DE2507909A1

DE2507909A1 - Metall-glas-keramik-dichtung

Info

Publication number: DE2507909A1
Application number: DE19752507909
Authority: DE
Inventors: John Lambermont; Lyle Edward Shoot
Original assignee: ERO TANTAL KONDENSATOREN GmbH
Current assignee: ERO TANTAL KONDENSATOREN GmbH
Priority date: 1974-02-27
Filing date: 1975-02-24
Publication date: 1975-08-28
Also published as: BR7500996A; CA1066509A; GB1494027A; FR2262241A1; JPS50121768A; US3906311A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. aWkickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXV

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

ERO TANTAL Kondensatoren
Gesellschaft mit beschränkter Haftung 8300 Landshut, Ludmillastraße 23/25

Metall-Glae-Keraraik-Dichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Metall-Glas-Keramik-Dichtungen, die in elektrischen Bauteilen wie Kondensatoren mit flüssigen oder halbflüssigen Elektrolyten eingesetzt werden können.

Typische Metall-Glas-Keramik-Dichtungen sind in der US-Patentschrift 3 630 076 offenbart. Die dort beschriebenen Dichtungen sorgen bei einem elektrischen Bauteil für einen hermetischen Verschluß, der auch gegenüber vielen Arten von ätzenden Flüssigkeiten resistent ist. Diese Dichtungen sind durch ein Glasteil charakterisiert, das die Achse eines langgestreckten Metallteils umgibt. Das Glasteil ist seinerseits von einem

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Ker^nikring umfaßt und mit diesem Ring verbunden. Die Deckfläche des Kerarüikrings kann teilweise metallisiert sein, damit die Dichtung an dem Metallgehäuse des zu verschliessenden Bauteils beispielsweise durch Schweißen, '/eich- oder Hartlöten einfacher angebracht werden kann.

Das langgestreckte Metallteil wird im allgemeinen als Steigleiter bezeichnet, es stellt einen nach außen gezogenen elektrischen Anschluß für die im Bauteilinneren befindlichen elektrischen Elemente dar. Der Steigleiter kann aus irgendeinem Metall gefertigt werden, besteht Jedoch typischerweise aus einem einen dielektrischen Oxydfilm bildenden Metall wie Tantal, Niob, Aluminium, Titan oder Zirkon.

Die in einer derartigen Dichtung verwendeten Materialien sind so ausgewählt, daß ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten einander näherungsweise entsprechen. Eine solche ungefähre Anpassung gibt dem Bauteil die Möglichkeit, über einen weiten Temperaturbereich ohne schädliche Auswirkungen auf die Dichtung zu arbeiten.

Die Dichtung selbst ist korrosionsbeständig, wenn sie in ein elektrisches Bauteil mit einem Elektrolyten,wie beispielsweise Säure, eingesetzt wird, da die mit dem Elektrolyten oder seinen Dämpfen in Berührung kommenden Dichtungsteile das Keramikteil, das Glasteil und das Metallteil - im wesentlich korrosionsresistent sind.

Bei Verwendung des geschilderten Dichtungstyps in einem elektrischen Bauteil wird in vielen Fällen eine Kante des Bauteilgehäuses über eine Kante der Dichtung gekrümmt. Eine solche Krümmung liefert eine geeignete Befestigungsfläche für das Gehäuse und die Dichtung und erzeugt außerdem Druckkräfte, die die elektrischen Elemente im Gehäuseinneren in

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einer fixierten und stabilen Lage halten. Im Falle eines Kondensators mit poröser Tantal-Anode hilft die Kantenkrünuiung, die Anode in einer solchen Position zu halten, in der sie durch Jchwingungen nicht beschädigt werden kann.

La bereitet .Schwierigkeiten, die Gehäusekante gerade so stark umzubiegen, daß die dabei entstehenden Druckkräfte geraJe ausreichen, die elektrischen !Elemente sicher vor schwingungen zu schützen. Aus diesem Grund muß bei vielen Lrümmvorgänken ein Übermaß an Druckkräften aufgebracht werden, um sicher zu gehen, daß die elektrischen Elemente im Gehäuse einen festen Halt finden. Diesen auf die Dichtungskante ausgeübten überstarken Kompressionskräften wirkt der Steigleiter entgegen, da dieses Teil mit den vom Gehäuse elektrisch isolierten elektrischen Komponenten in Verbindung steht. Eine derartige Gegenkraft dee Metall-Steigleitere zu den Druckkräften erzeugt arischen der Dichtungskante und dem LichtungsZentrum ein Biegemoment. Dieses Biegemoment ruft schädliche .Spannungen in der Dichtung hervor und setzt vor allem das Glasteil und die Glasbindungen Scherkräften aus, da Glas nicht die mechanische otärke des Keramikteils oder des metallischen oteigleiters aufweist. Diese schädlichen Dichtungsspannungen können zu einem Bruch in einem Teil der Dichtung führen, mit der Folge, daß die Dichtung nicht mehr hermetisch abschließt und unter Umständen den Elektrolyten austreten und schädliche Verunreinigungen eindringen läßt. Bei 3eder dieser Folgen wird die elektrische Leistungsfähigkeit des Bauteils beeinträchtigt.

Da der metallische Steigleiter ausschließlich vom Glasteil der .Dichtung gehaltert wird, kann Jegliche Verbiegung des äußeren -teigleiterteils während des Zusammenbaus des elektrischen Bauteils oder während der Verbindung des Bauteils mit einem elektrischen schaltkreis nachteilige Spannungen

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im Glasteil erzeugt, da dieses Teil in innigem Kontakt mit dem Steigleiter steht und jegliche Biegebewegung des Steigleiters gegen den Widerstand des Glasteils erfolgt. Wiederum kann es zum Bruch des Glasteils kommen, mit dem Ergebnis, daß die Dichtung nicht mehr vollständig abdichtet und der Elektrolyt austreten kann.

Normalerweise wird das Keramikteil der Dichtung metallisiert, nachdem es gehärtet oder gebrannt ist. Die Metallisierungsschicht wird gewöhnlich als eine Paste oder als ein Tauchüberzug aufgetragen und dann zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Schicht und dem Keramikteil erhitzt.

Zur Metallisierung eines Abschnitts des Keramikteils werden normalerweise Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin verwendet, da diese Metalle gegenüber üblichen Kondensator-Elektrolyten korrosionsresistent sind und eine Oberfläche aufweisen, mit der die Dichtung mit dem Gehäuse durch Techniken, wie beispielsweise Schweißen, Weich- oder Hartlöten, in eine feste Verbindung gebracht werden kann. In den meisten Fällen ist es jedoch erforderlich, zum Edelmetall ein Bindemittel, wie beispielsweise Kieselerde-Glas, hinzuzunehmen, um eine gute Verbindung zwischen der Metallisierungsschicht und dem Keramikteil sicherzustellen. Obwohl die zwischen der Metallschicht und dem Keramikteil entstehende Verbindung eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, kann diese Bindung von üblicherweise in elektrischen Bauteilen verwendeten Elektrolyten angegriffen werden. Daher wirkt sich jeglicher Kontakt mit derartigen Elektrolyten schädlich auf die Bindung zwischen der Metallschicht und dem Keramikteil aus und kann dazu führen, daß der Elektrolyt austritt und die Dichtung ihre hohe Abdichtfähigkeit verliert.

Verbindet man die Metallisierungsschicht mit der gekrümmten

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üehäuaekante mit Techniken, wie beispielsweise Schweißen, Vieich- oder Hartlöten, so kann die aus einem Edelmetall bestehende I'ietallisierungsschicht leicht durch das Verbindungsmaterial ausgelaugt werden. 3o besteht die Möglichkeit, daß daa Verbindun&smaterial das Edelmetall zu einem erheblichen Teil auslaugt und im Ergebnis die Stärke der zwischen der Metallisierungsschicht und dem Verbindungsmaterial bestehenden Bindung schwächt. Da sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbindungsmaterials und de.tr Metallisierungsschicht gewöhnlich beträchtlich unterscheiden, ist ea unbedingt erforderlich, daß zv/ischen beiden Partnern eine starke Bindung besteht, um zu gewährleisten, daß die Bauteildichtung auch unter verschiedenen thermischen Belastungen (Temperaturzyklen) hermetisch dicht bleibt.

Kin anderer größerer Nachteil des geschilderten Metallisierungsverfahrens besteht darin, daß die verwendeten Edelmetalle teuer sind. Bei den außerordentlich hohen Preisen für Gold, Silber und Platin können sich die Gesamtkosten der Dichtung selbst bei Verwendung von nur geringen Edelmetallmengen pro Dichtung beträchtlich erhöhen·

Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die Metallisierung nach dem Brennen der Keramik erfolgt, weil die erforderliche Brenntemperatur weit oberhalb des Schmelzpunktes von Edelmetallen liegt. Somit sind, verglichen mit einer Durchführung beider Prozesse zur gleichen Zeit, zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich und größere Wärmemengen aufzubringen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der geschilderten Mängel, insbesondere die Schaffung einer Metall-Glas -Keramik-Dichtung, deren Metallisierung mit einer geringeren Edelmetallmenge auskommt und die einschließlich ihrer Iletallisierungsschicht gegenüber den meisten üblichen Elektro-

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lyten für elektrische Bauteile im wesentlichen chemisch resistent ist. Jie lnetallisierungsschicht soll dabei durch das Verbindungsmate^ial nicht nennenswert ausgelaugt und in gleichen Arbeitsgang mit dem Brennen des Keramikteils aufmetalliaiert werden können und zudem eine feste Bindung mit der Keramik herstellen. Ferner soll die dichtung so ausgebildet sein» daß Druckkräfte oder auf den langgestreckten Abschnitt des metallischen Stegleiters ausgeübte Biegekräfte zu geringeren spannungen im Glasteil führen, Schließlich sollen Steigleiter und Keramikteil strukturell derart zusammenwirken, daß sie mithelfen, eine Ablösung des metallischen bteigleiters von der Dichtung aufgrund von äußeren (Zug-)Kräften zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Dichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Metallteil einen langgestreckten Abschnitt und einen verbreiterten Abschnitt (Teller) enthält, daß das Keramikteil mit einer Durchbrechung versehen ist, die längs einer Achse mindestens zwei Abschnitte mit verschieden großen Querschnitten (erster Querschnitt, zweiter Querschnitt) aufweist, daß der erste Querschnitt größer als der Teller des taetallteils ist und der zweite Querschnitt kleiner als der Teller, aber größer als der langgestreckte Abschnitt des Metallteils ist, daß sich der Metallteil-Teller in dem Durchbrechungsabschnitt mit dem größeren Querschnitt und sich der langgestreckte Abschnitt des Metallteile in dem Durchbrechungsabschnitt mit kleinerem Querschnitt befinden und daß das Glasteil den Raum zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil zumindest am Ort des Metallteil-Tellers ausfüllt und die Abdichtung herstellt.

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Um die Befestigung der hier vorgeschlagenen Dichtung an ein Gehäuse zu erleichtern, empfiehlt es sich, die Dichtung mit einem hochschraelzenden (refractory) Metall teilweise zu metallisieren. Bei dieser Metallisierungsschicht sollte dabei über eine Lage aus hochschmelzendem Metall noch eine zusätzliche Lage aus Edelmetall gebracht und mit der bereits metallisierten unteren Lage verfestigt werden. Eine derart gestaltete Dichtung, die im Prinzip dadurch entsteht, daß ein Abschnitt eines Keramikteils einen verbreiterten Abschnitt eines langgestreckten Steigleiters teilweise umgibt und beide Teile über ein Glas-(Zwischen-)teil zusammenwirken, schließt nicht nur hermetisch dicht ab, sondern kann ggf. auch bequem an ein Gehäuse angebracht werden.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den UnteransprUchen angegeben.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung alt weiteren Merkmalen und Einzelheiten näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Metall-Glas-Keramik-Dichtung in einem Seitenschnitt,

Fig. 2 in der gleichen Darstellungeweise wie Fig. 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichtung und

Fig. 3 einen Elektrolytkondensator mit poröser Anode, der eine Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, ebenfalls im Seitenschnitt.

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Fig. 1 ceigt in «in·» Seitensehnitt «in· Dichtung 10 alt einem metallischen Steigleiter 12, «in«» üla»teil 13 und einem Keramiktoil 14. Ώφτ Steigleiter 12 besteht «us eine« langgestreckten Abschnitt 16 und einem verbreiterten Ab-•ohnitt (Teller) 15» der den langgestreckten Abschnitt in Fora eine» Ringt· umgibt. Selbstverständlich kann der verbreiterte Abschnitt 15 auch «in ander·« Aussehen haben» beispielsweise qu»drstisch, rechteckig, elliptisch oder ähnlich geformt sein; die Ringform ist Jedoch bevorzugt. Der Teller 15 und ein Teil des langgestreckten Abschnitte 16 werden von des Olaateil 13 umgeben. Dieses Glasteil stellt einen elektrischen Isolator dar und ist gegen die korrodierende Wirkung amr «eisten Elektrolyten, die üblicherweise in elektrischen Bauteilen verwendet werden, resistent. Das Keramikteil 14 hat Im allgemeinen ebenfalls die Fom eines Ringes und umgibt das Giss teil 13 sowie einen Teil des langgestreckten Abschnitts 16 des oteigleiters 12, Die Durchbrechung (Öffnung) im Keramikteil 14 weist zwei verschiedene Querschnitte (Durchmesser) auf} der größere Durchmesser 1st so groß, dad er den Teller 15 des Steigleiter» aufnehmen kann, der kleinere Durchmesser ist so groß, daß er den langgestreckten Teil 16, nicht Jedoch den Teller des Steigleiters aufnehmen kann. Das Keramikteil 14 ist mit dem Glasteil 13 verbunden·

Eine solche Anordnung der Dichtungsbestandteile, wie sie in Fig· 1 dargestellt 1st, trügt dasu bei, daß die Dichtung unbeschädigt bleibt» wenn am Äußersten Ende des Steigleiters 12 Biegekräfte angreifen. Diese Festigkeit rührt daher, daf der Steigleiter mit Hilfe der größeren mechanischen Stärke des Keramikteils 14 in seiner richtigen Lage gehalten wird. Steigleiterbiegungen innerhalb des Dichtungsraumes werden durch die inneren Wandungen des Keramikteila abgefangen, so daß die Spannungen im Glaeteil 13 auf ein Mini· mum gesenkt werden·

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Der Teller 15 des Steigleiters 12 trägt dazu bei, daß der Steigleiter nicht durch eine äußere Zugkraft aus der Dichtung 10 herausgezogen werden kann. Der Teller 15 dient ebenfalls als Stutze für das Keramikteil 14, wenn dieses von oben kommenden Kräften ausgesetzt wird. Derartige Druckkräfte auf das Keramikteil 14 werden auf den Teller 15 des οteigleiters 12 und dann auf den Steigleiter selbst geleitet und üben keine Scherkräfte auf die Metall-Glas- oder Glas-Keramik- Verbindungen aus, wie dies in einer herkömmlichen Metall-Glas-Keramik-Dichtung der Fall sein würde.

Der Steigleiter 12 kann aus irgendeinem Metall gefertigt sein, in vielen Anwendungsfällen werden aber Metalle bevorzugt, die einen dielektrischen Oxydfilm bilden, beispielsweise Tantal, Niob, Titan, Aluminium oder Zirkon. Man kann den Steigleiter aus zwei verschiedenen Stücken herstellen, indem man beispielsweise einen Draht und einen Ring zusammensetzt, oder ihn durch eine geeignete Stauchung eines Metalldrahts formen.

Bei eines Stauchprozeß klemmt man einen Metalldraht an seinen beiden äußersten Enden fest ein und übt eine Kompression«· kraft in Richtung der Draht-Längsachse aus, Die Anordnung ist so getroffen, daß sich die beiden Drahtenden dabei etwas aufeinander zu bewegen können, so daß sich ein verbreiterter Drahtabschnitt ausformt. Das Stauchen wird bevorzugt, da es leichter durchgeführt werden kann als die Herstellung und anschließende Zusammensetzung zweier getrennter Metallstücke.

Das Glasteil 13 kann aus jedem Glasmaterial bestehen, das von der Säure oder dem Salz des Bauteils, in dem die Dichtung eingebaut ist, praktisch nicht angegriffen wird. Das Glasteil 13 sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der dem des Steigleiter-Metalls ungefähr entspricht,

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damit alle Beeinträchtigungen aufgrund ungleicher Schrumpfung oder Ausdehnung während einen Temperaturzyklus möglichst gering gehalten werden. Für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glasmaterials kann man einen Wert wählen, der dem des Steigleiter-Metalls angenähert entspricht oder aber etwas geringer ist; im letzteren Fall entsteht eine Dichtung nach Art einer Kompressionsdichtung.

Ein geeignetes Glasmaterial für das erfindungsgemäß vorgesehene Glasteil 13 kann folgende Bestandteile enthalten: einen überwiegenden Anteil an Silizlumoxyd, geringere Anteile an Natriumoxyd und Kaliumoxyd und zu noch geringeren Anteilen weitere Oxyde, die eines oder mehrere der Oxyde Chromoxyd, Manganoxyd, Kobaltoxyd, Bleioxyd, Kalziumoxyd oder Silberoxyd sein können. Selbstverständlich können auch viele andere Glasmaterialien im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die entweder einige oder alle der vorgenannten Oxyd-Bestandteile aufweisen und über die erforderlichen Eigenschaften (geeigneter thermischer Ausdehnungskoeffizient und Resistenz gegen Elektrolytenkorrosion) verfügen.

Das Keramikteil 14 muß ebenfalls korrosionsfest gegenüber den üblicherweise in elektrischen Bauteilen verwendeten Elektrolyten sein und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der mit dem des Glasteils 13 verträglich ist. Jede Keramik mit den genannten Eigenschaften kann in einer erf indungs gemäßen Dichtung verwendet werden, es wird Jedoch ein Keramikmaterial bevorzugt, das einen überwiegenden Anteil an Aluminiumoxyd enthält, weil Keramik dieser Zusammensetzung relativ preiswert ist und gegenüber konzentrierter Schwefelsäure, einem allgemein üblichen Kondensatorelektrolyten, eine außerordentliche Korrosionsfestigkeit zeigt. In einer besonders geeigneten Zusammensetzung

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besteht eine solche Aluminlumoxid-Keramik aus mindestens 30?' Aluminiumoxid, Rest andere Oxyde, wie beispielsweise die Oxyde Silikondioxyd, Magnesiumoxyd, Kalziumoxyd, Natriumoxyd, Kaliumoxyd, Bleioxyd usw. Besonders bevorzugt ist ein Aluminiumoxyd-Bereich von 84# bis 99,9% (alle angegebenen Prozentwerte sind Gewichtsprozente). Im allgemeinen wächst die mechanische Stärke des Keramikteils, wenn man den Anteil des Aluminiumoxyds erhöht.

Fig. 2 zeigt im Seitenschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichtung (Dichtung 20), das sich von der bisher geschilderten Version im wesentlichen nur darin unterscheidet, daß es zusätzlich mit einer Metallisierungsschicht 21 versehen ist. Die Dichtung 20 enthält wiederum einen metallischen Steigleiter 12, dessen Teller 15 ganz und dessen langgestreckter Abschnitt 16 teilweise vom Glasteil 13 umgeben sind. Das Keramikteil 14 umgibt das Glasteil 13 und einen Teil des langgestreckten Teils 16 des Steigleiters 12. Die Metallisierungsschicht (Metallschicht) 21 ist mit dem Keramikteil 14 verbunden, damit die Dichtung 20 leichter an ein (nicht dargestelltes) metallisches Gehäuse eines elektrischen Bauteils befestigt werden kann.

Der überwiegende Bestandteil der Metallschicht 21 ist ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram, Zirkon, Molybdän, Titan, Tantal oder eine Mischung (Legierung) aus diesen Elementen. Unter diesen hochschmelzenden Metallen wird bevorzugt Wolfram für die Metallschicht 21 verwendet, weil es, verglichen mit anderen hochschmelzenden Metallen, relativ preiswert ist, sich mit den meisten geeigneten Keramikmaterialien verträgt, gegenüber den üblichen Elektrolyten chemisch resistent ist und eine hohe Schmelztemperatur hat. In einer solchen Metallisierungsschicht ersetzt das sehr

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viel preiswertere hochschmelzende Metall eine erhebliche Menge an Edelmetall, das sonst üblicherweise zur Metallisierung eines Abschnitts des Keramikteils 14 herangezogen wird. Darüber hinaus wird die Verbindung zwischen der Schicht aus hochschmelzendera Metall und der Keramik von üblicherweise in elektrischen Bauteilen verwendeten Elektrolyten, wie Säuren, chemisch nicht angegriffen, und die vollständige Dichtung bleibt selbst dann, wenn sie mit dem Elektrolyten oder seinen Dämpfen in Berührung kommt, unangetastet.

Die Schicht 21 aus hochschmelzendem Metall wird mit dem Keramikteil 14 verbunden, indem aan das Metall in Form einer Faste auf das Keramikteil aufträgt und dann das hochschmelzende Metall durch Hitze mit der Keramik verbindet oder ihr aufschmilzt. Die Paste enthält kleine aber deutliche Mengen einer reaktionsfreudigen Komponente wie Titan-, Chrom- oder Niob-Verbindungen, die eine Verbindung zwischen dem hochschmelzenden Metall und der Keramik fördern. Die sich ergebende Verbindung zwischen der Metallschicht 21 und dem Keramikteil 14 ist recht stark und resistent gegen übliche Elektrolyten, wie beispielsweise Säuren, die im elektrischen Bauteil Verwendung finden können. Im gleichen Erhitzungevorgang kann das Keramikteil 14, falls erwünscht, zu seiner Endhärte gebrannt werden. Somit ist es möglich, daß in einem einzigen Arbeitsgang das Keramikteil 14 gebrannt und die Metallschicht 21 mit diesem Teil verbunden werden kannj hierdurch wird ein Fertigungeschritt eingespart und die dabei aufzubringende Wärme verringert.

Ein Grund dafür, daß hochschmelzende Metalle für das geschilderte Metallisierungsverfahren verwendet werden, liegt darin, daß sie aufgrund ihrer Hochteraperatur-Eigenschaften den erhöhten Temperaturen widerstehen können, die man zum

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Brennen des Keramikteils braucht. Die Schmelztemperaturen der hochschmelzenden i^vietalle liegen oberhalb der Brenntemperatur für die iLeraaik und schmelzen daher während des Brennprozesses nicht, üin schmelzendes Metall könnte in seinem geschmolzenen Zustand nur unter Schwierigkeiten zusammengehalten werden. Einige Metalle können bei den Brenntemperaturen für die Keramik sogar verdampfen.

Ib geschilderten AusfUhrungsbeispiel ist es nicht entscheidend, daß die Metallisierung während des Keramik-Brennens erfolgt. Auch wenn man die Metallisierungsschicht erst nach dem Brennen der Keramik aufträgt, kann das Keramikteil eine geeignete Metallisierung erhalten, aber in vielen Fällen ist dann die Verbindung zwischen der Metallschicht und dem Keramikteil nicht so stark wie in dem Fall, daß beide Prozesse in dem gleichen Erhitzungszyklus zusammengefaßt sind.

Die Schicht aus dem hochschmelzenden Metall kann mit einer sehr dünnen Schicht eines Edelmetalls, wie Gold, Silber, Platin oder deren Legierungen, überzogen werden, um das Anbringen der Metallisierungsschicht an dem Gehäuse zu erleichtern. Typischerweise liegt die Dicke der Edelmetallschicht zwischen etwa 0,00025 cm (0,0001 inch) und etwa 0,0025 cm (0,001 inch), Die Edelmetallschicht wird durch Anwendung von Hitze auf die Schicht des hochschmelzenden Metalls geschmolzen. Durch Aufschmelzen der Edelmetallschicht auf die Schicht des hochschmelzenden Metalls wird das Edelmetall durch das Verbindungsmaterial in weit geringerem Maße ausgelaugt, so daß eine stärkere Bindung entsteht.

Fig. 3 illustriert die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dichtung zum Abdichten eines Elektrolytkondensators mit Tantal-Anode. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Kondensator nur zu Darstellungszwecken benutzt ist und daß die Dichtung

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nicht nur in Kondensatoren eingesetzt werden kann, sondern stets dann Anwendung findet, wenn eine hermetische, korrosionsresistente Dichtung benötigt wird.

Fig. 3 zeigt einen Seitenschnitt durch einen mit einer porösen Tantal-Anode versehenen Elektrolytkondensator 30. Dieser Kondensator enthält ein Metallgehäuse oder Dose 32, in der sich eine Tantal-Anode 31 befindet. Die Anode 31 wird durch ein dielektrisches Distanzstück 33 am Kontakt mit dem Gehäuse 32 gehindert. Das Gehäuse 32 ist teilweise mit einem Elektrolyten 34, beispielsweise einer 39#-igen Schwefelsäure, gefüllt. Die Anode 31 hat einen Anodenanschluß 35, der in ihr eingebettet ist und am Punkt 41 mit dem metallischen Steigleiter 12 der Dichtung 20 verschweißt ist. Ein zweites Distanzstuck 36 trennt die Anode 31 von der Dichtung 20, dieses Distanzstück ist aus einem inerten, nicht leitenden Material, wie Polytetrafluoräthylen, hergestellt. Ein gummiartiger O-Ring 37 dient als Druckdichtung gegen die Wandung des Gehäuses 32 und trägt dazu bei, daß der Elektrolyt 34 nicht entlang den äußeren Kanten der Dichtung 20, vor allem nicht während des anschließenden Befestigungsvorganges, entweichen kann. Die Dichtung 20 entspricht der in Fig. 2 dargestellten, sie enthält wie diese einen metallischen Steigleiter 12, ein Glasteil 13» ein Keramikteil 14 und eine metallische Schicht 21.

Zur Vervollständigung der Kondensator-Abdichtung krümmt man zunächst die Kanten 38 des Gehäuses 32 über die Dichtung 20, bis sie die Metallisierungsschicht 21 kontaktieren; sodann verbindet man diese Kante mit der Metallisierungsschicht, indem man sie länge ihres gekrümmten Endes mit einem Verbindungsmetall 39 verschweißt, weich- oder hartlötet. Die äußere Kante des Keramikteils 14 kann mit einer Schrägkante versehen sein, um Spannungen an dieser Kante zu verringern,

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wenn das Gehäuse 32 zur Kontaktierung der Iletallisierungßnchicht 21 der Dichtung 20 umgebogen wird. Der Kondensator 30 ist durch eine geeignete Anbringung des Anoden-Steigleiters 12 und des mit dein Bezugszeichen 40 versehenen Kathoden-Anschlusses mit einem äußeren Schaltkreis elektrisch verbunden.

l'ährend des KrUmmens werden auf die Kante der Dichtung 20 Druckkräfte ausgeübt, und zwar in einer Richtung parallel zur Achse des Steigleiters 12. Diese Kräfte werden auf das Keramikteil 14 und weiter auf den metallischen Steigleiter 12 übertragen, und zwar durch den oberhalb des Tellers 15 befindlichen, lippenartig ausgebildeten Bereich des Keramikteils 14. Dadurch werden die am Glasteil 13 angreifenden KrMfte verringert, speziell Scherkräfte an der Glas-Metall-Verbindung und der Glas-Keramik-Verbindung. Eine solche Verringerung ist vorteilhaft, da das Keraraikteil 14 und der metallische Steigleiter 12 über eine größere mechanische Stärke als die Glasbindungen oder das Glasteil 13 selbst verfügen. Die Dichtung 20 kann dadurch als Ganzes größeren Kräften ohne Bruch oder Ausfall widerstehen und wird infolgedessen zuverlässiger.

Alle Materialien für eine erfindungsgemäße Dichtung sollten so ausgewählt sein, daß ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten einander annäherungsweise entsprechen. Eine solche ungefähre Anpassung ist erwünscht, weil die Dichtung dann thermischen Zyklen eher standhalten kann, da die Materialien sich etwa mit der gleichen Rate ausdehnen oder zusammenziehen. Fehlangepaßte Koeffizienten können zu einem Bruch der Dichtungskomponenten führen, wenn die Dichtung großen Temperaturbereichen ausgesetzt wird; eine besondere Bruchgefahr besteht während der Herstellung der Dichtung, wenn sie von 1000⁰C oder mehr auf Zimmertemperatur abgekühlt wird. Im

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allgemeinen sollte die Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Steigleiters und des Glasteils oder des Glasteils und des Keramikteils nicht größer als etwa 15 x 10"' cm/cm°C betragen.

Im folgenden soll anhand eines Beispiels Aufbau und Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Dichtung illustriert werden.

Beispiel

i-in "grüner" Keramikring wird aus Teilchen gepreßt, die im wesentlichen aus Aluminiumoxyd bestehen» und dann bei etwa 1400⁰C gebrannt. Uer Keramikring hat die allgemeine Form des in Fig. 1 dargestellten Keramikteils 14. Die Öffnung ia Keramikring 14 weist zwei verschiedene Durchmesser auf, der größere .Durchmesser ist so groß, daß er die Einführung des Tellers 15 des Steigleiters 12 erlaubt, der kleinere Durchmesser der öffnung ist so groß, daß er den langgestreckten Abschnitt, nicht aber den verbreiterten Abschnitt des Steigleiters aufnehmen kann.

Eine Paste mit «olframpulver und einem Träger wird präpariert und auf eine Seite des Keramikteils 14 durch ein 200-Maschen-Sieb aus rostfreiem Stahl gesiebt. Die Paste wird dann durch Verdampfung des Trägers bei ungefähr 100 - 150⁰C getrocknet, die getrocknete Paste wird daraufhin bei Temperaturen von über 145O°C in einer feuchten Atmosphäre aus Stickstoff und Wassers toff gebrannt, so daß man schließlich ein mit einer Metallisierungsschicht 21 versehenes Keramikteil erhalt.

Die Metallschicht 21 der Dichtung 20 wird dann mit einer sehr dünnen, etwa 0,00051 cm (0,0002 inch) dicken GoIdschicht überzogen, damit die Metallschicht mit einem anderen Ketallteil durch Schweißen, Weich- oder Hartlöten leichter

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verbunden werden kann. LIe aufgetragene Goldschicht wird dann einer Ilitzebehandlung unterworfen, um sie an die Schicht des hüchscliEielzenden iletalls zu schmelzen.

ilach der Abkühlung wird das metallisierte Keramikteil 14 zusammen mit dem Steigleiter 12 mit seiner Überseite nach unten in eine geeignete Klemmvorrichtung gespannt. Die Klemmvorrichtung hält das Keramikteil in einer festen und räumlich getrennten Lage relativ zum Steigleiter 12. Dann, wird eine aus Glas bestehende, ringförmige Vorform, deren Volumen den Baum zwischen dem Steigleiter 12 und der Seitenwandung des Keramikteils 14 ausfüllt, in diesen Raum eingelassen. Das für die Dichtung verwendete Glasmaterial enthält etwa 3O# Silizium, etwa 22% Natrium, etwa k% Kalium, etwa 11% Barium, Rest Sauerstoff mit Spuren von Blei, Chrom, Lithium, Kupfer und Zinn (alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente ).

Die Klemmvorrichtung, die nun das metallisierte Keramikteil 14, den Steigleiter 12 sowie die Glas-Vorform aufnlant, wird auf etwa 1060°C erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt die Vorform und gewinnt das Glas eine solche Viskosität, daß die Schmelze fließt und bei Abkühlung das Glasteil 13 ausbildet. Das Glas des Glasteils 13 verbindet sich mit dem Keramikteil 14 und dem metallischen Steigleiter 12 und bildet eine integrierte Metall-Glas-Keramik-Dichtung 20.

Die fertiggestellte Dichtung 20 ist von der in Fig. 2 dargestellten Art. Diese Dichtung ist ein elektrischer Isolator und gegenüber Korrosion durch übliche Elektrolyten chemisch resistent. Die Metallschicht 21 ist fest mit dem Keramikabschnitt verbunden, diese Bindung i3t ebenfalls gegen übliche Elektrolyten chemisch reeistent. \*ird die Dichtung an ein metallisches Gehäuse durch Schweißen, Weich- oder

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Hartlöten befestigt, so erliält nati eine starke L und eine hermetische Abdichtung. Las wolfram in der metallischen Jchicht 21 hat einen beträchtlichen Teil des kostspieligeren Edelmetalls, das man normalerweise verwendet, ersetzt. Dadurch, daß das keraiaikteil 14 dem- Teller 15 des oteiglelters 12 sehr nahe kommt, sind Spannungen in den Glasbindungen verringert und werden Kräfte vom iieramikteil 14 auf den Teller geleitet. Durch die enge Nachbarschaft zwischen Keramikteil und Steigleiter-Teller kann der Steigleiter nicht mehr so leicht durch eine äußere Kraft aus der Dichtung herausgezogen werden und sind seiner Verbiegung im Inneren des Lichtungsraumes durch das Iieramikteil Grenzen gesetzt.

Somit ist die Dichtung für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten gut geeignet, insbesondere für eine Verwendung in elektrischen Bauteilen mit flüssigem oder halbflüssigem Inhalt, wie Elektrolytkondensatoren.

Unter dem Ausdruck "Bindung (Verbindung)" wird in der vorliegenden Beschreibung die Vereinigung zweier Materialien durch physikalische oder chemische Kittel zu einer kompakten Ilasse oder einem Ganzen verstanden.

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Claims

- 19 Patentansprüche

f ι .J ijiciiturig mit eineai ke tail teil, einem Glasteil und einem l.eramikteil, insbesondere für iJlektrolytkondensatoren, dadurch gekenuzelch.net * daß das Metall teil (12) einen langgestreckten Abschnitt (16) und einen verbreiterten übschnitt (Teller 15) enthält, daß das Keraiaikteil (14) mit einer Jurchbreehung versehen ist, die längs einer Achse mindestens zwei Abschnitte mit verschieden großen uuerschnitten (erster querschnitt, zweiter wuerschnitt) aufweist, daß der erste uuerschnitt größer als der Teller (13) des iuetallteils (12) ist und aer zweite querschnitt kleiner als der Teller (15)ι aber größer als der langgestreckte Abschnitt (16) des Metallteils (12) iöt, daß sich der Hetallteil-Teller (15) im lAirchbrechungsabschnitt mit größerem uuerschnitt und der langgestreckte Abschnitt (16) des Metallteile (12) im ijurchbrechungsabschnitt mit kleinerem Querschnitt befinden und daß das Glasteil (13) den Raum zwischen dem Metallteil (12) und dem Keraiaikteil (12») zumindest am Ort des iietallteil-Tellers (15) ausfüllt und die abdichtung herstellt.

2. dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rie tall teil (12) im wesentlichen aus einem filmbildenden vie tall, vorzugsweise Tantal, i«iob, Aluminium, litan, besteht.

2. dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keraiaikteil (14) wenigstens 30 Gew.-/j Α^υ, enthält.

4. dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3$ dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Oberfläche des üeramikteils (14) eine Metallisierungsschicht (21) trägt.

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5» Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallieierungsachicht (21) Wolfram enthält.

6. Dichtung alt einen langgestreckten Metallteil, einem Glasteil und einen Keramikteil, insbesondere naeh einem άΦΤ Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, da8 das Glasteil (13) da« langgestreckte Metallteil (12) teilweise umgibt und kontaktiert, daß das Ksramikteil (14) das Glas teil (13) teilweise umgibt und kontaktiert und daß des Keramikteil (14) wenigstens auf eine» Teil seiner Oberfläche eine Metallisierungsschicht (21) aufgebracht 1st, die ein hoehschmelzendes Metall, vorzugsweise Wolfran, Molybdän, Titan, Tantal, Zirkon oder eine Legierung dieser Elemente, enthält.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hochsehmelzende Metall Wolfram 1st.

8. Dichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, dad die Ketalllsierungsschicht (21) mit dem Kereaikteil (14) im wesentlichen verbunden 1st·

9· Dichtung nach einem der Ansprüche 6 bis β, dadurch gekennzeichnet, daS sich Über der Hetallisierungsschicht (21) eine dünne Schicht eines Edelmetalls befindet.

10. Elektrisches Bauteil mit einem wenigstens an einem Ende offenen Gehäuse, einer im Gehftuaeinneren befindliehen und gegen das Gehäuse durch Diatanzstücke beabatandeten Elektrode» vorzugsweise Anode, und mit einem ia Gehauseinneren befindlichen und die Elektrode kontaktierenden £lektro« Ivten, gekennzeichnet durch eine Dichtung (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (20) das offene öehfiuaeende verschließt und das Metallteil (12) dieser Dichtung in elektrischen Kontakt mit der Elektrode (31) steht.

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11. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es ein !Elektrolytkondensator ist.

12. Elektrolytkondensator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Iletallteil (12) der Dichtung (20) im wesentlichen aus Tantal besteht.

13. Kondensator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung de3 Gehäuses (32) über die Dichtung (20) gekrümmt und an der Metallisierungsschicht (21) der Dichtung (20) befestigt ist.

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