低型面多阳极组件的制作方法

文档序号:10614320
低型面多阳极组件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种当接触到高纹波电流时有效散热的电容器组件。所述组件包括多个电容器元件,每个电容器元件包括阳极体、阳极引线、覆盖所述阳极体的介质层以及固体电解质。每个电容器元件由上主表面、下主表面以及第一相对的次表面与第二相对的次表面限定。所述主表面的表面面积大于所述相对的次表面的表面面积。具有长度、宽度及高度的密封的壳体限定了内空腔,所述多个电容元件设置在所述内空腔内。所述长度与所述高度的之比为约2至约80。此外,每个电容元件的所述下主表面面向所述壳体的底壁,其中所述底壁由所述壳体的长度及宽度限定。
【专利说明】低型面多阳极组件
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2015年3月13日提交的美国专利申请序列号14/657,194的优先权, 其全文通过引用并入本文。
[圆]发明背景
[0004] 电容器设计的许多具体方面都集中在提高用于电子电路中的电容器在极端环境 中的性能特征,例如汽车应用中,包括防抱死制动系统、引擎系统、安全气囊、客舱娱乐系统 等。固体电解电容器(例如粗电容器)为电子电路的小型化做出了主要贡献,并使此种电路 应用于极端环境成为可能。传统的固体电解电容器是通过围绕金属引线压制金属粉末(比 如粗),烧结压制部件,阳极氧化烧结的阳极,然后涂覆固体电解质并形成一电容器元件而 形成的。在汽车应用中,电容器组件可能需要在高电容(比如约100微法拉至约500微法拉), 在高电压(比如约50伏至约150伏)下工作,持续暴露在高溫(比如约100°C至约150°C)及高 纹波电流(比如约25安培至约100安培)中,而不会出现故障。由于电容器组件暴露在高纹波 电流中可能导致电容器组件内产生高溫,如果不能充分地散热,电容器组件可能会损坏,降 低其可靠性。当采用多个电容器元件形成具有足够高的电容的电容器组件时,该问题就更 加复杂。正因如此,已经有人尝试减小包含多个电容器元件的电容器组件的等效串联电阻 化SR),运是因为减小的ESR与电容器组件散发其接触高纹波电流时产生的热量的能力对 应。
[0005] 然而,目前需要运样的电容器组件,当其暴露在高纹波电流环境中时具有改善的 ESR及散热性能,且也能够在高溫及高压下可靠地工作,尤其是当电容器组件包含多个电容 器元件时。

【发明内容】

[0006] 根据本发明的一个实施方案,公开了一种电容器组件。该电容器组件包括多个电 容器元件,每个电容器元件包括烧结的多孔阳极体,覆盖阳极体的介质层W及覆盖介质层 的固体电解质。阳极引线从每个电容器元件中延伸出来,每个电容器元件由上主表面和下 主表面、第一相对的次表面W及第二相对的次表面限定。上主表面与下主表面的表面面积 均大于每个相对的次表面的表面面积。
[0007] 电容器组件还包括具有长度、宽度及高度的壳体,其中长度与高度之比的范围是 约2至约80。该壳体密封并限定了内部空腔。多个电容器元件放置于内部空腔中,其中每个 电容器元件的下主表面面向壳体的底壁,而且其中底壁由壳体的长度及宽度限定。
[000引电容器组件进一步包括与每个电容器元件的阳极引线电连接的外部阳极端子W 及与每个电容器元件的固体电解质电连接的外部阴极端子。
[0009] W下更详细地阐述了本发明的其他特征及方面。
【附图说明】
[0010] 参考附图,在说明书的余下部分中将为本领域的普通技术人员更具体地阐述本发 明的完整和可实施的公开内容,包括其最佳实施方式,其中:
[0011] 图1是本发明的电容器组件的一个实施方案的透视图;
[0012] 图2是本发明的电容器组件的另一实施方案的仰视图;
[0013] 图3是本发明电容器组件中使用的多个电容器元件之一的透视图;
[0014] 图4是本发明的电容器组件的一个实施方案的俯视图;
[0015] 图5是本发明的电容器组件的另一实施方案的俯视图;
[0016] 图6是本发明的电容器组件的另一实施方案的俯视图;
[0017] 图7是图4与图5中的电容器组件的壳体的一个实施方案的仰视图,示出了外部阳 极端子及外部阴极端子;
[0018] 图8是图6中的电容器组件的壳体的一个实施方案的仰视图,示出了外部阳极端子 及外部阴极端子;
[0019] 图9是本发明的电容器组件的一个实施方案的透视图,其中已移除盖子W示出封 装在壳体内的电容器元件的至少一部分的可选封装材料。
[0020] 本说明书及附图中重复使用的附图标记意在表示本发明的相同或相似的特征或 元件。
【具体实施方式】
[0021] 本领域的普通技术人员应当理解,本公开内容仅描述了示例性实施方案,并非意 在限制本发明的更广义的内容,该更广义的内容体现在示例性构造中。
[0022] 总体而言,本发明设及在极端条件下使用的包含内置有多个电容器元件的壳体的 低型面电容器组件。该电容器组件可能需要承受高达100安培的纹波电流,经受100°c或高 于100°C的溫度,并可W用于高压环境中,比如额定电压为约50伏或高于50伏。该电容器组 件之所W为低型面(low profile)是因为壳体的长度与壳体的高度之比的范围为约2至约 80。为了在上述环境下有助于实现良好性能,在本发明中对该组件的各个方面进行了控制, 包括电容器元件的数量、电容器元件的布置方式及并入该组件的方式W及电容器元件的形 成方式。例如,为了有助于减小该组件的ESRW改进该组件的散热性能并同时提高整体电 容,电容器元件可W并联电连接。为了进一步有助于提高该组件的散热性能,多个电容器元 件置于壳体内,W使电容器元件与壳体(例如,在壳体的由其长度与宽度限定的底壁)的接 触表面面积最大,运可W使与壳体接触的电容器元件的主表面的总表面面积与壳体的容积 之比范围为约0.OSmnfi至约0.3mnfi。除了 W某种方式连接并置于壳体内,例如在特定实施 方案中并联连接,电容器元件也被封闭并密封在壳体内,W限制供应给电容器元件的固体 电解质的氧气及湿气量。限制供应给固体电解质的氧气及湿气量可有助于进一步减小电容 器组件的ESR,从而提高散热性能。
[0023] 现在将更详细地对本发明的各种实施方案进行说明。
[0024] I.电容器元件
[0025] A.阳极
[0026] 每个电容器元件的阳极通常由阀金属粉末形成。该粉末的比电荷为约每克2000微 法拉*伏(yF*V/g)至约500000yF*V/g。如本领域已知的,比电荷由电容乘W所用的阳极氧化 电压,再将该乘积除W阳极化之前的电极体的重量而得。在某些实施方案中,该粉末可W有 较高的比电荷,例如约70000iiF*V/g或更高,在一些实施方案中,约8000化F*V/g或更高,在 一些实施方案中,约90000iiF*V/g或更高,在一些实施方案中,约100000至约400000iiF*V/g, 在一些实施方案中,约150000至约350000iiF*V/g。当然,该粉末也可能具有较低的比电荷, 例如约7000化F*V/g或更低,在一些实施方案中,约6000化F*V/g或更低,在一些实施方案 中,约5000化F*V/g或更低,在一些实施方案中,约2000至约4000化F*V/g,在一些实施方案 中,约5000至约35000yF*V/g。
[0027] 该粉末可W包含单个颗粒或此种颗粒的团聚体。形成该粉末的化合物包括阀金属 (即能够氧化的金属)或基于阀金属的化合物,例如粗、妮、侣、给、铁、它们的合金、它们的氧 化物、它们的氮化物等。例如,阀金属组合物可W包括妮的导电氧化物,比如妮与氧的原子 比为1:1.0± 1.0的妮氧化物,在一些实施方案中,妮与氧的原子比为为1:1.0±0.3,在一些 实施方案中,妮与氧的原子比为为1:1 .〇±〇. 1,在一些实施方案中,妮与氧的原子比为为1: 1.0 ± 0.05。例如,妮氧化物可W是NbOo. 7、NbOi. 0、NbOi.拟及抓〇2。在Fife的美国专利6,32 2, 912、^等人的美国专利6,391,275、^等人的美国专利6,416,730、^的美国专利6, 527,937、1(111111161等人的美国专利6,576,099、尸1'6等人的美国专利6,592,740、1(111111161等人 的美国专利6,639,787、Kimmel等人的美国专利7,220,397 W及Schnitter的美国专利申请 公开2005/0019581、Schnitter等人的美国专利申请公开2005/0103638及化omas等人的美 国专利申请公开2005/0103638中描述了此种阀金属氧化物的实例。
[0028] 该粉末可W采用本领域的技术人员已知的技术形成。例如,前体粗粉可W利用还 原剂(比如氨、钢、钟、儀、巧等)还原粗盐(比如氣粗酸钟化化F?)、氣粗酸钢(化2TaF7)、五氯 化粗(TaCls)等)形成。此种粉末可W W各种形式团聚,例如在约700°C至约1400°C的溫度下 通过一个或多个热处理步骤团聚,在一些实施方案中,溫度为约750°C至约1200°C,在一些 实施方案中,溫度为约8〇o°c至约iioor。热处理可W在惰性或还原气氛中进行。例如,热处 理可W在包含氨气或释氨化合物(比如氯化锭、氨化巧、氨化儀等)的气氛中进行,W部分地 烧结粉末并减少杂质(例如,氣)的含量。如果需要,团聚也可W在存在吸气材料(比如,儀) 的情况下进行。热处理后,高度反应的粗团聚体可W被逐渐进入的空气纯化。些2的美国专 利6,576,038等人的美国专利6,238,456、喧边些^等人的美国专利5,954,856、 的美国专利5,082,491、喧每的美国专利4,555等人的美国专利4,483,819、 Getz等人的美国专利4,441,927?及Bates等人的美国专利4,017,302也描述了其它适合的 团聚技术。
[0029] 为了便于制造该阳极体,粉末也可W包含某些成份。例如,该粉末可W可选地与粘 合剂和/或润滑剂混合,W便当压制粉末形成阳极体时确保颗粒相互之间充分粘合。适合的 粘合剂可W包括,比如聚乙締醇缩下醒;聚醋酸乙締;聚乙締醇;聚乙締基化咯烧酬;纤维素 聚合物,比如簇甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、径乙基纤维素及甲基径乙基纤维素; 无规立构聚丙締、聚乙締;聚乙二醇(诸如来自于陶氏化学公司的聚乙二醇(化rbowax));聚 苯乙締、聚(苯乙締-下二締);聚酷胺、聚酷亚胺及聚丙締酷胺;高分子量聚酸;氧化丙締与 氧化丙締的共聚物;含氣聚合物,比如聚四氣乙締、聚偏二氣乙締及氣締控共聚物;丙締酸 类聚合物,比如聚丙締酸钢、聚(低烷基丙締酸醋)、聚(低甲基丙締酸烷基醋)及低烷基丙締 酸醋与低甲基丙締酸烷基醋的共聚物;W及脂肪酸与蜡,比如硬脂酸及其它皂式脂肪酸、植 物蜡、微晶蜡(精制石蜡)等。该粘合剂可W在溶剂中溶解和分散。示例性溶剂可W包括水、 乙醇等。使用时,粘合剂和/或润滑剂的百分比W重量计可占总质量的约0.1%至约8%。然 而应当理解的是,本发明不一定需要粘合剂和/或润滑剂。
[0030] 可采用任何常规的粉末压制装置将得到的粉末压实成小球。例如,可W采用压模, 其是包含一模具和一个或多个冲头的单工位压实压力机。作为替换,可W使用化台式压实 压力机模具,其仅采用一个模具及单个下冲头。单工位压实压力机模具有几种基本类型,比 如具有不同性能(比如单动作、双动作、浮沉模、动型板、对置柱塞(oppoSed ram)、螺钉、冲 击、热压、压印或精整(sizing))的凸轮压力机、肘杆/肘节式压力机W及偏屯、/曲轴压力机。 该粉末可W围绕阳极引线(比如粗线)周围压实。应当进一步理解的是,作为替换,可在压制 和烧结阳极体之后将阳极引线连接(例如,焊接)至阳极体。
[0031] 压实之后,可W通过在一定溫度(比如约150°C至约500°C)的真空下加热小球几分 钟去除任何粘合剂/润滑剂。作为替换,可通过使小球接触水溶液去除粘合剂/润滑剂,比如 Bishop等人的美国专利6,197,252所描述的那样。之后,烧结小球W形成多孔整体块。例如, 在一个实施方案中,可W在约1200°C至约2000°C的溫度下烧结小球,而在一些实施方案中, 可在约1500 °C至约1800 °C的真空或惰性气氛中烧结小球。烧结时,由于颗粒之间的粘合力 增大,小球收缩。烧结后的小球的压制密度可能变化,但通常为每立方厘米约2.0至约7.0 克,在一些实施方案中,为每立方厘米约2.5至约6.5克,而在一些实施方案中,为每立方厘 米约3.0至约6.0克。压制密度由材料总量除W压制小球的体积确定。
[0032] 尽管无此要求,但可W选择阳极体的厚度W便提高电容器的电气性能,例如,阳极 的厚度可W为约4毫米或少于4毫米,在一些实施方案中,为约0.05至约2毫米,而在一些实 施方案中,为约0.1到约1毫米。也可W选择阳极的形状W便提高所得电容器的电气性能。例 如,阳极的形状可W是弯曲的、正弦型的、矩形的、U形的、V形的等。阳极也可W为包含一条 或多条沟痕、凹槽、凹坑或凹口的"沟槽"形状,W增大表面积与容积之比,从而使ESR最小化 并扩大电容的频率响应。例如,在We化er等人的美国专利6,191,936,Maeda等人的美国专利 5,949,639 ,Bou巧ault等人的美国专利3,345,545?及化hn等人的美国专利申请公开2005/ 0270725中描述了此种"沟槽"形状的阳极。
[0033] 阳极引线也可W连接至从其纵向延伸的阳极体。阳极引线可W为导线、薄片等形 式,且可W由阀金属化合物形成,比如粗、妮、氧化妮等。可W采用已知的技术实现引线连 接,比如在形成期间(例如,在压实和/或烧结之前)将引线焊接至阳极体,或将引线嵌入阳 极体中。
[0034] B.电介质
[0035] 介质也覆盖或包覆电容器组件中的每个电容器元件的阳极体。介质通过阳极氧化 (阳极化)烧结的阳极形成,W便在阳极体之上和/或之内形成介质层。例如,可将粗(Ta)阳 极体阳极氧化成五氧化二粗(Ta地5)。通常,首先通过向阳极体上涂覆一溶液,比如将阳极体 浸入电解质中进行阳极氧化。通常采用溶剂,比如水(诸如去离子水)。为了增强离子电导 率,可采用能够在溶剂中离解形成离子的化合物。此种化合物的实例包括,例如酸,比如下 面针对电解质的详细描述。例如,酸(比如憐酸)可占阳极氧化液的约0.0 lwt. %至约 5wt. %,在一些实施方案中,占约0.05wt. %至约0.8wt. %,而在一些实施方案中,占约 0.1 wt. %至约0.5wt. %。如果需要,也可W采用酸混合物。
[0036] 电流经过阳极氧化液形成介质层。介质层的厚度由形成电压值控制。例如,可首先 将电源设置为恒电流模式,直至达到所需的电压。之后,可将电源切换为恒电压模式W确保 在阳极体的整个表面上形成所需的介质厚度。当然,也可W采用其它已知的方法,比如脉冲 或阶跃电位法。发生阳极氧化的电压一般为约4V至约400V,在一些实施方案中,为约9V至约 200V,而在一些实施方案中,为约20V至约150V。氧化过程中,可使阳极氧化液保持在一升高 的溫度下,如约30°C或更高,在一些实施方案中,约40°C至约200°C,而在一些实施方案中, 约50°C至约100°C。也可W在环境溫度或更低的溫度下完成阳极氧化反应。得到的介质层可 W在阳极体的表面上和其孔内形成。
[0037] C.固体电解质
[0038] 如上所述,固体电解质覆盖通常作为电容器的阴极的介质。在一些实施方案中,固 体电解质可W包括二氧化儘。如果固体电解质包括二氧化儘,则二氧化儘固体电解质可W, 例如通过热分解硝酸儘[Mn (N03 ) 2 ]形成。此种技术在,例如SUirmer等人的美国专利4,945, 452中有所描述,其全文对于各种目的W引用方式并入本文。
[0039] 在其他实施方案中,固体电解质包含导电聚合物,其一般为JT共辆结构且在氧化或 还原之后具有导电性,比如其导电率至少约为化S/cm。此种JT共辆结构的导电聚合物的实例 包括,例如聚杂环化合物(比如聚化咯、聚嚷吩、聚苯胺等)、聚乙烘、聚对苯撑、聚苯酪盐等。 在一个实施方案中,例如,聚合物是取代聚嚷吩,比如具有下述通式结构的取代聚嚷吩:
[0040]
[0041 ]其中,
[0042] T是 0或 S;
[0043] D是任选取代Ci-Cs締控基(例如,亚甲基、乙締基、正丙締基、正下締基、正戊締基 等)?'
[0044] R?是线性或支链的任选取代的Ci-Ci偏基(例如,甲基、乙基、正丙基或异丙基、正 下基、异下基、仲下基或叔下基、正戊基、1-甲基下基、2-甲基下基、3-甲基下基、1-乙基丙 基、1,1-二甲基丙基、1,2-二甲基丙基、2,2-二甲基丙基、正己基、正庚基、正辛基、2-乙基己 基、正壬基、正癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十=烷基、正十四烷基、正十六烷基、正十 八烷基等);任选取代的C5-C12环烷基(如环戊基、环己基、环庚基、环辛基、环壬基、环癸基 等);任选取代的C6-C14芳基(如苯基、糞基等);任选取代的C7-C18芳烷基(如苄基,邻、间、对- 甲苯基、2,3-、2,4-、2,5-、2,6、3,4-、3,5-二甲苯基、^甲苯基等);任选取代的打-〔4径烷基 取代基或径基;及
[0045] q是0-8的整数,在一些实施例中,是0-2的整数,在一些实施例中,是0;及
[0046] n是2-5,000,在一些实施例中,n是4-2,000,在一些实施例中,n是5-1,000/'护或 啼7"的取代基实例包括,例如,烷基、环烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、面基、酸、硫酸、二硫化 物、亚讽、讽、横酸醋、氨基、醒、酬、簇酸醋、簇酸、碳酸醋、簇酸醋、氯基、烷基硅烷和烷氧基 娃烷基、簇酷胺基等。
[0047] 尤其适合的嚷吩聚合物是"护为任选取代C2-C3締控取代基的嚷吩聚合物。例如,聚 合物可为具有下述通式结构的任选取代的聚(3,4-乙締基二氧嚷吩):
[004引
[0049]用于形成导电聚合物的方法,例如W上描述的方法,在本领域是众所周知的。例 如,Merker等人的美国专利6,987,663描述了从前体单体中形成取代聚嚷吩的各种技术。该 前体单体可W例如具有下述结构:
[(K)加]
[0051] 其中,
[0052] T、D、化及q定义如上文所述。特别合适的嚷吩单体是那些"护为任选被取代的C2-C3 締基的嚷吩单体。例如可W采用具有下述通式结构的任选取代的3,4-締控基二氧嚷吩:
[0化3]
[0054] 其中,R?及q如上定义。在一个特定实施方案中,"q"为0。一种合适的3,4-締控基二 氧嚷吩的一个实例可从化raeus Clevios公司购得,名称为Clevios?M。其它适合的单体在 B Iohm等人的美国专利5,111,327及Groenendaal等人的美国专利6,635,729中也有所描述。 也可W采用运些单体的衍生物,例如上述单体的二聚物或=聚物。单体的更高分子量的衍 生物,即四聚物、五聚物等适用于本发明。该衍生物可W由相同或不同的单体单元组成,可 W W纯物质形式使用及W与另一种衍生物和/或与单体的混合物的形式使用。也可W采用 运些前体的氧化或还原形式。
[0055] 可W采用多种方法形成导电聚合物层,例如原位聚合层可W在氧化催化剂存在的 情况下通过化学聚合各单体形成。氧化催化剂一般包括过渡金属阳离子,诸如铁(111)、铜 (II)、铭(VI)、姉(IV)、儘(IV)、儘(VII)或钉(III)阳离子等。也可W采用渗杂剂为导电聚合 物提供过量的电荷,并稳定聚合物的导电率。渗杂剂一般包括无机或有机阴离子,诸如横酸 离子。在某些实施方案中,氧化催化剂具有催化及渗杂功能,运是因为其包括阳离子(诸如 过渡金属)及阴离子(诸如横酸)。例如,氧化催化剂可W是过渡金属盐,其包括铁(III)阳离 子,诸如铁(III)面化物(如化Cl3)或其它无机酸铁(III)盐,如化(Cl〇4)3或Fe2(S〇4)3及有机 酸及包含有机基的无机酸铁(III)盐。具有有机基的无机酸铁(III)盐的实例包括,例如, C1-C2偏醇的硫酸单醋铁(虹)盐(如月桂基硫酸铁(虹)盐)。同样,有机酸盐实例包括,例如, C1-C20烷基横酸铁(虹)盐(例如,甲烧横酸、乙烧横酸、丙烷横酸、下烧横酸或十二烷基横 酸);脂肪族全氣横酸铁(虹)盐(如=氣甲烧横酸、全氣下烧横酸或全氣辛烧横酸);脂肪族 C1-C20簇酸铁(虹)盐(如2-乙基己基簇酸);脂肪族全氣簇酸铁(虹)盐(如S氣乙酸或全氣辛 酸);任选被C1-C20烷基取代的芳香族横酸铁(虹)盐(如苯横酸、邻甲苯横酸、对甲苯横酸或 十二烷基苯横酸);环烧控横酸铁(虹)盐(如精脑横酸)等。也可W使用上述铁(III)盐的混 合物。特别适合使用对甲苯横酸铁(III)盐、邻甲苯横酸铁(III)盐及其混合物。合适的对甲 苯横酸铁(III)盐的一个实例可从化raeus Clevios公司购得,命名为Clevios?C。
[0056] 可W顺序涂覆或者一起涂覆氧化催化剂及单体W引发聚合反应。施用运些成分的 合适涂覆技术包括丝印、浸溃、电泳涂装及喷涂。例如,可首先将单体与氧化催化剂混合形 成前体溶液,一旦混合物形成,可将其涂覆到阳极部件,然后使其聚合W便在表面上形成导 电涂层。作为替换,也可W顺序涂覆氧化催化剂及单体。在一个实施方案中,例如,将氧化催 化剂溶解在有机溶剂(诸如下醇)中,然后W浸溃溶液的形式涂覆;干燥阳极部件W从其中 去除溶剂,之后,可将阳极部分浸溃在包含单体的溶液中。无论怎样,聚合反应通常在约-10 °C至约250°C的溫度下进行,在一些实施方案中,在约(TC至约200°C的溫度下进行,运取决 于所使用的氧化剂及所需的反应时间。Biler的美国专利7,515,396更详细地描述了合适的 聚合技术,例如W上描述的聚合技术。Sakata等人的美国专利5,457,862、Sakata等人的美 国专利5,473,503、Saka化等人的美国专利5,729,428及Kudoh等人的美国专利5,812,367描 述了涂覆运种导电涂层的其它方法。
[0057] 除原位涂覆之外,也可W W导电聚合物颗粒分散体的形式涂覆导电聚合物固体电 解质。采用分散体的一个有利之处在于分散体可使原位聚合过程中产生的离子种类(诸如 Fe2+或Fe3+)最小化,由于离子迁移可能会导致高电场下介质击穿。因此,通过将导电聚合物 作为分散体涂覆而非通过原位聚合,所得电容器可呈现出相对较高的"击穿电压"。为了能 够更好地浸溃阳极,在分散体中使用的颗粒一般尺寸较小,比如平均尺寸(诸如直径)为约1 至约150纳米,在一些实施方案中,为约2至约50纳米,而在一些实施方案中,为约5至约40纳 米。颗粒的直径可W通过已知的技术确定,比如通过超速离屯、机、激光衍射等。同样地,颗粒 的形状可改变。在一个特定实施方案中,例如,颗粒为球形。然而应当理解的是,本发明也可 W构想其它形状,比如板状、棒状、盘状、条状、管状、不规则形状等。分散体中的颗粒浓度的 变化取决于分散体所需的粘度W及将分散体涂覆于电容器的特定方式。一般地,颗粒构成 分散体的约0.1 wt. %至约IOwt. %,在一些实施方案中,构成约0.4wt. %至约5wt. %,而在 一些实施方案中,构成约〇.5wt. %至约4wt. %。
[005引分散体一般也包含提高颗粒稳定性的平衡离子。换言之,导电聚合物(比如聚嚷吩 或其衍生物)的中性或阳性(阳离子)聚合物主链上通常具有电荷。例如,聚嚷吩衍生物的聚 合物主链上通常携带正电荷。在一些情况下,聚合物的结构单元中具有正负电荷,其中正电 荷在主链上,而负电荷任选在自由基"R"的取代基上,比如横酸基团或簇酸基团。自由基"R" 上的任选存在的阴离子基团可W使主链中的正电荷部分或全部饱和。从整体看,在一些情 况下,聚嚷吩可W是阳离子、中性离子甚至阴离子。然而,由于聚嚷吩主链具有正电荷,其全 部被认为是阳离子聚嚷吩。
[0059]平衡离子可W是抵消导电聚合物电荷的单体阴离子或聚合阴离子。聚合阴离子可 W是例如聚簇酸(比如聚丙締酸、聚甲基丙締酸、聚马来酸等)阴离子、聚横酸(比如聚苯乙 締横酸("PSS")、聚乙締醇横酸酸等)阴离子等。运些酸也可W是共聚物,比如乙締基簇酸及 乙締基横酸与其它可聚合单体(诸如丙締酸醋与苯乙締)的共聚物。同样地,适合的单体阴 离子包括例如C1-C20烷基横酸(如十二烷基横酸)的阴离子;脂肪族全氣横酸(如S氣甲烧横 酸、全氣下烧横酸或全氣辛烧横酸)的阴离子;脂肪族C1-C20簇酸(2-乙基己基簇酸)的阴离 子;脂肪族全氣簇酸(如=氣乙酸或全氣辛酸)的阴离子;任选被C1-C20烷基取代的芳香族横 酸(如苯横酸、邻-甲苯横酸、对-甲苯横酸或十二烷基苯横酸)的阴离子;环烧控横酸(如精 脑横酸或四氣棚酸盐、六氣憐酸盐、高氯酸盐、六氣錬酸盐、六氣神酸盐或六氯錬酸盐)的阴 离子;等等。特别适合的反离子是聚合物阴离子,如聚簇酸或聚横酸(如聚苯乙締横酸 ("PSS"))。此种聚合阴离子的分子量一般为约1000至约2000000,而在一些实施方案中,为 约 2000 至约 500000。
[0060] 使用时,分散体及所得层中的此种平衡离子与导电聚合物的重量比一般为约0.5: 1至约50:1,在一些实施方案中,为约1:1至约30:1,而在一些实施方案中,为约2:1至约20: 1。假设聚合反应过程中发生完全转化,则对应于上述提到的重量比的导电聚合物的重量指 所使用的单体的称重部分。除导电聚合物及平衡离子之外,分散体也可W包含一种或多种 粘合剂、分散剂、填充剂、胶粘剂、交联剂等。
[0061] 可采用各种已知的技术涂覆聚合物分散体,比如旋转涂布、浸溃、诱注、滴加、注 射、喷涂、刮涂、刷涂、印刷(比如喷墨、丝印或移印)或浸涂。尽管根据所采用的技术可有所 不同,但分散体的粘度一般为约O.lmPas至约lOOOOOmPas(在剪切率为IOOs-I下测量),在一 些实施方案中,未约Im化S至约lOOOOmPas,在一些实施方案中,为约IOmPas至约1500mPas, 而在一些实施方案中,为约100m化S至约1000 mPas。一旦涂覆完成,可W烘干和/或清洗该 层。也可W通过此种方式形成一层或多层附加层,W获得所需的厚度。通常,由该颗粒分散 体形成的层的总厚度为约1至约50微米,而在一些实施方案中,为约5至约20微米。同样地, 平衡离子与导电聚合物的重量比为约0.5:1至约50:1,在一些实施方案中,为约1:1至约30: 1,而在一些实施方案中,为约2:1至约20:1。
[0062] 如果需要,固体电解质也可W包含径基官能非离子聚合物。术语"径基官能"一般 指化合物包含至少一个径基官能团或在存在溶剂的情况下能够具有运种官能团。无意于受 理论限制,径基官能非离子聚合物能够提高导电聚合物与内部电介质表面之间的接触度, 由于形成电压较高,该表面在本质上通常相对平滑,运出乎意料地提高了所得电容器的击 穿电压和湿干电容。此外,一般认为使用一定分子量的径基官能聚合物也能够最大程度的 降低高压下化学分解的可能性,例如,径基官能聚合物的分子量可W为每摩尔约100至 10000克,在一些实施方案中,为约200至2000,在一些实施方案中,为约300至约1200,而在 一些实施方案中,为约400至约800。
[0063] -般任何种类的径基官能非离子聚合物均可用于此目的。在一个实施方案中,例 如径基官能聚合物是聚締控基酸。聚締控基酸可W包括聚締控基二醇(比如聚乙二醇、聚丙 二醇、聚下二醇、聚环氧氯丙烷等)、聚氧杂环下烧、聚苯酸、聚酸酬等。聚酸酬通常主要为线 性的,含末端径基基团的非离子聚合物。尤其适合的是聚乙二醇、聚丙二醇及聚下二醇(聚 四氨巧喃),其通过将环氧乙烧、环氧丙烷或四氨巧喃在水中经加聚反应而得。可W利用二 醇或多元醇通过缩聚反应制备聚締控基酸。二醇组分优选的选择饱和或不饱和的、有支链 或无支链的包含5至36个碳原子的脂肪族二径化合物或芳香族二径化合物,比如戊基-1,5- 二醇、己基-I,6-二醇、新戊二醇、双巧圣甲基)-环己烧、双酪A、二聚二元醇、氨化二聚二醇或 甚至所述的二醇的混合物。此外,也可W在聚合反应中使用多径基醇,包括,比如甘油、双甘 油及聚甘油、=径甲基丙烷、季戊四醇或山梨醇。
[0064] 除了 W上提到的那些之外,本发明也可W采用其他径基官能非离子聚合物。此种 聚合物的一些实例包括,比如乙氧基烷基酪;乙氧基或丙氧基C6-C24脂肪醇;具有通式C曲- (CH2)1〇-16-(〇-C2H4)1-25-〇H的聚氧乙締二醇烷基酸(比如辛二醇单十二酸及五甘醇单十二烧 基酸);具有通式C出-(C出)10-16-(〇-C抽6)1-25-OH的聚氧丙締二醇烷基酸;具有下述通式 C曲7-(C6H4)-(0-C2H4)i-25-OH的聚氧乙締二醇辛基酪酸(比如IYitorTx-IOO);具有下述通 式C曲9-(C6H4)-(0-C2H4)1-2日-OH的聚氧乙締二醇烷基酪酸(比如壬苯醇酸-9);C8-C24脂肪酸 的聚氧乙締二醇醋,比如聚氧乙締二醇山梨醇酢烷基醋(诸如聚氧乙締(20)山梨醇酢单月 桂酸醋、聚氧乙締(20)山梨醇酢单栋桐酸醋、聚氧乙締(20)山梨醇酢单硬脂酸醋、聚氧乙締 (20)山梨醇酢单油酸醋、PEG-20甲基葡萄糖二硬脂酸醋、PEG-20甲基葡糖倍半硬脂酸醋、 阳G-80藍麻油及阳G-20藍麻油、PEG-3藍麻油、PEG 600二油酸醋及阳G 400二油酸醋)W及 聚氧乙締烷基甘油醋(比如聚氧乙締-23月桂酸甘油醋及聚氧乙締-20硬脂酸甘油醋);Cs- C24脂肪酸的聚氧乙締二醇酸(比如聚氧乙締-10十六烷基酸、聚氧乙締-10硬脂酷基酸、聚氧 乙締-20十六烷基酸、聚氧乙締-10油締基酸、聚氧乙締-20油締基酸、聚氧乙締-20十六烷基 酸、聚氧乙締-15十=烷基酸及聚氧乙締-6十=烷基酸);聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚 物(如,泊咯沙姆)等及其混合物。
[0065] 该径基官能非离子聚合物可W W多种不同的方式结合到固体电解质中。在某些实 施方案中,例如,非离子聚合物可简单地结合到通过如W上描述的方法(比如原位聚合或预 聚合颗粒分散体)形成的任何导电聚合物层中。然而在其它实施方案中,非离子聚合物可W 在形成首层聚合物层之后涂覆。
[0化引 D.外部聚合物涂层
[0067]尽管未要求,但外部聚合物涂层可W涂覆于阳极体并覆盖电容器组件中的每个电 容器元件的固体电解质。如W上更详细地描述的那样,外部聚合物涂层一般包括由预聚合 导电颗粒分散体形成的一个或多个层。外部涂层可W进一步渗入电容器体的边缘区域,W 增加对介质的附着力,从而得到机械稳定性更强的部件,降低等效串联电阻及漏电电流。如 果需要,可W在外部聚合物涂层中采用交联剂W提高对固体电解质的附着度。通常,交联剂 在涂覆用于外部涂层的分散体之前涂覆。例如,Merker等人的美国专利公开2007/0064376 描述了适合的交联剂,其包括,例如胺类(比如二元胺、=元胺、低聚胺、多胺等);多价金属 阳离子,比如Mg、Al、Ca Je、Cr、Mn、Ba、Ti、Co、Ni、Qi、Ru、Ce或化的盐或化合物、憐化合物、梳 化合物等。
[00側 E.电容器元件的其它组成
[0069]如果需要,电容器元件也可W包含本领域已知的其它层。例如,可选择性地在在介 质与固体电解质之间形成保护涂层,比如由相对绝缘的树脂材料(天然的或合成的)制成的 涂层,如虫胶漆树脂。Fife等人的美国专利6,674,635详细描述了运些及其它保护涂层材 料。如果需要,还可W分别对该部件涂覆碳涂层(比如石墨)及银涂层。银涂层可W作为,例 如用于电容器的可焊接导体、接触层和/或电荷收集器,而碳涂层可W限制银涂层与固体电 解质的接触。此种涂层可W包覆部分或全部固体电解质。
[0070] 不管用于形成多个电容器元件的每一个的各种组成如何,如图3所示,每个电容器 元件20具有在X方向上的长度L2,y方向上的宽度化及Z方向上的高度此,其中,长度L2的范围 为约3毫米至约6毫米,比如约3.5毫米至约5.5毫米,比如约4毫米至约5毫米;宽度化的范围 为约2毫米至约10毫米,比如约2.5毫米至约8毫米,比如约3毫米至约6毫米;且高度此的范 围为约0.5毫米至约5毫米,比如约1.25毫米至约4毫米,比如约1.5毫米至约3毫米。此夕h每 个电容器元件20可W包括相对的主表面2:3a与23b,第一相对的次表面25a与25b及第二相对 的次表面27a与27b。术语"主表面"用于指电容器元件20的表面面积大于电容器元件的其它 表面(比如次表面)的表面面积的表面。如图所示,阳极引线6可W从第二相对的次表面27b 中的一处延伸出,然而应当理解的是,阳极引线6可W从另一相对的次表面27a或第一相对 的次表面25a与25b中的一处延伸出。在一些实施方案中,根据本发明的电容器组件采用的 电容器元件20的特定布置及尺寸,每个电容器元件20的相对的主表面2:3a或23b(例如,上主 表面23a或下主表面23b)之一的表面面积范围可W为约10平方毫米至45平方毫米,比如约 12.5平方毫米至约40平方毫米,比如约15平方毫米至约30平方毫米。同时,参考图3至图6, 在一些实施方案中,与外壳的底壁123接触的电容器元件20(1)至20(40)的所有相对的下主 表面23b的总表面面积可W为约600平方毫米至约1200平方毫米,比如约700平方毫米至约 1100平方毫米,比如约800平方毫米至约1000平方毫米。
[0071] II.壳体
[0072] 如上所述,多个电容器元件密封在壳体内W形成本发明的电容器组件。密封在壳 体内的电容器元件的数量可W为约2个至约200个,比如约10个至约100个,比如约20个至约 50个。在一实施方案中,可W在包含至少一种惰性气体的氛围下进行密封W便在使用过程 中抑制固体电解质氧化。惰性气体可W包括,例如氮气、氮气、氣气、氣气、氛气、氯气、氮气 等及它们的混合物。通常,壳体内的气氛大部分是惰性气体,占气氛的比如约50wt. %至约 IOOwt. %,在一些实施方案中,约75wt. %至约IOOwt. %,而在一些实施方案中,约90wt. % 至99wt. %。如果需要,也可W采用相对少量的非惰性气体,比如二氧化碳、氧气,水蒸汽等。 在一些情况下,非惰性气体通常占壳体内的气氛的约15wt. %或更少;在一些实施方案中, 为IOwt. %或更少;在一些实施方案中,为约5wt. %或更少;在一些实施方案中,为约Iwt. % 比或更少;而在一些实施方案中,为约0.0 lwt. %至约Iwt. %。例如,水分含量(W相对湿度 表示)可W为约10%或更低;在一些实施方案中,约5%为更低;在一些实施方案中,约1 %或 更低;在一些实施方案中,约0.01 %至约5%。
[0073] 可W使用各种不同材料形成壳体,比如金属、塑料、陶瓷等。在一个实施方案中,例 如,壳体包括一层或多层金属,比如粗、妮、侣、儀、给、铁、铜、银、钢(比如不诱钢)、它们的合 金(比如导电氧化物)、它们的复合物(比如包覆导电氧化物的金属)等。在另一实施方案中, 壳体包括一层或多层陶瓷材料,比如氮化侣、氧化侣、二氧化娃、二氧化儘、氧化巧、玻璃等 及它们的组合物。通常将壳体的厚度或高度选择成使得低型面电容器组件的厚度或高度最 小化。例如,参考图l,z方向上的壳体高度出的范围可W为约1毫米至约20毫米,比如约2毫 米至约10毫米,比如约3毫米至约6毫米。同时,X方向上的壳体长度^的范围可W为约20毫 米至约100毫米,比如约40毫米至约70毫米,比如约45毫米至约65毫米;而y方向上的壳体宽 度Wi的范围可W为约10毫米至约60毫米,比如约20毫米至约50毫米,比如约25毫米至约45 毫米。进一步地,在一些实施方案中,壳体的容积可W为约7000立方毫米至约12000立方毫 米,比如约7500立方毫米至约11500立方毫米,比如约8000立方毫米至约11000立方毫米。此 夕h壳体具有低型面,W便壳体在X方向上的长度^与壳体在Z方向上的高度化之比至少为2。 例如,长度^与高度化之比可W为约2至80,比如约4至约60,比如约10至约40。
[0074] 可W采用各种不同技术之中的任一种将多个电容器元件固定附接至壳体。尽管并 非必须如此,但电容器元件可WW在壳体外部形成阳极端子及阴极端子W便后续集成至电 路中的方式附接至壳体。端子的具体构造可W取决于预期应用。在一个实施方案中,例如, 形成的电容器组件是可表面安装的,但仍具有机械强度。例如,电容器元件的阳极引线及阴 极可W电连接至外部可表面安装的端子(比如插脚、衬垫、板片、平板、框架等),其可W延伸 穿过壳体W便通过阳极引线框(比如通过W下更详细地描述的导电构件、锻层、焊垫等)与 电容器元件的阳极连接,且其可W延伸穿过壳体W通过锻层与阴极连接。在另一实施方案 中,电容器元件的阳极引线及阴极可W直接电连接至外部可表面安装的端子(比如插脚、衬 垫、板片、平板、框架等),其可W延伸穿过壳体W与阴极及阳极引线连接。
[0075] 通常将外部端子的厚度或高度选择为使得电容器组件的厚度最小化。例如,该端 子的厚度范围可W为约0.05毫米至约1毫米,比如约0.05毫米至约0.5毫米,比如约0.1毫米 至约0.2毫米。如果需要,该端子的表面可W如本领域已知的电锻了儀、银、金、锡、钻等或它 们的合金,W确保最终部件能够安装到电路板。在一个特定实施方案中,端子分别沉积有亮 儀及亮银,安装表面也电锻有锡焊层。在另一实施方案中,端子在基底金属层(比如铜合金) 上沉积有薄薄的外部金属层(比如金),W进一步增加导电率。
[0076] 参考图1、2及4,例如,示出了电容器组件100的一个特定实施方案,其包含40个电 容器元件,设置在壳体内且布置成平行排列的多排(例如,1-4排),其中每排10个电容器元 件沿壳体的长度^在纵向Lg上延伸。然而应当理解的是,每排都可W包含任意数量的电容器 元件,且根据对电容器组件的特定要求,可使用任意数量的排。如图所示,电容器组件100的 壳体包括底壁123及相对的侧壁124和125,相对的侧壁124和125之间形成有包括40个电容 器元件20(1)-20(40)的空腔526。底壁123及侧壁124和125可W由上述描述的一层或多层金 属、塑料或陶瓷材料形成。电容器元件20(1)-20(40)平行布置在壳体的空腔526内,其中此 种平行布置有助于减小电容器元件100的ESR,减小的ESR有效地提高电容器组件100的散热 能力。
[0077] 在图4至6中的实施方案中,电容器元件20(1)-20(40)对齐,W便一个电容器元件 (比如电容器元件20(1))的次表面25b与相邻电容器元件(比如电容器元件20(2))的次表面 25a相邻并面向该次表面25a。同时,每个电容器元件20 (1) -20 (40)的下次表面23b (见图3) 面向壳体的底壁123,并通过例如W下更详细地讨论的锻层与底壁123接触,其中将电容器 元件20(1)-20(40)布置成使其下次表面23b与底壁123而非与其相对的次表面25a、25b、27a 及27b(见图3)接触增大了与外壳接触的电容器元件20(1)-20(40)的表面面积,运进一步有 效地提高了电容器组件100的散热能力。本发明的电容器组件的散热能力可W W借助锻层 与外壳接触的电容器元件的下主表面的总表面积与壳体的容积之比表示,其中该比值大于 0.05mm 1可提高电容器组件的散热性能。例如,通过锻层与壳体接触的电容器元件的下主表 面的总表面积与壳体的容积之比可W大于约0.06mnfi,且在一些实施方案中,其范围可W为 约0.06mm-i 至约 0.3mm-i,比如约0.065mm-i 至约0.25mm-i,比如约 0.07臟-1 至约0.20mm-i,比如 约 0.075mm-i 至约 0.15臟-1。
[0078] 如上所述及图I至2所示,电容器组件100也可W包含外部阳极端子135及外部阴极 端子137,每个电容器元件20(1)-20(40)的下主表面23b上的阳极引线6及固体电解质/阴极 并联电连接至外部阳极端子135及外部阴极端子137。进一步地,壳体的内空腔内可采用引 线框及锻层W便W机械稳定的方式促进外部端子135和137形成。例如,参考图4,电容器组 件100可W包括阳极引线框,其具有第一平面部分65和"直立"的第二平面部分67,称之为 "直立"是因为其设置在大致与每个电容器元件20(1)-20(40)的阳极引线6延伸的方向垂直 的平面内。采用运种方式,第二部分67可W限制引线6的运动,W便使用时提高表面接触及 机械稳定性。此外,如果需要,可W在引线6的周围使用绝缘材料7(比如化flon?垫圈)。第二 部分67具有连接至阳极引线6的安装区域(未示出)。该区域为U形,用于进一步提高引线6的 表面接触及机械稳定性。此外,阳极引线6可W通过激光焊接、电阻焊接、导电粘合剂或任何 其它适合的方式连接至阳极引线框的第二部分67。
[0079] 例如,阳极引线框包括每排电容器元件的第一部分65a、65b、65c与65d及与40个电 容器元件的每一个对应的40个第二部分67(1)-67(40)(为简单起见,标为67),该阳极引线 框可用于连接4排电容器元件(每排包括10个),例如第1排包括通过其阳极引线6在第二部 分67(1)-(10)连接至阳极引线框的电容器元件20(1)-20(10);第2排包括通过其阳极引线6 在第二部分67(11)-67(20)连接至阳极引线框的电容器元件20(11)-20(20);第3排包括通 过其阳极引线6在第二部分67(21 )-67(30)连接至阳极引线框的电容器元件20(21)-20 (30);第4排包括通过其阳极引线6在第二部分67(31)-67(40连接至阳极引线框的电容器元 件20(31)-20(40)。此外,尽管未示出,但是如果需要,与第2排及第3排关联的阳极引线框的 第一部分6f5b及65c可W合并成阳极引线框的单个的第一部分,运是因为电容器元件20 (11) -20 (20)及20 (21) -20 (30)设置成其阳极引线6彼此相向。如上所述,在一个特定实施方 案中,每条阳极引线6激光焊接至阳极引线框的每个第二部分67。然而应当理解的是,运些 组件可W通过电阻焊接、导电粘合剂等连接。同时,在一个特定实施方案中,阳极引线框的 第一部分65a-65d可通过电阻焊接连接至壳体的底壁123。然而还应当理解的是,也可W使 用任何其它适合的方法,比如通过导电粘合剂将第一部分65a-65d连接至壳体的底壁123。
[0080] 此外,阳极引线框的第一部分65a-65d及第二部分67(1)-67(40)的表面可W电锻 有本领域已知的儀、银、金、锡、钻等或它们的合金,W确保通过阳极引线6充分地连接至电 容器元件20(1)-20(40)及壳体的底壁123。在一个特定实施方案中,阳线引线框可W分别沉 积有亮儀及亮银,安装表面也可W锻有一层锡焊层。在另一实施方案中,阳线引线框可W在 基底金属层(比如铜合金)上沉积薄薄的外部金属层(比如金)W进一步增加导电率。在又一 个实施方案中,儀-铁合金条(NIL0?条)或任何其它适合的金属材料条(未示出)可W焊接 在阳极引线框的第一部分65a-65d之下的壳体底壁123上。
[0081] 此外,也可W采用各种组件将4排电容器元件(每一排包括10个)连接至壳体的底 壁123,例如第1排包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(1)-20(10),第2排 包括在其下主表面23b连接至底壁123的电容器元件20(11)-20(20),第3排包括在其下主表 面23b连接至底壁123的电容器元件20(21)-20(30),且第4排包括在其下主表面23b连接至 底壁123的电容器元件20(31)-20(40)。在一个实施方案中,例如,电容器元件20(1)-20(40) 的下主表面23b可W通过导电粘合剂(未示出)连接至壳体的底壁123,其中底壁123包括4排 金属锻层29a、29b、29c及29d。金属锻层29a、29b、29c及29d可W由任何适合的金属形成,在 一个特定实施方案中,金属锻层可W是锻儀层。
[0082] 如上所述,应当理解的是,一般通过各种已知的技术之任一种将电容器元件附接 在阳极侧或阴极侧,比如焊接、激光焊接、导电粘合剂等。使用时,导电粘合剂可W由包含树 脂组合物的导电金属颗粒形成。金属颗粒可W是银、铜、金、销、儀、锋、祕等。树脂组合物可 W包括热固树脂(比如环氧树脂)、固化剂(比如酸酢)及偶联剂(比如硅烷偶联剂)。在Osako 等人的美国申请公开2006/0038304中描述了合适的导电粘合剂。
[0083] 此外,如图5所示,为了进一步增强电容器组件的散热能力,电容器组件可W包括 其它部件。例如,电容器元件200包括y方向上的金属条133及X方向上的金属条131,x方向上 的金属条131与几个电容器元件20的上主表面23a接触。金属材料可W是铜或任何其它散热 材料,用于进一步增加可用于散热的表面面积。
[0084] 现在回到图6,图示了电容器组件300,其布置为图4至5所示布置的替代方案,其中 与如上定义的第1排中的电容器元件20(1)-20(10)及第2排中的电容器元件20(11)-20(20) 关联的阳极引线6彼此相向,使得如果需要,可将第1排和第巧醜阳极引线框的第一部分 65a及65b合并成单个组件。同样地,与如上定义的第3排中的电容器元件20(21)-20(30)及 第4排中的电容器元件20(31)-20(40)关联的阳极引线6彼此相向,使得如果需要,可将第3 排及第4排的阳极引线框的第一部65c及65d合并成单个组件。此外,如上定义的第2排及第3 排的电容器元件的上主表面23a相互相邻,使得如果需要,可将锻层29b及29c合并成单个组 件。
[0085] 如上所述,电容器组件包括阳极端子135及阴极端子137,其可设置在壳体之外并 由单独的板材、薄板等形成。此外,运种端子可W通过延伸穿过壳体底壁123的导电迹线连 接至阳极引线框及阴极锻层/金属条(NILC)K条)。参照用于说明图4至5的电容器元件布置 的图7及用于说明图6的电容器元件布置的图8,由于阳极引线框的第一部分65a-65d及金属 锻层29a-29d沿电容器组件100的外壳的长度b及宽度Wi延伸,因此将阳极引线框的第一部 分65a-65d连接至外部阳极端子135的导电迹线139仅通过相邻设置在外部阳极端子135之 上且相邻设置在阳极引线框部件的第一部分65a-65d之下的外壳底壁123的部件形成,而将 金属锻层29a-29d连接至外部阴极端子137的导电迹线141仅通过相邻设置在外部阴极端子 137之上及相邻设置在金属锻层65a-65d之下的外壳底壁123的部件形成。当然,本发明并不 限制于使用导电迹线形成所需的端子,可W采用任何其它合适的连接方式。例如,在一些实 施方案(未示出)中,应当理解的是,部分阳极引线框及阴极锻层可W延伸穿过壳体,也形成 外部阳极端子及外部阴极端子。
[0086] 如上所述,将电容器元件20连接至底壁123之后,电容器元件20可涂覆树脂或封装 材料。在一个特定实施方案中,封装材料可W是导热材料。参照图9,在按所需方式将电容器 元件连接至电容器组件的底座123之后,可将封装材料143设置在电容器元件周围(未示 出),W便电容器元件至少部分被封装材料143封装,之后可固化封装材料143。此外,在一些 实施方案中,封装材料143能够完全封装电容器元件。利用封装材料143W运种方式封装电 容器元件可进一步提高本发明的电容器组件的散热能力。
[0087] 如上所述,封装材料可W是导热材料。该导热材料通常具有例如约IW/m-K或更高 的导热系数,在一些实施方案中,为约2W/m-K至约20W/m-K,而在一些实施方案中,为约 2.5胖/111-1(至约10胖/111-1(,该系数是根据例如150 22007-2:2014确定的。尽管是导热的,但该 材料通常不导电,因此具有较高的体积电阻率,比如约I X l〇i2ohm-cm或更高,在一些实施方 案中,为约1 X l〇i3ohm-cm或更高,而在一些实施方案中,为约1 X l〇i4ohm-cm至1 X IO2Dohm- cm,该体积电阻率是根据例如ASTM D257-14确定的。通过将高导热系数与低导电率结合,本 发明的发明人已发现当将封装材料应用于电容器组件的壳体中时可W提供各种不同的有 益之处。例如,当电容器组件接触高纹波电流,导热封装材料可W作为散热器,将热量传递 给壳体的表面,从而提高散热效率并延长电容器组件的寿命。封装材料也表现出低吸湿度, 比如约1 %或更低,在一些实施方案中,为约0.5%或更低,而在一些实施方案中,为约0.1 % 或更低,该吸湿度是根据例如ASTM D570-98(2010)e-l确定的。如此,封装材料可W抑制与 可能进入壳体的水发生不希望的降解反应。
[0088] 为了有助于获得所需的性能,封装材料包括一种或多种分散在聚合物基体中的导 热填料。合适的导热填料材料包括金属填料,比如侣、银、铜、儀、铁、钻等及它们的组合物 (比如锻银铜或锻银儀);金属氧化物,比如氧化侣、氧化锋、氧化儀等及它们的组合物;氮化 物,比如氮化侣、氮化棚、氮化娃等及它们的组合物;W及碳填料,比如碳化娃、碳黑、富勒 締、石墨片、碳纳米管、碳纳米纤维等及它们的组合物。侣、氧化锋、氮化侣、氮化棚和/或碳 化娃粉末尤其适用于本发明。如果需要,填料可W涂有功能性涂层,W增强填料及聚合物基 体之间的亲合力。例如此种涂层可W包括不饱和或饱和脂肪酸,比如链烧酸、链締酸、丙酸、 月桂酸、栋桐酸、硬脂酸等;有机硅烷、有机铁酸、有机错酸盐、异氯酸盐、径基封端的締控或 烧控等。
[0089] 本发明中可W选择性地控制导热填料的尺寸W帮助获得所需的性能。一般来说, 此种填料的平均尺寸(比如直径)为约10纳米至约75微米,在一些实施方案中,为约15纳米 至约50微米,而在一些实施方案中,为约20纳米至约40微米。在一些实施方案中,填料具有 纳米级尺寸,比如约10纳米至约500纳米,在一些实施方案中,为约20纳米至约350纳米,在 一些实施方案中,为约50纳米至约200纳米;而在其它实施方案中,填料可W具有微米级尺 寸,比如约1微米至约50微米,在一些实施方案中,为约2微米至约30微米,而在一些实施方 案中,为约5微米至约15微米。封装材料也可W同时采用纳米级及微米级导热填料的混合 物。在此种实施方案中,微米级填料与纳米级填料的比例可W较大,W确保较高的填充密 度,比如50:1或更大,在一些实施方案中,约70:1至约150:1。
[0090] 虽然封装材料的基体可W采用各种不同的聚合树脂,但已发现可固化的热固树脂 尤其适用于本发明。此种树脂的实例包括,例如娃酬聚合物、双酪A缩水甘油酸聚合物、丙締 酸盐聚合物、氨基甲酸醋聚合物等。在某些实施方案中,例如,封装材料可W采用一种或多 种聚硅氧烷。运些聚合物中使用的娃键合的有机基团可W包含单价控基团和/或单价面代 控基团。此种单价基团一般具有约1个至约20个碳原子,优选1个至10个碳原子,实例有,但 不限于烷基(比如甲基、乙基、丙基、戊基、辛基、十一基及十八基)、环烷基(比如环己基)、締 基(比如乙締基、締丙基、下締基及己締基)、芳基(比如苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基及2-苯 乙基),W及面代控基团(比如3,3,3-S氣丙基、3-氯丙締及二氯苯基)。通常,至少50%及更 理想的是至少80 %的有机基团为甲基。此种聚甲基硅氧烷的实例可W包括,例如聚二甲娃 氧烧("PDMS")、聚甲基娃氨烧等。其它适合的聚甲基硅氧烷可W包括二甲基二苯基聚娃氧 烧、二甲基/甲基苯基聚硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、甲基苯基/二甲基硅氧烷、乙締基二甲 基封端的聚二甲基硅氧烷、乙締基甲基/二甲基聚硅氧烷、乙締基二甲基封端的乙締基甲 基/二甲基聚硅氧烷、二乙締基甲基封端的聚二甲基硅氧烷、乙締基苯基甲基封端的聚二甲 基硅氧烷、二甲基氨封端的聚二甲基硅氧烷、甲基氨/二甲基聚硅氧烷、甲基氨封端的甲基 辛基聚硅氧烷、甲基氨/苯基甲基聚硅氧烷等。
[0091] 有机聚硅氧烷也可W包括一个或多个侧基和/端基极性官能团,比如径基、环氧 基、簇基、氨基、烷氧基、甲基丙酸締基或琉基,其赋予聚合物一定的亲水性。例如,有机聚娃 氧烧可W包括至少一个径基基团,且任选地每分子平均至少两个娃键合的径基基团(硅烷 醇基)。此种有机聚硅氧烷的实例包括,例如二径基聚二甲基硅烷、径基甲基娃烷氧基聚 二甲基硅氧烷等。也可W采用烷氧基改性的有机聚硅氧烷,比如二甲氧基聚二甲基硅氧烷、 甲氧基-二甲基娃烷氧基-聚^甲基硅氧烷、^乙氧基聚^甲基硅氧烷、乙氧基-二甲基硅烷 氧基-聚二甲基硅氧烷等。其它适合的有机聚硅氧烷是那些采用至少一个氨基官能团改性 的有机聚硅氧烷。此种氨基官能团聚硅氧烷包括,例如二氨基官能团的聚二甲基氧烧。
[0092] 理想的是,有机聚硅氧烷的分子量相对较低,W提高封装材料固化前的粘性及流 动性。在一个实施方案中,例如有机聚硅氧烷(如聚二甲硅氧烷)的分子量为约100000克/摩 尔或更低,在一些实施方案中,为约60000克/摩尔或更低,而在一些实施方案中,为约5000 至约30000克/摩尔。封装材料(固化前)的粘度可W为,例如,约SOOPa-S或更低,在一些实施 方案中,为约IOOPa-S或更低,而在一些实施方案中,为约1至约50化-S,该粘度是比如使用 配备有WO. 5毫米的间隙设置的20毫米平行板的ARES R550PS应力控制流变仪在25°C的溫 度下确定的。
[0093] 可W选择性的控制导热填料及聚合物基体的相对含量,W便获得需要的性能。例 如,含有的封装材料一般为约25vol. %至约95vol. %,在一些实施方案中,为约40vol. %至 约90vol. %,在一些实施方案中,为约50vol. %至约85vol. %。同样地,聚合物基体占材料 体积的约5vol. %至约75vol. %,在一些实施方案中,为约IOvol. %至约50vol. %,在一些 实施方案中,为约15vol. %至约40vol. %。如果需要,封装材料中也可采用其它添加剂,比 如增容剂、固化剂、光引发剂、粘度改进剂、染料、偶联剂(比如硅烷偶联剂)、稳定剂等。
[0094] -旦按所需要的方式组装及连接,所得的封装件如上所述那样进行密封。再参照 图1,例如,壳体也可W包括盖子127,将电容器元件放置在壳体中之后,将盖子127放置在侧 壁124与125的上表面上。盖子可W由陶瓷、金属(铁、铜、儀、钻等及它们的合金)、塑料等形 成。如果需要,可W在盖子与侧壁124和125之间设置密封件(未示出),W便更好地密封。在 一个实施方案中,例如,密封件可W包括玻璃与金属密封Kov耻霞环(Goo壯e 1 low Camridge 公司)等。侧壁的高度一般使得盖子不与电容器元件的任何表面接触,W便电容器元件不受 污染。当放置在所需位置时,通过已知的技术将盖子密封于侧壁124与125,比如焊接(如电 阻焊接、激光焊接等)、针焊等。在一些实施方案中,可在存在惰性气体的情况下进行密封, 如W上描述的那样,W便所得的组件基本上无活性气体,比如氧气或水蒸汽。
[00M]在图4至6所示的实施方案中,电容器组件包括40个电容器元件。然而如上所述,本 发明可W采用任意数量的电容器元件,比如约2个至约200个,在一些实施方案中,约10个至 约100个,在一些实施方案中,约20个至约50个。
[0096]不管其特定构造如何,本发明的电容器组件即使在接触高电压环境及高溫时也具 有极佳的电气性能。例如,由于本发明的电容器组件的散热性能,可W获得相对较高的纹波 电流且不会损坏电容器组件。例如,最大纹波电流可W为约25安培或更高,在一些实施方案 中,为约50安培或更高,儿在一些实施方案中,为约75安培或更高。此外,电容器组件的等效 串联电阻化SR)可W小于约50毫欧姆,在一些实施方案中,小于约25毫欧姆,在一些实施方 案中,小于约10毫欧姆。例如,ESR可W为约0.5毫欧姆至约10毫欧姆,比如约1毫欧姆至约8 毫欧姆,比如约2毫欧姆至约6毫欧姆。
[0097]可W通过参考下述实例更好地理解本发明。
[00側测试程序
[0099] 等效串联电阻化SR)
[0100] 利用具有Kelvin引线的Agilent E4980A精密LCR测试计W2.2伏直流偏压及0.5伏 峰-峰正弦信号测量等效串联电阻。工作频率为100曲Z,且溫度为23°C±2°C。
[0101] 电容(CAP)
[0102] 利用具有Kelvin引线的Agilent E4980A精密LCR测试计W2.2伏直流偏压及0.5伏 峰-峰正弦信号测量电容。工作频率为120Hz。
[0103] 漏电流(D化)
[0104] 利用Keithl巧2410源表测量在达到合适的电压(25°C-85°C为化,125°C为化的 60%,而150°C为化的50% )下至少60秒后的漏电流。
[0105] 纹波电流:
[0106] 利用GoldStar GP 505电源、Agilent 33210信号发生器,带PtlOO热电偶的Almemo 2590-9数据记录器及Fl址e 80i示波器测量纹波电流。当合适的纹波电流值经过电容器时, 工作频率为20千赫,且带交流信号及10伏直流偏压。纹波电流增加时,溫度也上升并由热像 照相机监控。
[0…7] 实施例
[0108] 使用9000yFV/g铁粉形成阳极样品。每个阳极样品都嵌有铁丝,在1800°C下烧结, 且压制成密度为5.3g/cm3。得到的小球的尺寸为4.6mm X 5.25mm X 2.6mm。在导电率为8.6mS 的水/憐酸电解质中在85°C的溫度下将小球阳极氧化至260伏,形成介质层;然后将阳极浸 溃在固体含量为1.1 %且粘度为20mPa. S(Clevios?K,H. C. S化rck)的聚(3,4-締控基二氧嚷 吩)的分散液中形成导电聚合物涂层;一旦涂覆完成,将该部件在125°C干燥20分钟;重量该 步骤10次;之后,该部件浸溃在固体含量为2%且粘度为20mPa.s(Clevios?K,H.C.Starck) 的聚(3,4-締控基二氧嚷吩)的分散液中;一旦涂覆完成,将该部件在125°C下干燥20分钟; 不重复该步骤;然后,该部件浸溃在固体含量为2%且粘度为160mPa.s(Clevios?K, H. C. Starck)的聚(3,4-締控基二氧嚷吩)的分散液中;一旦涂覆完成,在125°C下将该部件 干燥20分钟;重量该步骤8次;将该部件浸溃在石墨分散液中,并干燥;最后,将该部件浸溃 在银分散液中,并干燥。通过该方式便制作了多个100伏电容器。
[0109] 采用铜基引线框材料完成组装工艺,将电容器元件放置于陶瓷壳体内。电容器组 件包括36个电容器元件,其分4排并列连接(每排9个电容器元件)。然后将阴极连接构件粘 接至儀阴极端子,将阳极引线框焊接至长度为58.0mm、宽度为35.Omm且厚度为5.45mm的陶 瓷壳体的底壁上的儀阳极端子。壳体具有锻儀扣圧0?焊垫,其焊接在陶瓷壳体底壁的内表 面上。
[0110] 用于进行所有连接的粘合剂是银膏。然后将组件装入对流烤箱中W焊接银膏。之 后,用于阳极连接的焊接为电阻焊接,其使用在引线框部件与陶瓷壳体的锻儀焊垫之间施 加的时长100毫秒的300W的能量。然后,将导热娃封装剂(Thermoset SC-320)涂覆在电容器 元件的阳极及阴极部分的顶部,然后在150°C下烘干24小时;之后,将Kovar?盖子放置在壳 体的顶部,紧密地放置在陶瓷密封环上。将所得的组件放置在焊接室内,并在进行密封环及 盖子之间的缝焊之前采用氮气净化。
[0111] 测试之后,确定了电容为340.化F,ESR为4.3m Q。W下示出了漏电流及纹波电流的 测试结果总结:
[0112]
[0113]
[0114] 如表所示,根据实施例制造的电容器组件能够承受25安培的纹波电流,且仅达到 103.6°C的溫度。
[0115] 在不脱离本发明的精神及范围的情况下,本领域的普通技术人员可对本发明进行 运些及其它修改及变动。此外,应当理解,各种实施方案的方面可W整体或部分互换。另外, 本领域的普通技术人员应当理解,上述描述仅为举例,并非旨在限制所附权利要求进一步 描述的本发明。
【主权项】
1. 一种电容器组件,其包括: 多个电容器元件,每个电容器元件包含烧结的多孔阳极体,覆盖所述阳极体的介质层 以及覆盖所述介质层的固体电解质,其中阳极引线从每个电容器元件延伸出来,每个电容 器元件由上主表面、下主表面、第一相对的次表面与第二相对的次表面限定,其中每个所述 上主表面与所述下主表面的表面面积大于每个所述相对的次表面的表面面积; 壳体,其具有长度、宽度及高度,其中所述长度与所述高度之比的范围为约2至约80,所 述壳体是密封的并限定有内空腔,所述多个电容器元件设置在所述内空腔内,其中每个电 容器元件的所述下主表面面向所述壳体的底壁,并且其中所述底壁由所述壳体的长度及宽 度限定; 外部阳极端子,其与每个电容器元件的所述阳极引线电连接;以及 外部阴极端子,其与每个电容器元件的所述固体电解质电连接。2. 根据权利要求1所述的电容器组件,其中所述内空腔具有包含惰性气体的气氛。3. 根据权利要求1或2所述的电容器组件,其中所述壳体由金属、塑料、陶瓷或其组合物 形成。4. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,进一步包括将每个电容器元件的所述 阳极引线与所述外部阳极端子连接的阳极引线框。5. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述固体电解质通过导电粘合剂 电连接至所述外部阴极端子。6. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述电容器元件以多排平行布 置,其中每排电容器元件沿所述壳体的长度纵向延伸。7. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述电容器组件包括2个至约200 个电容器元件。8. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述多个电容器元件并列连接。9. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述壳体的高度范围为约1毫米 至约20毫米。10. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述电容器元件的所述下主表 面的总表面积与所述壳体的容积之比范围为约0. Οδ??πΓ1至约0. Smnf1。11. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述阳极体由包含钽、铌或它们 的导电氧化物的粉末形成。12. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述固体电解质包括导电聚合 物或二氧化锰。13. 根据权利要求12所述的电容器组件,其中所述导电聚合物是取代聚噻吩。14. 根据权利要求13所述的电容器组件,其中所述取代聚噻吩是聚(3,4_乙烯基二氧噻 吩)。15. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述固体电解质包括多种预聚 合的导电聚合物颗粒。16. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述电容器组件的最大纹波电 流为约25安培或更高。17. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中所述电容器组件的等效串联电 阻小于约10毫欧姆。18. 根据前述权利要求任一项所述的电容器组件,其中封装材料至少部分地封装所述 多个电容器元件。19. 根据权利要求18所述的电容器组件,其中所述封装材料是导热的。20. 根据权利要求19所述的电容器组件,其中所述封装材料的导热系数为约lW/m-K或 更1?。
【文档编号】H01G9/15GK105977036SQ201610141272
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】J·彼得日莱克, J·奈华德, M·比乐
【申请人】Avx公司
再多了解一些
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