierten Teile gegebenenfalls zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses (z. B. unter einem Winkel von ungefähr 90°) gebogen werden.
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann ein Kondensator gebildet werden, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist, 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.
Verlustfaktor
Der Verlustfaktor 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 60 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 der Anoden-Endteil-Komponente eines Leiterrahmens zu verbinden. Die Energie zum Schweißen wird in Joule gemessen.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 70000 μFV/g wurde zu einem Pressling gepresst, wobei ein poröser Körper mit einer Länge von 1,8 mm, einer Breite von 2,4 mm und einer Dicke von 1,2 mm entstand. Das Tantalpulver wurde in den Trichter einer automatischen Tantalformmaschine gegeben und automatisch zusammen mit zwei Tantaldrähten mit einem Durchmesser von 0,50 mm geformt und auf eine Dichte von 6,8 g/cm³ gepresst, um einen porösen Körper herzustellen. Die Eindringtiefe von Drähten in den porösen Körper betrug 70% der Anodenlänge. Dieser geformte Körper wurde unter reduziertem Druck bei 1300°C stehen gelassen, wobei man einen gesinterten Körper erhielt.
Die Tantaldrähte wurden abgeflacht, und dann wurde ein Trägertantaldraht mit einem Durchmesser von 0,19 mm durch ein Widerstandsschweißverfahren zwischen die Tantaldrähte geschweißt, wie in 18 gezeigt ist. Danach wurde der Trägerdraht (z. B. der Tantaldraht mit 0,19 mm Durchmesser) an einen Edelstahl-Hilfsstreifen geschweißt.
Die Tantalanode wurde in einem flüssigen Elektrolyten in Form von 0,1% Phosphorsäure bei 14 V anodisiert, um Kondensatoren mit 150 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 zwölfmal wiederholt. Danach 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. Ein Leiterrahmen auf Kupferbasis wurde verwendet, um das Montageverfahren zu Ende zu bringen. Sobald das Kondensatorelement an dem Kathoden-Endteil befestigt war, wurde der Anodenanschlussdraht durch ein Laserschweißverfahren an dem Anoden-Endteil befestigt. Dann wurde der Leiterrahmen mit einem Epoxid-Einbettungsharz eingeschlossen. Viele Teile (250) von Kondensatoren mit 150 μF/6,3 V wurden auf diese Weise hergestellt.
Vergleichsbeispiel 2
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 und der Draht kurz abgeschnitten wurde, bevor der Draht durch ein Laserschweißverfahren an dem Anoden-Endteil befestigt wurde. Viele Teile (250) 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 0,19 mm verwendet wurde. Viele Teile (250) wurden auf diese Weise hergestellt.

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

	Durchmesser des Ta-Trägerdrahts [mm]	Durchmesser der TaDrähte [mm]	Laserschweißenergie [3]	DCL [μA]	KAP [μF]	Df	ESR [mΩ]
Beispiel 1	0,19	2 × 0,50	6,0	24,0	133,2	1,5	15,4
Vergleichsbeispiel 2	-	1 × 0,50	6,0	19,1	137,1	1,6	19,2
Vergleichsbeispiel 3	-	1 × 0,19	6,0	7,4	144,9	1,6	35,0

Tabelle 1

Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 6391275 [0032]
US 6416730 [0032]
US 6527937 [0032]
US 6576099 [0032]
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US 6191936 [0036]
US 5949639 [0036]
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US 6674635 [0056]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sturmer et al. [0040]

Claims

Festelektrolytkondensator, wobei der Festelektrolytkondensator umfasst: ein Kondensatorelement, wobei das Kondensatorelement einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den gesinterten porösen Anodenkörper bedeckt, und eine Kathode, die die dielektrische Schicht, welche einen festen Elektrolyten umfasst, bedeckt, umfasst; einen ersten Anodenanschluss, der einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, aufweist; einen zweiten Anodenanschluss, der einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, aufweist; einen Trägerdraht, der sich außerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers befindet, wobei ein erster Teil des Trägerdrahts mit dem äußeren Teil des ersten Anodenanschlusses und dem äußeren Teil des zweiten Anodenanschlusses verbunden ist, wobei sich weiterhin ein zweiter Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Oberfläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Teil des Trägerdrahts einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses und der Durchmesser des zweiten Anodenanschlusses.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei das Verhältnis des Durchmessers entweder des ersten Anodenanschlusses oder des Durchmessers des zweiten Anodenanschlusses zum Durchmesser des Trägerdrahts im Bereich von etwa 1,1 bis etwa 5 liegt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei der Trägerdraht einen Durchmesser im Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 300 Mikrometer aufweist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 2, wobei der erste Anodenanschluss und der zweite Anodenanschluss jeweils einen Durchmesser im Bereich von etwa 200 Mikrometer bis etwa 800 Mikrometer aufweisen.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der erste Anodenanschluss, der zweite Anodenanschluss und der Trägerdraht Tantal umfassen.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und ein Teil des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses miteinander verbunden sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei ein Teil des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses, ein Teil des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses oder beide abgeflacht, gekrimpt oder komprimiert sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei sich der erste Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Oberfläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt, wobei sich weiterhin der erste Teil des Trägerdrahts zwischen dem externen Teil des ersten Anodenanschlusses und dem externen Teil des zweiten Anodenanschlusses befindet.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei sich der erste Teil des Trägerdrahts in einer z-Richtung senkrecht zur x-Richtung, in die sich der externe Teil des ersten Anodenanschlusses und der externe Teil des zweiten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstrecken, über den externen Teil des ersten Anodenanschlusses und den externen Teil des zweiten Anodenanschlusses erstreckt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der externe Teil des ersten Anodenanschlusses und der externe Teil des zweiten Anodenanschlusses durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder einer Kombination davon mit dem ersten Teil des Trägerdrahts verbunden sind.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin ein Anoden-Endteil umfasst, wobei der zweite Teil des Trägerdrahts mit dem Anoden-Endteil verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 12, wobei der zweite Teil des Trägerdrahts mit einem hochragenden Teil des Anoden-Endteils verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, der weiterhin ein Kathoden-Endteil umfasst, das elektrisch mit der Kathode verbunden ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper aus einem Pulver gebildet ist, das Tantal, ein elektrisch leitfähiges Oxid davon oder ein elektrisch leitfähiges Nitrid davon umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer umfasst.
Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, wobei das Verfahren umfasst: das Positionieren eines ersten Anodenanschlusses und eines zweiten Anodenanschlusses innerhalb eines Pulvers, das aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet ist, wobei der erste Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb eines porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers in x-Richtung erstreckt, aufweist und wobei der zweite Anodenanschluss einen eingebetteten Teil, der sich innerhalb eines porösen Anodenkörpers befindet, und einen externen Teil, der sich in Längsrichtung ausgehend von einer Fläche des porösen Anodenkörpers erstreckt, aufweist; das Kompaktieren des Pulvers um den eingebetteten Teil des ersten Anodenanschlusses und den eingebetteten Teil des zweiten Anodenanschlusses herum; das Sintern des kompaktierten Pulvers unter Bildung eines gesinterten porösen Anodenkörpers; das Positionieren eines Trägerdrahts außerhalb des gesinterten porösen Anodenkörpers, wobei der Trägerdraht einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst; das Verbinden des ersten Teils des Trägerdrahts mit dem ersten Anodenanschluss und dem zweiten Anodenanschluss; und das Verbinden des zweiten Teils des Trägerdrahts mit einem Anoden-Endteil unter Bildung einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Teil des Trägerdrahts und dem Anoden-Endteil, wobei sich weiterhin der zweite Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Fläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der zweite Teil des Trägerdrahts einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten Anodenanschlusses und der Durchmesser des zweiten Anodenanschlusses, wobei das Verhältnis des Durchmessers entweder des ersten Anodenanschlusses oder des Durchmessers des zweiten Anodenanschlusses zum Durchmesser des Trägerdrahts im Bereich von etwa 1,1 bis etwa 5 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiterhin das Verbinden wenigstens eines Teils des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses mit einem Teil des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiterhin das Abflachen, Krimpen oder Komprimieren eines Teils des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses, eines Teils des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses oder beides umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiterhin das Positionieren des ersten Teils des Trägerdrahts zwischen dem externen Teil des ersten Anodenanschlusses und dem externen Teil des zweiten Anodenanschlusses umfasst, wobei sich der erste Teil des Trägerdrahts in Längsrichtung von der Oberfläche des gesinterten porösen Anodenkörpers in x-Richtung weg erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiterhin das Positionieren des ersten Teils des Trägerdrahts in einer z-Richtung senkrecht zur x-Richtung, in die sich der externe Teil des ersten Anodenanschlusses und der externe Teil des zweiten Anodenanschlusses in Längsrichtung erstrecken, über den externen Teil des ersten Anodenanschlusses und den externen Teil des zweiten Anodenanschlusses erstreckt, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 17, weiterhin umfassend: anodisches Oxidieren des gesinterten porösen Anodenkörpers unter Bildung einer dielektrischen Schicht; und Auftragen eines festen Elektrolyten auf den anodisch oxidierten gesinterten porösen Anodenkörper unter Bildung einer Kathode; Bilden einer elektrischen Verbindung zwischen der Kathode und einem Kathoden-Endteil; und Einbetten des Kondensators mit einem Formmaterial, so dass wenigstens ein Teil des Anoden-Endteils und ein Teil des Kathoden-Endteils exponiert bleiben.