DE69128218T2 - Festelektrolytkondensator in Chip-Bauweise - Google Patents
Festelektrolytkondensator in Chip-BauweiseInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festelektrolyt-Kondensator in Chipbauweise nach dem einführenden Teil von Anspruch 1, und insbesondere auf eine Elektrodenstruktur mit einer verbesserten Verbindungszuverlässigkeit eines Anodenterminals. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Festelektrolytkondensators in Chipbauweise nach dem Anspruch 1.
- Die Merkmale des einführenden Teils von Anspruch 1 sind bereits aus IEEE Transactions on Parts, Hybrids and Packaging, Vol. 13, Nr. 14, Dezember 1977; New York, USA, Seiten 390-394; D.G. Thompson et al.: "High temperature properties of solid tantal chip capacitors" bekannt.
- Um die Volumeneffizienz eines herkömmlich gepreßten Festelektrolyt- Kondensators in Chipbauweise zu verbessern, wurde in der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho. 61-31609 (1986) wie in Fig. 1 dargestellt ist, ein nichtgepreßter Festelektrolyt-Kondensator in Chipbauweise vorgeschlagen. Ein Kondensatorelement 1 hat bis auf eine Bodenpartie für eine freiliegende Kathodenschicht ein isolierendes Kunstharz 6. Alle Endoberflächen eines Kondensatorelements sind mit einer leitenden Schicht 14a und 14b aus z.B. Silberpaste bedeckt, es folgen stromlos plattierte Schichten 15a und 15b aus z.B. Nickel und Lötschichten 16a und 16b. Ein Anodenanschluß 2 ist mit einer Kerbe versehen, und die Anode wird schließlich an der Kerbe gefaltet, um sie dort zu schneiden.
- Da jedoch der Anodenanschluß weiter herausragt, kann es beim Aufbringen des Kondensators auf eine Leiterplatte oder ähnliches mittels einem Installationgerät zu Störungen und Unfällen kommen. Die Ursache dafür ist, daß bei dem Verfahren zur Herstellung der Kerbe mittels einer Schnitt-Klinge, die Klinge nicht beliebig dünn sein kann, um die mechanische Stärke der Schnitt-Klinge zu erhalten. Daher ist es unmöglich, dünner als diese Dicke zu schneiden. Ein anderer Grund ist, daß ein hinreichend langer Schnitt benötigt wird, um die leitende Schicht auf dem Anodenanschluß vom Abblättern aufgrund mechanischer Spannungen während des Schneidens zu schützen.
- Ein weiterer Nachteil ist, daß die Verbindungsstärke aufgrund von mechanischen und thermischen Spannungen während des Installationsverfahrens erniedrigt wird und der Tangens der dielektrischen Abschwächung (im folgenden mit tan δ) erhöht wird. Die Ursache hierfür ist die Verbindung über das Eingreifen von van der Waals-Kräften zwischen der Anodenschicht und der stromlos plattierten Schicht.
- Um dies zu verbessern, wurde beispielsweise ein Verfahren zur Verbesserung der Verbindungsstärke vorgeschlagen. Dieses Verfahren umfaßt die Aufrauung eines Teils der Oberfläche des Anodenanschlusses mittels Sandblasen und anschließender Ausbildung einer stromlos plattierten Schicht, wie in dem vorstehend japanischen Patent offenbart ist. Dies führt jedoch zu den Nachteilen, nicht nur eines komplizierten Herstellungsverfahrens, sondern kann auch zur Zerstörung der Konvertierungsummantelung führen und Streustrom beim Durchbrennen erhöhen.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Festelektrolyt- Kondensator in Chipbauweise wie in dem einführenden Teil von Anspruch 1 angegeben, bereitzustellen, der nicht nur einen Anodenterminal mit einer verbesserten Verbindungszuverlässigkeit hat, sondern auch eine Anodenzuführung mit einem Kurzschnitt hat und der eine abgeflachte Anodenterminaloberfläche aufweist, und so Installationsschwierigkeiten minimiert.
- In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die vorstehende Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 mit den Produktansprüchen 2 bis 5 und den Verfahrensansprüchen 6 bis 8 erwähnt.
- Das Laserschneideverfahren wird nach der Ausbildung einer plattierten Schicht und einer Lötschicht durchgeführt. Wenn die Anodenzuleitung mit dem Laser geschnitten wird, enthält die resultierende Anodenzuleitung an ihrem Endabschnitt eine Legierungsschicht, die aus dem Material der Anodenzuleitung, der plattierten Schicht und der Lötschicht besteht. Hierdurch wird die Verbindungsstärke zwischen der Anodenzuleitung und den Terminalschichten erhöht.
- Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines herkömmlichen Festelektrolyt- Kondensators in Chipbauweise;
- Figur 2 zeigt einen longitudinalen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Festelektrolyt-Kondensators in Chipbauweise;
- Figur 3A zeigt Resultate von Temperaturzyklus-Tests einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wobei charakteristische Werte - die Abhängigkeit von tan δ von der Schnittdistanz der Anodenzuleitung - dargestellt sind;
- Figur 3B ist eine schematische Darstellung der Schnittdistanz; und
- Figur 4 zeigt die Resultate von Temperaturzyklus-Tests eines herkömmlichen Festelektrolyt-Kondensators in Chipbauweise, wobei charakteristische Werte - wie Abhängigkeit von tan δ von der Schnittdistanz - der Anodenzuleitung dargestellt sind.
- Fig. 2 zeigt einen Anodenkörper 1 aus gesintertem Tantalpulver, der mit einer Anodenzuleitung 2 aus Tantal versehen ist, die aus einer Oberfläche des Körpers herausragt. (Diese Endoberfläche und die gegenüberliegende Endoberfläche werden jeweils als Anoden- bzw. Kathodenterminaloberfläche bezeichnet). Der Anodenkörper 1 hat auf seinen äußeren Oberflächen die folgenden Deckschichten:
- Der innerste Oxidfilm 3, eine Mangandioxidschicht 4 und eine Kathodenmetallschicht 5, die aus einer Graphitschicht und einer Nickelschicht besteht, sind in dieser Reihenfolge auf den äußeren Oberflächen des Anodenkörpers 1 angeordnet.
- Außerdem bedeckt eine isolierende Kunstharzschicht 6 alle äußeren Oberflächen des Anodenkörpers außer die Kathodenterminaloberfläche. Auf dieser offenen Kathodenterminaloberfläche ist ein Kathodenterminal vorgesehen. Der Kathodenterminal ist nach Abscheidung eines metallischen Katalysatorpulvers durch die Ausbildung einer Nickelschicht 7a und einer Lötschicht 8a hergestellt. Auf der anderen Seite ist ein Anodenterminal vorgesehen, der nach Abscheidung einer organischen Verbindung oder eines metallischen lysators aus einer Nickelschicht, der eine Lötschicht 8b folgt, auf den partiellen äußeren Oberflächen des isolierenden Kunstharzkörpers 6 hergestellt, die mit der Anodenterminaloberfläche und ihrer Umgebung auf der Anodenzuführung 2 korrespondieren. Erfindungsgemäß wird die Anodenzuführung 2 mit einem Laserstrahl geschnitten, um eine Legierungsschicht 9 an dem Schnittende auszubilden. Die Legierungsschicht 9 besteht aus Tantal, Nickel und Lötzinn und hat eine hohe Bindungsstärke an dem Schnittende.
- Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung des Festelektrolyt-Kondensators mit dem vorstehenden Aufbau detailliert beschrieben:
- Tantalpulver wird preßgeformt und im Vakuum bei Hochtemperatur gesintert und daraus ein Anodenkörper 1 mit einer Anodenzuleitung 2 aus Tantal hergestellt, die aus dem Anodenkörper 1 hervorragt. Der Anodenkörper 1 wird in wäßriger Phosphorsäurelösung eloxiert, indem eine Eloxierspannung von 100 V angelegt wird, um eine Tantaloxidfilmschicht 3 auf der gesamten äußeren Oberfläche des Anodenkörpers 1 auszubilden. Daran anschließend wird Mangannitrat durch Eintauchen in eine Lösung der Verbindung abgeschieden. Daran anschließend wird das Mangannitrat durch Pyrolyse in einer 250 bis 300ºC-Atmosphäre zersetzt und eine Mangandioxidschicht 4 erzeugt. Das Eintauchen und die Zersetzung durch Pyrolyse werden eine Vielzahl von Malen wiederholt, um eine gleichmäßige Mangandioxidschicht zu erzeugen.
- Der resultierende Anodenkörper 1 mit der äußersten Schicht aus Mangandioxid wird in eine Graphitsuspension eingetaucht, in der Graphitpulver in wäßriger Lösung einer wasserlöslichen Hochmolekularsubstanz suspendiert ist, und dann bei 150º bis 200ºC-Atmosphäre getrocknet, um eine Graphitschicht auszubilden. Daran anschließend wird Palladiumpulver, das für die Beschichtung als katalytisches Metall dient, auf der Graphitschicht abgeschieden. Daraufhin wird eine stromlose Beschichtung durchgeführt, indem eine Beschichtungslösung wie z.B. eine Nickelbeschichtungslösung verwendet wird, die Dimethylaminoboran als reduzierenden Wirkstoff enthält. Dieser stromlose Beschichtungsvorgang wird bei 65ºC 40 min lang durchgeführt, um eine Nickelschicht von ungefähr 4 bis 5 µm Dicke auszubilden. Auf diese Art und Weise ist eine Kathodenschicht aus Metall ausgebildet, die aus einer Graphitschicht und einer platierten Metallschicht besteht.
- In dem nachfolgenden Schritt wird die der Anodenzuleitung gegenüberliegende Oberfläche abgedeckt und puderförmiges Epoxykunstharz elektrostatisch auf die äußeren Oberflächen der Einheit aufgebracht und dann vorübergehend in einer 100 bis 200ºC-Atmosphäre 30 s lang gehärtet. Nach Entfernung der Abblendung wird die Einheit erneut ungefähr 30 bis 60 min lang auf 100 bis 200ºC erhitzt, bis sie voll ausgehärtet ist. Auf diese Art und Weise wird eine Isolierschicht 6 hergestellt.
- Als nächster Schritt wird eine Butylacetatlösung aus einer Aminverbindung aus Palladium auf die isolierende Kunstharzschicht 6 in dem Anodenterminalbereich einschließlich der Anodenterminaloberfläche und ihrer Umgebung und auf die Anodenzuleitung 2 aufgebracht, und daraufhin 30 min lang bei 200ºC pyrolytisch zersetzt, um Palladiumpulver mit einem Teilchendurchmesser von ungefähr 0.1 µm abzuscheiden. Auf ähnliche Weise wird Palladiumpulver auf der äußeren Oberfläche des Kathodenterminalbereichs einschließlich der Kathodenterminaloberfläche und ihrer Umgebung, nämlich einem Teil der Oberfläche des isolierenden Kunstharzes 6 abgeschieden.
- In dem nachfolgenden Schritt des stromlosen Plattierens wird die Einheit zusammen mit der Anodenzuleitung 2 in die vorstehende stromlose Nickelbeschichtungslösung eingetaucht, um die Schichten 7a und 7b mit einer Dicke von ungefähr 5 µm auszubilden. In diesem Fall kann keine platierte Schicht auf dem isolierenden Kunstharz 6 mit Ausnahme der Abschnitte, auf denen Palladiumpulver abgeschieden ist, gebildet werden.
- Außerdem wird die resultierende Einheit in Flußmittel eingetaucht. Darauf folgt ein eutektisches Lötbad, um auf den Schichten 7a und 7b die Lötschicht 8a bzw. die Lötschicht 8b mit einer Dicke von ungefähr 10 µm auszubilden. Auf diese Art und Weise sind der Anodenterminal und der Kathodenterminal fertiggestellt.
- In dem nachfolgenden Schritt wird die Anodenzuleitung geschnitten, indem sie in dem Anodenterminalbereich an einer Position einem Laserstrahl ausgesetzt wird, die 0.1 mm außerhalb der isolierenden Kunstharzschicht liegt. Auf diese Art und Weise ist ein Festelektrolyt-Kondensator in Chipbauweise hergestellt. Ein geeigneter Laser ist beispielsweise ein Laser mit 2.5 ms Pulsbreite und 5 Joule Ausgangsleistung, und der Schnitt wird, wenn der Durchmesser der Anodenzuleitung 0.3 mm oder weniger beträgt, mit einer einzigen Belichtung erzielt. Durch Röntgenanalyse wurde nachgewiesen, daß während des Schneidens mit dem Laserstrahl die resultierende Wärmeenergie in einem Abschnitt von ungefähr 0.05 mm von der Schnittposition eine unmittelbare Fusion von Tantal, Nickel und Lötzinn in eine Legierungsschicht 9 verursachte, die aus den drei metallischen Elementen zusammengesetzt ist und eine hohe Verbindungsstärke hat.
- Um eine gute Verbindungsstärke zu erzielen, wird die Laserausgangsleistung vorteilhaft zwischen 3 und 7 Joule gewählt. Wenn die Laserausgangsleistung 7 Joule übersteigt, kann eine geeignete Legierungsschicht nicht erzielt werden, da das Lötzinn und Nickel sofort verdampfen.
- Außerdem wird während der Laserstrahlbehandlung ein inertes Gas auf den behandelten Abschnitt geblasen, um Tantal, Nickel und Lötzinn davor zu schützen, zu oxidieren. Anderenfalls werden an dem Schneideabschnitt schwarze Oxide produziert, die geeignetes Löten während dem Montageverfahren wesentlich beeinträchtigen.
- Mit dem auf diese Art und Weise hergestellten Tantal-Kondensator in Chipbauweise wurden Temperaturzyklus-Tests durchgeführt, und die ausgewerteten Resultate der Verbindungszuverlässigkeit des Anodenterminals bei variierender Schnittdistanz der Anodenzuleitung sind in Fig. 3A dargestellt. Fig. 3B zeigt die Schneidedistanz Δx, die die Distanz zwischen dem abgeschnittenen Ende und der isolierenden Kunstharzschicht 6 ist. Zum Vergleich wurden ähnliche Tests mit dem Tantalkondensator in Chipbauweise durchgeführt, der in der vorstehenden japanischen Patentanmeldung offenbart ist, und der hergestellt ist, indem die Anodenzuleitung mit einer Schnittklinge geschnitten wird und indem als Platierungskatalysator die leitende Schicht aus Silberpaste verwendet wird. Die erzielten Resultate sind in Fig. 4 dargestellt. Die Temperaturzyklus-Tests wurden zwischen -55ºC und 125ºC 30 min lang in jeder Atmosphäre ausgeführt, bis 100 Zyklen erreicht waren, und der Tangens des dielektrischen Verlusts (im nachfolgenden mit tan δ) bezeichnet wurde als Maß für die Auswertung der Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Anodenzuleitung und der Anodenterminalschicht bestimmt.
- Proben gemäß erfindungsgemäßen Ausführungen zeigten als Resultat, daß keine Zunahme von tan δ auftrat, bei einer kürzeren Schnittdistanz bis 0.05 mm. Bei den herkömmlichen Kondensatoren, die mit dem in dem vorstehenden japanischen Patent offenbarten Verfahren hergestellt wurden, wurde eine Abnahme bei einer Schnittdistanz von 0.5 mm festgestellt und schwerwiegende Fehler wurden in allen n=50 Proben mit 0.2 mm Schnittdistanz verursacht. Ein Schnitt bei einer Schnittdistanz von weniger als 0.2 mm konnte aufgrund der Dicke der Schnittklinge nicht durchgeführt werden. Die Analyse der Störungen zeigte, daß die Anodenzuleitung und die Silberschicht voneinander getrennt waren.
- Als Verbindungsoberflächen zwischen der Anodenzuleitung und der Anodentermianlschicht wurde bei den herkömmlichen Proben mit kurzen Schnittdistanzen von 0.5 mm oder weniger die Verbindung zwischen der Anodenzuleitung und der Silberpastenschicht festgestellt. Auf der anderen Seite besteht bei den Proben gemäß der vorliegenden Erfindung die Verbindung zwischen der Anodenzuleitung und der platierten Nickelschicht über die Palladiumteilchen zusammen mit der Herstellung einer Legierungsschicht aus drei Metallen: Tantal, Nickel und Lötzinn haben ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und demzufolge eine hohe Bindungskraft. Aus diesem Grund trifft keine Verminderung von tan δ aufgrund Wärmeschock auf. Außerdem wird bei herkömmlichen Produkten die Verbindung zwischen der Silberpastenschicht, die einen Platierungskatalysator darstellt, und der Anodenzuleitung mit einem Kunststoffbindemittel erreicht, das in der Silberpaste enthalten ist, und das einen gegenüber der Anodenzuleitung sehr viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Wahrscheinlich ist dies der Grund für die Separation der Silberpaste durch Wärmeschock, die Störungen verursacht.
- Fig. 1 zeigt herkömmliche Proben mit langen Schnittdistanzen von mehr als 0.6 mm, wobei die Verbindung zwischen der Anodenzuleitung und der Anodenterminalschicht aus den Verbindungen zwischen der Anodenzuleitung und der Silberpastenschicht und zwischen der Anodenzuleitung und der plattierten Nickelschicht besteht. Die letztere hat eine hohe Verbindungszuverlässigkeit, und führt wahrscheinlich zu keiner Verminderung von tan δ bei den Wärmeschocktests.
- Wie vorstehend beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung eine Anodenzuleitung geschnitten, indem sie einem Laserstrahl ausgesetzt wird. Daraus resultiert die Bildung einer Legierungsschicht mit einer höheren Bindungskraft an dem geschnittenen Ende der Anodenzuleitung. Dies bringt eine erhöhte Zuverlässigkeit der Verbindung des Anodenterminals mit sich, und hat den Vortiel, daß die Anodenzuleitung mit einer Schnittdistanz von 0.5 mm oder weniger geschnitten werden kann. Demzufolge, wird die Oberfläche des Anodenterminals abgeflacht, und es werden auch Installationsschwierigkeiten herabgesetzt.
Claims (8)
1. Festelektrolytkondensator in Chip-Bauweise bestehend aus:
- einem Anodenteil (1) aus Röhrenmetall aus Tantal;
- einer Anodenzuleitung (2) aus Tantal, die aus dem Anodenteil (1) aus einer
Oberfläche herausragt, hier bezeichnet als Anodenoberfläche des Anodenteils;
- einer dielektrischen Schicht (3) aus Tantaloxid, die auf dem Anodenteil (1)
ausgebildet ist;
- einer Vollelektrolytschicht (14) aus Mangandioxid, die auf der dielektrischen
Schicht (3) ausgebildet ist;
- einer Kathodenschicht (5) bestehend aus einer Graphitschicht und einer
Metallschicht, die auf der Vollelektrolytschicht (4) ausgebildet ist;
- einer isolierenden Kunstharzschicht (6), die auf der Kathodenschicht (5)
ausgebildet ist, um die Anodenoberfläche zu bedecken;
- einer ersten metallischen Schicht (7b) aus Nickel, die in dem Bereich der
Anodenoberfläche auf der isolierenden Schicht (6) ausgebildet ist;
- einer zweiten metallischen Schicht (8b), die auf der ersten metallischen
Schicht (7b) ausgebildet ist; und
- einer Legierungsschicht (9), die an dem Endbereich der Anodenzuleitung
(2) ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierungsschicht (9) die drei Metalle der Anodenzuleitung (2), der ersten und
zweiten metallischen Schicht (7b; 8b) enthält, die mit Wärmeenergie aus
Schichtschweißen und Laserschneiden der Anodenzuleitung (2) miteinander
verschmolzen sind;
- Palladiumpulver auf der Anodenzuleitung (2) zwischen der Isolierschicht (6)
und der ersten metallischen Schicht (7b) abgeschieden ist;
- die erste metallische Schicht (7b) mit einer Nickelschicht überzogen ist; und
- die zweite metallische Schicht (8b) eine Lötschicht mit ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Tantal und Nickel ist;
- der Abstand (X) zwischen dem stumpf abgeschnittenen Endbereich der
Anodenzuleitung (2) und der Isolierschicht (6) entlang der Anodenzuleitung (2) 0,5
mm oder weniger beträgt.
2. Festelektrolykondensator in Chip-Bauweise nach Anspruch 1, wobei
die Anodenzuleitung mit einem Durchmesser von 0,3 mm oder weniger mittels
Laserstrahlbelichtung an einer Position mit Distanz von 0,1 mm zu ihr außerhalb
der isolierenden Kunstharzschicht (6) geschnitten wird.
3. Festelektrolytkondensator in Chip-Bauweise nach Anspruch 1, wobei
der Teilchendurchmesser des Palladiumpulvers ungefähr 0,1 µm beträgt.
4. Festelektrolytkondensator in Chip-Bauweise nach Anspruch 1 oder
2, wobei die Dicke der überzogenen Nickelschicht ungefähr 5 µm beträgt.
5. Festelektrolytkondensator in Chip-Bauweise nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Lötschicht (8b) ungefähr 10 µm
beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung des Festelektrolytkondensators in Chip-
Bauweise nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß während der Laserstrahlbelichtung ein Schutzgas über den
belichteten Bereich geblasen wird, um Oxidation von Tantal, Nickel und Lötmittel
zu verhindern.
7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Ammonium-Palladium-
Verbindung (amine-compound of palladium) auf die isolierende Kunstharzschicht
(6) in dem Anodenanschlußbereich einschließlich der Anodenanschlußoberfläche
und seiner Umgebung und auf die Anodenzuleitung (2) aufgebracht wird, und dann
mittels pyrolytischer Abscheidung das Palladiumpulver abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, bei dem die Ausgangsleistung
des Lasers zwischen 3 und 7 Joules beträgt.
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