JP5209336B2 - ヒューズ付き電解キャパシタ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、ヒューズ付き電解キャパシタ組立体に係る。

タンタルキャパシタのような固体電解キャパシタは、キャパシタンス値が高く且つコンパクトなものとして伝統的に知られている。このようなキャパシタには、過電流状態に曝されたときに燃えるのを防止するためにヒューズがしばしば使用される。典型的なヒューズ組立体は、過剰な電流に応答して切れる小さな導電性ワイヤを使用している。典型的に、ヒューズの一端は、電解キャパシタ素子の金属導電性ホイル縁に半田付けされ、そしてヒューズの他端は、金属集電バスに半田付けされる。電解キャパシタ素子が故障すると、短絡を招き、蓄積されたエネルギーが放電し得る。この放電で生じる過剰な電流に応答してヒューズが切れ、故障した素子と集電バスとの間の電気的接続を遮断する。従って、故障した素子が回路から取り除かれるので、キャパシタは、設定保護レベルを越える過電圧又は不平衡状態を引き起こすに足る素子の故障まで、残りの素子を使用して動作を続けることができる。しかしながら、不都合なことに、キャパシタ組立体における溶解型保護特徴の使用は、電気的性能に対して悪影響を与えることがある。例えば、出来上がった装置の全等価直列抵抗（ＥＳＲ）は、ヒューズを組み込んだときに増加する。

従って、サイズ及び性能に関する工業要件を良好に満足できる比較的簡単で且つ低廉なヒューズ付きキャパシタ組立体が現在要望されている。

本発明の一実施形態によれば、ヒューズ付き電解キャパシタ組立体が開示される。この組立体は、電解キャパシタ素子を備え、これは、アノード、及びアノードの上に横たわる固体電解質を含み、アノードからアノードリードが延びている。固体電解質にはカソード端子が電気的に接続される。又、組立体は、アノード端子も備え、これは、アノードリードに電気的に接続されたアノード結合部分、及び表面取り付けヒューズに電気的に接続されたヒューズ結合部分を含む。アノードリードは、ヒューズ結合部分の上に配置され、そして表面取り付けヒューズは、ヒューズ結合部分の下に配置されている。ケースは、電解キャパシタ素子及び表面取り付けヒューズをカプセル化し、そしてアノード及びカソード端子の少なくとも一部分を露出したままにする。

本発明の別の実施形態によれば、ヒューズ付き電解キャパシタ組立体を形成する方法が開示される。この方法は、アノード及びアノード上に横たわる固体電解質を含み、アノードからアノードリードが延びる電解キャパシタ素子を用意するステップを備えている。カソード端子及びアノード端子を画定（形成）するリードフレームが設けられる。アノード端子は、アノード結合部分及びヒューズ結合部分を含む。アノードリードは、アノード結合部分にレーザ溶接され、そして表面取り付けヒューズがヒューズ結合部分に電気的に接続される。カソード端子には固体電解質が電気的に接続される。更に、電解キャパシタ素子及び表面取り付けヒューズがカプセル化されて、アノード端子及びカソード端子の少なくとも一部分が表面取り付けのために露出したままにされる。

本発明の他の特徴及び態様は、以下に詳細に説明する。
当業者に向けられた最良の態様を含む本発明の完全な開示を、添付図面を参照して以下に詳細に述べる。
明細書及び添付図面中に参照文字を繰り返し使用することは、本発明の同じ又は同様の特徴又は要素を表わすことを意図している。

当業者であれば、ここに述べる実施形態は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の広い観点を限定することを意図しておらず、これら広い観点が例示的構造で実施されることを理解されたい。

一般的に述べると、本発明は、便利な空間節約パッケージにおいて改良された性能特性を発揮するヒューズ付き電解キャパシタ組立体に関する。より詳細には、ヒューズ付き電解キャパシタ組立体は、電解キャパシタ素子及び表面取り付けヒューズを含み、これらは、ケース内に収容され、共通のアノード端子に接続される。最初の製造中に、電解キャパシタ素子及びヒューズは、アノード端子に接続され、ヒューズは、個々のキャパシタ素子のテスト中にバイパスされる。テスト後に、アノード端子を切り取り、ヒューズ及びキャパシタ素子を直列接続状態にする。従って、使用中に、ヒューズは、電流に関連したある熱エネルギー（即ち、電流の実効値をＩ_RMSとし、電流の巾をｔ秒とすれば、Ｉ_RMS ²ｔ）に応答して切れ、キャパシタ素子との電気的接続を遮断すると共に、回路素子に残留する発火のおそれ又は他の危険性を制限する。

Ｉ．電解キャパシタ素子
電解キャパシタ素子は、種々の技術のいずれかを使用して形成することができる。例えば、電解キャパシタ素子は、通常、バルブ金属組成から形成されたアノードを含む。バルブ金属組成は、高い比電荷、例えば、約５，０００マイクロファラッド＊ボルト／グラム（μＦ＊Ｖ／ｇ）以上を有し、ある実施形態では、約１０，０００μＦ＊Ｖ／ｇ以上、又、ある実施形態では、約１５，０００μＦ＊Ｖ／ｇないし約２５０，０００μＦ＊Ｖ／ｇ以上を有する。バルブ金属組成は、バルブ金属（即ち、酸化し得る金属）、或いはバルブ金属ベースの化合物、例えば、タンタル、ニオブ、アルミニウム、ハフニウム、チタン、その合金、その酸化物、その窒化物、等々を含む。例えば、アノードは、金属・対・酸素の原子比が１：２５未満、ある実施形態では、１：２．０未満、ある実施形態では、１：１．５未満、又、ある実施形態では、１：１であるバルブ金属酸化物から形成することができる。このようなバルブ金属酸化物は、例えば、酸化ニオブ（例えば、ＮｂＯ）、酸化タンタル、等を含み、そして全ての目的で参考としてここに全体を援用するＦｉｆｅ氏の米国特許第６，３２２，９１２号に詳細に説明されている。

従来の製造手順を一般に使用してアノードを形成することができる。一実施形態では、ある粒子サイズの酸化タンタル又は酸化ニオブ粉末が先ず選択される。粒子サイズは、得られる電解キャパシタ素子の希望電圧に基づいて変化する。例えば、比較的大きな粒子サイズ（例えば、約１０マイクロメータ）の粉末は、高電圧キャパシタを製造するのにしばしば使用され、一方、比較的小さな粒子サイズ（例えば、約０．５マイクロメータ）の粉末は、低電圧キャパシタを製造するのにしばしば使用される。次いで、粒子は、アノードを形成するようにプレスされたときに互いに充分に接着するよう確保するために、バインダ及び／又は潤滑剤と混合されるのも任意である。適当なバインダは、樟脳、ステアリン及び他の石鹸脂肪酸、カルボワックス（ユニオン・カーバイド）、グリプタル（ジェネラル・エレクトリック）、ポリビニルアルコール、ナフタリン、植物ワックス、及びマイクロワックス（精製パラフィン）を含む。バインダは、溶媒に溶けて分散される。溶媒は、例えば、水、アセトン、メチルイソブチルケトン、トリクロロメタン、フッ素化炭化水素（フレオン）（デュポン）アルコール、及び塩素処理炭化水素（四塩化炭素）を含む。バインダ及び／又は潤滑剤のパーセンテージは、使用時に、全塊の約０．１重量％から約８重量％まで変化する。しかしながら、バインダ及び潤滑剤は、本発明では要求されないことを理解されたい。粉末は、形成されると、従来の粉末プレス型を使用して緊密化される。例えば、プレス型は、ダイ及び１つ又は複数のパンチを使用した単一ステーション緊密化プレスでよい。或いは又、ダイ及び単一の下部パンチだけを使用するアンビル型緊密化プレス型を使用してもよい。単一ステーション緊密化プレス型は、多数の基本的形態、例えば、カム、トグル／ナックル、及び偏心／クランクプレスであって、種々の能力、例えば、シングルアクション、ダブルアクション、浮動ダイ、可動プラテン、対向ラム、スクリュー、インパクト、ホットプレス、鋳造、又はサイジングをもつものが入手できる。粉末は、アノードワイヤ（例えば、タンタルワイヤ）の周りで緊密化される。或いは又、アノードワイヤは、アノードをプレス及び／又は焼結した後にアノードに取り付けられてもよい（例えば、溶接）。

圧縮の後に、バインダ／潤滑剤は、ペレットを真空中である温度（例えば、約１５０℃から約５００℃）に数分間加熱することにより除去することができる。或いは又、バインダ／潤滑剤は、全ての目的で参考としてここに全体を援用するＢｉｓｈｏｐ氏等の米国特許第６，１９７，２５２号に説明されたように、水溶液をペレットに接触させることにより除去されてもよい。その後、ペレットは、焼結されて、多孔性の一体的な塊となる。例えば、一実施形態では、ペレットは、約１２００℃ないし約２０００℃の温度で焼結され、そしてある実施形態では、真空中において約１５００℃ないし約１８００℃で焼結される。焼結の際に、ペレットは、粒子間の結合の成長のために収縮する。上述した技術に加えて、アノードを形成するための他の技術も、本発明により使用することができ、それらは、例えば、全ての目的でここに参考としてその全体を援用するＧａｌｖａｇｎｉ氏の米国特許第４，０８５，４３５号、Ｓｔｕｒｍｅｒ氏等の第４，９４５，４５２号、Ｇａｌｖａｇｎｉ氏の第５，１９８，９６８号、Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ氏の第５，３５７，３９９号、Ｇａｌｖａｇｎｉ氏等の第５，３９４，２９５号、Ｋａｌｋａｒｎｉ氏の第５，４９５，３８６号、及びＦｉｆｅ氏の第６，３２２，９１２号に説明されている。

アノードの厚みは、それが作られる特定の仕方に関らず、電解キャパシタ素子の電気的性能を改善するよう選択することができる。例えば、アノードの厚み（図１において−ｚ方向）は、約４ｍｍ以下であり、ある実施形態では、約０．２ないし約３ｍｍであり、そしてある実施形態では、約０．４ないし約２ｍｍである。このような比較的小さなアノード厚み（即ち「低背」）は、高比電荷粉末により発生される熱を消散し、且つＥＳＲ及びインダクタンスを最小にするための短い伝達路を与える上で役立つ。又、アノードの形状は、得られるキャパシタの電気的特性を改善するように選択することができる。例えば、アノードは、その形状がカーブしてもよいし、正弦波状でもよいし、長方形でもよいし、Ｕ字型でもよいし、Ｖ字型でもよいし、等々である。又、アノードは、表面・対・体積比を増加して、ＥＳＲを最小にし、且つキャパシタンスの周波数応答を拡張するために、１つ以上の溝、グルーブ、くぼみ又はぎざぎざを含むという点で、「フルート」形状を有してもよい。このような「フルート」状のアノードは、例えば、全ての目的でここに参考としてその全体を援用するＷｅｂｂｅｒ氏等の米国特許第６，１９１，９３６号、Ｍａｅｄａ氏等の第５，９４９，６３９号、Ｂｏｕｒｇａｕｌｔ氏等の第３，３４５，５４５号、及びＨａｈｎ氏等の米国特許出願公告第２００５／０２７０７２５号に説明されている。

アノードは、多孔性アノード上及び内に誘電体膜が形成されるようにアノード処理される。アノード処理は、アノード金属を酸化して、比較的誘電率の高い材料を形成する電気化学的プロセスである。例えば、タンタルアノードは、誘電率“ｋ”が約２７の五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を形成するようにアノード処理することができる。アノードは、高い温度（例えば、約８５℃）の弱酸性溶液（例えば、燐酸）に浸漬され、これに、制御された量の電圧及び電流を供給して、ある厚みを有する五酸化タンタルの被覆を形成することができる。電源は、必要な形成電圧に到達するまで、最初、一定電流に保持される。その後、電源は、タンタルペレットの表面上に希望の誘電体品質が得られるよう確保するために一定電圧に保持される。アノード処理電圧は、通常、約５ないし約２００ボルトの範囲であり、ある実施形態では、約２０ないし約１００ボルトの範囲である。アノードの表面上に形成されるのに加えて、誘電体酸化膜の一部分は、通常、孔の表面にも形成される。誘電体膜は、異なる技術を使用して、他の形式の材料から形成されてもよいことを理解されたい。

誘電体膜が形成されると、比較的絶縁性の樹脂材料（天然又は合成）で作られたもののような保護被覆を任意に付着することができる。このような材料は、抵抗率が約０．０５Ω−ｃｍより高く、ある実施形態では、約５Ω−ｃｍより大きく、ある実施形態では、約１０００Ω−ｃｍより大きく、ある実施形態では、約１ｘ１０⁵Ω−ｃｍより大きく、そしてある実施形態では、約１ｘ１０¹⁰Ω−ｃｍより大きい。本発明に使用できるある樹脂材料は、ポリウレタン、ポリスチレン、不飽和又は飽和脂肪酸のエステル（例えば、グリセリド）、等を含むが、これらに限定されない。例えば、脂肪酸の適当なエステルは、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、エレオステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アロイリット酸、シェロリック酸、等、のエステルを含むが、それらに限定されない。脂肪酸のこれらのエステルは、得られる膜が安定した層へと迅速に重合するのを許す「乾燥油」を生成するために比較的複雑な組み合せで使用されたときに特に有用であることが分っている。このような乾燥油は、モノ−、ジ−及び／又はトリ−グリセライドを含み、これらは、エステル化される１、２及び３脂肪アシル残留物を各々伴うグリセロールバックボーンを有する。例えば、使用できるある適当な乾燥油は、オリーブ油、亜麻仁油、ひまし油、桐油、大豆油、及びセラックを含むが、これらに限定されない。これら及び他の保護被覆材料は、全ての目的でここに参考としてその全体を援用するＦｉｆｅ氏等の米国特許第６，６７４，６３５号に詳細に説明されている。

アノード処理された部分は、その後に、電解キャパシタ素子の真のカソードとして働く電解質（例えば、固体電解質）を形成するステップを受ける。電解質は、硝酸マンガン（Ｍｎ（ＮＯ₃）₂）を熱分解して二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）を生成することにより形成できる。このような技術は、例えば、全ての目的でここに参考としてその全体を援用するＳｔｕｒｍｅｒ氏等の米国特許第４，９４５，４５２号に説明されている。或いは又、導電性ポリマー被覆を使用して、固体電解質を形成してもよい。導電性ポリマー被覆は、１つ以上の導電性ポリマー、例えば、ポリピロル；ポリチオフェン、例えば、ポリ（３、４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＴ）；ポリアニリン；ポリアセチレン；ポリ−ｐ−フェニレン；及びその派生物を含む。更に、もし望ましければ、多数の導電性ポリマー層から導電性ポリマー被覆を形成してもよい。例えば、一実施形態では、導電性ポリマー被覆は、ＰＥＤＴから形成された１つの層と、ポリピロルから形成された別の層とを含む。種々の方法を使用して、導電性ポリマー被覆をアノード部分に付着することができる。例えば、電気重合化、スクリーン印刷、浸漬、電気泳動被覆、及びスプレー掛けのような従来の技術を使用して、導電性ポリマー被覆を形成することができる。一実施形態では、例えば、導電性ポリマーの形成に使用されるモノマー（１つ又は複数）（例えば、３、４−エチレンジオキシチオフェン）を最初に重合化触媒と混合して溶液を生成してもよい。例えば、１つの適当な重合化触媒は、Ｂａｙｅｒ社により販売されている鉄IIIトルエン−スルホネート及びｎ−ブタノールであるＢＡＹＴＲＯＮ Ｃである。このＢＡＹＴＲＯＮ Ｃは、これもＢａｙｅｒ社により販売されているＰＥＤＴモノマーである３、４−エチレンジオキシチオフェンであるＢＡＹＴＲＯＮ Ｍのための商業的に入手できる触媒である。ほとんどの実施形態において、導電性ポリマーは、付着時に、ヒーリングされる。ヒーリングは、導電性ポリマー層を各々付着した後に行われてもよいし、導電性ポリマー被覆全体を付着した後に行われてもよい。種々の方法について上述したが、本発明では、電解質を付着する他の方法も使用できることを理解されたい。

固体電解質が形成されると、その部分には、炭素被覆（例えば、グラファイト）及び銀被覆が各々付着される。銀の被覆は、例えば、電解キャパシタ素子のための半田付け可能な導体、コンタクト層、及び／又は電荷収集器として働き、そして炭素被覆は、銀の被覆と固体電解質との接触を制限する。電解キャパシタ素子の全体的厚みは、約５ｍｍ以下であり、ある実施形態では、約０．２ないし約４ｍｍ、そしてある実施形態では、約０．４ないし約３ｍｍの範囲である。

II．表面取り付けヒューズ
以下に述べるようにキャパシタ組立体のアノード端子に表面取り付けできるものである限り、本発明にとってヒューズの特定の構造は重要でない。例えば、ヒューズは、所定電流が流れるのに応答して溶解し得る少なくとも１つのリンクで相互接続された一対のコンタクト部分を有するヒューズ素子を画定する導電性の膜を含む。導電性の膜を形成するのに、タンタル、ニオブ、アルミニウム、ハフニウム、チタン等の導電性材料を使用することができる。導電性の膜は、比較的小さな厚み、例えば、約０．１ないし約１０マイクロメータ、又、ある実施形態では、約０．４ないし約４マイクロメータ、を有する。もちろん、これより大きな厚み、例えば、約１０マイクロメータ以上、又、ある実施形態では、約１００マイクロメータ以上、が使用されてもよい。

導電性の膜は、比較的小さな厚み、例えば、約０．０５ないし約１ｍｍ、又、ある実施形態では、約０．１ないし約０．５ｍｍ、を有する１つ以上の絶縁基板（例えば、ガラス）に隣接して配置される。必ずしも必要とされないが、表面取り付けヒューズは、比較的小さな厚み、例えば、約０．０５ないし約１ｍｍ、又、ある実施形態では、約０．１ないし約０．５ｍｍ、を有する１つ以上のカバー層も含む。カバー層は、全ヒューズ構造体を強化すると共に、ヒューズ速度を変更せずにより高い電圧定格を許すために、基板（例えば、ガラス）より優れた機械的特性を有する絶縁材料から形成される。又、カバー層の材料は、温度安定性があると共に、ハーメチックであり、従って、高温及び高湿度環境に露出されたときにヒューズ素子を保護することができる。このような高強度、温度安定性の材料は、例えば、アルミナ、サファイア、等を含む。

上述した適当な薄膜ヒューズの種々の例が、全ての目的でここに参考としてその全体を援用するＢｒｅｅｎ氏等の米国特許第５，２９６，８３３号、Ｂｒｅｅｎ氏等の第５，２２８，１８８号、及びＢｒｅｅｎ氏等の第５，１６６，６５６号に説明されている。例えば、図６−７を参照すれば、本発明に使用できる薄膜ヒューズ１０の一実施形態が示されている。図示されたように、ヒューズ１０は、第１の絶縁基板１２（例えば、ガラス）を備え、これは、下面１４と、薄い金属膜が被覆されてヒューズ素子１８を画定する平らな上面１６とを有する。ヒューズ素子１８は、一対のコンタクト部分２０が、これらコンタクト部分２０より実質的に狭い可溶性リンク２２により相互接続されたものを含む。例えば、０．２アンペア定格のヒューズ素子は、全長が約３ｍｍで、巾が約１．３ｍｍで、そして可溶性リンクは、長さが２５４マイクロメータで、巾が２５．４マイクロメータである。又、ヒューズ１０は、薄膜ヒューズ素子１８と、第１基板１２の上面１６の周囲部分とを保護する不動態層２４（例えば、シリカ）も含む。第１基板１２と同延の第２絶縁基板２６（例えば、ガラス）も設けられ、その上面２８は、接着層３０（例えば、エポキシ）により不動態層２４に接合される。又、下部カバー３４（例えば、アルミナ）が、接着層３２によりガラス基板１２の下面１４に接続される。同様に、上部カバー３６（例えば、アルミナ）が、接着層３８（例えば、エポキシ）により第２基板２６の上面に接合される。

ここに示す実施形態では、ヒューズ１０は、長方形プリズムの形態であり、平行な端面４０と、これら端面を接合する端部コーナー４２とを有する。ヒューズ素子のコンタクト部分２０の端縁４４が端面４０に存在する。平らな端面４０を覆うのは、導電性端子４６であり、その各々は、ニッケル、クロム、等の内側層４８と、外側半田被覆５０とで構成される。各内側層４８は、１つのコンタクト部分２０の端縁４４に接触し、端子４６と、ヒューズ素子１８の両端との間に電気的接続を与える。端子４６は、コーナー４２の周りに且つ下部アルミナカバー３４の下面及び上部アルミナカバー３６の上面の部分に沿って延びるランド５２を備えている。

III．キャパシタ組立体
電解キャパシタ素子及びヒューズに加えて、本発明のヒューズ付きキャパシタ組立体は、電解キャパシタ素子のアノードリード及びヒューズが電気的に接続されるアノード端子と、電解キャパシタ素子のカソードが電気的に接続されるカソード端子も備えている。これら端子を形成するために、導電性金属（例えば、銅、ニッケル、銀、ニッケル、亜鉛、スズ、パラジウム、鉛、銅、アルミニウム、モリブデン、チタン、鉄、ジルコニウム、マグネシウム、及びその合金）のような任意の導電性材料が使用される。特に適した導電性金属は、例えば、銅、銅合金（例えば、銅−ジルコニウム、銅−マグネシウム、銅−亜鉛、又は銅−鉄）、ニッケル、及びニッケル合金（例えば、ニッケル−鉄）を含む。端子の厚みは、一般に、キャパシタ組立体の厚みを最小にするように選択される。例えば、端子の厚みは、約０．０５ないし約１ｍｍ、ある実施形態では、約０．０５ないし約０．５ｍｍ、又、約０．１ないし約０．２ｍｍの範囲である。１つの例示的な導電性材料は、Ｗｉｅｌａｎｄ（ドイツ）から入手できる銅−鉄合金の金属プレートである。もし必要があれば、端子の表面は、出来上がった部分を回路板に取り付けできるよう確保するために、この技術で知られたように、ニッケル、銀、金、スズ、等で電気メッキしてもよい。特定の実施形態では、端子の両表面にニッケル及び銀フラッシュで各々メッキする一方、取り付け面にスズ半田層をメッキする。

図１ないし４を参照すれば、一実施形態によるヒューズ付きキャパシタ組立体１６４が示され、これは、アノード端子１６２及びカソード端子１７２を備えている。カソード端子１７２は、キャパシタ素子１２２の下面１９６及び後面１９７と電気的接触する。アノード端子１６２は、ヒューズ結合部分１６５及びアノード結合部分１６７を含む。ヒューズ結合部分１６５は、ヒューズのサイズ及び形状に基づいて変化する所定の距離だけ互いに離間された一対のヒューズ接続ポイント１７３及び１７５に対応する。例えば、ヒューズ結合部分１６５は、“０４０２”又は“０６０３”フォームファクタ（単位インチ）を有するヒューズを受け容れるサイズとされる。このような特定のフォームファクタは、例示に過ぎず、他の任意のフォームファクタのヒューズも受け容れるように接続ポイント間隔を構成できることを理解されたい。

一般的に述べると、本発明において、キャパシタ組立体の容積効率を改善すると共に、コンポーネントを組立てる容易さを向上させるように、ヒューズをキャパシタ組立体内に配置する特定の仕方を選択することができる。図１ないし４を再び参照すれば、例えば、ヒューズ１２４及びキャパシタ素子１２２をアノード端子１６２に電気的に接続できる容易さを向上させるために、ヒューズ１２４をキャパシタ素子１２２のアノードリード１０６から離間させることができる。ここに示す実施形態では、例えば、ヒューズ１２４は、ヒューズ結合部分１６５の下面１０３の下に配置され、一方、アノードリード１０６は、ヒューズ結合部分１６５の上面１０７の上に配置される。又、ヒューズ１２４は、その長さ寸法が、アノードリード１０６が延びる方向（図１において−ｙ方向）に対して一般的に垂直な方向（図１において−ｘ方向）に延びるように配置することができる。これは、全キャパシタ組立体の長さを減少させる。

キャパシタ組立体１６４の初期製造中には、キャパシタ素子１２２のテスト中に電流がヒューズ１２４をバイパスするようにヒューズ結合部分１６５及びアノード結合部分１６７が接続される。ヒューズ結合部分１６５とアノード結合部分１６７との間のこのような接続は、種々の異なるやり方で行うことができる。図１ないし４に示す実施形態では、例えば、ヒューズ１２４がヒューズ結合部分１６５の下面１０３に電気的に接続され、一方、アノードリード１０６がアノード結合部分１６７の上面１５１に電気的に接続される。もし必要があれば、表面１５１は、リード１０６の表面接触性及び機械的安定性を更に向上させるために“Ｕ字型”又は“Ｖ字型”であってもよい。ヒューズ結合部分１６５のヒューズ接続ポイント１７３とアノード結合部分１６７との間に電気的経路を画定する第１接続部分１１１も設けられる。同様に、第２接続部分１１２は、ヒューズ結合部分１６５のヒューズ接続ポイント１７５とアノード結合部分１６７との間に第３接続部分１１５を経て電気的経路を画定する。必要ではないが、接続部分１１１、１１２及び１１５は、アノード端子１６２の頑丈さを増すために、カーブされ且つ弓形面を有してもよい。それでも、接続部分１１１、１１２及び／又は１１５は、キャパシタ素子１２２の個々のテストを許す接続をヒューズ結合部分１６５とアノード結合部分１６７との間に確立する。ヒューズ１２４とキャパシタ素子１２２との間に直列接続を確立することが望まれるときには、第３接続部分１１５が、例えば、軸１９５に沿って、既知の技術を使用して単に切り取られる。

必要ではないが、頑丈さを増すため、任意の部分１８７が設けられてもよい。この部分１８７は、これが使用されるときには、第３の接続部分１１５及び第２の接続部分１１２を各々経てヒューズ結合部分１６５及びアノード結合部分１６７に接続される。しかしながら、図示されたように、この部分１８７は、第１接続部分１１１には直結されない。

組立体１６４に電気的及び熱的保護を与えると共に、付加的な構造上の支持を与えるために、カプセル化ケース１５８も使用される。このケース１５８の巾及び長さは、意図された用途に基づいて変化する。一実施形態では、例えば、ケース１５８の長さ（図１における−ｙ方向）は、約２．０ないし約１０．０ｍｍであり、ある実施形態では、約２．５ないし約８．０ｍｍであり、又、ある実施形態では、約３．０ないし約６．５ｍｍである。ケース１５８の巾（図１における−ｘ方向）は、約１．０ないし約５０ｍｍであり、ある実施形態では、約１．５ないし約４．５ｍｍであり、又、ある実施形態では、約２．０ないし約３．５ｍｍである。ケース１５８の全体的な厚み（図１における−ｚ方向）は、出来上がった組立体を低背型製品に容易に組み込めるように小さく保つのも任意である。例えば、ケースの厚みは、約５．０ｍｍ以下であり、ある実施形態では、約０．４ないし約３．５ｍｍであり、又、ある実施形態では、約０．５ないし約３．０ｍｍである。適当なケースサイズは、例えば、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”、“Ｅ”、“Ｖ”、又は“Ｚ”ケースを含む（ＡＶＸ社）。

本発明は、ヒューズ付きキャパシタ組立体の特定の構成に何ら制限されないことを理解されたい。図５を参照すれば、アノード端子２６２及びカソード端子２７２を備えた本発明のヒューズ付きキャパシタ組立体２６４の別の実施形態が示されている。図１ないし４に示された実施形態と同様に、アノード端子２６２は、ヒューズ結合部分２６５及びアノード結合部分２６７を含む。ヒューズ結合部分２６５は、所定の距離だけ互いに離間された一対のヒューズ接続ポイント２７３及び２７５に対応する。ここに示す実施形態では、ヒューズ２２４は、ヒューズ結合部分２６５の下面２０３の下に位置され、そしてアノードリード２０６は、ヒューズ結合部分２６５の上面２０７の上に位置される。又、ヒューズ２２４は、アノードリード２０６が延びる方向と一般的に平行な方向に位置される。キャパシタ組立体２６４の初期製造中に、ヒューズ結合部分２６５及びアノード結合部分２６７は、ヒューズ２２４を電気的にバイパスするように接続される。例えば、ヒューズ２２４は、ヒューズ結合部分２６５の下面２０３に電気的に接続され、一方、アノードリード２０６は、アノード結合部分２６７の上面２５１に電気的に接続される。ヒューズ接続ポイント２７３とアノード結合部分２６７との間に電気的経路を画定する接続部分２１１が設けられる。同様に、ヒューズ接続ポイント２７５は、アノード結合部分２６７により画定される。ヒューズ２２４とキャパシタ素子２２２との間に希望の直列接続を確立するために、接続部分２１１は、例えば、線２９５に沿って、既知の技術を使用して単に切り取られる。必要ではないが、頑丈さを増すため、任意の部分２８７が設けられてもよい。カプセル化ケース２５８も使用される。

本発明のキャパシタ組立体は、その特定の構成に関わらず、効率的で有効な仕方で容易に組立てることができる。図１ないし４に示されたヒューズ付きキャパシタ組立体１６４を形成するための技術の一実施形態を、以下に、詳細に説明する。最初に、大量のキャパシタの製造を容易にするためにリードフレーム（図示せず）が設けられる。この技術で知られたように、リードフレームは、カソード端子１７２及びアノード端子１６２を各々画定する複数の行及び列を含む。電解キャパシタ素子１２２をリードフレームに取り付けるために、カソード端子１７２の表面に導電性接着剤が最初に施される。この導電性接着剤は、例えば、樹脂組成と共に含まれる導電性金属粒子を含む。これら金属粒子は、銀、銅、金、白金、ニッケル、亜鉛、ビスマス、等でよい。樹脂組成は、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）、硬化剤（例えば、無水酸）、及び結合剤（例えば、シラン結合剤）を含む。適当な導電性接着剤は、全ての目的で参考としてここに全体を援用するＯｓａｋｏ氏等の米国特許出願公告第２００６／００３８３０４号に説明されている。種々の技術のいずれかを使用して、導電性接着剤をカソード端子１７２に施すことができる。例えば、印刷技術は、実際的で且つコスト節約の利益のために、使用することができる。

アノード端子１６２のアノード結合部分１６７は、電解キャパシタ素子１２２の底面１９６に実質的に垂直に位置するように上方に曲げられる。その後に、電解キャパシタ素子１２２は、その底面１９６が接着剤に接触し、そしてアノードリード１０６がＵ字型上面１５１により受け入れられるように、カソード端子１７２に位置される。アノードリード１０６は、次いで、既知の技術、例えば、機械的溶接、レーザ溶接、導電性接着剤、等を使用して、表面１５１に電気的に接続される。例えば、アノードリード１０６は、レーザを使用して、アノード端子１６２に溶接されてもよい。レーザは、一般的に、刺激放射により光子を放出することのできるレーザ媒体と、レーザ媒体の元素を励起するエネルギー源とを含む共振器を備えている。適当なレーザの一形式は、アルミニウム及びイットリウムガーネット（ＹＡＧ）にネオジム（Ｎｄ）をドープしたものでレーザ媒体が構成されたレーザである。励起された粒子は、ネオジムイオンＮｄ³⁺である。エネルギー源は、連続的なエネルギーをレーザ媒体に供給して、連続的なレーザビーム又はエネルギー放電を放出させるか、或いはパルス状のレーザビームを放出させる。アノードリード１０６をアノード端子１６２に電気的に接続すると、導電性接着剤が硬化される。例えば、ヒートプレスを使用して、熱及び圧力を付与し、電解キャパシタ素子１２２が接着剤によりカソード端子１７２に充分に接着されるよう確保することができる。次いで、この技術で知られたように、ヒューズ１２４をヒューズ接続ポイント１７３及び１７５に半田付けすることができる。ヒューズ１２４を接続ポイント１７３及び１７５に固定する別の方法は、溶接、導電性接着剤の使用、等を含む。

キャパシタ及びヒューズが取り付けられると、リードフレームが樹脂ケース内に包囲され、これには、次いで、シリカ又は他の既知のカプセル化材料が充填される。カプセル化の後に、アノード及びカソード端子各々１６２及び１７２の露出部分がエージングされ、スクリーニングされ、トリミングされる。露出部分は、ケース１５８の外面に沿って曲げられるのも任意である（例えば、約９０°の角度）。このようにして、露出部分は、出来上がったキャパシタ組立体のためのＪ字型リードを形成するが、本発明により他の既知の形状を作ることもできる。或いは又、露出部分は、その後の電気的接続を容易にすると共に、キャパシタ組立体１６４の高さを最小にするために、曲げないままでもよい。

ヒューズが組み込まれる仕方のために、本発明によるキャパシタ組立体は、優れた電気的特性を示すことができる。例えば、この組立体は、比較的低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）を得ることができる。例えば、ＥＳＲは、１００ｋＨｚの周波数において２ボルトバイアス及び１ボルト信号で測定して、約１０００ミリΩ以下であり、ある実施形態では、約５００ミリΩ以下であり、又、ある実施形態では、約２５０ミリΩ以下である。又、キャパシタ組立体の消散係数（ＤＦ）を比較的低いレベルに維持できることも考えられる。消散係数（ＤＦ）は、一般に、キャパシタ組立体に生じるロスを指し、通常、理想的性能のパーセンテージとして表わされる。例えば、本発明のキャパシタ組立体の消散係数は、通常、１２０Ｈｚの周波数で測定して、約１５％未満であり、ある実施形態では、約５％未満である。又、ピークサージ電流は、約５．０アンペア以上であり、ある実施形態では、約１０．０アンペア以上であり、又、ある実施形態では、約１５．０ないし約５０．０アンペアである。

本発明は、次の例を参照することにより良く理解されよう。

テスト手順
等価直列抵抗（ＥＳＲ）、キャパシタンス、消散係数、及びインピーダンス：
等価直列抵抗及びインピーダンスは、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ３３３０高精度ＬＣＺメータをＫｅｌｖｉｎリードと共に使用して、０ボルトバイアス及び１ボルト信号で測定した。動作周波数は、１００ｋＨｚであった。キャパシタンス及び消散係数は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ３３３０高精度ＬＣＺメータをＫｅｌｖｉｎリードと共に使用して、０ボルトバイアス及び１ボルト信号で測定した。動作周波数は、１２０Ｈｚであり、温度は、２３℃±２℃であった。

漏洩電流：
漏洩電流（ＤＣＬ）は、英国のＭａｎｔｒａｃｏｕｒｔ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬＴＤによって製造されたＭＣ１９０漏洩試験機を使用して測定した。ＭＣ１９０試験機は、１０秒後に２５℃の温度及びある定格電圧で漏洩電流を測定した。

例１
上述し且つ図１−４に示したように種々のヒューズ付きキャパシタ組立体を構成した。最初、ペースティングヘッドをもつ従来の「ピック・アンド・プレース(pick and place)」マシンを使用して、リードなしの半田ペーストをリードフレームに落下させた。次いで、薄膜ヒューズ（１．２５Ａ又は１．５Ａのもので、ニュージャージー州ジャージー市のＢｅｌ Ｆｕｓｅ社から入手できる）をペースト上に位置させ、次いで、ペーストを硬化させた。次いで、上述し且つ図１−４に示したように、キャパシタ素子をリードフレームに接続した。キャパシタ素子は、プレス処理のタンタルアノードから形成され、これは、アノード処理され、二酸化マンガンが含浸され、次いで、上述したように、グラファイト及び銀層が被覆された。ヒューズ付きキャパシタ組立体は、長さが約７．５ｍｍ、巾が約４．５ｍｍ、及び高さが約３．１ｍｍのケース（“Ｄ”ケース、ＡＶＸ社）にカプセル化され、４７μＦ／１０Ｖ定格であった。

次いで、キャパシタの種々の特性をテストして、ヒューズなしのタンタルキャパシタと比較した。その結果を以下のテーブル１に示す。
テーブル１：ヒューズなし及びヒューズ付きキャパシタの特性

示されたように、本発明のヒューズ付きキャパシタ組立体は、ＥＳＲが比較的低い等の良好な電気的特性を維持した。テストの後に、各キャパシタのヒューズを切り取り工具で分離した。

例２
薄膜ヒューズ（１．２５Ａ又は１．５Ａのもので、ニュージャージー州ジャージー市のＢｅｌ Ｆｕｓｅ社から入手できる）を、切断時に、それらの電気的抵抗についてテストした。このとき、電気メータ／高抵抗メータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙインスツルーメント社から入手できるモデル６５１７Ａ）を５０ボルト電源と共に２５℃の温度で使用した。その結果を以下のテーブル２に示す。
テーブル２：ヒューズが切れたときの抵抗測定値

＊［ＴΩ］
＋ ヒューズ１−７は、１．２５Ａの値、ヒューズ８−１５は、１．５Ａの値である。

従って、示されたように、抵抗は、ヒューズが切れた後に１０ＭΩより大きい。又、これらヒューズ（１．２５Ａ又は１．５Ａ）は、５Ａより高い電流が流されたときに切れたことにも注意されたい。他のヒューズ（０．７５Ａ、１．０Ａ又は２．０Ａのもので、ニュージャージー州ジャージー市のＢｅｌ Ｆｕｓｅ社から入手できる）もテストし、５Ａより高い電流を流したときに切れることが決定された。

当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、本発明のこれら及び他の変更や修正がなされ得るであろう。更に、種々の実施形態の態様は、全体的又は部分的に交換可能であることを理解されたい。更に、当業者であれば、以上の説明は、例示に過ぎず、本発明を何ら限定するものではないことが明らかであろう。

本発明の一実施形態によるヒューズ付きキャパシタ組立体を、ヒューズを分離する前に示した斜視図である。 図１のヒューズ付きキャパシタ組立体を、カプセル化ケースなしで示した上面図である。 図１のヒューズ付きキャパシタ組立体を、カプセル化ケースなしで示した下面図である。 図１のヒューズ付きキャパシタ組立体を、カプセル化ケースなしで示した側面図である。 本発明の別の実施形態によるヒューズ付きキャパシタ組立体を、ヒューズを分離する前に且つカプセル化を行なわずに示した上面図である。 本発明の一実施形態に使用される表面取り付け薄膜ヒューズの側面図である。 図６の６−６線に沿ったヒューズの断面図である。

符号の説明

１０６：アノードリード
１１１、１１２、１１５：接続部分
１２２：キャパシタ素子
１２４：ヒューズ
１５８：カプセル化ケース
１６２：アノード端子
１６４：ヒューズ付きキャパシタ組立体
１６５：ヒューズ結合部分
１６７：アノード結合部分
１７２：カソード端子
１７３、１７５：ヒューズ接続ポイント

Claims (22)

1. アノード及びアノードの上に横たわる固体電解質を含み、アノードからアノードリードが延びる電解キャパシタ素子と、
   前記固体電解質に電気的に接続されたカソード端子と、
   前記アノードリードに電気的に接続されたアノード結合部分と、表面取り付けヒューズに電気的に接続されたヒューズ結合部分と、前記電解キャパシタ素子のテスト中に電流が前記表面取り付けヒューズをバイパスするように前記アノード結合部分とヒューズ結合部分との間に電気的経路を画定する接続部分とを含むアノード端子であって、前記アノードリードが前記ヒューズ結合部分の上に配置され、そして前記表面取り付けヒューズが前記ヒューズ結合部分の下に配置されるアノード端子と、
   前記電解キャパシタ素子及び前記表面取り付けヒューズをカプセル化し、前記アノード及びカソード端子の少なくとも一部分を露出したままにするケースと、
   を備えたヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
2. 前記電解キャパシタ素子は、バルブ金属組成から形成されたアノードを含む、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
3. 前記バルブ金属組成は、タンタルを含む、請求項２に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
4. 前記バルブ金属組成は、ニオブ又は酸化ニオブ含む、請求項２に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
5. 前記固体電解質は、酸化マンガンを含む、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
6. 前記固体電解質は、導電性ポリマーを含む、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
7. 前記アノードと固体電解質との間に形成された誘電体層を更に備えた、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
8. 前記表面取り付けヒューズは、可溶性リンクを画定する導電性の膜を含む、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
9. 前記ヒューズ結合部分は、前記表面取り付けヒューズを受け入れるためにある距離だけ離間されたヒューズ接続ポイントを含む、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
10. 前記表面取り付けヒューズは、前記電解キャパシタ素子の長さ寸法に対し一般的に垂直な長さ寸法を定める、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
11. 前記表面取り付けヒューズは、前記電解キャパシタ素子の長さ寸法に対し一般的に平行な長さ寸法を定める、請求項１に記載のヒューズ付き電解キャパシタ組立体。
12. ヒューズ付き電解キャパシタ組立体を形成する方法において、
    アノード及びアノード上に横たわる固体電解質を含み、アノードからアノードリードが延びる電解キャパシタ素子を用意するステップと、
    カソード端子及びアノード端子を画定するリードフレームを用意するステップであって、アノード端子がアノード結合部分と、ヒューズ結合部分と、前記電解キャパシタ素子のテスト中に電流が表面取り付けヒューズをバイパスするように前記アノード結合部分と前記ヒューズ結合部分との間に電気的経路を画定する接続部分とを含むようなステップと、
    前記カソード端子に前記固体電解質を電気的に接続するステップと、
    前記アノードリードを前記アノード結合部分にレーザ溶接するステップと、
    前記表面取り付けヒューズを前記ヒューズ結合部分に電気的に接続し、前記アノードリードは前記ヒューズ結合部分の上に配置され、そして前記表面取り付けヒューズは前記ヒューズ結合部分の下に配置されるステップと、
    前記電解キャパシタ素子をテストするステップと、
    前記アノード端子及び前記カソード端子の少なくとも一部分を露出したままにするように前記電解キャパシタ素子及び前記表面取り付けヒューズをカプセル化するステップと、を備えた方法。
13. 前記電解キャパシタ素子は、バルブ金属組成から形成されたアノードを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記バルブ金属組成は、タンタル又は酸化ニオブを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記固体電解質は、酸化マンガン又は導電性ポリマーを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記表面取り付けヒューズは、可溶性リンクを画定する導電性の膜を含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記電解キャパシタ素子は、導電性接着剤で前記カソード端子に接続される、請求項１２に記載の方法。
18. 前記ヒューズ結合部分は、前記表面取り付けヒューズを受け入れるためにある距離だけ離間されたヒューズ接続ポイントを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記アノード結合部分を曲げ、その後、その曲げられたアノード結合部分の上面に前記アノードリードをレーザ溶接するステップを更に備えた、請求項１２に記載の方法。
20. 前記表面取り付けヒューズは、前記ヒューズ結合部分に半田付けされる、請求項１２に記載の方法。
21. 前記表面取り付けヒューズは、前記電解キャパシタ素子の長さ寸法に対し一般的に垂直な長さ寸法を定める、請求項１２に記載の方法。
22. 前記表面取り付けヒューズは、前記電解キャパシタ素子の長さ寸法に対し一般的に平行な長さ寸法を定める、請求項１２に記載の方法。

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