DE3824677A1

DE3824677A1 - Festelektrolytkondensator

Info

Publication number: DE3824677A1
Application number: DE19883824677
Authority: DE
Inventors: Horst Fickelscher; Edwin Oldekop
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1990-01-25

Description

Die Erfindung betrifft einen Festelektrolytkondensator mit einem in Form eines Hohlzylinders gesinterten Anodenkörper aus einem Ventilmetall, einer auf dem Anodenkörper angeordneten als Di elektrikum dienenden Oxidschicht, einer halbleitenden als Katho de wirkenden Elektrolytschicht sowie Stromzuführungen für die Anode und Kathode.

Ein derartiger Elektrolytkondensator ist aus der US-PS 33 45 545 sowie "Proceedings of the 1968 Electronic Components Conference", Washington, D.C., 8. bis 10. Mai 1968 (New York IEEE 1968), S. 38 bis 43 bekannt. Dort ist angeführt, daß die beschriebene Hohlzylinderform gegenüber einem vollzylindrischen Körper Ver besserungen hinsichtlich des Verlustfaktors, der Kapazitätskon stanz bei variierenden Temperaturen und Frequenzen insbesondere im Audio-Frequenzbereich aufweist. Angaben über Abmessungen sind in den genannten Druckschriften nicht enthalten. Man war jedoch der Ansicht, daß wegen der Impedanzverluste die Wand stärke des Hohlzylinders möglichst groß zu wählen sei.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den eingangs genann ten Kondensator derart weiterzubilden, daß eine weitere Ver besserung seiner elektrischen Werte und insbesondere seiner Betriebsspannung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wand stärke des Hohlzylinders ≦ 2 mm beträgt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angeführt.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Anodenkörper,

Fig. 2 zwei koaxial gekoppelte Anodenkörper,

Fig. 3 elektrische Werte eines 600µF/6 V Kondensators,

Fig. 4 elektrische Werte eines 80µF/80 V Kondensators und

Fig. 5 elektrische Werte eines 24µF/80 V Kondensators.

In der Fig. 1 ist ein Sinterkörper 1 in Form eines Hohlzylinders dargestellt, der einen Außendurchmesser 2R und eine Wandstärke s in der Größenordnung ≦ 2 mm aufweist. Die Höhe des Sinterkör pers 1 ist mit h bezeichnet. Der Sinterkörper 1 besteht aus ei nem Ventilmetall, vorzugsweise aus Tantal, wobei auf dem Metall durch einen geeigneten Formierprozeß eine dielektrisch wirksame Oxidschicht (z.B. Ta₂O₅) erzeugt wurde. Als Kathode dient vor zugsweise eine halbleitende Mangandioxidschicht, die z.B. durch wiederholtes Tauchen des Sinterkörpers 1 in mangannitrathaltige Lösungen mit anschließender Pyrolyse hergestellt wird. Die Ka thode wird dann mit einer Kathodenkontaktierung (z.B. Leitlack und Graphit) versehen, an die eine in der Fig. 1 nicht dargestell te Kathodenzuführung angebracht ist.

In den Anodenkörper 1 sind Anodenzuführungsdrähte 2, 3 einge sintert, die vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie der Sin terkörper 1 bestehen.

Mit zunehmenden Anodendurchmesser und zunehmender spezifischer Ladung des zur Sinterkörperherstellung benutzten Tantalpulvers fällt die Durchbruchsspannung bei der anodischen Oxidation. Da durch ist der Bau größerer Sinterkörper mit hoher Arbeitsspan nung begrenzt und der wirtschaftliche Einsatz hochkapazitiver Pulver für Kondensatoren mit großer Ladung verhindert.

Mit zunehmenden Durchmesser der Sinterkörper begrenzen weiterhin Probleme der Wärmeabfuhr die Formiergeschwindigkeit, wobei die Spülzeiten zur rückstandsfreien Entfernung des Formierelektroly ten steigen (näherungsweise proportional zum Quadrat des Sinter körperradius).

Bei der Imprägnierung mit konzentrierten Mangannitratlösungen zur Pyrolyse werden für Anoden der Gehäusegröße D (ca. 7,0 mm Außendurchmesser der Sinterkörper) ca. 5 Minuten anstelle von wenigen Sekungen bei Anoden für die Gehäusegröße A (ca. 1,5 mm Außendurchmesser) benötigt.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß Sinterkörper für die Gehäusegrößen C (ca. 5,0 mm Außendurchmesser) und D ab ca. 1 kHz einen Kapazitätsabfall mit zunehmender Frequenz aufweisen.

Schließlich sind niedrige dielektrische Verluste tan δ _ox und niedrige ESR-Werte erwünscht, die insgesamt niedrige Verluste tan δ bewirken und damit höhere Wechselstrombelastungen ermög lichen.

Aus den genannten Gründen war ein wirtschaftlicher Einsatz von Tantalpulvern hoher spezifischer Ladung für große Kapazitäten und hohe Arbeitsspannungen bisher nur auf die Gehäuseabmessun gen A und B (ca. 3,0 mm Außendurchmesser) und auf niedrige Ar beitsspannungen begrenzt.

Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit Wandstärken ≦ 2 mm, vorzugsweise ≦ 1 mm, gestattet die Erweiterung des Spek trums an Tantalkondensatoren der Gehäusegrößen C und D sowohl zu höheren Arbeitsspannungen als auch zu größeren Kapazitäts werten.

Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform zeichnet sich ferner durch wesentlich verbesserte elektrische Eigenschaften (dielektrische Verluste tan δ _ox, ESR, tan δ, Kapazitäts-Fre quenzgang, Kapazitäts-Temperaturgang) aus.

Ferner werden Verfahrensverbesserungen bei der anodischen Oxi dation, bei der Ausspülung des Formierelektrolyts und bei der Pyrolyse der Sinterkörper erreicht.

Es ergeben sich gleich ähnlich günstige Eigenschaften, wie bei Flach-Anoden, was höhere Formierspannungen, größere Formierge schwindigkeiten, schnellere und gründlichere Entfernung der For mierelektrolyte und eine Reduzierung der Imprägnierzeit für kon zentrierte Mangannitratlösungen von ca. 3 bis 5 Minuten auf ca. 15 bis 30 Sekunden bedeutet. Hierdurch werden wesentliche Fort schritte in der Rationalisierung der Herstellung und der Verfah renstechnik ermöglicht.

Weil die Wandstärke s der Hohlzylinder um so geringer ausfallen kann, je höher kapazitive Tantalpulver eingesetzt werden, sind in Umkehrung der bisherigen Praxis mit der dargestellten Aus führungsform nach Fig. 1 hochkapazitive Tantalpulver besonders geeignet zum Einsatz in Kondensatoren der Gehäusegrößen C und D und erlauben so eine besonders wirtschaftliche Fertigung mit wesentlich reduziertem Pulvereinsatz in der Größenordnung bis 50%.

Ebenso kann für Elektronenstrahlpulver mit geringer spezifischer Ladung die Arbeitsspannung für Kondensatoren der Gehäusegrößen C und D erhöht werden.

Infolge der praktisch verdoppelten Ankopplungsfläche (innere Mantelfläche) und wegen der kürzeren Verbindungswege zwischen Anode und Kathode (Lot, Leitlack) ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften hinsichtlich der Verluste tan δ, dem Serienwiderstand ESR und der Frequenz stabilität der Kapazität.

Überraschenderweise ergeben auch die dielektrischen Verluste tan δ _ox und damit die Temperaturabhängigkeit der Kapazitäts werte eine beträchtliche Verbesserung.

Ebenfalls erhöht ist der Bedeckungsgrad und damit die Kapazi tätsausbeute des Festelektrolytkondensators.

In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform mit zwei koaxial gekoppel ten Hohlzylindern 1, 4 dargestellt, welche die bisherigen Gren zen für Tantalelektrolytkondensatoren bezüglich Kapazität und Arbeitsspannung bei gleichzeitiger Verbesserung der elektrischen Eigenschaften beträchtlich erweitert. Die Sinterkörper 1, 4 sind mit anodischen Zuleitungsdrähten 2, 3 bzw. 5, 6 versehen.

Ausführungsbeispiele

Drei verschiedene Tantalpulver mit unterschiedlicher spezifischer Ladung wurden zu gewichtsgleichen Hohlzylindern gemäß Fig. 1 oder normalen zylinderförmigen Vergleichsanoden gepreßt, jeweils zu sammen gesintert und in 1%iger H₃PO₄ bei 90°C mit 20µA/µC bis zum elektrischen Durchschlag formiert.

Die Werte der Durchschlagsspannung U _D sowie der Abmessungen und des Gewichts sind für die Hohlzylinder mit I und für die Voll zylinder mit II bezeichnet.

Tabelle 1

Der Tabelle ist zu entnehmen, daß die Hohlzylinder wesentlich höhere Durchschlagsspannungen als die Vollzylinder aufweisen.

Weiterhin wurden aus Tantalpulver mit einer spezifischen Ladung von 14 800µC/g Hohlzylinder und vergleichsweise Vollzylinder für 6,3 V und 40 V Betriebsspannung hergestellt. Abmessungen und Gewichte entsprachen denen in Tabelle 1, Zeile 1 angegebenen Werten.

In der folgenden Tabelle 2 sind die elektrischen Werte der hohlzylinderförmigen Anodenkörper I und der vollzylindrischen Anodenkörper II angeführt. In Tabelle 3 sind elektrische Wer te für eine Formierspannung von 140 V angeführt, wobei bei den vollzylindrischen Sinterkörpern alle Anoden durchgeschlagen wa ren.

Tabelle 2

Tabelle 3

Aus der Tabelle 3 ist zu entnehmen, daß Kondensatoren für die Gehäusegröße D für 40 V Betriebsspannung mit hochkapazitiven Tantalpulver nur als Hohlzylinder mit Wandstärken ≦ 2 mm gebaut werden können.

Aus Tabelle 2 folgt ferner, daß der frequenzabhängige Kapazi tätsabfall bei einem Anstieg der Meßfrequenz von 120 Hz auf 1 kHz bei Hohlzylindern mit Wandstärken ≦ 2 mm 0,5% beträgt (von 618 auf 615µF) wogegen der Kapazitätsabfall gemäß den in der DU-PS 33 45 545 beschriebenen Kondensatoren bei einem Kapazi tätswert von 330µF ca. 1,2% beträgt (siehe Tabelle 1 in Spalte 4 der US-Patentschrift).

In der Fig. 3 sind Meßwerte der Frequenzeigenschaften der Kapa zität C/µF, des Verlustfaktors tan δ, des Ersatzserienwider standes ESR und des Scheinwiderstandes Z für Kondensatoren der Nenndaten 600µF/6 V gemäß Tabelle 2 dargestellt. Die Werte für die Hohlzylinderform I sind gepunktet und die Werte für die Voll zylinderform II sind ausgezogen dargestellt.

In der Fig. 4 sind die in der Tabelle 3 angeführten Hohlzylinder kondensatoren der Nenndaten 80µF/40 V angeführt.

In der folgenden Tabelle 4 sind elektrische Werte für Kondensa toren wiedergegeben, die aus Tantalpulvern unterschiedlicher spezifischer Ladung gepreßt wurden. Die Wandstärke der Hohlzy linderkörper I betrug s = 1 mm, denen vollzylindrische Anoden II gegenübergestellt sind. Die jeweiligen Körper wurden zusam men gesintert, in 1% H₃PO₄ bei 90°C mit 20 µA/µC bis zum elektrischen Durchschlag formiert.

Tabelle 4

Kondensatoren mit hohlzylinderförmigen Anoden für 80 V Betriebsspannung wurden aus Tantalpulver der spezifischen Ladung 5100 µC/g hergestellt. Die vollzylindrischen Normalanoden konnten nicht auf die notwendige Formierspannung von 255 V formiert werden, wogegen die Durchschlagsspannung bei Hohlzylinderkörpern 362 V (gegenüber 176 V für Normalanoden) beträgt.

Weiterhin sind in der folgenden Tabelle 5 elektrische Meßwerte für Elektrolytkondensatoren mit hohlzylinderförmigen Anodenkörpern der Wandstärke s = 1 mm mit einer Betriebsspannung von 80 V aus Tantalpulver mit einer spezifischen Ladung von 5100 µC/g dargestellt.

Formierspannung\|225 V
Kapazität 120 Hz	24 µF
tan δ 120 Hz	1,4%
ESR (Ω)	0,24

In der Fig. 5 sind die zugehörigen Frequenzeigenschaften der in Tabelle 5 angeführten 24µF/80 V-Kondensatoren dargestellt.

Wie den Tabellen und den Fig. 3 bis 5 zu entnehmen ist, zeich nen sich Kondensatoren mit hohlzylinderförmigen Anodenkörpern, die eine geringe Wandstärke besitzen, durch wesentlich ver besserte elektrische Eigenschaften aus.

Claims

1. Fest-Elektrolytkondensator mit einem in Form eines Hohlzylin ders gesinterten Anodenkörper aus einem Ventilmetall, einer auf dem Anodenkörper angeordneten als Dielektrikum dienenden Oxid schicht, einer halbleitenden als Kathode wirkenden Elektrolyt schicht sowie Stromzuführungen für die Anode und Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand stärke s des Hohlzylinders (1, 4) ≦ 2 mm beträgt.

2. Fest-Elektrolytkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Hohl zylinders (1, 4) ≦ 1 mm beträgt.

3. Fest-Elektrolytkondensator nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Anoden körper (1, 4) zwei Stromzuführungen (2, 3; 5, 6) besitzt.

4. Fest-Elektrolytkondensator nach zumindest einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Anodenkörper (1, 4) aus Tantal besteht.

5. Fest-Elektrolytkondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenkörper aus hoch kapazitivem Tantalpulver hergestellt ist.

6. Fest-Elektrolytkondensator nach zumindest einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Anodenkörper aus mindestens zwei koaxial gekop pelten Hohlzylindern (1, 4) besteht.