JP2023528862A - チップ形態ウルトラキャパシタ用ハウジング - Google Patents

Abstract

本明細書に開示されるのは、はんだリフロープロセスを使用してプリント回路基板上に取り付けるのに適したエネルギ貯蔵装置であって、装置は、封止ハウジング本体であって、正の内部コンタクト及び負の内部コンタクトを備え、それぞれは本体内に配置され、それぞれは正の外部コンタクト及び負の外部コンタクトと電気的に連通しており、外部コンタクトのそれぞれは、本体の外部に電気的連通を提供する、封止ハウジング本体と、本体内のキャビティ内に配置され、交互になっている電極層と電気的に絶縁されたセパレータ層とのスタックを備える電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）エネルギ貯蔵セルと、キャビティ内に配置され、電極層を濡らす電解液と、電極層のうちの１つ以上の第１のグループを正の内部コンタクトに電気的に接続する正のリードと、を備える、エネルギ貯蔵装置である。【選択図】図７

Description

関連出願の相互参照
本出願は、３７ＣＦＲ§１．５３（ｂ）の下で出願され、更に、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１．１１９（ｅ）の下で出願され、「Ｈｏｕｓｉｎｇ Ｆｏｒ Ｃｈｉｐ Ｆｏｒｍ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ」と題され先に出願された仮出願ＵＳ６３／０３３，３７１、２０１７年１０月３日に出願され「Ｃｈｉｐ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ」と題されたＵＳ６２／５６７，７５２、及び２０１８年１０月３日出願の「Ｃｈｉｐ Ｆｏｒｍ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ」と題された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０５４２３１号の利益を主張し、これらの開示は、いかなる目的であっても参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

１．発明の分野
本明細書に開示される本発明は、エネルギ貯蔵デバイスに関し、特に、電気回路基板に取り付けるように構成されるウルトラキャパシタに関する。

２．先行技術の記載
数えきれないほどのデバイスが、回路基板上に配置される部品を有する電子機器を使用している。全ての電子機器と同様に、効果的な電源供給は部品に電力を供給するための要件である。回路基板上に局所的な電力を供給するための１つの技術は、電池及びキャパシタなどのエネルギ貯蔵デバイスの使用を伴う。

一般に、従来のキャパシタは、１キログラム当たり約３６０ジュール未満の比エネルギを提供するが、従来のアルカリ電池は、約５９０ｋＪ／ｋｇの密度を有する。ウルトラキャパシタ（「スーパーキャパシタ」とも称される）は、電池よりもはるかに速く電荷を授受し、再充電可能な電池よりもずっと多くの充放電サイクルに耐えることができる。これにより、ウルトラキャパシタの実施態様は電気技術者にとって魅力的な解決策となる。

第１の設計上の障害として、典型的なウルトラキャパシタは、一定の電荷に対して従来の電池よりも実質的に大型になり得ることが挙げられる。電力密度の進歩にもかかわらず、別の問題はプロセスに向けられる。すなわち、電気回路の組み立てには、回路基板への部品のはんだ付けが必要である。この「リフロープロセス」は、従来のウルトラキャパシタを劣化又は破壊するのに十分な熱を発生させる。したがって、ウルトラキャパシタの使用は、回路基板に搭載された電子機器に電力を供給するための魅力的な解決策であり得るが、この解決策は、高電力出力を必要とするコンパクト設計には利用できていない。その他に、既存のウルトラキャパシタ技術の更なる問題は、そのような部品の寿命が限定されていることである。

必要となるのは、回路基板上に配置される電気部品に電力を供給するために有用なウルトラキャパシタである。好ましくは、ウルトラキャパシタは、益々小型化する部品に適したコンパクト設計を提供し、リフロー処理に耐え抜くことができ、有用な動作寿命を提供する。

チップ形態ウルトラキャパシタの追加の態様及び実施形態が本明細書に記載される。

本明細書に開示されるのは、はんだリフロープロセスを使用してプリント回路基板上に取り付けるのに適したエネルギ貯蔵装置であって、装置は、封止ハウジング本体であって、正の内部コンタクト及び負の内部コンタクトを備え、それぞれは本体内に配置され、それぞれは正の外部コンタクト及び負の外部コンタクトと電気的に連通しており、外部コンタクトのそれぞれは、本体の外部に電気的連通を提供する、封止ハウジング本体と、本体内のキャビティ内に配置され、交互になっている電極層と電気的に絶縁されたセパレータ層とのスタックを備える電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）エネルギ貯蔵セルと、キャビティ内に配置され、電極層を濡らす電解液と、電極層のうちの１つ以上の第１のグループを正の内部コンタクトに電気的に接続する正のリードと、電極層のうちの１つ以上の第２のグループを負の内部コンタクトに電気的に接続する負のリードと、を備え、正の外部コンタクト及び負の外部コンタクトの少なくとも１つは、エネルギ貯蔵装置に熱衝撃を放散するように構成される細長い外部端子で構成される、エネルギ貯蔵装置である。

様々な実施形態は、本明細書に記載される特徴及び要素のいずれかを、単独で又は任意の好適な組み合わせのいずれかで含んでもよい。

本発明の特徴及び利点は、添付の図面を用いて説明される以下の記載から明らかである。

本明細書に開示されるウルトラキャパシタの比較実施形態の見下げ図である。 本明細書の教示による、チップキャップの比較実施形態を示す等角図である。 チップキャパシタのパッケージ、本体、又はケースの見下げ図である。本実施形態において、パッケージは、図２に示すような低プロファイル設計のためのものである。 図３に示すパッケージの見上げ図である。 図３及び図４に示されるパッケージの側断面図である。 図５の描写の一部分の分解図である。 図１～図６のパッケージの内部電気導管を示す図である。 リフロー処理のためのパッケージ内の熱応力の図による説明である。

本明細書に開示されるのは、回路基板にエネルギを提供するのに有用なエネルギ貯蔵デバイスである。一般に、「チップキャップ」と呼ばれるエネルギ貯蔵デバイスは、回路基板への表面実装に適した形態因子で構成される特殊なウルトラキャパシタである。有利にも、チップキャップは、基板実装回路の製造及び組み立てに関連する要求に耐えることができ、続いて、従来技術のエネルギ貯蔵デバイスよりも優れた性能を発揮することができる。

本出願は、２０１７年１０月３日に出願された「Ｃｈｉｐ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ」と題された先行出願の仮出願６２／５６７，７５２、及び２０１８年１０月３日に出願された「Ｃｈｉｐ Ｆｏｒｍ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ」と題された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０５４２３１号に開示された技術に関連し、継続しており、これらの開示は、いかなる目的であっても参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本出願では、追加の実施形態の態様が提示される。とりわけ、追加の態様は、チップキャップ設置中の熱応力の優れた放散をもたらす。一般に、より薄いセラミックパッケージなどの態様を採用することにより、リフロー可能ウルトラキャパシタは、高性能ＳＳＤカード及び厳しい設計要件を有する他の電子機器に対応することになる。

本明細書に開示される形態因子のいくつかの利点がある。例えば、電子機器市場が、そのような実施態様に適した部品設計を有して、益々薄型化する回路基板に移行しているため、チップキャップは、新しい設計及び製造技術に対応している。更に、提供される外部パッド設計は、はんだ付け可能面積を増加させるため、大きな温度変化の観点から、パッケージ、はんだ、又は基板を損傷させることなく性能を向上させる。更に、内部バスバー及び千鳥状のビアを使用した内部ビア設計は、パッケージに低い合計等価直列抵抗を付与する。最後に、内部パッドは、キャビティの半分の高さに隆起した棚部に配置されるため、製造を容易にし、パッドを腐食から保護するのに役立つ。

図１は、ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０５４２３１に記載されるチップキャップの「低プロファイル」実施形態を示す。ＰＣＴ参考文献では、チップキャップの外形寸法は約８ミリメートル（幅）×１１ミリメートル（長さ）である。また、図１に示されるのは、チップキャップデバイスの「低プロファイル」実施形態である。この例では、低プロファイルチップキャップの外形寸法は、約９ミリメートル（幅）×２２ミリメートル（長さ）である。

エネルギ貯蔵セルの容量は電極の表面積に直接比例するため、より大きい低プロファイルのセルは、より小さいセルの容量の約２倍となる（便宜上、最初の実施形態は「標準セル」と称される）。低プロファイルセルはより薄いが、低プロファイルセルはより広いため、標準セルよりも高い容積利用率となる。追加の実施形態である「高電力」バージョンが、図２に示される。図２で分かるように、高電力キャパシタは、低プロファイル又は低電力実施形態よりも実質的に高い位置にあっても又は背が高くてもよい。

図３～図７は、ハウジング（「本体」、「ケース」、「パッケージ」、及び他の同様の用語とも称される）の態様を示す図である。図３は、ケースの見下げ図を示し、ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０５４２３１の図７に示される本体１０１に実質的に類似しているデバイスを明らかにする。実際、本明細書の図３～図７のケースは、参考文献の本体１０１と実質的に類似しており、追加の態様が本明細書に記載されている。

本体１０１の別の実施形態の例は、本明細書の図４に示される。この例では、図３に示されるケースの底面を示す。この図では、ケースは、ケースの長さに沿って延びる３つのコンタクト（又は「端子」）を含む。コンタクトは、ダミーコンタクト（すなわち、パッド）によって負のコンタクト（すなわち、パッド）から分離された正のコンタクト（すなわち、パッド）を含む。図４に示されるように、コンタクトのうちの１つは、極性の視覚的インジケータを提供するために使用することができる印章（正のパッドを参照）などの特徴を含んでもよい。このパッド設計は、リフロープロセス中及び高温動作中の熱応力の優れた放散及び管理を提供する。

図５を参照すると、ケースの側断面図が示される。この図では、ケースは棚部を含む。棚部は、高い位置の内部コンタクトを提供する。したがって、貯蔵セルの電気リード（ここには図示されないが、ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０５４２３１に示される）は、ケースの内部床から隆起したケースの高い部分に取り付けられる。この設計は、溶接の展開を簡素化することによってチップキャップの製造を容易にし、電解液との接触を低減することによって内部の腐食を低減し、電気回路網にケース内の更なる余裕を提供する（図７を参照）。断面図の分解図が図６に提供される。いくつかの実施形態では、棚部は、各内部コンタクトを取り囲む縁部又は環部（図示せず）を含む。環部は、本体を形成するために使用されるセラミック材料内で設計されてもよい。一般に、環部は、２つの内部コンタクトの電気的分離（すなわち、溶接プロセス中の溶接材料の封じ込め）を確保するために含まれてもよく、チップキャップが使用されれば、内部コンタクトの電解液との接触を制限してもよい。

図７では、電気回路網の態様が示される。一般に、電気回路網は、ケース内に露出された内部コンタクトを含む。内部コンタクトは、図５及び図６に示されるように、棚部上に配置されてもよい。図４（及び図８）に示されるように、外部パッド（すなわち、電気コンタクト）は、内部コンタクトからオフセットされ、中間回路要素によって内部コンタクトに電気的に接続される。本明細書で説明されるように、「オフセット」は、外部端子の位置からの内部コンタクトの横方向のオフセットに関連している。いくつかの重複が生じることもあるが（上から下に見た場合）、内部コンタクト及び／又は外部端子の少なくとも一部は、上方向に整列しておらず、したがって、互いにオフセットしている。

中間要素は、中間バスに接続される複数のビアを含み、次に別の複数のビアに接続される。中間回路要素のオフセット配置は、（リフロー処理からのような）熱がケース全体に実質的に均一に分散されるようになっている。

十分に広い接触面を提供することに加えて、外部パッドは、リフロープロセス中に熱を放散するように構成され、それによってケース内の貯蔵セル及び電解液への影響を制限する。

図示される設計では、外部パッドの構成により、パッケージは、はんだがひび割れ又は損傷することなく１００℃を超える温度変動に耐えることができる。図８～図１１は、熱処理のモデリングの結果を示す。

したがって、電気回路に電力を供給するためのエネルギ貯蔵デバイスの実施形態を紹介したが、いくつかの追加の態様がここで提示される。

様々な形態因子が、表面実装、リフロー可能チップ形態ウルトラキャパシタ（又は単に「チップキャップ」）のために実現されてもよい。チップキャップは、容量又はリフロー処理中の熱伝達などの他の性能態様を改善するように寸法構成されてもよい。細長い電気コンタクトが、熱応力管理のために構成されてもよい。少なくとも１つの電気コンタクトは、印章を有して構成されてもよい。印章は、例えば、チップキャップの極性を示すのに有用であることがある。

チップキャップの適応可能な設計は、チップキャップがリフロープロセスによく耐えるため、デバイスをソリッドステートデバイスにおいて特に有用にする。モノのインターネット（ＩｏＴ）技術は、少なくとも部分的には、チップキャップの形態因子により、チップキャップの使用から利益を得ることができる。チップキャップの電気的特性は、デバイスを、電池パック又は同様のデバイス内の充電を確認する（又は「クーロンカウントする」）ためのデバイスとして適切なものにする。自動車産業では、チップキャップは、高温及び極端な環境でかなりの稼働率を有するため、チップキャップの使用は有利である。例えば、チップキャップは、制御バス動作を増強／支援するために使用されてもよい。チップキャップの高温耐久性により、デバイスは、高温滅菌プロセスを受ける医療機器での使用に非常にうまく適合するようになる。

いくつかの実施形態では、チップキャップは、棚部を有するケースを含む。棚部は、縁部又は環部を含んでもよい。環部は、溶接中のバリア及び／又は電解液との接触を制限するダムとして使用するように適合されてもよい。チップキャップは、熱応力管理に適合される長さ及び幅を有する細長い外部コンタクトパッドを有して製造されてもよい。いくつかの実施形態では、細長いパッドは、ケースの長さだけ続いている。いくつかの実施形態では、ダミーパッド（又は端子）が含まれる。ダミー端子はまた、熱応力管理のために適合されてもよい。熱応力管理のための端子の構成は、熱応力モデリングを含んでもよく、デバイスの組み立て中及びその後の動作中の性能をモデル化してもよい。チップキャップは、外部端子の位置から少なくとも部分的に横方向にオフセットされた内部コンタクトを示す電気回路網を含んでもよい。電気回路網は、バスバーを含んでもよい。バスバーは、熱応力管理のために構成されてもよい。ビア内の複数の導体は、内部コンタクトからバスバーに延在してもよく、ビア内の別の複数の導体は、バスバーから外部端子に延在してもよい。

本明細書の教示の態様を提供するために、様々な他の構成要素が含まれても、必要とされてもよい。例えば、追加の材料、材料の組み合わせ、及び／又は材料の省略を使用して、本明細書の教示の範囲内の追加の実施形態を提供してもよい。

本明細書における教示の様々な変形が実現されてもよい。一般に、変形は、ユーザ、設計者、製造業者、又は他の類似の利害関係者のニーズに応じて設計されてもよい。変形は、その当事者によって重要であると見なされる性能の特定の基準を満たすように意図されてもよい。

添付の特許請求の範囲又は特許請求の範囲の要素は、単語「のための手段」又は「のためのステップ」が特定の請求項において明示的に使用されない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）を援用すると解釈されるべきではない。

本発明の要素又はその実施形態を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、１つ以上の要素が存在することを意味するように意図される。同様に、要素を導入するために使用されるとき、形容詞「別の」は、１つ以上の要素を意味するように意図される。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、列挙される要素以外の追加の要素が存在し得るように包括的であることが意図される。本明細書で使用される場合、「例示的な」という用語は、最上級の例を暗示するように意図されない。むしろ、「例示的な」は、多くの可能な実施形態のうちの１つである実施形態を指す。

本発明は、例示的な実施形態を参照しながら説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行ってもよく、等価物をその要素に置き換えてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。更に、特定の器具、状況、又は材料を、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に適合させるために、多くの変形が、当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良のモードとして開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。

Claims (4)

1. はんだリフロープロセスを使用してプリント回路基板上に取り付けるのに適したエネルギ貯蔵装置であって、前記装置は、
   封止ハウジング本体であって、正の内部コンタクト及び負の内部コンタクトを備え、それぞれは前記本体内に配置され、それぞれは正の外部コンタクト及び負の外部コンタクトと電気的に連通しており、前記外部コンタクトのそれぞれは、前記本体の外部に電気的連通を提供する、封止ハウジング本体と、
   前記本体内のキャビティ内に配置され、交互になっている電極層と電気的に絶縁されたセパレータ層とのスタックを備える電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）エネルギ貯蔵セルと、
   前記キャビティ内に配置され、前記電極層を濡らす電解液と、
   前記電極層のうちの１つ以上の第１のグループを前記正の内部コンタクトに電気的に接続する正のリードと、
   前記電極層のうちの１つ以上の第２のグループを前記負の内部コンタクトに電気的に接続する負のリードと、を備え、
   前記正の外部コンタクト及び前記負の外部コンタクトの少なくとも１つは、前記エネルギ貯蔵装置に熱衝撃を放散するように構成される細長い外部端子で構成される、エネルギ貯蔵装置。
2. 前記ハウジング本体内に配置される棚部を更に含み、前記棚部は、前記ハウジング本体の内部床から前記正の内部コンタクト及び前記負の内部コンタクトを上昇させる、請求項１に記載の装置。
3. 前記正の内部コンタクト及び前記負の内部コンタクトのうちの少なくとも１つは、前記対応する正の外部コンタクト及び負の外部コンタクトからオフセットされる、請求項１に記載の装置。
4. 前記正の内部コンタクトを前記負の外部コンタクトと接続するためのバスバーと、前記負の内部コンタクトを前記負の外部コンタクトと接続するための別のバスバーと、のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の装置。

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