DE102016202779A1

DE102016202779A1 - Multianodenbaugruppe mit niedrigem Profil

Info

Publication number: DE102016202779A1
Application number: DE102016202779.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Petrzilek; Jiri Navratil; Martin Biler
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2016-09-15
Also published as: JP2016171325A; JP6881894B2; US20160268049A1; JP2021093544A; CN105977036B; US10014108B2; CN105977036A

Abstract

Eine Kondensatorbaugruppe, die so konfiguriert ist, dass Wärme effektiv abgeleitet wird, wenn sie einem hohen Rippelstrom ausgesetzt ist, wird bereitgestellt. Die Baugruppe umfasst eine Vielzahl von Kondensatorelementen, die jeweils einen Anodenkörper und einen Anschluss, eine dielektrische Schicht, die den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten umfassen. Jedes Kondensatorelement ist durch eine obere und untere Hauptfläche, erste entgegengesetzte Nebenflächen und zweite entgegengesetzte Nebenflächen definiert. Die Hauptflächen haben jeweils einen Flächeninhalt, der größer ist als der Flächeninhalt jeder der entgegengesetzten Nebenflächen. Ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe definiert einen inneren Hohlraum, innerhalb dessen sich die Vielzahl von Kondensatorelementen befinden. Das Verhältnis der Länge zur Höhe liegt im Bereich von etwa 2 bis etwa 80. Weiterhin ist die untere Hauptfläche jedes Kondensatorelements einer unteren Wand des Gehäuses zugewandt, wobei die untere Wand durch die Länge und die Breite des Gehäuses definiert ist.

Description

Verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Seriennummer 14/657,194, eingereicht am 13. März 2015, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Viele spezifische Aspekte der Kondensatorbauweise standen im Mittelpunkt zur Verbesserung der Leistungsmerkmale von Kondensatoren, die in elektronischen Schaltungen in extremen Umgebungen verwendet werden, wie Autoanwendungen einschließlich zum Beispiel Antiblockierbremssysteme, Motorsysteme, Airbags, Bordunterhaltungssysteme usw. Festelektrolytkondensatoren (z. B. Tantalkondensatoren) haben hauptsächlich zur Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen beigetragen und ermöglichten die Anwendung solcher Schaltungen in extremen Umgebungen. Herkömmliche Festelektrolytkondensatoren können dadurch gebildet werden, dass man ein Metallpulver (z. B. Tantal) um einen Metallanschlussdraht herum presst, das gepresste Teil sintert, die gesinterte Anode anodisiert und danach einen festen Elektrolyten aufträgt, um ein Kondensatorelement zu bilden. In Autoanwendungen kann es sein, dass eine Kondensatorbaugruppe eine hohe Kapazität (z. B. etwa 100 Mikrofarad bis etwa 500 Mikrofarad) aufweisen, bei hohen Spannungen (z. B. etwa 50 Volt bis etwa 150 Volt) arbeiten und die Einwirkung hoher Temperaturen (z. B. etwa 100°C bis etwa 150°C) und hoher Rippelströme (z. B. etwa 25 Ampère bis etwa 100 Ampère) aushalten muss. Da die Einwirkung eines hohen Rippelstroms auf die Kondensatorbaugruppe zu hohen Temperaturen innerhalb der Kondensatorbaugruppe führen kann, kann die Kondensatorbaugruppe beschädigt und ihre Zuverlässigkeit reduziert werden, wenn sie Wärme nicht ausreichend ableiten kann. Dieses Problem wird noch verstärkt, wenn mehrere Kondensatorelemente verwendet werden, um eine Kondensatorbaugruppe mit einer ausreichend hohen Kapazität zu bilden. Daher wurden Versuche unternommen, um den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von Kondensatorbaugruppen, die mehrere Kondensatorelemente umfassen, zu senken, da ein reduzierter ESR der mit der Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe einhergeht, Wärme, die entsteht, wenn die Kondensatorbaugruppe hohen Rippelströmen ausgesetzt ist, abzuleiten.
Dennoch besteht zurzeit ein Bedürfnis nach einer Kondensatorbaugruppe, die verbesserte ESR- und Wärmeableitungsfähigkeiten aufweist, wenn sie Umgebungen mit hohem Rippelstrom ausgesetzt ist, und die auch bei hohen Temperaturen und Spannungen zuverlässig arbeiten kann, insbesondere wenn die Kondensatorbaugruppe mehrere Kondensatorelemente umfasst.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kondensatorbaugruppe offenbart. Die Kondensatorbaugruppe umfasst eine Vielzahl von Kondensatorelementen, die jeweils einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, enthalten. Von jedem Kondensatorelement ausgehend erstreckt sich ein Anodenanschlussdraht, und jedes Kondensatorelement ist durch eine obere und untere Hauptfläche, erste entgegengesetzte Nebenflächen und zweite entgegengesetzte Nebenflächen definiert. Die obere und die untere Hauptfläche haben jeweils einen Flächeninhalt, der größer ist als der Flächeninhalt jeder der entgegengesetzten Nebenflächen.
Die Kondensatorbaugruppe umfasst auch ein Gehäuse mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe, wobei das Verhältnis der Länge zur Höhe im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 liegt. Das Gehäuse ist hermetisch abgedichtet und definiert einen inneren Hohlraum. Die Vielzahl von Kondensatorelementen befinden sich innerhalb des inneren Hohlraums, wobei die untere Hauptfläche jedes Kondensatorelements einer unteren Wand des Gehäuses zugewandt ist, wobei weiterhin die untere Wand durch die Länge und die Breite des Gehäuses definiert ist.
Die Kondensatorbaugruppe umfasst weiterhin ein äußeres Anoden-Endteil, das sich in elektrischer Verbindung mit dem Anodenanschluss jedes Kondensatorelements befindet, und ein äußeres Kathoden-Endteil, das sich in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten jedes Kondensatorelements befindet.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden ausführlicher dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Rest der Beschreibung, wo auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird, ist eine an den Fachmann gerichtete vollständige und nacharbeitbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer besten Realisierung gezeigt; dabei sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht von unten auf eine andere Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht eines aus der Vielzahl von Kondensatorelementen, das in der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung;
7 eine Ansicht von unten auf eine Ausführungsform des Gehäuses der Kondensatorbaugruppe der 4 bis 5, die die externen Anoden- und Kathoden-Endteile zeigt;
8 eine Ansicht von unten auf eine Ausführungsform des Gehäuses der Kondensatorbaugruppe von 6, die die externen Anoden- und Kathoden-Endteile zeigt; und
9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, wobei der Deckel entfernt wurde, um ein optionales Einbettungsmaterial zu zeigen, das wenigstens einen Teil der Kondensatorelemente innerhalb des Gehäuses einbettet.
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, wobei diese breiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verkörpert sind.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kondensatorbaugruppe mit niedrigem Profil, die ein Gehäuse umfasst, in dem eine Vielzahl von Kondensatorelementen zur Verwendung unter extremen Bedingungen enthalten sind, wobei die Kondensatorbaugruppe Rippelströme von bis zu 100 Ampère und Temperaturen von 100°C oder mehr aushalten und in Hochspannungsumgebungen, wie Nennspannungen von etwa 50 Volt oder mehr, verwendet werden kann. Die Kondensatorbaugruppe hat insofern ein niedriges Profil, als das Verhältnis der Länge des Gehäuses zur Höhe des Gehäuses im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 liegt. Um dazu beizutragen, unter den oben genannten Bedingungen eine gute Leistung zu erreichen, werden in der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Aspekten der Kondensatorbaugruppe einschließlich der Anzahl von Kondensatorelementen, der Art und Weise, wie die Kondensatorelemente angeordnet und in die Baugruppe eingearbeitet sind, und der Art und Weise, wie die Kondensatorelemente gebildet werden, gesteuert. Um zum Beispiel dazu beizutragen, den ESR der Baugruppe zu reduzieren, so dass die Baugruppe verbesserte Wärmeableitungsfähigkeiten aufweist, während die Gesamtkapazität erhöht wird, können die Kondensatorelemente elektrisch parallel geschaltet sein. Um weiterhin dazu beizutragen, die Wärmeableitung der Baugruppe zu verbessern, sind die Vielzahl von Kondensatorelementen innerhalb eines Gehäuses so angeordnet, dass der Oberflächenkontakt zwischen den Kondensatorelementen und dem Gehäuse maximiert wird, wie etwa an ihrer unteren Wand, die durch ihre Länge und Breite definiert ist, was dazu führen kann, dass das Verhältnis des Gesamtflächeninhalts der Hauptfläche der Kondensatorelemente in Kontakt mit dem Gehäuse zu dem Volumen des Gehäuses im Bereich von etwa 0,06 mm^–1 bis etwa 0,3 mm^–1 liegt. Außer dass sie innerhalb des Gehäuses in einer bestimmten Weise elektrisch verbunden und angeordnet sind, wie in einer besonderen Ausführungsform parallel geschaltet sind, sind die Kondensatorelemente auch innerhalb des Gehäuses eingeschlossen und hermetisch abgedichtet, um die Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit, die dem festen Elektrolyten des Kondensatorelements zugeführt wird, zu begrenzen. Die Begrenzung der Menge an Sauerstoff und Feuchtigkeit, die dem festen Elektrolyten zugeführt wird, kann dazu beitragen, den ESR der Kondensatorbaugruppe weiter zu reduzieren, was zu erhöhten Wärmeableitungsfähigkeiten führt.
Es werden jetzt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung ausführlicher beschrieben.
I. Kondensatorelemente
A. Anode
Die Anode jedes der Kondensatorelemente ist im Allgemeinen aus einem Ventilmetallpulver gebildet. Das Pulver kann eine spezifische Ladung von etwa 2000 Mikrofarad mal Volt pro Gramm (”μF·V/g”) bis etwa 500000 μF·V/g aufweisen. Wie in der Technik bekannt ist, kann die spezifische Ladung dadurch bestimmt werden, dass man die Kapazität mit der eingesetzten Anodisierungsspannung multipliziert und dann dieses Produkt durch das Gewicht des Elektrodenkörpers vor der Anodisierung dividiert. In bestimmten Ausführungsformen kann das Pulver eine hohe spezifische Ladung aufweisen, wie etwa 70000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 80000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 90000 μF·V/g oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 100000 bis etwa 400000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 150000 bis etwa 350000 μF·V/g. Selbstverständlich kann das Pulver auch eine geringe spezifische Ladung aufweisen, wie etwa 70000 μF·V/g oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 60000 μF·V/g oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 50000 μF·V/g oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 40000 μF·V/g und in einigen Ausführungsformen etwa 5000 bis etwa 35000 μF·V/g.
Das Pulver kann einzelne Teilchen und/oder Agglomerate solcher Teilchen enthalten. Zu den Verbindungen zur Bildung des Pulvers gehören ein Ventilmetall (d. h. ein Metall, das zur Oxidation befähigt ist) oder eine auf einem Ventilmetall basierende Verbindung, 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 Nioboxid mit einem Atomverhältnis von Niob 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. Zum Beispiel kann es sich bei dem Nioboxid um NbO_0,7, NbO_1,0, NbO_1,1 und NbO₂ handeln. 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 den US-Patentanmeldungen Veröffentlichungsnummer 2005/0019581 (Schnitter), 2005/0103638 (Schnitter et al.), 2005/0013765 (Thomas et al.) beschrieben.
Das Pulver kann mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Techniken gebildet werden. Ein Vorläufer-Tantalpulver kann zum Beispiel gebildet werden, indem man ein Tantalsalz (z. B. Kaliumfluorotantalat (K₂TaF₇), Natriumfluorotantalat (Na₂TaF₇), Tantalpentachlorid (TaCl₅) usw.) mit einem Reduktionsmittel (z. B. Wasserstoff, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium usw.) reduziert. Solche Pulver können in vielerlei Weise agglomeriert werden, wie etwa durch einen oder mehrere Wärmebehandlungsschritte bei einer Temperatur von etwa 700°C bis etwa 1400°C, in einigen Ausführungsformen etwa 750°C bis etwa 1200°C und in einigen Ausführungsformen etwa 800°C bis etwa 1100°C. Die Wärmebehandlung kann in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erfolgen. Zum Beispiel kann die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre erfolgen, die Wasserstoff oder eine wasserstofffreisetzende Verbindung (z. B. Ammoniumchlorid, Calciumhydrid, Magnesiumhydrid usw.) enthält, um das Pulver partiell zu sintern und den Gehalt an Verunreinigungen (z. B. Fluor) zu senken. Falls gewünscht, kann die Agglomeration auch in Gegenwart eines Gettermaterials, wie Magnesium, durchgeführt werden. Nach der Wärmebehandlung können die hochreaktiven groben Agglomerate durch allmählichen Luftzutritt passiviert werden. Weitere geeignete Agglomerationstechniken sind auch in den US-Patenten Nr. 6,576,038 (Rao), 6,238,456 (Wolf et al.), 5,954,856 (Pathare et al.), 5,082,491 (Rerat), 4,555,268 (Getz), 4,483,819 (Albrecht et al.), 4,441,927 (Getz et al.) und 4,017,302 (Bates et al.) beschrieben.
Um den Aufbau des Anodenkörpers zu erleichtern, können auch bestimmte Komponenten in das Pulver mit aufgenommen werden. Zum Beispiel kann das Pulver gegebenenfalls mit einem Bindemittel und/oder Gleitmittel gemischt werden, um zu gewährleisten, dass die Teilchen ausreichend aneinander haften, wenn sie unter Bildung des Anodenkörpers verpresst werden. Zu den geeigneten Bindemitteln gehören zum Beispiel Polyvinylbutyral, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Cellulosepolymere, wie Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Polyethylenglycol (z. B. Carbowax von Dow Chemical Co.), Polystyrol, Poly(butadien/styrol); Polyamide, Polyimide und Polyacrylamide, hochmolekulare Polyether; Copolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; Fluorpolymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Fluorolefin-Copolymere, Acrylpolymere, wie Natriumpolyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und Copolymere von Niederalkylacrylaten und -methacrylaten; sowie Fettsäuren und Wachse, wie Stearin- und andere Seifenfettsäuren, Pflanzenwachs, Mikrowachse (gereinigte Paraffine) usw. Das Bindemittel kann in einem Lösungsmittel gelöst und dispergiert werden. Beispielhafte Lösungsmittel sind etwa Wasser, Alkohole usw. Wenn sie verwendet werden, kann der Prozentsatz der Bindemittel und/oder Gleitmittel von etwa 0,1 bis etwa 8 Gew.-% der Gesamtmasse variieren. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass Bindemittel und/oder Gleitmittel in der vorliegenden Erfindung nicht zwingend erforderlich sind.
Das resultierende Pulver kann mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Pulverpressvorrichtung unter Bildung eines Presslings kompaktiert werden. Zum Beispiel kann eine Pressform eingesetzt werden, bei der es sich um eine Einplatz-Kompaktierpresse handelt, die eine Matrize und einen oder mehrere Stempel enthält. 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 einen Anodenanschluss (z. B. Tantaldraht) herum kompaktiert werden. Es sollte weiterhin anerkannt werden, dass der Anodenanschluss alternativ auch nach dem Pressen und/oder Sintern des Anodenkörpers an dem Anodenkörper befestigt (z. B. daran geschweißt) werden kann.
Nach der Kompaktierung 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 (Bishop et al.) beschrieben ist. Danach wird der Pressling unter Bildung einer porösen zusammenhängenden 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 etwa 1500°C bis etwa 1800°C im Vakuum oder einer inerten Atmosphäre gesintert werden. Nach dem Sintern schrumpft der Pressling aufgrund des Wachstums von Bindungen zwischen den Teilchen. Die Dichte des Presslings im gepressten Zustand nach dem Sintern kann variieren, beträgt jedoch typischerweise etwa 2,0 bis etwa 7,0 Gramm pro Kubikzentimeter, in einigen Ausführungsformen etwa 2,5 bis etwa 6,5 und in einigen Ausführungsformen etwa 3,0 bis etwa 6,0 Gramm pro Kubikzentimeter. Die Dichte im gepressten Zustand wird bestimmt, indem man die Menge des Materials durch das Volumen des Presslings dividiert.
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann die Dicke des Anodenkörpers 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.
Es kann auch ein Anodenanschluss mit dem Anodenkörper, der sich davon ausgehend in einer Längsrichtung erstreckt, verbunden sein. Der Anodenanschluss kann in Form eines Drahtes, Bleches usw. vorliegen und kann aus einer Ventilmetallverbindung, wie Tantal, Niob, Nioboxid usw., bestehen. Die Befestigung des Anschlusses kann mit Hilfe von bekannten Techniken erfolgen, wie etwa durch Schweißen des Anschlusses an den Körper oder Einbetten innerhalb des Anodenkörpers während der Bildung (z. B. vor der Kompaktierung und/oder dem Sintern).
B. Dielektrikum
Ein Dielektrikum bedeckt oder beschichtet ebenfalls den Anodenkörper von jedem der Kondensatorelemente in der Kondensatorbaugruppe. Das Dielektrikum kann dadurch gebildet werden, dass man die gesinterte Anode anodisch oxidiert (”anodisiert”), so dass auf und/oder innerhalb des Anodenkörpers eine dielektrische Schicht entsteht. Zum Beispiel kann ein Anodenkörper aus Tantal (Ta) zu Tantalpentoxid (Ta₂O₅) anodisiert werden. Typischerweise wird die Anodisierung durchgeführt, indem man zunächst eine Lösung auf den Anodenkörper aufträgt, etwa durch Eintauchen des Anodenkörpers in den Elektrolyten. Im allgemeinen wird ein Lösungsmittel eingesetzt, wie Wasser (z. B. entionisiertes Wasser). Um die Ionenleitfähigkeit zu verstärken, kann eine Verbindung eingesetzt werden, die in dem Lösungsmittel unter Bildung von Ionen dissoziieren kann. Beispiele für solche Verbindungen sind zum Beispiel Säuren, wie sie im Folgenden in Bezug auf den Elektrolyten beschrieben sind. 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.-% der Anodisierungslösung ausmachen. Falls gewünscht, können auch Gemische von Säuren eingesetzt werden.
Ein Strom wird durch die Anodisierungslösung geleitet, um die dielektrische Schicht zu bilden. Der Wert der Bildungsspannung bewirkt die 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 gesamten Oberfläche des Anodenkörpers gebildet wird. Selbstverständlich können auch andere bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie potentiostatische Impuls- oder Schrittverfahren. Die Spannung bei der die anodische Oxidation auftritt liegt typischerweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 400 V und in einigen Ausführungsformen etwa 9 bis etwa 200 V und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 150 V. Während der Oxidation kann die Anodisierungslösung 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 des Anodenkörpers und innerhalb seiner Poren gebildet werden.
C. Fester Elektrolyt
Wie bereits erwähnt, bedeckt ein fester Elektrolyt das Dielektrikum, welches im Allgemeinen als Kathode für den Kondensator fungiert. In einigen Ausführungsformen kann der feste Elektrolyt ein Mangandioxid umfassen. Wenn der feste Elektrolyt Mangandioxid umfasst, kann der feste Mangandioxid-Elektrolyt 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.
In anderen Ausführungsformen enthält der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer, das typischerweise π-konjugiert ist und nach Oxidation oder Reduktion eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 1 μS/cm. Beispiele für solche π-konjugierten leitfähigen Polymere sind zum Beispiel Polyheterocyclen (z. B. Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline usw.), Polyacetylene, Poly-p-phenylene, Polyphenolate usw. In einer Ausführungsform ist das Polymer z. B. ein substituiertes Polythiophen mit der folgenden allgemeinen Struktur:
wobei
T = O oder S ist;
D ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₅-Alkylenrest (z. B. Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen, n-Pentylen usw.) ist;
R₇ Folgendes ist: ein linearer oder verzweigter, gegebenenfalls substituierter C₁ bis C₁₈-Alkylrest (z. B. Methyl, Ethyl, n-Propyl oder Isopropyl, 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.); ein gegebenenfalls substituierter C₅- bis C₁₂-Cycloalkylrest (z. B. Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw.); ein gegebenenfalls substituierter C₆- bis C₁₄-Arylrest (z. B. Phenyl, Naphthyl usw.); ein 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.); ein gegebenenfalls substituierter C₁- bis C₄-Hydroxyalkylrest oder ein Hydroxyrest; und
q eine ganze Zahl von 0 bis 8, in einigen Ausführungsformen 0 bis 2 und in einer Ausführungsform 0 ist; und
n = 2 bis 5000, in einigen Ausführungsformen 4 bis 2000 und in einigen Ausführungsformen 5 bis 1000 ist. Beispiele für Substituenten für die Reste ”D” oder ”R₇” 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.
Besonders gut geeignete Thiophenpolymere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel kann das Polymer gegebenenfalls substituiertes Poly(3,4-ethylendioxythiophen) sein, das die folgende allgemeine Struktur hat:
Verfahren zur Bildung von leitfähigen Polymeren wie den oben beschriebenen sind in der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 6,987,663 (Merker et al.), verschiedene Techniken zur Bildung von substituierten Polythiophenen aus einem monomeren Vorläufer. Der monomere Vorläufer kann zum Beispiel die folgende Struktur haben:
wobei
T, D, R₇ und q wie oben definiert sind. Besonders gut geeignete Thiophenmonomere sind solche, bei denen ”D” ein gegebenenfalls substituierter C₂- bis C₃-Alkylenrest ist. Zum Beispiel können gegebenenfalls substituierte 3,4-Alkylendioxythiophene eingesetzt werden, die die folgende allgemeine Struktur haben:
wobei R₇ und q wie oben definiert sind. In einer besonderen Ausführungsform ist ”q” = 0. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für 3,4-Ethylendioxythiophen ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM M erhältlich. Weitere geeignete Monomere sind auch im US-Patent Nr. 5,111,327 (Blohm et al.) und 6,635,729 (Groenendahl et al.) beschrieben. Derivate dieser Monomere, die zum Beispiel Dimere oder Trimere der obigen Monomere sind, können ebenfalls eingesetzt werden. 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.
Verschiedene Verfahren können verwendet werden, um die leitfähige Polymerschicht zu bilden. Zum Beispiel kann eine in-situ-polymerisierte Schicht gebildet werden, indem man Monomere in Gegenwart eines oxidativen Katalysators chemisch polymerisiert. Der oxidative Katalysator umfasst typischerweise ein Übergangsmetallkation, wie Eisen(III)-, Kupfer(II)-, Chrom(VI)-, Cer(IV)-, Mangan(IV)-, Mangan(VII)-, Ruthenium(III)-Kation usw. Es kann auch ein Dotierungsmittel 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 oxidative Katalysator insofern sowohl eine katalytische als auch eine dotierende Funktionalität auf, als er ein Kation (z. B. Übergangsmetall) und ein Anion (z. B. Sulfonsäure) enthält. Der oxidative Katalysator kann zum Beispiel ein Übergangsmetallsalz sein, das Eisen(III)-Kationen enthält, 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 organischer Säuren und anorganischer Säuren, die organische Reste umfassen. Beispiele für Eisen(III)-Salze von anorganischen Säuren mit organischen Resten sind zum Beispiel Eisen(III)-Salze von Schwefelsäuremonoestern 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 Perfluorsulfonsäuren (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 besonders gut geeignet. Ein kommerziell geeignetes Beispiel für Eisen(III)-p-toluolsulfonat ist von der Heraeus Clevios unter der Bezeichnung Clevios^TM C erhältlich.
Der oxidative Katalysator und das Monomer können entweder nacheinander oder zusammen aufgetragen werden, um die Polymerisationsreaktion einzuleiten. Zu den geeigneten Auftragstechniken gehören Siebdruck, Tauchbeschichtung, elektrophoretische Beschichtung und Sprühbeschichtung. Als Beispiel kann das Monomer zunächst unter Bildung einer Vorläuferlösung mit dem oxidativen Katalysator gemischt werden. Sobald das Gemisch gebildet ist, kann es auf den Anodenteil 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. Das Anodenteil kann dann getrocknet werden, um das Lösungsmittel davon zu entfernen. Danach kann das Teil in eine Lösung, die das Monomer enthält, eingetaucht werden. Unabhängig davon wird die Polymerisation typischerweise bei Temperaturen von etwa –10°C bis etwa 250°C und in einigen Ausführungsformen etwa 0°C bis etwa 200°C durchgeführt, abhängig von dem verwendeten Oxidationsmittel und der gewünschten Reaktionszeit. Geeignete Polymerisationstechniken, wie sie oben beschrieben sind, sind ausführlicher in US-Patent Nr. 7,515,396 (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.
Außer der in-situ-Auftragung kann der feste Elektrolyt in Form des leitfähigen Polymers auch in Form einer Dispersion von leitfähigen Polymerteilchen aufgetragen werden. Ein Vorteil der Verwendung einer Dispersion besteht darin, dass dies die Anwesenheit von während der in-situ-Polymerisation erzeugten ionischen Spezies (z. B. Fe²⁺ oder Fe³⁺) minimieren kann, was unter einem hohen elektrischen Feld einen dielektrischen Durchschlag aufgrund von Ionenwanderung verursachen kann. Indem man also das leitfähige Polymer als Dispersion und nicht durch in-situ-Polymerisation aufträgt, kann der resultierende Kondensator eine relativ hohe ”Durchschlagsspannung” aufweisen. Um eine gute Imprägnierung des Anodenkörpers zu ermöglichen, haben die in der Dispersion eingesetzten Teilchen typischerweise eine geringe Größe, wie eine mittlere Größe (z. B. Durchmesser) von etwa 1 bis etwa 150 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 bis etwa 50 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 40 Nanometer. Der Durchmesser der Teilchen kann mit Hilfe bekannter Techniken, wie mittels Ultrazentrifuge, Laserbeugung usw., bestimmt werden. Die Form der Teilchen kann ebenfalls variieren. In einer besonderen Ausführungsform haben die Teilchen zum Beispiel eine sphärische Form. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in der vorliegenden Erfindung auch andere Formen in Betracht gezogen werden, wie Platten, Stäbe, Scheiben, Blöcke, Röhrchen, unregelmäßige Formen usw. Die Konzentration der Teilchen in der Dispersion kann je nach der gewünschten Viskosität der Dispersion und der besonderen Art und Weise, wie die Dispersion auf den Kondensator aufgetragen werden soll, variieren. Typischerweise jedoch machen die Teilchen etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 0,4 bis etwa 5 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 0,5 bis etwa 4 Gew.-% der Dispersion aus.
Die Dispersion enthält im Allgemeinen auch ein Gegenion, das die Stabilität der Teilchen verstärkt. Das heißt, das leitfähige Polymer (z. B. Polythiophen oder ein Derivat davon) trägt typischerweise eine Ladung auf der Hauptpolymerkette, die neutral oder positiv (kationisch) ist. Polythiophen-Derivate tragen zum Beispiel typischerweise eine positive Ladung in der Hauptpolymerkette. 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, das die Ladung des leitfähigen Polymers neutralisiert. 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-Alkansulfonsäuren (z. B. Dodecansulfonsäure); aliphatischen Perfluorsulfonsäuren (z. B. Trifluormethansulfonsäure, Perfluorbutansulfonsäure oder Perfluoroctansulfonsäure); 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-Toluolsulfonsäure, 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 2000000 und in einigen Ausführungsformen etwa 2000 bis etwa 500000.
Wenn sie eingesetzt werden, beträgt das Gewichtsverhältnis solcher Gegenionen zu leitfähigen Polymeren in der Dispersion und in der resultierenden 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 der elektrisch leitfähigen Polymere, 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. Neben leitfähigen Polymeren und Gegenionen kann die Dispersion auch ein oder mehrere Bindemittel, Dispersionsmittel, Füllstoffe, Kleber, Vernetzungsmittel usw. enthalten.
Die polymere Dispersion kann mit Hilfe einer Vielzahl von bekannten Techniken auf den Teil aufgetragen werden, wie durch Schleuderbeschichtung, Imprägnierung, Gießen, tropfenweise Auftragung, Spritzen, Sprühen, Rakeln, Bürsten oder Drucken (z. B. Tintenstrahl-, Sieb- oder Blockdruck), oder Tauchen. Obwohl sie je nach der eingesetzten Auftragungstechnik variieren kann, beträgt die Viskosität der Dispersion typischerweise etwa 0,1 bis etwa 100000 mPa·s (gemessen bei einer Scherrate von 100 s^–1), in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 10000 mPa·s in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 1500 mPa·s und in einigen Ausführungsformen etwa 100 bis etwa 1000 mPa·s. Einmal aufgetragen, kann die Schicht getrocknet und/oder gewaschen werden. Eine oder mehrere zusätzliche Schichten können ebenfalls in dieser Weise gebildet werden, um die gewünschte Dicke zu erreichen. Typischerweise beträgt die Gesamtdicke der durch die Partikeldispersion gebildeten Schichten etwa 1 bis etwa 50 μm und in einigen Ausführungsformen etwa 5 bis etwa 20 μm. Das Gewichtsverhältnis von Gegenionen zu leitfähigen Polymeren beträgt ebenso 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.
Falls gewünscht, kann der feste Elektrolyt auch ein hydroxyfunktionelles nichtionisches Polymer enthalten. Der Ausdruck ”hydroxyfunktionell” bedeutet im Allgemeinen, dass die Verbindung wenigstens eine hydroxyfunktionelle Gruppe enthält oder eine solche funktionelle Gruppe in Gegenwart eines Lösungsmittels besitzen kann. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glauben wir, dass hydroxyfunktionelle nichtionische Polymere den Grad des Kontakts zwischen dem leitfähigen Polymer und der Oberfläche des internen Dielektrikums, die infolge höherer Formierungsspannungen typischerweise relativ glatt ist, verbessern können. Dadurch werden unerwarteterweise die Durchschlagspannung und die Nass-zu-Trocken-Kapazität des resultierenden Kondensators erhöht. Weiterhin glauben wir, dass die Verwendung eines hydroxyfunktionellen Polymers mit einem bestimmten Molekulargewicht auch die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Zersetzung bei hohen Spannungen minimieren kann. Zum Beispiel kann das Molekulargewicht des hydroxyfunktionellen Polymers etwa 100 bis 10000 Gramm pro Mol, in einigen Ausführungsformen etwa 200 bis 2000, in einigen Ausführungsformen etwa 300 bis etwa 1200 und in einigen Ausführungsformen etwa 400 bis etwa 800 betragen.
Zu diesem Zweck können im Allgemeinen eine Vielzahl von hydroxyfunktionellen nichtionischen Polymeren eingesetzt werden. In einer Ausführungsform ist das hydroxyfunktionelle Polymer zum Beispiel ein Polyalkylenether. Polyalkylenether können Polyalkylenglycole (z. B. Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polytetramethylenglycole, Polyepichlorhydrine usw.), Polyoxetane, Polyphenylenether, Polyetherketone usw. umfassen. Polyalkylenether sind typischerweise vorwiegend lineare, nichtionische Polymere mit terminalen Hydroxygruppen. Besonders gut geeignet sind Polyethylenglycole, Polypropylenglycole und Polytetramethylenglycole (Polytetrahydrofurane), die durch Polyaddition von Ethylenoxid, Propylenoxid oder Tetrahydrofuran an Wasser hergestellt werden. Die Polyalkylenether können durch Polykondensationsreaktionen aus Diolen oder Polyolen hergestellt werden. Die Diolkomponente kann insbesondere aus gesättigten oder ungesättigten, verzweigten oder unverzweigten, aliphatischen Dihydroxyverbindungen, die 5 bis 36 Kohlenstoffatome enthalten, oder aromatischen Dihydroxyverbindungen, wie zum Beispiel Pentan-1,5-diol, Hexan-1,6-diol, Neopentylglycol, Bis(hydroxymethyl)cyclohexanen, Bisphenol A, Dimerdiolen, hydrierten Dimerdiolen oder auch Gemischen der genannten Diole ausgewählt sein. Außerdem können in der Polymerisationsreaktion auch mehrwertige Alkohole, einschließlich zum Beispiel Glycerin, Di- und Polyglycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit oder Sorbit, verwendet werden.
Neben den oben genannten können in der vorliegenden Erfindung auch andere hydroxyfunktionelle nichtionische Polymere eingesetzt werden. Einige Beispiele für solche Polymere sind zum Beispiel ethoxylierte Alkylphenole, ethoxylierte oder propoxylierte C₆-C₂₄-Fettalkohole, Polyoxyethylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. Octaethylenglycolmonododecylether und Pentaethylenglycolmonododecylether); Polyoxypropylenglycolalkylether mit der allgemeinen Formel CH₃-(CH₂)_10-16-(O-C₃H₆)_1-25-OH; Polyoxyethylenglycoloctylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₈H₁₇-(C₆H₄)-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. TritonTM X-100); Polyoxyethylenglycolalkylphenolether mit der folgenden allgemeinen Formel: C₉H₁₉-(C₆H₄)-(O-C₂H₄)_1-25-OH (z. B. Nonoxynol-9); Polyoxyethylenglycolester von C₈-C₂₄-Fettsäuren, wie Polyoxyethylenglycolsorbitanalkylester (z. B. Polyoxyethylen(20)sorbitanmonolaurat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonopalmitat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonostearat, Polyoxyethylen(20)sorbitanmonooleat, PEG-20-Methylglucosedistearat, PEG-20-Methylglucosesesquistearat, PEG-80-Ricinusöl und PEG-20-Ricinusöl, PEG-3-Ricinusöl, PEG-600-dioleat und PEG-400-dioleat) und Polyoxyethylenglycerinalkylester (z. B. Polyoxyethylen-23-glycerinlaurat und Polyoxyethylen-20-glycerinstearat); Polyoxyethylenglycolether von C₈-C₂₄-Fettsäuren (z. B. Polyoxyethylen-10-cetylether, Polyoxyethylen-10-stearylether, Polyoxyethylen-20-cetylether, Polyoxyethylen-10-oleylether, Polyoxyethylen-20-oleylether, Polyoxyethylen-20-isohexadecylether, Polyoxyethylen-15-tridecylether und Polyoxyethylen-6-tridecylether); Blockcopolymere von Polyethylenglycol und Polypropylenglycol (z. B. Poloxamere) usw. sowie Gemische davon.
Das hydroxyfunktionelle nichtionische Polymer kann auf vielerlei verschiedenen Wegen in den festen Elektrolyten eingebaut werden. In bestimmten Ausführungsformen zum Beispiel kann das nichtionische Polymer einfach in beliebige leitfähige Polymerschichten eingebaut werden, die durch das oben beschriebene Verfahren (z. B. in-situ-Polymerisation oder Dispersion vorpolymerisierter Teilchen) gebildet werden. In anderen Ausführungsformen jedoch kann das nichtionische Polymer aufgetragen werden, nachdem die erste bzw. die ersten Polymerschichten gebildet sind.
D. Externe Polymerbeschichtung
Obwohl es nicht erforderlich ist, kann eine externe Polymerbeschichtung auf den Anodenkörper aufgetragen werden und den festen Elektrolyten jedes der Kondensatorelemente in der Kondensatorbaugruppe bedecken. Die externe Polymerbeschichtung enthält im Allgemeinen eine oder mehrere Schichten, die aus einer Dispersion von vorpolymerisierten leitfähigen Teilchen gebildet sind, wie es oben ausführlicher beschrieben ist. Die externe Beschichtung kann in der Lage sein, weiter in den Randbereich des Kondensatorkörpers einzudringen, um die Haftung am Dielektrikum zu erhöhen, und zu einem mechanisch robusteren Teil führen, was den äquivalenten Serienwiderstand und den Leckstrom reduzieren kann. Falls gewünscht, kann auch ein Vernetzungsmittel in der externen Polymerbeschichtung eingesetzt werden, um den Grad der Haftung am festen Elektrolyten zu verstärken. Typischerweise wird das Vernetzungsmittel vor der Auftragung der in der externen Beschichtung verwendeten Dispersion aufgetragen. Geeignete Vernetzungsmittel sind zum Beispiel in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2007/0064376 (Merker et al.) beschrieben und umfassen zum Beispiel Amine (z. B. Diamine, Triamine, Oligomeramine, Polyamine usw.); mehrwertige Metallkationen, wie Salze oder Verbindungen von Mg, Al, Ca, Fe, Cr, Mn, Ba, Ti, Co, Ni, Cu, Ru, Ce oder Zn, Phosphoniumverbindungen, Sulfoniumverbindungen usw.
E. Andere Komponenten der Kondensatorelemente
Falls gewünscht, können die Kondensatorelemente auch andere Schichten enthalten, wie in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann zwischen dem Dielektrikum und dem festen Elektrolyten gegebenenfalls eine Schutzbeschichtung gebildet werden, wie etwa aus einem relativ isolierenden harzartigen Material (natürlich oder synthetisch), wie Schellackharzen. Diese und andere Schutzbeschichtungsmaterialien sind ausführlicher im US-Patent Nr. 6,674,635 (Fife et al.) beschrieben. Falls gewünscht, kann auch eine Kohlenstoffschicht (z. B. Graphit) bzw. eine Silberschicht auf das Teil aufgetragen werden. Die Silberbeschichtung kann zum Beispiel als lötbarer Leiter, Kontaktschicht und/oder Ladungskollektor für den Kondensator wirken, und die Kohlenstoffbeschichtung kann den Kontakt der Silberbeschichtung mit dem festen Elektrolyten einschränken. Solche Beschichtungen können einen Teil oder den gesamten festen Elektrolyten bedecken.
Unabhängig von den verschiedenen Komponenten, die verwendet werden, um jedes der Vielzahl von Kondensatorelementen zu bilden, kann, wie in 3 gezeigt ist, jedes Kondensatorelement 20 eine Länge L₂ in der x-Richtung, die im Bereich von etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter, wie etwa 3,5 Millimeter bis etwa 5,5 Millimeter, wie etwa 4 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, liegt, eine Breite W₂ in der y-Richtung, die im Bereich von etwa 2 Millimeter bis etwa 10 Millimeter, wie etwa 2,5 Millimeter bis etwa 8 Millimeter, wie etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter, liegt, und eine Höhe H₂ in der z-Richtung, die im Bereich von etwa 0,5 Millimeter bis etwa 5 Millimeter, wie etwa 1,25 Millimeter bis etwa 4 Millimeter, wie etwa 1,5 Millimeter bis etwa 3 Millimeter, liegt, aufweisen. Weiterhin kann jedes Kondensatorelement 20 entgegengesetzte Hauptflächen 23a und 23b, erste entgegengesetzte Nebenflächen 25a und 25b und zweite entgegengesetzte Nebenflächen 27a und 27b umfassen. Der Ausdruck ”Hauptfläche” soll eine Fläche des Kondensatorelements 20 bedeuten, die einen größeren Flächeninhalt als die anderen Flächen (d. h. die Nebenflächen) des Kondensatorelements aufweist. Wie gezeigt, kann sich der Anodenanschluss 6 von einer der zweiten entgegengesetzten Nebenflächen 27b aus erstrecken, obwohl man sich darüber im Klaren sein sollte, dass sich der Anodenanschluss 6 auch von der entgegengesetzten Nebenfläche 27a oder einer der ersten entgegengesetzten Nebenflächen 25a und 25b aus erstrecken kann. In einigen Ausführungsformen und in Abhängigkeit von der besonderen Anordnung und Größe der Kondensatorelemente 20, die in der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kann der Flächeninhalt einer der entgegengesetzten Hauptflächen 23a oder 23b (z. B. der oberen Hauptfläche 23a oder der unteren Hauptfläche 23b) für jedes Kondensatorelement 20 im Bereich von etwa 10 mm² bis etwa 45 mm², wie etwa 12,5 mm² bis etwa 40 mm², wie etwa 15 mm² bis etwa 30 mm², liegen. Indessen kann, wie aus den 3 bis 6 hervorgeht, in einigen Ausführungsformen der Gesamtflächeninhalt aller unteren entgegengesetzten Hauptflächen 23b der Kondensatorelemente 20(1)–20(40), die mit der unteren Wand 123 des Gehäuses in Kontakt stehen, im Bereich von etwa 600 mm² bis etwa 1200 mm², wie etwa 700 mm² bis etwa 1100 mm², wie etwa 800 mm² bis etwa 1000 mm², liegen.
II. Gehäuse
Wie bereits gesagt, ist die Vielzahl von Kondensatorelementen hermetisch innerhalb eines Gehäuses abgedichtet, wobei die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung entsteht. Die Anzahl der Kondensatorelemente, die hermetisch innerhalb des Gehäuses abgedichtet sind, kann im Bereich von 2 bis etwa 200, wie etwa 10 bis etwa 100, wie etwa 20 bis etwa 50, liegen. Die hermetische Abdichtung kann in einigen Ausführungsformen in Gegenwart einer Gasatmosphäre erfolgen, die wenigstens ein Inertgas enthält, um die Oxidation des festen Elektrolyten während der Verwendung zu hemmen. Das Inertgas kann zum Beispiel Stickstoff, Helium, Argon, Xenon, Neon, Krypton, Radon usw. sowie Gemische davon umfassen. Typischerweise können Inertgase den Hauptteil der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses bilden, wie etwa 50 Gew.-% bis 100 Gew.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 75 Gew.-% bis 100 Gew.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 90 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% der Atmosphäre. Falls gewünscht, kann auch eine relativ kleine Menge an nichtinerten Gasen, wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf usw., eingesetzt werden. In solchen Fällen bilden die nichtinerten Gase jedoch typischerweise 15 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen 10 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5 Gew.-% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1 Gew.-% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% der Atmosphäre innerhalb des Gehäuses. Zum Beispiel kann der Feuchtigkeitsgehalt (ausgedrückt als relative Feuchtigkeit) etwa 10% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 5% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 1% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,01 bis etwa 5% betragen.
Eine Vielzahl von Materialien kann zur Bildung des Gehäuses verwendet werden, wie Metalle, Kunststoffe, Keramiken usw. In einer Ausführungsform zum Beispiel umfasst das Gehäuse eine oder mehrere Schichten aus einem Metall wie Tantal, Niob, Aluminium, Nickel, Hafnium, Titan, Kupfer, Silber, Stahl (z. B. Edelstahl), Legierungen davon (z. B. elektrisch leitfähige Oxide), Verbundstoffe davon (z. B. mit elektrisch leitfähigem Oxid beschichtetes Metall) usw. In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse eine oder mehrere Schichten aus einem Keramikmaterial, wie Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Glas usw., sowie Kombinationen davon umfassen. Die Dicke oder Höhe des Gehäuses ist im Allgemeinen so ausgewählt, dass die Dicke oder Höhe der Kondensatorbaugruppe mit dem niedrigen Profil minimiert wird. Bezieht man sich zum Beispiel auf 1, so kann die Gesamthöhe H₁ des Gehäuses in der z-Richtung im Bereich von etwa 1 Millimeter bis etwa 20 Millimeter, wie etwa 2 Millimeter bis etwa 10 Millimeter, wie etwa 3 Millimeter bis etwa 6 Millimeter, liegen. Indessen kann die Länge L₁ des Gehäuses in der x-Richtung im Bereich von etwa 20 Millimeter bis etwa 100 Millimeter, wie etwa 40 Millimeter bis 70 Millimeter, wie etwa 45 Millimeter bis etwa 65 Millimeter, liegen, und die Breite W₁ des Gehäuses in der y-Richtung kann im Bereich von etwa 10 Millimeter bis etwa 60 Millimeter, wie etwa 20 Millimeter bis etwa 50 Millimeter, wie etwa 25 Millimeter bis etwa 45 Millimeter, liegen. Weiterhin kann das Gehäuse in einigen Ausführungsformen ein Volumen im Bereich von etwa 7000 mm³ bis etwa 12000 mm³, wie etwa 7500 mm³ bis etwa 11500 mm³, wie etwa 8000 mm³ bis etwa 11000 mm³, aufweisen. Überdies kann das Gehäuse ein niedriges Profil aufweisen, so dass das Verhältnis der Länge L₁ des Gehäuses in der x-Richtung zur Höhe H₁ des Gehäuses in der z-Richtung wenigstens etwa 2 beträgt. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Länge L₁ zur Höhe H₁ im Bereich von etwa 2 bis etwa 80, wie etwa 4 bis etwa 60, wie etwa 10 bis etwa 40, liegen.
Die Vielzahl von Kondensatorelementen können unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken an dem Gehäuse befestigt werden. Obwohl es keineswegs erforderlich ist, können die Kondensatorelemente so an dem Gehäuse befestigt werden, dass außerhalb des Gehäuses ein Anoden- und ein Kathoden-Endteil zur anschließenden Integration in eine Schaltung gebildet werden. Die besondere Konfiguration der Endteile kann von dem Verwendungszweck abhängen. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann die Kondensatorbaugruppe so gebildet sein, dass sie oberflächenmontierbar und dennoch mechanisch robust ist. Zum Beispiel können die Anodenanschlüsse und die Kathoden der Kondensatorelemente elektrisch mit externen oberflächenmontierbaren Endteilen (z. B. Feldern, Blechen, Platten, Rahmen usw.) verbunden sein, die sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken können, um sich über einen Anodenleiterrahmen mit der Anode des Kondensatorelements zu verbinden, wie durch ein leitfähiges Element, eine Metallisierungsschicht, ein Lötfeld usw., wie es im Folgenden ausführlicher diskutiert ist, und die sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken können, um sich über eine Metallisierungsschicht mit der Kathode zu verbinden. In einer anderen Ausführungsform können der Anodenanschluss und die Kathode des Kondensatorelements direkt elektrisch mit externen, auf der Oberfläche montierbaren Endteilen (z. B. Feldern, Blechen, Platten, Rahmen usw.) verbunden sein, die sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken können, um sich mit den Kathoden und mit den Anodenanschlüssen zu verbinden.
Die Dicke oder Höhe der externen Endteile wird im Allgemeinen so gewählt, dass die Dicke der Kondensatorbaugruppe minimiert wird. Zum Beispiel kann die Dicke der Endteile in einem Bereich von etwa 0,05 Millimeter bis etwa 1 Millimeter, wie etwa 0,05 Millimeter bis etwa 0,5 Millimeter, wie etwa 0,1 Millimeter bis etwa 0,2 Millimeter, liegen. Falls gewünscht, kann die Oberfläche der Endteile, wie in der Technik bekannt ist, mit Nickel, Silber, Gold, Zinn, Cobalt usw. oder Legierungen davon galvanisiert werden, um zu gewährleisten, dass das endgültige Teil auf der Leiterplatte montierbar ist. In einer besonderen Ausführungsform werden die Endteile mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen, und die Montagefläche wird auch mit einer Zinnlötschicht versehen. In einer anderen Ausführungsform werden bei den Endteilen dünne äußere Metallschichten (z. B. Gold) auf einer Grundmetallschicht (z. B. Kupferlegierung) abgeschieden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen.
In den 1–2 und 4 ist zum Beispiel eine besondere Ausführungsform einer Kondensatorbaugruppe 100 gezeigt, die 40 Kondensatorelemente enthält, welche sich innerhalb eines Gehäuses befinden und in vielen parallelen Reihen (z. B. Reihe 1–4) angeordnet sind, wobei sich jede Reihe von 10 Kondensatorelementen in einer Längsrichtung L_G entlang der Länge L₁ des Gehäuses erstreckt. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass in jeder Reihe eine beliebige Anzahl von Kondensatorelementen vorhanden sein kann, und dass je nach den besonderen Anforderungen der Kondensatorbaugruppe eine beliebige Anzahl von Reihen verwendet werden kann. Wie gezeigt, umfasst das Gehäuse der Kondensatorbaugruppe 100 eine untere Wand 123 und einander gegenüberliegende Seitenwände 124 und 125, zwischen denen ein Hohlraum 526 entsteht, der vierzig Kondensatorelemente 20(1)–20(40) umfasst. Die untere Wand 123 und die Seitenwände 124 und 125 können aus einer oder mehreren Schichten aus einem Metall, Kunststoff oder Keramikmaterial, wie es oben beschrieben ist, gebildet sein. Die Kondensatorelemente 20(1)–20(40) sind innerhalb des Hohlraums 526 des Gehäuses parallel angeordnet, wobei diese parallele Anordnung dazu beiträgt, den ESR des Kondensatorelements 100 zu reduzieren, wobei der reduzierte ESR zur Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe 100, Wärme effektiv abzuleiten, beiträgt.
In den Ausführungsformen der 4 bis 6 sind die Kondensatorelemente 20(1)–20(40) so ausgerichtet, dass sich die Nebenfläche 25b eines Kondensatorelements (z. B. Kondensatorelement 20(1)) neben der Nebenfläche 25a des benachbarten Kondensatorelements (z. B. Kondensatorelement 20(2)) befindet und dieser zugewandt ist. Indessen ist die untere Hauptfläche 23b (siehe 3) jedes der Kondensatorelemente 20(1)–20(40) der unteren Wand 123 des Gehäuses zugewandt und steht in Kontakt mit der unteren Wand 123, wie etwa über eine Metallisierungsschicht, wie sie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, wobei die Anordnung der Kondensatorelemente 20(1)–20(40) in einer Weise, dass ihre unteren Hauptflächen 23b und nicht ihre entgegengesetzten Nebenflächen 25a, 25b, 27a und 27b mit der unteren Wand 123 in Kontakt stehen (siehe 3), die Oberfläche der Kondensatorelemente 20(1)–20(40), die sich in Kontakt mit dem Gehäuse befinden, erhöht, was weiter zur Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe 100, Wärme effektiv abzuleiten, beiträgt. Die Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, Wärme abzuleiten, kann anhand des Verhältnisses der Gesamtoberfläche der unteren Hauptflächen der Kondensatorelemente, die über die Metallisierungsschicht in Kontakt mit dem Gehäuse stehen, zum Volumen des Gehäuses ausgedrückt werden, wobei ein Verhältnis von mehr als etwa 0,05 mm^–1 mit einer erhöhten Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe, Wärme abzuleiten, verbunden werden kann. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Gesamtoberfläche der unteren Hauptflächen der Kondensatorelemente, die über die Metallisierungsschicht in Kontakt mit dem Gehäuse stehen, zum Volumen des Gehäuses größer als etwa 0,06 mm^–1 sein und kann in einigen Ausführungsformen im Bereich von etwa 0,06 mm^–1 bis etwa 0,3 mm^–1, wie etwa 0,065 mm^–1 bis etwa 0,25 mm^–1, wie etwa 0,07 mm^–1 bis etwa 0,20 mm^–1, wie etwa 0,075 mm^–1 bis etwa 0,15 mm^–1, liegen.
Wie oben beschrieben und wie in den 1–2 gezeigt, kann die Kondensatorbaugruppe 100 auch ein äußeres Anoden-Endteil 135 und ein äußeres Kathoden-Endteil 137 enthalten, zu denen der Anodenanschluss 6 und der feste Elektrolyt/die Kathode auf der unteren Hauptfläche 23b jedes der Kondensatorelemente 20(1)–20(40) elektrisch parallel geschaltet sind. Weiterhin können innerhalb des inneren Hohlraums des Gehäuses Leiterrahmen und Metallisierungsschichten eingesetzt werden, um die Bildung der äußeren Endteile 135 und 137 in einer mechanisch stabilen Weise zu erleichtern. Bezieht man sich zum Beispiel auf 4, so kann die Kondensatorbaugruppe 100 einen Anodenleiterrahmen umfassen, der einen ersten planaren Teil 65 und einen zweiten Teil 67 aufweist, der in dem Sinne ”aufragend” ist, als er sich in einer Ebene befindet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung steht, in der sich der Anodenanschluss 6 jedes Kondensatorelements 20(1)–20(40) erstreckt. Auf diese Weise kann der zweite Teil 67 die Bewegung des Anschlusses 6 einschränken und dadurch den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität während der Verwendung erhöhen. Fall gewünscht, kann weiterhin ein isolierendes Material 7 (z. B. eine Teflonscheibe) um den Anschluss 6 herum eingesetzt werden. Der zweite Teil 67 kann einen Montagebereich (nicht gezeigt) besitzen, der mit dem Anodenanschluss 6 verbunden ist. Der Bereich kann eine ”U-Form” aufweisen, um den Oberflächenkontakt und die mechanische Stabilität des Anschlusses 6 weiter zu erhöhen. Außerdem kann der Anodenanschluss 6 durch Laserschweißen, Widerstandsschweißen, einen leitfähigen Kleber oder jedes andere geeignete Verfahren mit dem zweiten Teil 67 des Anodenleiterrahmens verbunden werden.
Zum Beispiel kann ein Anodenleiterrahmen, der einen ersten Teil 65a, 65b, 65c und 65d für jede Reihe von Kondensatorelementen und vierzig zweite Teile 67(1)–67(40) (die der Einfachheit halber als 67 markiert sind), die jedem der 40 Kondensatorelemente entsprechen, umfassen kann, eingesetzt werden, um die vier Reihen von 10 Kondensatorelementen zu verbinden (z. B. Reihe 1 einschließlich der Kondensatorelemente 20(1)–20(10), die über ihre Anodenanschlüsse 6 am zweiten Teil 67(1)–(10) mit dem Anodenleiterrahmen verbunden sind; Reihe 2 einschließlich der Kondensatorelemente 20(11)–20(20), die über ihre Anodenanschlüsse 6 am zweiten Teil 67(11)–67(20) mit dem Anodenleiterrahmen verbunden sind; Reihe 3 einschließlich der Kondensatorelemente 20(21)–20(30), die über ihre Anodenanschlüsse 6 am zweiten Teil 67(21)–67(30) mit der Anodenleiterrahmenkomponente 65c verbunden sind; und Reihe 4 einschließlich der Kondensatorelemente 20(31)–20(40), die über ihre Anodenanschlüsse 6 am zweiten Teil 67(31)–(40) mit dem Anodenleiterrahmen verbunden sind). Obwohl es nicht gezeigt ist, können weiterhin, falls gewünscht, die ersten Teile 65b und 65c des Anodenleiterrahmens, die mit den Reihen 2 und 3 assoziiert sind, miteinander zu einem einzigen ersten Teil des Anodenleiterrahmens kombiniert werden, da die Kondensatorelemente 20(11)–20(20) und 20(21)–20(30) so positioniert sind, dass ihre Anodenanschlüsse 6 aufeinander zugewandt sind. Wie oben diskutiert wurde, wird in einer besonderen Ausführungsform jeder Anodenanschluss 6 durch Laserschweißen mit jedem zweiten Teil 67 des Anodenleiterrahmens verbunden. Man sollte sich jedoch auch darüber im Klaren sein, dass diese Komponenten durch Widerstandsschweißen, einen leitfähigen Kleber usw. miteinander verbunden werden können. Indessen können in einer besonderen Ausführungsform die ersten Teile 65a–65d des Anodenleiterrahmens durch Widerstandsschweißen mit der unteren Wand 123 des Gehäuses verbunden werden. Man sollte sich jedoch auch darüber im Klaren sein, dass auch jedes andere geeignete Verfahren verwendet werden kann, wie Verbinden der ersten Teile 65a–65d mit der unteren Wand 123 des Gehäuses über einen leitfähigen Kleber.
Weiterhin können die Oberflächen der ersten Teile 65a–65d und der zweiten Teile 67(1)–67(40) des Anodenleiterrahmens mit Nickel; Silber, Gold, Zinn, Cobalt usw. oder Legierungen davon, wie in der Technik bekannt ist, galvanisiert sein, um eine ausreichende Verbindung mit den Kondensatorelementen 20(1)–20(40) über den Anodenanschluss 6 und mit der unteren Wand 123 des Gehäuses zu gewährleisten. In einer besonderen Ausführungsform kann der Anodenleiterrahmen mit Nickel- bzw. Silber-Schutzschichten versehen sein, und die Montagefläche kann auch mit einer Zinnlötschicht versehen sein. In einer anderen Ausführungsform können bei dem Anodenleiterrahmen dünne äußere Metallschichten (z. B. Gold) auf einer Grundmetallschicht (z. B. Kupferlegierung) abgeschieden werden, um die Leitfähigkeit weiter zu erhöhen. In noch einer anderen Ausführungsform können Streifen aus einer Nickel-Eisen-Legierung (z. B. NILO^®-Streifen) oder Streifen aus irgendeinem anderen geeigneten Metallmaterial (nicht gezeigt) auf eine untere Wand 123 des Gehäuses unterhalb der ersten Teile 65a–65b des Anodenleiterrahmens gelötet werden.
Außerdem können auch verschiedene Komponenten eingesetzt werden, um die vier Reihen von 10 Kondensatorelementen mit der unteren Wand 123 des Gehäuses zu verbinden (z. B. Reihe 1 einschließlich der Kondensatorelemente 20(1)–20(10), die an ihren unteren Hauptflächen 23b mit der unteren Wand 123 verbunden sind; Reihe 2 einschließlich der Kondensatorelemente 20(11)–20(20), die an ihren unteren Hauptflächen 23b mit der unteren Wand 123 verbunden sind; Reihe 3 einschließlich der Kondensatorelemente 20(21)–20(30), die an ihren unteren Hauptflächen 23b mit der unteren Wand 123 verbunden sind; und Reihe 4 einschließlich der Kondensatorelemente 20(31)–20(40), die an ihren unteren Hauptflächen 23b mit der unteren Wand 123 verbunden sind). In einer Ausführungsform zum Beispiel können die unteren Hauptflächen 23b der Kondensatorelemente 20(1)–20(40) über einen leitfähigen Kleber (nicht gezeigt) mit der unteren Wand 123 des Gehäuses verbunden werden, wobei die untere Wand 123 vier Reihen von Metallisierungsschichten 29a, 29b, 29c und 29d umfasst. Die Metallisierungsschichten 29a, 29b, 29c und 29d können aus jedem geeigneten Metall gebildet sein, und können in einer besonderen Ausführungsform Nickelmetallisierungsschichten sein.
Wie bereits gesagt, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Befestigung der Kondensatorelemente entweder auf der Anodenseite oder auf der Kathodenseite im Allgemeinen unter Verwendung einer Vielzahl bekannter Techniken, wie Schweißen, Laserschweißen, leitfähige Kleber usw., bewerkstelligt werden kann. Wenn leitfähige Kleber eingesetzt werden, können sie aus leitfähigen Metallteilchen, die in einer Harzzusammensetzung enthalten sind, gebildet sein. 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.
Wie außerdem in 5 gezeigt ist, kann die Kondensatorbaugruppe, um die Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe, Wärme abzuleiten, weiter zu verstärken, noch andere Komponenten umfassen. Zum Beispiel umfasst das Kondensatorelement 200 Metallstreifen 133 in der y-Richtung und Metallstreifen 131 in der x-Richtung, die mit den oberen Hauptflächen 23a von mehreren Kondensatorelementen 20 in Kontakt stehen. Bei dem Metallmaterial kann es sich um Kupfer oder jedes andere wärmeableitende Material handeln, und es dient dazu, die für die Ableitung von Wärme verfügbare Oberfläche weiter zu erhöhen.
In 6 ist eine Kondensatorbaugruppe 300 mit einer alternativen Anordnung zu der in den 4-5 gezeigten gezeigt, wobei die Anodenanschlüsse 6, die mit den Kondensatorelementen 20(1)–20(10) in Reihe 1 und 20(11)–20(20) in Reihe 2 assoziiert sind, wie es oben definiert ist, einander zugewandt sind, was es ermöglicht, die Kombination der ersten Teile 65a und 65b des Anodenleiterrahmens für die Reihen 1 und 2 gegebenenfalls zu einer einzigen Komponente zu kombinieren. Ebenso sind die Anodenanschlüsse 6, die mit den Kondensatorelementen 20(21)–20(30) in Reihe 3 und 20(31)–20(40) in Reihe 4 assoziiert sind, wie es oben definiert ist, einander zugewandt, was es ermöglicht, die Kombination der ersten Teile 65c und 65d des Anodenleiterrahmens für die Reihen 1 und 2 gegebenenfalls zu einer einzigen Komponente zu kombinieren. Weiterhin liegen die oberen Hauptflächen 23a der Kondensatorelemente der Reihen 2 und 3, wie sie oben definiert sind, nebeneinander, was es ermöglicht, die Metallisierungsschichten 29b und 29c gegebenenfalls zu einer einzigen Komponente zu kombinieren.
Wie oben diskutiert wurde, enthält die Kondensatorbaugruppe ein Anoden-Endteil 135 und ein Kathoden-Endteil 137, die außerhalb des Gehäuses liegen können und aus separaten Platten, Blechen usw. gebildet sind. Weiterhin können solche Endteile über leitfähige Bahnen, die sich durch die untere Wand 123 des Gehäuses erstrecken, mit dem Anodenleiterrahmen und den Kathodenkomponenten Metallisierungsschicht/Metallstreifen (z. B. NILO^®-Streifen) verbunden werden. Wir beziehen uns nun auf 7 für die Kondensatorelementanordnung der 4–5 und auf 8 für die Kondensatorelementanordnung von 6: Da sich die ersten Teile 65a–65d des Anodenleiterrahmens und der Metallisierungsschichten 29a–29d über die Länge L₁ und die Breite W₁ des Gehäuses der Kondensatorbaugruppe 100 erstrecken, sind die leitfähigen Bahnen 139, um die ersten Teile 65a–65d des Anodenleiterrahmens mit dem äußeren Anoden-Endteil 135 zu verbinden, nur durch den Teil der unteren Wand 123 des Gehäuses, der sich unmittelbar über dem äußeren Anoden-Endteil 135 und unmittelbar unterhalb der ersten Teile 65a–65d der Anodenleiterrahmenkomponente befindet, hindurch gebildet, während die leitfähigen Bahnen 141, um die Metallisierungsschichten 29a–29d mit dem äußeren Kathoden-Endteil 137 zu verbinden, nur durch den Teil der unteren Wand 123 des Gehäuses unmittelbar über dem äußeren Anoden-Endteil 137 und unmittelbar unterhalb der Metallisierungsschichten 65a–65d hindurch gebildet sind. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung zur Bildung der gewünschten Endteile keineswegs auf die Verwendung von leitfähigen Bahnen beschränkt, und es kann auch jedes andere geeignete Verbindungsmittel eingesetzt werden. Zum Beispiel ist in einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) davon auszugehen, dass sich die Teile des Anodenleiterrahmens und die Kathodenmetallisierungsschichten durch das Gehäuse hindurch erstrecken können, um auch das äußere Anoden-Endteil und das äußere Kathoden-Endteil zu bilden.
Nachdem die Kondensatorelemente 20 mit der unteren Wand 123 verbunden wurden, wie es oben diskutiert wurde, können die Kondensatorelemente 20 mit einem Harz oder Einbettungsmaterial beschichtet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann das Einbettungsmaterial ein wärmeleitendes Material sein. Bezieht man sich auf 9, so kann sich das Einbettungsmaterial 143, nachdem die Kondensatorelemente in der gewünschten Weise mit der Basis 123 der Kondensatorbaugruppe 100 verbunden wurden, um die Kondensatorelemente (nicht gezeigt) herum befinden, so dass die Kondensatorelemente wenigstens teilweise vom Einbettungsmaterial 143 eingebettet sind, und danach kann das Einbettungsmaterial 143 gehärtet werden. Weiterhin kann das Einbettungsmaterial 143 in einigen Ausführungsformen die Kondensatorelemente vollständig einbetten. Das Einbetten der Kondensatorelemente mit dem Einbettungsmaterial 143 in einer solchen Weise kann die Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, Wärme abzuleiten, weiter erleichtern.
Wie bereits erwähnt, kann das Einbettungsmaterial ein wärmeleitendes Material sein. Das wärmeleitende Material weist zum Beispiel typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/m·K oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 2 W/m·K bis etwa 20 W/m·K und in einigen Ausführungsformen etwa 2,5 W/m·K bis etwa 10 W/m·K auf, bestimmt gemäß ISO 22007-2:2014. Obwohl es wärmeleitend ist, ist das Material im Allgemeinen nicht elektrisch leitend und hat damit einen relativ hohen spezifischen Durchgangswiderstand, wie etwa 1 × 10¹² Ohm·cm oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 1 × 10¹³ Ohm·cm oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 1 × 10¹⁴ Ohm·cm bis etwa 1 × 10²⁰ Ohm·cm, bestimmt gemäß ASTM D257-14. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch die Kombination einer hohen Wärmeleitfähigkeit mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit das Einbettungsmaterial für eine Vielzahl von Vorteilen sorgen kann, wenn es in einem Gehäuse der Kondensatorbaugruppe eingesetzt wird. Wenn die Kondensatorbaugruppe zum Beispiel einem hohen Rippelstrom ausgesetzt ist, kann das wärmeleitende Einbettungsmaterial als Wärmeübertragungssenke wirken, die Wärme zur Oberfläche des Gehäuses ableitet, wodurch die Abkühleffizienz und die Lebensdauer der Kondensatorbaugruppe erhöht werden. Das Einbettungsmaterial kann auch einen geringen Grad der Feuchtigkeitsabsorption, wie etwa 1% oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 0,5% oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 0,1% oder weniger aufweisen, bestimmt gemäß ASTM D570-98(2010)e-1. Auf diese Weise kann das Einbettungsmaterial unerwünschte Abbaureaktionen mit Wasser, das in das Gehäuse eindringen könnte, hemmen.
Um dazu beizutragen, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, enthält das Einbettungsmaterial einen oder mehrere wärmeleitende Füllstoffe, die innerhalb einer Polymermatrix dispergiert sind. Zu den geeigneten thermischen Füllstoffen gehören metallische Füllstoffe, wie Aluminium, Silber, Kupfer, Nickel, Eisen Cobalt usw., sowie Kombinationen davon (z. B. versilbertes Kupfer oder versilbertes Nickel); Metalloxide, wie Aluminiumoxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid usw., sowie Kombinationen davon; Nitride, wie Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid usw. sowie Kombinationen davon; und Kohlenstoff-Füllstoffe, wie Siliciumcarbid, Ruß, Kohlenstofffullerene, Graphitflocken, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern usw., sowie Kombinationen davon. Aluminium-, Zinkoxid-, Aluminiumnitrid-, Bornitrid- und/oder Siliciumoxidcarbidpulver können für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet sein. Falls gewünscht, kann der Füllstoff mit einer funktionellen Beschichtung beschichtet sein, um die Affinität zwischen dem Füllstoff und der Polymermatrix zu verbessern. Zum Beispiel kann eine solche Beschichtung eine ungesättigte oder gesättigte Fettsäure, wie Alkansäure, Alkensäure, Propionsäure, Laurinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure usw., Organosilan, Organotitanat, Organozirconat, Isocyanat, hydroxyterminiertes Alken oder Alkan usw. umfassen.
Die Größe der wärmeleitenden Füllstoffe kann in der vorliegenden Erfindung gezielt gesteuert werden, um dazu beizutragen, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Allgemein gesagt, solche Füllstoffe haben eine mittlere Größe (z. B. Durchmesser) von etwa 10 Nanometer bis etwa 75 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 15 Nanometer bis etwa 50 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 20 Nanometer bis etwa 40 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen kann der Füllstoff eine nanoskalige Größe haben, wie etwa 10 Nanometer bis etwa 500 Nanometer, in einigen Ausführungsformen etwa 20 Nanometer bis etwa 350 Nanometer und in einigen Ausführungsformen etwa 50 Nanometer bis etwa 200 Nanometer, während in anderen Ausführungsformen der Füllstoff eine mikrometerskalige Größe haben kann, wie etwa 1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer, in einigen Ausführungsformen etwa 2 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer und in einigen Ausführungsformen etwa 5 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer. Für das Einbettungsmaterial kann auch eine Kombination aus sowohl nanoskaligen als auch mikrometerskaligen wärmeleitenden Füllstoffen eingesetzt werden. In solchen Ausführungsformen kann das Verhältnis von mikrometerskaligem Füllstoff zu dem nanoskaligen Füllstoffteilchen relativ groß sein, um eine hohe Packungsdichte zu gewährleisten, wie etwa 50:1 oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 70:1 bis etwa 150:1.
In der Matrix des Einbettungsmaterials kann zwar eine Vielzahl von Polymerharzen eingesetzt werden, doch hat sich gezeigt, dass härtbare duroplastische Harze zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet sind. Beispiele für solche Harze sind zum Beispiel Silikonpolymere, Diglycidylether von Bisphenol-A-Polymeren, Acrylatpolymere, Urethanpolymere usw. In bestimmten Ausführungsformen können im Einbettungsmaterial zum Beispiel ein oder mehrere Polyorganosiloxane eingesetzt werden. Siliciumgebundene organische Gruppen, die in diesen Polymeren verwendet werden, können einwertige Kohlenwasserstoff- und/oder einwertige halogenierte Kohlenwasserstoffgruppen enthalten. Solche einwertigen Gruppen haben typischerweise 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatome, und Beispiele dafür sind unter Anderem Alkyl (z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Pentyl, Octyl, Undecyl und Octadecyl); Cycloalkyl (z. B. Cyclohexyl); Alkenyl (z. B. Vinyl, Allyl, Butenyl und Hexenyl); Aryl (z. B. Phenyl, Tolyl, Xylyl, Benzyl und 2-Phenylethyl) und halogenierte Kohlenwasserstoffgruppen (z. B. 3,3,3-Trifluorpropyl, 3-Chlorpropyl und Dichlorphenyl). Typischerweise handelt es sich bei wenigstens 50% und besonders bevorzugt wenigstens 80% der organischen Gruppen um Methyl. Beispiele für solche Methylpolysiloxane sind etwa Polydimethylsiloxan (”PDMS”), Polymethylhydrogensiloxan usw. Noch andere geeignete Methylpolysiloxane sind etwa Dimethyldiphenylpolysiloxan, Dimethyl/methylphenylpolysiloxan, Polymethylphenylsiloxan, Methylphenyl/dimethylsiloxan, Vinyldimethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Vinylmethyl/dimethylpolysiloxan, Vinyldimethyl-terminiertes Vinylmethyl/dimethylpolysiloxan, Divinylmethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Vinylphenylmethyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, Dimethylhydro-terminiertes Polydimethylsiloxan, Methylhydro/dimethylpolysiloxan, Methylhydro-terminiertes Methyloctylpolysiloxan, Methylhydro/phenylmethylpolysiloxan usw.
Das Organopolysiloxan kann auch eine oder mehrere seitenständige und/oder endständige polare funktionelle Gruppen enthalten, wie Hydroxy-, Epoxy-, Carboxy-, Amino-, Alkoxy-, Methacryl- oder Mercaptogruppen, die dem Polymer einen gewissen Grad der Hydrophilie verleihen. Zum Beispiel kann das Organopolysiloxan wenigstens eine Hydroxygruppe und gegebenenfalls im Durchschnitt wenigstens zwei siliciumgebundene Hydroxygruppen (Silanolgruppen) pro Molekül enthalten. Beispiele für solche Organopolysiloxane sind zum Beispiel Dihydroxypolydimethylsiloxan, Hydroxytrimethylsiloxypolydimethylsiloxan usw. Alkoxymodifizierte Organopolysiloxane können ebenfalls eingesetzt werden, wie Dimethoxypolydimethylsiloxan, Methoxytrimethylsiloxypolydimethylsiloxan, Diethoxypolydimethylsiloxan, Ethoxytrimethylsiloxypolydimethylsiloxan usw. Noch andere geeignete Organopolysiloxane sind solche, die mit wenigstens einer aminofunktionellen Gruppe modifiziert sind. Beispiele für solche aminofunktionellen Polysiloxane sind zum Beispiel diaminofunktionelle Polydimethylsiloxane.
Wünschenswerterweise weist das Organopolysiloxan ein relativ geringes Molekulargewicht auf, um die Viskosität und die Fließeigenschaften des Einbettungsmaterials vor der Härtung zu verbessern. In einer Ausführungsform zum Beispiel weist das Organopolysiloxan (z. B. Polydimethylsiloxan) ein Molekulargewicht von etwa 100000 g/mol oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 60000 g/mol oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 5000 bis etwa 30000 g/mol auf. Die resultierende Viskosität des Einbettungsmaterials (vor dem Härten) kann zum Beispiel etwa 500 Pa·s oder weniger, in einigen Ausführungsformen etwa 100 Pa·s oder weniger und in einigen Ausführungsformen etwa 1 bis etwa 50 Pa·s betragen, bestimmt bei einer Temperatur von 25°C mit Hilfe eines spannungsgesteuerten ARES-R550PS-Rheometers, das mit parallelen Platten von 20 mm ausgestattet ist, die auf eine Lücke von 0,5 mm eingestellt sind.
Die relative Menge an wärmeleitenden Füllstoffen und der Polymermatrix kann selektiv so gesteuert werden, dass die gewünschten Eigenschaften erreicht werden. Zum Beispiel enthält das Einbettungsmaterial typischerweise etwa 25 Vol.-% bis etwa 95 Vol.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 40 Vol.-% bis etwa 90 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 50 Vol.-% bis etwa 85 Vol.-%. Ebenso kann die Polymermatrix etwa 5 Vol.-% bis etwa 75 Vol.-%, in einigen Ausführungsformen etwa 10 Vol.-% bis etwa 50 Vol.-% und in einigen Ausführungsformen etwa 15 Vol.-% bis etwa 40 Vol.-% des Materials ausmachen. Falls gewünscht, können in dem Einbettungsmaterial auch andere Additive eingesetzt werden, wie Kompatibilisatoren, Härtungsmittel, Photoinitiatoren, Viskositätsmodifikatoren, Pigmente, Kopplungsmittel (z. B. Silan-Kopplungsmittel), Stabilisatoren usw.
Sobald sie in der gewünschten Weise montiert und verbunden ist, wird die resultierende Baugruppe hermetisch abgedichtet, wie es oben beschrieben ist. Bezieht man sich erneut auf 1, so kann zum Beispiel das Gehäuse auch einen Deckel 127 umfassen, der auf eine obere Fläche der Seitenwände 124 und 125 platziert wird, nachdem die Kondensatorelemente innerhalb des Gehäuses positioniert sind. Der Deckel kann aus einer Keramik, einem Metall (z. B. Eisen, Kupfer, Nickel, Cobalt usw. sowie Legierungen davon), Kunststoff usw. gebildet sein. Falls gewünscht, kann sich ein Dichtungselement (nicht gezeigt) zwischen dem Deckel und den Seitenwänden 124 und 125 befinden, um dazu beizutragen, eine gute Abdichtung zu ergeben. In einer Ausführungsform zum Beispiel kann das Dichtungselement eine Glas-Metall-Dichtung, einen Kovar^®-Ring (Goodfellow Cambridge Ltd.) usw. umfassen. Die Höhe der Seitenwände ist im Allgemeinen so, dass der Deckel keine Fläche der Kondensatorelemente berührt, so dass sie nicht kontaminiert werden. Wenn er in der gewünschten Position platziert ist, wird der Deckel mit Hilfe bekannter Techniken, wie Schweißen (z. B. Widerstandsschweißen, Laserschweißen usw.), Löten usw. hermetisch mit den Seitenwänden 124 und 125 versiegelt. Das hermetische Abdichten kann in einigen Ausführungsformen in Gegenwart von Inertgasen, wie sie oben beschrieben sind, erfolgen, so dass die resultierende Baugruppe im Wesentlichen frei von reaktiven Gasen, wie Sauerstoff oder Wasserdampf, ist.
In den Ausführungsformen, die in den 4 bis 6 gezeigt sind, umfasst die Kondensatorbaugruppe 40 Kondensatorelemente. Wie bereits gesagt, kann jedoch in der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von Kondensatorelementen eingesetzt werden, wie etwa 2 bis etwa 200, in einigen Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 100 und in einigen Ausführungsformen etwa 20 bis etwa 50.
Unabhängig von ihrer besonderen Konfiguration kann die Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung auch dann ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen, wenn sie Hochspannungsumgebungen und erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Zum Beispiel können aufgrund der Fähigkeit der Kondensatorbaugruppe der vorliegenden Erfindung, Wärme abzuleiten, relativ hohe Rippelströme erreicht werden, ohne die Kondensatorbaugruppe zu beschädigen. Zum Beispiel kann der maximale Rippelstrom etwa 25 Ampère oder mehr, in einigen Ausführungsformen etwa 50 Ampère oder mehr und in einigen Ausführungsformen etwa 75 Ampère oder mehr betragen. Weiterhin kann der äquivalente Serienwiderstand (ESR) der Kondensatorbaugruppe weniger als etwa 50 Milliohm, in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 25 Milliohm und in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 10 Milliohm betragen. Zum Beispiel kann der ESR im Bereich von etwa 0,5 Milliohm bis etwa 10 Milliohm, wie etwa 1 Milliohm bis etwa 8 Milliohm, wie etwa 2 Milliohm bis etwa 6 Milliohm, liegen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele besser verständlich.
Testverfahren
Äquivalenter Serienwiderstand (ESR)
Der äquivalente Serienwiderstand kann unter Verwendung eines Agilent-E4980A-Präzisions-LCR-Messgeräts mit Kelvin-Anschlüssen, 2,2 Volt Gleichstromvorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt von Spitze zu Spitze gemessen werden. Die Arbeitsfrequenz betrug 100 kHz, und die Temperatur betrug 23°C ± 2°C.
Kapazität (KAP)
Die Kapazität wurde mit Hilfe eines Agilent-E4980A-Präzisions-LCR-Messgeräts mit Kelvin-Anschlüssen, 2,2 Volt Gleichstromvorspannung und einem sinusförmigen Signal mit 0,5 Volt von Spitze zu Spitze gemessen. Die Arbeitsfrequenz betrug 120 Hz.
Leckstrom (DCL)
Der Leckstrom wurde unter Verwendung eines Keithley-2410-Source-Meter gemessen, das den Leckstrom bei einer geeigneten Spannung (Ur für 25°C bis 85°C, 60% Ur für 125°C und 50% Ur für 150°C) nach mindestens 60 Sekunden misst.
Rippelstrom:
Der Rippelstrom wurde unter Verwendung einer Stromquelle GoldStar GP 505, eines Signalgenerators Agilent 33210A, eines Almemo-2590-9-Datenloggers mit Pt100-Thermoelementen und eines Oszilloskops Fluke 80i gemessen. Die Betriebsfrequenz betrug 20 kHz bei einem Wechselstromsignal und 10 Volt Vorspannung, als der geeignete Wert des Rippelstroms durch den Kondensator geschickt wurde. Mit steigendem Rippelstrom nahm auch die Temperatur zu und wurde über eine Thermokamera überwacht.
Beispiel
Ein Tantalpulver mit 9000 μFV/g wurde verwendet, um Anodenproben zu bilden. Jede Anodenprobe wurde zusammen mit einem Tantaldraht eingebettet, bei 1800°C gesintert und auf eine Dichte von 5,3 g/cm³ gepresst. Die resultierenden Presslinge hatten eine Größe von 4,6 mm × 5,25 mm × 2,6 mm. Die Presslinge wurden in Wasser/Phosphorsäure als Elektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 8,6 mS bei einer Temperatur von 85°C bis 260 V anodisiert, um die dielektrische Schicht zu bilden. Dann wurde eine leitfähige Polymerbeschichtung gebildet, indem man die Anoden in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 1,1% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eintauchte. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde zehnmal wiederholt. Danach wurden die Teile in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 20 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde nicht wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Dispersion von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) mit einem Feststoffgehalt von 2% und einer Viskosität von 160 mPa·s (Clevios^TM K, H. C. Starck) eingetaucht. Nach der Beschichtung wurden die Teile 20 Minuten lang bei 125°C getrocknet. Dieser Vorgang wurde achtmal wiederholt. Dann wurden die Teile in eine Graphitdispersion eingetaucht und getrocknet. Schließlich wurden die Teile in eine Silberdispersion eingetaucht und getrocknet. Viele Teile von 100-V-Kondensatoren wurden auf diese Weise hergestellt.
Ein Leiterrahmenmaterial auf Kupferbasis wurde verwendet, um den Montagevorgang zum Platzieren der Kondensatorelemente in ein Keramikgehäuse abzuschließen. Die Kondensatorbaugruppe umfasste 36 Kondensatorelemente, die in 4 Reihen (9 Kondensatorelemente pro Reihe) parallel geschaltet sind. Dann wurden die Kathodenverbindungselemente an ein Nickelkathoden-Endteil geklebt, und der Anodenleiterrahmen wurde an einer unteren Wand eines Keramikgehäuses mit einer Länge von 58,0 mm, einer Breite von 35,0 mm und einer Dicke von 5,45 mm an ein Nickelanoden-Endteil geschweißt. Das Gehäuse wies vernickelte NILO^®-Lötpunkte auf, die auf eine Innenfläche der unteren Wand des Keramikgehäuses gelötet waren.
Der Kleber, der für alle Verbindungen eingesetzt wurde, war eine Silberpaste. Dann wurde die Baugruppe in einen Konvektionsofen gebracht, um die Paste zu verlöten. Danach handelte es sich bei dem Schweißen, das für die Anodenverbindung eingesetzt wurde, um Widerstandsschweißen unter Verwendung von 300 W Energie, die zwischen den Leiterrahmenteilen und dem vernickelten Lötpunkt des Keramikgehäuses während einer Zeitdauer von 100 ms angewendet wurde. Dann wurde ein wärmeleitendes Silikon-Einbettungsmittel (Thermoset SC-320) über die Oberseite des Anoden- und des Kathodenteils der Kondensatorelemente aufgetragen, und dann wurde 24 Stunden lang bei 150°C getrocknet. Danach wurde ein Kovar^®-Deckel über die Oberseite des Gehäuses gestülpt, nahe an dem Dichtungsring der Keramik. Die resultierende Baugruppe wurde in eine Schweißkammer gebracht und mit Stickstoffgas gespült, bevor ein Nahtschweißen zwischen dem Dichtungsring und dem Deckel durchgeführt wurde.
Nach dem Testen wurde bestimmt, dass die Kapazität 340,1 μF betrug, und der ESR betrug 4,3 mΩ. Eine Zusammenfassung der Leckstrom- und Rippelstrom-Testergebnisse ist im Folgenden gezeigt:

Temperatur [°C] Leckstrommerkmale des Beispiels

DCL (μA) bei 60 s DCL (μA) bei 300 s

–55 5,09 0,12

25 5,72 0,98

85 29,57 8,06

125 17,88 5,95

150 35,92 11,73

Temperatur [°C] Peak-zu-Peak-Stromstärke bei 20 kHz RMS-Stromstärke bei 20 kHz

I (Ampère) I (Ampère)

31,8 5,0 3,54

36,3 10,0 7,07

49,7 15,0 10,61

71,0 20,0 14,14

103,6 25,0 17,68
Wie gezeigt, war die gemäß dem Beispiel hergestellte Kondensatorbaugruppe in der Lage, 25 Ampère Rippelstrom auszuhalten, und erreichte nur eine Temperatur von 103,6 C.
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

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 22007-2:2014 [0066]
ASTM D257-14 [0066]
ASTM D570-98(2010)e-1 [0066]

Claims

Kondensatorbaugruppe, umfassend: eine Vielzahl von Kondensatorelementen, die jeweils einen gesinterten porösen Anodenkörper, eine dielektrische Schicht, die den Anodenkörper bedeckt, und einen festen Elektrolyten, der die dielektrische Schicht bedeckt, enthalten, wobei sich von jedem Kondensatorelement ausgehend ein Anodenanschlussdraht erstreckt, wobei jedes Kondensatorelement durch eine obere und untere Hauptfläche, erste entgegengesetzte Nebenflächen und zweite entgegengesetzte Nebenflächen definiert ist, wobei die obere und die untere Hauptfläche jeweils einen Flächeninhalt haben, der größer ist als der Flächeninhalt jeder der entgegengesetzten Nebenflächen; ein Gehäuse mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe, wobei das Verhältnis der Länge zur Höhe im Bereich von etwa 2 bis etwa 80 liegt, wobei das Gehäuse hermetisch abgedichtet ist und einen inneren Hohlraum definiert, innerhalb dessen sich die Vielzahl von Kondensatorelementen befinden, wobei die untere Hauptfläche jedes Kondensatorelements einer unteren Wand des Gehäuses zugewandt ist, wobei weiterhin die untere Wand durch die Länge und die Breite des Gehäuses definiert ist; ein äußeres Anoden-Endteil, das sich in elektrischer Verbindung mit dem Anodenanschluss jedes Kondensatorelements befindet; und ein äußeres Kathoden-Endteil, das sich in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten jedes Kondensatorelements befindet.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 1, wobei der innere Hohlraum eine Gasatmosphäre, die ein Inertgas enthält, aufweist.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse aus einem Metall, einem Kunststoff, einer Keramik oder einer Kombination davon gebildet ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin einen Anodenleiterrahmen umfasst, der den Anodenanschluss jedes Kondensatorelements mit dem äußeren Anoden-Endteil verbindet.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt über einen leitfähigen Kleber elektrisch mit dem äußeren Kathoden-Endteil verbunden ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorelemente in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind, wobei sich jede Reihe von Kondensatorelementen in Längsrichtung entlang der Länge des Gehäuses erstreckt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorbaugruppe 2 bis etwa 200 Kondensatorelemente umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der Kondensatorelemente parallel geschaltet sind.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Höhe des Gehäuses im Bereich von etwa 1 Millimeter bis etwa 20 Millimeter liegt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Gesamtoberfläche der unteren Hauptflächen der Kondensatorelemente zum Volumen des Gehäuses im Bereich von etwa 0,06 mm^–1 bis etwa 0,3 mm^–1 liegt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anodenkörper aus einem Pulver gebildet ist, das Tantal, Niob oder ein elektrisch leitfähiges Oxid davon enthält.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt ein leitfähiges Polymer oder Mangandioxid umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 12, wobei das leitfähige Polymer ein substituiertes Polythiophen ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 13, wobei es sich bei dem substituierten Polythiophen um Poly(3,4-ethylendioxythiophen) handelt.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der feste Elektrolyt eine Vielzahl von vorpolymerisierten leitfähigen Polymerteilchen umfasst.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorbaugruppe einen maximalen Rippelstrom von etwa 25 Ampère oder mehr aufweist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorbaugruppe einen äquivalenten Serienwiderstand von weniger als etwa 10 Milliohm aufweist.
Kondensatorbaugruppe gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Einbettungsmaterial die Vielzahl der Kondensatorelemente wenigstens teilweise einbettet.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 18, wobei das Einbettungsmaterial wärmeleitend ist.
Kondensatorbaugruppe gemäß Anspruch 19, wobei das Einbettungsmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/m·K oder mehr aufweist.