DE2552610A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von miniaturkondensatoren - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Miniaturkondensatoren Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kondensatoren sehr geringer Größe, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von solchen Kondensatoren.
• Bei elektronischen Schaltungen werden oftmals Kondensatoren von sehr geringer Größe benötigt, insbesondere im Zusammenhang mit elektronischen Festkörperschaltkreisen.
• Glücklicherweise ist die für solche Schaltkreise benötigte Spannung sehr niedrig, so daß sie die Verwendung von sehr dünnen dielektrischen Schichten bei solchen Kondensatoren erlaubt.
• Bei solchen Schaltkreisen wurden bisher Kondensatoren verschiedenen Typs verwendet, wie Elektrolytkondensatoren, Kondensatoren mit Papierdielektrikum, verschiedene Typen von Kunststoffkondensatoren, wie z.B. solche mit einem Dielektrikum aus einer Polyesterschicht oder aus Polytetrafluoräthylen, sowie Kondensatoren aus verschiedenen Glas-Keramik-Materialien.
• Elektrolytische Kondensatoren sind deshalb sehr interessant, weil sie eine große Kapazität pro Volumeneinheit haben und ihr CV-Produkt (Kapazität mal Betriebsspannung) relativ hoch ist. Der Isolationswiderstand oder der Reststrom solcher Kondensatoren ist jedoch relativ hoch und außerdem haben sie noch andere Nachteile, welche wohlbekannt sind.
• Kondensatoren mit einem festen Dielektrikum einschließlich von Papier- und Kunststoffilman haben relativ gute Betriebseigenschaften, jedoch sind sie in der Praxis durch eine minimale Filmschichtdicke begrenzt, die bei einem Herstellungsverfahren als getrennte Folie noch gehandhabt werden kann.
• Das heißt, daß die Festigkeit von Folien, auch wenn diese mit einer Dicke von 0,2 0,2um nergestellt werden können, sehr gering ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß punktförmige Löcher oder Risse in Kunststoff- und Papierdielektriken auftreten, ist bei einer solchen extrem geringen Dicke wesentlich grösser.
• Um einen wesentlichen Fortschritt in Richtung einer erhöhten Kapazität pro Volumeneinheit zu erzielen, ist daher ein Fortschritt bei der Herstellung der Schichten aus dielektrischem Material wesentlich. Die dünnen leitenden Schichten für Kondensatorbelegungen bei sehr kleinen Kondensatoren können bereits in sehr geringer Dicke hergestellt werden, beispiesweise durch Vakuumaufdampfung der betreffenden Stoffe, wie z.B. Aluminium.
• Ein anderer Vorteil der Verwendung des Vakuumaufdampfverfahrens zum Niederschlagen von Aluminium besteht in den Kosten des Metalls selbst. Bei manchen Herstellungsverfahren, insbesondere bei den Verfahren zur Herstellung von keramischen Schichtkondensatorenbmüssen während des Verfahrens Stoffe, die nicht in festem Zustand vorliegen, aus dem dielektrischen Oberzug ausgetrieben werden, wozu verhältnismäßig hohe Temperaturen erforderlich sind. Das keramische Material wird somit gebrannt, was zur Folge hat, daß die leitenden Schichten aus einem Material bestehen müssen, das solche Temperaturen aushält und gleichzeitig eine zusammenhängende gleichmäßige Schicht verbleibt. Es müssen deshalb relativ teuere edle oder halbedle Metalle bei solchen Kondensatoren verwendet werden. Das relativ billige Aluminium, das bei der nachfolgend beschriebenen Erfindung verwendet wird, eignet sich nicht zur Herstellung von solchen Kondensatoren, die hohen Temperaturen während ihrer Herstellung unterworfen werden müssen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Herstellung von Miniaturkondensatoren mit einer hohen Kapazität pro Volumeneinheit gestatten, bei dem verhältnismäßig billige Elektrodenmaterialien Verwendung finden können.
• Gemäß der Erfindung wird der Kondensator aus zahlreichen Schichten aufgebaut, die abwechselnd aus dünnen Elektrodenschichten und dünnen dielektrischen Schichten bestehen. Die dielektrische Schicht ist eine dünne kontinuierliche Schicht aus Polyester oder einem ähnlichen Material.
• Das Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren gemaß der Erfindung besteht in einem Tiefdruckverfahren unter Verwendung einer Lösung mit einem relativ niedrigen Gehalt an Feststoffen. Dieser geringe Gehalt an Feststoffen dient als Material zur Erzeugung einzelner Druckpunkte, welche für das Druckverfahren charakteristisch sind. Es wird so ein Zusammenfließen der einzelnen Punkte zu einem kontinuierlichen Überzug erzielt. Die Gleichmässigkeit des Überzuges aus dielektrischem Material, der auf diese Weise erhalten wird, ist viel besser als die eines Überzuges, der nach einem anderen Verfahren erhalten wird, wie z.B. durch Tauchen, Aufsprühen oder durch ein anderes Verfahren des Aufbringens von solchen Materialien. Außerdem wird durch das Verfahren gemäß der Erfindung ein dünnerer gleichmäßigerer Überzug erhalten, was zur Erreichung des Zieles der Erfindung wesentlich ist, da ja sehr kleine Kondensatoren mit einer sehr großen Volumenkapazität erhalten werden sollen.
• Das Verfahren gemaß der Erfindung und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens sollen anhand der Figuren näher beschrieben werden.
• Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung schematisch eine Vorrichtung zum Aufdrucken einer kontinuierlichen dielektrischen Schicht gemäß der Erfindung; Figur 2 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung und in verzerrter Form die Anordnung von abwechselnden Elektrodenschichten und dielektrischen Schichten bei einem Kondensator, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist.
• Figur 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens zum Aufbringen eines dielektrischen Überzuges gemäß der Erfindung, und zwar schematisch in perspektivischer Darstellung. Die Vorratsrolle 13 liefert das Trägermaterial, auf dem bereits mindestens eine Schicht aus leitendem Elektrodenmaterial aufgebracht ist, vorzugsweise durch ein Vakuumaufdampfverfahren, wie es zuvor erwähnt wurde. Da das Verfahren immer wiederholt werden kann, d.h., daß abwechselnde Schichten von Elektrodenmaterial und dielektrischem Material aufgebracht werden, können auf dem Band 10 von der Vorratsrolle 13 auch schon mehrere Schichten angeordnet sein. Es ist nämlich tatsächlich ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung, daß das Band, welches mehrere einzelne Kondensatoren enthalten kann (wenn es in einzelne Einheiten zerschnitten wird, wie dies später beschrieben wird), genügend flexibel ist, damit es mehrmals nacheinander aufgerollt und abgerollt werden kann, so daß es das Verfahren mehrmals nacheinander durchlaufen kann.
• Bei der Vorrichtung nach Figur 1 wird das Band 10 von der Vorratsrolle 13 abgezogen und läuft über eine Umlenkwalze 19 und zwischen der AnJFlruckrolle 18 und der geätzten Druckwalze 16 hindurch.
• Bevor die Beschreibung des Verfahrens anhand der Figur 1 fortgesetzt wird, sollen einige Anmerkungen zu dem geeigneten Druckverfahren gemacht werden. Wenn Druckerzeugnisse nach dem Tiefdruckverfahren hergestellt werden, wird die Druckfarbe auf eine geätzte Walze aufgebracht und mit einem Abstreifmesser die Oberfläche der Walze sauber gewischt, mit Ausnahme der Stellen, wo die Druckfarbe in den geätzten Vertiefungen der Druckwalze vorhanden ist. Wenn die Walze in Kontakt mit dem Papier oder anderem zu bedruckenden Material kommt, werden feine Farbpunkte auf dem Papier abgedruckt. Deshalb besteht das aufgedruckte Bild aus einer Ansammlung von feinen Punkten. Die Druckfarbe ist von solcher Konsistenz, daß diese Farbpunkte auf dem Papier erhalten bleiben.
• Wenn dieses Tiefdruckverfahren bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dann wird die Druckfarbe ersetzt durch eine Lösung von dielektrischem Material, die einen relativ geringen Gehalt an Feststoffen hat. Wenn beispielsweise das dielektrische Material ein Polyesterüberzug ist, dann beträgt der Feststoffgehalt beispielsweise 17 %. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Lösungsmittel oder Verteilungsmittel beschränkt, in dem das dielektrische Material zur Bildung einer Lösung oder Suspension verteilt ist, jedoch wird vorzugsweise eine Emulsion von Polyestermaterial in einem wäßrigen Mittel verwendet. Solche wäßrigen Lösungsmittel sind im Handel erhältlich, beispielsweise von der Firma "Mobil Oil Company" unter der Bezeichnung "SM" Überzug 74 X 111 A mit Katalysator "B".
• Infolge des relativ großen Verhältnisses von Lösungsmittel zu Feststoff bleiben die Druckpunkte nicht, wie bei einem Druckverfahren, einzeln nebeneinander auf.der Unterlage stehen, sondern diese Punkte breiten sich aus und vereinigen sich miteinander, so daß sie einen kontinuierlichen homogenen Überzug von gelöstem oder suspendiertem dielektrischen Material nach jedem Druckvorgang bilden.
• Auf diese Weise kann die Menge des aufgebrachten dielektrischen Materials genau gesteuert werden, indem die Tiefe und die Dichte der ausgeätzten Vertiefungen der Druckwalze in geeigneter Weise gewählt werden. Durch das Verfahren gemäß der Erfindung kann ein viel gleichmäßigerer und viel dünnerer dielektrischer Überzug erhalten werden als durch die bekannten Verfahren, wie Aufsprühen, Tauchen oder andere bekannte Techniken zum Aufbringen von Überzügen aus diesem dielektrischen Material. Nachdem das Material des Bandes 10 die Andruckrolle 18 passiert hat, läuft es durch einen Trockenofen 21, der dazu dient, das nicht feste Material, das auf dem Band 10 noch vorhanden ist, zu entfernen. Nach dem Trocknen läuft das Band dann über die Umlenkrolle 20 und wird auf der Aufwickelrolle 14 aufgerollt. Bei der Vorrichtung nach Figur 1 wurde angenommen, daß die Vorratsrolle 13 mindestens eine Schicht von leitendem Elektrodenmaterial trägt, wie dies durch die voneinander getrennten Streifen 11 und 12 darges3ellt ist. Die Zwischenräume zwischen diesen leitenden Streifen sind wesentlich schmaler als die Breite der leitenden Streifen selbst.
• In Figur 1 stellt der Teil 15 das Vorratsgefäß für das gelöste oder emulgierte dielektrische Material dar und 17 ist das Abstreifmesser, das von der Walze 16 das gelöste Material abstreift, mit Ausnahme des Material welches in den geätzten Vertiefungen enthalten ist.
• In Figur 2 ist die Dicke der einzelnen Teile, wie des aufgerollten sowie des mehrschichtigen Materials, verzerrt dargestellt, um ein klares Bild von dem Verfahren und dem dadurch erhaltenen Produkt zu geben. Die typische Abmessung S von Figur 2 ist die Dicke des dielektrischen Materials, beispielsweise in der Grössenordnung von 0,00025 mm, während die durch Vakuumaufdampfung erhaltene Schicht aus Elektrodenmaterial eine Dicke t haben kann, welche nur ein Zehntel der Dicke des Dielektrikumsmaterials ist.
• Wie zuvor angedeutet, wird die gegenseitige Versetzung oder Überlappung der abwechselnden Elektrodenmaterialschichten z.B. durch Verschiebung einer Bandmaske bezüglich der Mittellinie der zuvor aufgebrachten Elektrodenanordnungerzielt. Dies und das Verfahren zum Aufbringen von leitenden-Schichten durch Vakuumaufdampfen ist an sich bekannt.
• In Figur 2 sind Schnittlinien oder Trennungslinien dargestellt, die andeuten sollen, daß diese Schnitte erforderlich sind, um einzelne Kondensatoreinheiten aus dem Band zu erhalten. Durch die Schnittlinien 22 und 23 wird die Schichtung freigelegt, so daß die Elektrodenschichten abwechselnd auf beiden Seiten zutage treten, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Elektrische Anschlüsse an diesen die Flächen ergeben/Zuleitungen für die einzelnen Kondensatoreinheiten und können durch Aufsprühen oder Tauchen dieser Kanten in ein härtbares leitendes Material erhalten werden. Es kann hier bei den einzelnen Kondensatoreinheiten die gleiche Technik verwendet werden, wie sie bei den Wickelkondensatoren bekannt ist, um stirnseitige Elektrodenanschlüsse anzubringen. Die Anzahl der dielektrischen Schichten, die in dieser Weise nacheinander erzeugt werden können, kann SQO oder noch mehr betragen. Wenn man bedenkt, daß die typische Dicke S nach Figur 2 sehr gering ist, ergibt sich eine Gesamtdicke des ungekapselten Kondensators von etwa 0,15 mm.
• Ein Kondensator, der unter Verwendung des Verfahrens ge-Räß der Erfindung hergestellt wurde, hatte eine Breite in der Größenordnung von 7,5 mm und eine Länge von etwa 15,6 mm, welche gewählt wurde, um die genormten Abmessungen von integrierten Schaltungen einzuhalten. Insbesondere stimmen diese Abmessungen überein mit der Grösse eines DIP Moduls mit 14 Anschlüssen. Auch die Dicke von 0,15 mm paßt sich diesen Erfordernissen an.
• Ein solcher typischer Kondensator hat eine Kapazität von 2 4 Mikrofarad (3,2 Mikrofarad pro cm oder ungefähr 192 Mikrofarad pro cm3) bei 5 oder 10 Volt Betriebsgleichspannung.
• Als Material zum Vakuumaufdampfen der Elektroden sind die verschiedensten Materialien geeignet, jedoch ist metallisches Aluminium besonders geeignet.
• Als Band für den Trager des ersten Elektrodenüberzuges wird vorzugsweise Polyester, Polypropylen, Polycaprolaktam oder Kraftpapier verwendet, das eine Dicke zwischen 0,002 und 0,125 mm hat. Die Breite der Ausgangsrollen eines solchen Trägers kann geeignet gewählt werden. Im Handel erhältliche Breiten liegen zwischen 100 mm und 1200 mm.
• Das aufzudruckende Material kann in seinem Feststoffgehalt variieren, wobei ein Gehalt von 17 % an Feststoffen nur eine typische Mischung für ein wasserlösliches Polyestermaterial darstellt, wie es zuvor beschrieben wurde.
• Bei der Verwendung von Polypropylen, Polycarbonat oder anderen dielektrischen Stoffen kann dieser Prozentsatz abgewandelt werden. Wesentlich für die Bencsung des Feststoffgehaltes ist der Grad des Ausbreitens der Punkte, die durch die Druckwalze aufgedruckt wurden, denn diese müssen sich miteinander vereinigen, um eine homogene Schicht, wie benötigt, zu erhalten. Es ist daher eine empirische Einstellung des Gehaltes an Feststoffen erforderlich, abhängig vom Trägermaterial , von der Druckgeschwindigkeit und anderen Einflüssen.
• Das Aufbringen des Elektrodenmaterial muß im Vakuum vorgenommen werden, während das Aufdrucken des dielektrischen Materialsbei normalem Luftdruck vor sich geht.
• Verzeichnis der Bezugszeichen 10 Band 11, 12 Streifen 13 Vorratsrolle 14 Aufwickelrolle 15 Vorratsgefäß 16 Druckwalze 17 Abstreifmesser 18 Andruckrolle 19 Umlenkwalze 20 Umlenkrolle 21 Trockenofen 22, 23 Schnittlinie S Dicke des Dielektrikums t Dicke des Elektrodenmaterials 12 Ansprüche 1 Blatt Zeichnung

Claims (12)

1. Ansprüche Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren geringer Größe durch abwechselndes Aufbringen von Mustern aus leitendem Material und kontinuierlichen Schichten aus dielektrischem Material auf einen relativ dünnen Träger, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine aus einzelnen Streifen bestehende Schicht aus leitendem Material durch Aufdampfen im Vakuum erzeugt wird, daß ein festes dielektrisches Material in einer Flüssigkeit so verteilt wird, daß sich ein relativ großes Verhältnis von Flüssigkeit zu Feststoff ergibt und die Mischung relativ wenig Feststoff enthält und daß diese Mischung auf die leitende Schicht nach dem Tiefdruckverfahren aufgedruckt wird.
2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger nach jedem Aufdrucken von dielektrischem Material durch einen Trockenofen geführt wird.
3. 3.) Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtkondensatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulsion von dielektrischem Polyestermaterial in wäßriger Lösung aufgedruckt wird.
4. 4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufdrucken mit einer geätzten Druckwalze vorgenommen wird, die mit der das Dielektrikum in feiner Verteilung enthaltenden Flüssigkeit beschichtet wird, und von der die Flüssigkeit anschließend so entfernt wird, daß nur noch die geätzten Vertiefungen der Druckwalze damit gefüllt sind.
5. 5.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten der Druckwalze mit der das dielektrische Material enthaltenden Flüssigkeit, das Abwischen der überschüssigen Flüssigkeit und das Aufdrucken des dielektrischen Materials auf den Träger mit vorbestimmtem Druck in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt wird.
6. 6.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der überschüssigen Flüssigkeit mit einem Abstreifmesser vorgenommen wird.
7. 7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger nach dem Druckprozess und vor dem Wiederaufrollen einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
8. 8.) Vorrichtung zur Auführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Tiefdruckwalze enthält, welche auf ihrer Oberfläche eine relativ große Zahl von ausgeätzten Vertiefungen besitzt, Mittel, um das Trägerband kontinuierlich über die Tiefdruckwalze zu führen, wobei weitere Mittel vorgesehen sind, um einen vorbestimmten Kontaktdruck zwischen der Tiefdruckwalze und dem Trägerband aufrechtzuerhalten, Mittel, um kontinuierlich eine Lösung oder Suspension von dielektrischem Material auf die Tiefdruckwalze aufzubringen und Mittel, um die überschüssige Lösung oder Suspensiondso von der Oberfläche der Tiefdruckwalze zu entfernen, daß diese nur in den ausgeätzten Vertiefungen verbleibt, wobei diese Mittel zwischen/tlSteln zum Drucken und den Mitteln zum Aufbringen der Lösung oder der Suspension auf die Tiefdruckwalze angeordnet sind.
9. 9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Vorratsrolle und eine Aufnahmerolle für das Trägerband vorgesehen sind und daß die Mittel zum Bewegen des Trägerbandes, zum Aufbringen einer dielektrischen Suspension oder Lösung und zum Abstreifen der überschüssigen Suspension oder Lösung zwischen der Vorratsrolle und der Aufwickelrolle angeordnet sind.
10. 10.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Bewegungsrichtung des Bandes hinter der Tiefdruckwalze Trokkenmittel vorgesehen sind.
11. 11.) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trockenmittel in einer Heizvorrichtung bestehen, die vor der Aufwickelrolle angeordnet ist.
12. 12.) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und Tiefe der ausgeätzten Vertiefungen auf der Tiefdruckwalze und das Verhältnis von Flüssigkeit zu Feststoff in der Lösung oder Suspension von dielektrischem Material so gewählt sind, daß auf die Oberfläche des Bandes zunächst eine große Anzahl von Punkten aufgedruckt wird, die sich anschliessend so weit verbreitern, daß sie sich vollkommen miteinander vereinigen, so daß eine relativ gleichmäßige dünne Schicht der Dielektrikumsmischung erhalten wird und daß die Flüssigkeit durch die Trockenmittel entfernt wird, so daß eine gleichmäßige dünne Schicht aus dielektrischem Material auf dem Trägerband erhalten wird.