DE1152194B

DE1152194B - Elektrischer Metalloxyd-Kondensator

Info

Publication number: DE1152194B
Application number: DEI17183A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Sato; Yasuo Seki
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1958-12-09
Filing date: 1959-11-04
Publication date: 1963-08-01
Also published as: NL246127A

Description

Elektrischer Metalloxyd-Kondensator Es sind elektrische Kondensatoren bekannt, bei denen ein Metallblech aus Tantal, Aluminium, Zirkon oder Titan mit einer anodischen Oxydschicht überzogen ist, auf der eine Halbleiterschicht, wie Germanium, angeordnet ist. Zwischen der Halbleiterschicht und der Oxydschicht kann noch eine isolierende Zwischenschicht, beispielsweise aus Magnesiumfluorid, angeordnet sein.
Diese Schichten werden auf die anodische Oxydschicht durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung aufgebracht. Auf dieser Schichtenfolge wird eine dünne leitende Schicht, beispielsweise aus Aluminium, durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung erzeugt, welche den Gegenbelag bildet, während der andere Belag von der Metallfolie gebildet wird. Solche Kondensatoren können infolge Abwesenheit eines Elektrolyten bei verhältnismäßig hohen und niedrigen Temperaturen betrieben werden und haben nur eine geringe Temperaturabhängigkeit der Kapazität und des Verlustfaktors. Sie sind auch mechanisch stabil.
Bei den beschriebenen Kondensatoren kann zwischen der Oxydschicht und der Gegenbelegung eine Halbleiterschicht und eine IsoIierstoffschicht angeordnet sein, es genügt jedoch auch, wenn nur eine Isolierstoffschicht, beispielsweise aus Magneiumfluorid oder Kalziumfluorid, oder nur eine Halbleiterschicht aus Germanium oder Bleisulfat vorhanden ist. Es ist jedoch vorteilhafter, wenn sowohl eine Halbleiterschicht als auch eine Isolierstoffschicht vorhanden ist.
Bei solchen Kondensatoren muß die dünne aufgedampfte Aluminiumschicht mit einer elektrischen Zuleitung versehen werden. Als solche wurde bisher eine organische Folie aus Polyäthylenterephthalat verwendet, auf welche eine dünne Aluminiumschicht aufgedampft ist. Die Folie wird so angeordnet, daß ihre Aluminiumschicht mit der Aluminiumschicht des Kondensators in Kontakt steht, wobei die Aluminiumschicht auf der Kunststoffolie als elektrische Zuleitung zu der den Gegenbelag bildenden Metallschicfit des Kondensators dient. Mit der Aluminiumschicht auf der Kunststoffolie wird außerhalb des Kondensators eine Metallfolie, wie beispielsweise eine Silberfolie, in Kontakt gebracht, die an ihrem Ende wieder mit einem Metalldraht in Kontakt steht.
Bei einer solchen Anordnung ist jedoch unter Umständen der Kontakt zwischen der Aluminiumschicht der Kunststoffolie und der Silberfolie, insbesondere an den Kanten der Folie instabil, da beim Anlegen einer Spannung Funken auftreten können und der dünne Metallbelag an dieser Stelle wegbrennt, so daß die Silberfolie von der Metallschicht isoliert wird. Die Erfindung bezieht sich sonüt auf einen elektrischen Kondensator, bestehend aus einem Grundkörper aus Ventilmetall, der mit einer anodischen Oxydschicht bedeckt ist, welche eine Schicht aus Isolierstoff und/oder eine Halbleiterschicht trägt, die mit einer den Gegenbelag bildenden dünnen Metallschicht bedeckt ist.
Die Erfindung besteht darin, daß die Zuleitung zu dem Gegenbelag aus einer Metallfolie besteht, die mit einer Schicht aus Isolierstoff überzogen ist, auf der sich eine dünne Metallschicht befindet, und daß die dünne Metallschicht sowohl infolge entsprechender Ausbildung der Isolierstoffschicht mit der Metallfolie der Zuleitung als auch mit dem Gegenbelag der Kondensatorfolie auf der ganzen Länge der Zuleitungsfolie in gutem elektrischem Kontakt steht.
Als Isolierstoffschicht der Zuleitung kann beispielsweise eine Schicht aus einem organischen Isolierstoff verwendet werden, vorzugsweise eine Schicht aus Silikonharz. Als Isolierstoff können auch polymere Fluorharze, Alkydharze oder Furanharze verwendet werden, jedoch eignen sich Silikonharze am besten zur Herstellung von Kondensatoren mit hoher thermischer Stabilität.
Die Isolierstoffschicht kann jedoch auch aus einer aufgewachsenen Oxydschicht bestehen. Es wird dann eine Metallfolie aus Ventilmetall verwendet, die in bekannter Weise mit einer dünnen Oxydschicht überzogen wird, auf welcher die dünne Metallschicht angeordnet wird. Da die Oxydschicht aus dem Metall der Folie gebildet ist, haftet sie sehr gut auf der Metallfolie.
In manchen Fällen haftet bei Verwendung der genannten organischen Isolierstoffe das Material der Isolierstoffschicht nicht gut auf der Metallfolie. Eine weitere Verbesserung wird dann dadurch erzielt, daß eine Metallfolie aus Ventilmetall verwendet wird, die mit einer Oxydschicht überzögen ist, und auf diese Oxydschicht noch eine weitere Isolierstoffschicht, beispielsweise aus Silikonharz, aufgebracht wird. Auf diese zweite-Isolierstoffschicht wird dann die dünne Metallschicht aufgebracht. Da das Material der zweiten Isolierstoffschicht auf der Oxydschicht sehr gut haftet, ergibt sich eine besonders stabile Anoxdnung.
Der Kontakt zwischen der Metallfolie und der als Zuleitung dienenden dünnen Metallschicht wird in der Weise erhalten, daß entweder die Isolierstoffschicht der Zuleitung porös ausgebildet ist oder daß die Metallfolie nicht auf ihrer ganzen Fläche mit einer Isolierstoffschicht bedeckt- ist, sondern an einem Rand von der Isoherstoffschicht frei ist, die dünne Metallschicht jedoch über den Rand der Isolierstoffschicht hinausgreift. An der Metallfolie kann dann in an sich bekannter Weise ein Zuleitungsdraht angelötet oder angeschweißt sein.
Die Zuleitungsfolie gemäß der Erfindung kann vorzugsweise so bemessen sein, daß sie die gleiche Länge hat wie die eigentliche Kondensatorfolie. Sie wird dann mit dieser zu einem Kondensatorwickel zusammengewickelt.
Die Erfindung, die in der Abbildung schematisch in Form eines Querschnitts durch einen Kondensator dargestellt ist, bezieht sich auf einen solchen elektrischen Kondensator, bei dem auf einer Metallfolie 1 aus Tantal, Aluminium, Zirkon oder Titan usw. eine anodische Oxydschicht 2 erzeugt ist, welche das Dielektrikum bildet, auf der sich eine dünne Schicht aus Isolierstoff 3, wie z. B. Magnesiumfluorid, befindet, welche mit einer Halbleiterschicht 4, beispielsweise aus Germanium, bedeckt ist. Die Isolierstoffschicht 3 und die Germaniumschicht 4 werden durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht. Auf dieser Schichtenfolge befindet sich eine Aluminiumschicht 5, die ebenfalls durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen aufgebracht wird. Diese Aluminiumschicht bildet den Gegenbelag des Kondensators, während der andere Belag von der Metallfolie 1 gebildet wird.
Die Zuleitung nach der Erfindung zu der dünnen aufgedampften Metallschicht 5 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer weiteren Aluminiumfolie 9, die einen anodischen Oxydüberzug 3 besitzt, der durch Formierung der Metallfolie 9 erzeugt wird. Auf dieser Oxydsehicht befindet sich eine dünne Schicht aus organischem Isoliermaterial? und auf dieser eine dünne Metallschicht 6. Diese Metallschicht 6 steht in Kontakt sowohl mit der Metallfolie 9 als auch mit der leitenden Schicht 5.
Bei einem Kondensator nach der Erfindung sind Zuleitungen aus Silberfolie nicht erforderlich, so daß auch die damit verbundenen Nachteile nicht auftreten.
Die organische Isolierschicht 7 muß sehr dünn sein, so daß sie keine genügende mechanische Festigkeit hat, um als selbständige Folie zu einem Wickel aufgerollt zu werden. Wenn sie jedoch mit einer auf einer Metallfolie angeordneten Oxydschicht verbunden ist, kann sie zum Aufbau eines Kondensators verwendet werden. Das organische Isoliermaterial ist zu hart, als daß es einen dünnen festen Film bilden könnte, hat jedoch eine bessere Wärmestabilität, wie z. B. Sihkonharz; die Verformung des organischen Isolierstoffilmes durch Ausdehnen und Zusammenziehen infolge unterschiedlicher Temperaturen wird durch die Kombination mit der porösen Oberfläche des Oxydfilmes vermindert.
Der Kondensator nach der Erfindung hat gegenüber bekannten Metalloxydkondensatoren wesentlich bessere Eigenschaften und kann bei Temperaturen von 200° C und darüber betrieben werden. Die organische Isolierschicht kann so ausgebildet sein, daß sie infolge ihres Aufbringungsverfahrens zahlreiche feine Löcher aufweist. Da auch der anodische Oxydfilm, beispielsweise das sogenannte Alumit, zahlreiche feine Poren aufweist, kommt beim Aufbringen der dünnen Metallschicht 6 durch Aufdampfen diese Schicht durch die Poren an zahlreichen Stellen in Kontakt mit der Metallfolie 9, so daß die Metallschicht 6 nicht nur am Rand mit der Metallfolie 9 verbunden ist, sondern über ihre ganze Fläche, so daß der elektrische Widerstand zwischen den beiden Rändern der aufgedampften Metallschicht wesentlich verringert ist. Der Widerstand beträgt beispielsweise nur ein Fünftel bis ein Zehntel des Wertes, den eine auf einer Schicht von Tetrafluoräthylenharz von 0,05 mm Dicke aufgedampfte Aluminiumschicht besitzt. Der aus solchen Schichten aufgebaute Kondensator hat sehr geringe Verluste und ist im Betrieb stabil infolge der Verringerung des Widerstandes der leitenden Schicht.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel für einen Kondensator nach der Erfindung angegeben werden. Zum Aufbau des Kondensators wurde eine Tantalfolie von 0,013 mm Dicke und 110 Volt in wäßriger Ammoniumkarbonatlösung formiert und auf diese Oxydschicht eine Schicht von Magnesiumfluorid, auf diese eine Germaniumschicht und darauf eine Aluminiumschicht durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht. Diese Schichtenfolge bildet die Anode des Kondensators. Weiter wurde eine Aluminiumfolie von 0,02 mm Dicke mit Gleichstrom in Schwefelsäure formiert, so daß sich auf der Oberfläche ein sogenannter Alumitfilm bildet. Auf diese Oxydschicht wurde eine polymere Silikonschicht von 0,04 bis 0,06 mm Dicke aufgebracht. Diese Schicht wurde erhitzt und getrocknet und dann darauf durch Aufdampfen eine Aluminiumschicht aufgebracht. Da sich die Silikonschicht auf einer Seite nicht ganz bis zum Rand der Aluminiumfolie erstreckt, entsteht dort ein elektrischer Kontakt zwischen der aufgedampften Aluminiumschicht und der Aluminiumfolie. Die beiden so hergestellten und aufgebauten Folien wurden zusammen so aufgerollt, daß die aufgedampften Schichten miteinander in Kontakt stehen. Als Anodenanschluß wurde ein Draht aus Kovar an einem Ende der Tantalfolie angeschweißt, und als Kathodenanschluß wurde ein gleicher Draht an einem Ende der Metallfolie angeschweißt. Der Kondensator wurde in ein zylindrisches Metallgehäuse mit Glasdurchführung eingebaut.
Ein auf diese Weise hergestellter Kondensator mit einer Kapazität von 1,5 RF verträgt 35 V bei Zimmertemperatur. Selbst wenn 20 Volt etwa 100 Stunden lang bei 200° C und 5 Stunden lang bei 250° C angelegt werden, tritt kein Ansteigen des Reststromes, kein Kurzschluß und keine sonstige außergewöhnliche Erscheinung auf. Die höchsten Arbeitstemperaturen der sogenannten Kondensatoren mit festem Elektrolyten und anodischer Oxydschicht als Dielektrikum liegen bei 150- C, während die Betriebstemperatur eines Kondensators nach der Erfindung über 200° C liegen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Elektrischer Kondensator, bestehend aus einem Grundkörper aus Ventilmetall, der mit einer anodischen Oxydschicht bedeckt ist, welche eine Schicht aus Isolierstoff und/oder eine Halbleiterschicht trägt, die mit einer den Gegenbelag bildenden dünnen Metallschicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung zu dem Gegenbelag aus einer Metallfolie besteht, die mit einer Schicht aus Isolierstoff überzogen ist, auf der sich eine dünne Metallschicht befindet, und daß die dünne Metallschicht sowohl infolge entsprechender Ausbildung der Isolierstoffschicht mit der Metallfolie der Zuleitung als auch mit dem Gegenbelag der Kendensatorfolie auf der ganzen Länge der Zuleitungsfolie in gutem elektrischem Kontakt steht.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffschicht der Zuleitung aus einem organischen Isolierstoff, vorzugsweise aus Silikonharz, besteht.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie der Zuleitung aus Ventilmetall und die Isolierstoffschicht aus einem Oxyd des Metalls der Zuleitungsfolie besteht.
4.. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht der Zuleitungsfolie zusätzlich mit einem organischen Isolierstoff überzogen ist.
5. Elektrischer Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffschicht der Zuleitung sich nicht bis zum Rand der Folie erstreckt, die dünne Metallschicht jedoch über den Rand der Isolierstoffschicht hinausgreift.
6. Elektrischer Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffschicht der Zuleitung porös ist.
7. Elektrischer Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsfolie die gleiche Länge hat wie die Kondensatorfolie und mit dieser zu einem Kondensatorwickel zusammengewickelt ist. In Betracht gezoene Druckschriften-Z, Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1736 203; britische Patentschrift Nr. 747051; USA.-Patentschrift Nr. 1906 691.