DE2359432A1

DE2359432A1 - Verfahren zur herstellung von mit aluminium beschichteten folien fuer kondensatoren

Info

Publication number: DE2359432A1
Application number: DE2359432A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Phys Dr Epple; Werner Seiff
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-11-29
Filing date: 1973-11-29
Publication date: 1975-06-12
Also published as: DE2359432C3; DE2359432B2

Description

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L i c e η t i a Patentverxvairunge-Gir-bli GQOO Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

IT 73/15 ' 27.II.1973 PT-H-Hs/rii

Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium beschichteten Folien

für Kondensatoren.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium beschichteten Folien für elektrische Kondensatoren mit möglichst kleiner Schichtstärke des Aluminiums.

Es ist bekannt, Papierbänder oder Kunststoffolien mit Aluminium zu bedampfen und daraus elektrische Kondensatoren herzustellen, indem wenigstens eine bedampfte Folie und ein Gegenbelag unter Verwendung der Folie als Dielektrikum oder einer besonders eingelegten dielektrischen Folie zu. einem Wickelkörper aufgewickelt werden. Die Kontaktierung erfolgt meist über die Stirnseiten, wobei ein Belag jex^eils an jeder Stirnseite, kontaktiert wird.

Bei vielen technischen Geräten wird immer häufiger die Forderung nach Verkleinerung der Abmessungen derselben gestellt. Dementsprechend müssen auch die elektrischen Bauteile bei gleichen technischen Daten verkleinert werden. Dies hat zur Folge, das bei Kondensatoren sowohl das Dielektrikum als auch die aufgebrachten Elektroden immer dünner gemacht werden. Dies hat zu den sogenannten Lackfolienkondönsatoren geführt, bei denen die Beläge aus einem dünnen auf eine Lackschicht z.B. aufgedampften Aluminiumbelag bestehen, wobei sich die Lackschicht auf einem Träger befindet, der nach dem Bedampfen entfernt wird. Die Schichtdicken liegen hierbei für die Lackfolie bei ca. 0,5 - 1 μια und für die Aluminiumschicht zwischen 1 μΐη und 5O nm.

Um die Volumenkapazität weiter zu. vergrößern ist man bestrebt., die Schichtdicke des Metallbelags noch weiter zu. verkleinern. Dies brächte außerdem den Vorteil geringeren Materialverbrauchs und erhöhter Druchbruchspannung an den Metallkanten.

Es hat sich nun gezeigt, da3 bei Folien mit aufgedampften Aluminiumschichten mit einer Dicke in der Größenordnung von 20 mn (a 200 S) die damit hergestellten Kondensatoren bereits nach 1000 Betriabsstunden bei 85⁰C und 400 V Gleichspannung starke Kapazitätsabnahmen von bis zu 25 % aufweisen. Nähere

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~ι Qr η /-

Untersuchungen zeigten eine deutliche Veränderung der anfangs Gleichmäßigen, quasi homogenen, glänzenden Aluminiumschicht. Der Metallfilm zeigt an vielen Stellen kreisrunde oder elliptische Löcher, deren Rand im Gegensatz zu den 'Höfen' bei Durchschlägen vollkommen glatt ist. Auch ist innerhalb der Löcher kein Durchbruchkanal in der dielektrischen Folie festzustellen. Es handelt sich also um .den Abbau der Aluminiumschicht, durch den die Kapazitätsabnahme erklärbar ist.

Die Zerstörung der gleichmäßigen Aluminiumschient ist vermutlich auf in der dielektrischen Folie vorhandene Wasser- und G-aseinschlüsse zurückzuführen, die bei Anlegen von Spannung und bei erhöhter Temperatur chemische und/oder elektrochemische Prozesse auslösen, wodurch die Aluminiumschicht in z.T. duröhsichtige schlecht- oder nichtleitende Verbindungen überführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu. zeigen, wie diese störenden Effekte bei Aluminiumschichten einer Dicke von bis zu. einigen 100 A vermieden werden können. Damit wird der Zweck verfolgt, kapazitätskonstante Kondensatoren mit höherer Volunienkapazität zu erhalten.

Erfindungsgemä3 wird dies dadurch erreicht, da^ auf die Folie zunächst eine aus wenigstens einem der Metalle Chrom, Silber und Titan bestehende Schicht und anschließend die AluBiiniumschicht aufgebracht wird und die erstere Schicht eine Dicke von etwa 25 - 100 % der Schichtdicke des Aluminiums aufweist und die Gesamtschichtstärke maximal 5OO Ä beträgt.

überraschenderweise hat sich gezeigt, da3 durch diese Ma3nahme eine Zerstörung der Aluminiumschicht und des gesamten Belages bei höherer Temperatur und Spannung ohne das Auftreten von Durchschlägen praktisch nicht mehr vorkommt. Dies ist vermutlich auf eine Verhinderung von elektrochemischen Prozessen durch die Zwischenschicht zurückzuführen. Beste Ergebnisse wurden dabei dann erzielt, wenn als erste Schicht eine Schicht aus Silber verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel betrug die Silberschicht ca. 50 Ä und die Aluminiumschicht ca. 25Ο S. Als dielektrische Folie und Träger eier Metallschichten diente Polypropylen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Material beschränkt; so ist die Anwendung mit Erfolg auch bei Papierbändern und anderen Kunststoffolien und auch bei Lackfolien möglich.

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j3s ist zwar bereits aus der DT-PS 722 287 bekannt, bei elektrischen Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Glas, Glimmer ader ähnlichen nichtleitenden festen Stoffen auf dieses eine erste Bchicht aus Rhodium, oder Iridium und darauf einen weiteren metallischen Überzug aufzubringen. Hierdurch soll jedoch lediglich die Haftfestigkeit des Belages erhöht werden.

Geinäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die erste Schicht breiter zu. wählen als die Aluminiuiiischicht, so daß sie auf der nicht zu. kontaktierenden Seite der Folie, an der die Schicht also nicht bis zum Rand reicht, über die Aluminiumschicht hinausragt. Hierdurch x^ird ein Randstreifen mit höherem spezifischem Widerstand gebildet, der die Durchschlagsgefahr in diesem Bereich .verringert.

Vorzugsweise werden die Schichten durch Aufdampfen in inerter Atmosphäre oder unter Vakuum erzeugt.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Pig. I zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Kondensators von der Seite im Schnitt, die

fr

Pig. 2, 3 und 4 je einen Abschnitt einer"Einzelfolie gemäß

der Erfindung;
Pig. 5 zeigt eine schematische Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folie in Bandlängsrichtung im Schnitt

und
Pig. G eine solche von' der Seite im Schnitt.

In Pig. 1 ist mit 1 und 2 je eine nichtleitende, vorzugsweise dielektrische Folie eines Kondensatorwickelkörpers bezeichnet. Diese können aus geeignetem Papier oder Kunststoff bestehen. Auf jeder Polie 1, 2 ist einseitig je eine erste, erfindungsgemäß aus wenigstens einem der Metalle Titan, Chrom und Silber oder einer Legierung von wenigstens zwei derselben bestehende Metallschicht 3, 4- durch ein Metallisierungsverfahren, vorzugsweise durch Aufdampfen, aufgebracht. Die Schichtstärke beträgt etwa bis zu 100 1. Auf dieser ersten Metallschicht ist anschließend,

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vorzugsweise ebenfalls durch einen AufdampfprozeJi, je eine Metallschicht 5 bzw. 6 aus Aluminium mit einer Schichtdicke von bis zu 200 - 5OO 2. niedergeschlagen. Die Metallschichten 3, 4-, 5> G enden in an sich bekannter Weise an einer Seite am Hand der PoIien 1, 2, während sie auf der anderen Seite bereits vorher enden.

Durch Auftragen einer Stirnkontaktschicht 7 auf einer Stirnseite des Kondensatorwickelkörpers sind alle Metallschichten 3 und miteinander verbunden und bilden den einen Kondensatorbelag. Eine Stirnkontaktschiclit 8 der anderen Stirnseite kontaktiert alle Metallschichten 4 und 6 miteinander und bildet so den Gegenbelag. Die Stirnkontaktschichten 7 und 8 können noch mit Anschlüssen 9) z.B. Drähten, versehen sein. Ein derart erfindungsgemäJ aufgebauter Kondensator mit den extrem dünnen Hetallschichten zeigt auch nach sehr langer Betriebsdauer bei erhöhter Temperatur praktisch kein Absinken der Kapazität, solange keine Durchschläge auftreten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt die Pig. 2. Auf einer nichtleitenden oder dielektrischen Polie ist eine erste Metallschicht 3 aus Titan, Chrom oder Silber aufgedampft, die etwa 1 bis 3 mm vor dem Rand 10 der Folie 1 endet. Die zweite Metallschicht 5 aus Aluminium kann genauso breit sein wie die Metallschicht 3. Vorzugsweise wird sie jedoch gemäß der Erfindung schmaler ausgebildet, so da3 sie zwar mit der ersteren Metallschicht 3 am Rand 11 endet, jedoch an der anderen Kante einen Randstreifen 12 der Metallschicht 3 nicht bedeckt. Der Randstreifen 12 sollte eine Breite von wenigstens 0,5 mm aufweisen.

Hierdurch wird erreicht, daß beim fertig gewickelten oder geschichteten Kondensatorkörper die Feldstärke an der Metallkante erheblich reduziert wird, da der Flächenwiderstand des Randstreifens 12 erheblich größer ist als derjenige der übereinanderliegenden beiden Metallschichten 3 und 5-

Die Pig. 3 zeigt eine Folie 1, bei der eine erste Metallschicht von etwa bis zu 100 Ä Dicke aus Titan, Chrom oder Silber, anschließend eine zweite Metallschicht I3 aus Silber, Palladium oder Rhodium von -etwa- kleiner 100 $. Dicke und erst darauf die Aluminiumschicht 5 aufgebracht ist. Gegebenenfalls können auch noch mehrere Metallschichten vorgesehen werden. Hierdurch kann eine noch höhere Resistenz gegen zerstörende elektrochemische

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Prozesse erreicht werden als bei Verwendung nur einer Metallschicht unter der Aluminiumschicht. Wie anhand der Fig. 2 erläutert, kann die erste Metallschicht 3 über die Kante der. Aluminiumschicht 5 hinausragen und dadurch die Durchschlagsgefahr im Randbereich vermindert werden. Die zweite Metallschicht 13 kann dabei mit der Aluminiumschicht enden, d.h. dieselbe Breite aufweisen wie diese. Sie kann jedoch auch, wie anhand der Fig. 4- gezeigt, breiter .sein als die Aluminiumschicht 5, jedoch schmaler als die erste Metallschicht 3. Hierdurch ist u.U. ein noch günstigerer Feldstärkererlauf erzielbar. Vorzugsweise ist die bereiteste Metallschicht 3 aus schlechter leitendem Material als die anderen, z.B. aur Chrom, die andere, 13, aus Silber.

In der Fig. 5, die eine Bedampfungsvorrichtung in Folienlängsrichtung im Schnitt zeigt, ist über einer zweckmäßig als Großflächenverdampfer 'ausgeführten Verdampferquelle 14 zum Verdampfen der verschiedenen erforderlichen Metalle eine Blende 15 vorgesehen, über der die Folie 1 hinweggleitet. Über der rechten Blendenkante 16 liegt die Folienkante, so daß die'Metallschicht hier bis zur Folienkante reicht.

Die linke Blendenkante 17 ist zweckmäßig verschiebbar, so daß ein Randstrsifen der Folie 1 nicht vom. Metalldampfstrahl getroffen werden kann. Die gezeichnete Stellung der Blendenkante 17 zeigt den Fall, in dem der erste Metallbelag aufgebracht wird, der über den Aluminiumbelag hinausreichen soll. Beim Aufdampfen des Aluminiums - aus derselben, jedoch jetzt mit Aluminium beschickten Verdampferquelle 14· kann dann die Blendenkante 17 nach innen in die gestrichelte Lage verschoben werden, wodurch die Breite der Aluminiumschicht verringert und ein Randstreifen 12 gemäß Fig. 2 erhalten wird. Die ganze Vorrichtung ist in einem Vakuumbehälter untergebracht und von außen steuerbar.

Eine Vorrichtung, mit der in eimern Arbeitsprozeß die beiden" Metallschichten 3 (4·), 5 (6), aufgebracht werden können, zeigt die Fig. 6. Hier sind zwei Verdampferquellen 18 und 19 nebeneinander in verschiedenen Kammern 20, 21 angeordnet. Oberhalb derselben sind z.B. fensterartige Blenden 22 bzw. 23 vorgesehen, deren Breite kleiner ist als die der Folie 1. Vorteilhaft ist' die Breite der Blende 22 größer als diejenige der Blende 23, so äaß sich.

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eine Folie gemäß den Figuren 2, 3 und 4 herstellen lä#fc, wie die um 90° geklappte FoIiendarsteilung in der Fig. 6 zeigt. Auch diese Vorrichtung ist in einem Vakuumbehälter untergebracht. Auch bei dieser Vorrichtung kann' jeweils zumindest die eine Blendenkante zur Einstellung der Bedampfungsbreite verstellbar sein.

Ohne vom Erfindungsgedanken abzugehen, können die nicntleitenäen Folien aus Material bestehen, das keine so guten dielektrischen Eigenschaften aufweist und sie werden dann in einem feldfreien Raum angeordnet, wogegen als Dielektrikum ein besonders hierfür geeignetes Material verwendet wird, z.B. Polystyrol, Polypropylen und Acetylzellulose.

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Claims

Patentansprüche:

1. J Verfahren zur Herstellung von mit Aluminium beschichteten

Folien für elektrische Kondensatoren mit möglichst kleiner Schichtdicke des Aluminiums, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Folie zunächst eine aus wenigstens einem der Metalle Chrom, Silber und Titan oder einer Legierung von zumindest zwei derselben bestehende Schicht und anschließend eine Aluminiums chi cht aufgebracht wird und die erste Schicht eine Dicke von etwa 25-100 % der Schichtdicke des Aluminiums aufweist und die Gesamtschichtstärke maximal 500 % beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 als erste Metallschicht (3, 4-) eine etwa 100 £ dicke Silberschicht und dann die Aluminiumschicht (5, 6) in einer Stärke "von etwa 200 Ä aufgebracht x\rird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Aluminiumschicht (5> 6) weitere Metallschichten (13) aus Silber, Palladium oder/und Ehodium aufgebracht sind.

4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3, 4-, 5» 6) aufgedampft werden. '

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (3, 4-, 5?6) so aufgebracht werden, daß sie schmaler sind als die Breite der Folie (1; 2), jedoch gemeinsam bis zum einen Rand (11) der Folie (1; 2) reichen.

6. Verfahren nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß die ■ erste Metallschicht (3, 4) und gegebenenfalls die weiteren Metallschichten (13) breiter ist bzw. sind als die Aluminiumschicht (5ϊ 6).

7· Verfahren nach Anspruch 3 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Metallschichten, mit voneinander abweichen-■ der Breite aufgebracht werden, wobei die Aluminiumschicht (5; " 6) am schmälsten ist.

8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die breiteste Metallschicht . aus schlechter leitendem Material (Titan und/oder Chrom) hergestellt vfird.

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9. "Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach zumindest sineia der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da-» oberhalb einer in einem Vakuumbehälter vorgesehenen Verdampferquelle (14) eine Blende (15) vorgesehen ist, deren eine in .Folienlängsrichtung verlaufende Blendenkante (17) zur gegenüberliegenden (16) hin verschiebbar ausgebildet ist.

10. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Vakuuinb ehält er in Längsrichtung der Folie (1; 2) nebeneinander zwei oder mehrere Verdampferquellen (13, 19) vorzugsweise in getrennten Kammern (20,21) vorgesehen sind, wobei die lezte Verdampferquelle (19) für die Bedampfung mit Aluminium vorgesehen ist, und daß die Blendenbreite der Blende (23) über der Aluminiumveröampferquelle (19) kleiner ist als die Blendenbreite der Blende(n) (22) über der bzw. den vorher angebrachten Verdampferquelle(n) (18).

11. Elektrischer Kondensator, dadurch gekennzeichnet, da Ά zumindest ein Kondensatorbelag aus einer gemä3 dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten mit Aluminium bedampften Folie besteht.

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