专利名称：固态电容器的阳极体的成形方法
技术领域：
本发明涉及固态电容器领域，具体地说涉及那种有用多孔阀作用材料诸如钽、 铌或一氧化铌成形的阳极体的电容器。
背景技术：
采用以下步骤制造固态电容器是己知的1)用诸如钽的阀作用材料成形多孔 阳极体；2)在阳极体的暴露表面上成形介电层；3)在介电层上成形阴极层；以及 4)成形与阴极层导电接触的阴极端子以及成形与阳极体导电接触的阳极端子。阳 极端子可包括埋置在阳极内并有从电容器伸出的自由端的钽丝。采用多孔阳极体可使电容器的每个单位体积有很高的表面面积，并使得能够生 产非常小的高电容电容器。在已有技术的典型方法中，阳极体通过提供混入诸如脂 肪酸之类的粘合剂/润滑剂的钽粉末的所谓混合物"生坯"来成形。将这种混合物 在模子内成形为一定的形状。在某些实施例中，可将阳极模制成包围着导线(用诸 如钽丝的兼容材料制成的)，该导线随后将用作电容器的阳极端子。然后通过把阳 极体生坯加热到低于其熔点的温度对其进行烧结，但是在这个温度下可使微观接触 的粉末熔化而形成互相连接的多孔基体。在烧结过程中粘合剂/润滑剂被烧掉，或 可能需要在进行烧结之前通过浸在诸如氢氧化钠的碱性溶液中而把粘合剂/润滑剂 从阳极体生坯溶解出来。这种浸出方法比烧掉好，因为在烧掉过程中形成的碳残留物可能妨碍制成有用的电容器。我们的PCT公报WO98/30348描述了这样的浸出 方法。尽管如此，源于粘合剂/润滑剂材料的残留碳沾染物还是可能会使最终制成 的电容器的性能有问题和失效。US-A-5,357,399揭示了一种用于在晶片基板上制造多个固态电容器的方法。它 是通过在烧结在基板上的多孔的阀作用材料层上机械加工出沟槽阵列来形成个体 阳极体。作为那种方法的变化方案，WO01/11638揭示了一种在基板上成形阳极体 的方法，在这种方法中，采用多个阴模和对应的阳模把多个模制的阳极体成形并定 位在基板上，借以避免釆用机械加工步骤。近来，铌在作为电容器阳极材料方面已经成为钽的有用的替代品。这种应用是 由于可以廉价地利用把五氧化铌还原至元素状态(氧化指数=0)而得到的足够纯的铌材料。EP-A-0946323中揭示了铌粉末和用其制造的电容器。更近来，已经提出用次氧化铌特别是一氧化铌作为电容器阳极材料。 一氧化铌 (NbO)是在有金属铌和诸如氢的还原剂存在的条件下对五氧化铌进行还原而形成 的。金属铌被氧化成一氧化铌，而同时五氧化铌被还原。这种方法和用一氧化铌制 造的电容器揭示于EP-A-1115658。 一氧化铌有金属的性质，还有阀作用能力，包 括能够在其上形成五氧化铌的介电层，以致允许很容易地生成用在固态电容器内的 介电层。就本文所用而言，电容器等级的次氧化铌不是仅指化学上理想配比的一氧化铌 形式Nbd)O(,)，而是一般地包括铌.的氧化物NbOx，其中0.7々<1.3。有利的是，氧 化铌粉末或阳极体可以有500到20000ppm的容积氮含量，且优选的是1000到 8000ppm。氮可以在松散材料中作为Nb2N催化剂而存在。当前还在继续研发用在高性能电容器中的钽粉末，这类高性能电容器要求更高 的表面面积(CV/g)和更高的击穿电压(BDV)。在更高的表面面积的研发中，需 要降低最初的粉末粒度。这可能对物理过程特性有不利的影响，包括容易流动、斯 柯特密度(松散密度)、以及生坯(原始)强度和内聚强度。还有，在除去粘合剂 过程中的生坯成形后强度(褐件强度)以及烧结后的压碎强度也都受影响。为了降低这些物理特性的不利影响，要求新技术能够有助于多孔阳极体在烧结 和电解成形之前的制造。在通过模压阳极材料粉末而成形阳极体中，采用粘合剂会引起某些在后续工艺 过程中与粘合剂的成功和完全除去相关的问题。常规的模制工艺要求釆用粘合剂/ 润滑剂，以使阳极体粉末柱生坯有结构完整性，以及润滑模制模具而便于脱模。如 果完全不用粘合剂/润滑剂，可能会导致阳极体在模压生坯成形之后发生开裂或垮 塌。
发明内容
., 本发明旨在提供一种阳极体成形方法，这种方法允许采用较少的粘合剂/润滑 剂，但不会引起模具的过度磨损，也不会引起阳极体因缺少粘合剂而开裂。按照本发明的一个方面，提供了一种用阀作用材料成形电容器阳极体的方法，这种方法包括以下步骤提供阀作用材料的电容器等级的粉末； 把粉末充入模压设备；压实充入模压设备里的粉末以使之成形为阳极体的形状；通过例如烧结所述材料使阳极体的形状稳定以形成互相连接的多孔体，其特征在于，这种模压过程包括采用润滑装置，该润滑装置适于局部地施加润 滑剂以润滑阳极体的外表面和模压设备的模压表面之间的界面。通过把润滑剂直接施加于模具和阳极体生坯的最需要润滑剂的各部分，可以大 大地降低必须添加于阀作用材料的粘合剂/润滑剂的量。事实上，就钽粉末而言， 已经惊人地发现，完全可以不必混入粘合剂/润滑剂。这是因为钽粉末在有外部润 滑剂存在条件下的压实可使阳极体生坯有足够的结构完整性，其可被机械手拿取并 送到烧结工位而不会丧失结构完整性。对于仍然缺乏结构完整性的材料，可以混入少量的粘合剂/润滑剂。然而，在 后续的工艺过程中，尤其是在烧结过程中，很容易将混入的粘合剂/润滑剂除去， 所以其不大可能沾染阳极体。这种方法还允许采用磨损性的材料，诸如那些长时间使用就可能磨损模压设备 的粉末材料。 一氧化铌就是磨损性很大的材料之一例，因此对于这类材料，采用外 部施加的润滑剂可防止模压设备的加速磨损。润滑剂最好是液体，诸如油。 一种优选的润滑剂是PEG400 (聚乙二醇400)。 或者，润滑剂可以是能够在工作压力或温度下变成液体的材料，诸如石蜡。润滑装置可适于依靠毛细管供给或重力供给或最好是两者的组合把润滑剂施 加于模压设备。液体润滑装置可包括接触式储存池，其可提供润滑剂接触表面，而这个接触表 面就是模压设备的润滑剂源。在一个实施例中，润滑剂是液体，而储存池里装有保 持被吸附的润滑剂的材料，例如毛毡或纺织品之类的纤维材料，或海绵之类的多孔 泡沫材料。在一个优选实施例中，模压设备的运动件可接触润滑剂接触表面，该运动件可 相对于润滑剂接触表面运动并进入模腔，从而可把润滑剂输送到模腔表面上。模压设备可包括阴模和阳模组合，在该组合中，阴模限定阳极体的断面形状， 而阳模的作用是压实阴模里的材料。在一种最佳的布置中，阳模还以独立的动作把 压实成形的阳极体推出阴模。在本发明的另一方面，运动件是阳模。以这种方式，阳模用于蘸取润滑剂并将其送到模具内。阳极体通过接触被润滑剂湿润的模具表面而得到润滑。对压实成形的阳极体，在其被从模子里推出并输送到制造过程中的烧结工位之后，进行烧结而使之稳定化。在本发明的再一方面，被压实在模压设备里的阀作用材料没有混入的润滑剂，所以模压过程中的整个润滑基本上是由局部施加的润滑装置来提供的。在本发明的再一方面，阀作用材料可以有混入的附加润滑剂，所以模压过程中的润滑是由局部施加的润滑装置和混入的附加润滑剂来提供的。阀作用材料包括钽金属或铌金属或能导电的次氧化铌，诸如一氧化铌。 在一种优选的布置中，模压设备包括多个成对的阴模和阳模，因而可在同一个模压设备上并行地成形多个阳极体。本发明的方法可结合于用阀作用材料制造固态电容器的方法，其包括以下步骤用前面所述的方法成形多孔的阳极体；在阳极体的暴露的表面上成形介电层；在介电层上成形阴极层；以及，成形与阴极层导电接触的阴极端子以及与阳极体导电接触的阳极端子。
,下面参照附图举例说明本发明的一种实施方式，各附图中 图1是用于实现本发明的设备的侧视剖视图； 图2表示出图1的设备，其中已充装了钽粉末； 图3表示出图1的设备正处于模压行程过程中； 图4表示出图1的设备正处于导线进给行程过程中；以及 图5表示出图1的设备正处于切断行程过程中。
具体实施方式
图1以附图标记IO总地表示出电容器模压机。该模压机包括上模压件11，它是用工具钢制成的大致柱状的块体。上模压件11成形有悬垂的环肩12，该环肩限 定了模具的有平的模压表面14的圆柱状上压头13。对中的阴模15也是柱状的，其成形有对中的模腔16、上表面17和下表面18。 阴模15的下表面19邻抵润滑剂储存件20。润滑剂储存件20是环形的，有中央孔21和高起的环形突缘22。内部的环形 突缘23限定了环槽24，该环槽延伸围绕润滑剂储存件20的内部上表而25的外边缘区域。该环槽用作润滑剂储存池，润滑剂依靠重力由润滑剂柜30供应并通过供给孔31进入润滑剂储存件20。环形的第一泡沫材料毛细管层33装在润滑剂储存 件20的环形突缘22内，邻抵内部环形突缘23的顶面。环形的第二泡沫材料毛细 管层34设置成邻抵并叠置在第一环形毛细管层35的顶面上。第一毛细管层是用相 对致密的开孔多孔泡沫材料制成的，而第二毛细管层34是用相对粗糙的开孔多孔 泡沫材料制成的。每个毛细管层分别成形有中央孔35、 36，这两个孔紧密地滑动 接触于阳模件40的圆柱形外表面37。阳模件包括圆柱形底座41，而底座41成形有向上竖立的第一环肩42。第一环 肩42可插进润滑剂储存件20的底部39上的孔21内。向上竖立的第二环肩44限 定了细长的圆柱形阳模48的上端47，而阳模48有圆柱形外表面37。阳模件成形 有竖直的轴向中心孔45。阳极导线46可穿过中心孔45。阳极导线以精密的滑动配 合与中心孔45紧密地滑动接触。导线由线巻50供给。可往复运动的切断刀51布置成可选择性地滑过对中的阴模15的上表面17。 切断刀51成形有楔形的前端形状，其限定了切断刀的刀刃52。切断刀安装在传动 杆53上，传动杆53可被驱动而将切断刀推过或拉过阴模的上端面，如图中的双向 箭头所示。阳极体60表示为圆柱形的粉末柱，阳极导线46的上端部分61埋在其内。 下面说明模压机的工作步骤。如图2所示，松散的电容器等级钽粉末70被充 装入模腔16内。充入的钽粉末覆盖阳极导线的竖立的自由端61。阳模48带着阳 极导线被向上推进模腔16。悬垂的上压头13被驱动而向下移进模腔16的上端区 域。如图3所示，模腔、上压头和阳模约束并压实充入的钽粉末，而模压成作为生 坯的(未烧结的)圆柱形阳极体60。然后，上压头从阴模的上端区域向上退回，如图4所示。阳模在阴模内进一步 向上运动直到其上端面与阴模的上表面17齐平。然后进一步进给导线而将阳极体 生坯60顶起，以便把一段阳极导线71暴露于阳模的上表面之上。在图5中，切断刀51被驱动而越过阴模的上表面在伸出的那段阳极导线71 的根部将其切断，并将切下的阳极体推向阴模的一侧而便于被收集起来，例如落在 收集篮子(未示)内。然后，阳模被向下退回到图2所示的位置，这样，模腔就为钽粉末的下一次充 装做好了准备，模压过稃可秉复进行。应能理解，在退回和推上阳模48时，润滑剂由于接触表面36、 37而被从上和 下泡沫材料层33、 34吸出并通过毛细管作用从储存池得到补给。润滑剂被向上传 送并沉积在模腔16的圆柱形内表面37上。在模压循环过程中，周期性的涂敷这样 的润滑剂层，并且润滑剂连续地得到补给。由于润滑剂仅接触被成形的阳极体的外表面区域，阳极体的受沾染程度就仅限 于表面。这样的润滑剂表面涂层只通过烧结或在烧结成最终完整的阳极体之前进行 清洗就可被完全除去。本发明可使将被烧结的阳极体充装粉末里的粘合剂/润滑剂的含量大大降低。 在某些情况中，甚至可以做到完全不用粘合剂/润滑剂。由于在烧结之后源于润滑 剂的碳残留物不大可能仍然存在，所以可使生产的阳极体的性能得到改善。在模压多孔阳极体的过程中釆用外部润滑剂，可降低被模压的阳极体和模压机 (例如模压工具即阴模的壁面)之间的摩擦。本发明提供的优点可具体地表现在三 个主要方面阳极体的质量高，电性能好，以及制造成本低。阳极体的质量严重地影响着电性能和产品合格率。完美的阳极体应该是没有缺 陷的，尺寸上正确的，以及在大批量生产中具有很好的重复性。达到最好的阳极体 质量的关键参数之一是要有高的阳极体生坯强度、褐色阳极体(除去了粘合剂/润 滑剂)的强度、以及烧结的阳极体的压碎强度。给粉末混合物添加少量粘合剂和/ 或润滑剂的主要优点是可增大粉末混合物的流动性。但是，由于各粉末颗粒个体都 被涂上了粘合剂和/或润滑剂而不利于在压实过程中颗粒之间的微观冷焊接，所以 添加粘合剂和/或润滑剂的作法通常会降低压实的阳极体的压碎强度。通过除去粘 合剂和/或润滑剂，可以提高阳极体生坯和褐色阳极体的压碎强度，可使阳极体不 出现开裂或粉末脱落，这又可防止其它模压缺陷的出现。采用粘合剂和/或润滑剂还可能引起另一个模压缺陷，就是混合的粉末可能会 粘着于模压工具(例如阳模)的表面。混合的粉末可能会累积在阳模上而形成拱顶， 这会使被模压的阳极体的任一端面形成凹坑。这样的凹坑可能导致密度和尺寸的变 化，而这将影响制成的电容器的总体电容。阴模壁面自身的润滑或与混合在粉末混合物中的粘合剂和/或润滑剂相关的润 滑，对于压制直径高度比非常大的阳极体，还可扩大粉末的压制能力。直径高度比 非常大的阳极体可用于制造"低矮的"电容器，这种电容器的高度降低了，但其可 具有与普通电容器相同的性能。低矮的电容器是便携式设备诸如笔记本电脑和移动 电话手机中所需要的。肓径高度比大的阳极体有增大的表面面积对体积之比，但是随着表面面积增大，阳极体和阴模壁面之间的摩擦也增大。阴模壁面的润滑可降低 这样的摩擦并增大压制直径高度之比较大的阳极体的能力，这是已有技术做不到 的。采用阴模壁面润滑得到的阳极体质量的全面改善可直接或间接地影响制成的 电容器的电性能。阴模壁面润滑，由于其在压制多孔阳极体时消除了对任何粘合剂 和/或润滑剂的需要，可大大地降低碳沾染。源于粘合剂/润滑剂的不能完全除去的 碳残留物构成电容器制造过程中的最大已知沾染源之一。这些碳残留物，如果是留 在阳极体上，将在烧结步骤中扩散到阳极体内并随后在电容器成形过程中并入介电 物质。高的碳残留物含量已经被证明为是电容器的大的漏电流的众所周知的根源， 而漏电流既影响电容器的性能又影响其长期使用的可靠性。通过审慎地选择适当的阴模壁面润滑剂，诸如水溶性的PEG400，可以在烧结 之前通过清洗很容易地将其从阳极体表面除去，例如用温度为约8(TC的清水进行 清洗。这样就可使阳极体的表面没有碳了。阴模壁面润滑还可用于改善用粉末压制的压碎强度和/或结块强度低的阳极体 的表面粗糙度和表面组织。在压制过程中那些粉末容易变形而形成光滑的阳极体表 面。光滑的阳极体表面对于制造好的电容器是非常不利的，因为其可能促使外面的 阴极(Mn02)层脱离阳极体，这将使电容器不适于使用。对这样的粉末釆用阴模 壁面润滑可降低表面的粉末的容易变形的倾向，而维持开孔的阳极体表面。这有助于外面的Mn02涂层对阳极表面的结合。电容器制造厂家的关键的研发方面在于生产用于高频电子设备的低当量串联 电阻(ESR)的电容器。复杂形状的(表面有波纹的)阳极体可提供增大的外表面 面积并有助于使ESR降低达30X。增大的表面面积还可在压制过程中增大阳极体 和阴模壁面之间的摩擦并限制可被成功地压制的阳极体的长度。外部施加的润滑允 许压制较长的波纹表面的阳极体，而能进一步降低ESR或增大制成的产品的电容 值。采用阴模壁面润滑的直接效果是可改善模压的阳极体的质量和尺寸控制，因而 提高阳极体的产品合格率。几乎没有阳极体被报废，这可节省昂贵的电容器粉末， 以及可降低每个制造单位的劳动力成本和管理成本。用于模压的阴模不会产生快速 磨损而能够在更长的使用时间保持在尺寸允差范围内，因此阴模的寿命可以延长， 从而也可节省其它材料。
权利要求
1.一种在固态电容器的制造中用阀作用材料成形阳极体的方法，所述方法包括以下步骤提供所述阀作用材料的粉末；将所述粉末充入模压设备；压实所述模压设备里的所述粉末以使之成形为阳极体的形状；通过例如烧结所述材料使所述阳极体的形状稳定以形成互相连接的多孔体，其特征在于，这种模压过程包括采用润滑装置，所述润滑装置适于局部地施加润滑剂以润滑所述阳极体的外表面和所述模压设备的表面之间的界面。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述润滑装置依靠毛细管供给 把润滑剂施加于所述模压设备。
4. 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述液体润滑装置依靠重 力供给把润滑剂施加于所述模压设备。
5. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述液体润滑装置包括 接触式储存池，该接触式储存池提供润滑剂接触表面，而该接触表面就是所述模压 设备的润滑剂源。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体，以及所述 储存池内装有保持被吸附的润滑剂的材料。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述吸附材料是诸如毛毡或纺 织品之类的纤维材料或诸如海绵之类的多孔泡沫材料。
8. 如权利要求5到7中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述润 滑剂接触表面被所述模压设备的运动件接触，该运动件相对于所述润滑剂接触表面 运动并进入模腔，借以把润滑剂输送到模腔表面上。
9. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述模压设备包括阴模 和阳模组合，在该组合中，所述阴模限定所述阳极体的断面形状，而所述阳模的作 用是压实所述阴模内的材料。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阳模还把被压实成形的阳 极体推出所述阴模。
11. 如权利要求8以及如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述 运动件是所述阳模。
12. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述被压实的阳极体被从模子本体推出之后通过对其进行烧结而使其稳定化。
13. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述模压设备中被压 实的所述阀作用粉末没有混入的润滑剂，所以模压过程中的全部润滑基本上是由所 述局部施加的润滑装置来提供的。
14. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述阔作用粉末没有混 入的润滑剂，所以模压过程中的全部润滑基本上是由所述局部施加的润滑装置来提 供的。
15. 如权利要求1一13中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述阀 作用粉末有混入的附加润滑剂，所以模压过程中的润滑是由所述局部施加的润滑装 置和所述混入的附加润滑剂来提供的。
16. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述阀作用材料包括钽 金属或铌金属或能导电的次氧化铌。
17. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，在压实之后和烧结之前， 对所述阳极体通过使其接触浸出介质进行清洗以除去润滑剂。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述浸出介质是温度高于室 温且优选的是约为8(TC的水。
19. 如前面任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述模压设备包括多个 成对的阴模和阳模，它们被安排成一起工作，因而可在同一个模压设备上并行地成 形多个阳极体。
20. —种用阀作用材料制造固态电容器的方法，所述方法包括以下步骤 用前面任一权利要求所述的方法成形多孔的阳极体； 在所述阳极体的暴露的表面上成形介电层； 在所述介电层上成形阴极层；以及成形与所述阴极层导电接触的阴极端子以及与所述阳极体导电接触的阳极端子。
全文摘要
本发明涉及固态电容器领域，具体地涉及那种有用多孔阀作用材料诸如钽、铌或次氧化铌成形的阳极体的电容器。按照本发明的一个方面，提供了一种用阀作用材料成形电容器阳极体的方法，这种方法包括以下步骤提供阀作用材料的电容器等级的粉末；把粉末充入模压设备；压实充入模压设备里的粉末以使之成形为阳极体的形状；通过例如烧结所述材料使阳极体的形状稳定以形成互相连接的多孔体，其特征在于，这种模压过程包括采用润滑装置，该润滑装置适于局部地施加润滑剂以润滑阳极体的外表面和模压设备的模压表面之间的界面。通过把润滑剂直接施加于模具和阳极体生坯的最需要润滑剂的各部分，可以大大地降低必须添加于阀作用材料的粘合剂/润滑剂的量。事实上，就钽粉末而言，已经惊人地发现，完全可以不必混入粘合剂/润滑剂。这是因为钽粉末在有外部润滑剂存在条件下的压实可使阳极体生坯有足够的结构完整性，其可被机械手拿取并送到烧结工位而不会丧失结构完整性。
文档编号H01G9/052GK101258572SQ200680032272
公开日2008年9月3日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月2日
发明者C·麦克瑞肯, N·P·格兰特 申请人:Avx有限公司