DE1962294C3 - Tantalelektrolytkondensator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Tantalelektrolytkondensator und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tantalelektrolytkondensator mit einer porösen Sinteranode, auf
der eine formierte dielektrische Schicht, eine Zwischenschicht und eine halbleitende Mangandioxidschicht
gebildet ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kondensators.
Bei derartigen elektrischen Kondensatoren ist es bekannt, die dünne dielektrische Oxidschicht durch
elektrochemische Oxidation des porösen Anodenkörpers in einem geeigneten Elektrolyten herzu-
»teilen. Als zweiter Belag dient üblicherweise eine Halbleiteroxidschicht, auf die noch eine Abnahmeelektrode
zur besseren Kontaktierung angebracht ist.
Es ist ferner bekannt, vor dem Aufbringen der halbierenden Oxidschicht eine dünne Schicht aus
Kieselsäuregel aufzubringen (DT-PS 1141 720). Durch diese Maßnahme soll bewerkstelligt werden,
daß die Halbleiterschicht auf der Oxidschicht gut haftet und sich im Betrieb infolge auftretender Erwärmung
und unterschiedlicher Ausdehnung des Schichtaufbaus nicht loslösen kann.
Den bekannten Kondensatoren π<'<ι halbleitendem
Belag auf der dielektrischen Oxidschicht kann das aus F i g. 1 ersichtliche elektrische Ersatzschaltbild
lugeordnet werden. Der eingezeichnete Pfeil charaklerisiert hierbei die Teile des Kondensators mit wach-•ender
Entfernung von der äußeren Oberfläche der porösen Anode. Durch das Auftreten von Einschalt-Spannungsstößen
in solche Kondensatoren enthaltenden Schaltkreisen können Ausfälle im Betrieb auftreten.
Als Ursache hitrfür sind im allgemeinen Durchschläge im Dielektrikum nahe der Oberfläche
der porösen Anode anzunehmen. Bei einer diesbezüglichen Erklärung ist zu berücksichtigen, daß die Zeitkonstante
der den äußeren Oberflächenteilen der Anode zugeordneten Kondensatorelemente geringer
ist als die Zeitkonstante derjenigen Kondensatorelemente, die zu den inneren Oberflächenteilen der
Anode gehören. Daher ist die Belastung des Dielektrikums bei Einschalt-Spannungsstößen an der
Außenseite der Anode größer.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Tantalelektrolytkondensator zu schaffen, bei dem diese Nachteile
vermieden sind und dessen Dielektrikum verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Kondensator der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß nur die
äußere Oberfläche der Sinteranode mit einer Zwischenschicht aus Siliziumnitrid überzogen ist.
Eine solche Schicht wird vorzugsweise uurch chemische
Reaktion in der Gasphase gebildet und in einem Hochfrequenzfeld auf dem formierten Sinterkörper
abgeschieden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung seien an Hand der Zeichnung erläutert. Aus, Fig. 2
ist in Draufsicht ein elektrischer Kondensator von der üblichen Bauart ersichtlich, während Fig. 3 in
schematischer Darstellung einen stark vergrößerten Querschnitt durch einen Teil der äußeren Oberfläche
des Anodcnkorpers eines Tantalelekirolytkondensators
gemäß der Erfindung zeigt, bei dem allerdings die Halbleiteroxidschicht noch nicht aufgebracht
ist.
Der Kondensator nach Fig. 2 enthält einen Grundkörper
1 aus gesintertem Tantalpulver, an dem eine Anodenleitung 2 aus Tantaldraht befestigt ist, indem
sie entweder während des Fressens eingesetzt oder hinterher angeschweißt wird. Der gesinterte Tantalkörper
wird zur Bildung einer auf den Oberflächen der Tantalkörner befindlichen dielektrischen Schicht
aus Tantalpentoxid anodisch behandelt. Der auf seiner Außenseite und in den Poren mit einer dielektrischen
Schicht versehene Anodenkörper wird dann mit einer halbierenden Oxidschicht aus Mangandioxid
und anschließend mit einer Grafitschicht überzogen. Diese Grafitschicht erstreckt sich im allgemeinen
nicht bis in die Poren, so daß die Mangandioxidschicht als zweiter Belag (Kathode) des Kondensatorkörpers
wirkt. Auf die Grafitschicht wird dann eine Silberschicht aufgebracht. Schließlich wird der Kondensatorkörper
mit einer Umhüllung versehen, z. B. durch Überziehen mit Epoxidharz.
Der oben beschriebene Tantalkondensator ist als typischer Vertreter der Klasse sogenannter Festelektrolytkondensatoren
anzusehen. Jedoch kann an Stelle von Tantal auch ein anderes Ventilmetall, insbesondere
Niob, verwendet werden, das gleichfalls Oxidschichten bildet, die eine hohe dielektrische Festigkeit
haben und in einer Richtung elektrisch leitfähig sind. Obgleich auch schon andere Halbleiteroxide,
insbesondere Bleioxid, angewendet worden sind, so hat sich doch Mangandioxid als am zweckmäßigsten
erwiesen. Eine Wirkung des Mangandioxids besteht darin, daß die bei Durchschlägen im Dielektrikum
auftretenden Fehlstellen wieder ausgeheilt werden. Zugleich wirkt das Mangandioxid, wie oben erwähnt,
innerhalb der Poren der Anode als Kathode des Kondensators. Zur besseren Kontaktierung dienen dagegen
die Grafitschicht auf der Außenseite der Anode und der darauf befindliche Silberüberzug.
Gemäß der Erfindung können die elektrischen Eigenschaften eines solchen Kondensators erheblich
verbessert werden, wenn unmittelbar auf die äußere dielektrische Tantalpentoxidschicht der Anode eine
Schicht aus Siliziumnitrid aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung einer solchen dielektrischen Zwischenschicht sind in der GB-PS 1104 935
beschrieben. Es handelt sich dort um chemische Reaktionen bei hochfrequenten Gasentladungen in einer
Atmosphäre, die gasformige Verbindungen des aufzubringenden Materials enthält. Um eine dünne
Schicht aus Siliziumnitrid auf die Außenseite des Anodenkörpers aufzubringen, wird dieser in Fortführung
der Erfindung nach dem Formierungsprozeß sorgfältig getrocknet, um alle Elektroiytreste zu entfernen,
dann in ein bei niedrigen. Druck arbeitendes Casentladungsgefäß eingebracht, das Siliziumwasserstoff
und Ammoniak enthält, und dor! einer in der Nähe bei einer Frequenz von 1 MHz aufrechterhaltenen
hochfrequenten Gasentladung ausgesetzt. Während des Aufbringens der dünnen Siliziumnitridschicht
wird die Anode auf einer Temperatur von 300° C gehalten.
Aus Fig. j ist ersichtlich, daß kugelförmige
Tantalkörner 3 nach dem Zusammensintern mit einer dielektrischen Schicht 4 aus Tantalpentoxid überlogen
sind, und zwar sowohl an der äußeren Oberfläche der Anode als auch innerhalb der Poren 5.
Auf die äußere Oberfläche wird dann eine haftfähige Schicht 6 aus Siliziumnitrid niedergeschlagen. Hierbei
ist durch die elektrische Abschirmwirkung der Mctallanode, die als Faradayscher Käfig wirkt, verhindert,
daß sich im Hochfrequenzfeld ein Niederschlag auf der inneren Oberfläche der porösen Anode
bildet. Auch das Eindringen des Kondensats in die Anode durch Diffusion ist begrenzt, da die miniere
freie Weglänge der Gasmoleküle größer ist als der mittlere Porendurchmesser. Deshalb sind nur die
äußeren Körner in Form von Kappen mit Siliciumnitrid überzogen, die sich in Richtung zu den Poren
hin verjüngen. Einwandfreie Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Anoden einer hochfrequenten Gasentladung
bei niedrigem Leistungspcgel unterworfen wurden, wobei die Ausgangsströme höchstens
10 Ampere und die Behandlungszeiten langer als eine Stunde waren. Bei höheren Leistungspegein konnten
die Behandlungszeiten verkürzt werden. Es wurde gefunden, daß im Hinblick auf Verlustfaktor und
Reststrom des fertigen Kondensators sehr gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Niederschläge
bei kurzen Behandlungszeiten von ungefähr 15 Minuten mit Hochfrequenz-Spulenströmen von
15 bis 20 Ampere erzeugt werden. In beiden Fällen wurde im Entladungsgefäß ein Druck von 0,15 Torr
und eine Geschwindigkeit des Gasstromes von 12 ml/ Minute aufrechterhalten. Die Geschwindigkeit für das
Niederschlagen auf ein ebene. Trägermaterial war von der Größenordnung 0,4 [im/Stunde. Als maximale
Dicken der Schichten wurden etwa 0,6 um ge-'väh'.i. Das Verhältnis der Gasvolumina von Ammoniak
und SniziurnwäSäcrsioiT betrug annähernd ? : !.
Nach dem Herausnehmen der mit Siliziumnitrid beschichteten Anoden aus dem Entladungsgefäß wurden
diese nachformiert, dann mit einer Mangandioxidschicht und schließlich mit einer Grafit- und
Silberschicht in üblicher Weise versehen.
Es wurde festgestellt, daß die auf Grund der zusätzlichen dielektrischen Zwischenschicht aus Siliziumnitrid
bewirkte Kapazitätsänderung sehr klein ist. und zwar unter i Prozent liegt. Diese Kondensatoren
hatten dabei jedoch bei BetriebsgleichspLinnung
geringere Resisiröme als unbehandelte Kondensatoren.
Im folgenden sei ein Ausführungsbeispie! für die im vorsiehenden erwähnte Technologie gegeben:
Die Herstellung der Tantalanodcn erfolgt durch Pressen von 2,0 g Tantalpulver zu porösen Körpern,
die im Vakuum gesintert und dann durch elektrochemische Formierung in 0.02 Prozent Phosphorsäure
bei eir-.T Spannung von 240 Volt mit einer Tanialpentoxidschicht
versehen werden. Einige dieser Anoden wurden hinterher mit einer 0.6 ;.υη dicken
Si.jNj-Schicht gemäß oben beschriebener Methode
überzogen. Alle Anoden wurden dann nach bekannten Verfahrensschritten zur Herstellung von Tantalfestelektrolytkondensatoren
wciterbehandelt. Die hierbei erzielten Ergebnisse sind aus der folgenden
Tabelle ersichtlich:
Aufbau | Kapazität | Leistungs | Rest si rom |
in itF bei | faktor | in 11Λ bei | |
!20Hz | in 0Zo bei | 50 V | |
120Hz | |||
Mit Zwischen | 21,9 | 0,9 | 0,10 |
schicht aus | |||
Si11N, | |||
Ohne | 22,0 | 2,0 | 0.17 |
Zwischen | |||
schicht |
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Tantalelektrolytkondensator mit einer porösen Sinteranode.. auf der eine formierte dielektrische
Schicht/eine Zwischenschicht und eine halbleitende Mangandioxidschicht gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß nur die äußere Oberfläche der Sinteranode mit einer
Zwischenschicht aus Siliziumnitrid überzogen ist.
2. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Siliziumnitrid durch chemische Reaktion in der Gasphase gebildet und in einem Hochfrequenzfeld
auf dem formierten Sinterkörper abgeschieden wird.
3. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziumnitridschicht mit einer maximalen Schichtdicke von 2 μΐη hergestellt wird. *°
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB5934068 | 1968-12-13 | ||
GB59340/68A GB1165510A (en) | 1968-12-13 | 1968-12-13 | Solid Electrolytic Capacitors |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1962294A1 DE1962294A1 (de) | 1970-10-01 |
DE1962294B2 DE1962294B2 (de) | 1975-06-19 |
DE1962294C3 true DE1962294C3 (de) | 1976-01-29 |
Family
ID=
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