DE1194060B - Verfahren zur Herstellung von Elektrolyt-Kondensatoren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Elektrolyt-Kondensatoren

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DE1194060B
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DE
Germany
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manganese
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heptoxide
manganese dioxide
acid
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DES79894A
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English (en)
Inventor
Dr Walter Huber
Dipl-Phys Hans Winter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/0029Processes of manufacture
    • H01G9/0036Formation of the solid electrolyte layer

Description

  • Verfahren zur Herstellung von Elektrolyt-Kondensatoren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrolytischen Kondensatoren, die aus einer Anode aus Ventilmetall, vorzugsweise Tantal, bestehen, die mit einer das Dielektrikum bildenden Oxydschicht bedeckt ist, auf der eine Schicht aus halbleitendem Manganoxyd angeordnet ist, die durch Reduktion einer Manganverbindung erzeugt wird, in der das Mangan in einem höheren als dem vierwertigen Valenzzustand vorliegt.
  • Es ist bekannt, bei der Herstellung von Tantaltrockenkondensatoren auf der das Dielektrikum bildenden Oxydschicht durch thermische Zersetzung von Mangannitrat eine Mangandioxydschicht zu erzeugen. Die Zersetzung erfolgt bei Temperaturen von etwa 250 bis 400° C. Das so gebildete Manganoxyd besitzt einen geringeren Sauerstoffgehalt als der Formel MnO., entsprechen würde. Es kann als Gemisch aus reinem Mangandioxyd (MnOz) und Manganmonoxyd (MnO) aufgefaßt werden und wird im weiteren aus Gründen der Eindeutigkeit als Braunstein bezeichnet.
  • Für die Oualität der unter Verwendung einer Halbleiterschicht erzeugten Kondensatoren sind die Bedingungen wichtig, unter denen die Braunsteinschicht aufgebracht wird, ferner die Eigenschaften dieser Braunsteinschicht.
  • So ist es erwünscht, das beim Herstellen der Braunsteinschicht ein möglichst stark oxydierendes Mittel verwendet wird und daß die Braunsteinschicht an der Grenze gegen das Tantaloxyddielektrikum einen möglichst hohen Sauerstoffgehalt aufweist. Diese beiden Umstände bewirken eine Verbesserung des Langzeitverhaltens des Reststromes, da beim Bestehen eines hohen Oxydationspotentials in der Grenzzone die Bildung von Schäden in der Dielektrikumschicht unterdrückt wird und aufgetretene Schäden wieder selbsttätig ausgeheilt werden können.
  • Eingehende Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß durch die genannten Umstände die Spannungsfestigkeit des fertigen Kondensators erhöht wird.
  • Man hat daher an anderer Stelle auch bereits vorgeschlagen, die Manganoxydschicht auf einer Elektrolyt-Kondensatoranode durch Reduktion einer Lösung eines Metallsalzes, bei dem das Metall in einem höheren Valenzzustand als in der Oxydform vorliegt, insbesondere Kaliumpermanganat, zu bilden und hierauf erst die dielektrische Schicht durch anodische Oxydation in einem Formierbad herzustellen. Die Herstellung einer Mangandioxydschicht durch Reduktion der Lösung dieses Metallsalzes muß elektrolytisch erfolgen, weil bei einer pyrolytischen Zersetzung des Metallsalzes nicht verhindert werden könnte, daß das Kation des Salzes, im Falle des Kaliumpermanganats also das Kalium, in dem Reduktionsprodukt verbleibt. Die elektrolytische Erzeugung einer Braunsteinschicht hat aber zwei schwerwiegende Nachteile. Einerseits ist es hierzu notwendig, von einer blanken, nicht mit einer Oxydschiebt bedeckten Anode auszugehen. Es hat sich dabei herausgestellt, daß Kondensatoren, bei denen die Braunsteinschicht auf dem blanken Anodenmetall gebildet wird, schlechte elektrische Eigenschaften aufweisen. Anderererseits besteht ein weiterer Nachteil des elektrolytischen Verfahrens darin, daß es nur auf Folienkondensatoren anwendbar ist, dagegen nicht auf Kondensatoren, deren Anode aus einem Sinterkörper besteht. Es ist nämlich nicht möglich, mit dem elektrolytischen Verfahren in den feinen Poren eines Sinterkörpers Mangandioxyd abzuscheiden.
  • Das Verfahren nach der Erfindung geht hingegen von einer bereits mit einer Oxydschicht versehenen Elektrode aus. Die Erfindung besteht darin, daß die Braunsteinschicht durch Zersetzung von Manganheptoxyd oder übermangansäure hergestellt wird. Dadurch ist es möglich, die an sich bekannte pyrolytische Zersetzung anzuwenden und die Zersetzung auf bereits mit einer Oxydschicht versehenen Anodenkörper vorzusehen, sowie auch Sinteranoden in der erfindungsgemäßen Weise zu behandeln.
  • Die genannten Stoffe, Manganheptoxyd bzw. übermangansäure, entfalten eine überaus starke Oxydationswirkung und ergeben beim Zersetzen unter geeigneten Bedingungen Braunstein mit einem besonders hohen Anteil von MnO.. Dieser beträgt bei nach dem erfindungsgemäßen- Verfahren hergestellten Schichten etwa 94 bis 98'1!o. MnO.. Die Zersetzung von Manganheptoxyd bzw. Übermangansäure kann bereits bei wesentlich niedrigeren Temperaturen vorgenommen werden als die von Mangannitrat, z. B. wird bei Verwendung von Manganheptoxyd die Zersetzung zu Braunstein vorteilhafterweise im Temperaturbereich von 10 bis 30° C vorgenommen, während bei Verwendung von übermangansäure die Zersetzung mit Vorteil bei Temperaturen zwischen 100 und 200° C vorgenommen wird.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die so erhaltene Braunsteinschicht dichter und weniger porös ist als die durch Zersetzung von Mangannitrat erzeugte. Eine derart auf einem mit einer Oxydschicht bedeckten Ventilmetallkörper gebildete Braunsteinschicht besitzt daher eine größere mechanische Festigkeit und bessere Haftfestigkeit als die nach bisher bekannten Verfahren erzeugte Braunsteinschicht. Es ist daher auch möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf glatten Flächen dünne glatte Schichten aus Braunstein herzustellen, ohne daß die Gefahr besteht, daß diese abbröckeln, wie das bei aus Mangannitrat hergestellten Schichten praktisch unvermeidbar ist. Zur Aufbringung der Braunsteinschicht auf einen mit einer Oxydschicht bedeckten Ventilmetallkörper verwendet man im Fall des Manganheptoxyds dieses selbst, im Fall der übermangansäure eine wäßrige Lösung, in die der mit der Oxydschicht bedeckte Ventilmetallkörper getaucht wird, worauf durch Erwärmung auf eine entsprechende Temperatur die Umwandlung zu Braunstein erfolgt. Eine weitere Aufbringungsart ist bei Manganheptoxyd möglich, das bei 20° C genügend Dampf bildet, der sich an der Oberfläche von Ventilmetallkörpern unter Bildung einer Braunsteinschicht zersetzt.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch der Sauerstoffgehalt einer nach einem anderen Verfahren gebildeten Braunsteinschicht erhöht werden. Dies kann durch Einwirkung von übermangansäurelösung oder Manganheptoxyd auf die bereits gebildete Braunsteinschicht erfolgen. Dabei wird das in der Braunsteinschicht enthaltene Manganmonoxyd zu Mangandioxyd aufoxydiert. Die nachfolgende Zersetzung des überschüssigen Manganheptoxyds bzw. der übermangansäure ergibt zusätzlich Braunstein mit einem hohen Gehalt an Mangandioxyd.
  • Unter Umständen, etwa wenn die Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Braunsteinschicht mit hohem Mangandioxydgehalt nicht genügend hoch ist, kann insbesondere bei Sinteranodenkörpern eine erste nach nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte insbesondere bei Sinteranodenkörpern eine erste Braunsteinschicht durch Zersetzen von Mangannitrat verstärkt werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung können die Ausführungsbeispiele und die Figuren dienen. Ausführungsbeispiel 1 Formierte Wendeln aus Tantaldraht werden in eine wäßrige Lösung von übermangansäure mit einem Gehalt von etwa 30'% Übermangansäure getaucht, anschließend in einen auf 200°C aufgeheizten Trockenschrank gebracht und 2 Minuten darin belassen. Diese Behandlung wird noch dreimal wiederholt. Nach dem ersten, zweiten und vierten Aufbringen wird eine Zwischenformierung vorgenommen. Anschließend werden die Wendeln durch Tauchen in eine Graphitsuspension und Trocknen bei 100°C, welcher Vorgang wiederholt werden kann, graphitiert, dann mit Metall, z. B. Kupfer, bedampft und schließlich verzinnt. Die so hergestellten Tantaltrockenkondensatoren weisen die normale, der Tantaloberfläche und Stärke der Dielektrikumsschicht entsprechende Kapazität auf, hatten bei etwa zwei Drittel der Formierspannung Restströme von etwa 2 nA/#tC und Verlustfaktoren von etwa 4 - 10-2 (bei 50 Hz).
  • Ausführungsbeispiel 2 Formierte und völlig trockene Tantalsinterkörper werden langsam in reines Manganheptoxyd getaucht, anschließend in ein Gefäß mit trockener Luft gehängt und darin 10 Stunden bei 20 bis 30° C belassen, wobei der Zutritt von Luftfeuchtigkeit zu vermeiden ist.
  • Die Sinterkörper werden dann 5 Minuten auf 170° C erhitzt. Diese Vorgänge werden noch viermal wiederholt. Jeweils nach dem ersten, zweiten und vierten Aufbringen von Braunstein wird eine Nachformierung vorgenommen.
  • Die Sinterkörper werden dann zweimal graphitiert (Tauchen in wäßriger Graphitsuspension und Trocknen bei 100° C), mit Kupfer bedampft und schließlich verzinnt.
  • Die spezifischen Restströme, gemessen bei etwa zwei Drittel der Formierspannung, betragen 6 bis 8 nA/#iC, die Verlustfaktoren liegen bei 8 # 10-2 (50 Hz).
  • Ausführungsbeispiel 3 Plättchen aus Glas, Quarz oder keramischem Material, die mit einer aufgedampften Schicht aus Tantalmetall und darüber einer durch Formieren oder Aufdampfen hergestellten Dielektrikumsschicht versehen sind, werden, nachdem diejenigen Teile der Oberfläche, die nicht mit Braunstein überzogen werden sollen, mit entsprechenden Verkleidungsteilen abgedeckt wurden, frei in ein Glasgefäß eingehängt, auf dessen Boden sich eine Schale mit Manganheptoxyd befindet. Das Gefäß wird gegen den Zutritt von Luftfeuchtigkeit abgedeckt. Die Anordnung läßt man 30 Stunden bei Zimmertemperatur stehen. Nach 15 Stunden wird die Schale mit frischem Mn207 ausgetauscht. Die Plättchen werden dann nach passender Änderung der Abdeckung mit Silber bedampft. Man erhält so aus den übereinanderliegenden Schichten aus Tantal (Anode), Tantaloxyd (Dielektrikum) und Mangandioxyd (Kathode) aufgebaute Kondensatoren, deren Restströme kleiner als 1 VA/cm2 sind und deren tg 8 etwa 1'0/0 (50 Hz) ist (gemessen bei etwa zwei Drittel der Formierspannung).
  • In F i g. 1 ist eine die Anode bildende Wendel 1 aus Ventilmetalldraht, z. B. aus Tantal oder Aluminium, und in F i g. 2 ein Querschnitt des gewendelten Drahtes dargestellt, der durch Formieren mit einer das Dielektrikum bildenden Oxydschicht 2 versehen ist. Über der Oxydschicht ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch thermische Zersetzung von Manganheptoxyd oder übermangansäure eine Halbleiterschicht 3 aus hochprozentigem Braunstein hergestellt. Als kathodische Stromzuführung ist über der Braunsteinschicht eine Graphitschicht 4 und darüber eine Kupferschicht 5 dargestellt, die mit der Kathodenanschlußfahne durch Lötung verbunden ist. In F i g. 3 ist ein in gleicher Weise aufgebauter Kondensator dargestellt, der sich jedoch von dem in F i g. 1 dargestellten durch die Art des Anodenkörpers unterscheidet. Hier ist an Stelle einer Ventilmetallwendel ein Sinterkörper 1, z. B. aus Tantal oder einem anderen geeigneten Ventilmetall, als Anode verwendet worden. Die übrigen Bestandteile und ihre Bezeichnungen entsprechen den in F i g. 1 dargestellten.

Claims (9)

  1. Patentanspräche: 1. Verfahren zur Herstellung von Elektrolyt-Kondensatoren, die aus einer Anode aus einem Ventilmetall, vorzugsweise Tantal, bestehen, welche mit einer das Dielektrikum bildenden Oxydschicht bedeckt ist, auf der eine Schicht aus halbleitendem Braunstein angeordnet ist, die durch Reduktion einer Manganverbindung erzeugt wird, in der das Mangan in einem höheren als dem vierwertigen Valenzzustand vorliegt, d a -durch gekennzeichnet, daß die Braunsteinschicht durch Zersetzen von Manganheptoxyd oder übermangansäure hergestellt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Oxydschicht bedeckte Anode in eine Lösung von Übermangansäure getaucht wird und anschließend auf beispielsweise 200° C so lange erwärmt wird, bis die Umwandlung in Braunstein vollzogen ist und das Lösungsmittel entfernt ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Oxydschicht bedeckte Anode in Manganheptoxyd getaucht wird und anschließend auf 10 bis 30° C so lange erwärmt wird, bis die Umwandlung in Braunstein vollzogen ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Oxydschicht bedeckte Anode dem Dampf von Manganheptoxyd ausgesetzt wird, der sich niederschlägt und zu Braunstein zersetzt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Braunsteinschicht durch mehrfach wiederholtes Tauchen in Manganheptoxyd oder übermangansäure und anschließendes Erwärmen erzeugt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Braunsteinschicht durch Zersetzung von Mangannitrat oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt wird und durch Behandlung mit übermangansäure oder Manganheptoxyd der Sauerstoffgehalt der Braunsteinschicht erhöht wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der mit einer Oxydschicht bedeckten Anode eine erste Braunsteinschicht durch Zersetzen von Manganheptoxyd oder übermangansäure erzeugt wird und diese Schicht durch Tauchen in Mangannitrat und Zersetzen desselben verstärkt wird. B.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Trägerplatte ein Ventilmetall aufgedampft wird, durch Formieren oder Aufdampfen eine Oxydschicht aufgebracht wird und unter Abdeckung frei zu lassender Teile eine Braunsteinschicht vorzugsweise durch Zersetzen dampfförmigen Manganheptoxyds aufgebracht wird.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Braunsteinschicht in mehreren gleichen Schritten aufgebracht wird und dazwischen jeweils eine Formierung durchgeführt wird. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1147 696.
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