改进的线到阳极连接的制作方法

本申请要求于2017年1月17日提交的no.62/447,123的待审美国临时申请的优先权，其通过引用并入本文。

本发明涉及一种固体电解电容器，该固体电解电容器包括经过压制的粉末阳极和从其延伸出的阳极线。更具体地，本发明涉及用于改进阳极线与阳极之间的连接的处理，从而允许使用具有每克更高电荷密度(cv/g)的粉末。

背景技术：

对具有更高容量、更低成本和更好耐用性的电子设备的需求不断增加。在电子设备的水平上，这种需求给组件制造商带来了提供更多功能的负担，并且通常，这种增加的功能需要电子设备中相同或更小的体积。对于电容器，这导致了对提供更高体积效率或每体积电容器的电容的持续期望。

固体电解电容器包括具有用于连接的从其延伸出的导线的经过压制的粉末阳极在本领域中是公知的。阳极线与阳极电接触。阳极线通常以两种方式之一附接到阳极。在本领域常用的一种方法中，在压制操作期间将线插入阳极粉末中并固定在粉末中。在第二种方法中，在压制之后将阳极线焊接到阳极。在每种情况下，阳极均被烧结，在焊接线的情况下，在阳极线附接之前进行烧结。

对体积效率增加的持续需求已导致对具有增加的cv/g的阳极粉末的开发。遗憾的是，由于在压制和烧结步骤期间，达到高cv/g所需的颗粒不能与阳极线形成足够的粘结，因此已证明这些新粉末非常难以使用。随着cv/g增加并且阳极尺寸减小，与阳极线的不充分粘结的问题被恶化。如通过引用合并于此的共同转让给hussey等人的no.8,349,030的美国专利所述，当使用脱氧烧结时，这是一个特别的问题。脱氧进一步侵蚀阳极和阳极线之间的粘结，通常导致两者完全解离。

一种选择是将阳极烧结到更高的程度，从而改善阳极线和阳极之间的粘结强度。增加的烧结温度被认为在粉末颗粒之间形成更适当的颈(neck)以获得足够的线至阳极的机械强度。遗憾的是，增加的烧结温度减少了阳极中阳极金属的表面积并因此减少了cv/g，并最终降低了所得电容器的电容，这消除了更昂贵的更高电荷粉末所提供的优点。

将导线焊接到已形成的阳极是解决该问题的一种方法。在焊接处理中，在阳极边缘的内部和外部形成宽的焊接熔核。焊丝的一个问题是需要双重烧结。第一次烧结在焊接之前进行来为阳极提供机械强度，第二次烧结在焊接之后进行以清洁焊接熔核。此外，由于粉末颗粒与氧气的过度饱和以及结晶氧化物的沉淀，因此在高电荷粉末上使用焊丝以及使用双重烧结是有问题的。

由于阳极粉末和阳极线之间的无效粘附，因此当前没有合适的方法来充分利用高电荷粉末。本文提供了一种在阳极和阳极线之间形成连接的改进的方法，从而得到改进的电容器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改进的电容器，其中，该改进的电容器包括阳极和阳极线之间的改进的连接。

本发明的具体特征是能够在没有由于过度烧结(否则需要将阳极线固定到阳极粉末上)而降低充电容量的情况下，利用高电荷容量的阳极粉末。

本发明的一个具体优点是能够利用高cv/g粉末并在脱氧烧结处理(由于阳极线和阳极的经过压制的粉末之间的粘结失败，因此脱氧烧结通常不适合)中对高cv/g粉末进行处理。

如将实现的，在用于形成阳极的方法中提供这些和其它实施例，其中，该方法包括：将阳极线插入阳极粉末中，其中，阳极线的第一部分从阳极粉末延伸；对阳极粉末的一部分进行压制以形成具有第一密度的堆积区域；以及对阳极粉末的第二部分进行压制以形成具有第二密度的高密度区域，阳极线在第二部分中，其中，对第二部分的压制足以使第二部分中的阳极线变形。

提供又一个实施方案，在电容器中包括阳极。阳极包括经过压制的阳极粉末，阳极粉末包括具有第一密度的堆积密度区域和具有第二密度的高密度区域，其中，所述第二密度高于所述第一密度。阳极线延伸到所述高密度区域中，其中，所述阳极线在所述高密度区域中变形。

附图说明

图1是本发明的实施例的顶部透视示意图。

图2是本发明的实施例的侧视示意图。

图3是本发明的实施例的示意截面图。

图4是本发明的实施例的示意截面图。

图5是本发明的实施例的示意图。

图6是本发明的实施例的正面示意图。

图7是本发明的实施例的截面示意图。

图8是本发明的实施例的截面示意图。

图9是本发明的实施例的透视示意图

图10是本发明的实施例的截面示意图。

图11是本发明的实施例的图形表示。

图12是本发明的实施例的图形表示。

具体实施方式

本发明涉及将阳极线连接到阳极的改进的方法和由此形成的改进的电容器。

高电荷粉末和小的阳极特别关注优选为钽的阳极线与形成阳极连接的经过压制的粉末之间的连接。在相当的烧结温度下，高电荷粉末比低电荷粉末具有更高的体积收缩率并且更快地损失表面积。因此，为了利用高电荷粉末的高表面积，需要较低的烧结温度。较低的烧结温度导致接触点数量有限并且防止鲁棒连接。通过增加线的紧邻处的粉末密度，连接强度被显着提高。

本发明通过在粉末压制处理期间将阳极线附近的粉末压缩到物理地使ta线的一部分变形所需的程度来解决上述问题。将压制的压力增加到使阳极线变形所需的程度，在阳极线和经过压制的粉末之间形成牢固的粘结，从而允许使用高cv/g粉末和/或更小的阳极尺寸。增加的机械强度还允许在不降低阳极线和经过压制的粉末阳极之间的粘结的情况下，在最佳温度下烧结同时保持高内表面积。

本发明的又一个优点是能够减小延伸到阳极体中的阳极线的长度，从而增加相同体积的阳极内的阳极粉末的量。减少阳极内线的量也降低了线的成本。增加多孔阳极体中的粉末量对于小尺寸阳极尤其有利。

通过具有低压部分和高压部分的双密度压制来对其中包含阳极线的阳极粉末进行压制，其中，低压部分用于形成阳极粉末的堆积密度，高压部分在包含线的区域中。如将从进一步的讨论中更容易理解的，高压部分足够高以引起嵌入粉末中的优选的钽线的物理变形。虽然不限于此，但压缩比至少为2：1足以证明本发明具有拉伸强度显著增加的优点。在2：1的压缩比下，高密度区域被压缩到堆积密度区域的厚度的一半。

为了本发明的目的，变形的线被定义为其中变形区域中最长横截面长度比线的等效直径长至少10％的线。更优选地，变形区域中最长横截面长度比线的等效直径长至少15％，甚至更优选地，变形区域中最长横截面长度比线的等效直径长至少20％。等效直径是具有与线的垂直于长轴截取的横截面相同的表面积的圆的直径。

如本领域技术人员公知的，低压压制基于所期望的阳极堆积密度被选择。优选地，高密度区域具有高于堆积密度的密度，其中，高密度区域具有堆积密度的至少125％至200％的密度，其中，堆积密度是阳极的除高密度区域和过渡之外的那些部分的平均密度。高密度区域中的密度至少为堆积密度的150％是优选的。本领域技术人员将理解，最大密度是金属的理论最大密度，或对于钽为约16.7g/cc的密度。在实践中，超过理论金属密度的约90％是不实际的。

将参考形成本发明的整体、非限制性的组件的附图来描述本发明。贯穿各个附图，类似的元件将被相应地编号。

本发明的实施例被示意性地示出，并将参照图1至图5被描述。图1是顶部透视示意图，图2是侧视示意图，图3是垂直于施加在高密度区域的压缩力的截面图，图4是平行于施加在高密度区域的压缩力的截面图。为了说明和讨论的目的，图1至图4中的经过压制的粉末阳极10表示为矩形体，但不限于此。阳极线12从阳极体14延伸。阳极体的堆积区域16具有适合用作阳极的堆积密度，其中，优选的密度为从约5g/cc至约9g/cc。矩形体中的凹陷表示高密度区域18，其中，阳极线嵌入高密度区域中，其中，该区域中的阳极线是通过被施加高压以实现高密度区域的变形或扁平化的变形线。

在图5中以隔离视图示意性地示出了变形的阳极线。阳极线包括在变形区22上方的连接部分20，其中，连接部分从阳极体延伸并远离并且最终形成电容器的阳极端子。图示为扁平化的变形区域在粉末压制操作期间相对于连接部分或内部部分(如果存在的话)而变形。可选的内部部分24延伸到阳极体的内部。由于内部部分占据了本来填充有阳极材料的体积，因此优选地将内部部分最小化或消除。变形部分可以靠近出口面的边缘，其中，阳极线的第一部分从出口面的边缘延伸出，其中，变形区被称为边缘高密度区域或者它可以朝向阳极的中心定位，这将在本文中进一步讨论。

本发明的实施例被示出，并将参照图6至图8被描述。图6是正面示意图，图7是垂直于施加在高密度区域的压缩力的截面图，图8平行于施加在高密度区域的压缩力的截面图。在图6至图8中，高密度区域18经由另外的堆积密度区域16与出口面26分开。在图6至图8中，阳极线12的内部部分24没有明显地延伸到堆积密度区域中，从而使在阳极体体积中可用的粉末最大化。出于本发明的目的，与阳极线的出口面分开的高密度区域被称为插入高密度区域。

本发明的实施例被示出，并将参照图9和图10被描述。图9是透视示意图，并且图10是平行于施加在高密度区域的压缩力截取的截面示意图。在图9和图10中，多个高密度区域18被表示为经由中间密度区域28分开。中间密度区域具有低于高密度区域的密度，并且优选地，中间密度区域的密度至少与堆积密度相同。在一个实施例中，中间密度区域具有与堆积密度相同的密度。多个高密度区域在没有功能性阳极粉末显著损失的情况下提供了显着改善的粘附性。

利用本发明，扁平化线周围的高密度区域在不需要二次烧结和由此引起的化学组成的相关改变的情况下提供了强有力的线-粉末粘结。该方法可用于改善具有几乎任意可用的cv/g水平的广泛的粉末中的阳极的机械和电气性能，而焊接线的应用仅限于相对粗糙的粉末。

特别优选地，如no.8,349,030的美国专利中所述的，阳极经过脱氧-烧结处理，该技术被称为脱氧-烧结或d-烧结。这对高电荷粉末特别有益。在不受理论限制的情况下，假设在脱氧烧结期间粉末表现出较低的粉末收缩或甚至粉末膨胀。在传统烧结的情况下，假设收缩与线形成粘结，并且这种粘结在脱氧烧结中不能充分形成，这可由线容易与阳极体分离证明。不能在阳极体和嵌入阳极中的引线之间形成强粘附性限制了对低电荷密度粉末使用脱氧烧结，其中，引线可以焊接到预烧结的阳极上。在特别优选的实施例中，脱氧-烧结可以与高密度压实一起进行，而没有通常观察到的阳极线与经过压制的阳极粉末之间不良粘结相关的问题，从而允许使用高电荷密度的粉末以及允许被测量为电容(取决于电容器的体积)的较高的体积效率。

通过重量测量的拉伸强度是将阳极线从阳极拉出所需的力的量度。利用本发明可以实现超过10kg的拉伸强度，并且在一些示例中，拉伸强度足够高使得在从将线从经过烧结的阳极体成功地拉出之前发生ta线断裂。

阳极优选地包括阀金属或阀金属的导电氧化物，特别优选的阳极材料选自铝、钽和铌，其中，最优选的是钽。阳极上具有优选为阳极金属的氧化物的电介质。阴极位于电介质上，其中，阴极优选地选自二氧化锰和导电聚合物，并且最优选3,4-聚乙烯二氧噻吩(pedt)。电介质形成和由二氧化锰和导电聚合物形成阴极是本领域技术人员公知的，并且不需要在本文中的进一步阐述。

在相等表面积的情况下，如针对钽或者是阀金属(诸如铌)所确定的，阳极粉末优选地具有为至少100,000cv/g，更优选地至少200,000cv/g，甚至更优选至少400,000cv/g，最优选至少500,000cv/g的电荷密度。

通过使用具有比阀金属更高的氧亲和力的还原剂来完成脱氧烧结。优选的还原剂包括碱金属、碱土金属或铝。钙、镁和铝是优选的还原剂，其中，镁是最优选的。

在形成阳极的处理中，阀金属粉末被压制成粒料。向粉末中添加润滑剂或粘合剂是可选的，但是优选的。在压制期间中使用的润滑剂或粘合剂通过粒料改善了的密度均匀性并防止模具磨损。在压制期间中，阳极引线被嵌入粒料中。在压制期间，覆盖颗粒表面的原生氧化物在原始颈中结合，这抑制了随后的烧结处理。

如果使用了润滑剂或粘合剂，则通过在真空中加热或通过在含水洗涤剂中洗涤来除去润滑剂或粘合剂。通过在脱氧炉中以还原剂的熔点以上并且通常在900℃至1100℃范围的温度与还原剂反应，来对经过压制的阳极进行脱氧。这些温度远低于用于高压电容器中的粗粉末的常规烧结温度，其中，取决于粉末cv/g，所述粗粉末通常在1200℃至2100℃范围的温度内烧结。该第一脱氧处理从粉末(优选地从压制过程产生的粉末颗粒之间的原始颈中)除去大量氧。更优选地，经过压制的粒料与mg块或粉末置于坩埚中，并通过加热至镁的熔点以上来进行脱氧。

在一个实施例中，如no.7,731,893b2的美国专利所述的，通过还原剂(优选镁)对阳极进行脱氧，之后进行烧结。当将阳极从脱氧炉中取出并放置在烧结炉中时，阳极表面上的还原剂氧化物的密封层防止空气中的氧化。优选地通过沥滤来除去表面上的还原剂氧化物层。沥滤可以在含水无机酸中完成。用于除去mgo的特别合适的洗涤溶液是硫酸和过氧化氢的稀水溶液。在其它实施例中，在no.8,349,030b1的美国专利中所描述的，经过脱氧和沥滤的阳极在烧结炉中在烧结温度下(等于或略低于常规使用的烧结温度)在真空中经历烧结。烧结温度优选为约1,200℃至约1,800℃并且通常为约1500℃。在烧结之后，优选地通过焊接将引线附接到经过烧结的阳极，并且优选对阳极进行第二脱氧处理和沥滤步骤，其中，还原剂的氧化物在沥滤步骤中被除去。尽管在适合于将还原剂的氧化物从表面除去的条件范围内可以使用不同的条件，但是为了便于制造，第二脱氧步骤和沥滤步骤优选地在与第一脱氧和沥滤相同的条件下进行。

为了形成电容器，阳极被阳极化处理以在表面上形成电介质，其中，电介质优选地是阀金属的氧化物。阳极化处理是本领域公知的，并且本文中阳极化处理的方法没有特别限制。在不脱离本发明范围的情况下可以引入其它电介质，但是阳极的氧化物在本领域中被广泛使用。

在电介质上形成阴极层。阴极是导电层并且可以由诸如导电噻吩的导电聚合物形成，其中，聚乙烯二氧噻吩是用于说明本发明的示例。其它阴极层(诸如作为导电半导体的二氧化锰)适用于证明本发明。如本领域技术人员所公知的，通过涂覆或原位聚合形成阴极。

众所周知，外部端子难以在阴极上形成，特别是导电聚合物阴极，并且通常包括附加层以有助于端子。特别地，用金属层(诸如银或镍)涂覆的碳层适合于本发明的示范。如本领域技术人员所公知的，通过涂覆和/或电镀形成碳层和金属层。

通常对电容器进行最后精细加工，其中，最后精细加工可包括：与阳极线电接触的外部阳极端子的附接、与阴极电接触的外部阴极端子的附接、密封进绝缘体中、测试、封装等。

真空是指低于大气压的压力。在实践中，不超过(10^-4atm)的压力适合于证明本文的教导。惰性气体是指非反应性气体或排除诸如氧气的氧化剂的气体。特别优选的惰性气体包括氮气、氩气、氦气和氖气。最优选的是氩气。氮气可以在高烧结温度下形成氮化物，特别是与钽一起形成氮化物，因此不太优选。

示例

示例1：

使用200,000cv/g的钽以相同的方式制备一系列钽阳极。大部分阳极被压制至6.75g/cc的密度，以形成尺寸为约5.20mm(0.206″)宽、5.49mm(0.216″)长和1.14mm(0.045″)厚的单片矩形阳极体。贯穿示例，对照样品没有进行比用于实现堆积密度的进一步压制。在本发明的样品中，线附近的粉末以约2：1的压缩比被压制或被压制到使粉末中0.381mm(0.015″)直径的线变形所需的程度。结果是如图1中示意性所示的其中包括阳极线的经过压制的粉末阳极。对于本发明的阳极，粉末是经过脱氧烧结的。对于采用了真空烧结的对照样品，由于阳极经历脱氧烧结而劣化，导致阳极线容易与阳极分离，因此不可能进行进一步的测试或者进一步的测试具有最小的值。电介质在40伏特下形成。表1中提供了样品的拉伸强度，其中，改进的线拉伸强度说明了本发明的优点。电荷的增加证明了脱氧烧结的优点，从而使用相同的钽粉提供电荷密度的显著增加。

表1：

示例2：

使用如表2中所示的各种电荷密度的钽粉以相同的方式制备一系列钽阳极。大部分阳极被压制至如表2中报告的密度，以形成尺寸为约2.39mm(0.094″)宽、1.78mm(0.070″)长和0.48mm(0.019″)厚的单片矩形阳极体。对照样品中没有进行进一步压制。在本发明的样品中，线附近的粉末以约2：1的压缩比被压制或被压制到使粉末中0.300mm(0.0118″)直径的线变形所需的程度。电介质在如表2所列的形成电压(vf)下形成在阳极上。阳极的电性能被测试。阳极附近没有压制有粉末但经过脱氧烧结的对照由于阳极线与阳极体分离而失败，因此不能获得电结果。

表2：

表2中示出的结果证明了本发明的优点，本发明允许使用脱氧烧结的同时仍然实现了阳极体和阳极线之间相当的粘结强度。因此可以在等效的形成电压下实现湿泄漏(湿lkg)的改善。

示例3：

如使用200,000cv/g的钽粉制备一系列如示例2所示的钽阳极。粉末被压制至6.75g/cc的密度，并且线附近的高密度部分以约2：1的压缩比被压制。在该示例中，高压从如图9和图10所示的出口点偏移，使得堆积密度区域位于高压区域和阳极线伸出的面之间。对照不具有高密度区域，并且整个阳极被压制至与本发明示例的堆积密度相同的密度。形成的阳极为具有尺寸为3.56mm(0.140″)宽、5.08mm(0.200″)长、20.65mm(0.813″)厚的w尺寸壳体，或者具有尺寸为5.23mm(0.206″)宽、长5.49mm(0.216″)、1.14mm(0.045″)厚的h尺寸壳体。使用直径为0.381mm(0.015″)的钽线。样品在脱氧烧结处理中被烧结。如表3所报告的，一些样品被用于确定平均线拉伸强度，并且其它样品被用于确定在各种电介质形成电压下的平均电性能。对于w壳体尺寸对照，导线未充分结合到阳极以实现电气结果。针对经过仔细处理过的h壳体尺寸对照获得了电气结果，然而，拉力强度不足以考虑在可行的产品中并且大多数失败都是灾难性的，因此，由于有限的组是可测试的，对于h壳体尺寸对照，线拉伸强度的结果是人为偏斜的。表3中报告了在各种电介质形成电压(vf)下的电荷和湿泄漏的结果。

表3

表3中示出的结果证明了本发明构思的优点，特别是利用在线周围进行高密度压制和脱氧烧结可实现的协同作用。特别地，利用给定的粉末，在等效的形成电压下的情况下可以获得更高的电荷以及更低的湿泄漏。

示例4：

使用具有如表4所示的标称电荷的钽粉制备如示例2中的一系列阳极。阳极以如表4所示的密度被压制为2.26mm(0.089″)宽、1.63mm(0.064″)长、1.04mm(0.041″)厚的b-1壳体尺寸或2.13mm(0.084″)宽、1.52mm(0.060″)长，0.99mm(0.039″)厚的b-2壳体尺寸。对于b-1壳体尺寸，直径为0.30mm(0.0118″)的钽线被使用。对于b-2壳体尺寸，直径为0.19mm(0.0074″)的钽线被使用。阳极在表4中报告的温度下被真空烧结。平均线拉伸强度和平均体积收缩率被确定并被报告在表4中。

表4

示出偏移缩进(其中，高密度区域没有到达线出口面)的优点的附加结果以图形形式提供在图11中，其中，图11示出拉伸强度与体积收缩。表4和图11中所示的结果示出了在阳极线附近的高密度压缩区域的优点，其中，在相同的体积收缩水平下，线拉伸强度得到改善并因此产品鲁棒性得到改善。

示例5：

使用具有电荷为200,000cv/g的钽粉制备一系列阳极。每个样品被压制到6.75g/cc的密度并成为围绕具有0.381mm(0.015″)直径的阳极线的尺寸为3.56mm(0.140″)宽、5.08mm(0.200″)长和0.813mm(0.032″)厚的矩形阳极。阳极被脱氧烧结。对照没有被进一步压缩。如相对于图9和图10所示和所述的，本发明的样品被多次高密度压缩并且在高密度压制区域之间被中密度压缩。本发明示例示出了线拉伸强度为6.04kg，并且在40伏下形成电介质之后后，观察到在50hz下电荷为79,039cv/g并且湿泄漏为0.20na/cv。与阳极分离对照未被进一步测试。在图12中提供了在高密度区域内具有多个压痕的附加样品。

已经参考优选实施例描述了本发明，其中，本发明不限于所述优选实施例。本领域技术人员将认识到另外的实施例和替代，所述另外的实施例和替代在此没有具体说明，但是仍在所附权利要求中所阐述的本发明的范围内。