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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Festkörperkondensatoren.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Kondensatoren des Typs,
bei dem pulverförmiges
Gleichrichtermetall einen hochporösen Anodenkörperteil eines Kondensators
bildet, eine elektrisch isolierende dielektrische Schicht durch
die poröse
Struktur des Anodenkörpers
gebildet wird und eine leitfähige
Kathodenschicht auf der dielektrischen Schicht hergestellt wird,
wobei diese Schicht dann elektrisch mit einem Kathodenanschluss
verbunden wird, wobei der Anodenkörper elektrisch mit einem Anodenanschluss verbunden
ist.
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In
der Beschreibung des US-Patents Nr 5 357 399 (Salisbury) wird ein
Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen von mehreren derartigen
Kondensatoren aus einer porösen
Tantal-Schicht beschrieben, die zu einem Tantal-Substrat gesintert
wird. Die Schicht wird bearbeitet, um so Anodenkörperabschnitte für jeden
Kondensator herzustellen. Nach der Verarbeitung wird eine obere
Platte (Substratdeckel) an die oberen Enden des fertiggestellten
Anodenkörpers
gebondet. Die Platte bildet einen Deckel, der nach Bearbeitung der
Schichtstruktur aus Substrat/ Anodenkörper/Platte zu dem Kathodenanschluss für jeden
Kondensator wird. In der britischen Patentanmeldung 9824442.9 wird
eine modifizierte Version des Verfahrens nach Salisbury beschrieben,
bei dem die räumliche
Dichte der hergestellten Kondensatoren optimiert wird, indem man
auf einen Substratdeckel als Kathodenanschluss bei jedem Kondensator verzichtet,
so dass dadurch das spezifische kapazitive Volumen erhöht wird.
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Die
obigen Verfahren ermöglichen
die Herstellung von sehr kleinen, aber sehr effizienten Kondensatoren.
Jedoch bleibt auf Grund der fortdauernden hohen Anforderungen an
das Design elektronischer gedruckter Schaltungen in Bezug auf Miniaturisierung
der Komponenten und Vereinfachung des Zusammenbaus derartiger gedruckter
Schaltungen die Notwendigkeit ebenso konstant bestehen, Kondensatoren
mit verbesserter räumlicher
Dichte und kleinerer Komponentenfläche (oder Bodenmaßen) auf
der gedruckten Schaltung herzustellen. Speziell besteht Bedarf an
einem Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren mit einem niedrigen
Profil auf einer gedruckten Schaltung, in manchen Fällen mit
einer Dicke von weniger als 1 mm.
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Die
vorliegende Erfindung soll zur Schaffung von verbesserten Kondensatoren
und verbesserten Verfahren zur Herstellung derartiger Kondensatoren beitragen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen von Festkörperkondensatoren
angegeben, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen
eines elektrisch leitfähigen
Substrats; Bilden von mehreren porösen Körpern mit Gleichrichtermaterial
auf einer Oberfläche
des Substrats, wobei die Körper
jeweils eine von dem Substrat entfernte obere Fläche aufweisen; Bilden einer
elektrisch isolierenden dielektrischen Schicht über den Körpern; Bilden einer leitfähigen Kathodenschicht über der
isolierenden Schicht auf den Körpern
und Unterteilen des Substrats in Kondensatorabschnitte, wobei jeder
Abschnitt einen Körper
und einen Substratabschnitt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Endbereich jedes Körperabschnitts,
der sich entfernt von dem Substrat befindet, mit einer Plattform
versehen wird, die gegenüber
dem Rest des Endbereichs lokal angehoben ist, wobei die Plattform
eine Kathodenanschlussstelle beim fertig gestellten Kondensator
bietet und der Substratabschnitt eine Anodenstelle bietet.
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Die
Plattform kann bestehen aus oder zusammengesetzt sein aus porösem Gleichrichtermaterial,
aus dem die Körper
hergestellt werden. In diesem Fall kann die Plattform durch Bilden
der Plattform aus ungesintertem oder nachgesintertem Material hergestellt
werden, wobei die Körper
integral mit der Plattform hergestellt werden. Vorzugsweise wird die
Plattform durch Grünguss
der Körper
gebildet.
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Alternativ
kann die Plattform durch Bearbeitung der gesinterten Körper gebildet
werden. Bei einem weiteren Verfahren wird die Plattform durch Bilden
der Plattform aus ungesintertem Material auf vorgeformten Körpern gebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Plattform ein festes leitfähiges Material.
In diesem Fall kann die Plattform planar als Rahmen oder Gitter
auf die oberen Endbereiche der Körper
auf dem Substrat aufgebracht werden, wobei der Rahmen oder das Gitter
anschließend
als individuelle Plattform für
jeden Körper
gebildet wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Plattform aus einem leitfähigen Material hergestellt, das
als Beschichtung oder sich verfestigende Paste aufgebracht wird,
um die Plattform zu bilden.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird fast immer das Einkapseln jedes Kondensatorkörperabschnitts
in einem isolierenden Schutzmaterial umfassen, so dass ein äußerer Oberflächenabschnitt
des Substrats und ein äußerer Oberflächenabschnitt
der Plattform frei bleibt.
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Es
kann wünschenswert
sein, einen Kondensator herzustellen, bei dem Anoden- und Kathodenpole
auf der gleichen Seite oder Fläche
des Kondensators angeordnet sind. Daher wird bei einer noch weiteren
Ausführungsform
der Erfindung eine leitfähige
Brücke
zu jedem Kondensator hergestellt, so dass die Anodenanschlussstelle über wenigstens
einen Abschnitt der Einkapselungsschicht hinaus verlängert wird.
Vorzugsweise beinhaltet der Abschnitt der Einkapselungsschicht,
zu der sich die leitfähige Brücke erstreckt,
einen Bereich, der sich neben der Plattform an der Kathodenstelle
befindet, so dass der elektrische Anoden- und Kathodenanschlusskontakt zu
den Kondensatoren auf einer gemeinsamen Seite jedes Kondensators
bei den Anschlüssen
hergestellt werden kann, der Plattform und dem eingekapselten Bereich
neben der Plattform entsprechend. Die leitfähige Brücke kann aus einer leitfähigen Endkappe hergestellt
werden, die an einer Seitenwand des Kondensatorabschnitts angebracht
wird, wobei die Endkappe das Substratende des Kondensators und den eingekapselten
Abschnitt des Endes der Plattform des Kondensators überdeckt.
Bei einem bevorzugten Aufbau umfasst die leitfähige Brücke zwei Endkappen, die an
den gegenüberliegenden
Seitenwänden angebracht
sind, so dass zwei Anodenanschlusskontakte gebildet werden, einer
auf der Seite des Kondensators, das Plattformende des Kondensators überlappend.
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Typischerweise
erhalten die Plattformen die Form rechteckiger, kreisförmiger oder
ovaler Fahnen oder Stufen. Es ist von Vorteil, wenn die Plattform
allgemein zentral auf einem vom Substrat entfernten Ende jedes Körpers angeordnet
ist. Bei einer Ausführungsform
befindet sich die Plattform auf einem Seitenbereich des vom Substrat
entfernten Endes von jedem Körper.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung werden zwei oder mehr lokal angehobene
Plattformen auf dem entfernten Ende jedes Anodenkörpers gebildet,
so dass zwei oder mehr Kathodenanschlussstellen an jedem Körper gebildet
werden.
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Allgemein
werden die Körper
auf dem Substrat in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet,
und das Trennen umfasst das Schneiden entlang der Zeilen und Spalten,
wie es allgemein in diesem Gebiet bekannt ist.
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Der
letzte Verarbeitungsschritt ist gewöhnlicherweise ein Anschlussprozess.
Bei diesem werden Lötmittel-kompatible
Beschichtungen auf die Kathodenanschlussstellen auf jeder Plattform
und die Kathodenanschlussstellen gebracht. Der Anschlussprozess
kann die Flüssigbeschichtung
jeder Anschlusskontaktoberfläche
mit leitfähiger
Paste und das Aushärten
der Beschichtung umfassen. Außerdem
oder alternativ umfasst die Anschlussvorbereitung das Beschichten
mit Metall, um eine Schicht aus Metall oder Metallen auf den jeweiligen
Anschlussstellen zu bilden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung sollen außerdem strukturell neue und
erfinderische Kondensatoren geschaffen werden, die mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können.
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Dementsprechend
wird gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Festkörperkondensator
geschaffen mit einem elektrisch leitfähigen Substratelement; einem
porösen
Körper mit Gleichrichtermetall
auf einer Oberfläche
des Substrats; einer elektrisch isolierenden dielektrischen Schicht über der
freien Oberfläche
der Kathode und Anode; einer leitfähigen Kathodenschicht über der elektrisch
isolierenden Schicht auf dem Anodenkörper und dem Kathodenkörper, wobei
der Körper
eine von dem Substrat entfernte obere Fläche aufweist, wobei die Oberfläche durch
eine gegenüber
der benachbarten oberen Fläche
des Körpers
lokal angehobene Plattform gebildet wird, wobei die lokal angehobene
Plattform eine Kathodenanschlussstelle und das Substrat eine Anodenanschlussstelle
bietet.
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Vorzugsweise
wird der Körper
in einer Hülle aus
isolierendem Schutzmaterial eingekapselt, so dass ein äußerer Oberflächenabschnitt
des Substrats als Anodenstelle und ein äußerer Oberflächenabschnitt
der Plattform als Kathodenstelle frei bleibt.
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Eine
leitfähige
Brücke
kann sich zwischen der Anodenstelle und einem eingekapselten Oberflächenabschnitt
des Körpers
erstrecken, so dass eine Verlängerung
des Anodenanschlusskontaktes auf den eingekapselten Körperabschnitt
gebildet wird. Vorzugsweise ist der eingekapselte Oberflächenabschnitt,
in dem der Anodenanschlusskontakt gebildet wird, neben der Kathodenstelle
positioniert, die der Plattform entspricht, so dass Kontakte sowohl
von Anoden- als auch Kathodenanschluss zu einer gedruckten Leiterplatine
auf einer gemeinsamen Seite des Kondensators hergestellt werden
können.
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Die
leitfähige
Brücke
kann eine leitfähige Endkappe
umfassen, die auf einer Seite von jedem Kondensator angebracht ist.
Die Kappen können
als leitfähige
flüssige
Pastenbeschichtung aufgebracht werden, beispielsweise durch Eintauchen.
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Der
angehobene Plattformabschnitt kann durch Gießen der porösen Körper auf dem Substrat hergestellt
werden. Das Gießen
kann das Pressen mit einer weiblichen Guss- und Pressanordnung umfassen.
Alternativ oder zusätzlich
kann der angehobene Abschnitt durch Bearbeitung von vorgeformten Körpern hergestellt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
haben die Körper
jeweils eine im Allgemeinen flachere obere Seite, und der angehobene
Abschnitt nimmt die Form einer Stufe auf der Fläche an. Die Stufe kann allgemein
zentral auf der oberen Fläche
angeordnet sein. Alternativ kann die Stufe in einem Seitenbereich
der oberen Seite angeordnet sein.
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Das
Verfahren kann außerdem
eine Anschlussvorbereitung der freiliegenden Anoden- und Kathodenanschlusskontakte
umfassen, wobei die Vorbereitung die elektrische Lötverbindung
des Kondensators in einer elektrischen Schaltung vereinfacht.
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Typischerweise
werden die Körper
auf dem Substrat in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet,
und die Trennung umfasst das Schneiden entlang der Zeilen und Spalten.
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Die
Anschlussvorbereitung kann die Flüssigbeschichtung jeder Anschlusskontaktoberfläche mit einer
leitfähigen
Paste umfassen, wobei sich die Beschichtung verfestigt. Die Anschlussvorbereitung kann
außerdem
Elektrobeschichtung, Sputter-Beschichtung oder Dampfphasenabscheidung
auf jeder verfestigten Beschichtung umfassen, um eine Schicht aus
metallischem Material bei den jeweiligen Anschlüssen zu bilden.
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Das
Verfahren kann das Herstellen von Anschlusseinrichtungen auf den
Anschlussabschnitten der Kondensatoren umfassen, so dass die elektrische
Verbindung des Anoden- und Kathodenkörpers in einem elektrischen
Schaltkreis vereinfacht wird.
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Die
Anodenkörper
können
auf dem Substrat in Zeilen und Spalten angeordnet werden, und das Trennen
kann Schneiden entlang der Zeilen und Spalten beinhalten, um die
Kondensatoren zu trennen. Das Schneiden wird vorzugsweise entlang
einer Ebene oder Ebenen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht
zu der Ebene des Substrats durchgeführt. Das Schneiden kann Schleifen
beispielsweise mit einem Schleifrad beinhalten.
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Die
Kondensatorkörper
können
jeweils aus einer vorgefertigten Schicht aus dem porösen Gleichrichtermaterial
hergestellt werden, das für
das Substrat verwendet wurde. Die vorgefertigte Schicht kann bearbeitet
werden, um die Körper
herzustellen.
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Vorzugsweise
wird das Substrat vor dem Trennen mit einem isolierenden Schutzmaterial
versehen, das zwischen die Körper
eindringt, um die Seitenwände
der Körper
einzukapseln. Der Trennprozess umfasst das Schneiden entlang der
Kanäle, die
mit Schutzmaterial gefüllt
sind, so dass eine Seitenwand aus Schutzmaterial um jeden Anoden-
und Kathodenkörper
bei jedem Kathodenabschnitt zurückgelassen
wird. Das Isolatormaterial bedeckt außerdem vorzugsweise die obere
Seite der Körper,
anders als bei dem angehobenen Abschnitt. Alternativ kann man das
Einkapselungsmaterial auch die Körper
vollständig
bedecken. In diesem Fall wird eine obere Schicht aus Einkapselungsmaterial
(beispielsweise durch Bearbeitung) entfernt, um die Kathodenstellen
der Plattform freizulegen.
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Das
Schutzmaterial kann ein Harz sein, das als Flüssigkeit eingespritzt wird
und sich anschließend
setzt. Ein geeignetes Material ist Epoxy-Harz.
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Die
Anschlussbeschichtung kann mit einer Schicht aus Material erfolgen,
das eine Festkörperdispersion
leitfähiger
Partikel innerhalb einer Trägermatrix
umfasst. Die Anschlussbeschichtung kann außerdem eine Schicht aus metallischer
Plattierung beinhalten, wie zum Beispiel Nickel- oder Zinnschichten.
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Vorzugsweise
sind die jeweiligen freiliegenden Anschlussstellen auf den Kondensatoren
mit gleichen Anschlussseiten allgemein koplanar, so dass der Kondensator
auf einer flachen Oberfläche stehen
kann, wobei der Kathodenanschluss und der Anodenanschluss im Kontakt
sind mit der flachen Oberfläche.
Dies macht den Kondensator sehr geeignet für die Platzierung auf und Anbringung
an einer gedruckten Schaltung.
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Der
Anodenanschlusskörper
und der Anodenkörper
können
jeweils aus einer vorgefertigten Schicht aus porösem Gleichrichtermaterial hergestellt
werden, das auf dem Substrat aufgebracht wurde. Die Vorform kann
durch Beschichtung mit einer grünen,
ungesinterten Mischung aus Gleichrichtermetallpulver und Binder/Kleber
auf dem Substrat hergestellt werden. Die Grünmischung kann dann gesintert
werden, um das Pulver in eine feste, hochporöse Vorform zu bringen, wobei
der Binder/Kleber durch Waschen/Lösen des Binders aus den Körpern vor der
Sinterung entfernt wird.
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Die
Vorformschicht kann verarbeitet werden, um den Anodenanschlusskörper und
den Anodenkörper
herzustellen. Typischerweise können
longitudinale und seitliche Schleifschnitte eingesetzt werden, um
ein Netz aus rechteckigen Anoden- und Kathodenkörpern auf dem Substrat herzustellen,
separiert durch Bahnen, die dem Pfad des Schleifschnitts entsprechen.
Natürlich
können
je nach Bedarf komplexere Formen mit konventionellen Verarbeitungstechniken
hergestellt werden.
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Die
Isolatorschicht kann eine dielektrische Schicht aus einem Oxid des
Gleichrichtermetalls sein, das beispielsweise mittels konventioneller
Anodisierungstechniken hergestellt wird, um graduell ein Oxid mit
der gewünschten
Dicke und Konsistenz herzustellen. In einem Beispiel, bei dem die
Gleichrichterschicht aus Tantal besteht, wird eine Tantal-Pentoxid-Schicht
auf den Körpern
aufgebaut.
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Die
Kathodenschicht kann durch Eintauchen der Anoden- und Kathodenkörper in
eine Precursor-Lösung,
beispielsweise aus Mangan-Nitrat-Lösung, aufgebracht werden. Die
Schicht aus Mangan-Nitrat auf den Körpern kann aufgeheizt werden, um
das Nitrat zu Mangan-Dioxid zu oxidieren. Die Wiederholung der Eintauchschritte
kann notwendig werden, um die optimale Kathodenschicht aufzubauen.
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Das
Schneiden der Isolation wird üblicherweise
ausgeführt,
um das gesamte Kathodenschichtmaterial zu beseitigen, durch das
die Anoden- und Kathodenanschlussabschnitte jedes Kondensators überbrückt werden.
Dies kann konventionell bei ungetrennten Kondensatoren auf dem Substrat
erfolgen, indem das Schneiden entlang von Kanälen erfolgt, durch die individuelle
Körper
voneinander getrennt werden, wodurch ein Schnitt durch die Kathodenschicht
und unausweichlich auch durch die isolierende dielektrische Schicht
hindurchgeht. Um den Schnittprozess zu vermeiden, kann eine maskierende
Resist-Schicht in dem Bereich des Substrats zwischen Anoden- und
Kathodenkörper
aufgebracht werden, bevor die Kathodenschicht erzeugt wird. Die anschließende Beseitigung
des maskierenden Resists beseitigt außerdem unerwünschtes, überschüssiges Kathodenschichtmaterial.
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Typischerweise
beinhaltet der Anschlussprozess die Aufbringung einer ersten Schicht
aus leitfähiger
Kohlenstoffpaste, die dann geheilt wird. Als nächstes wird eine zweite Schicht
aus leitfähiger
Silberpaste aufgebracht und geheilt. Eine weitere Schicht aus metallischer
Plattierung kann beispielsweise durch Elektroabscheidung aufgebracht
werden. Typische Schichten sind Nickel und Zinn; eine Schicht aus
Zinn/Blei-Legierung oder eine Schicht aus Gold wird aufgebracht.
Damit wird eine lötkompatible
Oberfläche
für die
elektrische Verbindung geschaffen.
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Das
Trennen des Substrats kann durch Bearbeitung beispielsweise mittels
Schleifriss erfolgen. Soweit notwendig kann ein steifer Stützträger vorgesehen
werden, um das Substrat mit der notwendigen strukturellen Steifigkeit
zu versehen und das Schneiden ohne Beschädigung der Kondensatoren durchführen zu
können.
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Das
Material, aus dem der Kondenstor hergestellt wird, ist typischerweise
ein Gleichrichtermetall, insbesondere Tantal. Andere Gleichrichtermaterialien
sind jedoch von der Erfindung nicht ausgeschlossen, und dies können Metalloxidmaterialien oder
andere Materialien sein, von denen der Fachmann weiß, dass
sie für
die Verwendung in den Prozessen gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden können.
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Im
Folgenden werden lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
Verfahren für
die Umsetzung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1A zeigt eine Seitenansicht
eines Abschnitts eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1B zeigt eine Seitenansicht
eines Abschnitts des Substrats nach der Einkapselung.
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2 ist eine perspektivische
Ansicht eines kleinen Bereichs des Substratabschnitts nach 1.
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3A, 3B und 4A und 4B zeigen einen unvollendeten
und einen fertiggestellten Kondensator nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5A, 5B, 5C und 5D zeigen jeweils von unten,
von oben, von der Seite und im Querschnitt Ansichten eines fertiggestellten
Kondensators gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6A, 6B, 6C und 6D zeigen jeweils von unten,
von oben, von der Seite und im Querschnitt einen fertiggestellten
Kondensator gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7A bis 7C sind Draufsichten auf ein Substrat
bei der Verarbeitung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist ein Querschnitt durch
einen Kondensator, der mit dem Verfahren nach 7 hergestellt wurde.
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9A und 9B zeigen Querschnittsansichten eines
Substrats von einer Seite, das den Prozess gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durchläuft.
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10A bis 10D sind Draufsichten auf das Substrat
nach 9 im Verlauf des
Prozesses.
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11 zeigt einen Querschnitt
durch einen Kondensator, der gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung hergestellt wurde.
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12 zeigt Drauf-, Seiten-
und Querschnittsansichten AA' durch
den Kondensator nach 11.
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13 ist die Querschnittsansicht
durch einen Kondensator, der gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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14 ist die perspektivische
Darstellung eines Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung,
der auf einer gedruckten Schaltung angeordnet ist.
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15 ist die Draufsicht auf
eine gedruckte Schaltung (PCB) mit einem Kondensator nach dem Stand
der Technik und einem Kondensator gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Erste Ausführungsform
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Ein
Festkörpersubstrat
aus beispielsweise 0,25 mm dickem Tantal-Wafer 10 ist in 1 dargestellt. Die obere
Seite 9 des Substrats ist mit einer Dispersion aus (nicht
dargestellten) Tantal-Körnern bedeckt.
Die Körner
werden mit dem Tantal-Wafer durch Sintern verschmolzen, um so eine
(nicht dargestellte) Basisschicht (Seed Layer) zu erzeugen. Eine konventionelle
Mischung aus Tantal-Pulver und Binder/Kleber wird dann auf die Basisschicht
gepresst. Die Basisschicht sorgt für die mechanische Vernetzung
und verstärkt
die Bindung zwischen dem Grün- (ungesintertem)
Pulver und dem Substrat. Die Grünpulvermischung
wird dann gesintert, um eine vernetzende hochporöse Matrix aus geschmolzenen
Tantal-Pulverteilchen
zu bilden. Der Binder wird im Verlauf des Sinterungsprozesses ausgebrannt.
Zurück bleibt
eine gleichförmige
Schicht aus porösem
Tantal auf dem Festkörper-Wafer.
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Die
poröse
Schichtmischung wird bearbeitet, um ein orthogonales Muster aus
Kanälen
in Zeilen 11 und (nicht dargestellten) Spalten zu erzeugen.
Der Effekt besteht darin, eine Matrix aus aufrecht stehenden, rechteckigen
Körpern 15 auf
dem Substrat zu erzeugen. Die Körper 15 bilden
den kapazitiven Block in den fertiggestellten Kondensatoren und
werden daher im Folgenden als Anodenkörper bezeichnet. Die Körper werden
weiter bearbeitet, um eine Stufe 17 im Bereich 16 auf
der oberen Seite des Körpers
herzustellen. Die Stufe hat einen länglichen Verlauf und bildet
den Kathodenanschluss bei jedem fertiggestellten Kondensator. Die Stufe
kann auch mit anderen Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel
Pressen/Gießen
der fließfähigen grünen Vorform,
obgleich bei dieser Ausführungsform
das Bearbeiten beschrieben wird.
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Das
Substrat und die Matrix aus aufrecht stehenden Körpern 15 wird dann
einer konventionellen Eloxalbearbeitung unterworfen, mit der eine
(nicht dargestellt) dünne
dielektrische Schicht aus Tantal-Pentoxid
auf dem Tantal des Substrats innerhalb des porösen Netzes der pulverförmigen Körper gebildet
wird. Die Eloxalbearbeitung kann mehrere Male wiederholt werden,
um die erforderliche Tiefe und Integrität der dielektrischen Schicht
zu erreichen. Die dielektrische Schicht bildet eine elektrisch isolierende Schicht
für die
Kapazität
bei den fertiggestellten Vorrichtungen.
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Als
nächstes
wird das Substrat 10 und die Körper 15 mit einer
eine Kathodenschicht bildenden Lösung
aus Mangan-Nitrat bedeckt. Die Lösung dringt
in das poröse
Netz ein und bildet eine Mangan-Nitrat-Schicht auf der dielektrischen Schicht. Das
Mangan-Nitrat wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aufgeheizt,
so dass das Mangan-Nitrat oxidiert wird und sich zu Mangan-Dioxid
umwandelt. Das Beschichten und Aufheizen kann wiederholt werden,
um die erforderliche Dicke der leitfähigen Schicht und Integrität zu erreichen.
Die Mangan-Dioxid-Schicht ist elektrisch leitfähig und bildet eine Schicht,
die bei den fertiggestellten Kondensatoren einen elektrischen Kontakt
mit einem Kathodenanschluss herstellt.
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Die
jeweiligen Schichten aus Kohlenstoff und Silberpaste (als 38 in 3 dargestellt) werden auf die
freiliegenden oberen Enden der Stufen 17 und ganz allgemein
auf die Körper
aufgebracht. Diese Schichten sorgen für einen guten elektrischen
Kontakt zur Herstellung der Kathodenanschlüsse auf den fertiggestellten
Kondensatoren.
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Eine
Epoxy-Harz-Flüssigkeit
wird in die Zeilen und Spalten gefüllt, um den Raum zwischen den Körpern auf
dem Substrat auszufüllen.
Ein (nicht dargestellter) Deckel ist auf den oberen Enden des Körpers angeordnet,
neben den Stufen 17, um das Harz auf den Bereich unterhalb
der oberen Enden der Stufen einzugrenzen. Das Harz darf über die
obere Seite 16 jedes Körpers
fließen,
wird jedoch daran gehindert, die Stufen 17 zu bedecken.
Das Harz kann sich setzen, und die Deckelschicht wird entfernt,
um den Aufbau nach 1B zu
schaffen, in der das Harz als 18 bezeichnet ist.
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Das
Substrat wird nun unterteilt, wie es in 2 gezeigt ist, um mehrere individuelle
Kondensatorabschnitte zu erzeugen. Die Unterteilung wird mit einer
linearen Matrix aus feinen Schleifrädern 20 durchgeführt. Jeder
Schnitt erfolgt entlang der Zentrallinie jeder Zeile 11 durch
eine Ebene, die senkrecht zu der Ebene verläuft, in der das Substrat liegt. Entsprechend
folgt jeder Spaltenschnitt der Zentrallinie der Spalte.
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Sobald
der Schneidevorgang abgeschlossen ist, bleiben mehrere noch nicht
fertiggestellte Kondensatorkörper,
von denen einer 34 in 3 gezeigt ist. 3A ist eine Draufsicht auf
den noch nicht fertiggestellten Kondensator, in der einfach der
würfelförmige Substratabschnitt 35 des
Kondensators dargestellt ist. 3B ist
eine Querschnittsansicht von der Seite entlang der Linie AA'. Der Kathodenkörper 15 wird
von einer Hülle
aus Harzmaterial 37 umgeben. Jeder Körper ist mit Silber- und Kohlenstoffpasten-Schichten 38 dargestellt.
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Eine
Endfläche 36 des
Kondensators 34 wird in eine flüssige Silberpaste eingetaucht,
um diese Seite und den lokalen Bereich des Kondensators mit einer
Endkappe 39 zu bedecken, wie es in 4A und 4B gezeigt
ist. Die Beschichtung liefert eine leitfähige Brücke zwischen dem Substrat 35 und
der Unterseite 40 des Kondensators.
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Um
den Kondensator fertigzustellen, wird eine Metallplattierungsschicht
auf die freiliegenden Oberflächen 39, 41 der
jeweiligen Anoden- und Kathodenkörper
aufgebracht. Dies kann mit bekannten Verfahren wie Elektroabscheidung
und Sputter-Beschichtung
erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Nickelschicht
aufgebracht, der eine Zinn-Blei-Schicht folgt. Die Metallplattierungsschicht
schafft eine lötkompatible
Oberfläche,
mit der das Verlöten
der Komponenten auf einer gedruckten Schaltung möglich wird. 5 zeigt den fertiggestellten Kondensator.
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Zweite Ausführungsform
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6 zeigt einen alternativen
Kondensator 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Jeder Kondensator wird mit zwei Anodenanschlüssen 101, 102 hergestellt.
Zwischen diesen beiden Anodenanschlüssen befindet sich ein Kathodenanschluss 103. Es
versteht sich, dass die Abänderung
des Prozesses die Herstellung der Stufe in einem zentralen Bereich
der oberen Seite 104 des Gehäuses beinhaltet. Zusätzlich werden
zwei Endkappen auf jedem Ende des Kondensators durch Eintauchen
des Kondensatorendes in eine Silberpaste und vorzugsweise auch eine
abschließende
(Ni/Sn) Metallplattierung zur Erzeugung eines lötbaren Kontakts hergestellt.
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Ein
Vorteil dieser Design-Konfiguration besteht darin, dass der Kondensator
eine zentrale Unterseite als Kathodenanschlusskontakt sowie einen Anodenanschlusskontakt
in jedem Endbereich aufweist. Dies bedeutet, dass der Kondensator
nicht dazu neigt, auf einer gedruckten Schaltung (PCB) in falscher
Orientierung angeordnet zu werden, weil beide Endbereiche die gleiche
Polarität
haben. Dies macht die automatische Anordnung des Kondensators auf
einer gedruckten Schaltung (PCB) einfacher, da die Komponente effektiv
unkritisch in Bezug auf die Polarität ist.
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Die
Schritte bei der Herstellung dieser Ausführungsform sind in den 7A bis 7C gezeigt. 7A zeigt eine Draufsicht auf das Tantal-Substrat 109.
Die Matrix wird mit einer Schicht aus gesintertem porösem Tantal
in weitestgehend der gleichen Art wie in Beispiel 1 hergestellt.
Wiederum folgt eine Verarbeitung zu einer Matrix aus Körpern 105 verarbeitet.
In diesem Fall ist die Matrix eine vier mal vier Matrix mit gradlinigen,
aufrecht stehenden Körpern 105.
Jeder Körper
wird weiter bearbeitet, um Material von den beiden Seitenbereichen 107 von
jedem nach oben stehenden Ende der Körper zu entfernen, so dass
eine längliche,
zentrale Plattform 106 an jedem Körperende zurückbleibt.
Das Substrat sowie eine Matrix aus Körpern wird dann einer Eloxalbearbeitung
unterworfen, um eine dielektrische Schicht herzustellen, gefolgt
von Manganisierung, um eine leitfähige Kathodenschicht herzustellen,
Isolationsschneiden, Reformierung des Dielektrikums und dann Kohlenstoff-
und Silberbeschichtung des Endbereichs der Körper (wie in Beispiel 1). Zurück bleibt
eine beschichtete Matrix, wie sie in 7B gezeigt
ist. Eine (nicht dargestellte) Deckelschicht wird dann an den oberen
Enden der Körper
angebracht und in dieser Position verklemmt. Der Raum zwischen den
Körpern,
die sich beschichtet zwischen dem Substrat und dem Deckel befinden,
wird dann mit einem flüssigen
Harz 110 (Epoxy) gefüllt,
das sich anschließend
verfestigen kann. Nach der Verfestigung wird der Deckel entfernt,
so dass eine Matrix aus eingekapselten Körpern zurückbleibt, wobei bei jedem zwei
Seitenbereiche 107 mit einem Film von Einkapselungsmaterial
bedeckt sind, und die zentrale Plattform bleibt ohne Einkapselung
zurück.
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Das
Substrat wird dann in individuelle Kondensatoreinheiten unterteilt,
von denen eine im Querschnitt in 8 dargestellt
ist. Jede Einheit durchläuft einen
Anschlussprozess, bei dem Anschlüsse
an die Anode und Kathode hergestellt werden, um lötbare Kontakte
zu erzeugen. Die freiliegende Substratoberfläche 115 wird mit Ni-
und Sn-Schichten Sputter-beschichtet, um eine Schutzschicht zu erzeugen.
An jedem Ende 111 und 112 wird eine Endkappe 113 aus haftender
Paste (z.B. Silberpaste) erzeugt. Die Endkappe stellt eine leitfähige Brücke zwischen
dem Tantal-Substrat 109 und
der Unterseite 116 der Kondensatorvorrichtung dar, so dass
Anodenanschlüsse 117 auf
einer gemeinsamen Seite wie der Kathodenanschluss 103 gebildet
werden. Die Endkappen und die Plattform 106 werden jeweils
mit Nickel/Zinn-Schichten bedeckt, um einen lötbaren Kontakt zu erzeugen, durch
den die Verbindung mit einer gedruckten Schaltung (PCB) vereinfacht
wird.
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Dritte Ausführungsform
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Die
dritte Ausführungsform
in 9A und folgende ist
eine alternative Methode zum Bilden der Kathodenplattform. Wie bei
den Ausführungsformen 1
und 2 hat ein Festkörpersubstrat
mit beispielsweise 0,25 mm dickem Tantal-Wafer 310 eine
obere Seite 309, die mit einer Dispersion aus Tantal-Körnern (nicht
dargestellt) bedeckt ist. Die Körner
werden mit dem Tantal-Wafer durch Sintern verschmolzen, so dass
damit eine (nicht dargestellte) Basisschicht gebildet wird. Eine
konventionelle Mischung aus Tantal-Pulver und Binder/Kleber wird
dann auf die Basisschicht gepresst. Die Basisschicht sorgt für die mechanische
Vernetzung und verstärkt
die Bindung zwischen dem Grün-
(ungesintertem) Pulver und dem Substrat. Die Grünpulvermischung wird ausschließlich gesintert,
um eine vernetzte hochporöse
Matrix aus verschmolzenen Tantal-Pulverpartikeln
zu erzeugen. Der Binder wird durch einen Wasch-/Lösungsprozess
entfernt, wie es in unserer PCT-Anmeldung GB98/00023 (Erfinder Ian
Bishop) beschrieben wurde, und zwar vor dem Sinterprozess. Zurück bleibt eine
gleichförmige
Schicht aus hochporösem
Tantal 313 auf dem Festkörper-Wafer.
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Die
poröse
Schichtmischung wird bearbeitet, um ein orthogonales Muster aus
Kanälen
in den Zeilen 312 und Spalten 311 zu erzeugen,
wie es in 10A gezeigt
ist. Das Resultat hiervon ist, dass eine Matrix aus aufrecht stehenden
rechteckigen Körpern 315 auf
dem Substrat gebildet wird. Die Körper 315 formen den
kapazitiven Block in den fertiggestellten Kondensatoren und werden
im Folgenden Anodenkörper
genannt.
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Wie
bei den Beispielen 1 und 2 wird das Substrat und seine Matrix aus
aufrecht stehenden Körpern 315d kann
einer konventionellen Eloxalbehandung unterworfen, durch die eine
(nicht dargestellte) dünne
dielektrische Schicht aus Tantal-Pentoxid auf dem Tantal des Substrats
bis in das poröse
Netz der pulverförmigen
Körper
gebildet wird. Die Eloxalbehandlung kann mehrere Male wiederholt
werden, um die erforderliche Tiefe und Integrität der dielektrischen Schicht
zu erreichen. Die dielektrische Schicht bildet eine elektrisch isolierende
Schicht in dem Kondensator nach seiner Fertigstellung.
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Als
nächstes
werden das Substrat 310 und die Körper 315 mit einer
eine Kathodenschicht bildenden Lösung
aus Mangan-Nitrat beschichtet. Die Lösung dringt in das poröse Netz
ein, um eine Mangan-Nitrat-Schicht auf der dielektrischen Schicht
zu bilden. Das Mangan-Nitrat wird in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aufgeheizt,
so dass das Mangan-Nitrat oxidiert und Mangan-Dioxid gebildet wird. Der
Beschichtungs- und Aufheizprozess kann wiederholt werden, um die
erforderliche Dicke und Integrität
der leitfähigen
Schicht zu erreichen. Die Schicht aus Mangan-Dioxid ist elektrisch
leitfähig
und bildet eine elektrische Kontaktschicht bei den fertiggestellten
Kondensatoren. Nach Aufbringung der Manganisierungsschicht erfolgen
konventionelle Isolatorschnitte entlang dem Boden der Kanäle zwischen
Anodenkörpern,
wobei durch diese Schnitte (beispielsweise durch flaches Sägen/Schleifen)
alle zufälligen Mangan-Dioxid-Überbrückungen
zwischen Anodenkörper
und Tantal-Substrat beseitigt werden. Wenn diese zurückblieben,
käme es
zu Kurzschlüssen
in den fertiggestellten Kondensatoren, so dass sie unbrauchbar wären. Die
Schnitte beseitigen außerdem unweigerlich
die darunter liegende isolierende dielektrische Schicht, so dass
ein "Reformierungs"-Prozess ausgeführt wird,
um die Tantal-Pentoxid-Schicht im Bereich der Isolationsschnitte
wiederherzustellen.
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Auf
den freiliegenden oberen Endbereichen der Körper werden jeweils Kappenschichten
aus Kohlenstoff- und Silberpaste (als 338 in 10B dargestellt) aufgebracht (beispielsweise
durch Eintauchen). Diese Schichten sorgen für einen guten elektrischen
Kontakt zur Herstellung von Kathodenanschlüssen der fertiggestellten Kondensatoren.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
werden, anstatt die Körper
zu bearbeiten, um eine Stufe 17 (1B) oder Plattform 106 ( 7A) wie bei den Ausführungsformen
1 und 2 auf der oberen Seite jedes Körpers herzustellen, die Schritte 317 in
großem Maßstab durchgeführt, indem
ein planarer Legierungsrahmen 320 an der oberen Seite angebracht wird.
Der Rahmen kann beispielsweise aus einer Legierung 42 (Nickel/Eisen)
bestehen. Der Rahmen wird aus vier Seitenabschnitten 321 und
zwei orthogonalen Kantenabschnitten 322 hergestellt. Eine
Seite wird bei jedem Seitenabschnitt mit einer haftenden Silberpaste 323 über ihre
Länge bedeckt.
Diese haftende Oberfläche
wird dann neben den oberen Enden der Anodenkörper angeordnet, wie es in 10C gezeigt ist. Die seitlichen
Abschnitte werden über
einen zentralen Bereich von jedem oberen Ende des Körpers, wie
in der Figur gezeigt, ausgerichtet. Das Haftmittel kann sich setzen,
so dass der Rahmen mit den Anodenkörpern verbunden wird. Eine
(nicht dargestellte) Deckelschicht wird dann aufgebracht und an
den Legierungsrahmen geklemmt. Ein Epoxy-Harz-Einkapselungsharz
wird dann zwischen die Körper
eingespritzt und bedeckt die freiliegenden oberen Seiten bei jedem
Anodenkörper. Nach
Entfernung der Deckelschicht ist der Rahmen 320 der einzige
verbliebene Abschnitt, der noch nicht mit Harz bedeckt ist, wie
es in 10D gezeigt ist.
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Das
Substrat wird dann in individuelle Kondensatoren unterteilt, wobei
die Legierungsrahmenabschnitte 321 die Kathodenplattformen
bilden, wie es in 11 gezeigt
ist. Der Anschlussprozess vervollständigt das Beispiel 3, so dass
man einen Kondensator erhält,
der nach außen
identische Konfigurationen aufweist.
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Um
den Kondensator abzuschließen,
wird eine Metallplattierungsschicht auf den freiliegenden Oberflächen der
jeweiligen Anoden- und Kathodenabschnitte aufgebracht. Diese können mit
bekannten Verfahren wie Elektroabscheidung und Sputter-Beschichtung
aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten Anordnung wird eine Schicht
aus Nickel aufgebracht, gefolgt von einer Zinn-Blei-Schicht. Die
Metallplattierungsschicht liefert eine lötkompatible Oberfläche, so
dass die Verlötung
der Komponente auf einer gedruckten Schaltung ermöglicht wird.
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Die
endgültige
Konfiguration ist in 12 dargestellt.
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Vierte Ausführungsform
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Ein
alternativer Prozess zur Herstellung der Kathodenplattform beinhaltet
das Aufbauen einer Schicht aus leitfähiger Paste auf jedem Anodenkörper in
der Matrix. Der Prozess läuft
ab wie im Beispiel 3, bis ein Rahmen auf der Matrix aus Körpern angeordnet
wird. An diesem Punkt wird ein leitfähiges Fähnchen aus haftender Silberpaste
durch Schablonierung auf einen zentralen Abschnitt jeder Anodenendfläche aufgebracht.
Mehrere Schichten aus Haftmittel können vorgesehen werden, um
die gewünschte
Höhe der
Kathodenplattform zu erreichen. Sobald die Fähnchen geheilt wurden, wird
der Prozess wie im Beispiel 3 fortgeführt, um einen Kondensator herzustellen,
bei dem die leitfähige
Paste des Fähnchens
die Legierungsplattform in Beispiel 3 ersetzt. 13 zeigt einen Kondensator 400,
bei dem das Haftfähnchen
mit 401 bezeichnet ist.
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14 ist eine perspektivische
Darstellung eines Kondensators 501, der nach einem der
Beispiele 2 bis 4 hergestellt wurde, wie er in einem Abschnitt einer
gedruckten Schaltung PCB 500 angeordnet ist. Die gedruckte
Schaltung (PCB) weist eine ebene U-förmige positive Bahn 502 und
eine längliche
negative Bahn 503 auf. Die ebene U-förmige Bahn kontaktiert jeden
der Anodenendbereiche des Kondensators 504, 505.
Die längliche
Bahn 503 kontaktiert die Kathodenplattformkontaktoberfläche (abgedeckt)
des Kondensators.
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Fünfte Ausführungsform
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Mit
den vorangehenden Beispielen wurden Verfahren zur Herstellung von
Kondensatoren erläutert,
wobei jedes einen einzelnen Kathodenanschluss und einen oder zwei
Anodenanschlüsse
aufweist. Es liegt im Bereich der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator
mit einer Matrix aus Kathodenanschlüssen zu versehen, indem mehrere
Plattformen auf dem Anodenkörper
mit dem gleichen Verfahren erzeugt werden, mutatis mutandis, wie
sie in der obigen speziellen Beschreibung erläutert wurden. 15 zeigt eine gedruckte Schaltung (PCB) 549,
auf der ein derartiger Kondensator 550 in der Nähe zu einem Anodenkondensator 551 aus
Festkörper-Tantal
gemäß dem konventionellen
Stand der Technik angeordnet ist. Der Kondensator hat zwei Anodenanschlüsse 552, 553 an
gegenüberliegenden
Seiten. Diese kontaktieren entsprechende Anodenbahnen 554, 55 auf
der gedruckten Schaltung (PCB). Es gibt vier Kathodenanschlüsse 556 auf
der Unterseite des Kondensators. Jeder dieser Anschlüsse kann
mit dem Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4 oben hergestellt
werden, d.h.: Bearbeiten des Anodenkörpers, Erzeugen einer festen
Metallplatte an dem Anodenkörper,
Erzeugen eines Streifens aus leitfähiger Paste. Diese Anschlüsse werden
mit vier separaten Kathodenanschlussbahnen 557 auf der
gedruckten Schaltung (PCB) ausgerichtet.
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Mit
der beschriebenen Erfindung werden unter anderem Verfahren angegeben,
die besonders nützlich
sind für
die Herstellung von (dünnen)
Kondensatoren mit niedrigem Profil, die Anschlüsse aufweisen, die auf einer
gemeinsamen Seite des Kondensators angeordnet werden können.