低等效串联电阻和高抗湿性的固体电解电容器制造技术

单单元和／或多单元阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器是利用一种或更多的材料制造的，这些材料取自下面三类：石墨炭，高导电性金属粉末填充涂料和金属端子。形成的电容器在１００ｋＨｚ具有比采用普通的材料和普通的技术制造的类似电容器为低的等效串联电阻（ＥＳＲ）。另外，不仅这些器件具有较低的“制造状态”ＥＳＲ，而且当这些器件承受红外回流温度，高湿度，热冲击，１００℃１０００小时和１７５℃１０００小时时，其ＥＳＲ实质上更稳定（ＥＳＲ增加较小）。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及材料组合(石墨碳，高导电性金属粉末填充涂料及金属端子)及利用这些材料制造具有超低ESR(等效串联电阻)和抗高温高湿的高ESR稳定性的固体电解表面贴装阀用金属电容器的方法。
技术介绍
所有电子线路都包含电容器。这些器件存储和消耗电荷来响应电路电流，结果使通过其端子两端之间的电压发生可预期的上升或下降。正是这种可预期和有限的端子电压的短期变化使电容器可以用作电子学电路中的耦合和滤波器件。特别是，电容器在不要求电压迅速变化的电路的地方是有用的。电容器的一个出色的用途是使直流(DC)电源输出级的随机和周期波动都最小或“滤掉”。电容器执行其滤波功能的能力受限于由于在其结构中使用的是现实世界的非理想材料而引起的无用的“寄生”电阻。这种寄生电阻，总称为成品电容器的等效串联电阻(ESR)，其在用户的电路中的表现就好像是与电容器的电容串联了一个分立电阻。尽管理想电容器面对变化的电流本质上反抗迅速的电压改变，但电阻上的电压会即时改变并正比于变化的电流。于是，如果一个实际的电容器具有显著大小的ESR，则在电容器的ESR两端所产生的正比于电路电流改变的瞬时电压改变将破坏电容器的稳压作用。如果ESR变得太大，则电容器起不到滤波器的作用。早期的采用真空管设计的电子线路通常是采用高电压和较低电流。其原因是这种早期的电子器件的阻抗(电压电流比)高。在电源滤波应用电路中使用的电容器通常是滤掉高压(＞100V)，经受低波动电流(波纹电流＜1A)，并且很少经受频率高于120Hz(周期/秒)的显著大小的波纹电流。常规的制造方法和材料生产出来的滤波电容器具有足够低的ESR可以满足这些早期电子电路的需要。电子学世界已经发生了几种形式的改变，其一是电路中使用的有源器件的种类的改变。真空管曾经被分立晶体管代替，而现在分立晶体管大部分已经被集成电路代替。甚至集成电路也在稳步地进化。微处理器就是一个例子，最新技术的微处理器芯片中的有源器件(晶体管)的数目差不多每年翻一番。这一进化性改变的最显著的影响是电源电压稳步下降(以限制电路中的功耗)和电源电流增加(反映集成电路中的有源器件数目变大和这些器件的运行频率提高)。因为电路电压现在变低，而电流变大，所以电容器的ESR成为设计这些现代电路的工程师关心的关键。与过去那种如果电容器的电容高得足以满足电路需要，则其ESR几乎肯定足够低的日子不同，现在工程师们经常想要使用比形式上所要求的更大的电容以得到电路正常运行所需要的足够低的ESR。这导致电路与需要相比变得体积更大而成本更高。这明显要求电容器制造商提供的电容器要具有足以满足电路要求的低ESR而同时不需要使用过大的电容(和占据额外的电路体积)。电子学世界发生的另一个改变是从点到点布线改变为使用印刷电路，并且其后接着从使用印刷电路板上的导线元件改变到表面贴装元件。这些改变在电路紧凑性和制造生产率方面提供了非凡的改进，但对电子元件的物理要求具有重大的影响。在点到点布线的场合，如果一个元件对焊接的热量敏感，可以在焊点和元件本体之间在元件的引线上附加一个分立的散热器以减小元件在焊接过程中的受热。在使用导线元件的电路板的场合，导线是插入到电路板上的小孔并在以后在对面一侧焊接。这种安排减小了在焊接时利用散热器的实际可能性。但是至少热量是施加到电路板上元件一侧的电路板的对侧，从而可将元件的受热限制为通过引线的热传导引起的受热。如今，几乎所有的元件都是藉助红外(IP)或对流将电路板和元件都加热到足以使外加到电路板上的铜焊盘和表面贴装技术(SMT)元件的焊接端子之间的焊锡膏回流。在这种场合散热片不仅不实际，而且实际上会破坏这种焊接法的有效性。表面贴装技术的结果是电路板上的每个SMT元件都承受通常在180℃以上保持接近一分钟的焊接温度，该温度一般超过230℃，并且经常高达250℃。如果电容器结构中使用的材料对这样的高温承受不了，则经常可以看到ESR发生显著的正向改变而导致电路性能的负面改变。SMT回流焊接是在要求具有温度稳定ESR的电容器的需要背后的一个推动力。要求制造具有对温度稳定的ESR的电容器的需要背后的另一推动力是电路的高温。随着电路的小型化，越来越难消除电路正常工作时所产生的热量。于是，经常可以看到电容器工作于很高的环境温度下(高达125℃)。还有，电子仪器已经成为汽车应用的组成部分，特别是发动机盖下的应用。在这种应用中经常可以看到环境温度达到150℃，并且还想要提高到175℃和可能更高。另一个问题是汽车应用中的温度循环变化和热冲击。面对高温和温度的高变化率ESR保持稳定是重要的。电容器面对的最后威胁是湿度。某些高可靠性电路在SMT贴装过程后要进行清洗以去除污染物(焊剂及其他污染物)。过去使用的基于氟利昂的溶剂具有高度清洗效率，并且对元件的可靠性的影响极小。现在，由于对使用潜在的破坏臭氧的物质的关心，很多电子制造商正在使用基于水的清洗系统。典型的清洗循环可延续一小时以上，而元件可能承受明显的湿热环境，这有可能导致水汽通过元件外壳掺入，有可能使器件浸透。还有，由于有很多制造是在“环太平洋”国家中进行的，经常可以看到元件承受明显的湿热环境，如果它们是在无空气调节的仓库中储藏很长时间的话。通过氧化和腐蚀相结合，水汽会破坏电容器内的电连接的完整性而使ESR恶化。当电容器承受高湿环境时，电容器反抗ESR的有害的正向改变就变得很重要。低ESR电容器的生产已经证明是一种棘手的挑战。使用传统的材料和方法制造的电容器具有过高的初始ESR。此外，在用户使这些电容器承受SMT回流温度之后，ESR倾向于更向上改变。在回流贴装之后，承受湿气，高运行温度，和/或热冲击会使ESR进一步持续的恶化，可最终导致电路中的器件失效。理想的进行低ESR优化的具体的电容器是阀用金属固体表面贴装电解电容器。这种电容器的电介质是的高绝缘阳极氧化薄膜，可通过电解法在所谓的阀用金属(比如，钽，铝，钛和铌)上产生。完成的电容器的正端子与支持金属氧化物电介质层的阀用金属的未氧化部分相连接。负端子与形成于电介质层暴露表面上的一系列导电层的最外层相连接。典型的阀用金属电容器的构成包括一个或多个金属氧化物电容器单元，这些单元与金属端子电连接并且封装于塑料保护套，覆层或壳体内。最好是所生产的阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器具有低ESR。并且最好是所生产的电容器实质上不受SMT回流焊接的热量、高温下的湿气、腐蚀性的热冲击条件以及高温的连续运行的作用的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是创造一种具有极低等效串联电阻(ESR)的阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器。本专利技术的另一个目的是创造一种其ESR在如下的累积环境应力作用下实质上是稳定的阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器，这些作用包括红外回流焊接、高温湿度承受、热冲击温度循环以及连续于各种高温下(比如在150℃下1000小时，在175℃下1000小时)运行。与这些目的相一致，本专利技术指向应用于阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器结构中的三类材料中的具体材料的组合。这三类材料是石墨碳，高导电性金属粉末填充涂料及金属端子。当本专利技术的材料按照上述方式选择和应用时，其结果是阀用金属固体电解质表面贴装电解电容器具有具有极低等效串联电阻，并且此极低等效串联电阻在如下的累本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属电容器，包括至少一个阳极化单元－该阳极化单元具有一个在其上形成的电介质层、一个在此电介质层上形成的导电层、一个在此导电层上形成的石墨碳层、一个在此石墨碳层上形成的金属粉末填充涂料层、以及一个连接到此涂料层的负金属端子，其中至少下列之一：１）由石墨碳形成石墨碳层，该石墨碳具有在至少为１５０℃的温度下是稳定的一种粘合剂或在暴露于回流温度时分解成为导电类物质的一种粘合剂中的至少７３％的石墨碳；２）金属粉末填充涂料层的电阻率小于约０．０００５Ω.ｃｍ，并包括在至少为２００℃的温度下是稳定的一种粘合剂中的金属粉末；３）负金属端子的电导率至少为纯铜的电导率的９０％，其中至少与金属粉末填充涂料层相连接的负金属端子的表面上镀敷有保护覆层以保护负金属端子不受氧化，并且其中该保护覆层在至少２００℃的温度下是热稳定的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2000-1-7 09/479,2111.一种金属电容器，包括至少一个阳极化单元-该阳极化单元具有一个在其上形成的电介质层、一个在此电介质层上形成的导电层、一个在此导电层上形成的石墨碳层、一个在此石墨碳层上形成的金属粉末填充涂料层、以及一个连接到此涂料层的负金属端子，其中至少下列之一1)由石墨碳形成石墨碳层，该石墨碳具有在至少为150℃的温度下是稳定的一种粘合剂或在暴露于回流温度时分解成为导电类物质的一种粘合剂中的至少73％的石墨碳；2)金属粉末填充涂料层的电阻率小于约0.0005Ω·cm，并包括在至少为200℃的温度下是稳定的一种粘合剂中的金属粉末；3)负金属端子的电导率至少为纯铜的电导率的90％，其中至少与金属粉末填充涂料层相连接的负金属端子的表面上镀敷有保护覆层以保护负金属端子不受氧化，并且其中该保护覆层在至少200℃的温度下是热稳定的。2.如权利要求1所记载的电容器，其中阀用金属是钽，铝，铌钛，或其混合物，合金，或金属玻璃。3.如权利要求1所记载的电容器，其中电介质层上的覆层是二氧化锰，导电聚合物或导电盐。4.如权利要求1所记载的电容器，其中碳层的厚度为在大约0.0001至0.003英寸中间。5.如权利要求1所记载的电容器，其中涂料层在干燥后包含重量占80％以上的金属含量。6.如权利要求1所记载的电容器，其中涂料中的金属粉末是银，金，镍，铜，其混合物或合金。7.如权利要求6所记载的电容器，其中金属粉末是银。8.如权利要求1所记载的电容器，其中金属粉末粘合剂是热固化环氧，热固化聚酰亚胺，或硅环氧，它在至少200℃时不熔化或释气。9.如权利要求1所记载的电容器，其中涂料中的粘合剂在固化后实质上不包含可移动的离子类物质，以便是固化粘合剂承受湿气时氧化和腐蚀最小。10.如权利要求1所记载的电容器，其中负金属端子是纯铜，银，或具有铜的至少90％的电导率的合金。11.如权利要求10所记载的电容器，其中负金属端子是纯铜。12.如权利要求1所记载的电容器，其中保护覆层是钯，铂或金。13.如权利要求1所记载的电容器，其中保护覆层是进一步镀敷在成品电容器的保护保形壳体的外表面上。14.如权利要求1所记载的电容器，其构成还包括至少一个与埋入单元中的阳极引线相连接的正金属端子，其中正金属端子具有纯铜的至少90％的电导率。15.如权利要求14所记载的电容器，其中正金属端子是藉助电阻焊，激光焊或超声焊接合于阳极引线。16.如权利要求1所记载的电容器，其中负金属端子的构成包括一个覆盖单元的负端的端盖。17.如权利要求16所记载的电容器，其构成还包括一个正金属端子，此正金属端子的构成包括一个覆盖单元的正端的端盖。18.如权利要求17所记载的电容器，其中通到负金属端子的连接的构成包括导电金...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克K里德，詹姆斯C马沙尔，基姆伯里L普里特查德，约西拉加瑟卡兰，
申请(专利权)人：克米特电子公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]