DE102011113950A1

DE102011113950A1 - Festelektrolytkondensator mit verbessertem Anoden-Endteil

Info

Publication number: DE102011113950A1
Application number: DE102011113950A
Authority: DE
Inventors: Ales Vyroubal
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-03-29
Also published as: JP6000522B2; GB2483954A; US8199460B2; GB2483954B; CN102420051A; GB201110055D0; US20120075775A1; JP2012074698A; KR20120031870A

Abstract

Ein Kondensator, der ein Festelektrolytkondensatorelement umfasst, das eine Anode, ein Dielektrikum und einen festen Elektrolyten umfasst, wird bereitgestellt. Ein Anodenanschluss erstreckt sich von der Anode weg und ist elektrisch mit einem Anoden-Endteil verbunden. Der Anoden-Endteil enthält einen hochstehenden Teil, der um eine Achse herum gebogen oder gefaltet ist, so dass er zwei oder mehr Abschnitte besitzt. Ein Schlitz (z. B. U-förmig) erstreckt sich durch die Abschnitte des hochstehenden Teils zur Aufnahme eines Anodenanschlusses. Die resultierende ”gefaltete” Konfiguration des Anoden-Endteils erhöht die Gesamtdicke des hochstehenden Teils und des damit verbundenen Schlitzes, was den Grad des mechanischen Halts und der Stabilität, die der Endteil dem Anodenanschluss bietet, erhöht. Dies ist besonders günstig für dickere Anodenanschlüsse, wie solche mit einer Höhe und/oder Breite von etwa 100 μm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 μm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 250 bis etwa 1000 μm.

Description

Hintergrund der Erfindung
Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) haben hauptsächlich zur Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen beigetragen und ermöglichten die Anwendung solcher Schaltungen in extremen Umgebungen. Viele herkömmliche Festelektrolytkondensatoren werden mit Endteilen gebildet, die auf einer Leiterplatte oberflächenmontiert werden können. Anoden-Endteile werden zum Beispiel häufig dadurch gebildet, dass man einen Teil eines Metallleiterrahmens nach oben zum Kondensatorelement hin hochragen lässt. Der hochragende Teil des Leiterrahmens kann dann an einen sich von der Anode weg erstreckenden Draht geschweißt werden. Ein Problem mit solchen herkömmlichen Endteilen besteht jedoch darin, dass es häufig schwierig ist, stabile Verbindungen zu relativ dicken Anodenanschlussdrähten zu bilden, was einen nachteiligen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften haben kann. Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einem verbesserten Anodenendteil zur Verwendung in Festelektrolytkondensatoren und insbesondere solchen, bei denen ein relativ dicker Anodenanschlussdraht verwendet wird.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kondensatorelement offenbart, das eine obere Fläche, untere Fläche, vordere Fläche und hintere Fläche definiert. Das Kondensatorelement umfasst eine Anode, eine die Anode bedeckende dielektrische Schicht und eine die dielektrische Schicht bedeckende Kathode, die einen festen Elektrolyten umfasst, wobei ein Anodenanschluss elektrisch mit der Anode verbunden ist. Ein Kathoden-Endteil ist elektrisch mit der Kathode verbunden. Der Kondensator umfasst einen Anoden-Endteil, der einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfasst, wobei der erste Teil im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche des Kondensatorelements verläuft und wobei der zweite Teil so gefaltet ist, dass wenigstens zwei Abschnitte entstehen, die im Wesentlichen senkrecht zum ersten Teil des Anoden-Endteils stehen. Ein Schlitz erstreckt sich durch die Abschnitte und nimmt den Anodenanschluss auf.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Kondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Leiterrahmens, der einen Anoden-Endteil und einen Kathoden-Endteil enthält, wobei der Anoden-Endteil eine Basis und einen sich davon weg erstreckenden Vorsprung enthält, wobei der Vorsprung eine Ausnehmung definiert. Der Vorsprung wird nach oben gefaltet, und danach wird der nach oben positionierte Vorsprung entlang einer Achse in einer abwärts weisenden Richtung gefaltet, so dass ein hochstehendes Teil entsteht, das wenigstens zwei Abschnitte aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Basis stehen. Ein Schlitz erstreckt sich durch die Abschnitte. Ein Kondensatorelement ist so auf dem Leiterrahmen positioniert, dass der Anodenanschluss von dem Schlitz aufgenommen wird. Der Anodenanschluss ist elektrisch mit dem hochstehenden Teil verbunden.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Rest der Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen ist eine vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung für den Fachmann insbesondere dargelegt; dabei sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kondensatorelements, das mit einem Anoden- und einem Kathoden-Endteil verbunden ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Leiterrahmens zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht des Leiterrahmens von 2, wobei Teile des Anoden- und des Kathoden-Endteils nach oben gebogen sind;
4 eine perspektivische Ansicht des Leiterrahmens von 3, wobei ein weiterer Teil des Anoden-Endteils nach unten gebogen ist; und
5 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Kondensators der vorliegenden Erfindung.
Bei mehrfacher Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen sollen diese dieselben oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Ausführliche Beschreibung von repräsentativen Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen ist und die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kondensator, der ein Festelektrolytkondensatorelement umfasst, das eine Anode, ein Dielektrikum und einen festen Elektrolyten umfasst. Ein Anodenanschluss erstreckt sich von der Anode weg und ist elektrisch mit einem Anoden-Endteil verbunden. Der Anoden-Endteil enthält einen hochstehenden Teil, der um eine Achse herum gebogen oder gefaltet ist, so dass er zwei oder mehr Abschnitte besitzt. Ein Schlitz (z. B. U-förmig) erstreckt sich durch die Abschnitte des hochstehenden Teils zur Aufnahme eines Anodenanschlusses. Die resultierende ”gefaltete” Konfiguration des Anoden-Endteils erhöht die Gesamtdicke des hochstehenden Teils und des damit verbundenen Schlitzes, was den Grad des mechanischen Halts und der Stabilität, die der Endteil dem Anodenanschluss bietet, erhöht. Dies ist besonders günstig für dickere Anodenanschlüsse, wie solche mit einer Höhe und/oder Breite von etwa 100 μm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 200 μm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 250 bis etwa 1000 μm.
In 1 und 5 ist eine Ausführungsform eines Kondensators 30 gezeigt, die einen Anoden-Endteil 62 und einen Kathoden-Endteil 72 in elektrischem Kontakt mit einem Kondensatorelement 33 umfasst, welches eine obere Fläche 37, eine untere Fläche 39, eine vordere Fläche 36 und eine hintere Fläche 38 definiert. Obwohl es nicht speziell gezeigt ist, enthält das Kondensatorelement 33 eine Anode, ein Dielektrikum und einen festen Elektrolyten. Die Anode kann aus einer Ventilmetallzusammensetzung mit einer hohen spezifischen Ladung gebildet werden, wie etwa 5000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 25 000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40 000 μF·V/g oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 70 000 μF·V/g bis etwa 200 000 μF·V/g oder mehr. Die Ventilmetallzusammensetzung enthält ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine Verbindung, die auf einem Ventilmetall beruht, wie Tantal, Niob, Aluminium, Hafnium, Titan, Legierungen davon, Oxide davon, Nitride davon usw. Zum Beispiel kann die Ventilmetallzusammensetzung ein elektrisch leitfähiges Oxid von Niob enthalten, wie ein Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Mob zu Sauerstoff von 1:1,0 ± 1,0, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,3, in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,1 und in einigen Ausführungsformen 1:1,0 ± 0,05. bei dem Nioboxid kann es sich zum Beispiel um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung NbO_1,0, ein leitfähiges Nioboxid, das auch nach dem Sintern bei hohen Temperaturen chemisch stabil bleiben kann. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind in den US-Patenten Nr. 6,322,912 (Fife), 6,391,275 (Fife et al.), 6,416,730 (Fife et al.), 6,527,937 (Fife), 6,576,099 (Kimmel et al.), 6,592,740 (Fife et al.) und 6,639,787 (Kimmel et al.) und 7,220,397 (Kimmel et al.) sowie in den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.) und 2005/0013765 (Thomas et al.) beschrieben, auf die alle hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Zur Bildung der Anode können im Allgemeinen herkömmliche Herstellungsverfahren verwendet werden. In einer Ausführungsform wird zuerst ein Tantal- oder Nioboxidpulver mit einer bestimmten Teilchengröße ausgewählt. Zum Beispiel können die Teilchen flockenartig, eckig, knotenförmig sowie Gemische oder Variationen davon sein. Die Teilchen haben auch typischerweise eine Siebgrößenverteilung von wenigstens etwa 60 mesh, in einigen Ausführungsformen etwa 60 bis etwa 325 mesh und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 200 mesh. Ferner beträgt die spezifische Oberfläche etwa 0,1 bis etwa 10,0 m²/g, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 5,0 m²/g und in einigen Ausführungsformen etwa 1,0 bis etwa 2,0 m²/g. Der Ausdruck ”spezifische Oberfläche” bezieht sich auf die Oberfläche, die durch das Verfahren der physikalischen Gasadsorption (B. E. T.) von Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309, mit Stickstoff als Adsorptionsgas bestimmt wurde. Ebenso beträgt die Schüttdichte (oder Scott-Dichte) typischerweise etwa 0,1 bis etwa 5,0 g/cm³, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 4,0 g/cm³ und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 3,0 g/cm³.
Um den Bau der Anode zu erleichtern, können noch weitere Komponenten zu den elektrisch leitfähigen Teilchen gegeben werden. Zum Beispiel können die elektrisch leitfähigen Teilchen gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie zum Anodenkörper gepresst werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören etwa Campher, Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Carbowax (Union Carbide), Glyptal (General Electric), Polyvinylalkohole, Naphthalin, Pflanzenwachs und Mikrowachse (gereinigte Paraffine). Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und dispergiert werden. Beispielhafte Lösungsmittel sind Wasser, Alkohole usw. Wenn Bindemittel und/oder Gleitmittel verwendet werden, kann ihr Prozentanteil von etwa 0,1 bis etwa 8 Gew.-% der Gesamtmasse variieren. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass Bindemittel und Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
Das resultierende Pulver kann kompaktiert werden, wobei man irgendeine herkömmliche Pulverpressform verwendet. Die Pressform kann zum Beispiel eine Einplatz-Kompaktierpresse sein, bei der eine Matrize und ein oder mehrere Stempel verwendet werden. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, bei denen nur eine Matrize und ein einziger Unterstempel verwendet werden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter-/Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Das Pulver kann um einen Anodenanschluss (z. B. Tantaldraht) herum kompaktiert werden. Man sollte sich weiterhin darüber im Klaren sein, dass der Anodenanschluss nach dem Pressen und/oder Sintern des Anodenkörpers alternativ auch an dem Anodenkörper befestigt (z. B. daran geschweißt) werden kann. Gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel kann entfernt werden, indem man den Pressling mehrere Minuten lang im Vakuum auf eine bestimmte Temperatur (z. B. etwa 150°C bis etwa 500°C) erhitzt. Alternativ dazu kann das Bindemittel/Gleitmittel auch entfernt werden, indem man den Pressling mit einer wässrigen Lösung in Kontakt bringt, wie es im US-Patent Nr. 6,197,252 (Bishop et al.) beschrieben ist, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird. Danach wird der Pressling zu einer porösen integralen Masse gesintert. Zum Beispiel kann der Pressling in einer Ausführungsform bei einer Temperatur von etwa 1200°C bis etwa 2000°C und in einigen Ausführungsformen von etwa 1500°C bis etwa 1800°C im Vakuum oder einer inerten Atmosphäre gesintert werden. Nach dem Sintern schrumpft der Pressling aufgrund der Zunahme von Bindungen zwischen den Teilchen. Neben den oben beschriebenen Techniken kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch jede andere Technik zum Aufbau des Anodenkörpers verwendet werden, wie es in den US-Patenten Nr. 4,085,435 (Galvagni), 4,945,452 (Sturmer et al.), 5,198,968 (Galvagni), 5,357,399 (Salisbury), 5,394,295 (Galvagni et al.), 5,495,386 (Kulkarni) und 6,322,912 (Fife) beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug für alle Zwecke genommen wird.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann die Dicke der Anode so gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Anode etwa 4 Millimeter oder weniger betragen, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 2 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 1 Millimeter. Auch die Form der Anode kann so gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften des resultierenden Kondensators verbessert werden. Zum Beispiel kann die Anode eine Form haben, die gekrümmt, wellenförmig, rechteckig, U-förmig, V-förmig usw. ist. Die Anode kann auch eine ”geriffelte” Form haben, indem sie eine oder mehrere Furchen, Rillen, Vertiefungen oder Einkerbungen enthält, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen und dadurch den ESR zu minimieren und den Frequenzgang der Kapazität auszudehnen. Solche ”geriffelten” Anoden sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,191,936 (Webber et al.), 5,949,639 (Maeda et al.) und 3,345,545 (Bourgault et al.) sowie in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0270725 (Hahn et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Ein Anodenanschluss 16 (z. B. Draht, Blech usw.) ist ebenfalls elektrisch mit der Anode verbunden. Der Anschluss 16 besteht typischerweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie Tantal, Niob, Nickel, Aluminium, Hafnium, Titan usw., sowie Oxiden und/oder Nitriden davon. Die Art und Weise, in der der Anschluss 16 verbunden ist, kann variieren, wie in der Technik bekannt ist, wie durch Koppeln des Anschlusses mit Hilfe von Widerstands- oder Laserschweißen, Einbetten des Anschlusses in den Anodenkörper während seiner Bildung (z. B. vor dem Sintern) usw. In der gezeigten Ausführungsform liegt der Anschluss 16 zum Beispiel in Form eines eingebetteten Drahts vor, der sich von der vorderen Fläche 36 des Kondensatorelements 33 weg erstreckt.
Sobald sie konstruiert wurde, kann die Anode anodisiert werden, so dass eine dielektrische Schicht auf und/oder innerhalb der Anode entsteht. Die Anodisierung ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem die Anode oxidiert wird, so dass ein Material mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante entsteht. Zum Beispiel kann eine Anode aus Nioboxid (NbO) zu Niobpentoxid (Nb₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst einen Elektrolyten auf die Anode aufträgt, etwa durch Eintauchen der Anode in den Elektrolyten. Der Elektrolyt liegt im Allgemeinen in Form einer Flüssigkeit vor, etwa als Lösung (z. B. wässrig oder nichtwässrig), Dispersion, Schmelze usw. In dem Elektrolyten wird im Allgemeinen ein Lösungsmittel eingesetzt, wie Wasser (z. B. deionisiertes Wasser), 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-/caprinfettsäureamid und N-Alkylpyrrolidone), Nitrile (z. B. Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Benzonitril), Sulfoxide oder Sulfone (z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO) und Sulfolan) usw. Das Lösungsmittel kann etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 80 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, ist die Verwendung eines wässrigen Lösungsmittels (z. B. Wasser) häufig wünschenswert, um dabei zu helfen, das gewünschte Oxid zu erreichen. Tatsächlich kann Wasser etwa 50 Gew.-% oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 Gew.-% oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis 100 Gew.-% der in dem Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel ausmachen.
Der Elektrolyt ist ionenleitend und kann eine Ionenleitfähigkeit von etwa 1 Millisiemens pro Zentimeter (”mS/cm”) oder mehr aufweisen, in einigen Ausführungsformen etwa 30 mS/cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 40 mS/cm bis etwa 100 mS/cm, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C. Um die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten zu verstärken, kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Geeignete ionische Verbindungen Für diesen Zweck sind zum Beispiel Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Borsäure, Boronsäure usw., organische Säuren einschließlich Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Salicylsäure, Sulfosalicylsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Äpfelsäure, Ölsäure, Gallsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Ameisensäure, Essigsäure, Glycolsäure, Oxalsäure, Propionsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Glutarsäure, Gluconsäure, Milchsäure, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Itaconsäure, Trifluoressigsäure, Barbitursäure, Zimtsäure, Benzoesäure, 4-Hydroxybenzoesäure, Aminobenzoesäure usw., Sulfonsäuren, wie Methansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Styrofsulfonsäure, Naphthalindisulfonsäure, Hydroxybenzolsulfonsäure, Dodecylsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure usw., polymere Säuren, wie Polyacryl- oder Polymethacrylsäure und Copolymere davon (z. B. Maleinsäure-Acrylsäure-, Sulfonsäure-Acrylsäure- und Styrol-Acrylsäure-Copolymere), Carrageensäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure usw., usw. Die Konzentration der ionischen Verbindungen wird so gewählt, dass die gewünschte Ionenleitfähigkeit erreicht wird. Zum Beispiel kann eine Säure (z. B. Phosphorsäure) etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,8 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,5 Gew.-% des Elektrolyten ausmachen. Falls gewünscht, können in dem Elektrolyten auch Gemische von ionischen Verbindungen eingesetzt werden.
Ein Strom wird durch den Elektrolyten geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Spannung entspricht der Dicke der dielektrischen Schicht. Zum Beispiel kann die Stromquelle zunächst im galvanostatischen Modus betrieben werden, bis die erforderliche Spannung erreicht ist. Danach kann die Stromquelle auf einen potentiostatischen Modus umgeschaltet werden, um zu gewährleisten, dass die gewünschte Dicke des Dielektrikums über der Oberfläche der Anode gebildet wird. Selbstverstandlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 9 bis etwa 100 V. Während der anodischen Oxidation kann der Elektrolyt auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, wie etwa 30°C oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 40°C bis etwa 200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 50°C bis etwa 100°C. Die anodische Oxidation kann auch bei Umgebungstemperatur oder darunter durchgeführt werden. Die resultierende dielektrische Schicht kann auf einer Oberfläche der Anode oder innerhalb ihrer Poren gebildet werden.
Sobald die dielektrische Schicht gebildet ist, kann gegebenenfalls eine Schutzbeschichtung aufgetragen werden, zum Beispiel eine, die aus einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich oder synthetisch) besteht. Solche Materialien können einen spezifischen Widerstand von mehr als etwa 10 Ohm·cm haben, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 100, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1000 Ohm·cm, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10⁵ Ohm·cm und in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 1 × 10¹⁰ Ohm·cm. Einige harzartige Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem Polyurethan, Polystyrol, Ester von ungesättigten oder gesättigten Fettsäuren (z. B. Glyceride) usw. Zu den geeigneten Estern von Fettsäuren gehören zum Beispiel unter anderem Ester von Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Eleostearinsäure, Ölsäure, Linolsäure, Linolensäure, Aleuritinsäure, Schellalsäure usw. Diese Ester von Fettsäuren haben sich als besonders nützlich erwiesen, wenn sie in relativ komplexen Kombinationen unter Bildung eines ”trocknenden Öls” verwendet werden, das es dem resultierenden Film ermöglicht, schnell zu einer stabilen Schicht zu polymerisieren. Zu diesen trocknenden Ölen gehören etwa Mono-, Di- und/oder Triglyceride, die ein Glyceringerüst mit einem, zwei bzw. drei Fettacylresten, die verestert sind, aufweisen. Einige geeignete trocknende Öle, die verwendet werden können, sind zum Beispiel unter anderem Olivenöl, Leinöl, Ricinusöl, Tungöl, Sojaöl und Schellack. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Danach wird das anodisierte Teil einem Schritt zur Bildung einer Kathode, die einen festen Elektrolyten, wie Mangandioxid, ein leitfähiges Polymer usw. enthält, unterzogen. Ein fester Elektrolyt in Form von Mangandioxid kann zum Beispiel durch pyrolytische Zersetzung von Mangannitrat (Mn(NO₃)₂)) gebildet werden. Solche Techniken sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,945,452 (Sturmer et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Es kann auch eine leitfähige Polymerbeschichtung eingesetzt werden, die einen oder mehrere Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate und Derivate davon enthält. Die leitfähige Polymerbeschichtung kann auch aus mehreren leitfähigen Palymerschichten gebildet werden. Zum Beispiel kann die Kathode aus dem leitfähigen Polymer in einer Ausführungsform eine aus PEDT gebildete Schicht und eine andere, aus einem Polypyrrol gebildete Schicht enthalten. Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die leitfähige Polymerbeschichtung auf den Anodenteil aufzutragen. Zum Beispiel können herkömmliche Techniken, wie Elektropolymerisation, Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung, verwendet werden, um eine leitfähige Polymerbeschichtung zu bilden.
In einer besonderen Ausführungsform enthält die leitfähige Beschichtung ein substituiertes Polythiophen, das π-konjugiert ist und eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist (z. B. eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS·cm^–1). Das substituierte Polythiophen kann Repetiereinheiten der allgemeinen Formel (I), Formel (II) oder von beiden aufweisen:
wobei
A ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest (z. B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
R ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₁₈-Alkylrest (z. B. Methyl, Ethyl, n- oder iso-Propyl, n-, iso-, sek- oder tert-Butyl, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n-Hexadecyl, n-Octadecyl usw.); gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); gegebenenfalls substituierter C₇- bis C₁₈-Aralkylrest (z. B. Benzyl, o-, m-, p-Tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4-, 3,5-Xylyl, Mesityl usw.); gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder Hydroxyrest ist; und
x eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen von 0 bis 2, ist und x in einigen Ausführungsformen = 0 ist. Beispiele für Substituenten für die Reste ”A” oder ”R” sind zum Beispiel Alkyl, Cycloalkyl, Aryl, Aralkyl, Alkoxy, Halogen, Ether, Thioether, Disulfid, Sulfoxid, Sulfon, Sulfonat, Amino, Aldehyd, Keto, Carbonsäureester, Carbonsäure, Carbonat, Carboxylat, Cyano, Alkylsilan- und Alkoxysilangruppen, Carboxylamidgruppen usw.
Die Gesamtzahl der Repetiereinheiten der allgemeinen Formel (I) oder Formel (II) oder der allgemeinen Formeln (I) und (II) beträgt typischerweise 2 bis 2000 und in einigen Ausführungsformen 2 bis 100.
Besonders gut geeignete substituierte Polythiophene sind solche, bei denen ”A” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist und x = 0 oder 1 ist. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem substituierten Polythiophen um Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (”PEDT”), das Repetiereinheiten der Formel (II) aufweist, wobei ”A” = CH₂-CH₂ ist und ”x” = 0 ist. Die zur Bildung solcher Polymere verwendeten Monomere können nach Wunsch variieren. Besonders gut geeignete Monomere sind zum Beispiel substituierte 3,4-Alkylendioxythiophene mit der allgemeinen Formel (III), (IV) oder beiden:
wobei A, R und x wie oben definiert sind.
Beispiele für solche Monomere sind zum Beispiel gegebenenfalls substituierte 3,4-Ethylendioxythiophene. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der H. C. Starck GmbH unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich. Es können auch Derivate dieser Monomere eingesetzt werden, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind. Höhermolekulare Derivate, d. h. Tetramere, Pentamere usw., der Monomere sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Die Derivate können aus gleichen oder verschiedenen Monomereinheiten bestehen und können in reiner Form oder in einem Gemisch miteinander und/oder mit den Monomeren verwendet werden. Oxidierte oder reduzierte Formen dieser Vorläufer können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Thiophenmonomere, wie sie oben beschrieben sind, können in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert werden. Der oxidative Katalysator umfasst typischerweise ein Übergangsmetallkation, wie Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)-, Ruthenium(III)-Kationen usw. Ein Dotierungsmittel kann auch eingesetzt werden, um dem leitfähigen Polymer überschüssige Ladung zu verleihen und die Leitfähigkeit des Polymers zu stabilisieren. Das Dotierungsmittel umfasst typischerweise ein anorganisches oder organisches Anion, wie ein Ion einer Sulfonsäure. In bestimmten Ausführungsformen weist der in der Vorläuferlösung eingesetzte oxidative Katalysator sowohl eine katalytische als auch eine dotierende Funktionalität auf, indem er ein Kation (z. B. Übergangsmetall) und ein Anion (z. B. Sulfonsäure) umfasst. Zum Beispiel kann der oxidative Katalysator ein Übergangsmetallsalz sein, das Eisen(III)-Kationen, wie Eisen(III)halogenide (z. B. FeCl₃) oder Eisen(III)-Salze anderer anorganischer Säuren, wie Fe(ClO₄)₃ oder Fe₂(SO₄)₃, und die Eisen(III)-Salze von organischen Säuren und anorganischen Säuren, die organische Reste umfassen, umfasst. Beispiele für Eisen(III)-Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremanoestern von C₁- bis C₂₀-Alkanolen (z. B. das Eisen(III)-Salz von Laurylsulfat). Ebenso sind Beispiele Für Eisen(III)-Salze von organischen Säuren zum Beispiel Eisen(III)-Salze von C₁- bis C₂₀-Alkansulfonsäuren (z. B. Methan-, Ethan-, Propan-, Butan- oder Dodecansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorsulfansäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); Eisen(III)-Salze von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); Eisen(III)-Salze von aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Eisen(III)-Salze von Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Camphersulfonsäure); usw. Gemische dieser oben genannten Eisen(III)-Salze können ebenfalls verwendet werden. Eisen(III)-p-toluolsulfonat, Eisen(III)-o-toluolsulfonat und Gemische davon sind zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für Eisen(III)-p-toluolsulfonat ist von der H. C. Starck GmbH unter der Bezeichnung Clevios^TM C erhältlich.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die leitfähige Beschichtung zu bilden. In einer Ausführungsform werden der oxidative Katalysator und das Monomer entweder nacheinander oder zusammen aufgetragen, so dass die Polymerisationsreaktion in situ auf dem Teil stattfindet. Geeignete Auftragstechniken, wie Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung, können verwendet werden, um eine leitfähige Polymerbeschichtung zu bilden. Als Beispiel kann das Monomer zunächst unter Bildung einer Vorläuferlösung mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden. Sobald das Gemisch gebildet ist, kann es aufgetragen und polymerisieren gelassen werden, so dass die leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche entsteht. Alternativ dazu können der oxidative Katalysator und das Monomer auch nacheinander aufgetragen werden. In einer Ausführungsform wird der oxidative Katalysator zum Beispiel in einem organischen Lösungsmittel (z. B. Butanol) gelöst und dann als Tauchlösung aufgetragen. Der Teil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen. Danach kann der Teil in eine Lösung, die das Monomer enthält, eingetaucht werden.
Die Polymerisation wird typischerweise je nach dem verwendeten Oxidationsmittel und der gewünschten Reaktionszeit bei Temperaturen von etwa –10°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 200°C durchgeführt. Geeignete Polymerisationstechniken, wie sie oben beschrieben sind, sind ausführlicher in der US-Veröffentlichungs-Nr. 2008/232037 (Biler) beschrieben. Noch andere Verfahren zum Auftragen einer oder mehrerer solcher leitfähigen Polymerbeschichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5,457,862 (Sakata et al.), 5,473,503 (Sakata et al.), 5,729,428 (Sakata et al.) und 5,812,367 (Kudoh et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich für alle Zwecke Bezug genommen wird.
Neben der oder in Verbindung mit der Beschichtung, die durch in-situ-Auftragung gebildet wird, kann auch eine leitfähige Beschichtung, die in Form einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen vorliegt, eingesetzt werden. Obwohl ihre Größe variieren kann, ist es typischerweise wünschenswert, dass die Teilchen einen kleinen Durchmesser besitzen, um die zum Befestigen des Anodenteils verfügbare Oberfläche zu vergrößern. Zum Beispiel können die Teilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 1 bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 400 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 300 Nanometer haben. Der D₉₀-Wert der Teilchen (Teilchen mit einem Durchmesser kleiner oder gleich dem D₉₀-Wert bilden 90% des Gesamtvolumens aller festen Teilchen) kann etwa 15 Mikrometer oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Mikrometer oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 Nanometer bis etwa 8 Mikrometer betragen. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden.
Die Verarbeitung der leitfähigen Polymere in eine Teilchenform kann verstärkt werden, indem man ein getrenntes Gegenion verwendet, das der positiven Ladung des substituierten Polythiophens entgegenwirken soll. In einigen Fällen kann das Polymer positive und negative Ladungen in der Struktureinheit besitzen, wobei sich die positive Ladung auf der Hauptkette und die negative Ladung gegebenenfalls auf den Substituenten des Restes ”R”, wie Sulfonat- oder Carboxylatgruppen, befindet. Die positiven Ladungen der Hauptkette können teilweise oder zur Gänze mit den gegebenenfalls vorhandenen anionischen Gruppen an den Resten ”R” gesättigt sein. Insgesamt gesehen können die Polythiophene in diesen Fällen kationisch, neutral oder sogar anionisch sein.
Dennoch werden sie alle als kationische Polythiophene angesehen, da die Polythiophen-Hauptkette eine positive Ladung trägt.
Das Gegenion kann ein monomeres oder polymeres Anion sein. Polymere Anionen können zum Beispiel Anionen von polymeren Carbonsäuren (z. B. Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäure, Polymaleinsäuren usw.), polymeren Sulfonsäuren (z. B. Polystyrolsulfonsäuren (”PSS”), Polyvinylsulfonsäuren usw.) usw. sein. Die Säuren können auch Copolymere, wie Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäure mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Ebenso sind geeignete monomere Anionen zum Beispiel Anionen von C₁- bis C₂₀-Alkansulfansäuren (z. B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoractansulfonsäure); aliphatischen C₁- bis C₂₀-Carbonsäuren (z. B. 2-Ethylhexylcarbonsäure); aliphatischen Perfluorcarbonsäuren (z. B. Trifluoressigsäure oder Perfluoroctansäure); aromatischen Sulfonsäuren, die gegebenenfalls mit C₁- bis C₂₀-Alkylgruppen substituiert sind (z. B. Benzolsulfonsäure, o-Taluolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure oder Dodecylbenzolsulfonsäure); Cycloalkansulfonsäuren (z. B. Kamphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluorophosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexachloroantimonate); usw. Besonders gut geeignete Gegenionen sind polymere Anionen, wie eine polymere Carbon- oder Sulfonsäure (z. B. Polystyrolsulfonsäure (”PSS”)). Das Molekulargewicht solcher polymeren Anionen liegt typischerweise im Bereich von etwa 1000 bis etwa 2 000 000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500 000.
Wenn sie eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis solcher Gegenionen zu substituierten Polythiophenen in einer gegebenen Schicht typischerweise etwa 0,5:1 bis etwa 50:1, in einigen Ausführungsformen etwa 1:1 bis etwa 30:1 und in einigen Ausführungsformen etwa 2:1 bis etwa 20:1. Das Gewicht des substituierten Polythiophens, von dem bei den oben genannten Gewichtsverhältnissen die Rede ist, bezieht sich auf den eingewogenen Anteil der verwendeten Monomere, wenn man annimmt, dass während der Polymerisation eine vollständige Umsetzung stattfindet.
Die Dispersion kann auch ein oder mehrere Bindemittel enthaften, um die adhäsive Natur der polymeren Schicht weiter zu verstärken und auch die Stabilität der Teilchen innerhalb der Dispersion zu erhöhen. Die Bindemittel können organischer Natur sein, wie Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylchloride, Polyvinylacetate, Polyvinylbutyrate, Polyacrylsäureester, Polyacrylsäureamide, Polymethacrylsäureester, Polymethacrylsäureamide, Polyacrylnitrile, Styrol/Acrylsäureester, Vinylacetat/Acrylsäureester und Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Polybutadiene, Polyisoprene, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Polyamide, Polyimide, Polysulfone, Melamin-Formaldehyd-Harze, Epoxyharze, Silikonharze oder Cellulosen. Es können auch Vernetzungsmittel eingesetzt werden, um die Adhäsionsfähigkeit der Bindemittel zu erhöhen. Solche Vernetzungsmittel sind zum Beispiel Melaminverbindungen, maskierte Isocyanate oder funktionelle Silane, wie 3-Glycidoxypropyltrialkaxysilan, Tetraethoxysilan und Tetraethoxysilan-Hydrolysat oder vernetzbare Polymere, wie Polyurethane, Polyacrylate oder Polyolefine, und anschließende Vernetzung. Wie in der Technik bekannt ist, können auch andere Komponenten in die Dispersion mit aufgenommen werden, wie Dispersionsmittel (z. B. Wasser), grenzflächenaktive Substanzen usw.
Falls gewünscht, können einer oder mehrere der oben beschriebenen Auftragungsschritte wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke der Beschichtung erreicht ist. In einigen Ausführungsformen wird nur eine relativ dünne Schicht der Beschichtung auf einmal gebildet. Die gewünschte Gesamtdicke der Beschichtung kann im Allgemeinen je nach den gewünschten Eigenschaften des Kondensators variieren. Die resultierende leitfähige Polymerbeschichtung hat typischerweise eine Dicke von etwa 0,2 Mikrometern (”μm”) bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 μm bis etwa 20 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 μm bis etwa 5 μm. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Dicke der Beschichtung nicht notwendigerweise an allen Steffen des Teils dieselbe ist. Dennoch fällt die mittlere Dichte der Beschichtung im Allgemeinen in die oben genannten Bereiche.
Die leitfähige Polymerbeschichtung kann gegebenenfalls geflickt werden. Das Flicken kann nach jeder Auftragung einer leitfähigen Polymerschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten leitfähigen Polymerbeschichtung erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann das leitfähige Polymer dadurch geflickt werden, dass man den Teil in eine Elektrolytlösung eintaucht und danach eine konstante Spannung an die Lösung anlegt, bis die Stromstärke auf ein vorgewähltes Niveau reduziert ist. Falls gewünscht, kann dieses Flicken auch in mehreren Schritten bewerkstelligt werden. Zum Beispiel kann eine Elektrolytlösung eine verdünnte Lösung des Monomers, des Katalysators und des Dotierungsmittels in einem Alkohollösungsmittel (z. B. Ethanol) sein. Die Beschichtung kann auch gegebenenfalls gewaschen werden, um verschiedene Nebenprodukte, überschüssige Reagentien usw. zu entfernen.
Falls gewünscht, kann gegebenenfalls eine externe Beschichtung auf das Teil aufgetragen werden. Die externe Beschichtung kann wenigstens eine kohlenstoffhaltige Schicht und wenigstens eine Metallschicht, die die kohlenstoffhaltige Schicht bedeckt, enthalten. Die Metallschicht kann als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungssammler für den Kondensator wirken und kann aus einem leitfähigen Metall bestehen, wie Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium und Legierungen davon. Silber ist ein besonders gut geeignetes leitfähiges Metall zur Verwendung in der Schicht. Die kohlenstoffhaltige Schicht kann den Kontakt zwischen der Metallschicht und dem festen Elektrolyten begrenzen, was ansonsten den Widerstand des Kondensators erhöhen würde. Die kohlenstoffhaltige Schicht kann aus einer Vielzahl von bekannten kohlenstoffhaltigen Materialien, wie Graphit, Aktivkohle, Ruß usw. bestehen. Die Dicke der kohlenstoffhaltigen Schicht liegt typischerweise im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 50 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 2 μm bis etwa 30 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 μm bis etwa 10 μm. Ebenso liegt die Dicke der Metallschicht typischerweise im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 100 μm, in einigen Ausführungsformen etwa 5 μm bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 10 μm bis etwa 25 μm.
Unabhängig von der Art und Weise, wie sie gebildet wurde, wird das resultierende Kondensatorelement 33 in elektrischem Kontakt mit dem Anoden-Endteil 62 und dem Kathoden-Endteil 72 bereitgestellt, wie es oben erwähnt ist. Jedes beliebige leitfähige Material kann eingesetzt werden, um die Endteile zu bilden, wie ein leitfähiges Metall (z. B. Kupfer, Nickel, Silber, Zink, Zinn, Palladium, Blei, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan, Eisen, Zirconium, Magnesium und Legierungen davon). Zu den besonders gut geeigneten leitfähigen Metallen gehören zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen (z. B. Kupfer-Zirconium, Kupfer-Magnesium, Kupfer-Zink oder Kupfer-Eisen), Nickel und Nickellegierungen (z. B. Nickel-Eisen). Die Dicke der Endteile ist im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensators minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter oder etwa 0,07 bis etwa 0,2 Millimeter liegen. Ein beispielhaftes leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus einer Kupfer-Eisen-Legierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich ist. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn usw. galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden beide Flächen der Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, während die Montagefläche auch mit einer Zinnlötschicht versehen wird.
Obwohl er mit einer beliebigen der Oberflächen des Kondensatorelements 33 in elektrischem Kontakt sein kann, steht der Kathoden-Endteil 72 in der gezeigten Ausführungsform in elektrischem Kontakt mit der unteren Fläche 39 und der hinteren Fläche 38. Insbesondere enthält der Kathoden-Endteil 72 einen ersten Teil 73, der relativ flach und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 positioniert ist, und einen zweiten, hochstehenden Teil 74, der im Wesentlichen senkrecht (z. B. 90° ± 5°) zu dem flachen Teil 73 positioniert ist. Der hochstehende Teil 74 steht in elektrischem Kontakt und verläuft im Wesentlichen parallel zur hinteren Fläche 38 des Kondensatorelements 33. Gegebenenfalls kann der hochstehende Teil 74 eine Öffnung 76 definieren, die das Falten des Kondensators während der Herstellung erleichtert. Obwohl sie als einstückig abgebildet sind, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass der flache und der hochstehende Teil alternativ dazu auch getrennte Teile sein können, die entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall) miteinander verbunden sind.
Der Anoden-Endteil 62 enthält auch einen ersten Teil 63, der relativ flach und im Wesentlichen parallel zur unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 positioniert ist, und einen zweiten, hochstehenden Teil 64, der im Wesentlichen senkrecht (z. B. 90° ± 5°) zu dem flachen Teil 63 positioniert ist. Der hochstehende Teil 64 ist entlang einer Achse ”A” gebogen, so dass ein erster Abschnitt 66a und ein zweiter Abschnitt 66b zusammen eine umgekehrte ”U-förmige” Konfiguration bilden. Die Abschnitte 66a und 66b sind jeweils typischerweise im Wesentlichen senkrecht (z. B. 90° ± 5°) zu dem flachen Teil 63 des Anoden-Endteils 62 positioniert. Wie in 1 besser gezeigt ist, erstreckt sich ein Schlitz 51 durch beide Abschnitte des hochstehenden Teils 64, um den Anodenanschluss 16 aufzunehmen. Der Schlitz 51 kann eine Vielzahl verschiedener Formen und/oder Größen aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform hat der Schlitz 51 zum Beispiel eine ”U-Form” zur weiteren Erhöhung des Oberflächenkontakts und der mechanischen Stabilität des Anschlusses 16.
Eine beispielhafte Art und Weise, in der ein Kondensatorelement an einem Leiterrahmen, der Anoden- und Kathoden-Endteile 62 und 72 enthält, befestigt wird, ist in den 2–4 gezeigt und wird jetzt ausführlicher beschrieben. Der Einfachheit halber wird die Bildung nur eines einzigen Kondensators beschrieben. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass der Leiterrahmen auch mehrere Endteile enthalten kann, die zu individuellen Kondensatorbaugruppen zerschnitten werden. In 2 ist ein Teil eines Leiterrahrnens gezeigt, der Anoden- und Kathoden-Endteile 62 und 72 enthält, wie es oben beschrieben ist. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass nur ein Teil des Leiterrahmens gezeigt ist und dass er im Allgemeinen auch andere Komponenten enthält, die nicht eigens gezeigt sind. Zum Beispiel können die Endteile zunächst über ein Metallblech verbunden sein, das anschließend während der Herstellung des Kondensators entfernt wird.
Der Leiterrahmen von 2 ist in einer anfangs ”flachen” Konfiguration gezeigt. In dieser Ausführungsform weist der Anoden-Endteil 62 eine Basis 63 und einen davon abstehenden Vorsprung 64 auf. Wie in 3 gezeigt ist, ist der Vorsprung 64 nach oben gebogen, um den hochstehenden Teil zu bilden. Dann wird der hochstehende Vorsprungsteil 64 entlang einer Faltachse ”A” nach unten gebogen, so dass eine Ausnehmung oder ein Loch 78 in dem Teil 64 den gewünschten Schlitz 51 bildet. Die Form und Größe der Ausnehmung 78, die Höhe des hochstehenden Teils 64 und der Ort der Faltachse ”A” (3) bestimmen zusammen die resultierende Höhe des Schlitzes 51. Zum Beispiel kann die Ausnehmung 78 kreisförmig sein und einen Durchmesser von etwa 20 bis etwa 1000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 600 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen. Der hochstehende Teil 64 kann ebenso eine Höhe ”H₁” (siehe z. B. 2 und 5, gemessen von der oberen Fläche des flachen Teils 63 zum oberen Ende des Teils 64) von etwa 400 bis etwa 5000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 600 bis etwa 1500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 800 bis etwa 1200 Mikrometer aufweisen. Der Ort der Faltachse ”A” kann nach Wunsch variieren, erstreckt sich jedoch häufig durch die Mitte der Ausnehmung 78, wie in 3 gezeigt ist. Die Höhe ”H₂” des resultierenden Schlitzes 51 (siehe z. B. 2 und 5, gemessen von der oberen Fläche des flachen Teils 63 zur unteren Fläche des Teils des Schlitzes 51, auf dem der Anodenanschluss 16 ruht) kann ebenso etwa 250 bis etwa 3000 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 1500 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 500 bis etwa 1000 Mikrometer betragen.
Der Kathoden-Endteil 72 enthält anfangs auch eine Basis 73 und einen davon wegstehenden Vorsprung 74. Wie in 3 gezeigt ist, kann der Vorsprung 74 wiederum nach oben gebogen sein, um den hochstehenden Teil zu bilden. Falls gewünscht, kann der Vorsprung 74 alternativ dazu auch flach bleiben, bis das Kondensatorelement 33 in ein Gehäuse eingebettet wird.
Wir beziehen uns wiederum auf die 1 und 5; sobald der oder die Endteile in die gewünschte Konfiguration gebogen sind, wird das Kondensatorelement 33 so darauf positioniert, dass seine untere Fläche 39 mit den flachen Teilen 63 und 73 in Kontakt steht und dass der Anodenanschluss 16 von dem Schlitz 51 aufgenommen wird. Falls gewünscht, kann ein leitfähiger Kleber 93 zwischen den Kathoden-Endteil 72 und das Kondensatorelement 33 gebracht werden, um den Grad der Befestigung zu verbessern. Ebenso kann sich auch ein isolierendes Material 91, wie ein Kunststoffkissen oder -band, zwischen der unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33 und dem flachen Teil 63 des Anoden-Endteils 62 befinden, um den Anoden- und den Kathoden-Endteil elektrisch gegeneinander zu isolieren. Dann kann der Anodenanschluss 16 unter Verwendung irgendeiner in der Technik bekannten Methode, wie mechanisches Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., elektrisch mit dem Schlitz 51 verbunden werden. Nach dem elektrischen Verbinden des Anodenanschlusses 16 kann der wahlfreie leitfähige Kleber gehärtet werden. Zum Beispiel kann eine Heizpresse verwendet werden, um Wärme und Druck anzuwenden und so zu gewährleisten, dass das Kondensatorelement 33 durch den Kleber ausreichend an dem Kathoden-Endteil 72 befestigt wird.
Sobald das Kondensatorelement befestigt ist, wird der Leiterrahmen in einem Harzgehäuse 58 eingeschlossen (5), das mit Siliciumoxid oder einem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt sein kann. Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”F”, ”G”, ”H”, ”J”, ”K”, ”M”, ”N”, ”P”, ”R” ”S”, ”T”, ”W”, ”Y” oder ”X” (AVX Corporation). Unabhängig von der eingesetzten Gehäusegröße wird das Kondensatorelement 33 so eingebettet, dass wenigstens ein Teil des Anoden- und des Kathoden-Endteils 62 und 72 für die Montage auf einer Leiterplatte exponiert sind. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist zum Beispiel der flache Teil 63 des Anoden-Endteils 62 exponiert, aber der hochstehende Teil 64 ist im Gehäuse 58 eingebettet. Ebenso ist auch der flache Teil 73 des Kathoden-Endteils 72 exponiert, aber der hochstehende Teil 74 ist innerhalb des Gehäuses 58 eingebettet.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Testverfahren
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen werden. Die Betriebsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Kapazität
Die Kapazität wurde mit einem Präzisions-LCZ-Messgerät Keithley 3330 mit Kelvin-Anschlussleitungen bei 2,2 Volt Vorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt Abstand zwischen den Peaks gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 120 Hz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Leckstrom:
Der Leckstrom (”DCL”) wurde mit einer Leckstrom-Testeinrichtung gemessen, die den Leckstrom bei einer Temperatur von 25°C und bei der Nennspannung nach mindestens 60 Sekunden misst.
Beispiel 1
Zur Bildung des Kondensators wurde zunächst eine Tantalanode, die einen Tantaldraht (Durchmesser 0,5 mm) enthielt, bei 15,5 V in einem flüssigen Elektrolyten bis 150 μF anodisiert. Dann wurde eine Beschichtung aus leitfähigem Polymer gebildet, indem man die Anode 5 Minuten lang in eine Butanollösung von Eisen(III)toluolsulfonat (CLEVIOS^TM C, H. C. Starck) und anschließend 1 Minute lang in 3,4-Ethylendiaxythiophen (CLEVIOS^TM M, H. C. Starck) eintauchte. Nach 45 Minuten Polymerisation entstand eine dünne Schicht von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf der Oberfläche des Dielektrikums. Die Teile wurden in Methanol gewaschen, um Reaktionsnebenprodukte zu entfernen, in einem flüssigen Elektrolyten anodisiert und wiederum in Methanol gewaschen. Der Polymerisationszyklus wurde sechsmal wiederholt. Danach wurde der Teil in ein dispergiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% eingetaucht und 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Wiederum wurde dieser Vorgang sechsmal wiederholt. Dann wurden die Teile mit Graphit und Silber beschichtet, wie in der Technik bekannt ist.
Sobald er gebildet war, wurde der Tantaldraht des Kondensatorelements mit einem Laser auf eine spezielle Länge geschnitten. Ein Faserlaser mit einem kleinen Durchmesser wurde verwendet, um jede mechanische und thermische Beschädigung des leitfähigen Polymers zu verhindern. Danach wurde das Kondensatorelement so in einer Tasche eines Leiterrahmens platziert, dass der Tantaldraht in einem U-förmigen Schlitz eines ”gefalteten” hochstehenden Teils des Leiterrahmens untergebracht war, wie es in den 1–5 gezeigt ist. Sobald er in dieser Weise positioniert war, wurde der Draht mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls an den hochstehenden Teil geschweißt. Nach dem Befestigen des Kondensatorelements an dem Leiterrahmen wurde es in einem ”B”-Gehäuse mit einer Höhe von etwa 1,90 mm, einer Breite von etwa 2,80 mm und einer Länge von etwa 3,50 mm eingebettet. Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurden 1100 Teile hergestellt.
Beispiel 2
Kondensatoren wurden in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise gebildet, außer dass der hochstehende Teil des Leiterrahmens nicht gefaltet wurde, wie es in den 1–3 gezeigt ist. Nach diesem Verfahren wurden 1100 Teile hergestellt.
Sobald sie gebildet waren, wurden die Teile von Beispiel 1 und 2 verschiedenen Leistungsfähigkeitstests unterzogen. Bei 95% der Teile von Beispiel 1 wurde bestimmt, dass sie die Leistungsfähigkeitstests bestanden, während nur 10% der Teile in Beispiel 2 bestanden. Vermutlich war die geringe Ausbeute auf ein Schmelzen und Verdampfen des Tantaldrahts durch die hohe Energie des Laserstrahls zurückzuführen. Leckstrom, ESR, Kapazität und Verlustfaktor wurden ebenfalls getestet. Die Medianwerte der Testergebnisse sind im Folgenden angegeben: Medianwerte der Testergebnisse

Beispiel DCL [μA] ESR [mOhm] Kap [μF] Df [–]

1 2,3 43 138,9 0,24

2 8,7 58 139,2 0,25
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann praktisch umgesetzt werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher beschrieben ist, nicht einschränken soll.
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

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brunauer, Emmet und Teller, Journal of American Chemical Society, Band 60, 1938, S. 309 [0015]

Claims

Kondensator, umfassend: ein Kondensatorelement, das eine obere Fläche, untere Fläche, vordere Fläche und hintere Fläche definiert, wobei das Kondensatorelement eine Anode, eine die Anode bedeckende dielektrische Schicht und eine die dielektrische Schicht bedeckende Kathode, die einen festen Elektrolyten umfasst, umfasst, wobei ein Anodenanschluss elektrisch mit der Anode verbunden ist; einen Kathoden-Endteil, der elektrisch mit der Kathode verbunden ist; und einen Anoden-Endteil, der einen ersten Teil und einen zweiten Teil enthält, wobei der erste Teil im Wesentlichen parallel zu der unteren Fläche des Kondensatorelements verläuft und wobei der zweite Teil so gefaltet ist, dass wenigstens zwei Abschnitte entstehen, die im Wesentlichen senkrecht zum ersten Teil des Anoden-Endteils stehen, wobei sich ein Schlitz durch die Abschnitte erstreckt und den Anodenanschluss aufnimmt.
Kondensator gemäß Anspruch 1, wobei der Schlitz U-förmig ist.
Kondensator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Teil eine Hohe von etwa 400 bis etwa 5000 Mikrometer und vorzugsweise etwa 800 bis etwa 1200 Mikrometer aufweist.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schlitz eine Höhe von etwa 250 bis etwa 3000 Mikrometer und vorzugsweise etwa 500 bis etwa 1000 Mikrometer aufweist.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin ein Gehäuse umfasst, das das Kondensatorelement einbettet und wenigstens einen Teil des Anoden-Endteils und des Kathoden-Endteils exponiert lässt.
Kondensator gemäß Anspruch 5, wobei der zweite Teil des Anoden-Endteils Innerhalb des Gehäuses eingebettet ist.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin ein Isolierendes Material umfasst, dass sich zwischen dem ersten Teil des Anoden-Endteils und der unteren Fläche des Kondensatorelements befindet.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kathoden-Endteil einen ersten Teil, der elektrisch mit einer unteren Fläche des Kondensatorelements verbunden ist, und einen zweiten Teil, der elektrisch mit der hinteren Fläche des Kondensatorelements verbunden ist, enthält.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon umfasst.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer, wie Poly(3,4-ethylendiaxythiophen), umfasst.
Kondensator gemäß Anspruch 10, der weiterhin eine leitfähige Beschichtung umfasst, die den festen Elektrolyten bedeckt, wobei die leitfähige Beschichtung eine Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen enthält.
Kondensator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anodenanschluss eine Höhe und/oder Breite von etwa 100 Mikrometer oder mehr und vorzugsweise etwa 250 bis etwa 1000 Mikrometer aufweist.
Verfahren zur Bildung eines Kondensators, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Leiterrahmens, der einen Anoden-Endteil und einen Kathoden-Endteil enthält, wobei der Anoden-Endteil eine Basis und einen sich davon weg erstreckenden Vorsprung enthält, wobei der Vorsprung eine Ausnehmung definiert; Falten des Vorsprungs nach oben; danach Falten des Vorsprungs entlang einer Achse in einer abwärts weisenden Richtung, so dass ein hochstehendes Teil entsteht, das wenigstens zwei Abschnitte aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zur Basis stehen, wobei sich ein Schlitz durch die Abschnitte erstreckt; Positionieren eines Kondensatorelements auf dem Leiterrahmen in einer Weise, dass der Anodenanschluss von dem Schlitz aufgenommen wird; und elektrisches Verbinden des Anodenanschlusses mit dem hochstehenden Teil.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiterhin das elektrische Verbinden des Kathodenanschlusses mit der Kathode umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Ausnehmung im Wesentlichen kreisförmig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Ausnehmung einen Durchmesser von etwa 20 bis etwa 1000 Mikrometer und vorzugsweise etwa 200 bis etwa 500 Mikrometer aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei sich die Achse durch die Mitte der Ausnehmung erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiterhin das Einbetten des Kondensatorelements in einem Gehäuse in einer Weise, dass wenigstens ein Teil des Anoden-Endteils und des Kathoden-Endteils exponiert bleibt, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Kondensatorelement eine Anode, eine die Anode bedeckende dielektrische Schicht und eine die dielektrische Schicht bedeckende Kathode, die einen festen Elektrolyten umfasst, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer umfasst.