DE19846936C1 - Tantalum electrolytic condenser for use in SMD elements has the increase in residual current under undesirable conditions prevented by inclusion of filler particles in moisture protection layer - Google Patents
Tantalum electrolytic condenser for use in SMD elements has the increase in residual current under undesirable conditions prevented by inclusion of filler particles in moisture protection layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Tantal-Elektrolytkondensator, insbesondere in Chip-Bauweise als SMD-Bauelement, bestehend aus einem gesinterten Anodenkörper, einer dielektrisch wirk samen Oxidschicht, einem als Kathode dienenden halbleitenden Festelektrolyt, einer Kathodenkontaktierung, die aus einer Graphitschicht und einer metallhaltigen Leitlackschicht be steht, einem Kathoden- und einem Anodenanschluß sowie einer Kunststoffumhüllung, und der ferner eine Feuchteschutzschicht auf Silikon- und/oder Polymerbasis besitzt.The invention relates to a tantalum electrolytic capacitor, in particular in chip design as an SMD component from a sintered anode body, a dielectric effect seed oxide layer, a semi-conductive serving as cathode Solid electrolyte, a cathode contact, which consists of a Graphite layer and a metal-containing conductive lacquer layer be stands, a cathode and an anode connection and one Plastic coating, and also a moisture protection layer silicone and / or polymer based.
Derartige Tantal-Elektrolytkondensatoren sind beispielsweise aus JP 63-26 8241 A, in: Patent Abstracts of Japan, E-722, March 3, 1989, Vol. 13/No. 92 bzw. aus dem Siemens Matsushita Components Daten buch "Tantal-Elektrolytkondensatoren", Ausgabe 1994, Seiten 11 bis 26 bekannt.Such tantalum electrolytic capacitors are, for example from JP 63-26 8241 A, in: Patent Abstracts of Japan, E-722, March 3, 1989, Vol. 13 / No. 92 or from the Siemens Matsushita Components data book "Tantalum electrolytic capacitors", edition 1994, pages 11 to 26 known.
Der Tantal-Elektrolytkondensator besteht aus einem porösen Tantalkörper (Anode), der durch Pressen von Tantalpulver und anschließende Sinterung hergestellt wird. Anschließend wird die dielektrisch wirksame Oxidschicht durch eine anodische Oxidation hergestellt. Darauf werden die inneren und äußeren Oberflächen des porösen Anodenkörpers mit dem halbleitenden Festelektrolyt versehen, wozu der Anodenkörper in eine Mangan enthaltende Lösung getaucht wird, die durch einen Pyrolyse prozeß in Mangandioxid umgewandelt wird. Darauf werden die Graphitschicht und die Silber enthaltende Leitlackschicht aufgebracht.The tantalum electrolytic capacitor consists of a porous one Tantalum body (anode) made by pressing tantalum powder and subsequent sintering is produced. Then will the dielectric oxide layer by an anodic Oxidation produced. Then the inner and outer Surfaces of the porous anode body with the semiconducting Solid electrolyte provided, for which the anode body in a manganese containing solution is dipped by pyrolysis process is converted into manganese dioxide. Then the Graphite layer and the conductive lacquer layer containing silver upset.
Es ist erstrebenswert, die inneren und äußeren Oberflächen
des porösen Anodenkörpers möglichst vollständig mit Mangandi
oxid zu bedecken. Wegen der Mikrostruktur des Anodenkörpers
ist eine vollständige Bedeckung allerdings nicht erreichbar,
sondern es lassen sich im allgemeinen nur 96% bis 98% der
Oberflächen mit einer Mangandioxidschicht versehen. Dies be
deutet, daß ein Teil der Kondensatoroberfläche keine Katho
denkontaktierung besitzt. Obgleich die Kapazität des Konden
sators dadurch ein wenig reduziert ist, gibt es keine Einwir
kung auf das Reststromverhalten des Kondensators. Wenn näm
lich zum Beispiel durch mechanische Einwirkungen ein Fehler
in der nicht mit einer Mangandioxidschicht bedeckten dielek
trischen Schicht auftreten sollte, besteht keine Gefahr, da
das Tantal unter Einfluß von Feuchtigkeit im elektrischen
Feld nach der folgenden Reaktion
It is desirable to cover the inner and outer surfaces of the porous anode body as completely as possible with manganese dioxide. Due to the microstructure of the anode body, however, complete coverage cannot be achieved, but generally only 96% to 98% of the surfaces can be provided with a manganese dioxide layer. This means that part of the capacitor surface has no cathode contact. Although the capacitance of the capacitor is somewhat reduced, there is no effect on the residual current behavior of the capacitor. If, for example, a defect should occur in the dielectric layer not covered with a manganese dioxide layer, for example due to mechanical influences, there is no danger since the tantalum under the influence of moisture in the electric field after the following reaction
2Ta + 5H2O ↔ Ta2O5 + 5H2
2Ta + 5H 2 O ↔ Ta 2 O 5 + 5H 2
die dielektrische Schicht aus Tantalpentoxid "nachformiert"."reformed" the dielectric layer from tantalum pentoxide.
Da die metallhaltige Leitlackschicht Silber enthält, entsteht
allerdings ein Problem, wenn es unter dem Einfluß von Tempe
ratur, Feuchtigkeit und Spannung zu einer Bildung von
Silberionen kommt und Silberionen und Wassermoleküle gleich
zeitig auf die nicht mit Mangandioxid beschichtete dielektri
sche Schicht einwirken. In einem elektrischen Feld findet
eine Migration von Silberionen durch die Graphitschicht hin
durch statt und diese Silberionen bilden in einer feuchten
Umgebung Silberoxid nach folgender Reaktion
Since the metal-containing conductive lacquer layer contains silver, a problem arises, however, when there is formation of silver ions under the influence of temperature, moisture and voltage and silver ions and water molecules act simultaneously on the dielectric layer not coated with manganese dioxide. In an electrical field, silver ions migrate through the graphite layer and these silver ions form silver oxide in a moist environment after the following reaction
Ag+ + H2O ↔ AgO + 2H+ + 2e-.
Ag + + H 2 O ↔ AgO + 2H + + 2e - .
Wenn diese Reaktion stattgefunden hat, ist der vorstehend ge schilderte Nachformierungsprozeß nicht mehr möglich. Der spe zifische Widerstand ρ von AgO beträgt 1,43 . 10-3 Ωcm und ist im Vergleich zu demjenigen von amorphem Tantalpentoxid sehr niedrig, so daß hohe Restströme relativ schnell auftreten. Die Restströme werden durch den Anteil an Silberionen, dem anliegenden elektrischen Feld und dem Grad des Fehlers in der Kathodenschicht beeinflußt, wobei auch Kurzschlüsse vorkommen können. Bei Feuchtetests unter verschärften Bedingungen, wie zum Beispiel dem "Pressure Cooker Test" mit 121°C, 2 bar und 100% relativer Feuchte kann es zu starken Erhöhungen des Reststroms kommen.If this reaction has taken place, the post-forming process described above is no longer possible. The specific resistance ρ of AgO is 1.43. 10 -3 Ωcm and is very low compared to that of amorphous tantalum pentoxide, so that high residual currents occur relatively quickly. The residual currents are influenced by the proportion of silver ions, the applied electric field and the degree of error in the cathode layer, whereby short circuits can also occur. Moisture tests under more stringent conditions, such as the "Pressure Cooker Test" with 121 ° C, 2 bar and 100% relative humidity, can lead to large increases in the residual current.
Um den Feuchteeinfluß zu minimieren werden deshalb bei den obengenannten Kondensatoren Feuchteschutzschichten auf Sili kon- oder Polymerbasis unter oder auf der Leitlackschicht an geordnet. Dies hat zur Folge, daß in erster Linie ein verzö gertes Eindringen von Feuchtigkeit erfolgt. Die eigentliche Ursache für das Ansteigen des Reststroms, nämlich die Migra tion der Silberionen wird hierdurch nur ungenügend beein flußt.In order to minimize the influence of moisture, the above capacitors moisture protection layers on sili con or polymer base under or on the conductive lacquer layer orderly. This has the consequence that primarily a delay moisture penetration. The real one Cause for the increase in the residual current, namely the Migra tion of the silver ions is only insufficiently affected by this flows.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den eingangs ge nannten Tantal-Elektrolytkondensator derart zu verbessern, daß die Migration von Silberionen verhindert und damit ein Anstieg des Reststroms unter ungünstigen Umweltbedingungen verhindert wird.The object of the present invention is to begin with called tantalum electrolytic capacitor to improve such that prevents the migration of silver ions and thus a Rise in residual current under unfavorable environmental conditions is prevented.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Feuchteschutzschicht zusätzlich Füllstoffpartikel enthält.This object is achieved in that the Moisture protection layer additionally contains filler particles.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert. In der dazugehörenden Zeichnung mit einer einzigen Figur ist als Schnittbild schematisch ein Tan tal-Elektrolytkondensator dargestellt. Dieser besteht aus ei nem gesinterten, porösen Anodenkörper 3 aus Tantal auf dem die durch einen Formierprozeß hergestellte dielektrisch wirk same Oxidschicht 8 aus Tantalpentoxid angeordnet ist. Als Ka thode dient die halbleitende Festelektrolytschicht 7 auf der eine Graphitschicht 6 aufgebracht ist. Zwischen der Graphit schicht 6 und der Silberleitlackschicht 4 ist eine Feuchte schutzschicht 5 angeordnet. Zur Kontaktierung des Kathodenan schlußdrahtes 1, der beispielsweise verzinnt oder vergoldet sein kann, dient ein Silberkleber 2.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the accompanying drawing with a single figure, a Tan tal electrolytic capacitor is shown schematically as a sectional view. This consists of egg nem sintered, porous anode body 3 made of tantalum on which the dielectrically effective oxide layer 8 made of tantalum pentoxide, which is produced by a forming process, is arranged. The semiconducting solid electrolyte layer 7 on which a graphite layer 6 is applied serves as the method. A moisture protection layer 5 is arranged between the graphite layer 6 and the silver conductive layer 4 . For contacting the Kathodenan circuit wire 1, for example, tin-plated or may be gold-plated, silver glue serves a second
Als Anodenanschlußdraht 10 dient ein in den Anodenkörper 3 eingesinterter Tantaldraht an den außen ein Blech aus einer NiFe-Legierung angeschweißt ist. An der Eintrittsstelle des Anodenanschlußdrahtes 10 in den Anodenkörper 3 ist eine Scheibe aus Polytetrafluorethylen angeordnet.As the anode lead wire 10 is a eingesinterter in the anode body 3 tantalum wire is used to the outside, a sheet metal is welded from an NiFe alloy. A disk made of polytetrafluoroethylene is arranged at the point of entry of the anode connecting wire 10 into the anode body 3 .
Der gesamte Kondensatorkörper ist von einer umpreßten oder umspritzten Kunststoffumhüllung 11 umgeben. The entire capacitor body is surrounded by a molded or overmolded plastic sheath 11 .
Die Feuchteschutzschicht 5 besteht aus Silikonharz, dem Silikonöl zum Einstellen der Viskosität zugesetzt ist und/oder einem organisch modifizierten Polymer mit Butylacetat als Lösungsmittel. Dieses Basismaterial enthält ein Additiv aus leitfähigen Partikeln wie beispielsweise Graphitpulver oder "Acetylen Black" Pulver (Ruß), wobei dieses Pulver durch Verbrennung von Acetylen erhalten wird. Das Basismaterial besitzt einen Anteil von ≦ 40 Gew.-%, vorzugsweise ca. 10 Gew.-%, Harz und einen Anteil von ≧ 60 Gew.-%, vorzugsweise ca. 90 Gew.-%, Verdünnungsmittel (Silikonöl und/oder Butylacetat). Als Additiv werden ≦ 40 Gew.-% (vom Gesamtansatz), vorzugsweise ca. 15 Gew.-% Graphitpulver beziehungsweise ca. 10 Gew.-% "Acetylen Black", eingesetzt.The moisture protection layer 5 consists of silicone resin, the silicone oil is added to adjust the viscosity and / or an organically modified polymer with butyl acetate as a solvent. This base material contains an additive made of conductive particles such as graphite powder or "acetylene black" powder (carbon black), this powder being obtained by burning acetylene. The base material has a proportion of ≦ 40% by weight, preferably approximately 10% by weight, resin and a proportion of ≧ 60% by weight, preferably approximately 90% by weight, of diluent (silicone oil and / or butyl acetate) ). ≦ 40% by weight (of the total batch), preferably approximately 15% by weight of graphite powder or approximately 10% by weight of "acetylene black" are used as additives.
Die Feuchteschutzschicht 5 wird auf die Graphitschicht 6 auf gebracht, indem die Körper in die Lösung eingetaucht werden, was beispielsweise 30 bis 60 Sekunden erfordert. Abhängig von Einwirkungsdauer und Viskosität ergeben sich Feuchteschutz schichten 5, die einige µm dick sind. Nachdem die Feuchte schutzschicht 5 aufgebracht ist, erfolgt die Aushärtung bei ca. 170°C während einer Zeitdauer von etwa einer Stunde.The moisture protection layer 5 is applied to the graphite layer 6 by immersing the body in the solution, which requires, for example, 30 to 60 seconds. Depending on the duration of exposure and viscosity, there are moisture protection layers 5 that are a few µm thick. After the moisture protection layer 5 is applied, curing takes place at about 170 ° C for a period of about one hour.
Zum Vergleich wurden jeweils 30 Tantal-Elektrolytkondensato ren der Nenndaten 15 µF/35 V mit Feuchteschutzschichten ver sehen, bei denen bei der ersten Gruppe (I) keine Additive und bei der zweiten Gruppe (II) erfindungsgemäß leitfähige Parti kel im Basismaterial enthalten waren. In der folgenden Ta belle 1 ist der Reststrom Ris in µA (Nullmessung) für die je weiligen Gruppen angegeben (gemessen bei 20°C und 35 V). An geführt dabei sind die jeweiligen Stückzahlen in den unter schiedlichen Reststrombereichen. For comparison, 30 tantalum electrolytic capacitors of the nominal data 15 .mu.F / 35 V were provided with moisture protection layers, in which no additives were present in the first group (I) and, according to the invention, conductive particles were contained in the base material in the second group (II). The following table 1 shows the residual current R is in µA (zero measurement) for the respective groups (measured at 20 ° C and 35 V). The respective quantities in different residual current ranges are listed.
Der Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß die beiden Gruppen kein unterschiedliches Reststromverhalten aufweisen. Unter den an gegebenen Bedingungen sind die Restströme Ris weit unter dem im Datenbuch angegeben Grenzwert von 5,3 µA. Kapazität und Verlustfaktor werden ebenfalls durch die angeführten Feuchte schutzschichten nicht verändert.Table 1 shows that the two groups have no different residual current behavior. Under the given conditions, the residual currents R is far below the limit value of 5.3 µA specified in the data book. Capacity and loss factor are also not changed by the moisture protection layers mentioned.
In der folgenden Tabelle 2 sind die Meßwerte für die beiden Kondensatorgruppen für den Reststrom Ris bei angelegter Nenn spannung von 35 V bei einer Umgebungstemperatur von 85°C und 85% relativer Luftfeuchte nach einer Zeitdauer von 1000 h an geführt.In the following Table 2 the measured values for the two capacitor groups for the residual current R is with a nominal voltage of 35 V applied at an ambient temperature of 85 ° C and 85% relative humidity after a period of 1000 h.
Wie der Tabelle 2 zu entnehmen ist, ist bei beiden Gruppen im Vergleich zur in Tabelle 1 wiedergegebenen Nullmessung der Reststrom angestiegen. Während jedoch bei 20% der Vergleichs kondensatoren die Restströme Ris über dem im Datenbuch ange führten Grenzwert (Lclim.) von 5,3 µA lagen, befanden sich die Restströme Ris sämtlicher Kondensatoren mit der erfindungsge mäß hergestellten Feuchteschutzschicht unterhalb dieses Grenzwerts. As can be seen in Table 2, the residual current increased in both groups compared to the zero measurement shown in Table 1. However, while in 20% of the comparison capacitors the residual currents R is above the limit value (Lc lim. ) Stated in the data book of 5.3 μA, the residual currents R is of all capacitors with the moisture protection layer produced in accordance with the invention were below this limit value.
Weiterhin wurden die beiden Kondensatorgruppen dem oben er wähnten "Pressure Cooker Test" mit 121°C, 2 bar, 100% rela tiver Feuchte unterzogen. Die Ergebnisse nach einer Zeitdauer von 60 h sind in der folgenden Tabelle 3 wiedergegeben.Furthermore, the two capacitor groups were the one above mentioned "Pressure Cooker Test" with 121 ° C, 2 bar, 100% rela subjected to more moisture. The results after a period of time of 60 h are shown in Table 3 below.
Auch bei diesem unter erschwerten Umweltbedingungen durchge führten Test ergab sich, daß sämtliche Kondensatoren mit der erfindungsgemäß hergestellten Feuchteschutzschicht Reststrom werte Ris unterhalb des Grenzwertes aufwiesen, während bei mehr als 50% der Vergleichskondensatoren dieser Grenzwert überschritten war.Also in this under difficult environmental conditions The test showed that all capacitors with the Residual current moisture protection layer produced according to the invention values had Ris below the limit, while at more than 50% of the comparative capacitors this limit was exceeded.
Die günstige Auswirkung der erfindungsgemäßen Feuchteschutz schichten wird darauf zurückgeführt, daß neben dem verzöger ten Eindringen von Feuchte (hydrophobe Eigenschaft des Basis materials) die Füllstoffpartikel als Diffusionsbarriere für die Migration der Silberionen zum Dielektrikum dienen.The beneficial effect of moisture protection according to the invention strata is attributed to the fact that in addition to the delay penetration of moisture (hydrophobic property of the base materials) the filler particles as a diffusion barrier for serve the migration of silver ions to the dielectric.
Da auch das Verhalten der Impedanz Z von Interesse ist, wurde bei beiden Gruppen das Impedanzverhalten untersucht. Die Nullmessung bei 100 kHz ergab für die Vergleichskondensatoren einen Mittelwert der Impedanz von 460 mΩ, während der Mit telwert für die Kondensatoren mit der erfindungsgemäßen Feuchteschutzschicht 550 mΩ betrug. Beide Werte sind unter halb des im Datenbuch angeführten Grenzwertes von 800 mΩ. Nach 1000 h bei 85°C, 35 V und 85% relativer Luftfeuchtig keit wurde die Änderung der Impedanz ΔZ = Z0/Z1000 bestimmt. Hierbei ergab sich, daß die Impedanz Z bei den Kondensatoren mit der Feuchteschutzschicht gemäß der Erfindung im wesentli chen unverändert war (ΔZ = 0%), während die Impedanz Z bei den Vergleichskondensatoren im Mittel um 20% höher lag als bei der Nullmessung (ΔZ = 20%). Auch hierin ist der stabili sierende Faktor der erfindungsgemäßen Feuchteschutzschicht zu erkennen.Since the behavior of the impedance Z is also of interest, the impedance behavior was investigated in both groups. The zero measurement at 100 kHz gave an average value of the impedance of 460 mΩ for the comparison capacitors, while the mean value for the capacitors with the moisture protection layer according to the invention was 550 mΩ. Both values are below half the limit of 800 mΩ specified in the data book. After 1000 h at 85 ° C, 35 V and 85% relative humidity, the change in impedance ΔZ = Z 0 / Z 1000 was determined. It was found that the impedance Z in the capacitors with the moisture protection layer according to the invention was essentially unchanged (ΔZ = 0%), while the impedance Z in the comparison capacitors was on average 20% higher than in the zero measurement (ΔZ = 20%). The stabilizing factor of the moisture protection layer according to the invention can also be seen here.
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