DE102009042484A1

DE102009042484A1 - Laserschweißen von Elektrolytkondensatoren

Info

Publication number: DE102009042484A1
Application number: DE102009042484A
Authority: DE
Inventors: Leos Dvorak; Ales Vyroubal; Rene Kalas; Jozef Honec; Petr Honec
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2010-04-01
Also published as: GB2463771B; US8344282B2; GB0916268D0; KR20100034714A; JP2010087523A; CN101685709A; US20100072179A1; GB2463771A

Abstract

Eine Technik zum Laserschweißen eines Anodenanschlusses an ein Anodenende eines Elektrolytkondensators wird offenbart. Die Technik beinhaltet das Lenken eines Laserstrahls durch ein oder mehrere Brechungselemente hindurch, bevor er mit dem Anschluss und dem Anodenende in Kontakt tritt. Durch gezielte Steuerung des Brechungsindex und der Dicke des Brechungselements, des Winkels, in dem das Brechungselement relativ zum Laserstrahl positioniert ist, usw. kann der Laserstrahl auf eine genaue Schweißstelle gelenkt werden, ohne mit anderen Teilen des Kondensators wesentlich in Kontakt zu treten oder diese zu beschädigen.

Description

Die Vielfalt moderner technischer Anwendungen führt zu einem Bedürfnis nach effizienten elektronischen Komponenten und integrierten Schaltungen, die dort verwendet werden können. Elektrolytkondensatoren sind fundamentale Komponenten, die zum Filtern, Entkoppeln, als Bypass-Kondensatoren und für andere Aspekte solcher modernen Anwendungen wie drahtlose Kommunikation, Hochgeschwindigkeitsverarbeitung, Netzwerken, Leitungsvermittlung und viele andere Anwendungen verwendet werden. Eine drastische Erhöhung der Geschwindigkeit und Packungsdichte von integrierten Schaltungen erfordert Fortschritte in der Kondensatortechnik. Daher standen viele spezielle Aspekte des Kondensatoraufbaus im Brennpunkt zur Verbesserung der Leistungsmerkmale von Kondensatoren. Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) leisten einen großen Beitrag zur Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen und ermöglichten die Anwendung solcher Schaltungen in extremen Umgebungen. Die Miniaturisierung von Kondensatoren führt jedoch zu erhöhten Produktionsschwierigkeiten. Zum Beispiel wird das Laserschweißen von Kondensatoren bei kleineren Kondensatoren schwieriger, zum Beispiel muss der Laserdurchmesser kleiner sein, und die Präzision der Laserpositionierung muss höher sein. Bei früheren Schweißtechniken wurden Spiegel verwendet, um den Laser in den gewünschten Schweißflächen zu positionieren. Leider fehlen den Spiegelpositionierungssystemen die gewünschte Genauigkeit und Wiederholbarkeit, die für kleine Kondensatoren häufig benötigt werden. Kleine Neigungswinkel des Spiegels führen nämlich zu einer drastischen Richtungsänderung des reflektierten Strahls. Wenn die Größe des Kondensators abnimmt, sind daher die Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Schweißvorgangs schwieriger beizubehalten.
Daher besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einer verbesserten Laserschweißtechnik für Elektrolytkondensatoren, die für größere Genauigkeit und Wiederholbarkeit sorgt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Elektrolytkondensators offenbart. Das Verfahren umfasst das Positionieren eines Anodenanschlusses eines Elektrolytkondensatorelements neben einem Anodenende. Das Elektrolytkondensatorelement umfasst eine Anode, einen dielektrischen Film und einen Elektrolyten, wobei sich der Anodenanschluss ausgehend von einer Oberfläche der Anode nach außen erstreckt. Ein Laserstrahl wird durch ein Brechungselement hindurch gelenkt, so dass der Anodenanschluss mittels des Lasers an das Anodenende geschweißt wird. Das Brechungselement ist in einem Winkel von 0° bis etwa 45° relativ zu einer Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahls steht, ausgerichtet. Das Kondensatorelement ist elektrisch mit einem Kathodenende verbunden, und das Kondensatorelement ist so innerhalb eines Gehäuses eingebettet, dass wenigstens ein Teil des Anodenendes und des Kathodenendes exponiert bleiben.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Befestigung eines Anodenendes an einem Elektrolytkondensatorelerent offenbart. Das System umfasst ein Elektrolytkondensatorelement, das eine Anode, einen dielektrischen Film und einen Elektrolyten umfasst, wobei sich der Anodenanschluss ausgehend von einer Oberfläche der Anode nach außen erstreckt; ein Anodenende; und eine Laserschweißvorrichtung zum elektrischen Verbinden des Anodenendes mit dem Anodenanschluss, wobei die Laserschweißvorrichtung einen Laserstrahlgenerator zur Erzeugung eines Laserstrahls und ein Brechungselement umfasst, wobei das Brechungselement in einem Winkel von 0° bis etwa 45° relativ zu einer Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahls steht, ausgerichtet ist.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
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 schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Laserschweißen eines Elektrolytkondensators;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Brechungselements, das in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, wobei
2A das Brechungselement zeigt, wie es senkrecht zum Laserstrahl positioniert ist, und 2B das Brechungselement zeigt, wie es in einem Winkel relativ zum Laserstrahl positioniert ist; und
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Laserschweißsystems 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.
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 eine Technik zum Laserschweißen eines Anodenanschlusses an ein Anodenende eines Elektrolytkondensators. Die Technik beinhaltet das Lenken eines Laserstrahls durch ein oder mehrere Brechungselemente hindurch, bevor er mit dem Anschluss und dem Anodenende in Kontakt tritt. Durch gezielte Steuerung des Brechungsindex und der Dicke des Brechungselements, des Winkels, in dem das Brechungselement relativ zum Laserstrahl positioniert ist, usw. kann der Laserstrahl auf eine genaue Schweißstelle gelenkt werden, ohne mit anderen Teilen des Kondensators wesentlich in Kontakt zu treten und diese zu beschädigen.
1 zeigt zum Beispiel schematisch eine Ausführungsform der Laserschweißtechnik der vorliegenden Erfindung. In dieser besonderen Ausführungsform ist ein Kondensator 30 gezeigt, der ein Kondensatorelement 33, ein Anodenende 70 und ein Kathodenende 80 enthält. Jedes beliebige Material kann eingesetzt werden, um die Enden zu bilden, wie ein leitfähiges Metall (z. B. Kupfer, Gold, Silber, Nickel, 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 Enden ist im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke des Kondensatorbauteils minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Enden im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 Millimeter liegen, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 bis etwa 0,5 Millimeter oder etwa 0,1 bis etwa 0,2 Millimeter. Ein beispielhaftes leitfähiges Material ist eine Metallplatte aus Kupfer-Eisen-Legierung, die von Wieland (Deutschland) erhältlich ist.
Das Kondensatorelement 33 hat eine obere Fläche 37, eine untere Fläche 39, eine vordere Fläche 36 und eine hintere Fläche 38. In dieser besonderen Ausführungsform enthält das Kathodenende einen ersten Teil 82, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Teil 84 positioniert ist. Der erste Teil 82 steht in elektrischem Kontakt mit der unteren Fläche 39 des Kondensatorelements 33, und der zweite Teil 84 steht in elektrischem Kontakt mit der hinteren Fläche 38 des Kondensatorelements 33. Um das Kondensatorelement 33 an dem Kathodenende 80 zu befestigen, kann ein leitfähiger Kleber eingesetzt werden, wie in der Technik bekannt ist. Der leitfähige Kleber kann zum Beispiel leitfähige Metallteilchen umfassen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind. Bei den Metallteilchen kann es sich um Silber, Kupfer, Gold, Platin, Nickel, Zink, Bismut usw. handeln. Die Harzzusammensetzung kann ein duroplastisches Harz (z. B. Epoxidharz), Härtungsmittel (z. B. Säureanhydrid) und Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel) umfassen. Geeignete leitfähige Kleber sind in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2006/0038304 (Osako et al.) beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Das Anodenende 70 enthält einen ersten Teil 76, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Teil 74 positioniert ist. Der zweite Teil 74 enthält einen Bereich, der den Anodenanschluss 34 trägt. Obwohl sie als einstückig abgebildet sind, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass diese Teile alternativ auch getrennte Teile sein können, die miteinander verbunden sind, entweder direkt oder über ein zusätzliches leitfähiges Element (z. B. Metall). In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Bereich 51 eine ”U-Form”, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 34 weiter zu verstärken.
Der Anodenanschluss 34 wird mit einem Laser 90, der einen Strahl 91 erzeugt, welcher durch ein Brechungselement 6 tritt, an das Anodenende 70 geschweißt. Das Brechungselement 6 kann den Strahl 91 genau auf eine spezielle Stelle zum Schweißen positionieren, die sich in dieser Ausführungsform im Bereich 51 befindet. In einer Ausführungsform kann das Laserschweißsystem zum Beispiel einen Laser beinhalten, der einen Laserstrahlgenerator enthält, welcher einen Laser erzeugt. Der Typ des Lasers, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann auf der Grundlage der gewünschten Funktion ausgewählt werden. In einer besonderen Ausführungsform ist der Laser ein solcher, bei dem das Lasermedium aus einem Aluminium-Yttrium-Granat (YAG) besteht, der mit Neodym (Nd) dotiert ist, und die angeregten Teilchen sind Neodymionen Nd³⁺ Solche Laser emittieren typischerweise ein Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1064 Nanometer im infraroten Spektrum. Der Laser kann einen beliebigen Durchmesser haben, der für die gewünschte Anwendung geeignet ist. In einigen Ausführungsformen hat der Laserstrahl im interessierenden Bereich einen Durchmesser von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,05 mm bis etwa 0,3 mm und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 mm bis etwa 0,15 mm. Der Laser kann auch eine Vorsatzoptik (z. B. Linse) umfassen, die, wie in der Technik wohlbekannt ist, primär den Laserstrahl konvergent macht und auf einem Brennpunkt fokussiert. Der Laser kann auch einen Strahlteiler umfassen.
Die Art und Weise, in der das Brechungselement 6 die Position des Strahls 91 steuern kann, ist schematisch in 2A gezeigt. Wie gezeigt, tritt der Laserstrahl 91 unter einem Winkel α₁ in das Brechungselement 6 ein. Das Brechungselement 6 lenkt den Strahl 91 unter einem Brechungswinkel α₂ ab, der gemäß dem Snelliusschen Gesetz wie folgt bestimmt wird: n1·sinα1 = n2·sinα2,wobei n₁ und n₂ die Brechungsindices der Medien sind, durch die das Licht tritt. Typischerweise entspricht n₁ Luft, die einen Brechungsindex von etwa 1 hat.
Um die gewünschte Positionierung des Laserstrahls 91 relativ zur Schweißstelle zu erreichen, wird der Brechungsindex des Brechungselements 6 typischerweise so gewählt, dass er etwa 0,3 bis etwa 5 beträgt, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 3, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 bis etwa 2,5, in einigen Ausführungsformen etwa 1,0 bis etwa 2,0, in einigen Ausführungsformen etwa 1,2 bis etwa 2,0 und in einigen Ausführungsformen etwa 1,4 bis etwa 1,8. Für diesen Zweck kann eine Vielzahl von Materialien eingesetzt werden, wie in der Technik wohlbekannt ist. In einer besonderen Ausführungsform kann das Brechungselement 6 zum Beispiel Glas umfassen, wie eine planparallele Glasplatte (PPG). Der Fachmann ist sich jedoch ohne Weiteres darüber im Klaren, dass das Brechungselement unter Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices variiert werden könnte, um den gewünschten Brechungsindex zu erhalten. Während Standardglas zum Beispiel typischerweise einen Brechungsindex von ungefähr 1,5 hat, können Farbstoffe, Füllstoffe und andere Bestandteile, die in der Technik wohlbekannt sind, in den Glasherstellungsprozess eingearbeitet werden, um jeden gewünschten Brechungsindex zu erreichen.
Die Dicke des Brechungselements kann ebenfalls gesteuert werden, um die gewünschte Schweißstelle zu erreichen. Zum Beispiel kann die Dicke im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 10 mm betragen, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, in einigen Ausführungsformen etwa 0,7 mm bis etwa 4 mm und in einigen Ausführungsformen etwa 1 mm bis etwa 3 mm.
Selbstverständlich können auch andere Parameter die Position des Laserstrahls zum Schweißen beeinflussen. Zum Beispiel kann der Winkel, unter dem es relativ zum Laserstrahl ausgerichtet ist, auch selektiv gesteuert werden, um das gewünschte Schweißen zu erreichen. Wenn wir uns wiederum auf 2B (linke Seite) beziehen, kann zum Beispiel ein Laserstrahl 91 durch eine Linse 8 eines Lasers (nicht gezeigt) treten und unter einem Winkel α₂ durch das Brechungselement gelenkt werden. Da die Linse 8 normal zum Brechungselement 6 positioniert ist (α₁ = 0°), ist der resultierende Strahl 91 im allgemeinen auf einen Punkt fokussiert, der unterhalb des Brechungselements 6 zentriert ist. In bestimmten Situationen kann es jedoch wünschenswert sein, die Position des Laserstrahls 91 leicht um einen Abstand Δ zu korrigieren, um ihn zur Schweißstelle zu lenken. Wie in 2B (rechte Seite) gezeigt ist, kann in dieser Hinsicht eine Veränderung des Winkels, unter dem das Brechungselement 6 positioniert ist (α₂, der > 0° ist), zu einem fokussierten Strahl 91 führen, der um einen Abstand Δ verrückt ist. Wenn der Winkel α₂ zunimmt, nimmt auch die Positionskorrektur Δ zu. Im Unterschied zu Spiegelsystemen, die auf Ablenkung basieren, ist der Korrekturabstand Δ jedoch von der Brennweite unabhängig. Indem man also einfach die Orientierung des Brechungselements 6 steuert, kann der Laserstrahl genau auf einen gewünschten Ort fokussiert werden, ohne den Laser zu bewegen. In den meisten Fällen beträgt der Winkel, unter dem das Brechungselement relativ zum Laser ausgerichtet ist, etwa 0° bis etwa 45°, in einigen Ausführungsformen etwa 1° bis etwa 30°, in einigen Ausführungsformen etwa 2° bis etwa 25°, in einigen Ausführungsformen etwa 3° bis etwa 20° und in einigen Ausführungsformen etwa 5° bis etwa 15°. Der Winkel wird relativ zu einer Achse gemessen, die senkrecht auf der Richtung des Laserstrahls steht. In
2 wird der Winkel zum Beispiel relativ zu einer Achse ”A” gemessen, die senkrecht zu einer Längsachse steht, welche sich zwischen der Linse 8 und dem Brennpunkt des Strahls erstreckt, wenn das Brechungselement parallel zur Linse steht.

In der folgenden Tabelle sind beispielhafte Abstände ”Δ” aufgeführt, die bei verschiedenen Glasdicken, Neigungswinkeln und Brechungsindices beobachtet werden.

Neigungswinkel (°)	Standardglas (n = 1,5)			Hybridglas (n = 1,7)			Hybridglas (n = 1,9)
	Dicke (mm)			Dicke (mm)			Dicke (mm)
	1	2	3	1	2	3	1	2	3
5	0,029	0,058	0,087	0,036	0,072	0,108	0,041	0,083	0,124
10	0,058	0,116	0,174	0,073	0,145	0,218	0,083	0,166	0,249
15	0,089	0,178	0,267	0,267	0,220	0,330	0,126	0,252	0,378

Im Allgemeinen kann im Lasersystem der vorliegenden Erfindung eine beliebige Zahl von Brechungselementen eingesetzt werden. In bestimmten Ausführungsformen werden zum Beispiel wenigstens zwei Brechungselemente eingesetzt, um den Grad zu erhöhen, in dem der Strahl gebrochen werden kann. Die Brechungselemente können aus denselben oder aus verschiedenen Materialien bestehen oder dieselbe oder unterschiedliche Dicken haben. Wenn der Laserstrahl allgemein in die Richtung -z verläuft, kann ein Element um eine Achse der x-y-Ebene (z. B. die -x-Achse) herum ausgerichtet sein. Ein anderes Element kann um eine andere Achse (z. B. -y-Achse) herum, um dieselbe Achse (z. B. die -x-Achse) herum ausgerichtet sein oder unausgerichtet bleiben.
Das Laserschweißsystem der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Komponenten umfassen, die dabei helfen können, die Genauigkeit der Schweißpositionierung zu verbessern. Während der Produktion können Schwankungen in der Größe des Kondensators und im Ort der Enden, Anschlüsse usw. zum Beispiel dazu führen, dass Echtzeitjustierungen des Schweißortes vorgenommen werden müssen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man für eine Echtzeitkontrolle der Beugungselemente sorgt. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel eine Kamera (z. B. eine optoelektronische Scanning-Kamera) eingesetzt werden, die ein Bild des Kondensators (unbewegt und/oder bewegt) auf einer Position vor der Schweißposition (d. h. der Scanning-Position) aufnehmen und das Bild elektrisch an eine Bildverarbeitungseinheit (IPU) übermitteln kann. Die IPU kann (z. B. mit einer Lookup-Tabelle, einem Algorithmus usw.) so programmiert sein, dass sie nach Empfangen des Bildes den Winkel, der benötigt wird, um die gewünschte Schweißstelle zu erreichen, berechnen oder in sonstiger Weise bestimmen kann. Dann kann die IPU ein Signal zu einer Antriebsvorrichtung (z. B. Servomotor, Galvomotor usw.) senden, die das Brechungselement nach Bedarf justiert. Die Antriebsvorrichtung kann zum Beispiel das Brechungselement um eine Achse, wie die -x-Achse und/oder die -y-Achse, herum drehen, wenn sich der Laserstrahl im Wesentlichen in Richtung der -z-Achse bewegt.
Das Laserschweißsystem kann auch eine Transportvorrichtung (z. B. Endlosriemen oder -draht) umfassen, um den Kondensator zum Laser zu transportieren. Da Nichtlinearitäten in der Bewegung der Transportvorrichtung häufig schlecht zentrierte Schweißungen verursachen, kann das Laserschweißsystem auch eine Kamera umfassen, die oberhalb der Transportvorrichtung positioniert ist und sich im Wesentlichen auf der Schweißposition befindet, um ein Bild des Kondensators aufzunehmen. Die Kamera kann dieses Bild an die IPU weiterleiten, die wiederum die Position des Brechungselements weiter kalibrieren kann. Dies kann dabei helfen, Mängel, die durch die Abweichung der Positionierung des Brechungselements verursacht werden, welche ihrerseits durch eine Vielzahl von Faktoren, wie Temperaturänderungen, elektrisches Rauschen, Schwingungen usw. verursacht wird, zu reduzieren, und kann zur Eichung, für Arbeitsmodi, Qualitätskontrolle usw. verwendet werden.
3 zeigt schematisch eine besondere Ausführungsform des Laserschweißsystems der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, beinhaltet das System 100 eine Transportvorrichtung 128 zum Transportieren einer Vielzahl von Elektrolytkondensatoren 133. In dieser besonderen Ausführungsform laufen die Elektrolytkondensatoren 133 unter einer Scanning-Kamera 110 in einer Scanning-Position 130 durch, die ein Bild von einem der Kondensatoren 133 aufnimmt und das Bild an eine IPU 114 übermittelt. Die IPU 114 empfängt die eingehende Bildinformation und steuert eine erste und eine zweite Antriebsvorrichtung 116 und 118, die ein Paar von Laserbrechungselementen 120 bzw. 122 antreiben. Zum Beispiel kann die erste Antriebsvorrichtung 116 das erste Brechungselement 120 um eine Achse (z. B. die x-Achse) drehen, und die zweite Antriebsvorrichtung 118 kann das zweite Beugungselement 122 um dieselbe oder eine andere Achse (z. B. die y-Achse) drehen. In einer vorbestimmten Position nach der Scanning-Position 130 (d. h. in einer Schweißposition 132) greift ein Schweißsystem an. Das Schweißsystem umfasst einen Lasergenerator 124 und eine Vorsatzoptik 126 (z. B. eine Linse). Nachdem er die Vorsatzoptik 126 verlassen hat, tritt der Laserstrahl durch die Laserbrechungselemente 120 und 122. Die Laserbrechungselemente 120 und 122, die von ihren jeweiligen Antriebsvorrichtungen 116 und 118 positioniert werden, brechen den Laserstrahl auf die gewünschte Schweißposition auf dem Kondensator 133.
In der gezeigten Ausführungsform ist auch eine Rückmeldekamera 112 über der Transportvorrichtung 128 positioniert und befindet sich allgemein auf der Schweißposition 132. Die Rückmeldekamera 112 kann verwendet werden, um ein zweites Bild der elektrischen Komponente in der Schweißposition 132 aufzunehmen. Die IPU 114, die ebenfalls in elektrischer Verbindung mit der Rückmeldekamera 112 steht, empfängt das zweite Bild und kann die Positionierung der Brechungselemente 120 und 122 kalibrieren, wenn die Position der elektrischen Komponente von der Position abweicht, die vorher von der Scanning-Kamera aufgezeichnet wurde.
Jeder Elektrolytkondensator kann im Allgemeinen gemäß der vorliegenden Erfindung lasergeschweißt werden. Zum Beispiel enthält der Kondensator typischerweise eine Anode, die aus einer Ventilmetallzusammensetzung gebildet ist. Die Ventilmetallzusammensetzung kann eine hohe spezifische Kapazität haben, wie etwa 60 000 Mikrofarad mal Volt pro Gramm (”μF·V/g”) oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 70 000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100 000 μF·V/g oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 150 000 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 Anode aus einem Ventilmetalloxid gebildet sein, das ein Atomverhältnis von Metall zu Sauerstoff von 1 zu weniger als 25, in einigen Ausführungsformen 1 zu weniger als 2,0, in einigen Ausführungsformen 1 zu weniger als 1,5 und in einigen Ausführungsformen 1:1 aufweist. Beispiele für solche Ventilmetalloxide sind etwa Nioboxid (z. B. NbO), Tantaloxid usw. und sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,322,912 (Fife) beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Zur Bildung der Anode können im Allgemeinen herkömmliche Fabrikationsverfahren verwendet werden. In einer Ausführungsform wird zuerst ein Tantal- oder Nioboxidpulver mit einer bestimmten Teilchengröße ausgewählt. Die Teilchengröße kann je nach der gewünschten Spannung des resultierenden Kondensators variieren. Zum Beispiel werden häufig Pulver mit einer relativ großen Teilchengröße (z. B. etwa 10 Mikrometer) verwendet, um Hochspannungskondensatoren herzustellen, während Pulver mit einer relativ kleinen Teilchengröße (z. B. etwa 0,5 Mikrometer) häufig verwendet werden, um Niederspannungskondensatoren herzustellen. Die Teilchen werden dann gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie zur Anode 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, Aceton, Methylisobutylketon, Trichlormethan, fluorierte Kohlenwasserstoffe (Freon; DuPont), Alkohole und chlorierte Kohlenwasserstoffe (Tetrachlorkohlenstoff). 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. Nachdem das Pulver gebildet ist, wird es unter Verwendung irgendeiner herkömmlichen Pulverpressform kompaktiert. Zum Beispiel kann die Pressform eine Einplatz-Kompaktierpresse sein, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel verwendet. Alternativ dazu können auch Kompaktierpressformen des Ambosstyps verwendet werden, die nur eine Matrize und einen einzigen Unterstempel verwenden. Einplatz-Kompaktierpressformen sind in mehreren Grundtypen erhältlich, wie Nocken-, Kniehebel- und Exzenter- oder Kurbelpressen mit unterschiedlichen Fähigkeiten, wie einfach wirkend, doppelt wirkend, Schwebemantelmatrize, bewegliche Werkzeugaufspannplatte, Gegenstempel, Schnecke, Schlag, Heißpressen, Prägen oder Kalibrieren. Das Pulver kann um den Anodenanschluss (z. B. Tantaldraht) herum kompaktiert werden. Es sollte weiterhin anerkannt werden, dass der Anodenanschluss alternativ auch nach dem Pressen und/oder Sintern der Anode an der Anode befestigt (z. B. geschweißt) werden kann.
Nach der Kompression kann gegebenenfalls vorhandenes Bindemittel/Gleitmittel 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 (Eishop et al.) beschrieben ist, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Danach wird der Pressling unter Bildung einer porösen zusammenhängenden Masse gesintert. In einer Ausführungsform kann der Pressling zum Beispiel 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 gesintert werden. Nach dem Sintern schrumpft der Pressling aufgrund des Wachstums von Bindungen zwischen den Teilchen. Außer den oben beschriebenen Techniken kann auch jede andere Technik zur Bildung der Anode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie sie 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 genommen wird.
Unabhängig von der besonderen Art und Weise, wie sie gebildet wird, wird die Dicke der Anode gemäß der vorliegenden Erfindung so gewählt, dass die elektrische Leistungsfähigkeit des Kondensatorbauteils verbessert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Anode (in der -z-Richtung in 1) im Bereich von etwa 4 Millimeter oder weniger liegen, in einigen Ausführungsformen etwa 0,2 bis etwa 3 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 1 Millimeter. Eine solche relativ geringe Anodendicke (d. h. eine ”niedrige Bauhöhe”) hilft dabei, von dem Pulver mit der hohen spezifischen Kapazität erzeugte Wärme abzuleiten und auch für einen kürzeren Übermittlungsweg zu sorgen, um äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und Induktivität zu minimieren. Die Form der Anode kann ebenfalls 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 äquivalenten Serienwiderstand (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 Bezug genommen wird.
Die Anode kann anodisiert werden, so dass ein dielektrischer Film auf und innerhalb der porösen Anode entsteht. Anodisierung ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem das Anodenmetall oxidiert wird, so dass ein Material mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante entsteht. Zum Beispiel kann eine Tantalanode unter Bildung von Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden, das eine Dielektrizitätskonstante ”κ” von etwa 27 hat. Die Anode kann bei einer erhöhten Temperatur (z. B. etwa 85°C) in eine schwach saure Lösung (z. B. Phosphorsäure) eingetaucht werden, wobei eine kontrollierte Menge an Spannung und Stromstärke zugeführt wird, so dass eine Tantalpentoxidbeschichtung mit einer bestimmten Dicke entsteht. Die Stromversorgung wird anfangs auf einer konstanten Stromstärke gehalten, bis die erforderliche Bildungsspannung erreicht ist. Danach wird die Stromversorgung auf einer konstanten Spannung gehalten, um zu gewährleisten, dass die gewünschte dielektrische Qualität auf der Oberfläche des Tantalpresslings gebildet wird. Die Anodisierungsspannung liegt typischerweise im Bereich von etwa 5 bis etwa 200 Volt und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 100 Volt. Der dielektrische Oxidfilm wird nicht nur auf der Oberfläche der Anode gebildet, sondern ein Teil davon wird typischerweise auch auf den Oberflächen der Poren entstehen. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass der dielektrische Film auch aus anderen Arten von Materialien und unter Verwendung anderer Techniken gebildet werden kann.
Sobald der dielektrische Film 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 0,05 Ohm·cm haben, in einigen Ausführungsformen mehr als etwa 5, 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, Schellolsäure 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 die, 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. 6,674,435 (Fife et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Der anodisierte Teil wird danach einem Schritt zur Bildung von festen Elektrolyten unterzogen, die als wahre Kathode des Kondensators wirken. Der Elektrolyt kann durch pyrolytische Zersetzung von Mangan(II)nitrat (Mn(NO₃)₂) gebildet werden, wobei eine Mangandioxid(MnO₂)-Kathode entsteht. Solche Techniken sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,945,452 (Sturmer et al.) beschrieben, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Alternativ dazu kann auch eine leitfähige Polymerbeschichtung verwendet werden, um den festen Elektrolyten zu bilden. Die leitfähige Polymerbeschichtung kann ein oder mehrere leitfähige Polymere, wie Polypyrrole, Polythiophene, wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDT), Polyaniline, Polyacetylene, Poly-p-phenylene und Derivate davon, enthalten. Falls gewünscht, kann die leitfähige Polymerbeschichtung überdies auch aus mehreren leitfähigen Polymerschichten gebildet werden. Zum Beispiel kann die leitfähige Polymerbeschichtung 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 Ausführungsform können zum Beispiel die zur Bildung des leitfähigen Polymers verwendeten Monomere (z. B. 3,4-Ethylendioxythiophen) zunächst unter Bildung einer Lösung mit einem Polymerisationskatalysator gemischt werden. Ein geeigneter Polymerisationskatalysator ist zum Beispiel BAYTRON C, bei dem es sich um Eisen(III)toluolsulfonat und n-Butanol handelt und das von der Bayer Corporation vertrieben 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 der Bayer Corporation vertrieben wird. In den meisten Ausführungsformen wird das leitfähige Polymer, sobald es aufgetragen ist, erhitzt. Das Erhitzen kann nach jedem Auftragen einer leitfähigen Polymerschicht erfolgen, oder es kann nach der Auftragung der gesamten leitfähigen Polymerbeschichtung erfolgen. Obwohl oben verschiedene Verfahren beschrieben wurden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch jedes andere Verfahren zum Auftragen des Elektrolyten verwendet werden kann.
Sobald der feste Elektrolyt aufgetragen ist, kann dann eine Kohlenstoffbeschichtung (z. B. Graphit) bzw. eine Silberbeschichtung auf das Teil aufgetragen werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungskollektor für das Kondensatorelement wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten einschränken.
Sobald das Kondensatorelement an den Enden befestigt ist, wird es in einem Harzgehäuse eingeschlossen, das dann mit Siliciumoxid oder irgendeinem anderen bekannten Einbettungsmaterial gefüllt werden kann. Die Breite und Länge des Gehäuses kann je nach Verwendungszweck variieren. Die Gesamtdicke des Gehäuses ist jedoch typischerweise gering, so dass das resultierende Bauteil leicht in Produkte mit niedriger Bauhöhe (z. B. Chipkarten) eingebaut werden kann. Zum Beispiel kann die Dicke des Gehäuses im Bereich von etwa 4,0 Millimeter oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,1 bis etwa 2,5 Millimeter und in einigen Ausführungsformen etwa 0,15 bis etwa 2,0 Millimeter liegen. Zu den geeigneten Gehäusen gehören zum Beispiel etwa die Gehäuse ”A”, ”B”, ”F”, ”G”, ”H”, ”J”, ”K”, ”P”, ”R”, ”S”, ”T”, ”W”, ”Y” oder ”X” (AVX Corporation). In einer besonderen Ausführungsform ist das Gehäuse ein ”J”-Gehäuse. Nach der Einbettung können exponierte Teile der jeweiligen Anoden- und Kathodenenden altern gelassen, abgeschirmt und zurechtgeschnitten werden. Falls gewünscht, können die exponierten Teile gegebenenfalls zweimal entlang der Außenseite des Gehäuses gebogen werden (z. B. in einem Winkel von ungefähr 90°).
Aufgrund der Kontrolle der Schweißposition gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Beschädigung des Kondensators während des Laserschweißens minimiert werden. Dies ergibt einen Kondensator mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften. Zum Beispiel kann der Kondensator einen geringen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) aufweisen, was sich darauf bezieht, wie groß der in Reihe mit der Kapazität wirksame Widerstand des Kondensators ist, der das Laden und Entladen verzögert und Verluste im Stromkreis verursacht. Der ESR kann zum Beispiel kleiner als etwa 200 Milliohm sein, in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 100 Milliohm und in einigen Ausführungsformen kleiner als etwa 40 Milliohm, gemessen mit einer Vorspannung von 2 Volt und einem 1-Volt-Signal bei einer Frequenz von 100 kHz. Die Kapazität des Kondensators kann auch in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 4000 Mikrofarad liegen, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 2000 Mikrofarad, in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 1000 Mikrofarad, gemessen bei einer Frequenz von 120 Hz.
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
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Zitierte Patentliteratur

- US 6322912 [0029, 0031]
- US 6197252 [0031]
- US 4085435 [0031]
- US 4945452 [0031, 0035]
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- US 3345545 [0032]
- US 6674435 [0034]

Claims

Verfahren zur Bildung eines Elektrolytkondensators, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Positionieren eines Anodenanschlusses eines Elektrolytkondensatorelements neben einem Anodenende, wobei das Elektrolytkondensatorelement eine Anode, einen dielektrischen Film und einen Elektrolyten umfasst, wobei sich der Anodenanschluss ausgehend von einer Oberfläche der Anode nach außen erstreckt; Lenken eines Laserstrahls durch ein Brechungselement hindurch, so dass der Anodenanschluss mittels des Lasers an das Anodenende geschweißt wird, wobei das Brechungselement in einem Winkel von 0° bis etwa 45° relativ zu einer Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahls steht, ausgerichtet ist; elektrisches Verbinden des Kondensatorelements mit einem Kathodenende; und Einbetten des Kondensatorelements innerhalb eines Gehäuses, so dass wenigstens ein Teil des Anodenendes und des Kathodenendes exponiert bleiben.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Brechungselement Glas umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Brechungselement einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,0 hat.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Brechungselement eine planparallele Glasplatte ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Brechungselement eine Dicke von etwa 0,7 bis etwa 4 Millimeter hat.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Laserstrahl durch eine Linse tritt, bevor er durch das Brechungselement gelenkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Laserstrahl durch zwei oder mehr Brechungselemente gelenkt wird, von denen wenigstens eines in einem Winkel von 0° bis etwa 45° relativ zu einer Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahls steht, ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Anode Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ein Feststoff ist und Mangandioxid, ein leitfähiges Polymer oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Aufnehmen eines Bildes des Kondensatorelements vor dem Laserschweißen und das Übermitteln des Bildes an eine Bildverarbeitungseinheit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Bildverarbeitungseinheit elektrisch mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist, die so konfiguriert ist, dass sie die Ausrichtung des Beugungselements justieren kann.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Bild mit einer optoelektronischen Kamera aufgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Bild auf einer Position neben dem Anodenende aufgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Laserstrahl primär in -z-Richtung ausgerichtet ist und wobei weiterhin das Brechungselement um die -x-Achse, die -y-Achse oder beide herum ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine Dicke von etwa 0,2 Millimeter bis etwa 1,0 Millimeter hat.
System zur Befestigung eines Anodenendes an einem Elektrolytkondensatorelement, wobei das System Folgendes umfasst: ein Elektrolytkondensatorelement, das eine Anode, einen dielektrischen Film und einen Elektrolyten umfasst, wobei sich der Anodenanschluss ausgehend von einer Oberfläche der Anode nach außen erstreckt; ein Anodenende; und eine Laserschweißvorrichtung zum elektrischen Verbinden des Anodenendes mit dem Anodenanschluss, wobei die Laserschweißvorrichtung einen Laserstrahlgenerator zur Erzeugung eines Laserstrahls und ein Brechungselement umfasst, wobei das Brechungselement in einem Winkel von 0° bis etwa 45° relativ zu einer Achse, die senkrecht zur Richtung des Strahls steht, ausgerichtet ist.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Brechungselement Glas umfasst.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Brechungselement einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,0 hat.
System gemäß Anspruch 16, wobei die Laservorrichtung weiterhin eine Linse umfasst, durch die der Laserstrahl vor dem Brechungselement hindurchtritt.
System gemäß Anspruch 16, wobei die Laservorrichtung zwei oder mehr Brechungselemente umfasst.
System gemäß Anspruch 16, wobei die Anode Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon umfasst.
System gemäß Anspruch 16, das weiterhin eine Kamera zum Aufnehmen eines Bildes des Kondensators vor dem Laserschweißen, während des Laserschweißens oder beides umfasst.
System gemäß Anspruch 22, wobei sich die Kamera in elektrischer Verbindung mit einer Bildverarbeitungseinheit befindet.
System gemäß Anspruch 23, wobei die Bildverarbeitungseinheit elektrisch mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist, die so konfiguriert ist, dass sie die Ausrichtung des Beugungselements justieren kann.
System gemäß Anspruch 24, wobei die Antriebsvorrichtung einen Servomotor, Galvomotor oder eine Kombination davon umfasst.