DE3619503A1

DE3619503A1 - Tantal-anodenkoerper

Info

Publication number: DE3619503A1
Application number: DE19863619503
Authority: DE
Inventors: William Bryson Greenville S.C. Snyder jun.
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-06-10
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4574333A; JPS61288412A; GB2176656B; GB8614179D0; JPH084060B2; CA1267301A; GB2176656A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tantal-Anodenkörper nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1, wie sie insbesondere für Festkörper-Elektrolytkondensatoren verwendet werden.

Festkörper-Elektrolytkondensatoren sind im Stand der Technik bestens bekannt und z.B. in den US-Patenten 3 166 693 und 2 936 514 dargestellt und beschrieben.

Die in derartigen Vorrichtungen verwendeten Anodenkörper werden im allgemeinen hergestellt in dem Körper aus gepreßtem Puder eines eloxierbaren Metalles, z.B. Tantal. Die gepreßten, porösen ungesinterten Tantalkörper werden danach aufgeheizt, um die Puderpartikel zu sintern und poröse gesinterte Anodenkörper aus Tantal zu bilden, welche als Anoden für Elektrolytkondensatoren verwendet werden, wobei bekannte Verfahren zur Anwendung gelangen, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 093 883 beschrieben sind. Hierbei wird der gesinterte poröse Tantal-Anodenkörper eloxiert und mit einer Elektrolytschicht versehen, welche teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist, z.B. Silber oder Kupfer, um einen Kathodenanschluß vorzugeben. Ein Anodenanschlußdraht wird üblicherweise in den ungesinterten Anodenkörper vor der Sinterung und Eloxierung eingepreßt. Bei der üblichen Praxis ist der poröse gesinterte Tantal-Anodenkörper relativ dicht und weist z.B. eine Dichte von 6 bis 10 g/cm auf, und der Anoden-Anschlußdraht ist mechanisch fest und metallurgisch mit dem gesinterten Anodenkörper verklebt, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Anschlußdraht und dem gesinterten Anodenkörper einwandfrei ist.

In jüngerer Zeit ist es aus wirtschaftlichen Gründen wichtig geworden, den Anteil an Tantal, der bei dem Anodenkörper benutzt wird, auf ein Maß herabzusenken, der gerade noch eine befriedigende elektrische Leistung

gestattet. Dies ist verwirklicht worden durch die Verwendung von Tantalpuder, das aus sehr kleinen flockenförmigen Partikeln (0,5 bis 0,1 μ Dicke) aus Tantal gebildet wird, die einen großen Oberflächenbereich, z.B. 0,2 bis 0,5 m /g, im Vergleich zu den zuvor verwendeten Pulvern aufweisen, die einen Oberflächenbereich von lediglich 0,05 m /g und eine mittlere Partikelgröße von bis 10 μ aufwiesen. Die Verwendung solcher Puder mit großer Oberfläche und kleiner Partikelgröße führte zu gesinterten Anodenkörpern mit einer sehr geringen Dichte im Bereich von ungefähr 3 bis 5 g/cm . Die gewünschte elektrische Kapazität ist mit solchem Tantalpuder mit großer Oberfläche und geringer Partikelgröße erzielbar; die Befestigung des Tantal-Anschlußdrahtes mit solchen Anodenkörpern geringer Dichte durch herkömmliche Preßverfahren hat jedoch zu bedeutenden Schwierigkeiten geführt. So ist z.B. die Klebestärke der Befestigung im allgemeinen gering und als Folge davon werden oftmals die elektrischen Eigenschaften des Kondensators nachteilig beeinflußt.

μ Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tantal-AnodenkÖrper mit geringer Dichte vorzugeben, der eine einwandfreie mechanische und elektrische Verbindung eines eingepreßten Anschlußdrahtes gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

•Ό Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 2a gesinterte Tantal-Anodenkörper nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4, 5 Diagramme zur Darstellung der Eigenschaften des Tantal-Anodenkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ein Tantal-Anodenkörper gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus ungesinterten Tantalpartikeln gebildet, die zu einer Dichte von ungefähr 3 bis 5 g/cm um einen Tantal-Anschlußdraht gepreßt werden, der eine Nickelbeschichtung mit einer Dicke von ungefähr 500 Ä bis 5000 Ä aufweist.

Gemäß Fig. 1 wird im Stand der Technik ein Tantal-Anschlußdraht 10 in einen porösen ungesinterten Tantal-Anodenkörper 20 eingepreßt, der eine Dichte von ungefähr 6 g/cm^ und höher aufweist. Eine gute mechanische und elektrische Verbindung ist gewährleistet nach der Sinterung durch die relativ großen (10 bis 50 u) Partikel 30 aus Tantal, die eine relativ geringe Oberfläche aufweisen und gleichachsig ausgerichtet sind. Die Partikel 30 bleiben im wesentlichen stabil während der Sinterung und deformieren sich nicht leicht unter Beanspruchung und sie geben viele große starke Befestigungspunkte für den eingepreßten Anschlußdraht 10 vor. Der Anodenkörper 20 weist typischerweise einen Durchmesser von 2,54 mm bis 7,62 mm und eine Höhe von 2,54 mm bis 15,24 mm auf, wobei der Anschlußdraht einen Durchmesser von 0,254 mm bis 0,762 mm aufweist.

Um kostspieliges Tantalmetall zu sparen und die Größe und das Gewicht eines vorgegebenen Kondensators zu reduzieren, sind Versuche unternommen worden, Tantalpuder mit großem Oberflächenbereich zu verwenden, um Anodenkörper mit geringer Dichte zu bilden, da die Kapazität direkt in Beziehung zu dem Oberflächenbereich der Tantalpartikel steht. Ein üblicherweise verwendetes Puder mit großem

Oberflächenbereich ist charakterisiert durch eine sehr geringe Partikelgröße (ungefähr 1 μ Dicke) und dünne plättchenförmige Flocken von Tantal. Figur 2 veranschaulicht die Probleme, die im Stand der Technik bei der Befestigung eines Anschlußdrahtes mit Tantal-Anodenkörper geringen Schüttgewichtes angetroffen werden, wobei Puder 30' mit großem Oberflächenberexch verwendet werden. Die Probleme werden immer ernsthafter, wenn die Dichte auf 3 bis 5 g/cm³ herabgemindert wird. Das Schüttgewicht von Festkörper-Tantal ist 16,6 g/cm ; daher bestehen solche ungesinterten Tantal-Anodenkörper geringer Dichte aus ungefähr 30 % Metall und 70 % Hohlraum. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 kontaktieren weniger Partikel 30' den Anschlußdraht 10', um ihn an Ort und Stelle zu halten und bei der Sinterung des Anodenkörpers reduziert der geringere Kontaktbereich mit dem Draht 10' gemäß Fig. 2a die Klebestärke und die elektrischen Eigenschaften. Die flockenförmigen Partikel 30" mit großem Oberflächenbereich werden leichter deformiert als die gleichachsigen Partikel und dieser Faktor trägt zum Lösen der Anodenleitungen zur geringen Klebestärke zwischen dem Draht und dem gesinterten Pulver und zur geringen elektrischen Gesamtleistung bei, da die dünnen und kleinen Partikel 30' teilweise während der Sinterung schmelzen und sich zusammenziehen, um Leerräume 50 in dem Anodenkörper 20' zu bilden. Die Partikel 30' sind flexibel und schwach und halten den Draht 10' nicht starr an Ort und Stelle. Die Leerräume 50 sind störend bezüglich der elektrischen Eigenschaften und führen zu hohen Leckströmen des Kondensators.

Gemäß Fig. 3 ist eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und sie umfaßt einen ungesinterten Tantal-Anodenkörper 20" mit geringer Dichte, der aus Tantalpartikel 30" gebildet ist, die um einen Tantal-Anschlußdraht 10" gepreßt sind, der eine Umfangsbeschichtung 55 aus Nickel mit einer Schichtdicke

von ungefähr 500 Ä bis 5000 Ä aufweist.

Das Pulver 30' ist im Hinblick auf einen großen Oberflächenbereich ausgewählt und demzufolge besitzt es eine Fähigkeit, eine hohe Ladungsdichte vorzugeben (z.B. besitzt das Tantalpulver einen mittleren Partikeldurchmesser nach Fisher von ungefähr 2, einen Oberflächenbereich von ungefähr 0,5 m^/g _und ein Schüttgewicht nach Scott von ungefähr 20 g/16,386 cm , wobei ein solches Pulver als Pl-18 von Hermann C. Starck, Inc., Berlin erhältlich ist). Ein Binder wird dem Pulver 30" zugefügt, um es zu schmieren und eine entsprechende Stärke für den ungesinterten Körper vorzugeben. Das Pulver 30" mit großem Oberflächenbereich wird zu einer gewünschten geringen Dichte (z.B. 4,0 g/cm ) um einen nickelbeschichteten Anschlußdraht 10" gepreßt und danach bei einer Temperatur (z.B. 1600°C/l5 min) gesintert, um den Tantal-Anschlußdraht 10" mit den benachbarten Tantalpartikeln 30" metallurgisch und elektrisch zu verkleben.

Das durch die Verwendung eines mit Nickel beschichteten Tantal-Anschlußdrahtes gemäß der vorliegenden Erfindung erzielte Ergebnis ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt, woraus sich ein guter Klebekontakt und elektrischer Kontakt der Tantalpartikel 30" mit dem Tantal-Anschlußdraht 10" ergibt.

Bei der praktischen Ausübung der vorliegenden Erfindung ist der Tantal-Anschlußdraht 10" mit einer Beschichtung 55 aus Nickel mit einer Dicke von ungefähr 500 Ä bis 5000 Ä versehen, wobei herkömmliche Verfahren, z.B. die Zerstäubung zur Anwendung gelangen. Andere Verfahren, wie beispielsweise eine Vakuumablagerung, eine elektrische und elektrofreie Plattierung, der Abbau von Nickelharzen können ebenfalls verwendet werden. Während der Sinterung gestattet

die Nickelbeschichtung eine starke Verklebung des Anschlußdrahtes mit dem Anodenkörper. Das Nickel verschwindet virtuell im Laufe der Sinterung und kann nur durch hoch ausgeklügelte Verfahren, z.B. die Anwendung eines Auger-Spektrometers festgestellt werden, so daß es nicht nachteilig die elektrischen Eigenschaften des Kondensators beeinflußt.

Die Klebestärke, die sich durch die Verwendung eines nickelbeschichteten Anschlußdrahtes bei zu einer Dichte von 3,5 g/cm verpreßten Anodenkörpern ergab, wurde durch einen herkömmlichen Ziehtest festgestellt, wobei die Kraft gemessen wurde, die erforderlich war, um den Anschlußdraht aus dem Anodenkörper zu entfernen. Die erzielten Ergebnisse sind in dem Diagramm gemäß Fig. 4 dargestellt, welches zeigt, daß die Klebestärke im wesentlichen bei einer Schichtdicke von 1000 K und höher anwächst. Die Ergebnisse der elektrischen Tests sind in dem Diagramm gemäß Fig. 5 veranschaulicht, aus dem die wesentliche Verbesserung der Leckstromeigenschaften für eine Schichtdicke von 1000 K und höher hervorgeht. Eine Nickelbeschichtung mit einer Stärke größer als 3000 Ä hat zu einer verminderten Klebestärke und zu verminderten Leckstromeigenschaften geführt.

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Claims

Patentanspruch

Tantal-Anodenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Tantalpartikel (30") mit großer Oberfläche besteht, die zu einer Dichte von ungefähr 3 bis 5 g/cm um einen Tantal-Anschlußdraht verpreßt sind, der mit einer Nickelschicht mit einer Schichtdicke von 500 Ä bis 5000 K versehen ist.