DE1953359A1

DE1953359A1 - Elektrolytkondensator

Info

Publication number: DE1953359A1
Application number: DE19691953359
Authority: DE
Inventors: Maguire David Edmund; Peterson Charles Michael
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-10-24
Filing date: 1969-10-23
Publication date: 1970-05-06
Also published as: DE1953359C3; US3566203A; DE1953359B2; GB1278971A

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN 8 MÜNCHEN 8 · QOERZER STRASSE 1S

22,

E-7463-C

UNION CARBIDE CORPORATION
270 Park Av/enuB, Naui York, N₀Y. 10017, V.St.A.

Elektrolytkondensator

Die Erfindung befaßt sich mit Elektrolytkondensatoren und betrifft insbesondere einen zur Montage auf einem Substrat geeigneten mit anderen Schaltungselemente^ zu verbindenden flachen Elektrolytkondensator.

Die Elektrolytkondensatortechnik hat sich in Verbindung mit
den Fortschritten bei Transistorschaltungen, uio relativ niedrige Spannungen auftreten und das Volumen der elektronischen Geräte miniaturisiert uiird, rasch uieiterentuiickelt. Hohe Kapazitäten je Flächeneinheit ujurden durch Anwendung von Anodisierungsprozessen erzielt, mittels deren dielektrische Filme erhalten morden, die dünner als auf andere Weise erzeugte Filme sind. Ferner erlaubt es die Entwicklung von porösen Kondensa* torkernen, große Oberflächen in sehr kleinen Volumen unterzubringen. Ein weiterer Schritt war die Anwendung eines fBsteh
Elektrolyten oder einer Gegenelektrode, wodurch eine hetmetisehe Abdichtung möglich wird und die Gefahr einBs Austritts
uoh Chemikalien weitestgehend herabgesetzt wird*

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Ein fester Elektrolytkondensator weist im wesentlichen einen porösen Anodenkörper, der auch als Pellet bezeichnet wird und aus zusammengepreßten, aneinanderheftenden Teilchen eines anodiaierbaren oder filmbildenden Metalles hergestellt wird, einen durch Anodisieren auf den freiliegenden Oberflächen der Teilchen gebildeten dielektrischen Film, eine Schicht aus einem halbleitenden Oxyd auf dem dielektrischen Film und eine elektrisch leitende Kathodenüberzugsschicht auf der Halbleiteroxydschicht auf. Der poröse Elektrodenkörper u/ird im allgemeinen in der Weise gefertigt, daß Teilchen aus einem filmbildenden IRetall, beispielsweise Tantal, Aluminium, Wolfram, Columbium, Hafnium, Titan und Zirkonium, zusammengepreßt und gesintert werden, bis die Teilchen einen starren, porösen Körper bilden. Nachdem die Teilchen zusammengesintert sind, wird der auf diese Weise erhaltene poröse Körper in ein Elektrolytbad eingetaucht und anodisiert, um einen dielektrischen oder anodischen Film zu erhalten, der über der gesamten Oberfläche des porösen Körpers eine Sperrschicht bildet. Ulenn der anodische Film ausgebildet ist, wird die mit dem Film überzogene Elektrode aus dem Elektrolyten herausgenommen und mit einem halbleitenden Werkstoff imprägniert, der pyrolytisch oder chemisch in ein Halbleiteroxyd umwandelbar ist, beispielsweise Iflanganoxyd, Bleioxyd oder Nickeloxyd, das mit dem anodisehen Film in engem Kontakt steht. Im Anschluß an die Imprägnierung wird an die Elektrode innerhalb θϊπββ Elektrolytbades erneut Spannung angelegt, um Fehler oder Unv/ollkommenheiten des Sperrschichtfilmes auszuheilen bzw. zu beseitigen. Die

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Elektrode kann, falls erwünscht, weiter .mit dem halbleitenden Oxyd imprägniert und regeneriert oder nachformiert werden, worauf Ober der Halbleiterschicht ein leitender Überzug ausgebildet wird, indem die Elektrode mit einer leitenden Dispersion, beispielsweise Graphit in Wasser, imprägniert od,er beschichtet wird. Anschließend daran wird das Wasser ausgetrieben und wird die mit Kohlenstoff überzogene Außenfläche der Elektrode mit einem die Kathode bildenden metallüberzug v/ersehen, fflit dem äußeren metallischen Kathodenüberzug und dem porösen Anodenkörper werden Zuleitungen verbunden, die die elektrischen Anschlüsse des Kondensators bilden.

Bei einem bekannten Chip-Kondensator wird ein Tantalpellet an seiner Außenfläche mit einem die Kathode bildenden leitenden Metall überzogen, beispielsweise durch Eintauchen in Lot. Von dem Pelletkörper geht ein Anodenanschlußdraht aus. Die elektrischen Anschlüsse des Chip-Kondensators werden erst hergestellt, nachdem das Chip durch Löten auf einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen zweckentsprechenden Substrat montiert ist. Dieses mit Lot beschichtete Chip ist selbstverständlich nur dann brauchbar, wenn eine gedruckte Leiterplatte verwendet wird, die mit einer Verbindungsfläche zum Auflöten des Chips versehen ist. Eine Hauptschuiierigkeit bei der Verwendung eines derartigen Chips besteht darin, daß der empfindliche Anodendraht nur unzureichend abgestützt taird„ Soll der Chip-Kondensator zwecks Verbindung mit integrierten Schaltungschips und anderen Schaltungselementen auf einem Substrat montiert werden,

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erlaubt ein solcher Chip-Kondensator, wie gefunden wurde, oft nicht die Anwendung der für Integrierte Schaltungschips und Hybridschaltungen üblichen Verbindungsverfahren wie Ultraschallschweißen und Parallelspaltschweißen.

Bei einem anderen bekannten Chip-Kondensator ist ein metallstreifen mit dem /fnodenanschlußdraht verbunden und ist ferner ein weiterer metallstreifen auf der Oberseite des Chips vorgesehen, um von außen eine Verbindung mit der Kathode herzustellen.

Bei den beiden oben beschriebenen bekannten Chip-Kondensatoren ist 68 schwierig, dafür zu sorgen, daß die Anoden- und Kathodenanschlüsse oder -streifen parallel zu dem Substrat und zueinander verlaufen, was für die konventionellen Verbindungsverfahren erwünscht ist. Auch läßt der Kathodenetreifen auf der Oberseite des Kondensatorchips eine unebene und damit schlechte Verbindungsfläche entstehen. Außerdem wird bei den bekannten Chip-Kondensatoren der Verbindungsvorgang weiter dadurch kompliziert, daß der Kathodenanschluß in einer anderen Ebene als der Anodenanschluß liegt, und zwar im allgemeinen über dem Anodenanschluß· U/eitere Probleme ergeben sich aus dem Anodenanschlußdraht. Im allgemeinen ist bei Kondensatoren mit festem Elektrolyt der Anodenzuleitungsdraht aus dem gleichen metall gefertigt, das auch als das filmbildende metall für den Körper verwendet wird. Diese filmbildenden Metalle, beispielsweise Tantal, sind empfindlich, so daß während des

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Verbindungsvorganges und der weiteren Handhabung äußerste Sorgfalt aufgewendet werden muß, damit der anodische Film nicht beschädigt und die Isolierung nicht beeinträchtigt wird.

fflit der vorliegenden Erfindung soll ein flacher oder niedriges Profil aufweisender Elektrolytkondensator geschaffen werden, der sich zusammen mit üblichen integrierten Schaltungschips und Hybridschaltungen auf einem Substrat montieren läßt. Insbesondere sollen die für integrierte Schaltungschips und Hybridschaltungen üblichen Verbindungsverfahren anwendbar sein, ζ» Bo Ultraschallverschweißen und Parallelspaltverschweißen mit Drähten anderer Schaltungselemente oder Rücklauflöten. Der Kondensator soll ferner für die Verbindung geeignete feste Elektrodenanschlüsse besitzen und keine losen Anschlußleitungen aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei einem zur Montage auf einem Substrat geeigneten, flachen Elektrolytkondensator erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Unterlage aus Isolierstoff, an deren Oberfläche mindestens zwei gesonderte, parallel zu dem' Substrat

liegende, elektrisch leitende Streifen angebracht sind, und mindestens ein Kondensatorpellet vorgesehen sind,das aus einem porösen Anodenkörper aus einem gesinterten, filmbildenden metall, einem durch Anodisieren des porösen Körpers gebildeten dielektrischen Film, einem Elektrolyt aus einem auf den dielektrischen Nletallfilm aufgebrachten halbleitenden Oxyd,

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einem den Elektrolyt umgebenden Kathodenüberzug aus elektrisch leitendem metall und einer von dem Anodenteil des Körpers ausgehenden, elektrisch leitenden Anodenzüleitung besteht, daß das Kondensatorpellet an einem Teil der Unterlage fest angebracht und derart angeordnet ist, daß der Kathodenüberzug mit einem der leitenden Streifen und die Anodenzuleitung mit einem anderen der leitenden Streifen in elektrischem Kontakt steht, und daß beide leitende Streifen Verbindungsflächen zur Herstellung elektrischer Verbindungen des Kondensators mit anderen Schaltungselementen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, Parallelspaltschweißen oder Rückflußlöten, bilden.

Unter "Chip-Kondensator" wird vorliegend ein nicht gekapseltes oder gekapseltes elektronisches Bauteil verstanden, das nicht die herkömmlichen Zuleitungsdrähte aufweist und derart aufgebaut ist, daß es insbesondere mit einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen zweckentsprechenden Substrat verbunden werden kann» Unter "Pellet" wird ein Festelektrolytkondensator verstanden, der einen Körper aus einem gesinterten filmbildenden Metall als Anode, einen durch Anodisieren gebildeten Oxydfilm des metalles als Dielektrikum und eine elektrisch leitende Gegenelektrode aufweist»

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen» Es zeigt:

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Figur 1

eine perspektivische*Aneicht eines Elektrolytkondensator nach der Erfindung vor der Montage, wobei das Pellet von der aus Isolierstoff bestehenden Unterlage gelöst dargestellt ist,

Figur 2

eine perspektivische Ansicht des Elektrolytkondensators gemäß Figur 1 nach montage auf einem Substrat und Verbindung mit einem integrierten Schaltungschip, das eine oder Mehrere aktive Schaltungselemente enthält,

Figur 3

eine perspektivische Ansicht eines Elektrolytkondensator gemäß einer abgewandelten AuefUhrungsform der Erfindung,

Figur 4

eine Draufsicht auf eine Aueführungeform der Erfindung, bei der mehrere Elektrolytkondensatoren zwecke gegenseitiger Verbindung und Verbindung mit anderen Schaltungselementen auf einem Substrat montiert sind,

Figur 5

eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung, bei der an die Anodenzuleitung ein metallischer Querstift angeschweißt ist, und

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-B-

Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines Elektro-

lytkondensators gemäß einer weiteren Abwandlung der Erfindung, bei der eine zweite Gruppe v/on elektrisch leitenden Metallstreifen an der Unterseite der aus Isolierstoff bes.tehenden Unterlage angebracht ist.

Der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte Elektrolytkondensator 10 weist ein Kondensatorpellet 12 mit einer Anodenzuleitung 14, die von der einen Seite 16 des Pellets 12 ausgeht, und eine Unterlage 18 aus Isolierstoff auf. Die Außenfläche des Pellets .12 besteht aus einem Metallüberzug, beispielsweise Lotüberzug, der die Kathode bildet. Das Pellet 12 hat eine rechteckige form und ein niedriges Profil, wenn es auf seiner breiten Flachseite liegt. Das Pellet kann jedoch auch andere als die veranschaulichte Gestalt haben, z. B. scheibenförmig ausgebildet sein. Die Gesamtabmessungen des Pellets einschließlich der Anodenzuleitung können in der folgenden Größenordnung liegen: Länge 2,8 mm; Breite 1,3 mm; Dicke 0,64 mm. Die Größe kann jedoch entsprechend den jeweiligen Konstruktionserfordernissen schwanken. Die Unterlage 18 ist mit zwei elektrisch leitenden metallstreifen 20, 22 versehen, die mit der Obersei-, te der Unterlage 18 verbunden und gegenseitig physikalisch und elektrisch durch einen Zwischenraum 26 getrennt sind* Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Metallstreifen 20 rechteckig, während der Metallstreifen 22 L-förmig ist, doch können die Streifen auch andere zweckentsprechende Form haben.

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Die metallstreifen 20 und 22 bilden den positiven bzui. negativen Anschluß für die Anode bzui. die Kathode, indem das Pellet 12 mit dem Streifen 22 und die Anodenzuleitung 14 mit dem Streifen 20 verlötet oder in anderer Weise verbunden wird. Nachdem die Anodenzuleitung 14 und das Pellet 12 mit den Streifen 20 und 22 verlötet sind, kann, falls erwünscht, die Anodenzuleitung 14 in einen Isolierstoff 28, beispielsweise ein Epoxydharz, eingebettet werden« Der Isolierstoff 28 stützt, falls vorhanden, die Anodenzuleitung 14 ab und schützt sie mährend der Handhabung und der Verbindung gegen Beschädigungen. Falls erwünscht, kann auch das Pellet 12 mit einem nicht veranschaulichten Isolierstoffüberzug versehen werden.

Der Teil 24 des Streifens 22 und der Streifen 20 bilden Verbindungsflachen zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen dem Kondensator 10 und anderen Schaltungselementen, beispielsweise durch Anschließen des zu dem Chip 30 führenden Drahtes 34 (Figur 2)₀ Die Streifenteile 20 und 24 können mit einem Metall beschichtet sein oder mindestens teilweise aus einem Metall bestehen, das sich für die Herstellung von Verbindungen durch Schweißen oder Löten eignet. Zum Parallelspaltschweißen können die Streifen 20 und 24 aus einem Metall gefertigt sein, das einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand besitzt, beispielsweise Nickel oder Kovar. Für die Herstellung von Ultraschallschweißverbindungen können die Streifen 20 und 24 mit einem zweckentsprechend duktilen metall beschichtet oder aus einem derartigen metall gefertigt

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sein; Beispiele dafür sind Nickel mit einem dünnen Goldüberzug oder Aluminium« Der Kondensator 10 kann auf einem Substrat 32 montiert werden,.

Während der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte Elektrolytkondensator ein Pellet mit einer Anodenzuleitung und einem die Kathode bildenden leitenden Überzug auf seiner Außenseite aufweist, versteht es sich, daß das Pellet auch sowohl eine Anodenzuleitung als auch eine Kathodenzuleitung besitzen kann, u/ie dies in Figur 3 dargestellt ist. Der IJletallkathodenüberzug kann ferner mit einer weiteren Schicht 36 aus Isolierstoff abgedeckt sein, die die Außenfläche des Pellets bildet. Bei dieser Ausführungsform sind die Anodenzuleitung 38 und die Kathodenzuleitung 40, die von dem Pellet wegführen, beide mit rechteckigen Anschlußstreifen 42 bzw. 44-verbunden, die auf einer Unterlage 46 aus Isolierstoff angeordnet sind. Das Pellet selbst ist auf der Unterlage 46 festgeklebt. Zum Schutz können die Anodenzuleitung 38 und die Kathodenzuleitung 40 in einen Isolierstoff, beispielsweise ein Epoxydharz, eingebettet sein, wie dies bei 48 und 50 veranschaulicht ist. Die Anschlußstreifen 42 und 44 bestehen aus Werkstoffen, die sich für die Herstellung der erforderlichen Schaltungsverbindungen eignen.

Bei der Ausführungsform nach Figur 4, die eine von vielen möglichen Kondensatorgruppierungen zeigt, sind mehrere Elektrolytkondensatoren 52 auf einem Substrat 54 montiert. Die

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einzelnen Kondensatoren 52 können zueammengeechaltet werden, und die'Gesamtenordnung kann in einem Becher eingekapselt werden.

figur S zeigt eine »eitere Abwandlung mit einer andere ausgebildeten Anodenzuleitung 14. Wie oben erwähnt iet, wird die Anodenzuleitung 14 im allgemeinen aus dem metall gebildet, das auch als. das filmbildende Wetall für den porösen Pelletkörper 12 benutzt wird. Tantal stellt häufig einen bevorzugten Merkstoff dar, weil ein Tantalpellet 'zu einem Kondensator mit großer Oberfläche fUhrt, so daß eine sehr hohe Ladung' je Uoluneneinheit erzielt werden kann. Tantal und andere filmbildende Metalle lassen eich nicht ohne weiteres löten, da der Oxydfil* auf derartigen Metallen zunächst abgetragen oder reduziert werden muß, bevor das Lot wirksam werden kann. Diese Schwierigkeit wird 'dadurch beseitigt, daß mit der Tantalzuleitung 14 an der Stelle 58 ein lötbares Metall, beispieleweise ein Nickelquerstift 56, verschweißt wird, der vorzugsweise so auegerichtet iet, daß er zusammen mit der Zuleitung 14 ein T bildet. Der Nickelquerstift 56 kann dann mit dem metallischen Anechlußetreifen 20 verlötet werden, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Anode 14 und dem Anschlußstreifen 20 hergestellt wird. Ein weiterer Vorteil des Nickelquerstiftes 56 besteht darin, daß die T-Form eine festere Lötverbindung ermöglichte

Figur 6 zeigt eine Abwandlung des Elektrolytkondensators 10,

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bei der das Kondensatorpellet 12 auf einer isolierenden Unterlage 18 montiert ist, die zusätzlich zu den "elektrisch leitenden Metallstreifen 20 und 22 zu/ei identische liletallstreifen 60 bzw. 62 besitzt, die an der Unterseite der Unterlage 18 angebracht sind* Elektrische Verbindungen zwischen den Streifenpaaren 20 und 60 souiie 22 und 62 können durch RIbtallstifte oder Niete 64 bzw« 66 hergestellt ujerden, die durch die Unterlage 18 hindurchreichen. Die Verbindung kann auch in beliebiger anderer Weise.erfolgen, beispielsweise indem eine nicht veranschaulichte metallfolie zur Bildung der beiden Streifen 20 und 60 um den Rand der Unterlage 18 herumgefaltet u/ird, während ein anderes nicht veranschaulichtes Folienstück, das in ähnlicher Illeise gefaltet ist, die Streifen 22 und 62 bildet. Der für die zweite (iletallstreifengruppe" 60, 62 verwendete Werkstoff kann derart ausgewählt sein, daG die Streifen und damit der Kondensator 10 mit nicht veranschaulichten, darunterliegenden leitenden Streifen auf einer gedruckten Leiterplatte oder einem anderen Substrat durch RückfluQlöten, Ultraschallschweißen oder Uiärme-Dfuck-Verbindungsverfahren verbunden werden können»

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Claims

- 13 Ansprüche

J Zur Montage auf einem Substrat geeigneter, flacher Elektrolytkondensator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage aus Isolierstoff, an deren Oberfläche mindestens zwei gesonderte, parallel zu dem Substrat liegende, elektrisch leitende Streifen angebracht sind, und mindestens ein Kondensatorpallet vorgesehen sind, das aus einem porösen Anodenkörper aus einem gesinterten, filmbildenden Metall, einem durch Anodisieren des porösen Körpers gebildeten dielektrischen Film, einem Elektrolyt aus einem auf den dielektrischen Metallfilm aufgebrachten halbleitenden Oxyd, einem den Elektrolyt umgebenden Kathodenüberzug aus elektrisch leitendem Metall und einer won dem Anodenteil des Körpers ausgehenden, elektrisch leitenden Anodenzuleitung besteht, daß das Kondensatorpellat an einem Teil der Unterlage fest angebracht und derart angeordnet ist, daß der Kathodenüber-' zug mit einem der leitenden Streifen und die Anddenzuleitung mit einem anderen der leitenden Streifen in elektrischem Kontakt steht, und daß beide leitende Streifen Verbindungsflachen zur Herstellung elektrischer Verbindungen das Kondensators mit anderen Schalungselementen bilden.

2„ Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorpellet aus einem porösen Anodenkörper aus Tantal, Aluminium, lUolframv Columbium, Hafnium, Titan oder Zirkonium besteht,,

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3„ Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, .daß der Elektrolyt aus fflanganoxyd, Bleioxyd oder Nickel- . oxyd besteht»

4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Streifen auf der Unterlage mindestens teilweise aus einem schweißbaren file tall mit verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand, beispielsweise Kovar, bestehen.

5. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Streifen mit einer zweiten Gruppe von leitenden Streifen elektrisch verbunden- sind, die auf der Unterseite der Unterlage angeordnet sind und mindestens teilweise aus einem Metall bestehen, das für die Verbindung mit anderen Schaltungsstreifen geeignet ist=.

6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Streifen auf der Unterlage aus einem für da3 Ultraschallschweißen geeigneten duktilen Metall bestehen oder mit einem derart!- / gen (Detail beschichtet sind, beispielsweise aus einen dünnen Goldüberzug tragendem Nickel gefertigt sind.

! 7o Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Streifen

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auf der Unterlage mindestens einen rechteckförmigen Strei* fen und einen im wesentlichen L-förmigen Streifen aufweisen und daß der eine Arm des L-förmigen Streifens mit dem Pellet metallurgisch verbunden ist_o

Θ. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Streifen auf der Unterlage mindestens zwei rechteckige Streifen aufweisen.

9. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pellet rechteckig oder scheibenförmig ausgebildet ist*

10. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Pellets einen überzug aus einem die Kathodenelektrode bildenden Metall trägt.

e Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Pellet zur Bildung eines Kathodenanschlusses mit einem Teil eines der elektrisch leitenden Streifen metallurgisch verbunden ist«

12. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzisolierstoff zur festen Abstützung der Anodenzuleitung auf der Unterlage auf die Anodenzuleitung aufgebracht ist und diese umhüllt.

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13. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenüberzug mit einem der leitenden Streifen auf der Unterlage über eine Kathodenzuleitung elektrisch verbunden ist.

14. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kathodenüberzug des Pellets mit einer das Pellet umhüllenden Außenschicht aus Isolierstoff abgedeckt ist.

15. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

durch gekennzeichnet, daß ein lötbarer ffletallstift mit der Anodenzuleitung benachbart deren einem Ende verschmeißt ist.

16c Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der lötbare ITIetallstift derart quer an der Anodenzuleitung angeschweißt ist, daß er zusammen mit der Zuleitung ein T-förmiges Gebilde entstehen läßt.

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