DE2524868A1 - Elektrode fuer elektrolytische kondensatoren - Google Patents
Elektrode fuer elektrolytische kondensatorenInfo
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-
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Description
Dipl.-Phys. L. Thul
Stuttgart
E.L.Bush-D.W.J.Hazelden 18-5
International Standard Electric Corporation, New York
Elektrode für elektrolytische Kondensatoren
Die Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Kondensatoren, insbesondere auf eine Ventilmetallelektrode
für solche Kondensatoren.
Bei der Herstellung von Anoden für Tantalkondensatoren aus gepulvertem Tantal wird ein Teil des Tantals nur als Kontakt
verwendet und spielt keine Rolle als aktiver Teil bei der Kapazitätsbildung. Tantal und andere Ventilmetalle,
wie z.B. Niob, und Legierungen davon, wie z.B. Niob-Tantal-Legierungen,
sind teuer, und es ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, das nicht als Kontakt verwendete Ventilmetall durch ein billigeres Material zu ersetzen.
Gemäß der Erfindung wird als Elektrode für einen elektrolytischen Kondensator ein verdichteter poröser Körper aus
Teilchen vorgeschlagen, die mit Ventilmetall überzogen sind, wobei die Teilchenkerne aus nicht leitendem, nicht brennbarem
Material bestehen und wobei die ursprüngliche Dicke des Ventilmetallüberzuges so gewählt ist, daß nach der
anodischen Oxidation des Körpers mit einer Anodisierungsspannung, welche durch die gewünschte Betriebsspannung
Fr/b - 29.5.1975 . / .
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•1.
des Kondensators bestimmt ist, die mittlere Dicke des nicht oxidierten Ventilmetallüberzuges 0,5 ,um nicht
überschreitet.
Die Erfindung besteht auch in einer Elektrode für elektrolytische Kondensatoren, welche aus einem verdichteten
porösen und anodisierten Körper aus mit Ventilmetall überzogenen Teilchen besteht, wobei die Kerne der Teilchen
aus nicht leitendem und nicht brennbarem Material bestehen und wobei die Dicke des anodisierten Teiles des Überzuges
durch die benötigte Betriebsspannung für den Kondensator bestimmt ist und die durchschnittliche Dicke des nicht
anodisierten Teiles des Überzuges 0,5 ,um nicht überschreitet.
Die Herstellung eines Ventilmetallüberzuges auf den Kernteilchen kann in irgendeiner geeigneten Weise vorgenommen
werden, beispielsweise kann für Tantal eine Dampfphasenreduktion von Tantalpentachlorid in Wasserstoff vorgenommen
werden, wobei die Substratteilchen in einem Fließbett angeordnet sind.
Es eignet sich keramisches Material, wie z.B. Aluminiumoxid, als nicht leitendes, nicht brennbares Material für
die Kernteilchen. Wie dies später beschrieben wird, haben die Kernteilchen (Substrat) eine Größe in dem Bereich von
30 »um bis zu 2,5 ,um.
Da die Dicke der Ventilmetallschicht, die nach der Anodi-
ISt
sation üb__j?ig bleibt, auf einen Wert beschränk*, der erforderlich
ist, um den Kontakt für die Anode zu bilden,
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ermöglicht es die erhaltene Struktur, einen Kondensator mit selbstheilenden Eigenschaften herzustellen. Als Ergebnis
eines Wiederformierungsprozesses der dünnen Schicht von Ventilmetall wird diese in ein Oxid umgewandelt
und isoliert damit die Durchschlagstelle. Wenn dieser Prozess auftreten kann, bevor das Oxid rekristallisiert,
dann wird die Tendenz, daß sich das Durchschlagsgebiet weiter durch den Kondensator ausbreitet, vermindert.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Tantal besteht darin, daß bei niedrigem Tantalgehalt der Kondensator weniger
leicht brennbar ist als die bekannten Kondensatoren. Eine besondere flammenhemmende Einkapselung ist auf diese
Weise weniger wichtig, abgesehen von der Notwendigkeit die Umhüllung selbst vor Entzündung zu schützen.
Die grundlegenden Herstellungsschritte bei der Herstellung einer Kondensatoranode bestehen darin, daß Substratteilchen
geeigneter Abmessungen mit einem Ventilmetallüberzug versehen werden und die Dicke des Ventilmetallüberzuges dabei
nach der erforderlichen Anodisierungsspannung gewählt wird,
daß dann die überzogenen Teilchen zusammengepreßt und gesintert werden, um einen kompakten porösen Körper zu erhalten,
daß dieser Körper einer Anodisierung bei einer Spannung unterworfen wird, die erforderlich ist, um die benötigte
maximale Arbeitsspannung des Kondensators zu erhalten.
Die weiteren Herstellungsschritte eines elektrolytischen Kondensators unter Verwendung eines solchen Anodenkörpers,
d.h. das Einbringen eines Elektrolyten (flüssig oder fest), einer Kathode, von ZuIeitungsdrähten und von einem Gehäuse
und/oder einer Umhüllung werden in bekannter Weise durchgeführt.
. / . 509882/0684
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•ν-
Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.
Figur 1 zeigt einen Teil eines mit Tantal überzogenen Substrats ;
Figur 2 zeigt in grafischer Darstellung das Verhältnis des kompakten Volumens zum Sibstratdurchmesser;
Figur 3 zeigt das Verhältnis des CV-Produkts pro Gramm Tantal zur Oberzugsdicke des Tantalüberzuges;
Figur 1I zeigt einen Schnitt durch einen elektrolytischen
Kondensator gemäß der Erfindung.
Die Substratkernteilchen sind nicht kugelförmig, sondern
haben eine unregelmäßige Form. Dies ergibt den Vorteil einer größeren Oberfläche als bei einer Kugel. Obwohl die
Kernteilchen durch geeignete Siebung ausgewählt werden, wird ihre Größe in der folgenden Beschreibung in Form eines
Radius oder Durchmessers angegeben.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der Tantalüberzug 11 auf dem Kern 12 nicht gleichmäßig dick, aber es kann eine
durchschnittliche Dicke angenommen werden, wie sie durch die gestrichelte Linie 13 dargestellt ist. Diese durchschnittliche
Dicke wird bei der nachfolgenden Betrachtung verwendet.
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Dichte des Tantals CdTa): 16,6
Dichte von Tantalpentoxid (d_ n ): 8,2
Ta2 5 Dichte von Aluminiumoxid (dA, n ): 3,97
A12Ü3
Typische Gesamtdichte eines Tantalkörpers (d„): 9,4
Typisches Verhältnis (OO der nach einer Sinterung bei 14500C verbleibenden Oberfläche: 0,5
Verhältnis d : dTa (|3): typisch für 0,57, für R5 Tantal,
das bei 1450 C gesintertwurde.
Dielektrische Festigkeit von Ta3O : 17 8/Volt, entsprechend
8,5 R/Volt von Tantal.
Dielektrizitätskonstante Ta3O5: 2 8
Für reines Tantalpulver (durchschnxttlxche Teilchengröße
2r in cm)
3OC/3 Oberfläche pro Volumeneinheit = cm
Oberfläche pro Gewichtseinheit (g) = cm
16 · 6r
Für einen Kondensator aus parallelen Platten
~fi CV-Prod kt - °>0885 χ Dielektrizitätskonstante χ 10 ,uC/cm
Dielektrische Festigkeit
Für Tantal:
CV-Produkt =14,5 /UC/cm2 Oberfläche
CV-Produkt/Gramm = ,uC
16j6r '
Volumen/10 000 ,uC = cm3
1 14,5 χ 3Q6p
Für überzogene Substrate mit
t = Dicke des Tantalüberzuges d = Dichte des Substrats r_ = Radius des Substrats
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- ff -
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Oberfläche/Volumeneinheit =
3(r + tr OL
(rs+t)
d + 16,6
cm
cm
Daher Oberfläche/Gramm Tantal
3(r
16,6
- r
3][
CV-Produkt/Gramm Tantal
,5 χ 3(r +
16
,6 [
,uC
(rs+t)3 -
und Volumen/10 000 .uC =
10 000 (r +t)
14,5 χ 3cCß
cm
| Substrat- durchmeaaer (;u) |
Dicke des Oberzuges (/U) |
CV-Produkt pro Gramm Tantal |
Volumen pro 10 OOO.uC (mm3) |
CV-Produkt relativ zu T5 (5,u Durchmesser |
| 0 | 2,5 (d.h. 5;u 0) |
6000 | 1,77 | 1 |
| 30 | 2 1 |
2807 5303 |
12,03 11,32 |
0,47 0,89 |
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-T-
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(Fortsetzung )
| 0,5 | 10 285 | 10,97 | 1,72 | i | 3,39 | |
| 30 | 0,25 | 20 247 | 10,79 | 4,22 | ||
| 0,2 | 25 227 | 10,75 | 8,39 | |||
| 0,1 | 50 125 | 10,68 | 0,49 | |||
| 2 | 2 954 | 8,49 | 0,91 | |||
| 1 | 5 460 | 7,78 | 1,75 | |||
| 0,5 | 10 447 | 7,43 | 3,42 | |||
| 20 | 0,25 | 20 408 | 7,25 | 4,25 | ||
| 0,2 | 25 387 | 7,22 | 8,42 | |||
| 0,1 | 50 276 | 7,15 | 0,56 | |||
| 2 | 3 357 | 4,95 | 0,99 | |||
| 1 | 5 909 | 4,24 | 1,83 | |||
| 0,5 | 10 921 | 3,89 | 3,50 | |||
| 10 | 0,25 | 20 894 | 3,71 | 4,33 | ||
| 0,2 | 25 880 | 3,68 | 8,50 | |||
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| 2 | 4 006 | 3,18 | 1,12 | |||
| 1 | 6 714 | 2,48 | 1,98 | |||
| 0,5 | 11 817 | 2,12 | 3,66 | |||
| 5 | 0,25 | 21 839 | 1,95 | 4,49 | ||
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| 0,1 | 51 760 | 1,81 | 0,82 | |||
| 2 | 4 873 | 2,30 | 1,34 | |||
| 1 | 8 012 | 1,59 | 2,25 | |||
| 0,5 | 13 430 | 1,24 | 3,96 | |||
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| 0,2 | 28 670 | 1,03 | 8,98 | |||
| 0,1 | 53 677 | 0,96 | ||||
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(Fortsetzung)
| ■i | 4 | 0 | ,5 | 12 | 243 | 1,77 | 2,05 |
| 4 | ,6 | 0 | ,2 | 26 | 998 | 1,77 | 4,52 |
| 4 | ,8 | 0 | ,1 | 51 | 840 | 1,77 | 8,68 |
| 4 | ,9 | 0 | ,05 | 101 | 626 | 1,77 | 17,00 |
Die Tabelle 1 zeigt die Änderung der Ausnützung des Tantalmaterials
und des Körpervolumens eines Kondensator-Presskörpers bezüglich Substratdurchmesser und der Dicke des
Tantalüberzuges. Aus dem Wert CV-Produkt/Gewichtseinheit von Tantal kann entnommen werden, daß der Substratdurchmesser
nur einen geringen Einfluß hat. Der Hauptfaktor bei einer wirkungsvollen Ausnutzung des Tantal ist die
Überzugsdicke. Beispielsweise ergibt eine 1 .u dicke Schicht aus Tantal auf einem Substrat von 30 und 2,5 ,u Durchmesser
eine Ausbeute von 5303 bzw. 8012 ,uC/g Tantal. Daraus ergibt sich, daß für eine Verminderung des Substratdurchmessers
von mehr als einer Größenordnung nur ein 50 %iger Anstieg der nutzbaren Oberfläche/g Tantal erzielt wird.
Die Größe der Substratteilchen beeinflußt jedoch direkt das Gesamtvolumen, das von dem Kondensator-Presskörper eingenommen
wird und die Verminderung der Teilchengröße von auf 2,5 ,um vermindert das Volumen pro 10 000 .uC von 11,32
3
auf 1,59 mm für 1 ,u Tantalüberzug. Dieser Effekt ist noch wirkungsvoller bei dünneren Tantalüberzügen. Z.B. ergibt 0,1 ,u auf 30 ,u Substrat 10, 68 mm und 0,1 ,u auf 2,5 ,u Substrat 0,96 mm .
auf 1,59 mm für 1 ,u Tantalüberzug. Dieser Effekt ist noch wirkungsvoller bei dünneren Tantalüberzügen. Z.B. ergibt 0,1 ,u auf 30 ,u Substrat 10, 68 mm und 0,1 ,u auf 2,5 ,u Substrat 0,96 mm .
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Es ist deshalb möglich, unabhängig voneinander die Größe des Kondensator-Presskörpers (Pressvolumen abhängig von
der Substratteilchengröße, Figur 1) und die Ausnutzung des Tantalmaterials (CV-Produkt/g Tantal bezüglich der Überzugsdicke,
Figur 2) zu optimieren.
Wenn ein Tantalpulver von 5 ,u als Standardgröße zum Vergleich
herangezogen wird, dann kann man sehen, daß es notwendig ist, eine Oberzugsdicke des Tantals von weniger als
1 ,u zu verwenden, wenn eine Ersparnis erzielt werden soll.
Die angestrebte Dicke sollte bei 0,2 ,u liegen, wodurch sich eine vierfache Verminderung des Tantalmaterials ergibt.
Wenn ein Substrat mit 10 .u Durchmesser verwendet wird, dann beträgt das Volumen pro 10 000 ,uC, verglichen mit
einem 5 »u Tantalpulver das Doppelte, d.h. der lineare An-
1/3 stieg der Abmessungen des Presskörpers wird nur um (2) erhöht, das ist 1,25 verglichen mit etwa 1,85 für ein Substrat
von 30 ,u Durchmesser.
Eine 0,2 .u dicke Schicht von Tantal kann anodisiert werden
bis zu 2000/8,5 Volt, das sind 235 Volt, bevor die Schicht vollkommen durch Anodisation isoliert wird. Versuche haben
gezeigt, daß eine Tantalschicht mit einer Nenndicke von 0,1 /U anodisiert werden kann bis zu 108 Volt, bevor der
Anodenkontakt infolge vollkommener Oxidation unterbrochen wird. Eine Tantalschicht von 0,2 ,u Dicke kann daher für
Kondensatoren mit einer Betriebsspannun-g bis zu 35 Volt
verwendet werden. Das Ziel ist eine minimale Tantaldicke für eine bestimmte Betriebsspannung zu erzielen. Dadurch
wird das Tantal maximal ausgenützt.
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„4Ö.
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Die Tabelle 2 zeigt die minimale benötigte Tantaldicke für ein Tantalpentoxiddielektrikum für verschiedene Betriebsspannungen.
Wenn angenommen wird, daß für einen Anodenkontakt eine Tantaldicke bis zu 500 8. benötigt wird,
dann ist es möglich, ein überzogenes Tantalpulver für jede Betriebsspannung herzustellen, bei dem die Dicke der Tantalschicht
nach der Anodisation für die betreffende Spannung in keinem Fall 0,5 .u überschreitet. Bei Kondensatoren
für die Unterhaltungselektronik müssen diese Kriterien nicht so genau eingehalten werden wie bei Kondensatoren
für professionelle Verwendung. Zur Zeit hat ein typischer 1 ,uF Kondensator für 35 Volt für die Unterhaltungselektronik
bei Verwendung von T5/Tantalpulver (7000 .uC/g) eine Anode mit einer Länge von 1,8 mm und einen Durchmesser
von 1,5 mm und ein Gewicht von 20 mg.
Wenn diese Anode doppelt so groß wäre, wären die Verfahrenskosten nicht wesentlich größer, aber sie hätte den
Vorteil, daß sie leichter gehandhabt werden könnte.
Die Verwendung würde durch die Volumenvergrößerung nicht beeinträchtigt werden. Es ist daher angezeigt, größere
Substratteilchen zu verwenden, die noch den Vorteil haben, daß sie sich leichter manganisieren lassen.
| Betriebs spannung |
Anodisie- rungsspan- nung |
Dielektri kumsdicke Ά |
insgesamt benötigte Tantaldicke /u |
CV-Produkt/ g Ta Substrat 0 10 /U |
| 3 6 15 |
20 30 70-80 |
170 255 680 |
0,035 0,0^5 0,075 |
1« 218 111 635 67 376 |
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(Fortsetzung)
| 20 | 80-90 | 765 | 0,095 | 53 400 |
| 35 | IHO | 1 190 | 0,14 | 36 550 |
| 50 | 200 | 1 700 | 0,19 | 27 188 |
| 75 | 300 | 2 550 | 0,28 | 19 759 |
Figur 4 zeigt einen elektrolytischen Kondensator mit einer Anode 1 aus einem gepreßten, porösen, anodisierten Körper
aus Ventilmetall, wie z.B. Tantal, überzogenen Teilchen, wobei die Teilchenkerne aus nicht leitendem und nicht brennbarem
Material bestehen, z.B. aus Keramik wie z.B. Aluminiumoxid. Die Dicke des Ventilmetallüberzuges nach der Anodisation
reicht aus, um einen Anodenkontakt zu erhalten. Diese Dicke liegt im Bereich von etwa 10 8 bis etwa 2000 8, so
daß es möglich ist, die Teilchen aus nicht leitendem und nicht brennbarem Material mit einem Ventilmetallüberzug
zu überziehen, dessen ursprüngliche Dicke 0,5 ,um nicht überschreitet, so daß nach Zusammenpressen und Anodieierung
entsprechend der benötigten Betriebsspannung des Kondensators eine Anodenkontaktschicht aus Ventilmetall übrig
bleibt, deren Dicke in dem oben genannten Bereich liegt.
Vor dem Zusammenpressen des überzogenen Pulvers wurde in den Kondensatorkörper eine Anodenzuleitung 2 eingesetzt.
Die Kathode besteht aus einer Umhüllung 3, an der eine Kathodenzuleitung 4 angebracht ist und der ganze Kondensator
ist mit einer Hülle 5 umgeben.
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Mit Kondensatoren nach Figur 4 wurden Durchschlagsversuche
durchgeführt. Die Anode aus Tantal war auf Teilchen aus Aluminiumoxid aufgebracht. Es zeigte sich, daß die
Güte besser war als bei allen bekannten Tantalkondensatoren.
Güte besser war als bei allen bekannten Tantalkondensatoren.
Bei Anoden aus mit Tantal überzogenen Teilchen aus Aluminiumoxid
ist der Durchschlagsprozess nicht zerstörend und die Fehlstellen bewirken eine Stromkreisunterbrechung, im
Gegensatz zu allen anderen Tantalkondensatoren, bei denen ein Kurzschluß eintritt. Die Zahl der zugelassenen Durch-Schläge
kann bis um zwei Größenordnungen erhöht werden.
Bei 15 Volt-Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Serienwiderstand von 500 Ohm und einer angelegten
Spannung von 60 Volt wurde bei Versuchen eine Stromkreisunterbrechung nach 70 000 bis 80 000 Durchschlägen
erhalten. Offenbar zerstört die bei den Durchschlägen erzeugte
Wärme die Tantalbrücken zwischen den einzelnen
Teilchen rings um das Durchschlagsgebiet, so daß sie von
dem übrigen Kondensator isoliert werden. Unter Stromkreisunterbrechung wird eine Bedingung verstanden, bei der der
Teilchen rings um das Durchschlagsgebiet, so daß sie von
dem übrigen Kondensator isoliert werden. Unter Stromkreisunterbrechung wird eine Bedingung verstanden, bei der der
Widerstand größer oder gleich 108 0hm bei 15 Volt Gleichspannung
und einer Kapazität von einigen hundert Picofarad ist.
Bei den gleichen Versuchbedingungen überlebte eine Gruppe
von üblichen Kondensatoren, bei denen die Anode vollkommen aus Tantal bestand durchschnittlich nur 230 Durchschläge,
wobei schließlich ein Kurzschluß entstand.
8 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnungen
2 Blatt Zeichnungen
509882/0684
Claims (8)
- E.L.Bush-D.W.J.Hazelden 18-5PatentansprücheElektrode für einen elektrolytischen Kondensator aus einem gepreßten porösen Körper aus Ventilmetall, dadurch gekenn ze ichnet, daß der poröse Körper aus mit Ventilmetall überzogenen Teilchen besteht, bei dem die Teilchenkerne aus nicht leitendem und nicht brennbarem Material bestehen, daß die ursprüngliche Dicke des Ventilmetallüberzuges so gewählt ist, daß nach der Anodisation des Körpers bei einer Anodisierungsspannung, welche durch die Betriebsspannung des Kondensators bestimmt ist, die mittlere Dicke des nicht anodisierten Ventilmetallüberzuges 0,5 ,um nicht überschreitet.
- 2.) Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprüngliche Dicke des Ventilmetallüberzuges etwa 0,2 ,um beträgt.
- 3.) Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenkerne aus keramischem Material bestehen.
- U.) Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenkerne aus Aluminiumoxid bestehen.
- 5.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die '
Durchmesser haben.zeichnet, daß die Teilchenkerne zwischen 2,5 und 30 ,um - 6.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenkerne eine unregelmäßige Form haben.509882/0684E.L.Bush-D.W. J.Hazelden 18-5 ^ff
- 7.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventilmetall Tantal, Niob oder eine Tantal-Niob-Legierung verwendet ist.
- 8.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der nicht anodisierten Ventilmetallschicht höchstens 500 Ά beträgt.Fr/b - 29.5.1975509882/0684Leerseite
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| FR2358739A1 (fr) * | 1976-07-15 | 1978-02-10 | Int Standard Electric Corp | Perfectionnements aux condensateurs electriques, plus particulierement, aux condensateurs electrolytiques solides au tantale et leur procede de fabrication |
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|---|---|---|---|
| 8235 | Patent refused |