DE2425338A1 - Kondensator - Google Patents

Description

Poitontanweüte

Dr. Ing. H. Negendfink

Dipl. Inji. H. Hauck

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^ r: Jim burg 8Q
Neuer Wall 41

ACHESON INDUSTRIES, INC.

321 Michigan National Bank Building, Port Huron. Michigan 48O6o/USA

22ο Mai

Kondensator

Auszug

Eine Kondensatorkonstruktion, beispielsweise ein Tantalkondensator, kann längere Zeit bei hohen Temperaturen betrieben werden und besitzt erheblich verbesserte Lötbarkeits- und elektrische Eigenschaften.

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Kondensatoranordnung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen verbesserten Kondensator, beispielsweise eine Tantalkondensatorkonstruktion, bei der eine spezielle, thermisch stabile Überzugszusammensetzung bei der Kondensatorherstellung benutzt wird.

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Der Stand der Technik ergibt sich aus den folgenden Veröffentlichungen: US-PS 3 573 230, 2 983 624, 3 025 185, 2 968 649, 3 132 124 und 3 051 677 sowie DuPont Viton Bulletin No. 16 "Solution Coatings of Viton" von J. M. Bowman, DuPont's "The Engineering Properties of Viton Fluoroelastomer" und Acheson Industries, Inc. Datenblatt für "Electrodag 405". Auf das in diesen Veröffentlichungen Offenbarte wird hierdurch Bezug genommen.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen und verbesserten Kondensatorkonstruktion, welche als Teil ihrer Konstruktion ein spezielles, thermisch stabiles Oberzugsmaterial besitzt.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Tantalkondensators.

Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines vereinfachten Herstellungsverfahrens für Kondensatoren durch Vermeidung der üblichen Flußmittel während des Lötvorganges.

Andere Ziele, Eigenschaften und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung.

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Die Zeichnungsfigur stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kondensatorkonstruktion im Querschnitt dar.

In der Vergangenheit sind Tantalkondensatoren hergestellt worden, in denen eine mit Kunstharz gebundene Silberüberzugszusammensetzung verwendet wurde, die einen Acrylharzbinder enthielt. Solche bekannten Kondensatoren besitzen eine maximale Grenze der Betriebstemperatur für Langzeitbetrieb bei etwa 85° C. Oberhalb dieser Temperatur waren solche Kondensatoren nicht zuverlässig. Ein Zweck dieser Erfindung ist die Schaffung einer neuen Kondensatorkonstruktion, die bei hohen Temperaturen betrieben werden kann, d. h. beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 200 - 370° G, wie dies mit bekannten Kondensatoren im allgemeinen nicht möglich war. Die vorliegende Erfindung umfaßt wenigstens teilweise die Verwendung thermisch stabiler, Fluorelastomer enthaltender Überzugszusammensetzungen, die die Oberfläche, auf die sie bei der Herstellung der Kondensatoranordnung aufgebracht werden, typischerweise eine Grafitschicht, gut benetzen. Diese spezielle, vorliegend beschriebene Überzugszusammensetzung trocknet schnell, um einen Überzug auszubilden, der sich durch seine Fähigkeit auszeichnet, vom Lot benetzt zu werden, das zur Befestigung des Leiters der Kondensatorkonstruktion erforder-

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lieh ist. Er zeichnet sich ferner durch einen niedrigen Verlustfaktor bei Hochfrequenz, beispielsweise bei 1 Megahertz und durch seine thermische Stabilität während der Lebensdauer der verbesserten Kondensatorkonstruktion aus.

Die Zeichnung stellt eine bevorzugte erfindungsgemäße Kondensatorkonstruktion dar. Ein Kondensator 200 besitzt eine Anodenzuleitung 202, die elektrisch isoliert durch einen Deckel 204 geführt ist, so daß sie mit dem Inneren des Kondensators 200 in Verbindung steht. Die Anodenzuleitung 202 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer gesinterten Tantalpulveranode 206, die mit einem leitfähigen Überag 208, beispielsweise einem Überzug aus kolloidalem Grafit versehen ist.

Eine spezielle, stabile Dispersionsüberzugzusammensetzung 216 liegt über dem Überzug 208. Das Äußere des Kondensators 200 ist durch Lot mit dem Überzug 216 verbunden, das die Kathodenverbindung 218 darstellt, die durch den Becher 219 in der Kathodenzuleitung 220 endet. Der spezielle, thermisch stabile Dispersionsüberzug 216, der einen Teil der Konstruktion des Kondensators 200 bildet, verleiht dem Kondensator die sehr nützlichen und vorteilhaften elektrischen Eigenschaften.

Die Überzugs zusammensetzung (zur Bildung der Schicht 216) ent-

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hält einen Gesamtfeststoffanteil in dem großen Bereich zwischen etwa 5 und etwa 80 Gewi des Gesamtgewichtes der Überzugs zusammensetzung. Vorzugsweise wird der Feststoffanteil in dem Bereich zwischen etwa 45 und 70 Gewi gehalten.

Das in dem Überzug verwendete Fluorelastomermaterial sollte in dem weiten Bereich von etwa 3 bis etwa 20 Gewi des Feststoff anteils im Überzug vorliegen, vorzugsweise zwischen etwa 5 und etwa 10 Gewi. Dieses Fluorelastomermaterial dient speziell dazu, dem Überzug die große thermische Stabilität zu verleihen, d. h. Temperaturbeständigkeit bis etwa 200 bis 370° C. Das erfindungsgemäß verwendete Fluorelastomermaterial sollte ein solches sein, daß diese Hochtemperaturbeständigkeit liefert und gleichzeitig die Eigenschaft besitzt, als wirkungsvolles Bindermaterial für den Überzug zu dienen. Besonders geeignete Materialien, die hier als Fluorelastomer verwendet werden können, können beschrieben werden als Vinyl/Olefinfluorelastomerpolymere, Vinyl-Fluorcarbonelastomercopolymere, Vinyliden/Fluor-Olefinelastomerpolymere und C~-C, Olefin/Fluorcarbonelastomerpolymere und fluorisierte Acrylpolymere. Ein bevorzugtes Material ist Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen-Gopolymerfluorelastomer. Im Handel erhältliche, verwendbare Fluorelastomere sind "Viton A oder B" (Warenzeichen der Firma DuPont) und "Fluorel FC-2170 oder KF-2140" (Warenzeichen der Firma 3M Company). Weitere verwendbare Fluorelastomere sind

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in den US-PS 2 968 649, 3 051 677 und 3 172 124 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.

Die leitfähigen Teilchen bzw. das Pigment, das in dem Überzug 216 verwendet wird, sollte in dem großen Bereich zwischen etwa 80 und etwa 97 Gew% des Gesamtfeststoffs des Überzuges vorliegen, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 90 und 95 Gew%. Geeignete Pigmente zur Verwendung in dem Überzug sind verschiedene fein zerteilte Pigmente, wie beispielsweise Silberteilchen, Kupferteilchen, Edelmetalltexlchen und Verbindungen von diesen sowie silberüberzogene Teilchen. Bevorzugt werden Silberteilchen.

Das vorzugsweise verwendete Silberpigment hat eine Siebgröße von etwa 90 % durch 140 Maschen je cm (325 mesh); die Fülldichte liegt bei etwa 1 bis 2 g pro cm (Scott Volumenmeßgerät).

Der in dieser Überzugszusammensetzung erforderliche Prozentsatz leitfähiger Pigmentteilchen sollte oberhalb eines Minimalwertes liegen, wie oben allgemein beschrieben, um Überzüge zu erhalten, an denen Lot leicht haftet. Dies hängt in einem gewissen Maße von der Größe und Form der Silberteilchen und von dem besonderen, hier verwendeten Fluorelastomermaterial ab. Wenn der Anteil leitfähiger Teilchen, beispielsweise Silber-

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teilchen, oberhalb 97 % liegt, verliert der Überzug Zusammenhalt und Haftvermögen.

Das in dem Überzug verwendete Flußmittel kann in dem Bereich von null bis etwa 10 Gew% des Überzugfestkörpefs vorliegen. Vorzugsweise wird kein Flußmittel verwendet. Besonders als Flußmittel geeignete Materialien sind fein verteilte Materialien aus der Gruppe der Kieselerden und Silikate. Spezifische Materialien in diesem Falle sind "Cab-o-sil" und "Bentone".

Das zur Bildung von Lösungen oder Dispersionen des Überzuges verwendete Lösungsmittel kann in zufriedenstellender Weise irgendein Lösungsmittel oder eine Mischung aus solchen sein, beispielsweise Methylethylketon, Aceton, verschiedene andere Lösungsmittel vom Ketontyp, Ester, Dimethylformamid und verschiedene andere organische Lösungsmittel. Das Lösungsmittel bildet den Rest der Überzugszusammensetzung, wenn der Überzug formuliert ist als Lösung mit einem Gesamtfestkörperantexl zwischen 1 und 80 Gewi Festkörper, wobei das Lösungsmittel anschließend ausgetrieben oder verdampft wird und den aufgetragenen Überzug zurückläßt.

Die beschriebene Überzugszusammensetzung wird während der Her-

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stellung des Kondensators aufgebracht und liefert eine Oberfläche, an der eine elektrische Leitung leicht verlötet werden kann.

Das Widerstandsverhalten der Überzugszusammensetzungen, wie beispielsweise des Überzuges 216, werden dadurch ermittelt, daß getrocknete oder ausgehärtete Überzüge unter gleichmäßigen Bedingungen gebildet werden, wonach Messungen des elektrischen Widerstandes durchgeführt werden können. Vorteilhaft werden die Überzüge mit einer Mc sserauftragvorrichtung aufgebracht, die auf einer Glasplatte Schichten vorbestimmter Dicke bildet. Die folgenden Messungen wurden an einem trockenen Überzug gemacht, der zehn Minuten bei etwa 150 C ausgehärtet war.

Es wurde gefunden, daß die elektrischen Eigenschaften der beschriebenen Überzugszusammensetzungen diese hochgeeignet für den Gebrauch in den Kondensatorkonstruktionen machen.

Der elektrische Widerstand der folgenden Beispiele wurde mit einer speziellen Befestigung gemessen, die Werte in Ohm pro Quadrat (ohms per square) ergab. Die Widerstandsmessung wurde mit einem geeigneten Präzisionsmilliohmmeter durchgeführt. Diese Werte zeigen die relativen elektrischen Leitfähigkeiten dieser Materialien.

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Beispiel

Silberpigment Fluorelastomer (Viton B) Methylaethylketon

Widerstand Lötbarkeit

Gewi

90	,91
9	,09
62	,33

162,33

0,19 Ohm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

gut

Beispiel 2 Silberpigment Fluorelastomer (3M FC-2170) Methylaethylketon

Widerstand Lötbarkeit

93	,35
6	,65
66	,68

166,68

0,15 0hm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

hervorragend

Beispiel 3 Silberpulver Fluorelastomer (3M KF-2140) Methylaethylketon

Widerstand Lötbarkeit

93	,35
6	,65
66	,68

166,68

0,3 0hm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

gut

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Beispiel 4

Silberpulver Fluorelastomer (Viton B) Methylaethylketon

Widerstand Lötbarkeit

Gewi

95	,0
5	,0
35	,7

135,7

0,12 Ohm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

sehr gut

Beispiel 5 Silberpulver Fluorelastomer (Viton B) Me thy1aethyIketon

Widerstand Lötbarkeit

93	,35
6	,65
23	,34

123,34

0,152 0hm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

gut

Beispiel 6 Silberpulver Fluorelastomer (3M KF-2140) Methylaethylketon

Widerstand Lötbarkeit

90	,32
9	,68
77	,42

177,42

0,23 0hm pro Quadrat bei 0,0254 mm Dicke

hervorragend

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Alle obigen Überzugsbeispiele wurden auf eine Glasplatte mit einem 0,075 mm "Bird" Blatt aufgebracht und 15 Minuten bei 150° C ausgehärtet- Alle Ansätze wurden in geeigneten Kugel- oder Flintsteinmühlen hergestellt. Alle obigen Überzügen wurden in üblicher Weise an Tantalblöcken angebracht und dann auf den Verlustfaktor untersucht. Der Impedanzwert des Materials aus Beispiel 6, angebracht am Tantalblock, betrug 0,485 (bei Resonanzfrequenz des Tantalkondensators und Raumtemperatur).

Beispiel 7

Ein Tantalkondensator wird hergestellt, indem zunächst ein Tantaldraht genommen wird und auf diesem ein gesinterter Tantalklotz aufgebracht wird, der ein Ende des Tantaldrahtes einkapselt. Der Tantalsteigdraht wird dann zur Weiterverarbeitung mit einer Befestigxmgsstange verschweißt. Während des Sintervorganges unter oxidierenden Bedingungen bildet sich eine Tantaloxidschicht, die die Tantaloberfläche des Klotzes überzieht. Nachfolgend wird eine Mangandioxidschicht auf dem Klotz ausgebildet, indem der Klotz mehrmals in eine Mangannitratlösung getaucht wird und zur Ausbildung einer Oxidschicht pyrolysiert wird. Sodann wird ein Grafitüberzug durch Eintauchen in eine zehnprozentige wässrige Lösung von kolloidalem Grafit "Aquadag E" aufgebracht und sodann luftge-

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trocknet. Die spezielle, thermisch stabile Überzugszusammensetzung gemäß dem obigen Beispiel 1 wird als nächste Schicht durch ein- oder zweifaches Eintauchen in eine gemäß dem obigen Beispiel zusammengesetzte Oberzugsdispersion aufgebracht und sodann luftgetrocknet. Darauf wird durch Eintauchen in ein geschmolzenes Lotbad ein Lotüberzug aufgebracht. Zum Schluß wird ein "EinbecherungsVorgang" durchgeführt, beispielsweise wie aus der Figur ersichtlich, oder die endgültige Kondensatorkonstruktion kann "vergossen"werden durch Eintauchen des Kondensators in eine Epoxydvergußzusammensetzung, nachdem zunächst ein Zuführungsdraht mit dem Lot verbunden wurde.

Obwohl die beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung so ausgebildet ist, daß sie die oben angegebenen Ziele erfüllt, kann die Erfindung Änderungen und Abwandlungen unterworfen werden, ohne den Bereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.

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Claims (9)

1. Patentansprüche :

   f 1. /Kondensator zur Erzeugung einer elektrischen Kapazität auf Grund eines dielektrischen Anteils mit einer Anodenzuführung, einer Kathodenzuführung und wenigstens einer in der Konstruktion aufgebrachten Überzugszusammensetzung mit den folgenden Anteilen:

   etwa 5 bis 20 Gewi Fluorelastomer, um dem Oberzug eine thermisch!

   zu geben,

   thermische Stabilität bis zu Temperaturen von 200 bis 370° C

   etwa 80 bis 95 Gew% leitfähigen Pigmentes, um den Überzug leitfähig zu machen, und

   ö bis etwa 10 Gewi Flußmittel zur Erleichterung der Anbringung des Überzuges.
2. 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberzugszusammensetzung einen Betrieb bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 370° C ermöglicht.
3. 3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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   • der Kondensator ein Tantalkondensator ist.
4. 4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Pigment ein fein zerteiltes Material ist, das aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe ausgewählt ist., die aus Edelmetallen und deren Legierungen, Silber und Kupferteilchen besteht.
5. 5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorelastomer ein elastomeres Material ist, das aus wenigstens einem Bestandteil der Gruppe ausgewählt ist, zu der fluorinierte und fluor-chlorinierte Olefinpolymere gehören.
6. 6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel ein fein zerteiltes Material ist, das aus wenigstens einem Bestandteil der Gruppe ausgewählt ist, zu der die Kieselerden und Silikate gehören.
7. 7. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel in einem Anteil von etwa 0,05 bis etwa 10 Gewi des Gesamtfeststoffanteils vorliegt.
8. 8. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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   das Fluorelastomer in einem Anteil von etwa 5 bis 10 Gewi vorliegt,

   daß das leitfähige Pigment in einem Anteil von etwa 90 bis 95 Gew% vorliegt und

   daß das Flußmittel in einem Anteil von etwa 0,05 bis 2 Gew% vorliegt.
9. 9. Tantalkondensatorkonstruktion mit einem Überzug der folgenden Zusammensetzung:

   etwa 5 bis etwa 20 Gew* Fluorelastomer, um den Überzug temperaturbeständig bis etwa 200 bis 370° C zu machen,

   etwa 80 bis etwa 95 Gew% eines leitfähigen Pigmentes, um den Überzug leitfähig zu machen, und

   0 bis etwa 10 Gewi Flußmittel zur Erleichterung der Anbringung des Überzuges,

   wobei dieser Oberzug einen Betrieb im Temperaturbereich von 200 bis 370° C ermöglicht.

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