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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft bei der Herstellung von Tantal- und
Niob-Kondensatoren verwendete Tantal-Pellets. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Dotieren von Tantal-
und Niob-Pellets mit Stickstoff.
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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von
Tantal- und Niob-Pellets, und insbesondere die Herstellung solcher
Pellets für
die Verwendung in Elektrolytkondensatoren.
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Das übliche Verfahren
zum Herstellen von Tantal-Pellets für eine Verwendung bei Tantal-Kondensatoren
umfasst Schritte, bei welchen Tantalpulver zunächst in ein Pellet gepresst
oder komprimiert wird. Die resultierenden gepressten Pellets werden
dann einem Sintervorgang unterzogen, bei welchem die Pellets in
einem Vakuum erhitzt werden. Das Erhitzen ermöglicht, dass die Tantalpartikel
zusammenkleben, so dass sie einen Anschlussdraht halten können.
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Nach
dem Sintervorgang wird das Tantal-Pellet in eine Säurelösung getaucht,
um einen dielektrischen Film an der Außenfläche des Pellets und der Partikel
in dem Pellet zu bilden, bei welchem es sich üblicherweise um Tantalpentoxid
handelt. Das Pellet und die Partikel in dem Pellet werden dann nacheinander
mit verschiedenen anderen metallhaltigen Materialien beschichtet,
welche die Kathode bilden.
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Bei
Elektrolytkondensatoren ist die Sauerstoffkonzentration in dem Tantal
kritisch. Wenn der Bulk-Sauerstoffgehalt der porösen Tantal-Pellets über der
Sauerstoff-Löslichkeitsgrenze
in Tantal (ungefähr
2 at.-% bei T<873
K) liegt, erscheinen Oxidphasen-Ablagerungen an der Oberfläche der
Partikel in den Tantal-Pellets. Diese Ablagerungen wirken als effiziente
Kristallisationskeime und Konzentratoren des elektrischen Feldes
in dem bei dem nachfolgenden Anodisieren gebildeten amorphen Tantalpentoxid-Film.
Da das spezifische Volumen der kristallinen und amorphen Phase unterschiedlich
ist, bewirkt die Kristallisation eine Zerstörung des amorphen Tantalpentoxid-Films.
Dieses macht den dielektrischen Film weniger zuverlässig und
eine Zersetzung des Kondensators tritt auf. Aus solchen Pellets
hergestellte Kondensatoren können
eine unbefriedigende Lebensdauer-Kennlinie aufweisen. Unvorteilhafterweise
hat Tantalpulver eine große
Affinität
zu Sauerstoff und somit führen
die Bearbeitungsschritte, welche ein Erhitzen und ein nachfolgendes
Aussetzen gegenüber
Luft umfassen, unabweigerlich zu einer erhöhten Konzentration von Sauerstoff.
Da die absorbierte Sauerstoffmenge proportional zu dem ausgesetzten
Oberflächenbereich
ist, sind feine Pulver mit sehr hohen CV-Eigenschaften noch empfindlicher gegenüber der
Reaktion mit atmosphärischem
Sauerstoff.
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Verfahren
zum Reduzieren des Sauerstoffgehaltes der Tantal-Pellets umfassten
ein Dotieren von gesinterten Tantal-Pellets mit Stickstoff. Ein Dotieren
mit Stickstoff verhindert die Diffusion von Sauerstoff aus der umgebenden
Atmosphäre
und aus dem Tantalpentoxid-Film in das Tantal-Pellet, was zu einer
Stabilisierung der chemischen Zusammensetzung des dielektrischen
Filmes führt.
Als Folge weisen aus solchen Pellets hergestellte Tantal-Kondensatoren
eine hervorragende Thermostabilität bei DCL und Kapazität auf.
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Bei
bekannten Verfahren bestanden die gesinterten Pellets nach Dotierung
mit Stickstoff aus einer Mischung einer Nitridphase (TaN) und einer
festen Mischung von Stickstoff in der Tantalphase. Bei diesem Verfahren
scheidet sich die Nitridphase auf der Oberfläche der Pellets ab, um in ähnlicher
Weise mit den dielektrischen Eigenschaften des Tantalpentoxides
wie mit den Oxidphase-Abscheidungen zu Wechselwirken. Dies geschieht,
da die Oberfläche
des Tantal-Pellets mit Stickstoff übersättigt ist. Es wäre daher
vorteilhaft, ein Verfahren zum Stickstoff-Dotieren von Tantal-Pellets
zu entwickeln, um deren Sauerstoffgehalt nach der Sinterung zu reduzieren,
während
gleichzeitig die Bildung einer Nitridabscheidung verhindert wird.
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Niob
ist ein „Tochter"-Element von Tantal.
Niob und Tantal werden oft zusammen gefunden und teilen viele gleiche
chemische und physikalische Charakteristika und sind schwierig zu
trennen. Das Interesse an Niob als ein Kondensatormaterial basiert
weitestgehend, verglichen mit Tantal, auf seiner Häufigkeit
und seinem geringen Preis. Das größte Hindernis bei der Verwendung
von Niob in Kondensatoren ist die hohe Geschwindigkeit der Lösung von
Sauerstoff in Niobmetall. Dieses bewirkt, dass sich das Nioboxid
des Kondensatordielektrikums sehr schnell bei geringfügig erhöhten Temperaturen
zersetzt, wenn Sauerstoff in das Metall absorbiert wird. Es wäre daher
vorteilhaft, ein Verfahren einer Stickstoffdotierung von Niob-Pellets zum Reduzieren
des Sauerstoffgehalts nach der Sinterung zu entwickeln, während ebenfalls
die Ausbildung einer Nitrid-Abscheidung verhindert wird.
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Es
ist daher eine primäre
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren
des Sauerstoffgehalts von gesintertem Tantal- und Niob-Pellets zur
Verfügung
zu stellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Dotieren von Tantal- und Niob-Pellets mit Stickstoff bereitzustellen,
welches die Ausbildung einer Nitrid-Abscheidung an der Oberfläche der
Tantal- oder Niob-Pellets
verhindert.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
stickstoffdotiertes Tantal- oder Niob-Pellet mit verbesserten DCL-Charakteristika
und einer verbesserten Zuverlässigkeit
bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
stickstoffdotiertes Tantal- oder Niob-Pellet bereitzustellen, welches
einfach herzustellen und ökonomisch
zu produzieren ist.
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Das
Verfahren zum Erreichen dieser und anderer Aufgaben wird aus der
folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Kondensators, wie es in Anspruch 1 definiert ist, oder wie es in
den abhängigen
Ansprüchen
2-8 definiert ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
mit welchem eine Nitridabscheidung auf Tantal- und Niob-Pellets
als Folge einer Stickstoffdotierung im wesentlichen vermieden wird. Dieses
Verfahren umfasst ein Einbringen von Stickstoff in Tantal- und Niob-Pellets
in einer sauerstofffreien Umgebung in einem Temparaturbereich von
ungefähr
600 bis 1400°C. Üblicherweise
ist die Sintertemparatur höher
als die Temparatur bei der Stickstoffdotierung. Der bevorzugte Temparaturbereich
ist 700°C
bis 1250°C. Bei
diesen Bedingungen ist die Absorption von Stickstoff durch Tantal- oder Niob-Pellets
maximal. Um eine Abscheidung der Stickstoffphase zu verhindern,
wird der Gesamtgehalt an Stickstoff und Sauerstoff in dem Volumen
der stickstoffdotierten Pellets unter der Löslichkeitsgrenze dieser Gase
in Tantal und Niob bei Raumtemparatur gehalten. Diese Verunreinigungen
werden gleichmäßig in den
Tantal- und Niob-Partikeln verteilt, und zwar beim Ausheizen der
stickstoffdotierten Pellets im Vakuum bei derselben Temparatur wie
der Dotierungstemparatur. Dieses Verfahren des Bindens des Stickstoffes
an das Tantal oder das Niob verhindert ferner übermäßige Sauerstoffkonzentrationen
in dem Pellet, wodurch die Zuverlässigkeit des Kondensators erhöht und die
Kondensatorzersetzung vermindert wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen zusammengefassten
Sinterungs/Stickstoffdotierungs-Verfahrens.
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2 ist
ein Graph, der Röntgenanalyseergebnisse
für stickstoffdotierte
erfindungsgemäße Pellets veranschaulicht.
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3 ist
ein Graph, der Röntgenanalysen
von bekannten Tantalnitridanoden veranschaulicht.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Tantal-Kondensators.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Tantal-Kondensatoren, wie sie in 4 angezeigt
sind, oder Niob-Kondensatoren,
welche entsprechend den Tantal-Kondensatoren hergestellt werden,
mit dem einen Unterschied der Substitution von Niob. Kondensatoren
werden in vielen Arten von elektronischen Einrichtungen verwendet.
Die bekannteren Verwendungen für
Tantal- und Niob-Kondensatoren sind Personalcomputer, Plattenlaufwerke,
Mobiltelefone, Drucker, mobile Pager, Kraftfahrzeug and Militärgerät.
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Bei
erfindungsgemäßen Tantal-Kondensatoren
sind die beiden Leiter das Tantal- (oder Niob-)Pellet 2 und
das Magnesiumdioxid 6, welches tatsächlich ein Halbleiter ist.
Das Dielektrikum ist Tantalpentoxid 4. Wenn der Kondensator
in Gebrauch ist, wird das Tantal 2 positiv geladen und
wirkt als die Anode, und das Magnesiumdioxid 6 wird negativ
geladen und wirkt als die Kathode. Der Kondensator umfasst ferner
einen Tantalanode-Anschlussdraht 12, eine metallisierte äußere Elektrode 10 und
eine Kohlenstoffschicht 8 innerhalb der äußeren Elektrode 10.
Niob-Kondensatoren sind identisch mit Tantal-Kondensatoren, mit der Ausnahme, dass das
Tantal-Pellet gegen ein Niob-Pellet ersetzt ist. Bei Niob-Kondensatoren
ist das Dielektrikum Niobpentoxid (Nb2O5).
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden entweder Tantal- oder Niobpulver zunächst unter Verwendung von üblichen
Verfahren, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, zum Ausbilden
von porösen
und gesinterten Pellets gepresst. Die Charakteristika der Tantal-
und Niob-Pellets sind im wesentlichen identisch, mit der Ausnahme,
dass die Dichte von Niob-Pellets
ungefähr
die Hälfte
der Dichte von Tantal-Pellets beträgt.
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Das
Stickstoffdotierungs-Verfahren der entweder Tantal- oder Niob-Pellets
kann entweder in einem Sinterofen durchgeführt werden, während das
Pellet sich in der dem Sintern folgenden Kühlphase befindet, oder in einem
speziellen Ofen. Das Verfahren muss in einer Atmosphäre stattfinden,
welche im we sentlichen frei von Sauerstoff und anderen verunreinigenden
Gasen ist. Daher muss die Reaktion in einem Vakuum oder in einem
interten Gas durchgeführt
werden. Das Vakuumlevel vor der Einbringung von Stickstoff beträgt ungefähr 1,33
Pascal (10 Mikrometer) oder weniger. Das bevorzugte Vakuumlevel
ist geringer als 1,33 Pascal (10 Mikrometer).
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Bei
dem Verfahren wird das Pellet bei einer hohen Temparatur, welche
für Tantal-
und Niob-Pellets vorzugsweise in dem Bereich von 600-1400°C liegt,
in einem Vakuumofen angeordnet. Aufgrund des verglichen mit Tantal
geringen Schmelzpunkts von Niob sind die Bearbeitungstemparaturen
für Niob-Pellets
ungefähr
50 °C geringer
als die bei Tantal.
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Nachfolgend
wird Stickstoffgas über
einen Zeitraum von ungefähr
2 bis 20 Minuten, während
das Vakuumlevel ansteigt, in den Ofen eingeführt, um eine spontane und vollständige Stickstoffabsorption
zu bewirken.
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Der
resultierende Gesamtgehalt von Stickstoff und Sauerstoff in den
Pellets nach der Stickstoffdotierung liegt in dem Bereich von ungefähr 1,8 bis
2 at.-% basierend auf dem Gewicht von Tantal- oder Niobpulver. Dieser
Wert liegt nahe an der Löslichkeitsgrenze
dieser Gase in Tantal und Niob bei Raumtemparatur.
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Die
Tantal- oder Niob-Pellets werden bei der speziellen Temparatur für ungefähr 2 bis
20 Minuten im Vakuum gehalten. Während
dieser Phase diffundiert der Stickstoff von der Oberfläche der
Pellets in das Volumen der Tantal- oder Niobpulverpartikel. Aufgrund
dieses temparaturabhängigen
Diffusionsprozesses verbleibt weniger Stickstoff an der Oberfläche des
Pellets und der Stickstoff scheidet sich daher während des Kühlvorgangs nicht ab.
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Nach
dem Schritt der Stickstoffdotierung werden die Pellets gemäß üblichen
Pellet-Kühlverfahren, welche
dem Fachmann bekannt sind, gekühlt.
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Das
Verfahren der Sauerstoffbindung bei freien Tantal- oder Niob-Pelletoberflächen ist
bei stickstoffdotierten und undotierten Pellets das gleiche. Dies
ist eine wichtige Voraussetzung für die weitere Pellet-Anodisierung.
Die Rolle des Stickstoffs ist es, eine Sauerstoffdiffusion von der
Oberfläche
in das Volumen der Tantal- oder Niob-Partikel während oder nach den Bedingungen
mit hoher Temparatur zu vermeiden.
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Wenn
Tantal oder Niob vor deren Aussetzen gegenüber Sauerstoff mit Stickstoff
dotiert werden, sind die Tantal- oder Niob-Partikel bereits teilweise
mit dem Stickstoff verbunden, was die Anbindung von Sauerstoff verhindert.
Somit kann die Sauerstoffkonzentration nicht die „kritische
Konzentration" erreichen.
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Das
Dotieren mit Stickstoff wird nach dem Sintern durchgeführt. Andernfalls
verdampft der Stickstoff bei der hohen Sintertemparatur aus dem
Pellet. Aus diesem Grunde ist eine Dotierung von Tantal- oder Niobpulver
vor dem Sintern nicht effektiv.
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Nach
dem Sintervorgang durchläuft
das Pellet die verbleibenden Schritte bei der Kondensatorherstellung,
welche dem Fachmann bekannt sind. Üblicherweise wird das Pellet
in einer sauerstoffbildenden Lösung angeordnet,
so dass sich ein dünner
dielektrischer Film von Tantalpentoxid bzw. Niobpentoxid auf der
Außenseite
der Partikel in dem Pellet bildet.
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Nachfolgend
wird der Kathodenabschnitt des Kondensators gebildet. Üblicherweise
wird Magnesiumoxid um den dielektrischen Film angeordnet, welchem
eine Schicht von Kohlenstoffgraphit folgen kann, welche mit Silber
bestrichen wird. Andere leitfähige
Polymere, wie beispielsweise Polypyrrole, können ebenfalls anstelle von
Magnesiumoxid verwendet werden.
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Der
poröse
Tantal- oder Niobkern kann einen Anschlussdraht umfassen, welcher üblicherweise
aus entweder Tantal oder Niob hergestellt ist. Der Draht ist üblicherweise
mit einer isolierenden Substanz wie beispielsweise Teflon beschichtet.
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Das
nachfolgende Beispiel wird lediglich für veranschaulichende Zwecke
dargelegt und soll die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken.
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BEISPIEL
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Stickstoffdotierungs-Vorgang
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Es
wurden Pellets (Embedded-Typ) aus Ta-Pulver mit CV = 12000 μFV/g gepresst
und bei einer Temparatur von ungefähr 1600°C gemäß üblichen Verfahren gesintert.
Das Gewicht des Ta-Pulvers
in jedem Pellet ist bekannt. Gemäß chemischen
Analysedaten beträgt
der Sauerstoffgehalt in demselben gesinterten Pellet nach einer
Aussetzung gegenüber
Luft 1,7 bis 1,8 at.-%. Aus diesem Grunde ist der tatsächliche
Bulk-Sauerstoffgehalt in den Ta-Partikeln 1,3-1,4 at.-%. Der berechnete
Stickstoffgehalt ist 0,5 at.-%. In diesem Falle beträgt der gemeinsame
Sauerstoff- und Stickstoffgehalt 1,8-1,9 at.-%, was nahe der Löslichkeitsgrenze
von 2 at.-% ist. Anhand dieses Stickstoffgehaltes und des Gesamtgewichtes
des Ta-Pulvers in sämtlichen
Pellets wurde das Gewicht des benötigten Stickstoffgases berechnet.
Diese Menge an Stickstoffgas wurde vor dem Sintern des Pellets eingeschlossen.
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Nach
dem Sintern der experimentellen Pellets wurde die Temparatur auf
ungefähr
1200°C gesenkt und
das Volumenventil wurde geschlossen. Das Vakuumlevel vor dem Einbringen
des Stickstoffgases war geringer als 1,33 Pascal (10 Mikrometer).
Für ein
paar Minuten wurde langsam Stickstoffgas in die Kammer eingelassen,
wobei währenddessen
das Vakuumlevel auf ungefähr
13,33 Pascal (100 Mikrometer) anstieg. Nach wenigen Minuten kehrte
der Vakuumdruck auf das anfängliche
Level zurück,
was eine vollständige
Absorption des Stickstoffgases durch die Pellets anzeigt.
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In
der zweiten Stufe wurde das Vakuumventil geöffnet, und die Pellets wurden
bei der gleichen Temparatur für
einen Zeitraum von wenigen Minuten im Vakuum gehalten. Während dieser
Stufe diffundiert der Stickstoff von der Oberflächenschicht der Ta-Partikel
in ihr Volumen. Die Pellets werden anschließend gekühlt. Das Schema des gemeinsamen
Sinterungs/Dotierungs-Vorgangs ist in
2 gezeigt.
Die chemische Zusammensetzung der stickstoffdotierten und undotierten
(Kontroll-)Pellets ist dargestellt in Gewichts-% in Tabelle 1. Aus
dieser ist zu entnehmen, dass der zusätzliche Stickstoffgehalt ungefähr 0,04
Gewichts-% oder ungefähr 0,45
at.-% und der gemeinsame Sauerstoff- und Stickstoffgehalt ungefähr 2,2 at.-%
beträgt.
Diese Parameter sind nahe der berechneten Zielzusammensetzung Tabelle
1 Sauerstoff-
und Stickstoffgehalt in stickstoffdotierten und undotierten (Kontroll-)Pellets Dotierte
Pellets
#791
Stickstoffdotiert | WT=
0,1105g Chan=Verfahren 1 |
| 12:15
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1666% | Stickstoff=
0,04489 |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=232 |
T=40
R=5286 | |
#792
Stickstoff-2 Dopd | WT=0,1086g
Chan= Verfahren 1 |
| 12:54
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1668% | Stickstoff-
0,04336% |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=225 |
T=40
P=5123 | |
#793
Stickstoff-3 Dopd | WT=0,1103g
Chan=Verfahren 1 |
| 12:57
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1611% | Stickstoff=
0,04646% |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=203 |
T=40
P=4821 | |
Kontroll-Pellets
#794
Referenz- | WT=
0,1018g Chan=Verfahren 1 |
| 13:03
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1637% | Stickstoff=
0,00662 % |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=232 |
T=40
P=4317 | |
#795
Referenz- | WT=0,1006g
Chan= Verfahren 1 |
| 13:06
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1644% | Stickstoff-
0,00705% |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=16 |
T=40
P=4700 | |
#796
Referenz- | WT=0,1006g
Chan=Verfahren 1 |
| 13:09
18-Sep-96 |
Sauerstoff=
0,1644% | Stickstoff=
0,00737% |
Cal=0,9320
BK=0,0000 | Cal=1,2493
BK=-0,00020 T=40 P=16 |
T=40
P=4683 | |
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Die
Phasenzusammensetzungen der erfindungsgemäß und gemäß dem Stand der Technik mit
Stickstoff dotierten Pellets sind in den 3 und 4 gezeigt.
Diese Figuren veranschaulichen, dass gemäß dem Stand der Technik dotierte
Pellets eine abgeschiedene Nitridphase umfassen, während ein
erfindungsgemäßes stickstoffdotieren
diese Nitridphasenabscheidung verhindert.
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Stickstoffdotierte
und undotierte Pellets wurden für
die Herstellung von festen Tantalkondensatoren mit 1 μF-35 V verwendet.
Diese Kondensatoren wurden einem Sweep-Voltage-Test (Tabelle 2)
und einem Negativ-Polarity-Test (Tabelle 3) unterzogen. Die Sweep-Voltage-Test
Ergebnisse zeigen, dass alle Kondensatoren mit dotierten Pellets
eine Spannung von 99,9 V aushalten, während 10 von 12 Kontrollkondensatoren
bei dieser Spannung brechen. Die Ergebnisse des Negativ-Polarity-Tests
(Tabelle 3) demonstrieren, dass alle Kondensatoren mit stickstoffdotierten
Pellets eine negative Spannung von -10,5 V aushalten (das heißt 30 %
der Nennspannung), während
bei der Kontrollgruppe die meisten der Kondensatoren den Sharp-DCL-Wert
erhöhten.
Diese in den Tabellen 2 und 3 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass
ein erfindungsgemäßes stickstoffdotieren
der Tantal-Pellets bewirkt, dass die elektrische Stärke der
Kondensatoren bei direkter und negativer Polarität wesentlich erhöht ist.
Dies verbessert die Zuverlässigkeit
der Kondensatoren und die DCL-Langzeitstabilität. Nach einer Lebensdauerprüfung für 1000 Stunden
wurde bei keinem von 96 experimentellen Kondensatoren bei Nennspannung
und 35°C
ein Versagen festgestellt, während
bei den Referenzkondensatoren mehrere Ausfälle ermittelt wurden.
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Tabelle
2 Sweep-Voltage-Test
Ergebnisse für
Kondensatoren mit stickstoffdotierten Pellets und Kontroll-Pellets
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Tabelle
3 Negative-Polarity-Test
Ergebnisse für
Kondensatoren mit stickstoffdotierten Pellets und Kontroll-Pellets
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Die
Erfindung wurde oberhalb in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
gezeigt und beschrieben. Aus dem vorhergehenden kann erkannt werden,
dass die vorliegende Erfindung zumindest alle der genannten Aufgaben
erfüllt.