专利名称：多阳极固体电解电容器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在极端条件下稳定的电容器组件，更具体地说，本发明涉及一种多阳极固体电解电容器组件。
背景技术：
由于电解电容器(如钽电容器)的体积效率、可靠性和工艺兼容性，其在电路设计中的应用日益增长。例如，已经开发的一类电容器是固体电解电容器，包括阳极(如钽)、在阳极上形成的介质氧化物膜(如五氧化二钽(Ta2O5))、固体电解质层及阴极。固体电解质层可由导电聚合物形成，如Sakata等人的美国专利US 5,457,862、Sakata等人的美国专利US5, 473，503、Sakata等人的美国专利US 5, 729, 428和Kudoh等人的美国专利US5，812，367中所述。然而，遗憾的是，由于此类固体电解质在高温时存在从掺杂状态向不掺 杂状态转变的倾向或从不掺杂状态向掺杂状态转变的倾向，其高温稳定性较差。为了解决这些问题和其它问题，人们已经开发了密封的电容器，以限制使用期间氧气与导电聚合物接触。例如，Rawal等人公开的美国专利US 2009/0244812描述了一种电容器组件，包括导电聚合物电容器，所述电容器封闭和密封在含惰性气体的陶瓷外壳内。所述外壳包括焊接到基础结构侧壁上的盖子。据Rawal等所述，陶瓷外壳限制供应给导电聚合物的氧气量和水分量，因此，降低了在高温环境中氧化的可能性，从而提高了电容器组件的热稳定性。然而，不管实现的好处如何，问题却依然存在。例如，高电容应用通常需要较大的阳极来实现要求的电容。然而，由于其尺寸较大，电容器元件的机械稳定性较差，尤其是在极端条件下(例如，超过大约175°C的高温与/或超过大约35伏特的高电压)时，导致剥离及电气性能较差。因此，目前需要一种能够实现较高电容且在极端条件下仍然保持稳定的电容器。
发明内容
在本发明的一个实施例中，公开了一种电容器组件。所述组件包括定义了一内部空腔的外壳，所述内部空腔内存在包含惰性气体的气体氛围。所述组件还包括与第二电容器元件并列相邻的第一电容器元件，其中所述第一电容器元件和第二电容器元件位于内部空腔内，并与外壳连接。每个电容器元件包括由阳极氧化的烧结多孔体形成的阳极及覆盖在所述阳极上的固体电解质。所述电容器组件进一步包括从阳极多孔体侧向延伸的阳极引线，其中所述引线位于外壳的内部空腔内。一阳极端子与每个电容器元件的阳极引线电连接，一阴极端子与每个电容器元件的固体电解质电连接。本发明的其它特点和方面将在下文进行更详细的说明。
本发明的完整和具体说明，包括对于本领域技术人员而言的最佳实施例，结合附图和附图标记在具体实施方式
中作进一步描述，在附图中，同一附图标记表示相同或者相似部件。
如下图I是本发明电容器组件的一个实施例的前视图；图2是图I所示电容器组件去掉了盖子和密封元件后的前视图；图3是图I和图2所示电容器组件沿线3-3的剖视图。
具体实施例方式对于本领域技术人员来说，下面的内容仅作为本发明的具体实施例，并不是对本发明保护范围的限制，保护范围在示范性结构中得到体现。一般说来，本发明涉及一种能够实现高电容并且在极端条件下仍然具有热稳定性和机械稳定性的电容器组件。虽然所述组件的电容可能根据应用而有所不同，但是，在工作频率120Hz和温度大约23 °C 土大约2 °C时测定的电容可以是大约200 ii F至大约 10，000 u F，在一些实施例中，是大约500 u F至大约8，000 u F，在一些实施例中，是大约
I,000 u F至大约6，000 u F，在一些实施例中，是大约2，000 u F至大约5，000 u F。即使电容如此之高，但是，通过将几个独立的电容器元件与电容器组件的外壳连接，仍然可以实现良好的机械稳定性。并不打算受理论限制，我们认为，采用多个电容器元件，增大了电容器元件与外壳连接的表面积。此外，这样做使电容器元件可以在更大面积上分散使用期间产生的振动力，从而降低了剥离的可能性。电容器元件还封闭和密封在存在含惰性气体的气氛的外壳内，从而限制供应给电容器元件固体电解质的氧气量和水分量。通过组合上述特点，所述电容器组件能够在极端条件下更好地工作。下面将更为详细地说明本发明的各种实施例。I.电容器元件如上所述，电容器组件包括并列放置的多个电容器。通常可以采用任何数量的电容器元件。例如，电容器组件可能包括2至8个电容器元件(如2、3或4个)，在一些实施例中，包括2至4个电容器元件,在一些实施例中,包括2至3个电容器元件,在一个具体的实施例中，包括2个电容器元件。不管采用几个电容器元件，电容器元件都包括一阳极。在高压应用中使用时，通常希望电容器元件的阳极是由比电荷相对较低的粉末形成，例如，比电荷大约低于70，000微法拉*伏特/克(“ U F*V/g”)，在一些实施例中是大约2，000 u F*V/g-大约65，000 u F*V/g，在一些实施例中是大约5，000-大约50，000iiF*V/g。当然，虽然有时候希望采用比电荷低的粉末，但是，这并不意味着要求采用。也就是说，粉末也可以具有大约70，000微法拉*伏特/克(“uF*V/g”)或更高的相对较高的比电荷，在一些实施例中，大约是80，000 u F*V/g或更高，在一些实施例中，是大约90，000 u F*V/g或更高，在一些实施例中，是大约100，000 u F*V/g或更高，在一些实施例中，是大约120，000至大约250，000 u F*V/g。所述粉末可能包含一种阀金属(即能够氧化的金属)或基于阀金属的化合物，如钽、铌、铝、铪、钛及其各自的合金、氧化物、氮化物等。例如，阀金属组合物可能包含一种铌的导电氧化物，如铌氧原子比为I : I. 0±1. 0的铌的氧化物，在一些实施例中，铌氧原子比为I : I. 0±0. 3，在一些实施例中，铌氧原子比为I : I. 0±0. 1，在一些实施例中，铌氧原子比为I : 1.0±0. 05。例如，铌的氧化物可能是NbOQ.7、NbOu、NbC^dPNbO215这种阀金属氧化物的实例在Fife的美国专利US6，322，912中、Fife等人的美国专利US 6，391，275中、Fife等人的美国专利US 6,416,730中、Fife的美国专利US 6, 527,937中、Kimmel等人的美国专利US 6，576，099中、Fife等人的美国专利US 6，592，740中、Ki_el等人的美国专利US 6. 639. 787中、Kimmel等人的美国专利US 7，220，397中，及Schnitter公开的美国专利申请US2005/0019581中、Schnitter等人公开的美国专利申请US 2005/0103638中及Thomas等人公开的美国专利申请US 2005/0013765中均有所描述，以上专利以全文的形式引入到本专利中。例如，颗粒可以是片状、角状、节状及上述混合体或者变体。颗粒的筛分粒度分布至少大约为60目，在一些实施例中为大约60目到大约325目，一些实施例中为大约100目到大约200目。此外，比表面积大约是0.1-大约10. 0m2/g，在一些实施例中，是大约0. 5-大约5. 0m2/g，在一些实施例中，大约是I. 0-大约2. 0m2/g。术语“比表面积”是指按照Journalof American Chemical Society (《美国化学会志》)1938年第60卷309页上记载的Bruanauer、Emmet和Teller发表的物理气体吸附法(B. E. T.)测定的表面积,吸附气体为氮气。同样，体积(或者斯科特)密度一般为大约0. I-大约5. Og/cm3，在一些实施例中·为大约0. 2-大约4. Og/cm3, 一些实施例中为大约0. 5-大约3. Og/cm3。在粉末中还可加入其它组分，以促进阳极体的形成。例如，可采用粘结剂与/或润滑剂，以保证在压制成阳极体时各颗粒彼此适当地粘结在一起。合适的粘结剂包括樟脑、硬脂酸和其它阜质脂肪酸、聚乙二醇(Carbowax)(联合碳化物公司)、甘酞树脂(Glyptal)(美国通用电气公司)、聚乙烯醇、萘、植物蜡以及微晶蜡(精制石蜡)。粘结剂可在溶剂中溶解和分散。溶剂实例包括水、醇等。使用粘结剂和/或润滑剂时，其百分含量是总重量的大约0. 1% -大约8%。然而，应该理解的是，本发明并不要求使用粘结剂和润滑剂。得到的粉末可以采用任一种常规的粉末压模压紧。例如，压模可为采用单模具和一个或多个模冲的一站式压力机。或者，还可采用仅使用单模具和单下模冲的砧型压模。单站压模有几种基本类型，例如，具有不同生产能力的凸轮压力机、肘杆式压力机/肘板压力机和偏心压力机/曲柄压力机，例如可以是单动、双动、浮动模压力机、可移动平板压力机、对置柱塞压力机、螺旋压力机、冲击式压力机、热压压力机、压印压力机或精整压力机。压制后，所得阳极体可以切割为任何要求的形状，如正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形、六边形、八边形、七边形、五边形等。所述阳极体还可以具有“槽”形，槽内包括一个或多个沟槽、凹槽、低洼或者凹陷，以增加表面积-体积比，最大程度地降低ESR并延长电容的频率响应。然后，阳极体将经历一个加热步骤，脱除其中大部分粘结剂/润滑剂，如果不是全部脱除的话。例如，阳极体一般采用温度大约150°C-500°C的烘箱加热。或者，也可将颗粒与水溶液接触而脱除粘结剂/润滑剂，如Bishop等人的美国专利US 6，197，252所述。阳极体一旦形成后，即进行烧结。烧结温度、气氛和时间取决于多种因素，如阳极类型、阳极尺寸等。一般来说，烧结在大约800°C -大约1900°C条件下进行，在一些实施例中，在大约1000°C -大约1500°C，在一些实施例中，在大约1100°C -大约1400°C条件下进行，烧结时间为大约5分钟-大约100分钟,在一些实施例中，为大约30分钟-大约60分钟。如果要求的话，烧结可在限制氧原子转移到阳极的气氛中进行。例如，烧结可在还原性气氛中进行，如在真空、惰性气体、氢气中进行。还原性气氛的压力大约是10托至大约2000托，在一些实施例中，大约是100托至大约1000托，在一些实施例中，大约是100托至大约930托。也可以使用氢气和其它气体(如氩气或氮气)的混合物。
阳极引线还可与阳极体连接，并从阳极体沿侧向引出。阳极引线可以是线状、片状等，可以采用阀金属化合物，如钽、铌、铌的氧化物等形成。所述引线的连接可采用任何已知的方法完成，例如将引线焊接到阳极体上或在形成期间(例如，在压紧与/或烧结之前)将引线嵌入阳极体内。该阳极还涂覆介质层。介质可以这样形成对烧结的阳极进行阳极氧化(“阳极氧化”)，在阳极上面与/或内部形成介质层。例如，钽(Ta)阳极可经阳极氧化变为五氧化二钽(Ta2O5)。一般说来，阳极氧化首先是在阳极上涂覆一种溶液，例如将阳极浸到电解质中。通常采用溶剂，如水(如去离子水)。为了增强离子电导率，可以采用能够在溶剂中离解而形成离子的化合物。此类化合物的实例包括，例如，酸，如下文电解质一节所述。例如，酸(如磷酸)占阳极氧化溶液的含量可能是大约0. 01wt%-大约5wt%，在一些实施例中是大约0. 05wt% -大约0. 8wt%,在一些实施例中是大约0. Iwt% -大约0. 5wt%。若需要的话，也可以采用酸的混合物。使电流通过阳极氧化溶液，形成介质层。形成电压值决定介质层的厚度。例如，一 开始以恒电流模式建立电源供应，直到达到要求的电压。然后，可将电源供应切换到恒电位 模式，以确保在阳极整个表面形成要求的介质层厚度。当然，也可以采用人们熟悉的其它方法，如脉冲或阶跃恒电位法。阳极氧化发生时的电压一般是大约4-大约250V，在一些实施例中，是大约9-大约200V，在一些实施例中，是大约20-大约150V。在阳极氧化期间，阳极氧化溶液可保持在较高温度，如大约30°C或更高，在一些实施例中，大约40°C -大约200°C，在一些实施例中，大约50°C -大约100°C。阳极氧化还可在室温或更低温度下进行。所得到的介质层可在阳极表面形成或在阳极孔内形成。电容器元件还包含作为电容器阴极的固体电解质。例如，二氧化锰固体电解质可通过硝酸猛(Mn(NO3)2)热解形成。例如，这种热解方法在Sturmer等人的美国专利US4，945，452中进行了描述，该专利以全文的形式引入到本专利中。或者，固体电解质可由一层或多层导电聚合物层形成。这些层中的导电聚合物通常是共轭的，并在氧化或还原后具有导电性，例如，氧化后电导率至少约为lyS.cnT1。此类共轭的导电聚合物的实例包括，例如，聚杂环类(例如聚吡咯；聚噻吩、聚苯胺等)；聚乙炔；聚-对苯撑；聚酚盐等。尤其适合的导电聚合物是具有下述结构通式的取代聚噻吩
权利要求
1.一种电容器组件,包括 定义了一内部空腔的外壳，所述内部空腔内存在包含惰性气体的气体氛围； 与第二电容器兀件并列相邻放置的第一电容器兀件，其中第一电容器兀件和第二电容器元件位于内部空腔内，并与外壳连接，每个电容器元件包括由阳极氧化的烧结多孔体形成的阳极及覆盖在阳极上的电解质，其中每个电容器元件进一步包括从阳极多孔体沿侧向延伸的阳极引线，其中所述引线位于外壳的内部空腔内； 与每个电容器元件的阳极引线电连接的阳极端子；及 与每个电容器元件的固体电解质电连接的阴极端子。
2.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述第一电容器元件的一侧表面相邻并朝向第二电容器兀件的一侧表面。
3.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述第一电容器元件具有第一主要表面，所述第二电容器元件具有第二主要表面，其中第一主要表面和第二主要表面与外壳连接。
4.根据权利要求3所述的电容器组件，其中所述第一主要表面和所述第二主要表面通常共平面。
5.根据权利要求I所述的电容器组件，进一步包括与至少其中一个电容器元件电连接的连接元件，其中所述连接元件包含通常与阳极引线侧向垂直并与阳极引线连接的第一部分。
6.根据权利要求5所述的电容器组件，其中所述连接元件进一步包含通常与阳极引线延伸侧向平行的第二部分。
7.根据权利要求6所述的电容器组件，其中所述第二部分位于外壳内。
8.根据权利要求6所述的电容器组件，其中所述第一电容器元件具有通过所述连接元件与外壳连接的第一主要表面。
9.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述多孔体由钽的氧化物或铌的氧化物形成。
10.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述固体电解质包括导电聚合物。
11.根据权利要求10所述的电容器组件，其中所述导电聚合物是颗粒分散体的形式。
12.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述固体电解质包括二氧化锰。
13.根据权利要求I所述的电容器组件，其中所述电容器元件占据内部空腔的大约.30vol*%或更多。
14.根据权利要求I所述的电容器组件,其中所述惰性气体占气体氛围的大约50wt%至 IOOwt %。
15.根据权利要求I所述的电容器组件，进一步包括与至少其中一个电容器元件表面及外壳表面相邻并接触的聚合物限制材料。
16.根据权利要求I所述的电容器组件，其中2至4个电容器元件放在外壳的内部空腔内。
全文摘要
本发明提供了一种在极端条件下稳定的电容器组件。这种电容器组件能够实现高电容，而且在极端条件下仍然具有热稳定性和机械稳定性。通过将多个独立的电容器元件与电容器组件的外壳连接，即使电容较高，也可以实现良好的机械稳定性。并不打算受理论限制，我们认为，采用多个电容器元件，增大了电容器元件与外壳连接的表面积。此外，这样做使电容器元件可以在更大面积上分散使用期间产生的振动力，从而降低了剥离的可能性。电容器元件还封闭和密封在存在含惰性气体的气体氛围的外壳内，从而限制供应给电容器元件固体电解质的氧气量和水分量。通过组合上述特点，这种电容器组件能够在极端条件下更好地工作。
文档编号H01G9/025GK102751106SQ20121009634
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月1日 优先权日2011年4月7日
发明者I·泽尼科娃 申请人:Avx公司