DE112021004996T5

DE112021004996T5 - Festelektrolytkondensator, der eine deoxidierte Anode enthält

Info

Publication number: DE112021004996T5
Application number: DE112021004996.8T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Wakatsuki; Yusuke Sasaki; Shinpei Etou
Original assignee: Kyocera Avx Components Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2023-06-29
Also published as: CN116210066A; WO2022066722A1; US20220093344A1; JP2023542073A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Kondensator, der ein Kondensatorelement umfasst. Das Kondensatorelement umfasst einen deoxidierten und gesinterten Anodenkörper, der aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 35 000 µF*V/g oder mehr gebildet ist. Weiterhin bedeckt ein Dielektrikum den Anodenkörper, und ein fester Elektrolyt bedeckt das Dielektrikum. Der Kondensator zeigt auch einen normierten Leckstrom nach Alterung von etwa 0,1% oder weniger.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 23. September 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 63/082,071, auf die in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
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. Leider besteht ein Problem bei vielen Festelektrolytkondensatoren darin, dass die gesinterte Anode häufig einen relativ geringen Grad der Druckfestigkeit aufweist, wenn Pulver mit einer hohen spezifischen Ladung („CV/g“) eingesetzt werden. Dies kann bewirken, dass in dem Anodenkörper Mikrorisse entstehen, die unter extremen Bedingungen, wie bei hoher Temperatur und/oder bei hohen Feuchtigkeitswerten potentielle Fehlerstellen in dem Kondensator schaffen können. Diese Probleme werden insofern noch verschärft, als Pulver mit hoher spezifischer Ladung im Allgemeinen aus Teilchen mit sehr geringer Größe und großer spezifischer Oberfläche gebildet werden, was zur Bildung von kleinen Poren zwischen den Teilchen führt, die schwierig mit Lösungen eines Dielektrikums und festen Elektrolyten zu imprägnieren sind. Die Schwierigkeit beim Imprägnieren solcher kleiner Poren führt zur Bildung eines festen Elektrolyten, der nicht gut an der dielektrischen Beschichtung haftet und weniger wahrscheinlich eine gute Oberflächenbedeckung erreicht, was zu einer schlechten elektrischen Leistungsfähigkeit des Kondensators führt. Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem Festelektrolytkondensator mit verbesserter Leistungsfähigkeit.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator offenbart, der ein Kondensatorelement umfasst. Das Kondensatorelement umfasst einen deoxidierten und gesinterten Anodenkörper, der aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 35 000 µF*V/g oder mehr gebildet ist. Weiterhin bedeckt ein Dielektrikum den Anodenkörper, und ein fester Elektrolyt bedeckt das Dielektrikum. Der Kondensator zeigt auch einen normierten Leckstrom nach Alterung von etwa 0,1% oder weniger, der nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: $normierter Leckstrom nach Alterung = 100 + (DCL nach Alterung / CV),$
wobei
„DCL nach Alterung“ der Leckstrom ist, der bei einer Temperatur von etwa 23°C und bei einer Nennspannung etwa 60 Sekunden lang gemessen wird, nachdem der Kondensator 120 Stunden lang einem Lebensdauertest bei einer Temperatur von 85°C und der Nennspannung ausgesetzt war und dann 60 Minuten lang bei einer Temperatur von etwa 23°C sich erholen gelassen wurde;
C die Anfangskapazität (Farad) ist, die bei einer Temperatur von etwa 23°C und einer Arbeitsfrequenz von 120 Hz bestimmt wurde; und
V die Nennspannung (Volt) ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators offenbart. Das Verfahren umfasst die Bildung einer Anode durch einen Vorgang, der das Verdichten eines Pulvers mit einer spezifischen Ladung von etwa 35 000 µF*V/g oder mehr zu einem porösen Anodenkörper, das Durchführen eines Deoxidationsvorgangs mit dem porösen Anodenkörper unter Bildung eines deoxidierten Anodenkörpers und das Sintern des deoxidierten Anodenkörpers umfasst. Weiterhin wird der deoxidierte und gesinterte Anodenkörper anodisch oxidiert, wobei ein Dielektrikum entsteht, das den Anodenkörper bedeckt, und ein fester Elektrolyt wird gebildet, der das Dielektrikum bedeckt.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Figurenliste
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei ist:

1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Kondensators der vorliegenden Erfindung.

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. Insbesondere enthält der Kondensator ein Kondensatorelement, das einen gesinterten porösen Anodenkörper und ein Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, umfasst. Der Anodenkörper ist 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. Das Pulver hat eine relativ hohe spezifische Ladung, wie etwa 35 000 µF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 000 µF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 000 bis etwa 350000 µF·V/g, in einigen Ausführungsformen etwa 80 000 bis etwa 325000 µF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 100 000 bis etwa 300000 µF·V/g. 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.
Während der Bildung des Kondensators wird der Anodenkörper verdichtet und danach einer Deoxidation unterzogen, um den Gehalt an Sauerstoff im Innern des Anodenkörpers zu minimieren. 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.
Die Erfinder haben Folgendes herausgefunden: Durch selektive Kontrolle der speziellen Aspekte des Deoxidationsvorgangs kann der resultierende Kondensator eine einzigartige und günstige Menge von Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel kann der gesinterte Anodenkörper einen hohen Grad der Druckfestigkeit, wie etwa 1 Kilopond („kP“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 kP oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 100 kP aufweisen. Unter Anderem kann der hohe Grad der Druckfestigkeit dazu beitragen, die Bildung von Mikrorissen im Anodenkörper zu einzuschränken, was zu einer besseren elektrischen Leistungsfähigkeit des Kondensators unter einer Vielzahl von extremen Bedingungen, wie bei hohen Temperaturen und/oder bei hohen Feuchtigkeitswerten, führt. Durch das Minimieren des Sauerstoffgehalts mit Hilfe des hier beschriebenen speziellen Deoxidationsvorgangs kann auch der Grad des Eindringens des Dielektrikums und des festen Elektrolyten verstärkt werden, wodurch die elektrische Leistungsfähigkeit weiter verbessert wird.
Der Kondensator kann zum Beispiel unter einer Vielzahl von Bedingungen einen geringen Leckstrom („DCL“) aufweisen. Insbesondere kann der Kondensator einen DCL von nur etwa 20 Mikroampere („µA“) oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 0,3 µA bei einer Temperatur von etwa 23 °C aufweisen, nachdem er über einen Zeitraum von etwa 5 Sekunden bis etwa 500 Sekunden und in einigen Ausführungsformen 20 Sekunden bis etwa 400 Sekunden (z.B. 60 Sekunden oder 300 Sekunden) einer angelegten Spannung (z.B. der Nennspannung oder einem Vielfachen der Nennspannung, wie 1,1 x die Nennspannung) ausgesetzt worden war. Selbstverständlich kann der Absolutbetrag des DCL von bestimmten Aspekten des Kondensators abhängen, einschließlich der spezifischen Ladung des Pulvers, der Größe des Kondensatorelements usw. In dieser Hinsicht kann ein normierter DCL durch die folgende Gleichung als Prozentwert der nominellen Ladung bestimmt werden: $normierter DCL = 100 \times (DCL / CV),$
wobei C die Anfangskapazität (Farad) ist und V die Nennspannung (Volt) ist.
Der Kondensator der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel einen normierten DCL von etwa 0,5% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,09% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,08% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01% bis etwa 0,07% aufweisen, bestimmt bei einer Temperatur von etwa 23°C, nachdem er über einen Zeitraum von etwa 5 Sekunden bis etwa 500 Sekunden und in einigen Ausführungsformen 20 Sekunden bis etwa 400 Sekunden (z.B. 60 Sekunden oder 300 Sekunden) einer angelegten Spannung (z.B. der Nennspannung oder einem Vielfachen der Nennspannung, wie 1,1 x die Nennspannung) ausgesetzt worden war.
Bemerkenswerterweise können die niedrigen DCL-Werte auch bei hohen Temperaturen noch stabil bleiben. Zum Beispiel kann der Kondensator einen DCL-Wert „nach Alterung“ innerhalb der oben genannten Bereiche aufweisen, nachdem er während einer erheblichen Zeitspanne, wie etwa 50 Stunden oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Stunden bis etwa 3000 Stunden und in einigen Ausführungsformen etwa 120 Stunden bis etwa 2500 Stunden (z.B. 120, 250, 500, 750 oder 1000 Stunden), einem Lebensdauertest bei einer Temperatur von etwa 80°C oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 85°C bis etwa 150°C (z.B. etwa 85°C, 105°C, 125°C oder 150°C) ausgesetzt war. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann der DCL des Kondensators nach Alterung, nachdem er 120 Stunden lang einem Lebensdauertest bei einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) ausgesetzt war, nach Erholung bei Raumtemperatur (z.B. etwa 23°C) während 60 Minuten etwa 0,5 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,3 µA oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,25 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 µA oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 0,1 µA betragen. Ebenso kann das Verhältnis des DCL des Kondensators nach Alterung, nachdem er 120 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) ausgesetzt war, nach Erholung bei Raumtemperatur (z.B. etwa 23°C) während 60 Minuten zum Anfangs-DCL des Kondensators (z.B. bei etwa 23°C) etwa 5 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 bis etwa 1,2 betragen. Weiterhin kann der normierte DCL des Kondensators nach Alterung durch die folgende Gleichung als Prozentwert der nominellen Ladung bestimmt werden: $normierter DCL nach Alterung = 100 \times (DCL nach Alterung / CV),$
wobei „DCL nach Alterung“ der Leckstrom nach Einwirkung eines Lebensdauertests bei 85°C und nach 60 Minuten Erholung bei Raumtemperatur (etwa 23°C) ist, C die Anfangskapazität (Farad) ist und V die Nennspannung (Volt) ist.
Der normierte DCL nach Alterung kann etwa 0,1% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,075% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,07% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,065% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,06% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,001 bis etwa 0,006% betragen. Ebenso kann das Verhältnis des normierten DCL des Kondensators nach Alterung, nachdem er 120 Stunden lang einer hohen Temperatur (z.B. etwa 85°C) ausgesetzt war, nach Erholung während 60 Minuten zum Anfangswert des normierten DCL des Kondensators nach Alterung (z.B. bei etwa 23°C) ebenfalls etwa 5 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 3 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,6 bis etwa 1,2 betragen.
Andere elektrische Eigenschaften des Kondensators können ebenfalls gut sein und unter verschiedenen Bedingungen stabil bleiben. Zum Beispiel kann der Kondensator einen relativ niedrigen äquivalenten Serienwiderstand („ESR“) aufweisen, wie etwa 200 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 150 Milliohm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 125 Milliohm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 100 Milliohm, gemessen bei einer Arbeitsfrequenz von 100 kHz und einer Temperatur von 23 °C. Außerdem kann der Kondensator auch dann solche ESR-Werte zeigen, nachdem er während einer erheblichen Zeitdauer, wie etwa 100 Stunden oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 150 Stunden bis etwa 3000 Stunden (z.B. 3000 Stunden) einer Temperatur von etwa 80 °C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 °C bis etwa 150 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 105 °C bis etwa 130 °C (z.B. 105 °C oder 125 °C) ausgesetzt war. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Verhältnis des ESR des Kondensators, nachdem er 3000 Stunden lang der hohen Temperatur (z.B. 105 °C) ausgesetzt war, zu dem Anfangs-ESR-Wert des Kondensators (z.B. bei 23°C) etwa 2,0 oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1,5 oder weniger und in einigen Ausführungsformen 1,0 bis etwa 1,3 betragen. Weiterhin kann das Verhältnis der Kapazität nach Einwirkung wiederholter Zyklen einer Spannungsspitze („Lade-Entlade-Kapazität“) zu dem Anfangskapazitätswert vor diesem Test etwa 0,7 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 zu 1 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,91 bis 0,99 betragen. Die Spannungsspitze kann über 4000 bis 16 000 Zyklen (z.B. 4000, 8000, 12 000 oder 16 000 Zyklen) angewendet werden. Außerdem kann die Kapazität auch dann stabil bleiben, nachdem er während einer erheblichen Zeitdauer, wie etwa 100 Stunden oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 150 Stunden bis etwa 3000 Stunden (z.B. 3000 Stunden) einer hohen Temperatur, wie etwa 80 °C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 °C bis etwa 150 °C und in einigen Ausführungsformen etwa 105 °C bis etwa 130 °C (z.B. 105 °C oder 125 °C) ausgesetzt war. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Verhältnis der Kapazität, nachdem der Kondensator 3000 Stunden lang der hohen Temperatur (z.B. 105 °C) ausgesetzt war, zu dem Anfangskapazitätswert (z.B. bei 23 °C) etwa 0,7 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,8 zu 1, in einigen Ausführungsformen etwa 0,9 zu 1 und in einigen Ausführungsformen etwa 0,91 bis 0,99, betragen. Der tatsächliche Kapazitätswert (trocken) kann variieren, beträgt aber typischerweise etwa 1 Millifarad pro Quadratzentimeter („mF/cm²“) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 mF/cm² oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 50 mF/cm² und in einigen Ausführungsformen etwa 8 bis etwa 20 mF/cm², gemessen bei einer Frequenz von 120 Hz.
Der Kondensator kann auch einen hohen Prozentanteil seiner Feuchtkapazität aufweisen, was ihn in die Lage versetzt, in Gegenwart von Luftfeuchtigkeit nur einen geringen Kapazitätsverlust und/oder Fluktuation aufzuweisen. Dieses Leistungsmerkmal wird durch die „prozentuale Feucht-zu-Trocken-Kapazität“ quantifiziert, die durch die Gleichung $Feucht - zu - Trocken - Kapazit \ddot{a} t (Trockenkapazit \ddot{a} t / Feuchtkapazit \ddot{a} t) \times 100$
bestimmt wird.
Der Kondensator kann zum Beispiel eine prozentuale Feucht-zu-Trocken-Kapazität von etwa 50% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 60% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 80% bis 100% aufweisen.
Der Verlustfaktor des Kondensators kann vermutlich ebenfalls auf relativ niedrigen Werten gehalten werden. Der Verlustfaktor bezieht sich allgemein auf Verluste, die in dem Kondensator auftreten, und wird gewöhnlich als Prozentsatz 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. Der Kondensator kann auch in Hochspannungsanwendungen, wie bei Nennspannungen von etwa 35 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen von etwa 60 Volt bis etwa 200 Volt eingesetzt werden. Der Kondensator kann zum Beispiel eine relativ hohe „Durchschlagsspannung“ (Spannung, bei der der Kondensator versagt), wie etwa 60 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Volt oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80 Volt oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 100 Volt bis etwa 300 Volt, aufweisen. Ebenso kann der Kondensator auch in der Lage sein, relativ hohe Spitzenströme auszuhalten, die in Hochspannungsanwendungen ebenfalls üblich sind. Der maximale Spitzenstrom kann zum Beispiel etwa 100 Ampere oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 Ampere oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 300 Ampere bis etwa 800 Ampere betragen.
Verschiedene Ausführungsformen des Kondensators werden nun ausführlicher beschrieben.
I. Kondensatorelement
A. Anodenkörper
Wie bereits erwähnt, wird der Anodenkörper aus einem Pulver gebildet, das ein Ventilmetall oder eine auf einem Ventilmetall basierende Verbindung enthält. 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 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 250 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. Das Pulver kann um einen Anodenanschluss herum kompaktiert werden, der in Form eines Drahtes, Bleches usw. vorliegen kann. Alternativ dazu kann der Draht auch einfach mit einer Oberfläche des Anodenkörpers verbunden sein, nachdem dieser gebildet wurde. Der Anschluss kann in einer Längsrichtung von dem Anodenkörper ausgehen und kann aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan usw. sowie elektrisch leitfähigen Oxiden und/oder Nitriden davon bestehen. Die Verbindung des Anschlusses zum Anodenkörper kann auch mit Hilfe anderer bekannter Techniken erreicht werden, wie durch Schweißen des Anschlusses an den Körper oder durch Einbetten desselben in den Anodenkörper während der Bildung (z.B. vor dem Kompaktieren und/oder Sintern). 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.
Nach der 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.
B. Dielektrikum
Die Anode ist auch mit einem Dielektrikum beschichtet. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man die gesinterte Anode anodisch oxidiert („anodisiert“), so dass über und/oder innerhalb der Anode 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. Fester Elektrolyt
Ein fester Elektrolyt bedeckt das Dielektrikum. Die Gesamtdicke des festen Elektrolyten beträgt typischerweise etwa 1 bis etwa 50 µm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 µm. Der feste Elektrolyt kann eine oder mehrere Schichten eines leitfähigen anorganischen Oxids (z.B. Mangandioxid), leitfähigen Polymers (z.B. Polyheterocyclen, wie Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw., Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw.) und so weiter enthalten. In einer Ausführungsform kann der feste Elektrolyt zum Beispiel ein Mangandioxid umfassen. Wie in der Technik bekannt ist, kann Mangandioxid durch die pyrolytische Zersetzung von Mangannitrat (Mn(NO₃)₂) gebildet werden, wie es im US-Patent Nr. 4,945,452 (Sturmer et al.) beschrieben ist. Das Erhitzen kann zum Beispiel in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 300°C, in einigen Ausführungsformen etwa 180°C bis etwa 290°C und in einigen Ausführungsformen etwa 190°C bis etwa 260°C erfolgen. Das Erhitzen kann in einer feuchten oder trockenen Atmosphäre erfolgen. Die Zeitdauer für die Umwandlung hängt von der Ofentemperatur, der Wärmeübertragungsrate und der Atmosphäre ab, beträgt aber im Allgemeinen etwa 3 bis etwa 5 Minuten. Nach der Pyrolyse kann aufgrund von Beschädigungen der dielektrischen Schicht, die während der Abscheidung des Mangandioxids auftreten, der Leckstrom zuweilen erhöht sein. Um dazu beizutragen, diesen Leckstrom weiter zu reduzieren, kann der Kondensator in einem Anodisierungsbad reformiert werden, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann der Kondensator so, wie es oben beschrieben ist, in einen Elektrolyten eingetaucht und dann einem Gleichstrom ausgesetzt werden.
D. 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:
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.
1 zeigt zum Beispiel eine Ausführungsform eines Kondensators 30, der ein Kondensatorelement 33 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form aufweist und eine vordere Fläche 36, eine hintere Fläche 38, eine obere Fläche 37, eine untere Fläche 39, eine erste Seitenfläche 32 und eine zweite Seitenfläche (nicht gezeigt) enthält. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Anodenanschluss 16 in einem Anodenkörper 40 eingebettet und erstreckt sich von der vorderen Fläche 36 des Kondensatorelements 33 ausgehend in Längsrichtung („y“-Richtung). Das Kondensatorelement 33 enthält ein Dielektrikum (nicht gezeigt), das den Anodenkörper 40 bedeckt, einen festen Elektrolyten 44, der das Dielektrikum bedeckt, und eine Kathodenbeschichtung 46, die den festen Elektrolyten 44 bedeckt. Wie gezeigt, sind der feste Elektrolyt 44 und die Kathodenbeschichtung 46 typischerweise auf jeder Fläche des Kondensators 30 außer der vorderen Fläche 36 vorhanden. Selbstverständlich sollte man sich darüber im Klaren sein, dass solche Schichten auf eine beliebige Fläche des Kondensators aufgetragen werden können und nicht in der gezeigten Weise aufgetragen zu werden brauchen.
Das Kondensatorelement 33 enthält auch eine Feuchtigkeitssperrschicht 63, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist und ein hydrophobes Material umfasst. In dieser besonderen Ausführungsform bedeckt die Feuchtigkeitssperrschicht 63 den festen Elektrolyten 44 auf der hinteren Fläche 38, der oberen Fläche 37 sowie den Seitenflächen (nicht gezeigt). Die Feuchtigkeitssperrschicht 63 ist auch auf der vorderen Fläche 36 vorhanden, obwohl sie auf dieser Fläche nicht notwendigerweise den festen Elektrolyten überdecken muss, wie oben erwähnt ist. Selbstverständlich sollte man sich darüber im Klaren sein, dass sich die Feuchtigkeitssperrschicht 63 nicht auf den Flächen des Kondensatorelements 33 zu befinden braucht, wie in 1 gezeigt ist. In einer anderen Ausführungsform zum Beispiel kann sich die Feuchtigkeitssperrschicht auch nur auf den Seitenflächen des Kondensatorelements 33 befinden. Unabhängig davon, wo sie sich befindet, kann die Feuchtigkeitssperrschicht jeden gewünschten Teil der Oberfläche bedecken. Zum Beispiel kann die Feuchtigkeitssperrschicht im Wesentlichen die gesamten Flächen, auf denen sie sich befindet, bedecken, wie etwa 90% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 95% oder mehr. Wiederum ist dies jedoch nur optional, und die Schicht braucht keinen solchen wesentlichen Teil der Oberfläche zu bedecken.
E. 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.
II. Endteile
Sobald die Schichten des Kondensatorelements gebildet sind, kann der resultierende Kondensator mit Endteilen versehen werden. Zum Beispiel kann der Kondensator ein Anoden-Endteil, an das der Anodenanschlussdraht des Kondensatorelements elektrisch angeschlossen wird, und ein Kathoden-Endteil, an das die Kathode des Kondensators elektrisch angeschlossen wird, enthalten. 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. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Leiterrahmen bereitgestellt werden, der das Kathoden-Endteil und das Anoden-Endteil definiert. Um das Elektrolytkondensatorelement an dem Leiterrahmen zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber zunächst auf eine Fläche des Kathoden-Endteils aufgetragen werden. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen umfassen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z.B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z.B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z.B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben. Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um den leitfähigen Kleber auf das Kathoden-Endteil aufzutragen. Aufgrund ihres praktischen und kostensparenden Nutzens können zum Beispiel Drucktechniken eingesetzt werden. Der Anodenanschluss kann auch mit Hilfe irgendeiner in der Technik bekannten Methode, wie mechanisches Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem Anoden-Endteil verbunden werden. Nach dem elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses mit dem Anoden-Endteil kann der leitfähige Kleber dann gehärtet werden, um zu gewährleisten, dass das Elektrolytkondensatorelement ausreichend stark an den Kathoden-Endteil geklebt wird.
Wenn wir uns zum Beispiel wieder auf 1 beziehen, so ist ein Elektrolytkondensator 30 gezeigt, der ein Anoden-Endteil 62 und ein Kathoden-Endteil 72 in elektrischer Verbindung mit einem Kondensatorelement 33 umfasst. Das Kathoden-Endteil 72 kann zwar in elektrischem Kontakt mit einer beliebigen Fläche des Kondensatorelements 33 sein, befindet sich aber in der gezeigten Ausführungsform über einen leitfähigen Kleber 90 in elektrischem Kontakt mit der unteren Fläche 39. Insbesondere enthält das Kathoden-Endteil 72 eine erste Komponente 73, die sich in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 befindet. Das Anoden-Endteil 62 enthält ebenso eine erste Komponente 63, die im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Komponente 64 positioniert ist. Die erste Komponente 63 befindet sich in elektrischem Kontakt und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33. Die zweite Komponente 64 enthält einen Bereich 51, der einen Anodenanschluss 16 trägt. Obwohl es in 1 nicht gezeigt ist, kann der Bereich 51 eine „U-Form“ besitzen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 16 weiter zu erhöhen.
Die Endteile können unter Verwendung einer beliebigen, in der Technik bekannten Methode mit dem Kondensatorelement verbunden werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann ein Leiterrahmen bereitgestellt werden, der das Kathoden-Endteil 72 und das Anoden-Endteil 62 definiert. Um das Elektrolytkondensatorelement 33 an dem Leiterrahmen zu befestigen, kann der leitfähige Kleber 90 zunächst auf eine Fläche des Kathoden-Endteils 72 aufgetragen werden. Der leitfähige Kleber 90 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 72 aufzutragen. Aufgrund ihres praktischen und kostensparenden Nutzens können zum Beispiel Drucktechniken eingesetzt werden.
Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von Methoden eingesetzt werden, um die Endteile an dem Kondensator zu befestigen. In einer Ausführungsform zum Beispiel ist die zweite Komponente 64 des Anoden-Endteils 62 zunächst in die in 1 gezeigte Position aufwärts gebogen. Danach wird das Kondensatorelement 33 auf dem Kathoden-Endteil 72 positioniert, so dass seine untere Fläche 39 mit dem Kleber 90 in Kontakt kommt und der Anodenanschluss 16 von dem Bereich 51 aufgenommen wird. Falls gewünscht, kann sich ein Isolationsmaterial (nicht gezeigt), wie ein Kunststoffpolster oder -band, zwischen der unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 und der ersten Komponente 63 des Anoden-Endteils 62 befinden, um das Anoden- und das Kathoden-Endteil elektrisch voneinander zu isolieren.
Dann wird der Anodenanschluss 16 mit Hilfe einer in der Technik bekannten Methode, wie mechanisches Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem Bereich 51 verbunden. Zum Beispiel kann der Anodenanschluss 16 mit Hilfe eines Lasers an den Anoden-Endteil 62 geschweißt werden. Laser enthalten im Allgemeinen Resonatoren, die ein Lasermedium enthalten, 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. Nach dem elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses 16 mit dem Anoden-Endteil 62 kann der leitfähige Kleber dann gehärtet werden. Zum Beispiel kann eine Heizpresse verwendet werden, um Wärme und Druck anzuwenden und so zu gewährleisten, dass das Elektrolytkondensatorelement 33 durch den Kleber ausreichend stark an den Kathoden-Endteil 72 geklebt wird.
III. Gehäuse
Das Kondensatorelement ist im Allgemeinen so in einem Gehäuse eingebettet, dass wenigstens ein Teil des Anoden- und des Kathoden-Endteils zur Montage auf einer Leiterplatte exponiert sind. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Kondensatorelement 33 zum Beispiel so in einem Gehäuse 92 eingebettet, dass ein Teil des Anoden-Endteils 62 und ein Teil des Kathoden-Endteils 72 exponiert sind. 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
Durchschlagspannung
Die Durchschlagspannung kann mit Hilfe eines Keithley 2400 SourceMeter bei der Temperatur 23 °C ± 2 °C gemessen werden. Ein individueller Kondensator kann mit konstanter Stromstärke aufgeladen werden, die durch die folgende Gleichung bestimmt wird: $Stromst \ddot{a} rke (A) = Nennkapazit \ddot{a} t (F) \times dU / dt,$
wobei dU/dt für die Spannungsänderung steht und typischerweise auf 10 V/s eingestellt wird. Die Spannung wird während des Aufladens gemessen. Wenn die angelegte Spannung um mehr als 10% abnimmt, wird der maximal erreichte Spannungswert als „Durchschlagspannung“ aufgezeichnet. Wenn mehrere Proben gemessen werden, können eine minimale, maximale und mittlere Durchschlagspannung aufgezeichnet werden.
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz kann 100 kHz betragen, und die Temperatur kann 23 °C ± 2 °C betragen.
Verlustfaktor
Der Verlustfaktor kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23°C ± 2 °C betragen.
Kapazität
Die Kapazität kann 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 werden. Die Betriebsfrequenz kann 120 Hz betragen, und die Temperatur kann 23 °C ± 2 °C betragen.
Leckstrom
Der Leckstrom kann nach mindestens 60 Sekunden (z.B. 60 Sekunden oder 300 Sekunden) 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 gemessen werden.
Lebensdauertest
Der Lebensdauertest kann über eine Zeitspanne von 500 Stunden bei einer Temperatur von 85°C und bei einem Vielfachen von 1,0-mal der Nennspannung durchgeführt werden. Die Größe der Testgruppe beträgt typischerweise 12 Proben. Während und nach dem Lebensdauertest können die gealterten Proben etwa 60 Minuten lang sich bei Raumtemperatur erholen gelassen werden. Die „erholten“ DCL können dann etwa 60 Sekunden lang bei einer Temperatur von 23°C ± 2°C bei der Nennspannung gemessen werden. Die Zeitspanne für eine Messung an einem mittleren „erholten“ DCL beträgt typischerweise 120 Stunden.
Beispiel 1
Ein Tantalpulver mit 100 000 µFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde auf eine Dichte von 6,0 g/cm³ gepresst und bei 1275 °C gesintert. Nach dem Sintern erfolgte ein Deoxidationsverfahren bei 860°C, das Anschweißen eines Anschlussdrahts und ein zweiter Sintervorgang, der bei 1275°C durchgeführt wurde. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 1,19 × 1,68 × 0,95 mm. Die Presslinge wurden bei einer Temperatur von 85 °C in Wasser/Salpetersäure-Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 7,3 mS bis 36,8 V anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Dann wurden die Anoden 180 Sekunden lang in eine wässrige Lösung von Mangan(II)nitrat (1190 kg/m³) eingetaucht und dann bei 250°C zersetzt. Dieser Schritt wurde neunmal wiederholt. Danach wurden die Anoden in eine wässrige Lösung von Mangan(II)nitrat (1300 kg/m³) eingetaucht und dann bei 250°C zersetzt, um eine MnO₂-Kathode zu erreichen. Dann wurden die Anoden schließlich nacheinander in eine Graphitdispersion und in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Die fertigen Kondensatorelemente wurden durch herkömmliche Montagetechnik fertiggestellt. Auf diese Weise wurden viele Teile (500) von Kondensatoren mit 22 µF/16 V hergestellt.
Beispiel 2
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass der erste Sintervorgang weggelassen wurde und die Temperatur des Deoxidationsverfahrens 960°C betrug. Auf diese Weise wurden viele Teile (500) von Kondensatoren mit 22 µF/16 V hergestellt.
Beispiel 3
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise gebildet, außer dass ein Tantalpulver mit 150 000 µFV/g verwendet wurde. Die Presslinge wurden bis 40 V anodisiert. Auf diese Weise wurden viele Teile (500) von Kondensatoren mit 22 µF/16 V hergestellt.
Beispiel 4
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise gebildet, außer dass ein Tantalpulver mit 200 000 µFV/g verwendet wurde und die Anoden bei 1225°C gesintert wurden. Die Presslinge wurden bis 40 V anodisiert. Auf diese Weise wurden viele Teile (500) von Kondensatoren mit 22 µF/16 V hergestellt.

Die mittleren Leckstromeigenschaften der fertigen Kondensatoren und nach dem Lebensdauertest wurden gemessen. Die Ergebnisse sind im Folgenden dargelegt. Tabelle 1: DCL von fertigen Kondensatoren

	Mittlerer DCL (µA)	Normierter DCL (%)
Beispiel 1	0,332	0,094
Beispiel 2	0,280	0,080
Beispiel 3	0,224	0,064
Beispiel 4	0,255	0,072

Tabelle 2: DCL nach Lebensdauertest

	Zeit (Stunden)	DCL nach Erholung (µA)	Normierter DCL nach Alterung (%)
Beispiel 1	0	0,314	0,089
	120	0,276	0,079
	500	1,539	0,437
Beispiel 2	0	0,237	0,067
	120	0,251	0,071
	500	2,401	0,682
Beispiel 3	0	0,186	0,053
	120	0,096	0,027
	500	1,706	0,485
Beispiel 4	0	0,250	0,071
	120	0,188	0,054
	500	0,173	0,049

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

WO 2014199480 A [0020]
US 2006/0038304 [0042]

Claims

Festelektrolytkondensator, der ein Kondensatorelement umfasst, wobei das Kondensatorelement einen deoxidierten und gesinterten Anodenkörper, der aus einem Pulver mit einer spezifischen Ladung von etwa 35 000 µF*V/g oder mehr, einem Dielektrikum, das den Anodenkörper bedeckt, und einem festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt, gebildet ist, wobei der Kondensator einen normierten Leckstrom nach Alterung von etwa 0,1% oder weniger zeigt, der nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: normierter Leckstrom nach Alterung = 100 + (DCL nach Alterung/CV), wobei „DCL nach Alterung“ der Leckstrom ist, der bei einer Temperatur von etwa 23°C und bei einer Nennspannung etwa 60 Sekunden lang gemessen wird, nachdem der Kondensator 120 Stunden lang einem Lebensdauertest bei einer Temperatur von 85°C und der Nennspannung ausgesetzt war und dann 60 Minuten lang bei einer Temperatur von etwa 23°C sich erholen gelassen wurde; C die Anfangskapazität (Farad) ist, die bei einer Temperatur von etwa 23°C und einer Arbeitsfrequenz von 120 Hz bestimmt wurde; und V die Nennspannung (Volt) ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der DCL nach Alterung etwa 0,5 µA oder weniger beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der DCL nach Alterung etwa 0,25 µA oder weniger beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der normierte Leckstrom nach Alterung etwa 0,0075% oder weniger beträgt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Anodenkörper Tantal umfasst und das Dielektrikum Tantalpentoxid umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Feststoff Mangandioxid umfasst.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Anoden-Endteil, das elektrisch an den Anodenkörper angeschlossen ist; ein Kathoden-Endteil, das elektrisch an den festen Elektrolyten angeschlossen ist; und ein Gehäuse, das das Kondensatorelement einschließt und wenigstens einen Teil des Anoden-Endteils und des Kathoden-Endteils exponiert lässt.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 7, wobei das Gehäuse aus einem harzartigen Material gebildet ist, in welches das Kondensatorelement eingebettet ist.
Festelektrolytkondensator gemäß Anspruch 1, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von etwa 100000 bis etwa 300000 µF·V/g aufweist.
Verfahren zur Bildung eines Festelektrolytkondensators, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Anode durch ein Verfahren, das das Kompaktieren eines Pulvers mit einer spezifischen Ladung von etwa 35000 µF·V/g zu einem porösen Anodenkörper, das Durchführen eines Deoxidationsverfahrens mit dem porösen Anodenkörper unter Bildung eines deoxidierten Anodenkörpers und das Sintern des deoxidierten Anodenkörpers umfasst; anodisches Oxidieren des deoxidierten und gesinterten Anodenkörpers unter Bildung eines Dielektrikums, das den Anodenkörper bedeckt; und Bilden eines festen Elektrolyten, der das Dielektrikum bedeckt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei ein Anodenanschlussdraht mit dem porösen Anodenkörper verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Deoxidationsverfahren das Einführen des porösen Anodenkörpers in eine Umhüllung, die ein Gettermaterial enthält, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 12, weiterhin umfassend das Erhitzen einer Atmosphäre der Umhüllung auf eine Temperatur von etwa 700°C bis etwa 1200 °C.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Sintern bei einer Temperatur von etwa 700°C bis etwa 1600 °C erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, weiterhin umfassend das Vorsintern des porösen Anodenkörpers vor dem Deoxidationsverfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Pulver Tantal umfasst und das Dielektrikum Tantalpentoxid umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Kondensator einen normierten Leckstrom nach Alterung von etwa 0,1% oder weniger zeigt, der nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: normierter Leckstrom nach Alterung = 100 + (DCL nach Alterung/CV), wobei „DCL nach Alterung“ der Leckstrom ist, der bei einer Temperatur von etwa 23°C und bei einer Nennspannung etwa 60 Sekunden lang gemessen wird, nachdem der Kondensator 120 Stunden lang einem Lebensdauertest bei einer Temperatur von 85°C und der Nennspannung ausgesetzt war und dann 60 Minuten lang bei einer Temperatur von etwa 23°C sich erholen gelassen wurde; C die Anfangskapazität (Farad) ist, die bei einer Temperatur von etwa 23°C und einer Arbeitsfrequenz von 120 Hz bestimmt wurde; und V die Nennspannung (Volt) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der DCL nach Alterung etwa 0,5 µA oder weniger beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der DCL nach Alterung etwa 0,25 µA oder weniger beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der normierte Leckstrom nach Alterung etwa 0,0075% oder weniger beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Pulver eine spezifische Ladung von etwa 100000 bis etwa 300000 µF·V/g aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der feste Elektrolyt Mangandioxid umfasst.