DE1292249B - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Duennfolienkondensatoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Dünnfolienkondensatoren, wobei dünne Isolierstoffolien in einer Stärke von 4 #t oder weniger auf mit hochschmelzenden Kohlenwasserstoffen, denen klebende Eigenschaften aufweisende Zusätze auf der Basis von polymerisierten Kohlenwasserstoffen, wie niedermolekulares Polyisobutylen oder Polybutylen, oder von polymerisierten Vinyläthern, wie Polyvinylisobutyläther, zugefügt wurden, imprägnierte Trägerfolien durch Auflackieren oder Aufkaschieren aufgebracht werden und den zur Herstellung elektrischer Kondensatoren erforderlichen Arbeitsgängen unterworfen werden, nach Patent 1250 001.
• Das Hauptpatent befaßt sich mit dem bei der Herstellung von Dünnfolienkondensatoren bestehenden Problem, daß die Haftfestigkeit der dünnen Folien auf der Trägerfolie einerseits so groß sein rnuß, daß sie sich während der verschiedenen Verarbeitungsschritte mit Sicherheit nicht vom Träger lösen, daß sie sich aber andererseits beim Wickeln ohne jede Beschädigung gleichmäßig von der Trägerfolie ablösen lassen. Diese Aufgabe wird nach der Lehre des Hauptpatents dadurch gelöst, daß den hochschmelzenden Kohlenwasserstoffen, mit denen die Trägerfolie zunächst imprägniert wird, klebende Eigenschaften aufweisende Zusätze auf der Basis von polymerisierten Kohlenwasserstoffen oder polymerisierten Vinyläthern mit guten dielektrischen Eigenschaften und mit derart niedrigem Dampfdruck, daß die Metallbedampfung im Vakuum nicht störend beeinfiußt wird, und in solcher Konzentration zugefügt werden, daß einerseits kein selbständiges Ablösen der Dünnfolien von den Trägerfolien während der Verarbeitung eintritt und andererseits die Dünnfolien, ohne zu zerreißen, von den Trägerfolien abgelöst werden können. Als besonders geeignet haben sich Zusätze von niedermolekularem Polyisobutylen oder Polybutylen mit einem Molgewicht von im wesentlichen 5000 oder Polyvinylisobutyläther erwiesen.
• Es hat sich nun herausgestellt, daß zur Erzielung von Kondensatoren mit optimalen Werten, die z. B. auch für Hochfrequenzzwecke geeignet sind und die weiterhin auch über zeitlich beständige Isolationswerte verfügen sollen und dies auch dann, wenn die Betriebsspannungen niedrig liegen, d. h. unterhalb von Spannungen, die überhaupt in der Lage sind, beispielsweise an schlechten Stellen des Dielektrikums, einen regenerierenden Durchschlag zu erzeugen, noch weitere Bedingungen eingehalten werden müssen. In Weiterbildung des Verfahrens nach dem Hauptpatent wird daher mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren angegeben, das alle diese zusätzlichen Bedingungen enthält und nach welchem es möglich ist, fertigungsmäßig, beliebig oft wiederholbar, derartige Kondensatoren herzustellen. Allerdings ist Voraussetzung, daß die für das Herstellungsverfahren kennzeichnenden Merkmale sicher eingehalten werden, da nur dann die Wiederholbarkeit mit den geforderten Werten gegeben ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie mit den hochschmelzenden, Kleberzusätze enthaltenden Kohlenwasserstoffen, in der Weise präpariert wird, daß die Haftfestigkeit des Isolierstoffilmes auf ihr zwischen 0,5 und 10 Pond pro Zentimeter Breite beträgt, daß die Metallisierung durch Aufdampfen von Aluminium in einer Stärke von 0,02 bis 0,06 #t im Mittel mit einer Randverstärkung von ungefähr dem Zweibis Vierfachen der Belagstärke erzeugt wird, daß nach dem Wickeln stirnseitige Kontaktschichten durch Aufbringen von Kupfer oder Zink hergestellt werden, daß der Wickelkörper in nicht getrocknetem Zustand mit mindestens 5facher Stoßkapazität mit ungefähr 2,5facher Nennspannung fertigungsgemäß grobaufgeschlossen wird und danach das Aufschließen der latenten Fehlerstellen mit 3,5- bis 4facher Nennspannung vorgenommen wird und daß anschließend der Wickelkörper getrocknet und in an sich bekannter Weise fertiggestellt wird.
• Zunächst ist es also wichtig, daß die Haftfestigkeit der Dünnfolie auf der Trägerfolie in dem angegebenen Bereich eingestellt wird, was mit den im Hauptpatent angegebenen Mitteln ohne weiteres möglich ist. Der angegebene Bereich der Haftfestigkeit hat Gültigkeit für Dünnfolien mit einer Stärke von 4 [, bis herab zu der dünnstmöglichen Stärke, die sich durch Lackauftrag herstellen läßt.
• Neben der Haftfestigkeit kommt aber auch dem Aufbau der Beläge, der Stirnkontaktierung und der sogenannten Aufschließung eine wesentliche Bedeutung zu. Es galt hier unter den verschiedenen für die Kondensatorherstellung bekannten Metallen bzw. Verfahren die auszuwählen, mit denen sich bei der Herstellung von Dünnfolienkondensatoren optimale Werte erreichen lassen.
• Bei den Kondensatorbelägen handelt es sich um auf das Dielektrikum aufgebrachte leitende Beläge, die auf das Dielektrikum vorzugsweise durch Aufdampfen aufgebracht werden und deren Stärke so gering ist, daß sie kaum in die äußeren Abmessungen eingehen.
• Beim Aufdampfen hat man nun die Auswahl unter allen verdampfbaren leitfähigen Stoffen. Die Belagmetalle sollen mit Rücksicht auf die thermische Empfindlichkeit des dielektrischen Kunststoffes bei möglichst niedrigen Temperaturen hohe Dampfdrücke aufweisen. Weiterhin sollen die Beläge bei möglichst geringer Stärke eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, sie sollen leicht kontaktierbar sein und sie sollen korrosionsfest sein. Korrosionsfeste Metalle sind solche, die sehr hohe Siedetemperaturen besitzen und deshalb nicht in Betracht kommen. Auch hinsichtlich der Kontaktierungsmöglichkeit und der guten Leitfähigkeit auch bei geringster Schichtstärke kämen in erster Linie Metalle mit hohem Siedepunkt in Betracht, so daß die gestellte Aufgabe zunächst nicht lösbar erscheint. Außerdem sollen diese Kondensatoren auch bei niedrigen Betriebsspannungen arbeiten. Dabei ist eine einwandfreie Regenerierfähigkeit der Kondensatoren erschwert, und es läßt sich deshalb ein zeitlich beständiger Isolationswiderstand nur schwer aufrechterhalten. Wird nämlich der Kondensator bei Spannungen eingesetzt, bei denen nicht mit Durchschlägen zu rechnen ist, dann wird an defekten Stellen des Dielektrikums der Belag nicht weggebrannt, so daß die schlechte Stelle nicht isoliert wird. Die Gefahr bei Kondensatoren, die bei geringen Betriebsspannungen betrieben werden, ist, daß die Isolationswerte im Laufe der Zeit erheblich geringer werden, weil sich leitende Pfade zwischen den Belegungen ausbilden, die nach der üblichen Regeneriermethode nicht ausgeheilt werden können. Hinzu kommt, daß das Isolationsverhalten von Kondensatoren mit sehr dünnen dielektrischen Schichten von Natur aus schlecht ist, weil bei der Erzeugung der Belegungen, die ja atomar aufgebaut werden, jegliche Oberflächenkontur des dielektrischen Trägers nachgebildet wird. Da es eine ideal ebene Fläche nicht gibt, bilden sich also auch zur Gegenbelegung hingerichtete Spitzen aus, die durch Löcher und Vertiefungen im dielektrischen Träger bedingt sind, und diese Spitzen bilden den Hauptgrund für die schlechten Isolationswerte, die auch wegen der geringen Betriebsspannungen nicht ausgebrannt werden können. Im Gegenteil, unter dem Einfluß der Betriebsspannungen und bei nicht zu vermeidenden geringen Feuchtigkeitsspuren bilden sich leitende Pfade aus, die infolge der galvanischen Wirkung die Spitzen in normalerweise halbleitende Substanzen umsetzen, wodurch die Isolation des Kondensators verschlechtert wird. Weiterhin ist nie zu vermeiden, daß einzelne Metallionen der Belegungen auch unter dem Einfluß der Betriebsspannung des Kondensators wandern, das Dielektrikum insbesondere an schwachen Stellen durchzusetzen und somit ebenfalls zur Verschlechterung des Isolationswiderstandes führen.
• Es zeigte sich nun, daß mit Aluminium als Belagsmetall sich diese Schwierigkeiten überwinden lassen. Aluminium verfügt auch in geringer Stärke über eine relativ gute Leitfähigkeit. Es bietet jedoch erhebliche Schwierigkeiten für die Kontaktierung. Eine wirklich reine Aluminiumoberfläche ist nur unter besonderen Bedingungen zu erzielen, da bereits unter dem Einfluß des Luftsauerstoffes jede Aluminiumoberfläche sich spontan mit einer Oxyd- oder Hydroyxdschicht überzieht. Dieses zunächst unzweckmäßig erscheinende Verhalten bietet folgenden Vorteil: Die Umsetzungsprodukte des Aluminiums sind sehr gute Nichtleiter des elektrischen Stromes im Gegensatz zu den Umsetzungsprodukten anderer Metalle, die üblicherweise Halbleiter darstellen. Durch die Verwendung von Aluminium erreicht man, daß die Spitzen der Belegungen schon bei kleinsten Isolationsströmen in nichtleitende Umsetzungsprodukte umgewandelt werden und somit mit ihrer schädlichen Wirkung entfallen. Des weiteren aber ist auch die gesamte Oberfläche des Aluminiumbelages mit einer Sperrschicht überzogen, die eine Metallionenwanderung in das Dielektrikum verhindert. Andererseits sind auch die Aufdampfschwierigkeiten - Aluminium hat einen relativ hohen Siedepunkt -durch geeignete Ausbildung der Aufdampfapparaturen und genügende Laufgeschwindigkeit des Bedampfungsgutes überwunden worden.
• Weiterhin besteht die Frage nach einer geeigneten Schichtstärke. Für die Wahl der Belagsstärke sind im wesentlichen vier Faktoren entscheidend. Bezüglich der Leitfähigkeit und der Kontaktgabe soll der Belag möglichst stark sein. Bezüglich der Korrosionsanfälligkeit soll der Belag ebenfalls stark sein. Bezüglich einer etwaigen Regenerierfähigkeit soll der Belag möglichst dünn sein, und bezüglich des Raumbedarfes soll der Belag ebenfalls möglichst dünn sein. Der Gesichtspunkt der Leitfähigkeit, des Raumbedarfs und der Korrosionsanfälligkeit treten dabei hinter der Forderung nach ausreichender Regenerierfähigkeit zurück. Der Einfluß der Belagsstärke auf die Regenerierfähigkeit des Kondensators ist sehr groß. Die brauchbare Schichtstärke von 0,02 bis 0,06 Et im Mittel erfüllt die Anforderungen an die Regenerierfähigkeit. Da die Kontaktierung am Gesamtrand der Belegung erfolgt, die regenerierfähig dünne Belagsstärke aber gewisse Schwierigkeiten für die Kontaktierung bereitet, benutzt man vorzugsweise das an sich bekannte Mittel, die Randzone,. die mit der Kontaktschicht in Berührung kommt, gegenüber der Belegungsschichtstärke zu verstärken und verwendet daher eine Randverstärkung, die ungefähr das Zwei- bis Vierfache der Belegungsschichtstärke besitzt.
• Wenn nun der Kondensatorkörper, z. B. ein Wickelkörper, erstellt ist, müssen auf den Stirnseiten ,die Kontaktschichten für die Belegungen angebracht werden. Wie bereits bemerkt, stellt Aluminium hier gerade einen nicht sehr geeigneten Vertreter des Belagsmetalls dar, weil es infolge der auf seiner Oberfläche vorhandenen Umsetzungsschichten schwierig zu kontaktieren ist. Aufgespritzte stirnseitige Kontaktmetalle mit niedrigem Schmelzpunkt sind nicht geeignet, weil die Wärmeenergie des einzelnen Teilchens zu gering ist, um im Augenblick des Ruftreffens die Aluminium-Umsetzungsschicht zu zerreißen, so daß das Metalltröpfchen mit der Aluminiumoberfläche legieren kann. Wählt man Metall höheren Schmelzpunktes, dann besteht die große Gefahr, daß die dem einzelnen Tröpfchen innewohnende Wärmemenge zu groß ist und die Aluminiumbelegung schmilzt und sich inselförmig zusammenzieht, wodurch ebenfalls Kontaktübergangswiderstände entstehen und wobei überdies eine thermische Schädigung der Randteile der dielektrischen Folie eintreten kann. Es hat sich gezeigt, daß man mit Kupfer gegebenenfalls brauchbare Kontaktschichten ausbilden kann, jedoch ist ganz eindeutig, daß ein Kontaktmetall allen anderen weitaus für die Kontaktierung von dünnen Aluminiumbelegungen überlegen ist, und dies ist Zink. Zink liegt oberhalb der Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Blei, Cadmium, Zinn, aber noch unterhalb von Kupfer und stellt das Metall dar, das einen einwandfreien Kontakt mit Aluminium, ohne dieses zum Schmelzen zu bringen, herzustellen gestattet.
• Nachdem die Kondensatorenkörper mit den vorzugsweise aus Zink bestehenden Kontaktschichten versehen worden sind, müssen sie nun betriebsmäßig aufgeschlossen werden, wie der Fachausdruck lautet, d. h., es müssen die kurzgeschlossenen Stellen und die schlechten Isolationsstellen entfernt werden, um den Kondensator brauchbar zu machen. Das Aufschließverfahren benutzt wenigstens zwei Schritte, wobei das Grobaufschließen, d. h. die Entfernung der kurzgeschlossenen Stellen, mit ungefähr 2,5facher Nennspannung erfolgt, wobei die Stoßkapazität mindestens 5mal, z. B. 10mal, so groß wie die Kondensatorkapazität ist. Dieses Aufschließen erfolgt, und dies ist ein wesentlicher Punkt, in nicht getrocknetem Zustand des Kondensators, damit nämlich auch parallel zu etwaigen Durchschlägen Spitzen des Belages unter Umständen auch galvanisch umgesetzt werden können, wonach dann das Aufschließen der latenten Fehlerstellen erfolgt mit ungefähr der 3,5- bis 4fachen Nennspannung. Hiernach sind die Kondensatorkörper noch zu trocknen und nunmehr, je nach Einbauart und je nach benutztem Dielektrikum, imprägniert einzubauen.
• Als für derartige Kondensatoren besonders geeignete Kunststoffe wurden Cellulosederivate erkannt, insbesondere Acetylcellulose und Äthylcellulose. Aber auch Polykarbonate und Polyäthylenterephthalat sind mit ähnlichem Erfolg anwendbar.
• Als Beispiel für erfindungsgemäß hergestellte Kondensatoren seien folgende Werte genannt: Für 60 Volt Nennspannung und 90 Volt Spitzenspannung für eine Betriebstemperatur von -40 bis -I-70° C wies ein erfindungsgemäß hergestellter Wickelkörper für 0,1 I.F eine Länge von 8,1 mm bei 3,2 mmDurchfnesser auf. Ein für die gleichen Betriebswerte hergestellter Wickelkörper für 1 [F besaß 10,6 mm Länge und 7,2 mm Durchmesser, während ein 2 #tF Wickelkörper 14,6 mm Länge und 8,7 mm Durchmesser besaß.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Dünnfolienkondensatoren, wobei dünne Isolierstoffolien in einer Stärke von 4 [, oder weniger auf mit hochschmelzenden Kohlenwasserstoffen, denen klebende Eigenschaften aufweisende Zusätze auf der Basis von polymerisierten Kohlenwasserstoffen, wie niedermolekulares Polyisobutylen oder Polybutylen, oder von polymerisierten Vinyläthern, wie Polyvinylsobutyläther, zugefügt wurden, imprägnierte Trägerfolien durch Auflackieren oder Aufkaschieren aufgebracht werden und den zur Herstellung elektrischer Kondensatoren erforderlichen Arbeitsgängen unterworfen werden, nach Patent 1250 001, d a -durch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie mit den hochschmelzenden, Kleberzusätze enthaltenden Kohlenwasserstoffen in der Weise präpariert wird, daß die Haftfestigkeit des Isolierstoffilmes auf ihr zwischen 0,5 und 10 Pond pro Zentimeter Breite beträgt, daß die Metallisierung durch Aufdampfen von Aluminium in einer Stärke von 0,02 bis 0,06 w im Mittel mit einer Randverstärkung von ungefähr dem Zweibis Vierfachen der Belagstärke erzeugt wird, daß nach denn Wickeln stirnseitige Kontaktschichten durch Aufbringen von Kupfer oder Zink hergestellt werden, daß der Wickelkörper in nicht getrocknetem Zustand mit mindestens 5facher Stoßkapazität mit ungefähr 2,5facher Nennspannung fertigungsgemäß grobaufgeschlossen wird und danach das Aufschließen der latenten Fehlerstellen mit 3,5- bis 4facher Nennspannung vorgenommen wird und daß anschließend der Wickelkörper getrocknet und in an sich bekannter Weise fertiggestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper mit zehnfacher Stoßkapazität grobaufgeschlossen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffolien aus Zellulosederivaten, z. B. Acetylcellulose oder Äthylcellulose, oder aus Polykarbonat oder Polyäthylenterephthalat hergestellt werden.