JP2016171311A - 超高電圧キャパシタアセンブリ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のその他の特徴および態様について、以下により詳細に述べる。
当業者を対象とする本発明の完全かつ可能な開示を、その最良の形態も含め、添付される図を参照する本明細書の残りの部分でより詳細に述べる。
本考察は、単なる例示的な実施形態を記述するものであり、本発明のより広範な態様を限定するものではなく、より広範なその態様は例示的な構成に具体化されることが、当業者に理解されよう。
概して本発明は、約600V以上の定格電圧など、超高電圧環境で使用されるキャパシタアセンブリを対象とする。そのような高電圧で良好な性能を実現するのを助けるため、本発明では、キャパシタ要素の数、キャパシタ要素を配置構成しアセンブリに組み込む手法、およびキャパシタ要素を形成する手法を含めたアセンブリの様々な態様が制御される。例えばキャパシタアセンブリは、第1のキャパシタ要素のアノードリードが電気的に接続されているアノード端子と、第2のキャパシタ要素のカソード(例えば固体電解質)が電気的に接続されているカソード端子とを含有する。アセンブリの破壊電圧特性を改善するのを助けるため、キャパシタ要素は、単一の構成要素または多数の構成要素から形成され得る伝導性部材を介して、第2のキャパシタ要素のアノードリードが第1のキャパシタ要素のカソード(例えば固体電解質)に電気接続されるように、直列に電気接続されている。ある手法で電気的に接続される他、キャパシタ要素は、不活性ガスを含有する気体雰囲気の存在下でハウジング内に封入され、かつ密閉封止され、それによってキャパシタ要素の固体電解質に供給される酸素および水分の量が制限される。
I. キャパシタ要素
A. アノード
キャパシタ要素のアノードは一般に、バルブ金属組成物から形成される。組成物の比電荷は、約2,000μF・V/g〜約150,000μF・V/g、いくつかの実施形態では約3,000μF・V/g〜約70,000μF・V/gまたはそれ以上、いくつかの実施形態では約4,000μF・V/g〜約50,000μF・V/gのように変化し得る。当技術分野で公知のように、比電荷は用いられる陽極酸化電圧をキャパシタンスに乗じ、次いでこの積を陽極酸化された電極本体の質量で割ることによって決定されてもよい。
上述のように、アノードリードは、そこから長手方向に延びるアノード本体に接続されてもよい。アノードリードは、ワイヤ、シートなどの形をとってもよく、タンタル、ニオブ、酸化ニオブなどのバルブ金属化合物から形成されてもよい。リードの接続は、リードを本体に溶接し、または形成中に(例えば締固めおよび/または焼結の前に)リードをアノード本体に埋め込むなど、公知の技法を使用して実現されてもよい。
誘電体もアノード本体の上に重なり、またはコーティングされる。誘電体は、誘電体層がアノード本体の上および/または内部に形成されるように、焼結されたアノードを陽極により酸化する(「陽極酸化」する)ことによって形成されてもよい。例えばタンタル(Ta)アノード本体は、五酸化タンタル(Ta2O5)に陽極酸化されてもよい。典型的には、陽極酸化はアノード本体を電解質中に浸漬させることなどにより、溶液をアノード本体に最初に付着させることによって行われる。溶媒は、水(例えば脱イオン水)などが一般に用いられる。イオン伝導度を高めるために、溶媒中で解離してイオンを形成することが可能な化合物を用いてもよい。そのような化合物の例には、例えば、電解質に関して以下に記述するような酸が含まれる。例えば、酸(例えばリン酸)は、陽極酸化溶液の約0.01質量%〜約5質量%、いくつかの実施形態では約0.05質量%〜約0.8質量%、およびいくつかの実施形態では約0.1質量%〜約0.5質量%を構成してもよい。必要に応じて、酸のブレンドを用いてもよい。
上述のように固体電解質は、キャパシタ用のカソードとして一般に機能する誘電体上に重なる。固体電解質は、酸化または還元後に典型的にはπ共役されておりかつ導電率を有する、例えば少なくとも約1μS/cmの導電率を有する伝導性ポリマーを含有する。そのようなπ共役伝導性ポリマーの例には、ポリ複素環(例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンなど)、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリフェノレートなどが含まれる。一実施形態では、例えばポリマーは下記の一般構造を有するような置換ポリチオフェンである。
Tは、OまたはSであり;
Dは、置換されていてもよいC1−C5アルキレンラジカル(例えば、メチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレン、n−ペンチレンなど)であり;
R7は、直鎖状または分枝状の、置換されていてもよいC1−C18アルキルラジカル(例えば、メチル、エチル、n−またはiso−プロピル、n−、iso−、sec−、またはtert−ブチル、n−ペンチル、1−メチルブチル、2−メチルブチル、3−メチルブチル、1−エチルプロピル、1,1−ジメチルプロピル、1,2−ジメチルプロピル、2,2−ジメチルプロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシル、n−オクタデシルなど);置換されていてもよいC5−C12シクロアルキルラジカル(例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、シクロデシルなど);置換されていてもよいC6−C14アリールラジカル(例えば、フェニル、ナフチルなど);置換されていてもよいC7−C18アラルキルラジカル(例えば、ベンジル、o−、m−、p−トリル、2,3−、2,4−、2,5−、2−6、3−4−、3,5−キシリル、メシチルなど);置換されていてもよいC1−C4ヒドロキシアルキルラジカルまたはヒドロキシルラジカルであり;
qは、0〜8の整数であり、いくつかの実施形態では0〜2、いくつかの実施形態では0であり;
nは、2〜5,000であり、いくつかの実施形態では4〜2000であり、いくつかの実施形態では5〜1,000である)。ラジカル「D」または「R7」に関する置換基の例には、例えば、アルキル、シクロアルキル、アリール、アラルキル、アルコキシ、ハロゲン、エーテル、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、スルホネート、アミノ、アルデヒド、ケト、カルボン酸エステル、カルボン酸、カーボネート、カルボキシレート、シアノ、アルキルシラン、およびアルコキシシラン基、およびカルボキシルアミド基などが含まれる。
T、D、R7、およびqは上記にて定義される)。特に適切なチオフェンモノマーは、「D」が、置換されていてもよいC2−C3アルキレンラジカルのものである。例えば、置換されていてもよい3,4−アルキレンジオキシチオフェンは、一般構造を有するものを用いてもよい。
必要ではないが、外部ポリマーコーティングをアノード本体に付着させてもよく、固体電解質上に重ねてもよい。外部ポリマーコーティングは一般に、上記にてより詳細に記述された半重合伝導性粒子の分散体から形成された1つまたは複数の層を含有する。外部コーティングは誘電体との接着を増大させるため、かつより機械的に堅牢な部分をもたらすため、キャパシタ本体の縁部領域にさらに侵入してもよく、それが等価直列抵抗および漏れ電流を低減させ得る。望む場合には、固体電解質との接着の程度を高めるため、外部ポリマーコーティングに架橋剤を用いてもよい。典型的には、架橋剤は外部コーティングで使用される分散体を付着させる前に付着させる。適切な架橋剤は、例えばMerkerらの米国特許公開第2007/0064376号に記載されており、例えば、アミン(例えば、ジアミン、トリアミン、オリゴマーアミン、ポリアミンなど);多価金属陽イオン、例えばMg、Al、Ca、Fe、Cr、Mn、Ba、Ti、Co、Ni、Cu、Ru、Ce、またはZnの塩または化合物、ホスホニウム化合物、スルホニウム化合物などを含む。
望む場合にはキャパシタは、当技術分野で公知のその他の層を含有してもよい。例えば、シェラック樹脂など比較的絶縁性がある樹脂状材料(天然または合成)で作製されたものなどの保護コーティングが、誘電体と固体電解質との間に形成されてもよい。これらおよびその他の保護コーティング材料は、Fifeらの米国特許第6,674,635号により詳細に記載されている。望む場合には、その部分には、炭素層(例えば黒鉛)および銀層がそれぞれ付着されてもよい。銀コーティングは、例えば、キャパシタのはんだ付け可能な伝導体、コンタクト層、および/または電荷収集器として働いてもよく、炭素コーティングは銀コーティングと固体電解質との接触を制限してもよい。そのようなコーティングは固体電解質の一部、または全てを覆ってもよい。
上述のように、少なくとも2つのキャパシタ要素はハウジング内に密閉封止される。密閉封止は使用中の固体電解質の酸化が阻止されるように、典型的には少なくとも1種の不活性ガスを含有する気体雰囲気の存在下で行われる。不活性ガスには、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトン、ラドンなど、ならびにこれらの混合物が含まれてもよい。典型的には不活性ガスは、ハウジング内の雰囲気の大部分、例えば雰囲気の約50質量%〜100質量%、いくつかの実施形態では約75質量%〜100質量%、いくつかの実施形態では約90質量%〜約99質量%を構成する。望む場合には、比較的少量の二酸化炭素、酸素、水蒸気などの非不活性ガスを用いてもよい。しかしそのような場合、非不活性ガスは典型的にはハウジング内の雰囲気の15質量%以下、いくつかの実施形態では10質量%以下、いくつかの実施形態では約5質量%以下、いくつかの実施形態では約1質量%以下、いくつかの実施形態では約0.01質量%〜約1質量%を構成する。例えば、含水量(相対湿度に関して表される)は約10%以下、いくつかの実施形態では約5%以下、いくつかの実施形態では約1%以下、いくつかの実施形態では約0.01〜約5%であってもよい。
試験方法
等価直列抵抗(ESR)
等価直列抵抗はKelvin Leads 2.2V DCバイアスおよび0.5Vピーク間正弦波信号を持つ、Agilent E4980AプレシジョンLCRメータを使用して測定されてもよい。動作周波数は100kHzであってもよく、温度は23℃±2℃であってもよい。
キャパシタンス
キャパシタンスはKelvin Leads 2.2V DCバイアスおよび0.5Vピーク間正弦波信号を持つ、Agilent E4980AプレシジョンLCRメータを使用して測定されてもよい。動作周波数は120Hzであってもよく、温度は23℃±2℃であってもよい。
9,000μFV/gのタンタル粉末を使用して、アノードサンプルを形成した。各アノードサンプルにタンタルワイヤを埋め込み、1800℃で焼結し、5.3g/cm3の密度にプレスした。得られたペレットは、4.15×3.70×2.00mmのサイズを有していた。ペレットを液体電解質中で315Vに陽極酸化して、誘電体層を形成した。次いで伝導性ポリマーコーティングを、固形分1.1%を有する分散ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(Clevios(商標)K、Heraeus)にアノードを浸漬することによって形成した。コーティング後、その部分を125℃で20分間乾燥した。このプロセスを10回繰り返した。その後、この部分を固形分2%を有する分散ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)に浸漬し、125℃で20分間乾燥した。このプロセスを8回繰り返した。次いでこの部分を黒鉛分散体に浸漬し、乾燥した。最後にこの部分を銀分散体に浸漬し、乾燥した。
キャパシタ要素を、例1で既に述べたものと同じ手法で形成した。(3つのキャパシタが直列に接続されている)完成した部品を図2に示されるように同様に組み立てたが、シーム溶接プロセスの前に窒素不活性ガスを使用しなかった。得られたアセンブリを溶接チャンバ内に配設し、空気でパージした後、封止リングと蓋との間にシーム溶接を行った。1μF/750Vキャパシタの多数の部品(15)はこのように作製した。
6b アノードリード
7a 絶縁性材料
7b 絶縁性材料
10 キャパシタアセンブリ
20a キャパシタ要素
20b キャパシタ要素
23 外壁
29 伝導性部材
40 結合部材
62 伝導性部材
124 側壁
125 側壁
Claims (19)
- 焼結された多孔質アノード本体、前記アノード本体の上に重なる誘電体層、および伝導性ポリマーを含む前記誘電体層の上に重なる固体電解質をそれぞれ含有する第1および第2のキャパシタ要素であって、前記第1のキャパシタ要素および前記第2のキャパシタ要素から第1および第2のアノードリードがそれぞれ延びている、第1および第2のキャパシタ要素と、
前記第1のキャパシタ要素の前記固体電解質を、前記第2のキャパシタ要素の前記アノードリードに電気接続する結合部材と、
前記第1および第2のキャパシタ要素が内部に配置されかつ密閉封止されている、内部キャビティを画定するハウジングであって、前記内部キャビティが不活性ガスを含有する気体雰囲気を有するハウジングと、
前記第1のキャパシタ要素の前記第1のアノードリードに電気接続している外部アノード端子と、
前記第2のキャパシタ要素の前記固体電解質に電気接続している外部カソード端子と
を含む、キャパシタアセンブリ。 - 不活性ガスが、前記気体雰囲気の約50質量%〜100質量%を構成する、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記ハウジングが、金属、プラスチック、セラミック、またはこれらの組合せから形成される、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1のアノードリードの横方向にほぼ垂直に配置され、かつそこに接続された、第1の部分を含有する第1の伝導性部材をさらに含む、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1の伝導性部材が、前記第1のアノードリードが延びる前記横方向にほぼ平行に配置された第2の部分をさらに含有する、請求項4に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1の伝導性部材が前記アノード端子に接続されている、請求項4に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第2のキャパシタ要素の前記固体電解質に電気接続された第2の伝導性部材をさらに含む、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第2の伝導性部材が前記カソード端子に接続されている、請求項7に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1のアノードリードおよび前記第2のリードが反対方向に向いている、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 2〜10個のキャパシタ要素を含む、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1および第2のキャパシタ要素の間に配置された第3のキャパシタ要素であって、焼結された多孔質アノード本体、前記アノード本体の上に重なる誘電体層、および伝導性ポリマーを含む前記誘電体層の上に重なる固体電解質を含有する第3のキャパシタ要素と、
前記第3のキャパシタ要素から延びる第3のアノードリードと
をさらに含む、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。 - 前記第1のアノードリードおよび前記第2のアノードリードが同じ方向に向いている、請求項11に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記第1のアノードリードおよび前記第3のアノードリードが反対方向を向いている、請求項12に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記結合部材が、第1の部分、第2の部分、および第3のキャパシタ要素から形成され、前記第1の部分は、前記第1のキャパシタ要素の前記固体電解質および前記第3のキャパシタ要素の前記第3のアノードリードを電気接続し、前記第2の部分は、前記第3のキャパシタ要素の前記固体電解質を前記第2のキャパシタ要素の前記第2のアノードリードに電気接続する、請求項11に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記アノード本体が、タンタル、ニオブ、またはこれらの導電性酸化物を含有する粉末から形成される、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記伝導性ポリマーが置換ポリチオフェンである、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記置換ポリチオフェンがポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)である、請求項16に記載のキャパシタアセンブリ。
- 前記固体電解質が、複数の半重合伝導性ポリマー粒子を含む、請求項1に記載のキャパシタアセンブリ。
- 約600V以上の破壊電圧を示す、請求項1から18までのいずれかに記載のキャパシタアセンブリ。
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