DE1928043C3 - Verfahren zur Herstellung eines Elektrolytkondensators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich iuf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kondensators mit einer formierten Sinteranode aus Ventilmetall, mit einer Mangandioxidschicht und einer auf dieser angeordneten leitenden Schicht, bei dem cer formierte Sinterkörper mit einer Permanganatsa! tlösung getränkt wird und das Permanganatsalz in Mangandioxid umgewandelt wird.

Es ist bekannt, in den Poren einer anodisch behandelten Sinteranode aus Ventilmetall, wie z. B. Tantal, Niob oder Aluminium, durch wiederholtes Tränken mit einer geeigneten Lösung, vorzugswe se einer Mangannitratlösung, und thermisches Zerset? en dieser Lösung MnCh niederzuschlagen. Dieses Verfahren zum Aufbringen des MnO2 wird als Manganisier.mg bezeichnet.

Beim wiederholten Manganisieren können in der anodisch erzeugten Oxidschicht beschädigungen auftreten, die durch eine Nachforrrierung jedesmal nach mehreren Manganisierungsstiren beseitigt werden müssen. Hierbei ist die Nachformierspanpimg nach jeder Formierungsstufe zu verrinirern, um Überlastungen des Dielektrikums zu vermeiden. Als Ergebnis erhält man einen Kondensator mit einnr Arbeitsspannung von etwa Viv = 0,25 \f. wobei Vf de Formierspannung bezeichnet. Das Verhältnis Vtv/V'gibt den sogenannten Leistungsfaktor an.

Nach Fertigstellung der MnCh-Schicht wird diese mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen, die aus einem Graphitüberzug und einem darauf befindlichen, aus Silberpaste hergestellten Silberüberzug bestehen kann. Um das Eindringen der ills Kathode wirkenden Graphit-Silber-Überzüge in die dielektrische Oberflächenschicht zu vermeiden, muß die Manganisierung so lange fortgesetzt werden, bis nicht nur die Poren des Anodenkörpers gefüllt sind, sondern auf der Außenseite der Anode eine dichte MnC !-Schicht gebildet wird, auf die dann Graphit und Silber aufgebracht werden können.

Da die beim Manganisieren im Dielektrium auftretenden Beschädigungen nicht reproduzierbarer Art sind und auch durch Nachforrnieren nicht vollständig ausgeheilt werden können, ist die Fertigungsausbeute trotz scheinbar gleicher Verfahrensweise großen Schwankungen unterworfen. Insbesondere ist die Fertigungsausbeute von Kondensatoren höherer Spannungswerte (über 35 V Arbeitsspannung) zu niedrig.

Im Falle einer Vergrößerung des Leistungsfaktors lassen sich Kondensatoren höherer Arbeitsspannung bei Verwendung der bisherigen Formierspannungen herstellen. Ebenso könnte hierdurch auch eine Miniaturisierung durch Verwendung einer geringeren Pulvermenge bei niedrigerer Formierspannung für den bisherigen Bereich der Kapazitätswerte bewirkt werden.

Falls aber andererseits ein erhöhter Leistungsfaktor durch eine höhere Formierspannung erzielt wird, kann

ίο der Reststrom der bisherigen Kondensatoren verringert werden, so daß eine Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches von —55 auf 125°C möglich ist; denn bisher sind Kondensatoren lediglich im Temperaturbereich von -55 bis 85°C bei Nennspannung, im Falle einer Arbeitstemperatur von 125°C aber nur mit zwei Drittel Nennspannung betrieben worden.

Die Erzielung der obengenannten Vorteile ist weitgehend abhängig von der Beseitigung der bei der Manganisierung auftretenden schädlichen Wirkungen, da dann höhere Formierspannungen benutzt werden können. Es wurde bereits das Manganisierungsverfahren in verschiedener Weise abgewandelt. Alle diese bekannten Verfahren haben jedoch verschiedene Nachteile.
Aus der vorveröffentlichten DT-AS 11 94 499 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mangandioxidschicht bekannt, bei dem diese durch ein elektrolytisches Verfahren aus einer Lösung von Mangrnsalz und der entsprechenden Säure abgeschieden wird. Nach diesem elektrolytischen Verfahren lassen sich nur sehr dünne

;,o Mangandioxidschichten erzeugen, da die dielektrische Oxidschicht ein wesentliches Hindernis für die Ausführung des elektrolytischen Verfahrens darstellt. Grundsätzlich eignei· sich elektrolytische v_erf_ahren zur Herstellung der Mangandioxidschicht bei elektrolytischen Kondensatoren auch nicht bei der Verwendung von Anoden in Form von Sinterkörpern, da die Schicht auf der äußeren Oberfläche und auf der inneren Porenoberfläche in unterschiedlicher Stärke erhalten wird.
Die DT-PS 11 94 060 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Mangandioxidschicht durch Zersetzen von Manganheptoxid oder Übermangansäure erhalten wird. Dieses Verfahren läßt sich in großtechnischem Maßstab nicht durchführen, weil die dabei verwendeten Ausgangssubstanzen, nämlich die Übermangansäure bzw. das Manganheptoxid sehr leicht zersetzliche und auch gefährliche Substanzen sind. Die Übermangansäure kann in höchstens 20%iger Lösung erhalten werden, weil sich bei höherer Konzentration die Substanz zersetzt. Abgesehen von der sehr leichten Zersetzlichkeit

so der Lösung, die eine Vorratshaltung unmöglich macht, lassen sich infolge der geringen möglichen Konzentration nur verhältnismäßig dünne Schichten herstellen, so daß eine oftmalige Wiederholung dieses Verfahrens erforderlich ist. Das Manganheptoxid ist eine ölige Flüssigkeit, die bereits bei 40 bis 50° C verpufft und mit organischen Stoffen sehr leichi entzündlich ist. Sie ist schlagempfindlich wie Knallquecksilber. Eine Erzeugung einer Mangandioxidschicht aus Manganheptoxid ließe sich daher nur mit sehr großen Sicberheitsmaßnahmen durchführen.

In der DT-AS 11 47 696 ist ein elektrolytisches Verfahren beschrieben, bei dem Kaliumpermanganat reduziert wird und das als elektrolytisches Verfahren daher nur für Folien anwendbar ist.

Die DT-AS 11 74 908 beschreibt ein Verfahien, bei dem auf der formierten Anode eine Schicht eines Permanganatsalzes erzeugt wird, das dann mittels eines Reduktionsmittels in eine Mangandioxidschicht umge-

LL·

wandelt wird. Die Verwendung eines Reduktionsmittels nach dem bekannten Verfahren hat aber den Nachteil, daß die dielektrische Oxidschicht leicht angegriffen wird, abgesehen davon, daß eine zusätzliche Substanz bei dem Verfahren benötigt wird. Diese Nachteile hat das vorliegende Verfahren nicht, bei dem das Permanganatsalz durch thermische Zersetzung umgewandelt wird.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Mangandioxidschicht durch pyrolytische Zersetzung von Ammoniunnpermanganat herzustellen (Patentanmeldung P 19 13 133). Hierbei werden aber zusätzlich Gase durch Zersetzung des Ammoniumpermanganatsalzes freigesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Manganifierungsverfahren zu finden, das keine Beschädigung der dielektrischen Oxidschicht zur Folge hat und die Nachteile der bekannten Manganisierungsverfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Permanganatsalz Kadmiumpermanganat, Magnesiumpermanganat oder Zinkpermanganat verwendet wird, daß dieses durch thermische Zersetzung bei höchstens 200⁰C in Mangandioxid umgewandelt wird und daß anschließend mindestens eine weitere Mangandioxidschicht durch thermische Zersetzung von Mangannitrat erzeugt wird.

Durch die thermische Zersetzung von Kadmiumpermanganat, Magnesiumpermanganat oder Zinkpermanganat bei Temperaturen unter 200°C ergeben sich sauerstoffarme Modifikationen des MnOj, die sogenannten y-Modifikationen. Während der Zersetzung dieser Substanzen tritt keine oder nur eine geringe Beschädigung der dielektrischen Oxidschicht auf. An sich wäre die y-Modifikation des MnO2 als Festelektrolyt wegen seines hohen elektrischen Widerstandes im Vergleich zu den bekannten Schichten, die durch Zersetzen von Mangannitratlösungen erhalten werden, nicht geeignet. Jedoch hat die Schicht aus y-MnO2 die Eigenschaft, die dielektrische Oxidschicht vor Veränderungen während der Manganisierung zu schützen.

Es wird deshalb auf der Dielektrikumsschicht eine erste Schicht aus y-MnO2 durch thermisches Zersetzen eines der genannten Permanganatsalze erzeugt, während die folgenden MnO2-Schichten durch die bisherige Manganisierung hergestellt werden. Es kann dann eine Endformierspannung von ungefähr 0,7 Vf angewendet werden.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Kondensatoren weisen neben der bisherigen Kapazität und dem üblichen Leistungsfaktor bei niedriger Frequenz die folgenden verbesserten Eigenschaften auf:

A. Höhere Betriebsspannung; werden beispielsweise normale 35-V-Kondensatoren bei 140 V formiert, so daß Vif= 0,25 Vf ist, so kann der verbesserte Kondensator bei 50 V, d. h. Ww= 035 Vf, betrieben werden.

B. Extrem niedrigen Reststrom; im Mittel kann ein um den Faktor zehn niedrigerer Wert gegenüber vergleichbaren Kondensatoren, bei denen die übliche Manganisierung benutzt wird, erreicht werden.

C. Erweiterten Arbeitstemperaturbereich im Vergleich zu den gegenwärtig betriebenen Kondensatoren.

D. Verminderung der Manganisierungsschritte, da das Eindringen von Graphit nicht schädlich ist, und somit Abkürzung des Herstellungsprozesses.

E. Kapazitätskonstanz bei höherer Frequenz gegenüber Kondensatoren, die nach der üblichen Manganisierung hergestellt sind.

F. Erniedrigten Scheinwiderstand bei hoher Frequenz, z. B. um den Faktor zwei gegenüber Kondensatoren, die nach der üblichen Manganisierung hergestellt sind.

Im folgenden sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung von ^F-Kondensatoren erläutert:

1. Gesinterte Tantalanoden werden nach bekannter Technik in wäßriger Phosphorsäure bei 140 V anodisch behandelt.

2. Die anodisch behandelten Anoden werden zur Entfernung der Phosphorsäure in entionisiertem Wasser gekocht und dann getrocknet.

3. Die Anoden werden mit 0,5molarer wäßriger Permanganatlösung durch Tauchen imprägniert.

4. Das Permanganatsalz wird in einem Ofen bei 200°C zehn Minuten lang zersetzt.

5. Die Schritte (3) und (4) werden so lange, im allgemeinen dreimal wiederholt, bis die Farbe des Tantr loxids nicht mehr sichtbar ist.

6. Nochmalige anodische Behandlung bei 100 V in wäßriger Essigsäure, die eine Leitfähigkeit von 80 μΟίιπι-'αη aufweist.

7. Trocknen durch Erhitzen zur Entfernung der Essigsäure.

8. Aufbringen des hochleitfähigen 0-Mangandioxids als Festelektrolyt durch wiederholtes Imprägnieren der Anoden mit 5molarer wäßriger Mangannitratlösung, Trocknen bei 85°C und Zersetzen bei 200⁰C jeweils eine Stunde lang nach jeder Imprägnierung; bei dem Ausführungsbeispiel war eine fünfmalige Wiederholung ausreichend.

9. Nochmalige anodische Behandlung nach der ersten und jeder nachfolgenden ungeradzahligen thermischen Zersetzung.

10. Herstellen eines lötfähigen Überzuges aus Graphit und Silber enthaltenden Lösungen auf der Mangandioxidschicht und Einlöten der Anode in einen metallischen Becher.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kondensators mit einer fornierten Sinteranode aus Ventilmetall, mit einer Mangandioxidschicht und einer auf dieser angeordneten leitenden Schicht, bei dem der formierte Sinterkörper mit einer Permanganatsalzlösung getränkt wi-d und das Permanganatsalz in Mangandioxid umgewandelt wird, d a durch gekennzeichnet, daß als Permanganatsalz Kadmiumpermangar at, Magnesiumpermanganat oder Zinkpermanganat verwendet wird, daß dieses durch thermische Zersetzung bei höchstens 200⁰C in Mangandioxid umgewandelt wird und daß anschließend mindestens eine weitere Mangandi oxidschicht durch thermische Zersetzung von Mangannitrat erzeugt wird.