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"Kondensator mit einem zylinderförmigen Trägerkörper"
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Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit einem zylinderförmigen
Trägerkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff als Dielektrikum, zwei
elektrisch leitenden Beläge und die leitenden Beläge kontaktierenden Anschluß elemente
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kondensators.
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Im Rahmen rationellerer Fertigungsmethoden elektronischer Schaltungen
und auch der Vereinheitlichung der für diese Schaltungen zu verwendenden passiven
und aktiven elektronischen Bauelemente wird es zunehmend wichtiger, Bauelemente
mit einheitlichen Abmessungen zu schaffen und diese Bauelemente dem Endverbraucher,
also dem Gerätehersteller, auch derart verpackt und sortiert zu liefern, daß die
Bauelemente sofort in einen Großserien-Fertigungsprozeß übernommen werden können.
Eine solche fertigungsgerechte Art der Sortierung und Verpackung von für eine Großserien-Fertigung
vorgesehenen Bauelementen ist z.B. bei zylindrischen, mit axial verlaufenden Anschlußelementen
versehenen Bauelementen wie z.B. Widerstände dadurch möglich, daß die Bauelemente
an ihren axial
verlaufenden Anschlußdrähten mit Hilfe von Klebebändern
gehalten sind. Diese Klebebänder, auf denen die Bauelemente nebeneinander angeordnet
und festgeklebt sind (sog.
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"Gurte"), können bequem zu großen Rollen aufgewickelt werden, welche
dann mit modernen BestUckungsautomaten für Leiterplatten derart weiterverarbeitet
werden können, daß die 'Gurte" zerschnitten werden und jeweils einzelne Bauelemente
zu einem neuen "Gurt", der die Bauelemente in der Reihenfolge enthält, in der sie
auf einem nachfolgenden Bestückungsautomaten weiterverarbeitet werden (sequenzer-Technologie).
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Widerstände mit axial zum Widerstandskörper verlaufenden Drahtanschlüssen
können also ohne Schwierigkeiten in Form von Gurten verpackt und leicht von Bestückungsautomaten
hantiert werden.
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Schwieriger ist dies jedoch bei zylindrischen Kondensatoren (Rohrkondensatoren),
die an sich wegen ihrer den Widerständen sehr ähnlichen Raumform sehr geeignet für
eine rationelle Bestückung von Leiterplatten sind. Aufgrund der Geometrie der elektrisch
leitenden Beläge, von denen einer auf der Innenseite und einer auf der Außenseite
des das Dielektrikum des Kondensators bildenden Rohres angebracht ist, sind Anschlußelemente
in Form von Drahtanschlüssen nur mit großen Schwierigkeiten axial zum Kondensatorkörper
zu führen. Das Ubliche ist, daß diese Drahtanschlüsse um die Enden des rohrförmigen
Kondensatorkörpers mit den auf ihm angebrachten elektrisch leitenden Belägen herumgewickelt
sind. Der Innenbelag des rohrförmigen Kondensatorkörpers ist dabei bis auf die Außenfläche
des Rohres herumgezogen und vom Außenbelag elektrisch isoliert. Die Drahtanschlußelemente
verlaufen bei dieser Bauform rechtwinklig zum rohrförmigen Kondensatorkörper. Die
fertigen Kondensatoren können demgemäß auch nur zu einer Seite hin mit Klebeband
gehalten werden. Diese Art der Halterung in Gurten ist mit Nachteilen verbunden,
wenn
Bestückungsautomaten benutzt werden sollen, die gleichzeitig mit Kondensatoren Widerstände
der üblichen Bauform für Leiterplatten verarbeiten (sog. sequenzer).
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Ein weiterer Nachteil von Kondensatoren für hohe Kapazitäten mit rohrförmigem
Trägerkörper ist ihre geringe mechanische Stabilität, denn die Stärke der Rohrwandung
muß mit zunehmender Kapazität immer geringer gehalten werden, wenn die Größe der
Bauelemente in gewissen Grenzen gehalten werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zylinderförmigen Kondensator
hoher mechanischer Stabilität zu schaffen, dessen leitende Beläge mit allen bekannten
Techniken zur Beschichtung von Substraten herstellbar und der mit axial zum Kondensatorkörper
verlaufenden Anschlußelementen auf einfache und sichere Weise kontaktierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden
Beläge aus einer, auf die Zylindermantelfläche aufgebrachten, durch eine Trennfuge
in zwei nebeneinander liegende Teilschichten geteilten, elektrisch leitenden Schicht
besteht.
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Die die leitenden Beläge bildende Schicht kann nach weiteren Ausbildungen
der Erfindung eine aufgedampfte Schicht, eine elektrolytisch niedergeschlagene Schicht,
eine pyrolytisch aufgebrachte Schicht, eine durch Kathodenzerstäubung oder eine
durch stromlose Metallabscheidung gebildete Schicht sein.
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Die Trennfuge kann nach weiteren Ausbildungen der Erfindung durch
Schleifen, Ätzen, Sandstrahlen, Funkenerosion oder mittels eines fokussierten Laser-
oder Elektronenstrahls hergestellt werden, wobei für ein Abgleichen des Kondensators,
also für die Messung und Einstellung eines vorgegebenen Kapazitätswertes unmittelbar
nach Herstellung der Trennfuge das Verfahren mit Anwendung eines fokussierten Laser-
oder Elektronenstrahls ganz besonders geeignet ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin,
daß trotz Beibehaltung der Zylinderform mechanisch außerordentlich stabile Kondensatoren
erreicht werden können, weil VoI2ylinder als Trägerkörper verwendet werden können
und daß diese Kondensatoren besonders geeignet für eine Großserien-Fertigung sind,
bei der unterschiedliche passive elektronische Bauelemente kontinuierlich in Bestückungsautomaten
für eine Leiterplattenbestückung eingegeben werden müssen, da sie besonders einfach
mit Anschlußelementen kontaktiert werden können, deren Anschlußdrähte axial zum
Trägerkörper verlaufen.
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Die Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen zwei Erfordernisse
ideal, die im Hinblick auf eine rationelle Großserien-Fertigung wichtig sind: sie
haben Abmessungen und eine geometrische Form wie sie üblicherweise auch andersartige
Bauelemente, wie z.B. Widerstände, haben und sie lassen sich auf einfache Weise
mit Anschlußelementen versehen, deren geometrische Anordnung dazu geeignet ist,
die Kondensatoren in Gurtform zu verpacken, wie es z.B. auch bei Widerständen üblich
ist. Die Kondensatoren gemäß der Erfindung können also mit gleichen Werkzeugen hergestellt
und auf gleiche Weise in Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen eingebaut werden,
wie z.B. Widerstände.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil, der mit der Erfindung erzielt wird,
ist die sehr einfache Herstellung der Kondensatorbeläge. Es ist keine aufwendige
Innenmetallisierung wie bei Rohrkondensatoren erforderlich, die leitenden Beläge
können mit jeder gegenwärtig bekannten Technik zur Herstellung von Schichten auf
einem Substrat hergestellt werden, was bei Rohrkondensatoren nicht möglich ist,
und sie können aus einer einzigen Schicht bei gleichzeitigem Abgleichen auf einen
vorgegebenen Kapazitätswert hergestellt werden.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und ihre Wirkungsweise erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 Draufsicht auf einen Kondensator gemäß der Erfindung
mit mäanderförmiger Trennfuge, ohne Schutzüberzug, Fig. 2 Abwicklung des Trägerkörpers
des Kondensators gemäß Fig. 1, Fig. 3 Draufsicht auf einen Kondensator gemäß der
Erfindung mit wendelförmiger Trennfuge, ohne Schutzüberzug, Fig. 4 Abwicklung des
Trägerkörpers des Kondensators gemäß Fig. 3, Fig. 5 Darstellung des Feldlinienverlaufes
in einem Kondensatorkörper gemäß der Erfindung entsprechend der Schnittlinie V-V
in Fig. 2 In Fig. 1 ist ein Kondensator gemäß der Erfindung dargestellt, der einen
Trägerkörper 1 in Form eines Vollzylinders aus einem Dielektrikum mit einer relativen
Dielektrizitätskonstanten von 3400 aus Bariumtitanat-Keramik hat. Der Trägerkörper
1 hat einen Durchmesser von 1,75.10-3m und eine Länge von 5,1,10-3m, Er wird zunächst
vollständig mit einer elektrisch leitenden Schicht 2 aus Chrom-Nickel beschichtet,
wobei die Schicht durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird. Der Widerstandswert
dieser Schicht (als Bezugswert für die Dicke der Schicht) ist 6,5 n . Um aus der
Schicht 2 zwei elektrisch voneinander isolierte Beläge 21 und 22 zu bilden, wird
die Schicht 2 durch eine Trennfuge 3 aufgetrennt.
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Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel (vgl. auch Fig. 2)
ist entsprechend der gewünschten Kapazität eine mäanderförmige Trennfuge 3 mit einer
Breite von 70.10 6m gewählt. Um zu kontrollieren, daß die Trennfuge 3 wirklich einen
geschlossenen Linienzug bildet, wird der Gleichstromwiderstand gemessen; er muß
dann > 108kl sein. Durch die
mäanderförmige Ausführung der Trennfuge
3 ergeben sich elektrisch leitende Beläge 21 und 22, die über ihre fingerförmigen
Teile 4 und 4' interdigital ineinandergreifen. Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel
haben die fingerförmigen Teile 4 und 4' eine Länge von 2,7.10 ; und eine Breite
von 0,2.10-3m, Die Anzahl der interdigital ineinandergreifenden fingerförmigen Teile
4 und 4' der Beläge 21 und 22 ist für dieses Ausführungsbeispiel 20, von denen je
10 dem leitenden Belag 21 und je 10 dem leitenden Belag 22 zugeordnet sind.
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Die Kapazität eines Kondensators gemäß der Erfindung läßt sich in
guter Näherung nach folgender Gleichung berechnen: C # z.n #o . #r arcosh ( b/s
+ 1) # wobei bedeuten: z - Länge der fingerförmigen Teile #o = 8,86.10-12 A/Vm =
absolute Dielektrizitätskonstante #r = rel. Dielektrizitätskonstante n m Anzahl
der fingerförmigen Teile s = Breite der Trennfuge b = Breite der fingerförmigen
Teile C - Kapazität Für den Kondensator des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels
ergibt sich nach Einsetzen der Werte für die Länge z der fingerförmigen Teile 4
und 4' = 2,7.10-3m, für die rel. Dielektrizitätskonstante gr = 3400 für die Anzahl
n der fingerförmigen Teile 4 und 4' = 20, für die Breite s der Trenfuge 3 = 70.10
6m, für die Breite b der fingerförmigen Teile 4 und 4' = 0,2.10-3m eine Kapazität
von 0,99 nF.
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Die oben beschriebene Gleichung kann zweckmäßigerweise auf den Durchmesser
d des Trägerkörpers bezogen werden, dann ergibt sich n . (b+s) = d .
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und damit b d.n s n. s Dieser Wert kann dann in die oben beschriebene
Gleichung eingesetzt werden: C z.n o r Er arcosh n s lT n.s Sollen andere Kapazitätswerte
erreicht werden, liegt es im Rahmen fachmännischs Handelns, die Länge z und/oder
die Breite b der fingerförmigen Teile 4 und 4' der Interdigitalstruktur, die Breite
s der Trennfuge 3, die Anzahl n der fingerförmigen Teile 4 und 4' und den Durchmesser
d des Trägerkörpers 1 entsprechend zu verändern.
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Die elektrisch leitende Schicht muß nicht zwingend, wie bei diesem
Ausführungsbeispiel beschrieben, durch Kathodenzerstäubung aufgebracht werden, sie
kann ebensogut durch Aufdampfen, durch stromlose Metallabscheidung, durch Elektrolyse
oder durch Pyrolyse aufgebracht werden. Als Werkstoffe für die elektrisch leitende
Schicht eignen sich insbesondere Aluminium, Gold, Silber, Kupfer, Nickel und Kohlenstoff
(Glanzkohle).
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Die Trennfuge 3 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in die elektrisch
leitende Schicht 2 durch Einschneiden mit einem fokussierten Laserstrahl hergestellt.
Es ist jedoch
mit gleich gutem Ergebnis möglich, die Trennfuge
3 durch Einschneiden mit einer Schleifscheibe, z.B. beschichtet mit Diamant, durch
Sandstrahlen, durch Funkenerosion, durch einen fokussierten Elektronenstrahl oder
durch Ätzen zu erzeugen.
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Unmittelbar im Anschluß an die Ausbildung der Trennfuge 3 kann ein
vorgegebener Kapazitätswert seht genau dadurch eingestellt werden, daß z.B. die
fingerförmigen Teile 4 und/oder 4' durch Entfernen eines mehr oder minder langen
Schichtteiles an ihren Enden verkürzt werden, was zweckmäßigerweise auf gleiche
Weise wie die Herstellung der Trennfuge 3 erfolgt.
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Nach Einschneiden der Trennfuge 3 und anschließendem Abgleich auf
den vorgegebenen Kapazitätswert wird der metallisierte Trägerkörper 1 mit Hilfe
von Kappen 5, an welche Anschlußdrähte 6 angelötet oder angeschweißt sind, kontaktiert,
indem die Kappen 5 mit den metallisierten Endzonen 21' und 22' der beiden Beläge
21 und 22 elektrisch leitend verbunden werden, z.B. durch Aufpressen der Kappen
5.
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Nach Kontaktierung der beiden leitenden Beläge 21 und 22 wird ein
Schutzüberzug zum Schutz des Kondensators gegenttber Außenwelteinflüssen angebracht,
z.B. durch Tauchen in ein geeignetes Lackbad oder durch Umpressen mit geeigneten
Kunstharzen.
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Fig. 2 zeigt die Abwicklung des in Fig. 1 dargestellten metallisierten
und mit der Trennfuge 3 versehenen Kondensatorkörpers 1, wobei die Endzonen 21'
und 22' der beiden Beläge 21 und 22 des Kondensators, die für die Kontaktierung
des Kondensatorkörpers vorgesehen sind, schematisch angedeutet sind.
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In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, wie
die Trennfuge 3, die die leitenden Beläge 21 und 22 voneinander trennt, ausgeführt
werden kann. Gemäß dem hier dargestellten zweiten Ausführungsb ei spiel entstehen
quasi zwei
parallel laufende Leiterbahnen, die die leitenden Beläge
21 und 22 bilden. Die Kapazitätswerte des zu fertigenden Kondensators sind hier
abhängig von der Länge z n . d . w (d = des Trägerkörpers 1, w = Anzahl der Windungen
einer Leiterbahn) und der Breite b der Leiterbahnen, von der Breite s der Trennfuge
3 und von den Materialeigenschaften (rel.
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Dielektrizitätskonstante des als Dielektrikum ausgewählten Werkstoffes
für den Trägerkörper 1). Für die Herstellung des Kondensators gemäß Fig. 3 und 4,
werden die gleichen Verfahrensschritte angewendet wie für die Herstellung des Kondensators
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Beläge 21 und 22 auf dem Kondensatorkörper
1 sind ebenfalls mit stirnseitig aufgepreßten Anschlußkappen 5, an welche Anschlußdrähte
6 angelötet oder angeschweißt sind, kontaktiert.
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Fig. 4 zeigt die Abwicklung des in Fig. 3 dargestellten metallisierten
und mit der Trennfuge 3 versehenen Kondensatorkörpers 1, wobei die Endzonen 21'
und 22' der beiden Beläge 21 und 22 des Kondensators, die für die Kontaktierung
des Kondensatorkörpers vorgesehen sind, schematisch angedeutet sind.
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In Fig. 5 ist der Verlauf von Feldlinien dargestellt, wie er sich
ausbildet, wenn ein Kondensator, der nur auf einer Fläche seines Dielektrikums elektrisch
leitende Beläge aufweist, geladen ist. Zur Darstellung des Verlaufes der Feldlinien
10 ist die in Fig. 2 dargestellte Abwicklung des Kondensatorkörpers gemäß Fig. 1
im Schnitt gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 2 dargestellt. Die Feldlinien bilden
sich zwischen den fingerförmigen Teilen 4 und 4' der leitenden Beläge 21 und 22
aus.
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