DE112021004949T5 - Elektrolytkondensator mit niedriger Induktivität - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Kondensator bereitgestellt, der gute elektrische Eigenschaften unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen aufweisen kann. Der Kondensator enthält ein Kondensatorelement, das einen gesinterten porösen Anodenkörper, ein Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt und ein leitfähiges Polymer umfasst, umfasst. Der Kondensator enthält auch mehrere exponierte Anodenanschlussteile, die elektrisch an jeweilige Anoden-Endteile angeschlossen sind, und ein planares Kathoden-Endteil, das elektrisch an den festen Elektrolyten angeschlossen ist.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 23. September 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 63/082,055, auf die in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Entkopplungskondensatoren werden häufig verwendet, um Probleme des Rauschens, die bei Schaltungsanwendungen auftreten, zu bewältigen. Sie sorgen für stabile lokale Ladungsquellen, die erforderlich sind, um die in verschiedenen digitalen Schaltungen verwendeten Logikgatter zu schalten und zu aktualisieren. Entkopplungskondensatoren müssen jetzt jedoch in der Lage sein, bei niedrigeren Spannungen und höheren Stromstärken zu arbeiten, was Leistungsmerkmale wie einen niedrigeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR), eine höhere Kapazität und eine niedrigere Induktivität (oder ESL - äquivalente Serieninduktivität) innerhalb solcher Kondensatoren erfordert, um in der aktuellen Landschaft auf dem Niveau funktionieren zu können, das in den unterschiedlichen Anwendungen erforderlich ist. Insbesondere bei den in elektronischen Schaltungsanwendungen zunehmenden Schaltgeschwindigkeiten wird notwendige gesenkte Induktivität zu einer ernsthaften Beschränkung für die verbesserte Systemleistung. Festelektrolytkondensatoren (z.B. Tantalkondensatoren) werden typischerweise dadurch hergestellt, dass man ein Metallpulver (z.B. Tantal) um einen Metallanschlussdraht herum presst, das gepresste Teil sintert, die gesinterte Anode anodisiert und danach einen festen Elektrolyten aufträgt. Aufgrund ihres vorteilhaften niedrigen Äquivalentserienwiderstands und des „nichtbrennenden/nichtentzündlichen“ Fehlermechanismus werden als fester Elektrolyt häufig leitfähige Polymere eingesetzt. Während Festelektrolytkondensatoren jedoch deutliche Vorteile in Bezug auf den ESR bringen, sind Festelektrolytkondensatoren nicht in der Lage, Hochfrequenzanwendungen auszuhalten oder die für die Entkopplung und Hochgeschwindigkeitsschaltung erforderliche niedrige Induktivität zu zeigen. Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Festelektrolytkondensator mit verbesserter Leistungsfähigkeit.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Festelektrolytkondensator offenbart, der Folgendes umfasst: ein Kondensatorelement, das einen gesinterten Anodenkörper, ein Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt, umfasst, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer umfasst, wobei das Kondensatorelement ein erstes und ein zweites Ende, die einander entgegengesetzt sind, und eine obere und untere Fläche, die einander entgegengesetzt sind, definiert; einen ersten exponierten Anodenanschlussteil, der sich vom ersten Ende des Kondensatorelements aus erstreckt; ein erstes Anoden-Endteil, das elektrisch an den ersten exponierten Anodenanschlussteil angeschlossen ist; einen zweiten exponierten Anodenanschlussteil, der sich vom zweiten Ende des Kondensatorelements aus erstreckt; ein zweites Anoden-Endteil, das vom ersten Anoden-Endteil beabstandet und elektrisch an den zweiten exponierten Anodenanschlussteil angeschlossen ist; und ein planares Kathoden-Endteil, das sich in der Nähe der unteren Fläche des Kondensatorelements befindet und elektrisch an den festen Elektrolyten angeschlossen ist.
  • Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
  • Figurenliste
  • Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnung ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
    • 1A eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Anodenkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 1B eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Anodenkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 1C eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Anodenkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 3 eine Draufsicht auf den Kondensator von 2;
    • 4 eine exemplarische äquivalente Schaltung, die in Beispiel 1 verwendet wird;
    • 5 eine graphische Darstellung von Impedanz gegen Frequenz für Beispiel 1 im Vergleich zu einem Standardkondensator; und
    • 6 eine graphische Darstellung von S21-Parametern, die über einen breiten Frequenzbereich modelliert und gemessen wurden, für Beispiel 1.
  • 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, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert sind.
  • Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kondensator, der gute elektrische Eigenschaften unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen aufweisen kann. Der Kondensator enthält ein Kondensatorelement, das einen gesinterten porösen Anodenkörper, ein Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt, umfasst. Das Kondensatorelement enthält ein erstes und ein zweites Ende, die einander entgegengesetzt sind, und eine obere und untere Fläche, die einander entgegengesetzt sind. Der Kondensator enthält auch mehrere Anodenanschlussteile, die elektrisch an jeweilige Anoden-Endteile angeschlossen sind, und ein planares Kathoden-Endteil, das sich in der Nähe der unteren Fläche des Kondensatorelements befindet und elektrisch an den festen Elektrolyten angeschlossen ist.
  • Durch gezielte Steuerung der besonderen Konfiguration des Kondensatorelements und der Anschlüsse kann der resultierende Kondensator niedrige ESL-Werte, wie etwa 1 Nanohenry oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 750 Picohenry oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 350 Picohenry oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Femtohenry bis etwa 100 Picohenry und in einigen Ausführungsformen etwa 50 Femtohenry bis etwa 10 Picohenry, aufweisen. Die niedrigen ESL-Werte können auch durch einen niedrigen Impedanzwert, der eine parasitische Induktivität widerspiegelt, charakterisiert werden. Die Impedanz kann zum Beispiel etwa 1 Ohm oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 Ohm oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 Ohm oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 mQ bis etwa 0,3 Ohm betragen. Ein so niedriges ESL (z.B. Impedanz) kann auch in einem breiten Frequenzbereich, wie 1 kHz bis etwa 100 MHz, in einigen Ausführungsformen etwa 100 kHz bis etwa 100 MHz und in einigen Ausführungsformen etwa 1 MHz bis etwa 100 MHz auftreten. Die Minimierung der parasitischen Induktivität über einen breiten Frequenzbereich kann zu einer guten Leistung, insbesondere einer guten Entkopplungsleistung, insbesondere unter transienten Hochgeschwindigkeitsbedingungen, beitragen. Außer niedrigen ESL-Werten kann der Kondensator auch niedrige ESR-Werte aufweisen, wie etwa 800 mQ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 600 mQ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 500 mQ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 350 mΩ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 250 mΩ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 150 mΩ, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23°C.
  • Bemerkenswerterweise können die niedrigen ESR- und ESL-Werte auch bei hohen Temperaturen und/oder hohen Feuchtigkeitswerten noch stabil bleiben. Zum Beispiel kann der Kondensator ESR- und/oder ESL-Werte innerhalb der oben angegebenen Bereiche auch noch aufweisen, nachdem er während einer wesentlichen Zeitdauer, wie oben angegeben, einer Temperatur von etwa 80°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 85°C bis etwa 180°C und in einigen Ausführungsformen etwa 850°C bis etwa 150°C (z.B. etwa 85°C, 105°C, 125°C oder 150°C) und/oder einem relativen Feuchtigkeitswert von etwa 40% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 45% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 70% oder mehr (z.B. etwa 85% bis 100%) ausgesetzt war. Die relative Feuchtigkeit kann zum Beispiel gemäß ASTM E337-02, Methode A (2007), bestimmt werden. Die Zeitdauer für die Einwirkung der hohen Temperatur und/oder Feuchtigkeit kann etwa 100 Stunden oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 150 Stunden bis etwa 3000 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 200 Stunden bis etwa 2500 Stunden (z.B. 250, 500, 750 oder 1000 Stunden) betragen. Zum Beispiel kann das ESR des Kondensators, nachdem er 500 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) und/oder Feuchtigkeit (z.B. etwa 85%) ausgesetzt war, etwa 1500 mQ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1000 mQ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 800 mΩ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 600 mΩ oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 500 mQ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 200 mΩ betragen, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz und bei einer Temperatur von 23°C. Ebenso kann das Verhältnis des ESR des Kondensators, nachdem er 500 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) und/oder Feuchtigkeit (z.B. etwa 85%) ausgesetzt war, zu dem Anfangs-DCL des Kondensators (z.B. bei etwa 23°C) etwa 10 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 bis etwa 1,5 betragen.
  • Aufgrund seiner Fähigkeit, eine Kombination von niedrigen ESL- und ESR-Werten bereitzustellen, kann der resultierende Kondensator in einzigartiger Weise positioniert sein, um für eine robuste Breitband-Entkopplung und Hochgeschwindigkeitsschaltung zu sorgen. Zum Beispiel kann ein einzelner Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um mehrere Kondensatoren mit niedrigerer Kapazität oder eingeschränkter Frequenzentkopplung zu ersetzen, was es ermöglicht, dass der Kondensator weniger Platz verbraucht, etwa eine geringere Höhe aufweist, was die Miniaturisierung weiter verbessert.
  • Der Kondensator kann eine ausgezeichnete Gleichstromfilterung aufweisen, wie es durch eine ausgezeichnete Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich veranschaulicht wird. Wie in der Technik bekannt ist, misst die Einfügungsdämpfung die Energieübertragung zwischen Polen, also wenn die Energie zunimmt, gibt es eine Verstärkung, und wenn die Energie zwischen den Polen gesenkt wird, gibt es eine Dämpfung. Somit kann der Kondensator eine hohe Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich aufweisen, was es ermöglicht, einen breiten Frequenzbereich gut zu filtern. Zum Beispiel kann der Kondensator eine Dämpfung (S21-Parameter) von etwa 15 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 25 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 30 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 35 dB bis etwa 70 dB und in einigen Ausführungsformen etwa 50 dB bis etwa 70 dB aufweisen. Eine solche Dämpfung kann über einen weiten Frequenzbereich auftreten. Zum Beispiel kann der Kondensator bei niedrigen Frequenzen im Bereich von etwa 0,1 MHz bis etwa 500 MHz und in einigen Fällen etwa 1 MHz bis etwa 100 MHz eine Dämpfung (S21-Parameter) von etwa 40 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 55 dB oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 60 dB bis etwa 70 dB aufweisen. Ebenso kann der Kondensator bei hohen Frequenzen im Bereich von etwa 500 MHz bis etwa 10 GHz und in einigen Fällen etwa 1 GHz bis etwa 5 GHz eine Dämpfung (S21-Parameter) von etwa 20 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 25 dB oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 30 dB oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 30 dB bis etwa 60 dB aufweisen. Unter Anderem kann eine solche Dämpfung ermöglichen, den Kondensator leicht in Gleichstromfilterungsanwendungen einzusetzen. Weiterhin kann der Kondensator über einem weiten Bereich von Temperaturen stabil arbeiten. Zum Beispiel kann der Kondensator in einer Ausführungsform über einen großen Temperaturbereich, wie eine Änderung der Temperatur von etwa 25°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50°C oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 70°C oder mehr um etwa 5 dB oder weniger variieren.
  • Der Kondensator kann auch andere günstige elektrische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann der Kondensator über eine Vielzahl von Bedingungen einen geringen Leckstrom („DCL“) aufweisen. Weiterhin kann der Kondensator, nachdem er während einer bestimmten Zeitdauer (z.B. etwa 30 Minuten bis etwa 20 Stunden, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Stunde bis etwa 18 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 4 Stunden bis etwa 16 Stunden), einer angelegten Spannung (z.B. 16 Volt) bei einer Temperatur von etwa 23°C ausgesetzt worden war, einen DCL von etwa 10 Mikroampere („µA“) oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 5 µA aufweisen. In einer Ausführungsform kann der DCL des Kondensators, nachdem er 500 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) und/oder Feuchtigkeit (z.B. etwa 85%) ausgesetzt war, auch etwa 10 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 8 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 6 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 5 µA betragen. Ebenso kann das Verhältnis des DCL des Kondensators, nachdem er 500 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) und/oder Feuchtigkeit (z.B. etwa 85%) ausgesetzt war, zu dem Anfangs-DCL des Kondensators (z.B. bei etwa 23°C) etwa 20 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 15 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 bis etwa 4 betragen. Der Kondensator kann auch eine Trockenkapazität von etwa 30 Nanofarad pro Quadratzentimeter („nF/cm2“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 nF/cm2 oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis etwa 3000 nF/cm2 und in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 2000 nF/cm2 aufweisen, gemessen bei einer Frequenz von 120 Hz bei einer Temperatur von 23°C. Die tatsächliche Kapazität kann variieren, wie von etwa 10 µF bis etwa 1000 µF, in einigen Ausführungsformen etwa 50 µF bis etwa 500 µF und in einigen Ausführungsformen etwa 60 µF bis etwa 250 µF. Ähnlich wie die DCL- und ESR-Werte kann die Kapazität auch in den Bereichen hoher Temperatur und/oder Feuchtigkeit, wie sie oben genannt sind, stabil bleiben. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Verhältnis des Kapazitätswerts des Kondensators, nachdem er 500 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) und/oder Feuchtigkeit (z.B. etwa 85%) ausgesetzt war, zu dem Anfangskapazitätswert des Kondensators (z.B. bei etwa 23°C) etwa 3,0 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2,0 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,8 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,6 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 bis etwa 1,3 betragen.
  • Wir glauben auch, dass der Verlustfaktor des Kondensators auf relativ niedrigen Niveaus gehalten werden kann. „Verlustfaktor“ bezieht sich allgemein auf Verluste, die im Kondensator stattfinden, und wird gewöhnlich als Prozentwert der idealen Kondensatorleistung ausgedrückt. Zum Beispiel beträgt der Verlustfaktor des Kondensators typischerweise etwa 250% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 200% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1% bis etwa 180%, bestimmt bei einer Frequenz von 120 Hz.
  • Verschiedene Ausführungsformen des Kondensators werden nun ausführlicher beschrieben.
  • I. Kondensatorelement
  • A. Anodenkörper
  • Der Anodenkörper wird aus einem Pulver gebildet, das 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. enthält. Die spezifische Ladung des Pulvers variiert je nach der gewünschten Anwendung typischerweise von etwa 5000 bis etwa 800000 Mikrofarad*Volt/Gramm („µF·V/g“). Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen ein Pulver mit hoher Ladung eingesetzt werden, das eine spezifische Ladung von etwa 100000 bis etwa 600000 µF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 120000 bis etwa 500000 µF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150000 bis etwa 400000 µF·V/g aufweist. In anderen Ausführungsformen kann ein Pulver mit niedriger Ladung eingesetzt werden, das eine spezifische Ladung von etwa 5000 bis etwa 100000 µF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 8000 bis etwa 90 000 µF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 10 000 bis etwa 80 000 µF·V/g aufweist. 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.
  • In einer Ausführungsform zum Beispiel wird das Pulver aus Tantal gebildet. Falls gewünscht, kann ein Reduktionsverfahren eingesetzt werden, bei dem ein Tantalsalz (z.B. Kaliumfluorotantalat (K2TaF7), Natriumfluorotantalat (Na2TaF7), Tantalpentachlorid (TaCl5) usw.) mit einem Reduktionsmittel umgesetzt wird. Das Reduktionsmittel kann in Form einer Flüssigkeit, eines Gases (z.B. Wasserstoff) oder eines Feststoffs, wie eines Metalls (z.B. Natrium), einer Metalllegierung oder eines Metallsalzes, bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Tantalsalz (z.B. TaCl5) auf eine Temperatur von etwa 900 °C bis etwa 2000 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 1000 °C bis etwa 1800 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 1100 °C bis etwa 1600 °C erhitzt werden, um einen Dampf zu bilden, der in Gegenwart eines gasförmigen Reduktionsmittels (z.B. Wasserstoff) reduziert werden kann. Zusätzliche Einzelheiten zu einer solchen Reduktionsreaktion können in WO 2014/199480 (Maeshima et al.) beschrieben werden. Nach der Reduktion kann das Produkt abgekühlt, zerkleinert und gewaschen werden, wobei ein Pulver entsteht.
  • Das Pulver kann ein rieselfähiges, feinteiliges Pulver sein, das primäre Teilchen enthält. Die primären Teilchen des Pulvers weisen im Allgemeinen eine mediane Größe (D50) von etwa 5 bis etwa 250 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 200 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 Nanometer auf, bestimmt unter Verwendung eines von der Beckman Coulter Corporation (z.B. LS-230) hergestellten Laser-Teilchengrößenverteilungsanalysegeräts, gegebenenfalls nachdem man die Teilchen 70 Sekunden lang einer Ultraschallschwingung ausgesetzt hat. Die primären Teilchen weisen typischerweise eine dreidimensionale granuläre Form (z.B. sphärolithisch oder winklig) auf. Solche Teilchen weisen typischerweise ein relativ geringes „Aspektverhältnis“ auf, bei dem es sich um den mittleren Durchmesser oder die mittlere Breite der Teilchen, dividiert durch die mittlere Dicke („D/T“), handelt. Zum Beispiel kann das Aspektverhältnis der Teilchen etwa 4 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 2 betragen. Neben primären Teilchen kann das Pulver auch andere Typen von Teilchen enthalten, wie sekundäre Teilchen, die durch Aggregation (oder Agglomeration) der primären Teilchen entstehen. Solche sekundären Teilchen können eine mediane Größe (D50) von etwa 1 bis etwa 500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 250 Mikrometer aufweisen.
  • Die Agglomeration der Teilchen kann durch Erhitzen der Teilchen und/oder durch Verwendung eines Bindemittels erfolgen. Zum Beispiel kann eine Agglomeration bei einer Temperatur von etwa 0 °C bis etwa 40 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 5 °C bis etwa 35 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 15 °C bis etwa 30 °C erfolgen. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel etwa Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenglycol (z.B. Carbowax von Dow Chemical Co.), Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, hochmolekulare Polyether; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Fluorolefin-Copolymere, Acrylpolymere, wie Natriumpolyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und Copolymere von Niederalkylacrylaten und -methacrylaten; sowie Fettsäuren und Wachse, wie Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Pflanzenwachs, Mikrowachse (gereinigte Paraffine) usw. Falls gewünscht, kann das Pulver auch in Gegenwart eines Dotierungsmittels, wie wässrige Säuren (z.B. Phosphorsäure) mit Sinterverzögerern dotiert werden. Die Menge des zugesetzten Dotierungsmittels hängt zum Teil von der spezifischen Oberfläche des Pulvers ab, es ist aber typischerweise in einer Menge von nicht mehr als etwa 200 ppm (parts per million) vorhanden. Das Dotierungsmittel kann vor, während und/oder nach der Agglomeration hinzugefügt werden. Das Pulver kann auch einer oder mehreren Deoxidationsbehandlungen unterzogen werden. Zum Beispiel kann das Pulver einem Gettermaterial (z.B. Magnesium) ausgesetzt werden, wie es im US-Patent Nr. 4,960,471 beschrieben ist. Die Temperatur, bei der eine Deoxidation des Pulvers auftritt, kann variieren, liegt aber typischerweise im Bereich von etwa 700°C bis etwa 1600 °C, in einigen Ausführungsformen von etwa 750°C bis etwa 1200 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 800°C bis etwa 1000 °C. Die Gesamtzeit der Deoxidationsbehandlung(en) kann im Bereich von etwa 20 Minuten bis etwa 3 Stunden liegen.
  • Das resultierende Pulver weist bestimmte Merkmale auf, die seine Fähigkeit verstärken, dass daraus eine Kondensatoranode gebildet werden kann. Zum Beispiel hat das Pulver typischerweise eine spezifische Oberfläche von etwa 0,5 bis etwa 10,0 m2/g, in einigen Ausführungsformen von etwa 0,7 bis etwa 5,0 m2/g und in einigen Ausführungsformen von etwa 2,0 bis etwa 4,0 m2/g. Ebenso kann die Schüttdichte des Pulvers etwa 0,1 bis etwa 0,8 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3), in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 0,6 g/cm3 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 0,6 g/cm3 betragen.
  • Sobald das Pulver gebildet ist, wird es dann im Allgemeinen mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pulverpressvorrichtung unter Bildung eines Presslings kompaktiert oder gepresst. 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. Das Pulver wird typischerweise auf eine Dichte von etwa 0,5 bis etwa 20 g/cm3, in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 15 g/cm3 und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 10 g/cm3 gepresst.
  • Nach dem Pressen kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel 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 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. Nach der Entfernung des Bindemittels kann der Anodenkörper einem Deoxidationsvorgang unterzogen werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel umfasst der Deoxidationsvorgang das Einwirkenlassen eines Gettermaterials (z.B. Magnesium, Titan usw.), das durch eine chemische Reaktion, Adsorption usw. Sauerstoff aus dem Anodenkörper entfernen kann, auf den Anodenkörper. Insbesondere wird der Anodenkörper zunächst in eine Umhüllung (z.B. Tantalkiste) eingeführt, die auch das Gettermaterial enthält. Die Atmosphäre innerhalb der Umhüllung ist typischerweise eine inerte Atmosphäre (z.B. Argongas). Um die Deoxidation einzuleiten, wird die Atmosphäre innerhalb der Umhüllung auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um das Gettermaterial zu schmelzen und/oder zu verdampfen und den Anodenkörper zu deoxidieren. Die Temperatur kann je nach der spezifischen Ladung des Anodenpulvers variieren, liegt aber typischerweise im Bereich von etwa 700 °C bis etwa 1200 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 750 °C bis etwa 1100 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 800 °C bis etwa 1000 °C. Die Gesamtzeit der Deoxidation kann im Bereich von etwa 20 Minuten bis etwa 3 Stunden liegen. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Nach Beendigung der Deoxidation verdampft das Gettermaterial typischerweise und bildet einen Niederschlag auf einer Wand der Umhüllung. Um eine Entfernung des Gettermaterials zu gewährleisten, kann der Anodenkörper auch einem oder mehreren Säureauslaugungsverfahren unterzogen werden, wie mit einer Lösung von Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure, Wasserstoffperoxid, Schwefelsäure, Wasser usw. oder einer Kombination davon.
  • Der resultierende Anodenkörper kann also einen relativ niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisen. Zum Beispiel kann es sein, dass der Anodenkörper nicht mehr als etwa 5500 ppm Sauerstoff, in einigen Ausführungsformen nicht mehr als etwa 5000 ppm Sauerstoff und in einigen Ausführungsformen etwa 500 bis etwa 4500 ppm Sauerstoff aufweist. Der Sauerstoffgehalt kann mit einem LECO Oxygen Analyzer gemessen werden und umfasst Sauerstoff in natürlichem Oxid auf der Tantaloberfläche sowie Volumensauerstoff innerhalb der Tantalteilchen. Der Volumensauerstoffgehalt wird durch den Kristallgitterabstand des Tantals kontrolliert, der mit zunehmendem Sauerstoffgehalt im Tantal linear zunimmt, bis die Löslichkeitsgrenze erreicht ist. Dieses Verfahren wurde in „Critical Oxygen Content in Porous Anodes of Solid Tantalum Capacitors“, Pozdeev-Freeman et al., Journal of Materials Science: Materials in Electronics 9 (1998), 309-311, beschrieben, wobei Röntgenbeugungsanalyse (XRDA) eingesetzt wurde, um den Kristallgitterabstand des Tantals zu messen. Der Sauerstoff in gesinterten Tantalanoden kann auf dünnes natürliches Oberflächenoxid beschränkt sein, während das Volumen des Tantals praktisch frei von Sauerstoff ist.
  • Nach der optionalen Deoxidation kann der Anodenkörper unter Bildung einer porösen zusammenhängenden Masse gesintert werden. Der Anodenkörper wird typischerweise bei einer Temperatur von etwa 700 °C bis etwa 1600 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 800 °C bis etwa 1500 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 900 °C bis etwa 1200 °C über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 8 Minuten bis etwa 15 Minuten gesintert. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Falls gewünscht, kann das Sintern in einer Atmosphäre erfolgen, die die Übertragung von Sauerstoffatomen zum Anodenkörper 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 von Wasserstoff und anderen Gasen (z.B. Argon oder Stickstoff) können ebenfalls eingesetzt werden. Wie bereits erwähnt, erfolgt das Sintern des Anodenkörpers im Allgemeinen nach der Deoxidation. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass der Anodenkörper vor der Oxidation auch einem oder mehreren Vorsinterungsschritten unterzogen werden kann, um dazu beizutragen, den gewünschten Grad der Grünfestigkeit für den Deoxidationsvorgang bereitzustellen. Solche Vorsinterungsschritte können unter denselben oder anderen Bedingungen wie bei dem Sintervorgang, der nach der Deoxidation erfolgt, durchgeführt werden. Zum Beispiel kann das Vorsintern in einem oder mehreren Schritten bei einer Temperatur von etwa 700 °C bis etwa 1600 °C, in einigen Ausführungsformen etwa 800 °C bis etwa 1500 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 900 °C bis etwa 1200 °C über einen Zeitraum von etwa 5 Minuten bis etwa 100 Minuten und in einigen Ausführungsformen etwa 8 Minuten bis etwa 15 Minuten erfolgen. Das Vorsintern kann auch in einer reduzierenden Atmosphäre, wie in einem Vakuum, Inertgas, Wasserstoff usw., wie es oben beschrieben ist, erfolgen.
  • Wie bereits gesagt, enthält der Kondensator auch mehrere Anodenanschlussteile, die elektrisch an jeweilige Anoden-Endteile angeschlossen sind. Die Anodenanschlussteile können als Teil eines einzigen Anodenanschlusses (z.B. entgegengesetzte Enden) oder als Teil getrennter Anodenanschlüsse ausgebildet sein. Der oder die Anodenanschlüsse können jede gewünschte Form und Größe aufweisen und können in Form eines Drahts, Blechs usw. vorliegen. Typischerweise erstrecken sich die Anodenanschlüsse in Längsrichtung vom Anodenkörper weg und bestehen aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden und/oder Nitriden davon. Die Verbindung des oder der Anschlüsse mit dem Anodenkörper kann mit Hilfe jeder bekannten Technik erfolgen, wie durch Schweißen des einen oder der mehreren Anschlüsse an den Körper oder Einbetten des einen oder der mehreren Anodenanschlüsse innerhalb des Anodenkörpers während seiner Bildung (z.B. vor dem Kompaktieren und/oder Sintern).
  • In 1A ist eine Ausführungsform eines Anodenkörpers 10 gezeigt, die einen ersten Anodenanschluss 12 mit einem eingebetteten Teil 24, der sich innerhalb des Anodenkörpers befindet, und einem exponierten ersten Anodenanschlussteil 26, der sich von einem ersten Ende 16 des Anodenkörpers 10 aus erstreckt, aufweist. Ein zweiter exponierter Anodenanschlussteil 14 ist ebenso mit einem zweiten Ende 18 des Anodenkörpers 10 verbunden (z.B. geschweißt 20). Wie in 1A gezeigt ist, ist der zweite exponierte Anodenanschlussteil 14 als Teil eines separaten zweiten Anodenanschlusses ausgebildet, der sich von einem zweiten Ende 18 des Anodenkörpers aus erstreckt. Selbstverständlich können, wie in 1C gezeigt ist, der erste exponierte Anodenanschlussteil 26 und der zweite exponierte Anodenanschlussteil 14 auch durch entgegengesetzte Teile eines einzigen, kontinuierlichen Anodenanschlusses 22, der sich durch beide Enden 16 und 18 des Anodenkörpers 10 erstreckt, definiert sein. Unabhängig davon ist es typischerweise wünschenswert, dass sich die exponierten Anodenanschlussteile von entgegengesetzten Enden des Anodenkörpers aus in im Wesentlichen derselben Ebene erstrecken. Wenn wir uns erneut auf 1A beziehen, so kann zwischen dem eingebetteten Ende des ersten Anodenanschlusses und dem Ende des Anodenkörpers gegebenenfalls eine Lücke existieren, so dass die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Anodenanschluss durch den gesinterten Anodenkörper bereitgestellt wird. In 1A zum Beispiel kann diese Lücke als Abstand „t“ zwischen dem Ende 18 des Anodenkörpers und dem eingebetteten Ende 28 des Anodenanschlusses definiert werden, der typischerweise im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 5 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 4 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 2 Millimeter liegt. Die Länge der Anode „l“ kann ebenso im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 6 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 5 Millimeter liegen. In solchen Ausführungsformen kann das Verhältnis des Abstandes „t“ zur Länge „l“ auch im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,8, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 0,7 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,3 bis etwa 0,6 liegen.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in 1B gezeigt, in der ein Anodenkörper 10 einen ersten Anodenanschluss 12 mit einem eingebetteten Teil 24, der sich innerhalb des Anodenkörpers befindet, und einem exponierten ersten Anodenanschlussteil 26, der sich von einem ersten Ende 16 der Anode 10 aus erstreckt, aufweist. Ein zweiter Anodenanschluss 14 mit einem eingebetteten Teil 32, der sich innerhalb des Anodenkörpers befindet, und einem exponierten zweiten Anodenanschlussteil 34, der sich von einem zweiten Ende 18 des Anodenkörpers 10 aus erstreckt. In dieser Ausführungsform ist also kein geschweißter Teil für den zweiten Anodenanschluss erforderlich. Ähnlich wie bei der oben genannten Ausführungsform kann zwischen dem eingebetteten Ende des ersten Anodenanschlusses und dem eingebetteten Ende des zweiten Anodenanschlusses gegebenenfalls eine Lücke „t“ existieren, die innerhalb der oben genannten Bereiche liegen kann.
  • B. Dielektrikum
  • Der Anodenkörper ist mit einem Dielektrikum beschichtet. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man den gesinterten Anodenkörper anodisch oxidiert („anodisiert“), so dass über und/oder innerhalb des Anodenkörpers eine dielektrische Schicht gebildet wird. Zum Beispiel kann eine Anode aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta2O5) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst einen Elektrolyten auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. Ein Lösungsmittel, wie Wasser (z.B. deionisiertes Wasser), wird im Allgemeinen eingesetzt. Um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen, 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 werden. 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 anodisierenden Lösung ausmachen. Falls gewünscht, können auch Gemische von Säuren eingesetzt werden.
  • Zur Bildung der dielektrischen Schicht kann ein Strom durch die anodisierende Lösung geleitet werden. Der Wert der Formierungsspannung bestimmt 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 der Anode gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die während der Anodisierung eingesetzte Formierungsspannung beträgt im Allgemeinen etwa 20 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 35 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 35 bis etwa 70 V, und die Temperaturen liegen im Bereich von etwa 10 °C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 20 °C bis etwa 200 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 30 °C bis etwa 100 °C. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode und innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
  • Indem sie die besondere Methode, mit der der Anodenkörper gebildet wird, selektiv steuerten, haben die Erfinder herausgefunden, dass der resultierende Kondensator einen hohen Grad an Durchschlagfestigkeit aufweisen kann, was die Stabilität der Kapazität verbessern kann. „Durchschlagfestigkeit“ bezieht sich im Allgemeinen auf das Verhältnis der „Durchschlagspannung“ des Kondensators (Spannung, bei der der Kondensator ausfällt, in Volt „V“) zur Dicke des Dielektrikums (in Nanometer „nm“). Der Kondensator weist typischerweise eine Durchschlagfestigkeit von etwa 0,4 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,45 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 V/nm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 0,55 bis etwa 1 V/nm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 bis etwa 0,9 V/nm auf. Der Kondensator kann zum Beispiel eine relativ hohe Durchschlagspannung, wie etwa 30 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 35 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 65 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 85 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 90 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 95 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt bis etwa 300 Volt aufweisen, wie es dadurch bestimmt wird, dass die angelegte Spannung in Schritten von 3 Volt erhöht wird, bis der Leckstrom 1 mA erreicht. Während seine Dicke im Allgemeinen je nach dem besonderen Ort des Andenkörpers variieren kann, gilt die „dielektrische Dicke“ für Zwecke der Bestimmung der Durchschlagfestigkeit im Allgemeinen als größte Dicke des Dielektrikums, die typischerweise im Bereich von etwa 50 bis etwa 500 nm, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 350 nm und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 300 nm liegt. Die Dicke des Dielektrikums kann mit Hilfe eines Zeiss Sigma FESEM bei einer Vergrößerung vom 20000-fachen bis 50000-fachen gemessen werden, wobei die Probe dadurch hergestellt wird, dass man ein fertiges Teil in einer Ebene senkrecht zur längsten Abmessung des fertigen Teils schneidet, und die Dicke wird an Stellen gemessen, wo der Schnitt senkrecht durch die dielektrische Schicht verlief.
  • C. Vorbeschichtung
  • Obwohl sie keineswegs erforderlich ist, kann eine optionale Vorbeschichtung über dem Dielektrikum liegen, die eine metallorganische Verbindung umfasst. Die metallorganische Verbindung kann die folgende allgemeine Formel aufweisen:
    Figure DE112021004949T5_0001
    wobei
    M ein metallorganisches Atom, wie Silicium, Titan usw., ist;
    R1, R2 und R3 unabhängig Alkyl (z.B. Methyl, Ethyl, Propyl usw.) oder ein Hydroxyalkyl (z.B. Hydroxymethyl, Hydroxyethyl, Hydroxypropyl usw.) sind, wobei wenigstens eines von R1, R2 und R3 ein Hydroxyalkyl ist;
    n eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen von 1 bis 6 und in einigen Ausführungsformen von 2 bis 4 (z.B. 3) ist; und
    X eine organische oder anorganische funktionelle Gruppe, wie Glycidyl, Glycidyloxy, Mercapto, Amino, Vinyl usw., ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen können R1, R2 und R3 ein Hydroxyalkyl (z.B. OCH3) sein. In anderen Ausführungsformen jedoch kenn R1 Alkyl (z.B. CH3) sein, und R2 und R3 können Hydroxyalkyl (z.B. OCH3) sein.
  • Weiterhin kann M in bestimmten Ausführungsformen Silicium sein, so dass die metallorganische Verbindung eine Organosilanverbindung, wie ein Alkoxysilan, ist. Geeignete Alkoxysilane sind zum Beispiel 3-Aminopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Aminopropylmethyldimethoxysilan, 3-Aminopropylmethyldiethoxysilan, 3-(2-Aminoethyl)aminopropyltrimethoxysilan, 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 3-Mercaptopropyltriethoxysilan, 3-Mercaptopropylmethyldimethoxysilan, 3-Mercaptopropylmethyldiethoxysilan, Glycidoxymethyltrimethoxysilan, Glycidoxymethyltriethoxysilan, Glycidoxymethyltripropoxysilan, Glycidoxymethyltributoxysilan, β-Glycidoxyethyltrimethoxysilan, β-Glycidoxyethyltriethoxysilan, β-Glycidoxyethyltripropoxysilan, β-Glycidoxyethyltributoxysilan, β-Glycidoxyethyltrimethoxysilan, α-Glycidoxyethyltriethoxysilan, α-Glycidoxyethyltripropoxysilan, α-Glycidoxyethyltributoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltriethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltripropoxysilan, γ-Glycidoxypropyltributoxysilan, β-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, β-Glycidoxypropyltriethoxysilan, β-Glycidoxypropyltripropoxysilan, α-Glycidoxypropyltributoxysilan, α-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, α-Glycidoxypropyltriethoxysilan, α-Glycidoxypropyl-tripropoxysilan, α-Glycidoxypropyltributoxysilan, γ-Glycidoxybutyltrimethoxysilan, δ-Glycidoxybutyltriethoxysilan, δ-Glycidoxybutyltripropoxysilan, δ-Glycidoxybutyltributoxysilan, δ-Glycidoxybutyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxybutyltriethoxysilan, γ-Glycidoxybutyltripropoxysilan, γ-Propoxybutyltributoxysilan, δ-Glycidoxybutyltrimethoxysilan, δ-Glycidoxybutyltriethoxysilan, δ-Glycidoxybutyltripropoxysilan, α-Glycidoxybutyltrimethoxysilan, α-Glycidoxybutyltriethoxysilan, α-Glycidoxybutyltripropoxysilan, α-Glycidoxybutyltributoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)methyltrimethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)methyltriethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)methyltripropoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)-methyltributoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, (3,4-Epoxy-cyclohexyl)ethyltriethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltripropoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltributoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)propyltrimethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)propyltriethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)propyltripropoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)propyltributoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)butyltrimethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)butyltriethoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)butyltripropoxysilan, (3,4-Epoxycyclohexyl)butyltributoxysilan usw.
  • Die besondere Art und Weise, in der die Vorbeschichtung auf den Kondensatorkörper aufgetragen wird, kann nach Wunsch variieren. In einer besonderen Ausführungsform wird die Verbindung in einem organischen Lösungsmittel gelöst und als Lösung auf das Teil aufgetragen, wie etwa durch Siebdruck, Tauchen, elektrophoretische Abscheidung, Sprühen usw. Das organische Lösungsmittel kann variieren, ist jedoch typischerweise ein Alkohol, wie Methanol, Ethanol usw. Metallorganische Verbindungen können etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Lösungsmittel können ebenso etwa 90 Gew.- % bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 92 Gew.-% bis etwa 99,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 95 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Sobald diese aufgetragen ist, kann das Teil dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen, und eine Vorbeschichtung bilden, die die metallorganische Verbindung enthält.
  • D. Fester Elektrolyt
  • Wie bereits gesagt, bedeckt ein fester Elektrolyt das Dielektrikum und die optionale Vorbeschichtung und fungiert allgemein als Kathode für den Kondensator. Der feste Elektrolyt enthält wenigstens eine Schicht, die ein leitfähiges Polymer umfasst, und bedeckt das Dielektrikum und die optionale Vorbeschichtung. Das leitfähige Polymer ist typischerweise π-konjugiert und weist nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit auf, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 µS/cm. 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:
    Figure DE112021004949T5_0002
    wobei
    T = O oder S ist;
    D ein gegebenenfalls substituierter C1- bis C5-Alkylenrest (z.B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
    R7 Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter 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 C5- bis C12-Cycloalkylrest (z.B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein C6- bis C14-Arylrest (z.B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein 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.); und
    q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 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 Repetiereinheiten der folgenden allgemeinen Formel (II) aufweist:
    Figure DE112021004949T5_0003
  • In einer besonderen Ausführungsform ist „q“ = 0. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios™ 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. Derivate dieser Monomere, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind, können ebenfalls eingesetzt werden. Höhermolekulare Derivate, d.h. Tetramere, Pentamere usw., der Monomere sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und können in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden.
  • Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um das leitfähige Polymer in den festen Elektrolyten einzubauen. In einer Ausführungsform kann das Polymer zum Beispiel in situ über dem Dielektrikum gebildet werden. In solchen Ausführungsformen wird ein Vorläufermonomer, auf das oben Bezug genommen wurde, in Gegenwart eines oxidativen Katalysators polymerisiert (z.B. chemisch polymerisiert). Der oxidative Katalysator umfasst typischerweise ein Übergangsmetallkation, wie Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)-, Ruthenium(III)-Kation usw. Es kann auch ein Dotierungsmittel eingesetzt werden, um dem leitfähigen Polymer überschüssige Ladung zu verleihen und die Leitfähigkeit des Polymers zu stabilisieren. Das Dotierungsmittel umfasst typischerweise ein anorganisches oder organisches Anion, wie ein Ion einer Sulfonsäure. In bestimmten Ausführungsformen weist der 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 unter der Bezeichnung Clevios™ C erhältlich.
  • Der oxidative Katalysator und das Vorläufermonomer können entweder nacheinander oder zusammen aufgetragen werden, um die Polymerisationsreaktion einzuleiten. Als Beispiel kann das Monomer zunächst mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden, wobei eine Vorläuferlösung entsteht. In bestimmten Ausführungsformen kann weniger als die normalerweise erforderliche stöchiometrische Menge des oxidativen Katalysators eingesetzt werden, um dazu beizutragen, die Polymerisation des Monomers zu verlangsamen, wobei Oligomere entstehen, die kürzer sind, als wenn die Monomere vollständig zu einem Polymer polymerisiert werden, was ein besseres Eindringen in das Pulver mit hoher spezifischer Ladung ermöglicht. Wenn das Monomer zum Beispiel ein Thiophenmonomer (z.B. 3,4-Ethylendioxythiophen) umfasst, beträgt das normalerweise erforderliche Stoffmengenverhältnis, das verwendet wird, um das Monomer zu polymerisieren, etwa 1 mol des Monomers zu 18 mol des oxidativen Katalysators. Es können jedoch auch weniger als 18 mol des oxidativen Polymerisationskatalysators pro Mol Monomer (z.B. 3,4-Ethylendioxythiophen) in der Polymerisationslösung vorhanden sein, wie etwa 15 mol oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 12 mol und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 10 mol.
  • Außer einem Monomer, einem oxidativen Katalysator und gegebenenfalls einem Dotierungsmittel kann die Polymerisationslösung auch andere Komponenten enthalten, wie ein oder mehrere Lösungsmittel. Besonders gut geeignete Lösungsmittel sind zum Beispiel etwa Wasser, Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol); Glycole (z.B. Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol und Dipropylenglycol); Glycolether (z.B. Methylglycolether, Ethylglycolether und Isopropylglycolether); Ether (z.B. Diethylether und Tetrahydrofuran); Triglyceride; Ketone; Ester (z.B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat und Methoxypropylacetat); Amide (z.B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/-caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone); Nitrile (z.B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril); Sulfoxide oder Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan); usw. sowie Gemische davon (z.B. Wasser und Alkohol).
  • Die Polymerisationslösung wird während der Reaktion typischerweise auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten, wie etwa -20 °C bis etwa 50 °C, in einigen Ausführungsformen etwa -15 °C bis etwa 30 °C und in einigen Ausführungsformen etwa -10 °C bis etwa 10 °C. Die Lösung kann mit jeder geeigneten Auftragungsmethode, die in der Technik bekannt ist, wie Siebdruck, Tauchen, elektrophoretische Abscheidung und Sprühen, auf den Anodenkörper aufgetragen werden. Unabhängig von der eingesetzten Auftragungsmethode wird das Monomer im Allgemeinen beginnen zu reagieren, sobald es auf dem Anodenkörper vorhanden ist, wobei eine Polymerschicht entsteht. Der Zeitraum, während dem das Monomer auf dem Anodenkörper reagieren kann, ist typischerweise lang genug, um eine gute Imprägnierung des Polymers in die kleinen Poren des Pulvers mit hoher spezifischer Ladung zu ermöglichen. In den meisten Ausführungsformen beträgt dieser Zeitraum („Imprägnierungszeit“) zum Beispiel etwa 1 Minute oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 Minuten oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 5 Minuten. Nach der Reaktion kann bzw. können die resultierenden leitfähigen Polymerschichten mit einer Waschlösung in Kontakt gebracht werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssige Katalysatoren usw. zu entfernen. Der Zeitraum, in dem die Waschlösung mit dem bzw. den leitfähigen Polymerschichten in Kontakt gebracht wird („Waschzeit“), ist typischerweise lang genug, um zu gewährleisten, dass die Nebenprodukte, überschüssigen Katalysatoren usw. ausreichend aus den kleinen Poren des Pulvers mit hoher spezifischer Ladung entfernt werden können. Der Waschzeitraum kann zum Beispiel etwa 25 Minuten oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 30 Minuten oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 45 Minuten bis etwa 90 Minuten betragen. Während dieses Zeitraums kann das Waschen in einem einzigen Schritt oder in mehreren Schritten, bei denen die Gesamtzeit jedes Schritts innerhalb des oben angegebenen Bereichs liegt, erfolgen. Die Waschlösung kann gegebenenfalls variieren, aber typischerweise sind es ein oder mehrere Lösungsmittel (z.B. Wasser, Alkohol usw.) und gegebenenfalls ein Dotierungsmittel, wie es oben beschrieben ist.
  • Sobald sie gewaschen sind, können die leitfähigen Polymerschichten getrocknet werden, typischerweise bei einer Temperatur von etwa 15 °C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 20 °C oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 20 °C bis etwa 80 °C. Die Polymerschicht bzw. - schichten können nach der Bildung auch geheilt werden. Das Heilen kann nach jeder Auftragung einer leitfähigen Polymerschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten leitfähigen Polymerbeschichtung erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Polymer geheilt werden, indem man den Anodenkörper in eine Elektrolytlösung eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung anlegt, bis die Stromstärke auf ein im Voraus gewähltes Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann diese Heilung in mehreren Schritten erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Elektrolytlösung eine verdünnte Lösung des Monomers, des Katalysators und eines Dotierungsmittels in einem Alkohollösungsmittel (z.B. Ethanol) sein.
  • In dem oben beschriebenen Verfahren werden die leitfähigen Polymere im Allgemeinen „in situ“ auf dem Anodenkörper gebildet. Selbstverständlich ist dies keineswegs erforderlich. In anderen Ausführungsformen zum Beispiel kann das leitfähige Polymer vorpolymerisiert werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel ist das vorpolymerisierte Polymer ein intrinsisch leitfähiges Polymer, das eine positive Ladung aufweist, die sich auf der Hauptkette befindet und wenigstens teilweise von Anionen, die kovalent an das Polymer gebunden sind, kompensiert wird. Solche Polymere können zum Beispiel im trockenen Zustand eine relativ hohe spezifische Leitfähigkeit von etwa 1 Siemens pro Zentimeter („S/cm“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 10 S/cm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 25 S/cm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40 S/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 500 S/cm aufweisen. Ein Beispiel für ein geeignetes intrinsisch leitfähiges Thiophenpolymer kann Repetiereinheiten der folgenden Formel (III) aufweisen:
    Figure DE112021004949T5_0004
    wobei
    R = (CH2)a-O-(CH2)b-L ist, wobei L eine Bindung oder HC([CH2]cH) ist;
    a = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z.B. 1) ist;
    b = 1 bis 18, in einigen Ausführungsformen 1 bis 10 und in einigen Ausführungsformen 2 bis 6 (z.B. 2, 3, 4 oder 5) ist;
    c = 0 bis 10, in einigen Ausführungsformen 0 bis 6 und in einigen Ausführungsformen 1 bis 4 (z.B. 1) ist;
    Z ein Anion, wie SO3 -, C(O)O-, BF4 -, CF3SO3 -, SbF6 -, N(SO2CF3)2 -, C4H3O4 -, ClO4 -usw., ist;
    X ein Kation, wie Wasserstoff, ein Alkalimetall (z.B. Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium oder Kalium), Ammonium usw., ist.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist Z in Formel (I) ein Sulfonation, so dass das intrinsisch leitfähige Polymer Repetiereinheiten der folgenden Formel (IV) enthält:
    Figure DE112021004949T5_0005
    wobei R und X wie oben definiert sind. In Formel (II) oder (III) ist a vorzugsweise 1, und b ist vorzugsweise 3 oder 4. Ebenso ist X vorzugsweise Natrium oder Kalium.
  • Falls gewünscht, kann das Polymer ein Copolymer sein, das andere Typen von Repetiereinheiten enthält. In solchen Ausführungsformen machen die Repetiereinheiten der Formel (II) typischerweise etwa 50 Mol-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Mol-% bis etwa 99 Mol-% und in einigen Ausführungsformen etwa 85 Mol-% bis etwa 95 Mol-% der Gesamtmenge der Repetiereinheiten in dem Copolymer aus. Selbstverständlich kann das Polymer auch insofern ein Homopolymer sein, als es 100 Mol-% der Repetiereinheiten der Formel (II) enthält. Spezielle Beispiele für solche Homopolymere sind Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-butan-sulfonsäure, Salz) und Poly(4-(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-ylmethoxy)-1-propansulfonsäure, Salz).
  • In einer anderen Ausführungsform weist das intrinsisch leitfähige Polymer Thiophen-Repetiereinheiten der folgenden allgemeinen Formel (V) auf:
    Figure DE112021004949T5_0006
    wobei
    a und b wie oben definiert sind;
    R5 eine gegebenenfalls substituierte lineare oder verzweigte C1-C6-Alkylgruppe (z.B. Methyl) oder ein Halogenatom (z.B. Fluor) ist;
    X ein Wasserstoffatom, ein Alkalimetall (z.B. Li, Na oder K), NH(R1)3 oder HNC5H5, wobei R1 jeweils unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine gegebenenfalls substituierte C1-C6-Alkylgruppe ist.
  • Spezielle Beispiele für Thiophenverbindungen, die zur Bildung solcher Repetiereinheiten verwendet werden, sind sind im US-Patent Nr. 9,718,905 beschrieben und umfassen zum Beispiel etwa Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]-dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-ethyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-propyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-butyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-pentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)-methoxy]-1-hexyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]-dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopropyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isobutyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-isopentyl-1-propansulfonat, Natrium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-fluor-1-propansulfonat, Kalium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, 3-[(2,3-Dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonsäure, Ammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b]-[1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat, Triethylammonium-3-[(2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-2-yl)methoxy]-1-methyl-1-propansulfonat usw. sowie Kombinationen davon. Jedes der oben exemplarisch genannten Thiophenmonomere kann nach einem bekannten Verfahren (z.B. Journal of Electroanalytical Chemistry, 443, 217 bis 226 (1998)) aus Thieno[3,4-b]-1,4-dioxin-2-methanol und einer verzweigten Sultonverbindung hergestellt werden.
  • „Extrinsisch“ leitfähige Polymere können ebenfalls eingesetzt werden, die im Allgemeinen die Gegenwart eines separaten Gegenions erfordern, das nicht kovalent an das Polymer gebunden ist. Ein Beispiel für ein solches extrinsisch leitfähiges Polymer ist Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein, das der Ladung des leitfähigen Polymers entgegenwirkt. Polymere Anionen können zum Beispiel Anionen von polymeren Carbonsäuren (z.B. Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäuren usw.), polymeren Sulfonsäuren (z.B. Polystyrolsulfonsäuren („PSS“), Polyvinylsulfonsäuren usw.) usw. sein. Die Säuren können auch Copolymere, wie Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäure mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Ebenso sind geeignete monomere Anionen zum Beispiel Anionen von C1- bis C20-Alkansulfonsäuren (z.B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z.B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); aliphatischen C1- bis C20-Carbonsäuren (z.B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z.B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C1- bis C20-Alkylgruppen substituiert sind (z.B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Cycloalkansulfonsäuren (z.B. Kamphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluorophosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexachloroantimonate); usw. Besonders gut geeignete Gegenionen sind polymere Anionen, wie eine polymere Carbon- oder Sulfonsäure (z.B. Polystyrolsulfonsäure („PSS“)). Das Molekulargewicht solcher polymeren Anionen liegt typischerweise im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2 000 000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500000.
  • Ob es nun intrinsisch oder extrinsisch leitfähig ist, eine vorpolymerisierte Polymerschicht kann in einer Vielzahl von Formen auf den Anodenkörper aufgetragen werden, wie als Lösung, Dispersion usw. Intrinsisch leitfähige Polymere werden zum Beispiel vorzugsweise in Form einer Lösung aufgetragen, während extrinsisch leitfähige Polymere vorzugsweise in Form einer Dispersion aufgetragen werden.
  • Wenn eine Lösung eingesetzt wird, kann die Konzentration des Polymers je nach der gewünschten Viskosität der Schicht und der besonderen Art und Weise, wie sie auf die Anode aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch macht das Polymer etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Lösung aus. Das oder die Lösungsmittel können ebenso etwa 90 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 95 Gew.-% bis etwa 99,6 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 96 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-% der Lösung ausmachen. Während sicher auch andere Lösungsmittel eingesetzt werden können, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass Wasser das primäre Lösungsmittel ist, so dass die Lösung als „wässrige“ Lösung gilt. In den meisten Ausführungsformen macht Wasser zum Beispiel wenigstens etwa 50 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 75 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% des oder der eingesetzten Lösungsmittel aus. Wenn eine Lösung eingesetzt wird, kann sie mit Hilfe irgendeiner bekannten Methode, wie Tauchen, Gießen (z.B. Vorhangbeschichtung, Schleuderbeschichtung usw.), Drucken (z.B. Tiefdruck, Offsetdruck, Siebdruck usw.) usw. auf die Anode aufgetragen werden. Die resultierende Schicht des leitfähigen Polymers kann getrocknet und/oder gewaschen werden, nachdem sie auf die Anode aufgetragen wurde.
  • Wenn eine Dispersion eingesetzt wird, liegt das leitfähige Polymer im Allgemeinen in Form von vorpolymerisierten leitfähigen Teilchen vor. Solche Teilchen haben typischerweise eine mittlere Größe (z.B. Durchmesser) von etwa 1 bis etwa 100 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 80 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 4 bis etwa 50 Nanometer. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden. Die Form der Teilchen kann ebenfalls variieren. In einer besonderen Ausführungsform haben die Teilchen zum Beispiel eine sphärische Form. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch andere Formen in Betracht gezogen werden, wie Platten, Stäbe, Scheiben, Blöcke, Röhrchen, unregelmäßige Formen usw. Die Konzentration der Teilchen in der Dispersion kann je nach der gewünschten Viskosität der Dispersion und der besonderen Art und Weise, wie die Dispersion auf das Kondensatorelement aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch machen die Teilchen etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Dispersion aus.
  • Die Dispersion kann auch ein oder mehrere Bindemittel enthalten, um die Klebrigkeit der polymeren Schicht weiter zu erhöhen 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 vernetzbare Polymere, wie Polyurethane, Polyacrylate oder Polyolefine, und anschließende Vernetzung.
  • Es können auch Dispersionsmittel eingesetzt werden, um die Auftragbarkeit der Schicht auf die Anode zu verbessern. Zu den geeigneten Dispersionsmitteln gehören Lösungsmittel, wie aliphatische Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol und Butanol), aliphatische Ketone (z.B. Aceton und Methylethylketone), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Ethylacetat und Butylacetat), aromatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Toluol und Xylol), aliphatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Hexan, Heptan und Cyclohexan), chlorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. Dichlormethan und Dichlorethan), aliphatische Nitrile (z.B. Acetonitril), aliphatische Sulfoxide und Sulfone (z.B. Dimethylsulfoxid und Sulfolan), aliphatische Carbonsäureamide (z.B. Methylacetamid, Dimethylacetamid und Dimethylformamid), aliphatische und araliphatische Ether (z.B. Diethylether und Anisol), Wasser sowie Gemische irgendwelcher der obigen Lösungsmittel. Ein besonders gut geeignetes Dispersionsmittel ist Wasser.
  • Außer den oben genannten können auch noch andere Bestandteile in der Dispersion verwendet werden. Zum Beispiel können herkömmliche Füllstoffe verwendet werden, die eine Größe von etwa 10 Nanometer bis etwa 100 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Nanometer bis etwa 50 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Nanometer bis etwa 30 Mikrometer aufweisen. Beispiele für solche Füllstoffe sind Calciumcarbonat, Silicate, Siliciumoxid, Calcium- oder Bariumsulfat, Aluminiumhydroxid, Glasfasern oder -kolben, Holzmehl, Cellulosepulver, Ruß, elektrisch leitfähige Polymere usw. Die Füllstoffe können in Pulverform in die Dispersion eingeführt werden, können jedoch auch in einer anderen Form, etwa als Fasern, vorliegen.
  • Grenzflächenaktive Substanzen, wie ionische oder nichtionische Tenside, können ebenfalls in der Dispersion eingesetzt werden. Weiterhin können Kleber eingesetzt werden, wie organofunktionelle Silane oder ihre Hydrolysate, zum Beispiel 3-Glycidoxypropyltrialkoxysilan, 3-Aminopropyltriethoxysilan, 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan oder Octyltriethoxysilan. Die Dispersion kann auch Additive enthalten, die die Leitfähigkeit erhöhen, wie Ethergruppen enthaltende Verbindungen (z.B. Tetrahydrofuran), Lactongruppen enthaltende Verbindungen (z.B. γ-Butyrolacton oder γ-Valerolacton), Amid- oder Lactamgruppen enthaltende Verbindungen (z.B. Caprolactam, N-Methylcaprolactam, N,N-Dimethylacetamid, N-Methylacetamid, N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methylformamid, N-Methylformanilid, N-Methylpyrrolidon (NMP), N-Octylpyrrolidon oder Pyrrolidon), Sulfone und Sulfoxide (z.B. Sulfolan (Tetramethylensulfon) oder Dimethylsulfoxid (DMSO)), Zucker oder Zuckerderivate (z.B. Saccharose, Glucose, Fructose oder Lactose), Zuckeralkohole (z.B. Sorbit oder Mannit), Furanderivate (z.B. 2-Furancarbonsäure oder 3-Furancarbonsäure) und Alkohole (z.B. Ethylenglycol, Glycerin, Di- oder Triethylenglycol).
  • Die Dispersion kann mit Hilfe einer Vielzahl von bekannten Techniken auf den Teil aufgetragen werden, wie durch Schleuderbeschichtung, Imprägnierung, Gießen, tropfenweise Auftragung, Spritzen, Sprühen, Rakeln, Bürsten oder Drucken (z.B. Tintenstrahl-, Sieb- oder Blockdruck), oder Tauchen. Die Viskosität der Dispersion beträgt typischerweise etwa 0,1 bis etwa 100000 mPa·s (gemessen bei einer Scherrate von 100 s-1), in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10000 mPa·s, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 1500 mPa·s und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 1000 mPa·s.
  • Der feste Elektrolyt kann aus mehreren Schichten gebildet sein, wie inneren und/oder äußeren Schichten. Der Ausdruck „innere“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine oder mehrere Schichten, die aus demselben Material bestehen und das Dielektrikum bedecken, entweder direkt oder über eine andere Schicht (z.B. Kleberschicht). Die innere Schicht oder die inneren Schichten enthalten zum Beispiel typischerweise intrinsisch leitfähige Polymere, entweder allein oder in Kombination mit anderen leitfähigen Polymeren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Verwendung solcher Polymere ein besserer Kontakt zwischen dem festen Elektrolyten und dem Dielektrikum erreicht werden kann. In einer besonderen Ausführungsform sind die inneren Schichten im Allgemeinen frei von extrinsisch leitfähigen Polymeren und bestehen also in erster Linie aus intrinsisch leitfähigen Polymeren. Insbesondere können intrinsisch leitfähige Polymere etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% oder mehr (z.B. 100 Gew.-%) der inneren Schichten ausmachen. Selbstverständlich ist dies keineswegs erforderlich, und in anderen Ausführungsformen können die inneren Schichten auch aus anderen Materialien, wie aus einer Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen, gebildet sein. Unabhängig davon können eine oder mehrere innere Schichten eingesetzt werden. Zum Beispiel enthält der feste Elektrolyt typischerweise 2 bis 30, in einigen Ausführungsformen 4 bis 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis 15 innere Schichten.
  • E. Externe Polymerbeschichtung
  • Gegebenenfalls kann auch eine externe Polymerbeschichtung eingesetzt werden, die den festen Elektrolyten bedeckt. Falls sie eingesetzt wird, enthält die externe Polymerbeschichtung typischerweise eine oder mehrere Schichten, die aus vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen gebildet sind, wie es oben beschrieben ist (z.B. Dispersion von extrinsisch leitfähigen Polymerteilchen). 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 der Anode imprägnieren möchte, sind die in der externen Beschichtung verwendeten Teilchen typischerweise größer als die in irgendwelchen optionalen Dispersionen des festen Elektrolyten eingesetzten. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der mittleren Größe der in der externen Polymerbeschichtung verwendeten Teilchen zur mittleren Größe der in irgendeiner Dispersion des festen Elektrolyten eingesetzten Teilchen typischerweise etwa 1,5 bis etwa 30, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 20 und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 15. Zum Beispiel können die in der Dispersion der externen Beschichtung eingesetzten Teilchen eine mittlere Größe von etwa 50 bis etwa 800 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 80 bis etwa 600 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 500 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 wird typischerweise aus einer Lösung oder Dispersion aufgetragen, deren pH-Wert 1 bis 10, in einigen Ausführungsformen 2 bis 7 und in einigen Ausführungsformen 3 bis 6 beträgt, bestimmt bei 25 °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, auf den Kondensatorkörper aufgetragen werden. Sobald es aufgetragen ist, kann das Vernetzungsmittel getrocknet werden, bevor die Polymerdispersion aufgetragen wird. Dann kann dieser Vorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Zum Beispiel kann die Gesamtdicke der gesamten externen Polymerbeschichtung einschließlich des Vernetzungsmittels und der Dispersionsschichten im Bereich von etwa 1 bis etwa 50 µm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 40 µm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 µm liegen.
  • F. Feuchtigkeitssperrschicht
  • Falls gewünscht, kann eine Feuchtigkeitssperrschicht eingesetzt werden, die den festen Elektrolyten bedeckt. Die Feuchtigkeitssperrschicht kann aus einer Vielzahl verschiedener Materialien, wie einem hydrophoben Elastomer, z.B. Silikonen, Fluorpolymeren usw., gebildet werden. Silikonpolymere sind besonders gut für die Verwendung in der Feuchtigkeitssperrschicht der vorliegenden Erfindung geeignet. Solche Elastomere sind typischerweise von Polyorganosiloxanen abgeleitet, wie solchen mit der folgenden allgemeinen Formel:
    Figure DE112021004949T5_0007
    wobei
    x eine ganze Zahl größer als 1 ist; und
    R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 und R8 unabhängig einwertige Gruppen sind, die typischerweise 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatome enthalten, wie Alkylgruppen (z.B. Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Octyl, Undecyl, Octadecyl usw.); Alkoxygruppen (z.B. Methoxy, Ethoxy, Propoxy usw.); Carboxyalkylgruppen (z.B. Acetyl); Cycloalkylgruppen (z.B. Cyclohexyl); Alkenylgruppen (z.B. Vinyl, Allyl, Butenyl, Hexenyl usw.); Arylgruppen (z.B. Phenyl, Tolyl, Xylyl, Benzyl, 2-Phenylethyl usw.); und halogenierte Kohlenwasserstoffgruppen (z.B. 3,3,3-Trifluorpropyl, 3-Chlorpropyl, Dichlorphenyl usw.). Beispiele für solche Polyorganosiloxane sind etwa Polydimethylsiloxan („PDMS“), Polymethylhydrogensiloxan, Dimethyidiphenylpolysiloxan, Dimethyl/methylphenylpolysiloxan, Polymethylphenylsiloxan, Methylphenyl/dimethylsiloxan, Vinyldimethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Vinylmethyl/dimethylpolysiloxan, Vinyldimethyl-terminiertes Vinylmethyl/dimethylpolysiloxane, Divinylmethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Vinylphenylmethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Dimethylhydro-terminiertes Polydimethylsiloxan, Methylhydro/dimethylpolysiloxan, Methylhydro-terminiertes Methyloctylpolysiloxan, Methylhydro/phenylmethylpolysiloxan, fluormodifiziertes Polysiloxane usw. Zur Bildung eines Elastomers kann das Polyorganosiloxan vernetzt werden, wobei man eine aus einer Vielzahl bekannter Techniken verwendet, wie durch katalytische Härtung (z.B. Platin-Katalysatoren), Raumtemperaturvulkanisation, Feuchtigkeitshärtung usw. Es können Vernetzungsmittel eingesetzt werden, wie Alkoxysilane mit der Formel Si-OR, wobei R = H, Alkyl (z.B. Methyl), Alkenyl, Carboxyalkyl (z.B. Acetyl) usw. ist.
  • Außer dass es hydrophob sein soll, ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass das zur Bildung der Feuchtigkeitssperrschicht verwendete Material einen relativ geringen Elastizitätsmodul und einen gewissen Grad der Flexibilität aufweist, was dazu beitragen kann, einen Teil der thermischen Belastungen, die durch die Ausdehnung des Gehäuses verursacht werden, aufzunehmen, und es auch ermöglicht, dieses Druckkräften auszusetzen. Die Flexibilität des Materials kann durch einen entsprechend geringen Elastizitätsmodul („Youngscher Modul“) gekennzeichnet werden, wie etwa 5000 Kilopascal („kPa“) oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 2000 kPa und in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 500 kPa, gemessen bei einer Temperatur von etwa 25°C. Das Material besitzt auch typischerweise einen bestimmten Grad der Festigkeit, der es ihm ermöglicht, seine Form auch dann beizubehalten, wenn es Druckkräften ausgesetzt ist. Zum Beispiel kann das Material eine Zugfestigkeit von etwa 1 bis etwa 5000 kPa, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 2000 kPa und in einigen Ausführungsformen etwa 50 bis etwa 1000 kPa besitzen, gemessen bei einer Temperatur von etwa 25°C. Unter den oben genannten Bedingungen kann das hydrophobe Elastomer die Fähigkeit des Kondensators, unter extremen Bedingungen zu funktionieren, noch weiter verstärken.
  • Um dazu beizutragen, die gewünschten Flexibilitäts- und Festigkeitseigenschaften zu erreichen, kann ein nichtleitender Füllstoff in der Feuchtigkeitssperrschicht eingesetzt werden. Wenn sie eingesetzt werden, machen solche Additive typischerweise etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 2 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Feuchtigkeitssperrschicht aus. Das Silikon-Elastomer kann etwa 70 Gew.-% bis etwa 99,5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 80 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-% der Feuchtigkeitssperrschicht ausmachen. Ein besonderes Beispiel für einen solchen Füllstoff ist zum Beispiel Siliciumoxid. Während die meisten Formen von Siliciumoxid wegen der Anwesenheit von Silanolgruppen (Si-OH) eine relativ hydrophobe Oberfläche enthalten, kann das Siliciumoxid gegebenenfalls einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, so dass seine Oberfläche (CH3)n-Si-Gruppen enthält, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, was die Hydrophobie der Feuchtigkeitssperrschicht weiter verstärkt. Das Oberflächenbehandlungsmittel kann zum Beispiel ein Monomer in Form einer siliciumorganischen Verbindung mit einer hydrolysierbaren Gruppe oder einem partiellen Hydrolysat davon sein. Beispiele für solche Verbindungen sind etwa Organosilazane, Silan-Kopplungsmittel, wie sie oben beschrieben sind, usw.
  • Die Feuchtigkeitssperrschicht kann auf eine beliebige Oberfläche des Kondensators aufgetragen werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Zum Beispiel kann sich die Feuchtigkeitssperrschicht auf der oberen, unteren und/oder den Seitenflächen des Kondensators befinden. Die Feuchtigkeitssperrschicht kann sich ebenso auf der vorderen und/oder hinteren Fläche des Kondensators befinden. Die Feuchtigkeitssperrschicht kann die gesamte Fläche oder nur einen Teil der Fläche, auf die sie aufgetragen wird, bedecken. In einer Ausführungsform zum Beispiel bedeckt die Feuchtigkeitssperrschicht etwa 30% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 50% oder mehr der Oberfläche des Kondensators, auf die sie aufgetragen wird.
  • G. Andere optionale Komponenten
  • Falls gewünscht, kann das Kondensatorelement auch andere Schichten enthalten, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten gegebenenfalls eine Klebeschicht ausgebildet sein. Die Klebeschicht kann zum Beispiel zwischen dem Dielektrikum und der Vorbeschichtung und/oder zwischen der Vorbeschichtung und dem festen Elektrolyten vorhanden sein. Unabhängig davon besteht die Klebeschicht typischerweise aus einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich oder synthetisch). Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10 Ω.cm haben, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 100, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1000 Ω·cm, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 105 Ω·cm und in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 1010 Ω·cm. Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z.B. Glyceride) usw. Zu den geeigneten Estern von Fettsäuren gehören zum Beispiel unter anderem Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Eleostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Schellolsäure usw. Diese Ester von Fettsäuren haben sich als besonders nützlich erwiesen, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen unter Bildung eines „trocknenden Öls“ verwendet werden, das es dem resultierenden Film ermöglicht, schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Zu diesen trocknenden Ölen gehören etwa Mono-, Di- und/oder Triglyceride, die ein Glyceringerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten, die verestert sind, aufweisen. Einige geeignete trocknende Öle, die verwendet werden können, sind zum Beispiel unter anderem Olivenöl, Leinöl, Ricinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben.
  • Falls gewünscht, kann auf das Teil auch eine Kohlenstoffschicht (z.B. Graphit) bzw. Silberschicht aufgetragen sein. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbare Leiterkontaktschicht und/oder Ladungssammler 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. Verschiedene Techniken können eingesetzt werden, um diese Schichten aufzutragen, wie Tauchen, Bürsten, Sprühen, Drucken usw.
  • II. Endteile
  • Sobald es gebildet ist, kann das Kondensatorelement mit Endteilen versehen werden. Wie bereits gesagt, enthält der Kondensator im Allgemeinen wenigstens zwei separate und beabstandete Anoden-Endteile, mit denen individuelle exponierte Anodenanschlussteile elektrisch verbunden sind. Der Kondensator enthält auch ein Kathoden-Endteil, mit dem der feste Elektrolyt des Kondensatorelements elektrisch verbunden ist.
  • Jedes leitfähige Material kann eingesetzt werden, um die Endteile zu bilden, wie ein leitfähiges Metall (z.B. Kupfer, Nickel, Silber, Nickel, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium und Legierungen davon). Zu den besonders gut geeigneten leitfähigen Metallen gehören zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen (z.B. Kupfer-Zirconium, Kupfer-Magnesium, Kupfer-Zink oder Kupfer-Eisen), Nickel und Nickellegierungen (z.B. Nickel-Eisen). Die Dicke der Endteile ist im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter oder etwa 0,07 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Ein beispielhaftes leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus einer Kupfer-EisenLegierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich ist. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden beide Flächen der Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, während die Montagefläche auch mit einer Zinnlötschicht versehen wird. Die Endteile können unter Verwendung einer beliebigen, in der Technik bekannten Methode mit dem Kondensatorelement verbunden werden, wie Widerstandsschweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw.
  • Die 2-3 zeigen eine bestimmte Ausführungsform eines Kondensators 200, der ein Kathoden-Endteil 206 in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten (nicht gezeigt) eines Kondensatorelements 208 enthält. Das Kondensatorelement 208 kann ein erstes und ein zweites Ende 205 und 207, die einander entgegengesetzt sind, sowie eine untere Fläche 210 und eine obere Fläche, die einander entgegengesetzt sind. Das Kathoden-Endteil 206 ist im Wesentlichen planar in dem Sinne, dass es hauptsächlich, wenn nicht ganz, aus Komponenten gebildet ist, die sich in derselben oder im Wesentlichen in derselben Ebene erstrecken. Das Kathoden-Endteil 206 befindet sich in der Nähe der unteren Fläche 210 des Kondensatorelements 208 und ist im Wesentlichen parallel dazu. In dieser bestimmten Ausführungsform verbindet ein leitfähiger Kleber 21 das Kathoden-Endteil 206 mit dem Kondensatorelement 208. Der leitfähige Kleber 21 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. Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um den leitfähigen Kleber auf das Kathoden-Endteil 206 aufzutragen. Aufgrund ihres praktischen und kostensparenden Nutzens können zum Beispiel Drucktechniken eingesetzt werden. Der leitfähige Kleber 212 kann gehärtet werden. Zum Beispiel kann eine Heißpresse verwendet werden, um Wärme und Druck anzuwenden und dadurch zu gewährleisten, dass das Kondensatorelement 208 durch den Kleber ausreichend stark an das Kathoden-Endteil 206 geklebt wird.
  • Der Kondensator 200 umfasst auch einen ersten exponierten Anodenanschlussteil 218, der sich von einem ersten Ende 205 des Kondensatorelements 208 aus erstreckt, und einen zweiten exponierten Anodenanschlussteil 220, der sich von einem zweiten, entgegengesetzten Ende 207 des Kondensatorelements 208 aus erstreckt. Der exponierte Anodenanschlussteil 218 ist elektrisch an das erste Anoden-Endteil 201 angeschlossen, und der exponierte Anodenanschlussteil 220 ist elektrisch an ein zweites Anoden-Endteil 203 angeschlossen. Das erste Anoden-Endteil 201 kann einen planaren Teil 202 umfassen, der im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 210 des Kondensatorelements 208 und/oder zum Kathoden-Endteil 206 ausgerichtet ist. Das erste Anoden-Endteil 201 kann auch einen hochstehenden Teil 214 enthalten, der den planaren Teil 202 mit dem exponierten ersten Anodenanschlussteil 218 verbindet. Ebenso kann das zweite Anoden-Endteil 203 einen planaren Teil 204 umfassen, der im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 210 des Kondensatorelements 208 und/oder zum Kathoden-Endteil 206 ausgerichtet ist. Das zweite Anoden-Endteil 203 kann auch einen hochstehenden Teil 216 enthalten, der den planaren Teil 204 mit dem exponierten zweiten Anodenanschlussteil 220 verbindet. Wie gesagt, sind die planaren Teile 202, 204 der jeweiligen Anoden-Endteile planar und im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche 210 des Kondensatorelements 208 ausgerichtet und kann sich daher unter den jeweiligen exponierten Anodenanschlussteile 218, 220 befinden. In einer Ausführungsform jedoch können der erste hochstehende Teil 214 und der zweite hochstehende Teil 216 ein verdickter oder verlängerter Teil des ersten planaren Teils 202 und/oder des zweiten planaren Teils 204 des jeweiligen Anoden-Endteils 201, 203 sein. Zum Beispiel hat in einer Ausführungsform das erste und/oder zweite Anoden-Endteil 201, 203 eine Höhe, die auf der Basis eines Abstands „d“ von einer unteren Fläche 222, 224 der exponierten Anodenanschlussteile 218, 220 zur unteren Fläche 210 des Kondensatorelements ausgewählt ist, wobei der Abstand „d“ typischerweise im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 0,8 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,3 bis etwa 0,6 Millimeter liegt. Selbstverständlich können die planaren Teile 202, 204 auch eine Höhe aufweisen, die äquivalent zum Abstand „d“ ist, so dass keine hochstehenden Teile benötigt werden. Obwohl es in den 2-3 nicht gezeigt ist, können die hochstehenden Teile 214, 216 eine „U-Form“ besitzen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität der exponierten Anodenanschlussteile 218, 220 weiter zu erhöhen.
  • Der erste exponierte Anodenanschlussteil 218 und der zweite exponierte Anodenanschlussteil 220 können mit Hilfe einer in der Technik bekannten Methode, wie Widerstandsschweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem jeweiligen Anoden-Endteil 201, 203 verbunden sein (entweder direkt mit den planaren Teilen 202, 204 oder über die hochstehenden Teile 214, 216, wie oben diskutiert wurde). Laser enthalten im Allgemeinen Resonatoren, die ein Lasermedium umfassen, das Photonen durch stimulierte Emission freisetzen kann, und eine Energiequelle, die die Elemente des Lasermediums anregt. Ein Typ von geeignetem Laser ist einer, bei dem das Lasermedium aus einem Aluminium-Yttrium-Granat (YAG) besteht, der mit Neodym (Nd) dotiert ist. Die angeregten Teilchen sind Neodymionen Nd3+. Die Energiequelle kann kontinuierliche Energie zu dem Lasermedium liefern, um einen kontinuierlichen Laserstrahl zu emittieren, oder Energieentladungen, um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren. Dieselben oder andere Techniken können für jeden exponierten Anodenanschlussteil eingesetzt werden.
  • In einigen Fällen kann das Kondensatorelement 208 eine relativ geringe Dicke oder Höhe „h“ aufweisen, die im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 1,5 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 1,2 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 bis etwa 1 Millimeter liegt. Insbesondere kann in einer Ausführungsform eine so geringe Höhe „h“ den Abstand „d“ weiter senken, was die Stabilität des Kondensators verbessert und weiter zu einem niedrigeren ESL des Kondensators beiträgt. Zum Beispiel kann in einem Aspekt der Abstand „d“ einen Wert aufweisen, der auf der Höhe „h“ basiert. In einem solchen Aspekt kann der Abstand „d“ einen Wert aufweisen, der etwa das 0,1-fache der Höhe „h“, wie etwa das 0,2-fache, wie etwa das 0,3-fache, wie etwa das 0,4-fache, wie etwa das 0,5-fache der Höhe „h“ beträgt, was die Länge der Anschlüsse und Endteile reduziert. Das Kondensatorelement 208 kann auch ein hohes Aspektverhältnis (Verhältnis der Breite „w“ des Kondensatorelements zur Höhe „h“) aufweisen, wenigstens zum Teil aufgrund der oben diskutierten geringen Dicke. Solche hohen Aspektverhältnisse können etwa 2 oder mehr, wie etwa 3 oder mehr, wie etwa 4 oder mehr, wie etwa 5 oder mehr, wie etwa 6 oder mehr, betragen. Insbesondere haben, wie oben diskutiert wurde, die Erfinder herausgefunden, dass ein Kondensator, der eine solche Form und Orientierung aufweist, weiter zu den geringen ESL-Eigenschaften des Kondensators sowie zur Bildung eines kleinen Kondensators mit geringem Profil beitragen kann.
  • III. Gehäuse
  • Das Kondensatorelement ist im Allgemeinen so in einem Gehäuse eingebettet, dass wenigstens ein Teil des planaren Teils des ersten Anoden-Endteils, der planare Teil des zweiten Anoden-Endteils und das Kathoden-Endteil zur Montage auf einer Leiterplatte exponiert sind. Wenn wir uns erneut auf die 2-3 beziehen, kann das Kondensatorelement 208 zum Beispiel so in einem Gehäuse 226 eingebettet sein, dass wenigstens eine untere Fläche des planaren Teils 202 des Anoden-Endteils 201, der planare Teil 204 des Anoden-Endteils 203 und/oder das planare Kathoden-Endteil 206 exponiert sind. In einigen Fällen sind nur diese Flächen exponiert. Das Gehäuse wird typischerweise aus einem duroplastischen Harz gebildet. Beispiele für solche Harze sind zum Beispiel Epoxidharze, Polyimidharze, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Polyurethanharze, Phenolharze, Polyesterharze usw. Epoxidharze sind auch besonders gut geeignet. Es können auch noch andere Additive eingesetzt werden, wie Photoinitiatoren, Viskositätsmodifikatoren, Suspendier-Hilfsmittel, Pigmente, spannungsreduzierende Mittel, nichtleitende Füllstoffe, Stabilisatoren usw. Zum Beispiel können die nichtleitenden Füllstoffe anorganische Oxidteilchen, wie Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Eisenoxid, Kupferoxid, Zeolithe, Silicate, Tone (z.B. Smektit-Ton) usw., sowie Verbundmaterialien (z.B. mit Aluminiumoxid beschichtete Siliciumoxidteilchen) und Gemische davon umfassen.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
  • Testverfahren
  • S-Parameter
  • Der S21-Parameter wurde mit Hilfe eines Vector Network Analyzer über eine Vielzahl von Frequenzen gemessen. Der Parameter wurde auch unter Verwendung der in 4 gezeigten äquivalenten Schaltung modelliert.
  • Impedanz
  • Die Impedanz wurde mit Hilfe eines Vector Network Analyzer über eine Vielzahl von Frequenzen gemessen.
  • Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
  • Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem HP4284A-LR-Messgerät mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 0 Volt Vorspannung und 10-mV-Wechselstromsignalen gemessen werden. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur betrug 23 °C ± 2 °C. Der ESR kann durch das Kathoden-Endteil und eines oder mehrere der Anoden-Endteile gemessen werden. Wenn mehrere Anoden-Endteile verwendet werden, kann ein mittlerer EVR angegeben werden.
  • Verlustfaktor
  • Der Verlustfaktor kann mit einem LCZHP4284A-LCR-Messgerät mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 0 Volt Vorspannung und 10-mV-Wechselstromsignalen gemessen werden. Die Betriebsfrequenz kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23 °C ± 2 °C betragen.
  • Kapazität
  • Die Kapazität wurde unter Verwendung eines Präzisions-LCZ-Messgeräts 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 kann 23 °C ± 2 °C betragen.
  • Leckstrom
  • Der Leckstrom kann nach mindestens 5 Minuten mit einem Leckstrom-Testgerät (YHP4140B) bei einer Temperatur von 23°C ± 2°C mit einem 1-kOhm-Widerstand zur Begrenzung des Ladestroms und bei einer Nennspannung (z.B. 2,5 V)gemessen werden.
  • Beispiel 1
  • Ein Tantalpulver mit 70 000 µFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, auf eine Dichte von 6,0 g/cm3 gepresst. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 5,08 × 3,52 × 0,52 mm. Die Presslinge wurden bei 1275°C gesintert, und dann wurde ein zweiter Tantaldraht durch Schweißen am entgegengesetzten Ende des Presslings befestigt (1A). Nach dem Anschweißen des Anschlusses wurden die Presslinge bei 860°C deoxidiert und bei 1300°C erneut gesintert. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 80 °C in Wasser/Phosphorsäure-Elektrolyt bis 9,3 Volt anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anode in eine Butanollösung von Eisen(III)toluolsulfonat (Clevios™ C, Heraeus) und anschließend in 3,4-Ethylendioxythiophen (Clevios™ M, Heraeus) eintauchte, und polymerisiert. Nach 45 Minuten Polymerisation wurde eine dünne Schicht von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf der Oberfläche des Dielektrikums gebildet. Die Anode wurde in einer 2%-igen wässrigen Lösung von p-Toluolsulfonsäure und anschließend in Butanol gewaschen, um Nebenprodukte der Reaktion zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und erneut in deionisiertem Wasser gewaschen. Dieser Vorgang wurde sechsmal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Danach wurden die Teile in dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2,0% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios™ K, Heraeus) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125 °C getrocknet. Dieser Vorgang wurde 14-mal wiederholt. Danach wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Dann wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile auf dem Substrat mit Endteilen montiert, wie es hier beschrieben und in 1A gezeigt ist.
  • Auf diese Weise wurden viele Teile (12) von Kondensatoren mit 220 µF/2,5 V hergestellt und in ein Standard-Siliciumoxid-Epoxidharz eingebettet. Dann wurden die resultierenden Teile auf verschiedene elektrische Eigenschaften getestet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.
    Beispiel 1
    Kapazität (µF) 247,4
    DF (%) 1,5
    ESR 1* (mOhm) 33,9
    ESR 2† (mOhm) 32,6
    Mittlerer ESR (mOhm) 33,3
    Leckstrom (mA) 142,0
    • *
    Ein gemessenes Teil kontaktierte auf dem ersten Anoden-Endteil und Kathoden-Endteil.
    †
    Ein gemessenes Teil kontaktierte auf dem zweiten Anoden-Endteil und Kathoden-Endteil.
  • Der Kondensator von Beispiel 1 wurde ebenfalls bei einer Vielzahl von Frequenzen auf Impedanz getestet. 5 liefert eine graphische Darstellung des Absolutbetrags der Impedanz (|Z|) gegen die Frequenz von Beispiel 1 im Vergleich zu einem Standardkondensator („Vergleichs-“). Wie gezeigt, ist die Impedanzzunahme aufgrund einer parasitischen Induktivität, die mit dem Kondensator assoziiert ist, bei höheren Frequenzen relativ zum Standardkondensator erheblich reduziert. Zum Beispiel gibt es bei 100 MHz eine Reduktion der Impedanz (parasitische Induktivität) von etwa 66%, so dass die Impedanz kleiner ist als 0,7 Ohm. 6 zeigt auch die modellierten und gemessenen Insertionsverlust-Streuparameter (S21) für Beispiel 1. Wie gezeigt, wies der Kondensator eine hohe Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich auf, wie größer als etwa 50 dB über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 MHz bis etwa 500 MHz. Außerdem behielt der Kondensator selbst bei dem hohen Frequenzbereich von 500 MHz bis 10 GHz noch eine Dämpfung von mehr als etwa 30 dB bei, was es ermöglicht, ihn ohne Weiteres bei Gleichstromfilteranwendungen einzusetzen.
  • Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2014199480 [0016]

Claims (23)

  1. Festelektrolytkondensator, umfassend: ein Kondensatorelement, das einen gesinterten Anodenkörper, ein Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt, umfasst, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer umfasst, wobei das Kondensatorelement ein erstes und ein zweites Ende, die einander entgegengesetzt sind, und eine obere und untere Fläche, die einander entgegengesetzt sind, definiert; einen ersten exponierten Anodenanschlussteil, der sich vom ersten Ende des Kondensatorelements aus erstreckt; ein erstes Anoden-Endteil, das elektrisch an den ersten exponierten Anodenanschlussteil angeschlossen ist; einen zweiten exponierten Anodenanschlussteil, der sich vom zweiten Ende des Kondensatorelements aus erstreckt; ein zweites Anoden-Endteil, das vom ersten Anoden-Endteil beabstandet und elektrisch an den zweiten exponierten Anodenanschlussteil angeschlossen ist; und ein planares Kathoden-Endteil, das sich in der Nähe der unteren Fläche des Kondensatorelements befindet und elektrisch an den festen Elektrolyten angeschlossen ist.
  2. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das erste Anoden-Endteil, das zweite Anoden-Endteil oder beide einen planaren Teil umfassen, der im Wesentlichen parallel zu einer unteren Fläche des Kondensatorelements ausgerichtet ist.
  3. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das erste Anoden-Endteil, das zweite Anoden-Endteil oder beide einen planaren Teil umfassen, der im Wesentlichen in derselben Ebene liegt wie das Kathoden-Endteil.
  4. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Kathoden-Endteil im Wesentlichen parallel zu einer unteren Fläche des Kondensatorelements ausgerichtet ist.
  5. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper Tantal umfasst und das Dielektrikum Tantalpentoxid umfasst.
  6. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der feste Elektrolyt wenigstens eine Schicht enthält, die aus einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen gebildet ist.
  7. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das leitfähige Polymer Poly(3,4-ethylendioxythiophen) oder ein Derivat davon umfasst.
  8. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper aus einem Ventilmetallpulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 5000 bis etwa 100000 µF·V/g gebildet ist.
  9. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper aus einem Ventilmetallpulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 100000 bis etwa 600000 µF·V/g gebildet ist.
  10. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der erste Anodenanschluss in den Anodenkörper, der den ersten exponierten Anodenanschlussteil und einen eingebetteten Teil umfasst, eingebettet ist.
  11. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 10, weiterhin umfassend einen zweiten Anodenanschluss, der den zweiten exponierten Anodenanschlussteil umfasst.
  12. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 11, wobei der zweite Anodenanschluss mit einem Ende des Anodenkörpers verbunden ist.
  13. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 12, wobei es zwischen einem Ende des eingebetteten Teils und dem Ende des Anodenkörpers eine Lücke gibt.
  14. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 10, wobei der zweite Anodenanschluss in den Anodenkörper eingebettet ist und einen eingebetteten Teil umfasst.
  15. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 14, wobei es zwischen einem Ende des eingebetteten Teils des ersten Anodenanschlusses und einem Ende des eingebetteten Teils des zweiten Anodenanschlusses eine Lücke gibt.
  16. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei sich ein kontinuierlicher Anodenanschluss durch das erste Ende und das zweite Ende des Kondensatorelements erstreckt und dadurch den ersten exponierten Anodenanschlussteil und den zweiten exponierten Anodenanschlussteil definiert.
  17. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Gehäuse, das das Kondensatorelement einschließt und wenigstens eine untere Fläche des Kathoden-Endteils exponiert lässt.
  18. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 17, weiterhin umfassend ein Gehäuse, das das Kondensatorelement einschließt und wenigstens eine untere Fläche des ersten Anoden-Endteils, des zweiten Anoden-Endteils oder von beiden exponiert lässt.
  19. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 18, wobei die exponierte untere Fläche des Kathoden-Endteils im Wesentlichen in derselben Ebene liegt wie die exponierte untere Fläche des ersten Anoden-Endteils, des zweiten Anoden-Endteils oder von beiden.
  20. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator eine Impedanz von etwa 1 Ohm oder weniger über einen Frequenzbereich von etwa 1 kHz bis etwa 100 MHz aufweist.
  21. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Festelektrolytkondensator über einen Frequenzbereich von etwa 0,1 MHz bis etwa 500 MHz eine Dämpfung (S21-Parameter) von etwa 40 dB oder mehr aufweist.
  22. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Festelektrolytkondensator über einen Frequenzbereich von etwa 500 MHz bis etwa 10 GHz eine Dämpfung (S21-Parameter) von etwa 20 dB oder mehr aufweist.
  23. Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Kondensator einen ESR von etwa 800 Milliohm oder weniger aufweist, bestimmt bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23°C.
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