DE4130777A1 - Solid electrolyte capacitor - comprises sintered anode, dielectric oxide layer, cathode of semiconducting metal oxide and safety mechanism - Google Patents
Solid electrolyte capacitor - comprises sintered anode, dielectric oxide layer, cathode of semiconducting metal oxide and safety mechanismInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Fest-Elektrolytkondensator, insbe sondere in Chip-Bauweise als SMD-Bauelement, bestehend aus einer gesinterten Anode aus einem Ventilmetall, einer dielek trisch wirksamen Oxidschicht, einer Kathode aus einem halblei tenden Metalloxid, einem Anoden- und einem Kathodenanschluß, wobei zwischen Kathodenanschluß und Kathode eine Stromsicherung angeordnet ist, die aus einem Verbundwerkstoff aus elektrisch leitenden und nicht leitenden Bereichen gebildet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a solid electrolytic capacitor, in particular special in chip design as SMD component, consisting of a sintered anode made of a valve metal, a dielek tric effective oxide layer, a cathode made of a semi-lead tendency metal oxide, an anode and a cathode connection, a current fuse between the cathode connection and the cathode is arranged, which is made of a composite material of electrical conductive and non-conductive areas is formed, as well a process for its manufacture.
Als Ventilmetall wird bei derartigen Kondensatoren im allge meinen Tantal verwendet, während die Kathode aus halbleitendem Mangandioxid besteht.As a valve metal in such capacitors is generally used my tantalum while the cathode is made of semiconducting Manganese dioxide exists.
Derartige Kondensatoren können, wie jedes andere Bauelement auch, ausfallen. Im Falle eines Kurzschlusses besteht im Extremfall die Gefahr, daß sich der Kondensator entzündet und brennt, was sowohl die Tantal-Sinteranode als auch eine ggf. vorhandene Kunststoffumhüllung betrifft. Bei Platinen mit dicht gepackten oberflächenmontierten Bauelementen führt dies zu Folgeschäden.Such capacitors, like any other component also, fail. In the event of a short circuit Extreme case the danger that the capacitor ignites and burns what both the tantalum sintered anode and a possibly Existing plastic sheath affects. With boards with this leads to tightly packed surface-mounted components to consequential damage.
Um dieser Gefahr zu begegnen, sind Tantal-Festelektrolytkonden satoren mit einem Sicherungselement bekannt. Hierbei gibt es Ausführungsformen mit Stromsicherung (EP 04 18 562 A2) oder mit Thermosicherung (DE 25 31 438 C3).In order to counter this danger, tantalum solid electrolyte condensers are used known with a fuse element. Here there is Embodiments with current fuse (EP 04 18 562 A2) or with thermal fuse (DE 25 31 438 C3).
Ein wichtiges Kriterium für einen gesicherten Kondensator ist neben dem Unterbrechen des Stromes bei Kurzschluß auch die wirtschaftliche Herstellung seines Sicherungselements. Diese Forderung erfüllt beispielsweise das in der DE 29 23 623 C2 beschriebene Sicherungselement, das aus einer metallisch lei tenden Schicht besteht, die mit isolierenden Teilchen durch setzt ist und die als Kathodenzuführung des Kondensators dient. Diese Ausgestaltung und das in der Druckschrift beschriebene Herstellungsverfahren sind jedoch nicht für Chip-Kondensatoren geeignet. Dies betrifft sowohl die Zusammensetzung der Siche rungsschicht als auch im besonderen Maß die Herstellungstech nik.An important criterion for a secured capacitor is in addition to interrupting the current in the event of a short circuit, the economical manufacture of its securing element. These For example, the requirement in DE 29 23 623 C2 fulfills this requirement Fuse described, which consists of a metallic lei layer consisting of insulating particles is set and which serves as the cathode supply of the capacitor. This configuration and that described in the publication However, manufacturing processes are not for chip capacitors suitable. This affects both the composition of the siche layer as well as the manufacturing technology nik.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gesicherten Tantal-Chip-Elektrolytkondensator anzugeben, der einfach her zustellen ist und dessen Sicherungselement im Fall eines Kurz schlusses den Stromkreis in zuverlässiger Weise unterbricht, bevor sich der Kondensator entzünden kann.The object of the present invention is a secured Specify tantalum chip electrolytic capacitor that is simple is to be delivered and its securing element in the event of a short interrupts the circuit in a reliable manner, before the capacitor can ignite.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromsicherung aus einem Leitkleber besteht, der partiell zwischen Kathode und Kathodenanschluß angeordnet ist.This object is achieved in that the Power fuse consists of a conductive adhesive, which is partial is arranged between the cathode and the cathode connection.
Vorteilhafterweise besteht der Leitkleber aus einem handels üblichen Leitkleber, dem elektrisch nicht leitende Teilchen, vorzugsweise aus mechanisch und thermisch stabilen Substanzen, wie Metalloxiden, Hydroxiden, Silikaten und/oder Gläser und dergleichen, zugemischt sind.The conductive adhesive advantageously consists of a trade usual conductive adhesive, the electrically non-conductive particle, preferably from mechanically and thermally stable substances, such as metal oxides, hydroxides, silicates and / or glasses and the like, are mixed.
Bevorzugterweise bestehen die elektrisch nicht leitenden Teil chen aus einer Mischung von Keramikteilchen und hohlen Glas kügelchen, wobei die Keramikteilchen aus Al2O3 mit einem Teilchendurchmesser von 10 bis 50 µm bestehen können. Die hohlen Glaskügelchen weisen bevorzugt eine Wandstärke von ca. 1 µm bei einem Durchmesser von 20 bis 90 µm auf.The electrically non-conductive particles are preferably composed of a mixture of ceramic particles and hollow glass spheres, the ceramic particles being able to consist of Al 2 O 3 with a particle diameter of 10 to 50 μm. The hollow glass spheres preferably have a wall thickness of approximately 1 μm with a diameter of 20 to 90 μm.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zusätzlich eine partielle Abdeckung aus einem elektrisch nicht leitenden, thermisch und mechanisch stabilen Werkstoff zwischen Kathode und Kathodenanschluß angeordnet ist. Diese Abdeckung besteht bevorzugter Weise aus einem keramischen oder temperaturfestem Kleber oder einem Lötstopplack. A further development of the invention is that in addition a partial cover made of an electrically non-conductive, thermally and mechanically stable material between cathode and cathode connection is arranged. This coverage exists preferably from a ceramic or temperature-resistant Glue or a solder mask.
Ein Verfahren zum Herstellen des geschilderten Fest-Elektrolyt kondensators besteht darin, daß die Stromsicherung mit Hilfe einer Dosiervorrichtung auf den Kathodenanschluß aufgebracht wird, daß anschließend das Kondensator-Element plaziert und ein Anodenanschluß an einen im Sinterkörper befestigten Ano dendraht angeschweißt wird und daß der als Stromsicherung dienende Leitkleber ausgehärtet wird.A method for producing the solid electrolyte described capacitor is that the power fuse with the help a metering device applied to the cathode connection is that the capacitor element is then placed and an anode connection to an ano fixed in the sintered body the wire is welded and that as a power fuse serving conductive adhesive is cured.
Es ist vorteilhaft, wenn hierbei die Kontaktflächen des Katho denanschlusses vor dem Aufbringen der Stromsicherung mit Hilfe eines Lösungsmittels, einer Glimmentladung oder mit Laserstrah lung gereinigt werden.It is advantageous if the contact surfaces of the Katho connection before installing the power fuse with the help a solvent, a glow discharge or with a laser beam be cleaned.
Beim Gegenstand der Erfindung besteht die Sicherungsschicht aus einem porösen Gerüst aus elektrisch nicht leitendem, mechanisch und thermisch stabilem Material. Diese Gerüststruk tur ist mit einem anderen elektrisch gut leitenden Material ausgefüllt. Der elektrisch leitende Teil dieses Verbundmate rials besitzt zahlreiche Querschnittsverengungen. Bei Kurz schluß, und somit einer elektrischen und folglich thermischen Überlastung des Bauelements, werden die einzelnen Querschnitts verengungen nach und nach unterbrochen, so daß für die jeweils verbleibenden Bereiche die Stromdichte weiter ansteigt und die Unterbrechung der restlichen Bahnen entsprechend beschleunigt wird.In the subject matter of the invention there is the tie layer from a porous framework made of electrically non-conductive, mechanically and thermally stable material. This scaffolding tur is with another electrically good conductive material filled out. The electrically conductive part of this composite mat rials has numerous cross-sectional narrowing. In short conclusion, and thus an electrical and consequently thermal Overload of the component, the individual cross-section narrowing gradually interrupted, so that for each remaining areas the current density continues to increase and the Interruption of the remaining lanes accelerated accordingly becomes.
Das nach Unterbrechung des Kurzschlusses verbleibende elektri sche nicht leitende Gerüst verhindert, daß sich elektrisch noch leitende Teile, wie z. B. Anodenkörper und kathodische Zuleitung eventuell mit Resten des teilweisen zusammengeschmol zenen leitfähigen Materials der Sicherungsschicht wieder berüh ren können.The electri remaining after the short circuit is interrupted ces non-conductive scaffold prevents electrical still conductive parts, such as. B. anode body and cathodic Supply possibly with remnants of the partially melted Touch the conductive material of the security layer again can.
Der geschilderte Abschaltmechanismus der Sicherungsschicht hängt wesentlich von der Zusammensetzung des verwendeten Siche rungsklebers ab. Dieser Kleber besitzt folgenden Aufbau: The described shutdown mechanism of the data link layer depends essentially on the composition of the siche used adhesive. This adhesive has the following structure:
Hierfür eignet sich prinzipiell der für nicht gesicherte Fest- Elektrolytkondensatoren eingesetzte Leitkleber. Die Viskosi tät dieser Kleber ist jedoch für eine sichere Verarbeitung be reits optimal eingestellt. Durch Zumischung der nicht leiten den Teilchen wird die Viskosität der Sicherungspaste so stark angehoben, daß ein einwandfreies Verarbeiten (Dosieren mit Hilfe eines Dispensers) erschwert ist.In principle, the unsecured fixed Conductive adhesive used for electrolytic capacitors. The viscose However, this adhesive is for safe processing already optimally adjusted. By adding the do not direct the viscosity of the locking paste becomes so strong raised that perfect processing (dosing with With the help of a dispenser).
Zur Einstellung einer geeigneten Viskosität der Sicherungs paste sind deshalb niederviskose Leitklebervarianten (z. B. EPO-TEK H 31 LV der Firma Polytec) eventuell als Zumischung zu einem Standardleitkleber (z. B. EPO-TEK H 31 der gleichen Firma) geeignet. Zusätzlich ist der Einfluß der geometrischen Struktur des Zuschlags (Gerüstteilchen) bei der Einstellung der Viskosität zu berücksichtigen.To set a suitable viscosity of the fuse paste are therefore low-viscosity conductive adhesive variants (e.g. EPO-TEK H 31 LV from Polytec) possibly as an admixture to a standard conductive adhesive (e.g. EPO-TEK H 31 of the same Company). In addition, the influence of the geometric Structure of the aggregate (scaffold particles) when hiring the viscosity.
Hierfür eignen sich elektrisch nicht leitende und mechanisch bzw. thermisch stabile Substanzen, wie z. B. Metalloxide, Hy droxide oder Silikate. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Mischung aus Keramikteilchen (z. B. Al2O3, Durchmesser 10 bis 50 µm) und kleinen hohlen Glaskügelchen (z. B. Scotchlite Glass Bubbles E 22/400 vom Fa. 3M oder Eccospheres IG 101 von Fa. Emerson & Guming).For this purpose, electrically non-conductive and mechanically or thermally stable substances, such as. B. metal oxides, hy hydroxides or silicates. A mixture of ceramic particles (e.g. Al 2 O 3 , diameter 10 to 50 µm) and small hollow glass beads (e.g. Scotchlite Glass Bubbles E 22/400 from 3 M or Eccospheres IG 101) has proven to be particularly advantageous by Emerson & Guming).
Die Glaskügelchen haben hierbei eine doppelte Funktion. Zum einen erniedrigen sie die Viskosität und verbessern damit die Verarbeitbarkeit (Dosierung) der Sicherungspaste. Zum anderen verhelfen die hohlen Glaskügelchen (Wandstärke ca 1 µm, Durch messer 20 bis 90 µm) durch ihr Platzen bei Überhitzung und den dabei entstehenden Hohlräumen zu einer definierten Unter brechung des Stromflusses.The glass beads have a double function. To the one lower the viscosity and thus improve the Processability (dosage) of the locking paste. On the other hand help the hollow glass beads (wall thickness approx. 1 µm, through 20 to 90 µm) due to their bursting when overheated and the resulting cavities to a defined sub breakage of current flow.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. In the following embodiments, the subject of Invention explained in more detail.
In der dazugehörenden Zeichnung zeigenShow in the accompanying drawing
Fig. 1 einen gesicherten Tantal-Chip-Elektrolytkondensator im Querschnitt und Fig. 1 shows a secured tantalum chip electrolytic capacitor in cross section and
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Tantal-Chip-Elektro lytkondensators im Querschnitt. Fig. 2 shows a further embodiment of a tantalum chip electric lytkondensators in cross section.
In Fig. 1 ist die Sicherungsschicht 1 dargestellt, die mit Hil fe einer Dosiereinrichtung auf den Kathoden-Anschlußstreifen 3 aufgebracht wird. Danach wird das Kondensator-Element 2 pla ziert und der Anodenanschlußstreifen 4 am Anodendraht 6 ange schweißt. Anschließend wird die Sicherungsschicht 1 ausgehär tet. Um eine sichere niederohmige Klebeverbindung zwischen Ka thoden-Anschlußstreifen 3 und der Sicherungsschicht zu gewähr leisten, ist eine Reinigung der Kontaktflächen des Anschluß streifens 3 erforderlich. Dies kann - wie üblich - mit einem Lösungsmittel durchgeführt werden. Weitere Möglichkeiten, ins besondere um auch organische Unreinheiten (dünne Schichten) zu entfernen, sind Reinigungsverfahren, die mit Hilfe einer Glimm entladung oder Laserstrahlung arbeiten. Diese Methoden lassen sich relativ leicht in den Fertigungsablauf integrieren. Hier bei ist die Laser-Methode, im Gegensatz zur Glimmentladung re lativ leicht ohne Vakuumsystem und Schutzgas durchführbar.In Fig. 1, the security layer 1 is shown, which is applied with Hil fe a metering device on the cathode terminal strip 3 . Thereafter, the capacitor element is sheet 2 of PLA and the anode terminal strip 4 is welded to the anode wire. 6 Then the data link layer 1 is hardened. In order to ensure a secure low-resistance adhesive connection between Ka connecting strips 3 and the security layer, cleaning of the contact surfaces of the connecting strips 3 is required. As usual, this can be done with a solvent. Other options, especially to remove organic impurities (thin layers), are cleaning processes that work with the help of a glow discharge or laser radiation. These methods are relatively easy to integrate into the manufacturing process. In contrast to glow discharge, the laser method can be carried out relatively easily without a vacuum system and protective gas.
Die Abschaltcharakteristik (Strom, Zeit) hängt sowohl von der Zusammensetzung der Sicherungsschicht als auch von ihrer Ausdehnung und Formgebung ab.The switch-off characteristic (current, time) depends on both Composition of the data link layer as well as its Expansion and shape.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zwi schen Kondensator-Element 2 und Kathoden-Anschlußstreifen 3 eine zusätzliche elektrisch nicht leitende partielle Abdeckung 5 angeordnet ist. Hierdurch kann die Abschaltcharakteristik durch eine Querschnittsverminderung im Strompfad zusätzlich beeinflußt werden. Die partielle Abdeckung 5 besteht aus elek trisch nicht leitenden, thermisch und mechanisch stabilen Werkstoffen, die sich auf das Kondensator-Element 2 oder den kathodischen Anschlußstreifen 3 gezielt aufbringen lassen. In Fig. 2, an embodiment is shown in which between the capacitor's element 2 and cathode terminal strip 3, an additional electrically non-conductive partial cover 5 is arranged. As a result, the switch-off characteristic can be additionally influenced by reducing the cross section in the current path. The partial cover 5 consists of elec trically non-conductive, thermally and mechanically stable materials that can be applied to the capacitor element 2 or the cathodic connection strip 3 in a targeted manner.
Hierzu gehören keramische Kleber, Lotstopplacke und tempera turfeste Kleber (z. B. Amicon G 508-1, Fa. Emerson & Cuming). Auf organischer Basis aufgebaute Werkstoffe erhalten mit Hilfe von nicht leitenden Zuschlagstoffen (analog zum Sicherungs kleber) die erforderliche verbesserte thermische Stabilität ihrer mechanischen Eigenschaften.These include ceramic glue, solder mask and tempera tough adhesive (e.g. Amicon G 508-1, Emerson & Cuming). Materials built on an organic basis receive with help of non-conductive additives (analogous to securing adhesive) the required improved thermal stability their mechanical properties.
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