DE102008041111A1

DE102008041111A1 - Laser-geschweißter Kondensator mit festem Elektrolyten

Info

Publication number: DE102008041111A1
Application number: DE102008041111A
Authority: DE
Inventors: Jan Petrzilek; Ivan Horacek
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: JP5078827B2; US20090059477A1; GB0814425D0; CN101383230B; DE102008041111B4; GB2452591A; US20100229361A1; US7724502B2; KR101563365B1; CN101383230A; GB2452591B; KR20090024641A; US7867291B2; JP2009065179A; HK1130115A1

Abstract

Ein Kondensator mit festem Elektrolyten, der in der Lage ist, Laser-Schweißen ohne eine wesentliche Verschlechterung seiner elektrischen Leistungsdaten standzuhalten, wird bereitgestellt. Der Kondensator enthält einen Anoden-Körper, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, und eine Schicht aus einem organischen festen Elektrolyten, die über der dielektrischen Schicht liegt. Ferner wird bei dem Kondensator der vorliegenden Erfindung auch eine Licht reflektierende Schicht verwendet, die über der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten liegt. Die Erfinder haben entdeckt, dass eine solche Licht reflektierende Schicht dabei helfen kann, Licht zu reflektieren, das versehentlich beim Laser-Schweißen zum Kondensator-Element gelangt. Dies führt zu einem reduzierten Kontakt des festen organischen Elektrolyten mit dem Laser und minimiert somit Defekte des Elektrolyten, die andernfalls durch Verkohlen ausgebildet würden. Der resultierende Laser geschweißte Kondensator ist daher durch solche Leistungseigenschaften gekennzeichnet, wie einen relativ kleinen ESR und kleine Leckströme.

Description

Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Kondensatoren mit festem organischen Elektrolyten enthalten einen Anoden-Körper, eine dielektrische Schicht und einen festen organischen Elektrolyten. Ein Anodendraht steht von einer Oberfläche des Kondensators hervor, um den Anoden-Körper elektrisch mit einem Anschluss zu verbinden. Eine vorteilhafte Technik, die manchmal benutzt wird, um den Anodendraht anzuschließen, ist Laser-Schweißen. Laser enthalten im Allgemeinen Resonatoren, die ein Laser-Medium enthalten, das in der Lage ist, Photonen durch stimulierte Emission abzugeben, und eine Energiequelle, die die Elemente des Laser-Mediums anregt. Die Energiequelle kann das Laser-Medium kontinuierlich mit Energie versorgen, um einen kontinuierlichen Laserstrahl zu emittieren, oder mit Energie-Entladungen, um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren. Ein Typ eines geeigneten Lasers ist einer, in dem das Laser-Medium aus einem Aluminum- und Yttrium-Granat (YAG) besteht, der mit Neodym (Nd) dotiert ist, und die angeregten Partikel Neodym-Ionen Nd³⁺ sind. Solche Laser emittieren typischerweise Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1064 Nanometer im Infrarot-Spektrum. Leider treten oft Probleme auf, wenn man versucht, Kondensatoren für kleine Gehäuseabmessungen mit Laser zu schweißen. Wegen der geringen Größe ist es nämlich erforderlich, dass der Laser relativ nahe am Ort des Anodendrahtes und des Anschlusses positioniert wird. An einem solchen nahen Ort kann der Laser jedoch leicht vom Draht oder dem Anodenanschluss abgelenkt werden und in Kontakt mit dem organischen festen Elektrolyten des Kondensators kommen. Wegen seiner hohen Energie kann der abgelenkte Laserstrahl die Temperatur des organischen festen Elektrolyten beträchtlich bis zu einem Punkt erhöhen, an dem er beginnt zu verkohlen. Die verkohlten Teile des or ganischen festen Elektrolyten kommen in Kontakt zu einer dielektrischen Schicht und können somit im resultierenden Kondensator zu schlechten elektrischen Eigenschaften führen (z. B. zu einem hohen Leckstrom).
Somit besteht ein Bedarf an Kondensatoren mit organischem festem Elektrolyten, die mit Laser geschweißt werden können und dennoch ausgezeichnete Eigenschaften beibehalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensator-Element mit festem Elektrolyten offen gelegt, das einen Anoden-Körper enthält, der eine Ventilmetall-Zusammensetzung enthält, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, eine Schicht eines festen organischen Elektrolyten, der über der dielektrischen Schicht liegt, und eine Licht reflektierende Schicht, die über der Schicht des festen organischen Elektrolyten liegt. Die Licht reflektierende Schicht enthält eine Vielzahl reflektierender Teilchen, die einen Brechungsindex von ungefähr 1,7 oder mehr haben.
Gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird eine Kondensator-Anordnung offen gelegt, die ein Kondensator-Element mit festem Elektrolyten enthält, das einen Anoden-Körper enthält, der Tantal- oder Nioboxid enthält, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, eine Schicht aus leitfähigem Polymer, die über der dielektrischen Schicht liegt, und eine Licht reflektierende Schicht, die über der Schicht aus leitfähigem Polymer liegt. Die Licht reflektierende Schicht enthält Titandioxid-Teilchen. Die Anordnung enthält ferner einen Anodendraht, der sich aus dem Kondensator-Element erstreckt, einen Katoden-Anschluss, der elektrisch mit der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten verbunden ist, einen Anoden-Anschluss, der mit Laser mit dem Anodendraht verschweißt ist, und ein Gehäuse, dass das Kondensator-Element einkapselt und mindestens einen Teil der Anoden- und Katoden-Anschlüsse offen lässt.
Gemäß noch einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Kondensator-Anordnung mit festem Elektrolyten offen gelegt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Kondensator-Elementes mit festem Elektrolyten, das einen Anoden-Körper enthält, der Tantal- oder Nioboxid enthält, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, und eine Schicht aus leitfähigem Polymer, die über der dielektrischen Schicht liegt, wobei sich ein Anodendraht von einer Oberfläche des Kondensator-Elementes erstreckt. Eine Licht reflektierende Schicht ist auf mindestens die Oberfläche des Kondensator-Elementes aufgebracht, von der sich der Anodendraht erstreckt. Die Licht reflektierende Schicht liegt über der Schicht aus leitfähigem Polymer, wobei die Licht reflektierende Schicht reflektierende Teilchen enthält. Es wird ein Anschlussrahen bereitgestellt, der einen Katoden-Anschluss und einen Anoden-Anschluss definiert. Die Schicht aus leitfähigem Polymer ist elektrisch mit dem Katoden-Anschluss verbunden, und der Anodendraht ist elektrisch mit dem Anoden-Anschluss verbunden, und der Anodendraht ist mit Laser an den Anoden-Anschluss geschweißt. Das Elektrolytkondensator-Element ist so eingekapselt, dass mindestens ein Teil des Anoden-Anschlusses und des Katoden-Anschlusses offen bleibt.
Andere Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine komplette und befähigende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Art und Weise, gerichtet an einen Fachmann, wird im Rest der Beschreibung genauer angegeben, in der Bezug auf die begleitenden Figuren genommen wird, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführung des Kondensators mit festem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Querschnitts-Ansicht des Kondensators aus 1 entlang einer Linie 2-2 ist;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zum Laser-Schweißen eines Kondensators an einen Anoden-Anschluss ist; und
4 eine Querschnitts-Ansicht eines mit Laser geschweißten Kondensators ist, der gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
Eine wiederholte Benutzung von Referenzzeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen ist beabsichtigt, um dieselben oder analoge Eigenschaften oder Elemente der Erfindung darzustellen.
Detaillierte Beschreibung repräsentativer Ausführungsformen
Es ist von jemandem mit gewöhnlichem Fachwissen zu verstehen, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und nicht als Beschränkung der breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung gedacht ist. Diese breiteren Aspekte sind im beispielhaften Aufbau enthalten.
Allgemein ausgedrückt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Kondensator mit festem Elektrolyten, der in der Lage ist, Laser-Schweißen ohne bedeutende Verschlechterung seiner elektrischen Leistungsdaten standzuhalten. Der Kondensator enthält einen Anoden-Körper, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, und eine Schicht eines festen organischen Elektrolyten, der über der dielektrischen Schicht liegt. Ferner wird bei dem Kondensator der vorliegenden Erfindung auch eine Licht reflektierende Schicht verwendet, die über dem festen organischen Elektrolyten liegt. Die Erfinder haben entdeckt, dass eine solche Licht reflektierende Schicht dabei helfen kann, beliebiges Licht zu reflektieren, das versehentlich beim Laser-Schweißen zum Kondensator-Element gelangt. Dies führt zu einem reduzierten Kontakt des festen organischen Elektrolyten mit dem Laser und minimiert somit Defekte des Elektrolyten, die andernfalls durch Verkohlen ausgebildet würden. Der resultierende Laser geschweißte Kondensator ist daher durch solche Leistungseigenschaften gekennzeichnet, wie durch einen relativ kleinen ESR und kleine Leckströme. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun in größerer Ausführlichkeit beschrieben.
Der Anoden-Körper kann unter Verwendung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik ausgebildet werden. In einer Ausführung wird der Anoden-Körper zum Beispiel aus einer Ventilmetall-Zusammensetzung ausgebildet. Die Ventilmetall-Zusammensetzung kann eine hohe spezifische Ladung haben, wie z. B. ungefähr 60000 Mikrofarad·Volt pro Gramm ("μF·V/g") oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 70000 μF·V/g oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 100000 μF·V/g oder mehr, und in manchen Ausführungen ungefähr 150000 μF·V/g oder mehr. Die Ventilmetall-Zusammensetzung enthält ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das oxidiert werden kann) oder eine auf einem Ventilmetall basierende Verbindung, wie z. B. Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon und so weiter. Zum Beispiel kann der Anoden-Körper aus einem Ventilmetalloxid mit einem Atomverhältnis von Metall zu Sauerstoff von 1: weniger als 25, in einigen Ausführungsformen 1: weniger als 2,0, in einigen Ausführungsformen 1: weniger als 1,5 und in einigen Ausführungsformen 1: 1 gebildet werden. Beispiele für solche Ventilmetall-Oxide können Nioboxid (z. B. NbO), Tantaloxid, usw. sein und sind detaillierter in dem Fife erteilten US-Patent Nr. 6,322,912 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
Zum Ausbilden des Anoden-Körpers können im Allgemeinen herkömmliche Herstellungsverfahren verwendet werden. In einer Ausführung wird zunächst ein Tantal- oder Nioboxid-Pulver ausgewählt, das eine bestimmte Teilchengröße hat. Die Teilchengröße kann abhängig von der gewünschten Spannung des resultierenden Kondensator-Elementes unterschiedlich sein. Zum Beispiel werden Pulver mit einer relativ großen Teilchengröße (z. B. ungefähr 10 Mikrometer) oft dazu benutzt, Kondensatoren für hohe Spannungen herzustellen, während Pulver mit einer relativ kleinen Teilchengröße (z. B. ungefähr 0,5 Mikrometer) oft dazu benutzt werden, Kondensatoren für kleine Spannungen herzustellen. Die Teilchen werden dann optional mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel vermischt, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie zur Bildung des Anoden-Körpers gepresst werden. Geeignete Bindemittel sind Kampfer, Stearin- und andere seifige Fettsäuren, Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphtalin, Pflanzen-Wachs und Mikrowachse (aufgereinigte Paraffine). Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und verteilt werden. Beispiele für Lösungsmittel sind Wasser; Azeton; Methylisobutylketon; Trichloromethan; fluorierte Kohlenwasserstoffe (Freon) (Du-Pont); Alkohole und chlorierte Kohlenwasserstoffe (Tetrachlorkohlenstoff). Wenn sie eingesetzt werden, kann der Prozentsatz der Binde- und/oder Gleitmittel von ungefähr 0,1% bis ungefähr 8% des Gewichts der Gesamtmasse variieren. Es muss jedoch verstanden werden, dass in der vorliegenden Erfindung Binde- und Gleitmittel nicht erforderlich sind. Nach seiner Herstellung wird das Pulver mit einer beliebigen herkömmlichen Pulver-Pressform verdichtet. Zum Beispiel kann die Pressform eine Verdichtungs-Presse mit einer Station sein, bei der eine Pressform und ein oder mehrere Stempel benutzt werden. Alternativ dazu können Verdichtungs-Pressformen vom Amboss-Typ benutzt werden, bei denen nur eine Pressform und ein einziger Unterstempel benutzt werden. Verdichtungs-Pressen mit Einzelstation stehen in verschiedenen Grundtypen zur Verfügung, wie z. B. Nocken-, Kniehebelpressen und Exzenter-/Kurbel-Pressen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, gleitender Pressform, beweglicher Platte, entgegenwirkendem Kolben, Schrauben-, Schlag-, Heißpressen, Prägen oder Maßprägen. Das Pulver kann um einen Anodendraht verdichtet werden (z. B. einen Tantal-Draht). Es muss weiterhin erkannt werden, dass der Anodendraht alternativ dazu nach dem Pressen und/oder Sintern des Anoden-Körpers am Anoden-Körper befestigt (z. B. geschweißt) werden kann.
Nach dem Pressen können alle Binde-/Gleitmittel entfernt werden, indem der Pressling im Vakuum mehrere Minuten auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird (z. B. von ungefähr 150°C auf ungefähr 500°C). Alternativ können Binde-/Gleitmittel auch entfernt werden, indem der Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt gebracht wird, zum Beispiel wie in dem Bishop et al. erteilten US-Patent Nr. 6,197,252 , das hier für alle Zwecke in seiner Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen wird. Danach wird der Pressling gesintert, um eine poröse Gesamtmasse zu bilden. Zum Beispiel kann einer Ausführung der Pressling bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C bis ungefähr 2000°C im Vakuum gesintert werden, und in einigen Ausführungen von ungefähr 1500°C bis ungefähr 1800°C im Vakuum. Beim Sintern schrumpft der Pressling, weil Bindungen zwischen den Teilchen wachsen. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Techniken kann jedes andere Verfahren zum Ausbilden des Anoden-Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden, wie z. B. in dem US-Patent 4,085,435 an Galvagni, 4,945,452 an Sturmer, et al., 5,198,968 an Galvagni, 5,357,399 an Salisbury, 5,394,295 an Galvagni, et al., 5,495,386 an Kulkarni und 6,322,912 an Fife beschrieben, die hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
Obwohl nicht erforderlich, kann die Dicke des Anoden-Körpers so gewählt werden, dass die elektrischen Leistungsdaten des Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann die Dicke des Anoden-Körpers (in 1 in Richtung – z) ungefähr 4 Millimeter oder weniger betragen, in einigen Ausführungen von ungefähr 0,2 bis ungefähr 3 Millimeter und in einigen Ausführungen von ungefähr 0,4 bis ungefähr 1 Millimeter. Eine solche, relativ geringe Anodendicke (d. h. geringe Bauhöhe) hilft bei der Abfuhr der Wärme, die von dem Pulver mit hoher spezifischer Ladung erzeugt wird, und bietet auch einen kürzeren Übertragungspfad, um den ESR und die Induktivität zu minimieren. Auch die Form des Anoden-Körpers kann so gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann der Anoden-Körper eine Form haben, die bogenförmig, sinusförmig, rechteckig, U-förmig, V-förmig, usw. ist. Der Anoden-Körper kann auch eine „gerillte" Form haben, die eine oder mehrere Rillen, Fugen, Furchen oder Einbuchtungen enthält, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität zu erweitern. Solche „gerillten" Anoden werden zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 von Webber et al., 5,949,639 von Maeda et al. und 3,345,545 von Bourgault et al., sowie in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2005/0270725 von Hahn et al beschrieben, die hier für alle Zwecke in ihrer Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen werden.
Der Anoden-Körper kann so anodisch oxidiert werden, dass eine dielektrische Schicht über und/oder innerhalb der Anode gebildet wird. Anodisches Oxidieren ist ein elektrochemischer Prozess, mit dem das Anodenmetall oxidiert wird, um ein Material zu bilden, das eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante hat. Zum Beispiel kann ein Tantal-Anoden-Körper anodisch oxidiert werden, um Tantalpentoxid (Ta₂O₅) herzustellen, das eine Dielektrizitätskonstante "k" von ungefähr 27 hat. Der Anoden-Körper kann in eine schwache Säurelösung (z. B. Phosphorsäure) bei erhöhter Temperatur (z. B. ungefähr 85°C) getaucht werden, an die eine geregelte Spannung und ein geregelter Strom angelegt werden, um eine Tantalpentoxid-Beschichtung mit einer bestimmten Dicke herzustellen. Die Stromversorgung wird anfangs auf einem konstanten Strom gehalten, bis die erforderliche Formierungsspannung erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einer konstanten Spannung gehalten, um sicherzustellen, dass sich das Dielektrikum mit der gewünschten Qualität auf der Oberfläche des Tantal-Presslings bildet. Die Spannung zur anodischen Oxidation liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 bis ungefähr 200 Volt und in einigen Ausführungen von etwa 20 bis un gefähr 100 Volt. Zusätzlich zum Ausbilden auf der Oberfläche des Anoden-Körpers wird ein Teil des dielektrischen Oxid-Films typischerweise auch auf der Oberfläche der Poren ausgebildet. Es sollte sich verstehen, dass die dielektrische Schicht aus anderen Typen von Materialien und unter Anwendung anderer Techniken gebildet werden kann.
Wenn die dielektrische Schicht ausgebildet ist, kann eine Schutzschicht optional aufgebracht werden, zum Beispiel eine aus einem relativ isolierenden Harz-Material (natürlich oder synthetisch). Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als ungefähr 0,05 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 5 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1000 Ohm-cm, in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 10⁵ Ohm-cm, und in manchen Ausführungen von mehr als ungefähr 1 × 10¹⁰ Ohm-cm haben. Einige Harz-Materialien, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, sind Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z. B. Glyceride) und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Geeignete Ester von Fettsäuren umfassen zum Beispiel Ester der Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Elaeostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Shellolsäure, und so weiter, sind aber nicht darauf beschränkt. Es hat sich herausgestellt, dass diese Fettsäureester besonders nützlich sind, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen verwendet werden, um ein „Trocknungs-Öl" zu bilden, das es erlaubt, den resultierenden Film schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Solche Trocknungs-Öle können Mono-, Di- und/oder Tri-Glyceride enthalten, die ein Glycerol-Gerüst mit einem, zwei, bzw. drei Fettsäure-Resten haben, die verestert sind. Einige geeignete Trocknungs-Öle, die benutzt werden können, sind zum Beispiel Olivenöl, Leinöl, Rizinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese und andere Schutzschicht-Materialien werden detaillierter in dem Fife, et al. erteilten US-Patent Nr. 6,674,635 beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
Der anodisch oxidierte Teil wird danach einem Schritt zum Ausbilden fester organischer Elektrolyte ausgesetzt, die als wahre Katode des Kondensators dienen. Zum Beispiel kann eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer benutzt werden, den festen organischen Elektrolyten zu bilden. Die Beschichtung aus leitfähigen Polymeren kann ein oder mehrere leitfähige Polymere enthalten, wie z. B. Polypyrrole, Polythiophene, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline, Polyacetylene, Poly-p-Phenylene und Derivate davon. Bei Bedarf kann die Beschichtung aus leitfähigem Polymer auch aus mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführung die Beschichtung aus leitfähigem Polymer eine aus PEDT ausgebildete Schicht und eine weitere Schicht aus einem Polypyrrol enthalten. Es können verschiedene Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung aus leitfähigem Polymer auf dem Anoden-Teil verwendet werden. Zum Beispiel können herkömmliche Verfahren, wie Elektropolymerisation, Siebdruck, Eintauchen, elektrophoretische Beschichtung und Spritzen verwendet werden, um eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer herzustellen. In einer Ausführung können zum Beispiel das/die Monomer(e), die dazu benutzt werden, das leitfähige Polymer zu bilden (z. B. 3,4-Ethylendioxythiophen) anfangs mit einem Polymerisations-Katalysator gemischt werden, so dass sie eine Lösung bilden. Zum Beispiel ist ein geeigneter Polymerisationskatalysator BAYTRON C, wobei es sich um Eisen-III-Toluol-Sulfonat handelt, der von der Firma HC Starck verkauft wird. BAYTRON C ist ein kommerziell erhältlicher Katalysator für BAYTRON M, bei dem es sich um 3,4-Ethylendioxythiophen handelt, ein PEDT-Monomer, das ebenfalls von HC Starck verkauft wird. In den meisten Ausführungen wird das leitfähige Polymer nach dem Aufbringen ausgeheilt. Die Ausheilung kann nach jedem Aufbringen einer Schicht aus leitfähigem Polymer erfolgen, oder sie kann nach dem Aufbringen der gesamten Beschichtung mit leitfähigem Polymer erfolgen.
Zusätzlich zu leitfähigen Polymeren kann der feste Elektrolyt auch aus anderen organischen Materialien ausgebildet werden, wie z. B. 7,7', 8,8'-Tetracyanochinodimethan-Komplex (TCNQ-Komplex), wobei es sich um ei nen organischen Halbleiter mit kleinem spezifischen Widerstand handelt. Verfahren zum Ausbilden solcher fester organischer Elektrolyte werden zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,729,428 an Sakata, et al. beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird. Obwohl oben verschiedene Verfahren beschrieben worden sind, versteht es sich, dass jedes andere Verfahren zum Aufbringen des organischen Elektrolyten in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden kann.
Wenn der feste organische Elektrolyt ausgebildet ist, kann auf dem Teil optional eine Kohlenstoffbeschichtung (z. B. Graphit), bzw. eine Silberbeschichtung aufgebracht werden. Die Silberschicht kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungs-Sammler für das Kondensator-Element dienen, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen organischen Elektrolyten begrenzen. Solche Beschichtungen können einen Teil oder den gesamten festen organischen Elektrolyten bedecken.
Ungeachtet der jeweiligen Art und Weise, in der das Kondensator-Element ausgebildet wird, wird auch eine Licht reflektierende Schicht bereitgestellt, die mindestens über einem Teil der festen organischen Elektrolyt-Schicht liegt. Die Licht reflektierende Schicht ist so konfiguriert, dass sie einfallendes Laserlicht reflektiert, so dass es keinen wesentlichen Kontakt zum festen organischen Elektrolyten bekommt. Hierdurch wird die mögliche Verkohlung des festen organischen Elektrolyten beim Laser-Schweißen begrenzt. Die Licht reflektierende Schicht enthält im Allgemeinen Teilchen, die einen relativ hohen Brechungsindex haben, wie z. B. ungefähr 1,7 oder mehr, in einigen Ausführungen ungefähr 2,0 oder mehr, in einigen Ausführungen ungefähr 2,2 oder mehr und in einigen Ausführungen ungefähr 2,4 oder mehr. Um die elektrischen Eigenschaften des Kondensators zu optimieren, wird es auch typischerweise gewünscht, dass die Licht reflektierende Schicht nicht leitfähig ist. In diesem Zusammenhang werden die reflektierenden Teilchen typischerweise aus einem dielektrischen Material ausgebildet, wie z. B. aus an organischen Teilchen, z. B. Calziumkarbonat, Magnesiumkarbonat, Bariumkarbonat, Magnesiumsulfat, Bariumsulfat, Calziumsulfat, Zinkoxid, Zinksulfid, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid, Aluminumhydroxid, Hydroxyapatit, Siliziumdioxid, Glimmer, Talkum, Kaolin, Ton, Glaspulver, Zeolith und so weiter; organische Teilchen; und so weiter. Besonders geeignete dielektrische Teilchen zur Verwendung in der Licht reflektierenden Schicht sind Rutil-Titandioxid (Brechungsindex von ungefähr 2,73), Anatas-Titandioxid (Brechungsindex von ungefähr 2,55), Zinksulfid (Brechungsindex von ungefähr 2,32) und Zinkoxid (Brechungsindex von 2,0).
Die reflektierenden Teilchen haben typischerweise einen geringen Gehalt an färbenden Elementen, wie z. B. Vanadium, Eisen, Niob, Kupfer und Mangan, um ihre Lichtabsorption zu minimieren. Zum Beispiel kann Titandioxid, das einen Gehalt an Vanadium von 5 ppm oder weniger hat, benutzt werden. Solche Teilchen können durch einen Chlor-Prozess hergestellt werden, in dem Rutil-Erz, das hauptsächlich aus Titanoxid besteht, in einem Hochtemperatur-Ofen bei ungefähr 1000°C mit Chlorgas reagiert, um Titantetrachlorid zu erzeugen. Dann wird das Titantetrachlorid mit Sauerstoff gebrannt, um Titanoxid hoher Reinheit zu erzeugen. Obwohl sie typischerweise einen geringen Gehalt an färbenden Elementen besitzen, kann trotzdem eine Behandlung der Teilchen angewendet werden, um andere Eigenschaften zu verbessern (z. B. das Dispersionsvermögen). Beispiele solcher Behandlungen sind Fettsäuren (z. B. Stearinsäure), Fettsäure-Ester, usw.
Die Teilchengröße der reflektierenden Teilchen kann so gewählt werden, dass die Lichtstreuung der Schicht optimiert wird. Zum Beispiel kann die Teilchengröße (D), bei der für ein Teilchen mit hohem Brechungsindex die maximale Streuungs-Leistung auftritt, durch die folgende Formel bestimmt werden:
wobei
λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist,
n₁ der Brechungsindex des Teilchens ist, und
n₂ der Brechungsindex der kontinuierlichen Phase der Schicht ist (z. B. ist der Brechungsindex von Wasser ungefähr 1,33). Nd:YAG-Laser zum Beispiel emittieren typischerweise Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm im Infrarot-Spektrum. Bei dieser Wellenlange sind die berechneten optimalen Streuungs-Teilchengrößen für Rutil- und Anatas-Titandioxid ungefähr 0,47 μm, bzw. ungefähr 0,55 μm. Angesichts des obigen können die reflektierenden Partikel der vorliegenden Erfindung so ausgewählt werden, dass sie eine mittlere Teilchengröße im Bereich von ungefähr 0,01 bis ungefähr 5 μm, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,05 bis ungefähr 2 μm, und in manchen Ausgührungen von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 μm haben.
Um die Licht reflektierende Schicht auszubilden, werden die reflektierenden Teilchen im Allgemeinen in einem Lösungsmittel gelöst. Jedes aus einer Vielzahl von Lösungsmitteln kann verwendet werden, wie Wasser; Glycole (z. B. Propylenglycol, Butylenglycol, Triethylenglycol, Hexylenglycol, "Polyethylenglycole, Ethoxydiglycol und Dipropylenglycol); Glycolether (z. B. Methylglycolether, Ethylglycolether und Isopropylglycolether); Ether (z. B. Diethylether und Tetrahydrofuran); Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Butanol); Triglyceride; Ketone (z. B. Aceton, Methylethylketon und Methylisobutylketon); Ester (z. B. Ethylacetat, Butylacetat, Diethylenglycoletheracetat und Methoxypropylacetat); Amide (z. B. Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylcapryl-/Caprin-Fettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone); Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzo nitril); Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) und so weiter. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass wässrige Lösungsmittel (z. B. Wasser) verwendet werden können. In der Tat kann Wasser ungefähr 20 Gew.% oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 50 Gew.% oder mehr und in manchen Ausführungen ungefähr 75 Gew.% bis 100 Gew.% des/der in der Beschichtungs-Rezeptur verwendeten Lösungsmittel bilden.
Die Gesamt-Konzentration des/der in der Beschichtungs-Rezeptur verwendeten Lösungsmittel kann variieren, ist aber typischerweise von ungefähr 10 Gew.% bis ungefähr 90 Gew.%, in manchen Ausführungen von ungefähr 20 Gew.% bis ungefähr 85 Gew.%, und in manchen Ausführungen von ungefähr 40 Gew.% bis ungefähr 80 Gew.% der Beschichtungs-Rezeptur. Natürlich hängt die spezielle Menge des/der verwendeten Lösungsmittel teilweise von dem gewünschten Gehalt an Feststoffen und/oder der Viskosität der Beschichtungs-Rezeptur ab. Zum Beispiel kann der Gehalt an Feststoffen im Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 90% nach Gewicht, spezieller zwischen ungefähr 15% bis ungefähr 80% nach Gewicht und noch spezieller zwischen ungefähr 20% bis ungefähr 60% nach Gewicht liegen. Durch Variieren des Gehaltes an Feststoffen in der Beschichtungs-Rezeptur kann das Vorhandensein von Licht reflektierenden Teilchen in der Beschichtungs-Rezeptur gesteuert werden. Zum Beispiel kann, um eine Beschichtungs-Rezeptur mit einem höheren Grad an Licht reflektierenden Teilchen auszubilden, die Rezeptur mit einem relativ hohen Gehalt an Feststoffen bereitgestellt werden, so dass ein größerer Prozentsatz der Teilchen in die Schicht aufgenommen wird. Zusätzlich dazu kann die Viskosität der Beschichtungs-Rezeptur auch abhängig vom Aufbringungs-Verfahren und/oder dem Typ des verwendeten Lösungsmittels variieren. Die Viskosität beträgt jedoch typischerweise von ungefähr 5 bis ungefähr 500 Centipoise, in manchen Ausführungen von ungefähr 10 bis ungefähr 450 Centipoise und in manchen Ausführungen von ungefähr 50 bis ungefähr 400 Centipoise, gemessen mit einem Viskosimeter Brookfield DV-1 unter Verwendung der Spindel Nr. 2, be trieben mit 30 U/min. und 25°C. Falls gewünscht, können Eindicker oder andere Viskositäts-Modifizierer in der Beschichtungs-Rezeptur eingesetzt werden, um die Viskosität zu erhöhen oder zu verringern.
In der Beschichtungs-Rezeptur kann auch ein Binder verwendet werden, der dabei hilft, die Licht reflektierenden Teilchen am Kondensator-Element zu halten, nachdem das Lösungsmittel aus der Beschichtungs-Rezeptur entfernt wurde. Obwohl jeder Binder verwendet werden kann, sind organische Binder besonders geeignet für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Beispiele für solche Binder können zum Beispiel Poly(vinylbutylaldehyd); Poly(vinylacetat); Poly(vinylalkohol); Poly(vinylpyrrolidon); Cellulose-Polymere, wie z. B. Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose; ataktisches Polypropylen, Polyethylen; Polyethylenglycol (z. B. Carbowax von Dow Chemical Co.); Silizium-Polymere, wie z. B. Poly(methylsiloxan), Poly(methylphenylsiloxan); Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, Polyether mit hohem Molekulargewicht; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie z. B. Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, und Fluor-Olefin-Copolymere; und Acrylpolymere, wie z. B. Natriumpolyacrylat, Polyniedrigere Alkylacrylate), Polyniedrigere Alkylmethacrylate) und Copolymere von niedrigeren Alkylacrylaten und Methacrylaten umfassen. Besonders geeignete Binder zur Verwendung in der Beschichtungs-Rezeptur sind Latexpolymer-Binder, die eine Glasübergangstemperatur von ungefähr 50°C oder weniger haben, so dass die Flexibilität der resultierenden Beschichtungs-Rezeptur nicht wesentlich eingeschränkt ist. Darüber hinaus hat das Latex-Polymer typischerweise eine Glasübergangstemperatur von etwa –35°C oder mehr, um seine Klebrigkeit zu minimieren. Einige geeignete Polymernetze, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, können, müssen jedoch nicht, auf Polymeren basieren wie Styrol-Butadien-Polymeren, Polyvinylacetat-Homopolymeren, Vinylacetat-Ethylen-Copolymere, Vinylacetate-Acryl- oder Methacryl-Polymere, Ethylen-Vinylchlorid-Polymere, Ethylen-Vinylchlorid-Vinylacetat-Polymere, Polyvinylchlorid-Polymere, Nitril- Polymere und jedem anderen geeigneten Latexpolymer nach dem Stand der Technik.
Zusätzlich zu Bindern kann die Beschichtungs-Rezeptur auch andere Komponenten enthalten, die das Auftragen der Licht reflektierenden Teilchen auf das Kondensator-Element erleichtern. Zum Beispiel können ein oder mehrere Detergentien in der Beschichtungs-Rezeptur verwendet werden, um die Oberflächenspannung der Suspension zu verringern. Eine Klasse geeigneter Detergenzien umfasst anionische Polymere, die Säuregruppen oder Salze davon haben. Solche Polymere enthalten zum Beispiel typischerweise mindestens ein Ethylen-ungesättigtes säurehaltiges Monomer und optional mindestens ein Ethylen-ungesättigtes nichtionische Monomer. Geeignete Säure-Monomere umfassen Monomere, die Carbonsäure-Gruppen haben, wie z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Fumarsäure, Crotonsäure, Maleinsäure, Monomethylitaconat, Monomethylfumarat und Monobutylfumarat; Anhydride, wie z. B. Maleinsäureanhydrid und Itaconanhydrid; oder Kombinationen davon. Geeignete Ethylen-ungesättigte Monomere umfassen Alkylester der (Meth)acrylsäure, wie z. B. Ethylacrylat, Butylacrylat und Methylmethacrylat; Hydroxyester der (Meth)acrylsäure, wie z. B. Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylacrylat und Hydroxypropylmethacrylat; aromatische Monomere, wie z. B. Styrol und α-Methylstyrol; und Alkene, wie z. B. Di-isobutylen.
Ein Netzmittel oder Tensid kann ebenfalls in der Beschichtungs-Rezeptur eingesetzt werden, um die Bildung von homogen gleichmäßigen Beschichtungs-Rezepturen zu erleichtern, die die erwünschte Fließfähigkeit haben. Geeignete Netzmittel können kationische Netzmittel, nichtionische Netzmittel, anionische Netzmittel, amphoterische Netzmittel und so weiter umfassen. Nichtionische Netzmittel können zum Beispiel eine hydrophobe Base besitzen, wie eine langkettige Alkylgruppe oder eine alkylierte Arylgruppe und eine hydrophile Kette, die eine gewisse Anzahl (z. B. 1 bis etwa 30) an Ethoxy- und/oder Propoxy-Resten trägt. Beispiele für einige Klassen nichtionischer Tenside, die benutzt werden können, umfassen ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte und propoxylierte Fettalkohole, Polyethylenglycolether der Methylglucose, Polyethylenglycolether von Sorbit, Ethylenoxid-Propylenoxid-Block-Copolymere, ethoxylierte Ester von Fett-(C₈-C₁₈)-Säuren, Kondensationsprodukte von Ethylenoxid mit langkettigen Aminen oder Amiden, Kondensationsprodukte von Ethylenoxid mit Alkoholen und Mischungen davon, sind aber nicht darauf beschränkt. Besonders geeignete nichtionische Tenside können die Polyethylenoxid-Kondensate eines Mols von Alkylphenol, das von ungefähr 8 bis 18 Kohlenstoff-Atomen in einer Alkyl-Gruppe mit einer gestreckten oder verzweigten Kette enthält, mit ungefähr 5 bis 30 Molen Ethylenoxid umfassen. Spezielle Beispiele von Alkylphenolethoxylaten umfassen Nonyl kondensiert mit ungefähr 9,5 Mol Ethylenoxid pro Mol von Nonylphenol, Dinonylphenol kondensiert mit ungefähr 12 Mol Ethylenoxid pro Mol Phenol, Dinonylphenol kondensiert mit ungefähr 15 Mol Ethylenoxid pro Mol Phenol und Diisoctylphenol kondensiert mit ungefähr 15 Mol Ethylenoxid pro Mol Phenol. Solche Verbindungen sind im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen Triton^TM CF-100 von Dow Chemical Co. in Midland, Michigan.
Weichmacher können auch in der Beschichtungs-Rezeptur verwendet werden, um die Schichtbildungs-Eigenschaften der Beschichtungs-Rezeptur zu verbessern. Weichmacher sind wohl bekannt, und eine breite Palette an Weichmachern kann verwendet werden. Beispiele typischer Weichmacher umfassen Mineralöl, Glycole wie Propylenglycol, Phthalsäureester wie Dioctylphthalat und Benzylbutylphthalat sowie langkettige aliphatische Carbonsäuren wie Ölsäure und Stearinsäure sowie Mischungen davon.
Die Konzentration jeder Komponente der Beschichtungs-Rezeptur kann variiieren, abhängig von der gewünschten Hitze, der Feuchtigkeitsaufnahme des verwendeten Aufbringungs-Verfahrens, usw. Zum Beispiel kann die Menge der Licht reflektierenden Teilchen in der Beschichtungs-Rezeptur im Bereich von ungefähr 10 Gew.% bis ungefähr 80 Gew.%, in manchen Ausführungen von ungefähr 20 Gew.% bis ungefähr 75 Gew.% und in manchen Ausführun gen von ungefähr 25 Gew.% bis ungefähr 50 Gew.% liegen. Der/die Binder können auch von ungefähr 0,01 Gew.% bis ungefähr 20 Gew.%, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,1 Gew.% bis ungefähr 15 Gew.% und in manchen Ausführungen von ungefähr 0,5 Gew.% bis ungefähr 10 Gew.% der Beschichtungs-Rezeptur ausmachen. Andere Komponenten, wie Detergenzien, Netzmittel, Weichmacher, usw. können jeweils von ungefähr 0,001 Gew.% bis ungefähr 10 Gew.%, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,01 Gew.% bis ungefähr 5 Gew.% und in manchen Ausführungen von ungefähr 0,1 Gew.% bis ungefähr 3 Gew.% der Beschichtungs-Rezeptur ausmachen.
Unabhängig von der speziellen Art, in der sie ausgebildet ist, wird die Beschichtungs-Rezeptur auf einer Oberfläche des Kondensator-Elementes aufgebracht, wozu bekannte Verfahren, wie Tauchen, Sprühen, Drucken, Gießen, Pressen, usw. benutzt werden. Zum Beispiel kann das Kondensator-Element einfach bis zur gewünschten Tiefe in die Beschichtungs-Rezeptur eingetaucht werden. Das beschichtete Kondensator-Element kann dann trocknen, entweder unter Umgebungsbedingungen oder in einem Erwärmungs-Schritt, so dass das meiste, wenn nicht das gesamte, Lösungsmittel entfernt wird. Zum Beispiel kann das Kondensator-Element in einem oder mehreren Schritten von einer Temperatur von ungefähr 50°C auf ungefähr 300°C, in manchen Ausführungen von ungefähr 60°C auf ungefähr 200°C und in manchen Ausführungen von ungefähr 70°C auf ungefähr 150°C erhitzt werden. Das Erhitzen kann in Luft oder unter einer kontrollierten Atmosphäre stattfinden (z. B. im Vakuum). Die endgültig getrocknete Beschichtung enthält typischerweise die reflektierenden Teilchen in einer Menge von ungefähr 80 Gew.% bis 100 Gew.%, in manchen Ausführungen von ungefähr 85 Gew.% bis ungefähr 99,9 Gew.% und in manchen Ausführungen von ungefähr 90 Gew.% bis ungefähr 99 Gew.%. Um ihr Reflexionsvermögen zu optimieren, hat die Beschichtung typischerweise auch eine relativ geringe Dicke, wie z. B. ungefähr 100 μm oder weniger, in manchen Ausführungen von ungefähr 20 bis ungefähr 80 μm und in manchen Ausführungen von ungefähr 30 bis ungefähr 60 μm.
Im Allgemeinen kann die Licht reflektierende Schicht auf jede Oberfläche des Kondensator-Elementes aufgebracht werden, so dass sie den Kontakt des festen organischen Elektrolyten mit einem Laser verringern kann. Zum Beispiel kann die Licht reflektierende Schicht sich auf einer vorderen Oberfläche des Kondensator-Elementes befinden, durch die sich der Anodendraht (z. B. Tantal-Draht) in Längsrichtung erstreckt. Die Licht reflektierende Schicht kann ebenso auf der unteren und/oder oberen Oberfläche des Kondensator-Elementes angeordnet sein, die sich in einer Richtung erstreckt, die im Allgemeinen parallel zur Längsrichtung des Anodendrahtes ist. Die Licht reflektierende Schicht kann die gesamte Fläche oder einen Teil der Fläche der Oberfläche bedecken, auf der sie aufgebracht ist. In einer Ausführung bedeckt die Licht reflektierende Schicht zum Beispiel ungefähr 90% oder mehr, in manchen Ausführungen ungefähr 95% oder mehr und in manchen Ausführungen ungefähr 98% oder mehr der vorderen Oberfläche des Kondensator-Elementes.
Mit Bezug auf die 1–2 ist zum Beispiel eine Ausführung eines Kondensator-Elementes 30 gezeigt, das üblicherweise eine rechteckige Form hat und eine vordere Oberfläche 36, eine hintere Oberfläche 38, obere und untere Oberflächen 37, bzw. 39 und Seiten-Oberflächen 32 (von denen nur eine dargestellt ist) umfasst. Ein Anodendraht 34 erstreckt sich von der vorderen Oberfläche 36 des Kondensator-Elementes 30 in Längsrichtung ("y"-Richtung). Wie ferner in 2 gezeigt wird, enthält das Kondensator-Element 30 einen Anoden-Körper 50, eine dielektrische Schicht 52, die über dem Anoden-Körper 50 liegt, eine Schicht aus einem organischen festen Elektrolyten 54, die über der dielektrischen Schicht 52 liegt, eine Graphit-Schicht 56, die über der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 liegt, und eine Silberschicht 58, die über der Graphit-Schicht 56 liegt. In der gezeigten Aus führung liegen die dielektrische Schicht 52 und die Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 auf jeder Oberfläche des Kondensator-Elementes 30 über dem Anoden-Körper 50, d. h. auf der vorderen Oberfläche 36, der hinteren Oberfläche 38, der oberen Oberfläche 37, der unteren Oberfläche 39 und den Seiten-Oberflächen (in 2 nicht gezeigt). Ferner liegen die Graphit- und die Silberschicht 56 und 58 über jeder Oberfläche der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 mit Ausnahme der vorderen Oberfläche 36. Somit enthält in dieser Ausführung die vordere Oberfläche 36 den festen organischen Elektrolyten, ist aber im Allgemeinen frei von Graphit- und Silberschichten. Natürlich muss verstanden werden, dass solche Schichten auf jede Oberfläche des Kondensators aufgebracht werden können und nicht auf die gezeigte Art und Weise aufgebracht werden müssen.
Das Kondensator-Element 30 enthält auch eine Licht reflektierende Schicht 60, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, die über der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 auf der vorderen Oberfläche 36 liegt. Wie in 2 gezeigt, liegt die Licht reflektierende Schicht 60 ferner auch über einem Teil der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54, der Graphit-Schicht 56 und der Silberschicht 58 auf der oberen und der unteren Oberfläche 37, bzw. 39.
Beim Ausbilden des Kondensator-Elementes 30 können der Anoden- und der Katoden-Anschluss elektrisch mit dem Anodendraht 34, bzw. der Schicht aus dem organischen festen Elektrolyten 54 verbunden werden (über die Graphit- und Silberschichten). Die spezielle Konfiguration der Anschlüsse kann variieren, wie in der Technik bekannt. Mit Bezug auf 3 ist zum Beispiel eine Ausführung gezeigt, die einen Anoden-Anschluss 70 und einen Katoden-Anschluss 80 enthält. In dieser speziellen Ausführung enthält der Katoden-Anschluss einen ersten Teil 82, der im Wesentlichen rechtwinkelig zu einem zweiten Teil 84 positioniert ist. Der erste Teil 82 ist elektrisch in Kontakt zur unteren Oberfläche 39 des Kondensator-Elementes 30, und der zweite Teil 84 ist elektrisch in Kontakt mit der hinteren Oberfläche 38 des Kondensator- Elementes 30. Um das Kondensator-Element 30 am Katoden-Anschluss 80 zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber verwendet werden, wie in der Technik bekannt. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen enthalten, die in einer Kunstharz-Mischung enthalten sind. Die Metallteilchen können Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Wismut, usw. sein. Die Kunstharz-Mischung kann ein Duroplast-Kunstharz (z. B. Epoxydharz), einen Härter (z. B. Säureanhydrid) und ein Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) enthalten. Geeignete leitfähige Kleber werden in der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2006/0038304 an Osako, et al. beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke als Referenz mit aufgenommen wird.
Der Anoden-Anschluss 70 enthält einen ersten Teil 76, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Teil 74 angeordnet ist. Der zweite Teil 74 enthält einen Bereich, der den Anodendraht 34 trägt. In der gezeigten Ausführung besitzt der Bereich 51 eine "U-Form", um den Kontakt zur Oberfläche und die mechanische Stabilität des Drahtes 34 weiter zu verbessern. Der Anodendraht 34 wird dann mit einem Laser 90 an den Bereich 51 geschweißt. Wie in 3 gezeigt, kann der Kontakt des Laserstrahls dazu führen, dass Licht zum Kondensator-Element 30 reflektiert wird. Da die Licht reflektierende Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, wird die Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten durch das Licht nicht wesentlich beschädigt oder verkohlt.
Sobald das Kondensator-Element an den Anschlüssen befestigt ist, wird es von einem Kunstharz-Gehäuse umgeben, das dann mit Silica oder jedem anderen bekannten Einkapselungs-Material gefüllt werden kann. Die Breite und die Länge des Gehäuses können abhängig von der beabsichtigten Anwendung variieren. Die Gesamt-Dicke des Gehäuses ist jedoch typischerweise klein, so dass die resultierende Anordnung leicht in Produkten mit geringer Bauhöhe untergebracht werden kann (z. B. in "IC-Karten"). Zum Beispiel kann die Dicke des Gehäuses im Bereich von ungefähr 4,0 Millimeter oder weniger, in manchen Ausführungen von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2,5 Millimeter und in manchen Ausführungen von ungefähr 0,15 bis ungefähr 2,0 Millimeter liegen. Geeignete Gehäuse können zum Beispiel die Gehäuse "A", "B", "H" oder "T" (AVX Corporation) umfassen. Mit Bezug auf 4 ist zum Beispiel eine spezielle Ausführung eines solchen Einkapselungs-Gehäuses für eine Kondensator-Anordnung 100 als Element 88 gezeigt. Das Einkapselungs-Gehäuse 88 bietet einen zusätzlichen strukturellen und thermischen Schutz für die Kondensator-Anordnung 100. Nach der Einkapselung können die offen liegenden Teile der entsprechenden Anoden- und Katoden-Anschlüsse gealtert, überprüft und abgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die offen liegenden Teile optional zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses 88 gebogen werden (z. B. in einem Winkel von ungefähr 90°).
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann ein Kondensator ausgebildet werden, der ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel hat der Kondensator der vorliegenden Erfindung typischerweise einen ESR von weniger als ungefähr 1000 Milliohm (mOhm), in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 500 mOhm und in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 100 mOhm. Der äquivalente Reihenverlustwiderstand (ESR) eines Kondensators kennzeichnet im Allgemeinen das Ausmaß, zu dem der Kondensator beim Laden und Entladen in einem elektronischen Schaltkreis wie ein Widerstand wirkt, und wird üblicherweise als ein Widerstand in Reihe zum Kondensator ausgedrückt. Zusätzlich dazu kann der resultierende Leckstrom, der allgemein den Strom bezeichnet, der von einem Leiter durch einen Isolator zu einem benachbarten Leiter fließt, auf reativ kleinen Werten gehalten werden. Zum Beispiel ist der numerische Wert des normierten Leckstroms eines Kondensators der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,1 μA/μF·V, in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,01 μA/μF·V und in einigen Ausführungen weniger als ungefähr 0,001 μA/μF·V, wobei μA Mikroampere ist, und μF·V das Produkt der Kapazität und der Nennspannung ist.
Die vorliegende Erfindung kann besser verstanden werden, wenn man auf das folgende Beispiel Bezug nimmt.
Testprozeduren
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR), Kapazität und Verlustfaktor:
Der äquivalente Serienwiderstand und die Impedanz wurden mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 0 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz. Die Kapazität und der Verlustfaktor wurden mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2 Volt Vorspannung und 1 Volt Signal gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Leckstrom:
Der Leckstrom ("DCL") wurde mit einer Leckstrom-Testeinrichtung MC 190 von Mantracourt Electronics LTD, UK gemessen. Der Test mit dem MC 190 misst den Leckstrom bei einer Temperatur von 25°C und einer bestimmten Nennspannung nach 10 Sekunden.
BEISPIEL
Die Fähigkeit, einen mit Laser geschweißten Kondensator mit einem organischen festen Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung auszubilden, wurde demonstriert. Zuerst wurde eine Tantal-Anode mit einem eingebetteten Tantaldraht versehen und bei 1320°C gesintert. Die resultierende Anode hatte eine Größe von 1,3 × 2,4 × 1,8 mm, eine Dichte von 5,3 g/cm³ und ein CV von 1900 μFV. Um die Tantal-Anode anodisch zu oxidieren, wurde sie in eine Orthophosphorsäure/Wasser-Lösung getaucht, die eine spezifische Leitfähigkeit von 8,6 ± 0,3 mS/cm und eine Temperatur von 85 ± 5°C hatte, und wurde zweimal bei 18 V elektrisch oxidiert und mit entionisiertem Wasser gewaschen, sowie zwischen den Zyklen in einem Ofen mit Luftzirkulation bei 325°C erwärmt. Das gesamte Teil wurde dann in eine Schellack-Lösung mit 0,8 Gew.% (A. S. Suter Co., Ltd.) getaucht, um eine Vorbeschichtungs-Schicht auszubilden. Danach wurde eine Schicht aus leitfähigem Polymer ausgebildet, wozu eine herkömmliche Prozedur des sequentiellen Eintauchens in eine Lösung aus Eisen(III)-p-Toluensulfonat in n-Butanol (BAYTRON CB40, H. C. Starck) und eine Lösung aus 3,4-Ethylendioxythiophen (BAYTRON M, H. C. Starck) mit 5 Gew.% von 2-Hydroxyethylmethacrylat (Aldrich), gefolgt von einem Waschen in Ethanol und einem Reformieren in Schwefelsäure, verwendet wurde. Dieser Zyklus wurde 10-mal wiederholt. Danach wurde das Teil bis zum Ansatz für 2 Sekunden in eine Graphit-Dispersion (Graphite 7230, DuPont) bei Raumtemperatur getaucht und für 30 Minuten bei 125°C ausgeheilt. Das Teil wurde dann bis zum Ansatz für 2 Sekunden in eine Silber-Dispersion (Thermoset K 611-14, Lord Co.) bei Raumtemperatur getaucht und für 30 Minuten bei 125°C ausgeheilt.
Um die Licht reflektierende Schicht auszubilden, wurde von [0]Primalex a. s., Tscheschische Republik eine Mischung beschafft, die 58,5 Gew.% Wasser, 38,5 Gew.% Titandioxid, 0,31 Gew.% Hydroxyethylcellulose, 1,24 Gew.% Polyvinylacetat-Dispersion, 0,12 Gew.% Natriumpolysulfat, 0,87 Gew.% Salze der Polyacrylsäure, 0,3 Gew.% Stabilisatoren und 0,19 Gew.% Entschäumer enthielt. Das Teil wurde bis über den Ansatz in die Mischung getaucht, um die vordere Oberfläche komplett zu bedecken. Innerhalb von 2 Minuten nach dem Aufbringen der reflektierenden Beschichtung wurde das Teil (mit Ausnahme der vorderen Oberfläche) anschließend mit entionisiertem Wasser gewaschen und für 30 Minuten bei 125°C getrocknet.
Nachdem das Kondensator-Element ausgebildet wurde, wurde es mit Laser an einen Anschlussrahmen geschweißt, der eine Dicke von 0,10 Millimeter hat (Kupfer K88 als Rohmaterial). Der Durchmesser des Anodendrahtes war 0,17 Millimeter. Das Laser-Schweißen wurde mit einer Maschine durchge führt, die aus einer Laser-Einheit und einem optischen Kopf bestand. Der Laser war ein gepulster Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,064 μm, und der optische Kopf hatte eine Brennweite von 150 mm und einen Durchmesser des Brennflecks von 0,3 mm. Der optische Kopf bestand aus einer Doppelfokus-Optik mit einem Punktabstand von 0,3 mm. Die berechnete Energie des gesamten Laserimpulses war 2,2 J. Mit Silber angereicherter Kleber ACE 10131 (Protavic) wurde benutzt, um den Katoden-Anschlussdraht zu befestigen (der gegenüber liegende Teil des Anschlussrahmens). Der Kleber wurde bei 175°C für 1 Minute ausgehärtet. Sobald das Kondensator-Element am Anschlussrahmen befestigt war, wurde es in ein Gehäuse eingekapselt, um einen Kondensator der Standard-Gehäusegröße B (AVX) auszubilden, und bei 170°C für 60 Sekunden ausgehärtet.

Mit einer Grundgesamtheit von 25 000 Stück (Nennwert: 100 μF bei 6,3 V) wurden dann verschiedene Parameter getestet. Die Ergebnisse sind unten angegeben.

	OHNE REFLEKTIERENDE SCHICHT		MIT REFLEKTIERENDER SCHICHT
Mittelwerte von:	Vor dem Laser-Schweißen	Nach der Einkapselung	Vor dem Laser-Schweißen	Nach der Einkapselung
DCL [μA]	6,3 ± 9,5	115,2 ± 62,5	6,2 ± 8,7	35,0 ± 29,5
Anteil der Teile mit DCL > 1 mA [%]	0,1	20,4	0,1	1,5
Kapazität [μF]	96,4 ± 1,2	96,3 ± 1,2	96,6 ± 1,2	96,5 ± 1,5
ESR [mOhm]	45,2 ± 3,4	48,4 ± 4,8	45,4 ± 3,9	47,7 ± 42
Dielektrischer Verlustfaktor [%]	1,78 ± 0,19	1,75 ± 0,24	1,72 ± 0,24	1,78 ± 0,23

Diese und weitere Änderungen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung können von einem Fachmann durchgeführt werden, ohne dass vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Zusätzlich dazu muss verstanden werden, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungen ganz oder teilweise untereinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird ein Fachmann erkennen, dass die oben angegebene Beschreibung nur ein Beispiel ist und nicht mit der Absicht angegeben wurde, die Erfindung einzuschränken, wie sie in den beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6322912 [0015, 0017]
- US 6197252 [0017]
- US 4085435 [0017]
- US 4945452 [0017]
- US 5198968 [0017]
- US 5357399 [0017]
- US 5394295 [0017]
- US 5495386 [0017]
- US 6191936 [0018]
- US 5949639 [0018]
- US 3345545 [0018]
- US 6674635 [0020]
- US 5729428 [0022]

Claims

Kondensator-Element mit festem Elektrolyten, umfassend: einen Anoden-Körper, der eine Ventilmetall-Zusammensetzung enthält; eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt; eine Schicht aus einem festen organischen Elektrolyten, die über der dielektrischen Schicht liegt; und eine Licht reflektierende Schicht, die über der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten liegt, wobei die Licht reflektierende Schicht eine Vielzahl reflektierender Teilchen enthält, die einen Brechungsindex von ungefähr 1,7 oder mehr haben.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Teilchen einen Brechungsindex von ungefähr 2,0 oder mehr haben.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Teilchen aus einem dielektrischen Material ausgebildet sind.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Teilchen anorganische Teilchen sind.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 4, wobei die anorganischen Teilchen Titandioxid sind.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 5, wobei das Titandioxid Rutil-Titandioxid, Anatas-Titandioxid oder eine Mischung davon ist.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Teilchen eine mittlere Größe von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 μm haben.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Teilchen ungefähr 80 Gew.% bis 100 Gew.% der Licht reflektierenden Schicht bilden.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Teilchen ungefähr 85 Gew.% bis 99,9 Gew.% der Licht reflektierenden Schicht bilden.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Licht reflektierende Schicht eine Dicke von ungefähr 20 bis ungefähr 80 μm hat.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, das ferner einen Anodendraht enthält, der sich von einer ersten Oberfläche des Kondensator-Elementes erstreckt.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 11, wobei die Licht reflektierende Schicht über der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten auf der ersten Oberfläche liegt.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 12, wobei die Licht reflektierende Schicht im Wesentlichen die gesamte erste Oberfläche bedeckt.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 12, wobei die Licht reflektierende Schicht über der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten auf einer zweiten Oberfläche liegt, die senkrecht zur ersten Oberfläche ist.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 14, wobei die Licht reflektierende Schicht nur einen Teil der zweiten Oberfläche bedeckt.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 11, das ferner mindestens eine zusätzliche Schicht enthält, die über der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten liegt, wobei die zusätzliche Schicht eine Kohlenstoff-Schicht, eine Silber-Schicht oder eine Kombination davon umfasst.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 16, wobei die erste Oberfläche im Allgemeinen frei von der zusätzlichen Schicht ist.
Kondensator-Anordnung mit festem Elektrolyten, die das Kondensator-Element nach Anspruch 11 enthält, ferner umfassend: einen Kathoden-Anschluss, der elektrisch mit der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten verbunden ist; einen Anoden-Anschluss, der elektrisch mit dem Anoden-Körper verbunden ist; und ein Gehäuse, das das Kondensator-Element einkapselt und mindestens einen Teil des Anoden- und des Kathoden-Anschlusses offen lässt.
Kondensator-Anordnung nach Anspruch 18, wobei der Anoden-Anschluss mit Laser an den Anodendraht geschweißt ist.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Ventilmetall-Zusammensetzung Tantal enthält.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei die Ventilmetall-Zusammensetzung Nioboxid enthält.
Kondensator-Element mit festem Elektrolyten nach Anspruch 1, wobei der feste organische Elektrolyt ein leitfähiges Polymer enthält.
Kondensator-Anordnung mit festem Elektrolyten, umfassend: ein Kondensator-Element mit festem Elektrolyten, das einen Anoden-Körper umfasst, der Tantal oder Nioboxid, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, eine Schicht aus leitfähigem Polymer, die über der dielektrischen Schicht liegt und eine Licht reflektierende Schicht, die über der Schicht aus leitfähigem Polymer liegt, enthält, wobei die Licht reflektierende Schicht eine Vielzahl von Titandioxid-Teilchen enthält; einen Anodendraht, der sich von dem Kondensator-Element erstreckt; einen Kathoden-Anschluss, der elektrisch mit der Schicht aus dem festen organischen Elektrolyten verbunden ist; einen Anoden-Anschluss, der mit Laser an den Anodendraht geschweißt ist; und ein Gehäuse, das das Kondensator-Element einkapselt und mindestens einen Teil der Anoden- und Kathoden-Anschlüsse offen lässt.
Verfahren zum Ausbilden einer Kondensator-Anordnung mit festem Elektrolyten, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen eines Kondensator-Elementes mit festem Elektrolyten, das einen Anoden-Körper enthält, der Tantal oder Nioboxid, eine dielektrische Schicht, die über dem Anoden-Körper liegt, und eine Schicht aus leitfähigem Polymer, die über der dielektrischen Schicht liegt, enthält, wobei sich ein Anodendraht von einer Oberfläche des Kondensator-Elementes erstreckt; Aufbringen einer Licht reflektierenden Schicht auf mindestens die Oberfläche des Kondensator-Elementes, von der sich der Anodendraht erstreckt, wobei die Licht reflektierende Schicht über der Schicht als dem leitfähigen Polymer liegt, wobei die Licht reflektierende eine Vielzahl reflektierender Teilchen enthält; Bereitstellen eines Anschlussrahmens, der einen Kathoden-Anschluss und einen Anoden-Anschluss definiert; elektrisches Verbinden der Schicht aus dem leitfähigen Polymer mit dem Kathoden-Anschluss; Laser-Schweißen des Anodendrahtes an den Anoden-Anschluss; und Einkapseln des Elektrolytkondensator-Elementes, so dass mindestens ein Teil des Anoden-Anschlusses und des Kathoden-Anschlusses offen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die reflektierenden Teilchen Titandioxid enthalten.