專利名稱：機械穩(wěn)定性提高的密封電解電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密封電解電容器，更具體地，本發(fā)明涉及一種有高機械穩(wěn)定性的密封電解電容器。
背景技術(shù)：
由于其體積效率、可靠性和工藝兼容性，電解電容器(如鉭電容器)在電路設(shè)計中的應(yīng)用日益增長。例如，已經(jīng)開發(fā)的一類電容器是固體電解電容器，包括陽極(如鉭)、在陽極上形成的介質(zhì)氧化物膜(如五氧化二鉭(Ta2O5))、固體電解質(zhì)層及陰極。固體電解質(zhì)層可由導(dǎo)電聚合物形成，如Sakata等人的美國專利US 5,457,862、Sakata等人的美國專利US5, 473，503、Sakata等人的美國專利US 5, 729, 428和Kudoh等人的美國專利US5，812，367中所述。然而，遺憾的是，由于此類固體電解質(zhì)在高溫時存在從摻雜狀態(tài)向不摻 雜狀態(tài)轉(zhuǎn)變或從不摻雜狀態(tài)向摻雜狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向，其高溫穩(wěn)定性較差。為了解決這些問題和其它問題，人們已經(jīng)開發(fā)了密封的電容器，以限制使用期間氧氣與導(dǎo)電聚合物接觸。例如，Rawal等人公開的美國專利US 2009/0244812描述了一種電容器組件，包括導(dǎo)電聚合物電容器，所述電容器封閉和密封在含惰性氣體的陶瓷外殼內(nèi)。據(jù)Rawal等人所述，陶瓷外殼限制供應(yīng)給導(dǎo)電聚合物的氧氣量和水分量，因此，降低了在高溫環(huán)境中氧化的可能性，從而提高了電容器組件的熱穩(wěn)定性。然而，不管實現(xiàn)的好處如何，問題卻依然存在。例如，電容器元件有時候在極端條件下(如超過大約175°C的高溫與/或超過大約35伏特的高壓)機械穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致電容器元件剝離，電氣性能變差。當(dāng)使用相對較大的陽極時，如高電容應(yīng)用中使用的陽極時，這個問題尤其突出。因此，目前需要一種在極端條件下性能改進(jìn)的固體電解電容器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例公開了一種電容器組件，包括電容器元件和定義了一個內(nèi)部空腔的外殼，所述電容器兀件放在外殼內(nèi)。聚合物限制材料與電容器兀件表面及外殼表面相鄰并與這些表面相接觸，至少部分內(nèi)部空腔未被電容器元件和聚合物限制材料占據(jù)。所述組件還包括與陽極體電連接的陽極端子及與固體電解質(zhì)電連接的陰極端子。在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了一種形成電容器組件的方法。所述方法包括將電容器元件放在外殼的內(nèi)部空腔內(nèi)，其中所述電容器元件包括陽極氧化、涂覆固體電解質(zhì)的燒結(jié)陽極體。所述陽極體與陽極端子電連接，所述固體電解質(zhì)與陰極端子電連接。然后，使熱固性材料與電容器元件表面和外殼表面相鄰并與它們相接觸。固化熱固性材料，形成聚合物限制材料。所述電容器元件和聚合物限制材料密封在存在含惰性氣體的氣體氛圍的外殼內(nèi)。本發(fā)明的其它特點和方面將在下文進(jìn)行更詳細(xì)的說明。


本發(fā)明的完整和具體說明，包括對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言的最佳實施例，結(jié)合附圖和附圖標(biāo)記在具體實施方式
中作進(jìn)一步描述，在附圖中，同一附圖標(biāo)記表示相同或者相似部件。

如下圖I是本發(fā)明電容器組件的一個實施例的剖視圖；圖2是本發(fā)明電容器組件另一個實施例的剖視圖；圖3是本發(fā)明電容器組件另一個實施例的剖視圖；圖4是本發(fā)明電容器組件另一個實施例的俯視圖。
具體實施例方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，下面的內(nèi)容僅作為本發(fā)明的具體實施例，并不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，保護(hù)范圍在示范性結(jié)構(gòu)中得到體現(xiàn)。一般說來，本發(fā)明涉及一種在極端條件下具有熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性的電容器組件。通過將電容器兀件封閉和密封在存在含惰性氣體的氣氛的外殼內(nèi)，從而限制供應(yīng)給電容器固體電解質(zhì)的氧氣量和水分量而獲得了熱穩(wěn)定性。為了給組件提供良好的機械穩(wěn)定性，還采用與電容器元件一個或多個表面相鄰并與這些表面相接觸的聚合物限制材料。不打算受理論限制，人們認(rèn)為，聚合物限制材料的強度和剛性有助于電容器更好地耐受使用期間受到的振動力，從而不會造成剝離。采用這種方式，電容器組件能夠在極端條件下更好地工作。下面將更為詳細(xì)地說明本發(fā)明的各種實施例。I.電容器元件對于高壓應(yīng)用來說，通常希望電容器元件的陽極是由比電荷相對較低的粉末形成，例如，大約低于70，000微法拉*伏特/克(“ U F*V/g ”)，在一些實施例中為大約2，000 u F*V/g-大約 65，000 u F*V/g，在一些實施例中為大約 5，000-大約 50，000 u F*V/g。當(dāng)然，雖然有時候希望采用比電荷低的粉末，但是，這并不意味著要求采用。也就是說，粉末也可以具有相對較高的大約70，000微法拉*伏特/克(“ U F*V/g”)或更高的比電荷，在一些實施例中，大約是80，000 u F*V/g或更高，在一些實施例中，是大約90，000 u F*V/g或更高，在一些實施例中，是大約100，000 u F*V/g或更高，在一些實施例中，是大約120，000至大約 250，OOOu F*V/go所述粉末可能包含一種閥金屬(即能夠氧化的金屬)或基于閥金屬的化合物，如鉭、鈮、鋁、鉿、鈦及其各自的合金、氧化物、氮化物等。例如，閥金屬組合物可能包含一種鈮的導(dǎo)電氧化物，如鈮氧原子比為I : I. 0±1. 0的鈮的氧化物，在一些實施例中，鈮氧原子比為I : I. 0±0. 3，在一些實施例中，鈮氧原子比為I : 1.0±0. 1，在一些實施例中，鈮氧原子比為I : 1.0±0. 05。例如，鈮的氧化物可能是NbOQ.7、NbOu、NbC^dPNbO215這種閥金屬氧化物的實例在Fife美國專利US 6. 322. 912、Fife等人的美國專利US 6，391，275、Fife等人的美國專利US 6，416，730、Ei包美國專利US 6,527,937、Kimmel等人的美國專利US 6,576,099、Fife等人的美國專利US 6,592,740、Kimmel等人的美國專利US
6,639, 787、Kimmel等人的美國專利US 7，220, 397,及Schnitter公開的美國專利申請US2005/0019581、Schnitter等人公開的美國專利申請US 2005/0103638及Thomas等人公開的美國專利申請US 2005/0013765均有所描述，以上專利以全文的形式引入到本專利中。
例如，顆?？梢允瞧瑺?、角狀、節(jié)狀及上述混合體或者變體。顆粒的篩分粒度分布至少大約為60目，在一些實施例中為大約60目到大約325目，一些實施例中為大約100目到大約200目。此外，比表面積大約是0.1-大約10. 0m2/g，在一些實施例中，是大約0. 5-大約5. 0m2/g,在一些實施例中，大約是I. 0-大約2. 0m2/g。術(shù)語“比表面積”是指按照 Journal of American Chemical Society (《美國化學(xué)會志》)1938 年第 60 卷 309 頁上記載的Bruanauer、Emmet和Teller發(fā)表的物理氣體吸附法(B. E. T.)測定的表面積,吸附氣體為氮氣。同樣，體積(或者斯科特)密度一般為大約0.1-大約5. Og/cm3，在一些實施例中為大約0. 2-大約 4. Og/cm3, 一些實施例中為大約0. 5-大約3. Og/cm3。在粉末中還可加入其它組分，以促進(jìn)陽極體的形成。例如，可采用粘結(jié)劑與/或潤滑劑，以保證在壓制成陽極體時各顆粒彼此適當(dāng)?shù)卣辰Y(jié)在一起。合適的粘結(jié)劑包括樟腦、硬脂酸和其它阜質(zhì)脂肪酸、聚乙二醇(Carbowax)(聯(lián)合碳化物公司)、甘酞樹脂(Glyptal)(美國通用電氣公司)、聚乙烯醇、萘、植物蠟以及微晶蠟(精制石蠟)。粘結(jié)劑可在溶劑中溶解和分散。溶劑實例包括水、醇等。使用粘結(jié)劑和/或潤滑劑時，其百分含量是總重量的大約0. 1% -大約8%。然而，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不要求使用粘結(jié)劑和潤滑劑。得到的粉末可以采用任一種常規(guī)的粉末壓模壓緊。例如，壓?？蔀椴捎脝文＞吆鸵粋€或多個模沖的一站式壓力機?；蛘?，還可采用僅使用單模具和單下模沖的砧型壓模。單站壓模有幾種基本類型，例如，具有不同生產(chǎn)能力的凸輪壓力機、肘桿式壓力機/肘板壓力機和偏心壓力機/曲柄壓力機，例如可以是單動、雙動、浮動模壓力機、可移動平板壓力機、對置柱塞壓力機、螺旋壓力機、沖擊式壓力機、熱壓壓力機、壓印壓力機或精整壓力機。壓制后，所得陽極體可以切割為任何要求的形狀，如正方形、長方形、圓形、橢圓形、三角形、六邊形、八邊形、七邊形、五邊形等。所述陽極體還可以具有“槽”形，槽內(nèi)包括一個或多個溝槽、凹槽、低洼或者凹陷，以增加表面積-體積比，最大程度地降低ESR并延長電容的頻率響應(yīng)。然后，陽極體將經(jīng)歷一個加熱步驟，脫除其中大部分粘結(jié)劑/潤滑劑，如果不是全部脫除的話。例如，陽極體一般采用溫度大約150°C-500°C的烘箱加熱。或者，也可將顆粒與水溶液接觸而脫除粘結(jié)劑/潤滑劑，如Bishop等人的美國專利US 6，197，252所述。陽極體一旦形成后，即進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度、氣氛和時間取決于多種因素，如陽極類型、陽極尺寸等。一般來說，燒結(jié)在大約800°C -大約1900°C條件下進(jìn)行，在一些實施例中，在大約1000°C -大約1500°C，在一些實施例中，在大約1100°C -大約1400°C條件下進(jìn)行，燒結(jié)時間為大約5分鐘-大約100分鐘,在一些實施例中，為大約30分鐘-大約60分鐘。如果要求的話，燒結(jié)可在限制氧原子轉(zhuǎn)移到陽極的氣氛中進(jìn)行。例如，燒結(jié)可在還原性氣氛中進(jìn)行，如在真空、惰性氣體、氫氣中進(jìn)行。還原性氣氛的壓力大約是10托至大約2000托，在一些實施例中，大約是100托至大約1000托，在一些實施例中，大約是100托至大約930托。也可以使用氫氣和其它氣體(如氬氣或氮氣)的混合物。陽極引線還可與陽極體連接，并從陽極體沿側(cè)向引出。陽極引線可以是線狀、片狀等，可以采用閥金屬化合物，如鉭、鈮、鈮的氧化物等形成。所述引線的連接可采用任何已知的方法完成，例如將引線焊接到陽極體上或在形成期間(例如，在壓緊與/或燒結(jié)之前)將引線嵌入陽極體內(nèi)。該陽極還涂覆介質(zhì)層。介質(zhì)可以這樣形成對燒結(jié)的陽極進(jìn)行陽極氧化(“陽極氧化”)，在陽極上面與/或內(nèi)部形成介質(zhì)層。例如，鉭(Ta)陽極可經(jīng)陽極氧化變?yōu)槲逖趸g(Ta2O5)。一般說來，陽極氧化首先是在陽極上涂覆一種溶液，例如將陽極浸到電解質(zhì)中。通常采用溶劑，如水(如去離子水)。為了增強離子電導(dǎo)率，可以采用在溶劑中能夠離解而形成離子的化合物。此類化合物的實例包括，例如，酸·，如下文電解質(zhì)一節(jié)所述。例如，酸(如磷酸)占陽極氧化溶液的含量可能是大約0. 01wt%-大約5wt%，在一些實施例中是大約0. 05wt% -大約0. 8wt%,在一些實施例中是大約0. Iwt% -大約0. 5wt%。若需要的話，也可以采用酸的混合物。使電流通過陽極氧化溶液，形成介質(zhì)層。形成電壓值決定介質(zhì)層的厚度。例如，一開始以恒電流模式建立電源供應(yīng)，直到達(dá)到要求的電壓。然后，可將電源供應(yīng)切換到恒電位模式，以確保在陽極整個表面形成要求的介質(zhì)層厚度。當(dāng)然，也可以采用人們熟悉的其它方法，如脈沖或階躍恒電位法。陽極氧化發(fā)生時的電壓一般是大約4-大約250V，在一些實施例中，是大約9-大約200V，在一些實施例中，是大約20-大約150V。在陽極氧化期間，陽極氧化溶液可保持在較高溫度，如大約30°C或更高，在一些實施例中，大約40°C -大約200°C，在一些實施例中，大約50°C -大約100°C。陽極氧化還可在室溫或更低溫度下進(jìn)行。所得到的介質(zhì)層可在陽極表面形成或在陽極孔內(nèi)形成。電容器元件還包含作為電容器陰極的固體電解質(zhì)。例如，二氧化錳固體電解質(zhì)可通過硝酸猛(Mn(NO3)2)熱解形成。例如，這種熱解方法在Sturmer等人的美國專利US4，945，452中進(jìn)行了描述，該專利以全文的形式引入到本專利中。或者，固體電解質(zhì)可由一層或多層導(dǎo)電聚合物層形成。這些層中的導(dǎo)電聚合物通常是共軛的，并在氧化或還原后具有導(dǎo)電性，例如，氧化后電導(dǎo)率至少約為lyS.cnT1。此類共軛的導(dǎo)電聚合物的實例包括，例如，聚雜環(huán)類(例如聚吡咯；聚噻吩、聚苯胺等)；聚乙炔；聚-對苯撐；聚酚鹽等。尤其適合的導(dǎo)電聚合物是具有下述結(jié)構(gòu)通式的取代聚噻吩
o^xr
4 其中，T 是 0 或 S ;D是任選C1-C5烯烴取代基(例如，亞甲基、乙烯基、正-丙烯基、正丁烯基、正戊烯基等);R7是線性或支鏈的任選C1-C18烷基取代基(例如，甲基、乙基、正丙基或異丙基、正丁基、異丁基、仲丁基或叔丁基、正戊基、I-甲基丁基、2-甲基丁基、3-甲基丁基、I-乙基丙基、1，I- 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i^一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十六烷基、正十八烷基等)；任選C5-C12環(huán)烷基取代基(如環(huán)戊基、環(huán)己基、環(huán)庚基、環(huán)辛基、環(huán)壬基、環(huán)癸基等)；任選C6-C14芳基取代基(如苯基、萘基等)；任選C7-C18芳烷基取代基(如芐基，鄰、間、對-甲苯基、2，3-、2，4-、2，5-、2，6-、3，4-、3，5-二甲苯基、三甲苯基等)；任選C1-C4羥烷基取代基或輕基取代基；及
q是0-8的整數(shù)，在一些實施例中，是0_2的整數(shù)，在一個實施例中，是0 ;及n是2-5，000，在一些實施例中，n是4-2，000，在一些實施例中，n是5-1，000 ;“D”或“R7”的取代基實例包括，例如，燒基、環(huán)燒基、芳基、芳燒基、燒氧基、齒素、釀、硫釀、_■硫化物、亞砜、砜、磺酸酯、氨基、醛、酮、羧酸酯、羧酸、碳酸酯、羧化物、氰基、烷基硅烷和烷氧基硅烷基、羧酰胺基等。尤其適合的噻吩聚合物是“D”為任選取代C2-C3烯烴取代基的噻吩聚合物。例如，聚合物可為具有下述結(jié)構(gòu)通式的任選取代聚(3，4_乙烯基二氧噻吩)
權(quán)利要求
1.一種電容器組件,包括 電容器元件，包括由陽極氧化的燒結(jié)多孔體形成的陽極及覆蓋在所述陽極上的固體電解質(zhì)； 定義了一個內(nèi)部空腔的外殼，所述電容器元件放在所述內(nèi)部空腔內(nèi)，其中所述內(nèi)部空腔內(nèi)的氣體氛圍包含惰性氣體； 聚合物限制材料，與電容器元件表面和外殼表面相鄰并與這些表面相接觸，其中至少部分內(nèi)部空腔未被電容器元件和聚合物限制材料占據(jù)； 與所述陽極體電連接的陽極端子；及 與所述固體電解質(zhì)電連接的陰極端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述多孔體由鉭的氧化物或鈮的氧化物形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述固體電解質(zhì)包括導(dǎo)電聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容器組件，其中所述導(dǎo)電聚合物是顆粒分散體的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述固體電解質(zhì)包括二氧化錳。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述電容器元件占據(jù)內(nèi)部空腔的大約30vol*%或更多。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件,其中所述惰性氣體占?xì)怏w氛圍的大約5(^舊至IOOwt %o
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述聚合物限制材料由可固化的熱固性材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容器組件，其中所述可固化的熱固性材料包括聚有機硅氧烷、環(huán)氧樹脂或它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述聚合物限制材料在大約25°C時測定的拉伸強度大約是2MPa至大約lOOMPa。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述聚合物限制材料接觸電容器元件的
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述電容器組件包括多塊聚合物限制材料，每塊聚合物限制材料均與電容器組件表面及外殼表面相鄰并相接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中所述外殼采用金屬、塑料、陶瓷或它們的組合制造。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，進(jìn)一步包括從陽極多孔體側(cè)向延伸的引線，其中所述引線位于外殼的內(nèi)部空腔內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電容器組件，進(jìn)一步包括連接元件，所述連接元件包含通常與陽極引線側(cè)向垂直并與陽極引線連接的第一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電容器組件，其中所述連接元件進(jìn)一步包含通常與陽極引線延伸側(cè)向平行的第二部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電容器組件，其中所述第二部分位于外殼內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容器組件，其中內(nèi)部空腔體積的至少大約5%未被電容器元件和聚合物限制材料占據(jù)。
19.一種形成電容器組件的方法，包括 將電容器元件放在外殼的內(nèi)部空腔內(nèi)，其中所述電容器元件包括陽極氧化、涂覆固體電解質(zhì)的燒結(jié)陽極體； 將電容器元件的陽極體與陽極端子電連接，將電容器元件的固體電解質(zhì)與陰極端子電連接；及 然后，使熱固性材料與電容器兀件表面和外殼表面相鄰并與這些表面相接觸； 固化熱固性材料，形成聚合物限制材料；及 將所述電容器元件和聚合物限制材料密封在其中存在含惰性氣體的氣體氛圍的外殼內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述熱固性材料接觸電容器元件的多個表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中內(nèi)部空腔體積的至少大約5%未被電容器元件和聚合物限制材料占據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在高溫環(huán)境中具有熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性的電容器組件。通過將電容器元件封閉和密封在存在含惰性氣體的氣氛的外殼內(nèi)，從而限制供應(yīng)給電容器固體電解質(zhì)的氧氣量和水分量而獲得了熱穩(wěn)定性。為了給組件提供良好的機械穩(wěn)定性，還采用與電容器元件一個或多個表面相鄰并與這些表面接觸的聚合物限制材料。不打算受理論限制，人們認(rèn)為，聚合物限制材料的強度和剛性有助于電容器更好地耐受使用期間受到的振動力，從而不會造成剝離。采用這種方式，電容器組件能夠在極端條件下更好地工作。
文檔編號H01G9/08GK102751103SQ20121009629
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者I·澤尼科娃, M·比樂 申請人:Avx公司