“ 本篇介紹鉭電解電容，同樣分3 個小節介紹：第一小節介紹鉭電解電容的結構和生產加工工藝流程；第二小節為鉭電解電容主要性能參數的變化特點，涉及到如何應用等方面；第三小節為介紹鉭電解電容使用中的可靠性需要關注的地方。”

太長不看版：

1）鉭電容的ESR相對要比鋁電容要小，但其優勢為作為表貼元件，安裝方便以及ESL較小，這也使得其應用頻率較鋁電容要寬。從鉭電容的ESL和C的分布范圍，可以推算諧振頻率從 0.9MHz（Lmax＝3nH；Cmax＝1mF）到5MHz（Lmin＝1nH；Cmin＝1uF ），但從阻抗頻率特性曲線看，由于ESR也是相對較大，因此也是呈現“U”型，這使得其應用頻率范圍進一步擴寬（在滿足目標阻抗的條件下），最高可以達到10到幾十MHz。

2）相對于鋁電容關注工作溫度因素，鉭電容更為關注施加的工作電壓大小和變化速率。

3）濾波應用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。

鉭電解電容是一種性能相當優越的電容，同樣作為電解電容，可以實現較大容量的同時體積較小，易于加工為小型和片狀元件，適應目前電子裝聯技術向自動化小型化的發展，因此得到廣泛應用。但鉭電容由于構造問題，比較容易在上電大電流沖擊下失效；另外，對于邊緣規格的鉭電容， 其可靠性從實際應用統計來看，是相對較差的，這些問題都需要在使用中加以注意。

01

鉭電解電容的結構和主要加工環節

固體鉭電容是通過將鉭粉壓制成型后，經高溫真空燒結成一多孔的堅實芯塊（圓柱形狀），芯塊經過陽極化處理在表面生成氧化膜，再被覆固體電解質，然后覆上一層石墨及鉛錫涂層，最后用樹脂包封成為固體鉭電容。以下圖1是一貼片固體鉭電容的內部結構示意圖：

圖1. 鉭電容內部結構示意圖

下面介紹一下貼片固體鉭電容的加工工藝流程，一般有以下幾個步驟：陽極基體設計－> 成型燒結－>氧化膜形成－>被覆MnO2。

a） 陽極基體的設計－鉭粉的選取

目前，貼片固體鉭電容的陽極基體一般采用鉭粉燒結而成，因此鉭粉的質量如何，將會直接影響鉭電容的性能。一般需要關注鉭粉的粒形、大小、配比、比表面積、比容、松裝密度及純度。采用高純度的鉭粉可用于制造工作電壓高（如采用C系、D系或SHR型A系高純鉭粉）的鉭電容或者可靠性高的鉭電容，因為鉭電容氧化膜質量的好壞，主要取決于鉭粉雜質的多少，當鉭中含有雜質時，它們都會成為陽極氧化膜中的疵點，影響漏電流的大小、閃火電壓下降，電流集中流過雜質存在的部位時，伴有發熱，致使雜質周圍的Ta2O5膜晶化，致使鉭電容壽命下降。采用高比容的鉭粉， 則減少了鉭粉的用量，減小了體積，降低成本。鉭粉顆粒越大，額定電壓越高；鉭粉顆粒越小，鉭粉燒結后的海綿狀表面積越大，電容容量越大。（鉭粉顆粒的典型尺寸10um，為增大表面積選有珊瑚蟲形狀）；鉭粉量的多少與形成電壓和額定電壓的比值有關（該比值一般為3.5～5）。鉭粉的選擇需要在電容量、額定電壓及ESR之間均衡考慮。

   陽極基體的尺寸一般為圓柱形，受外殼尺寸限制，直徑一般是確定的，而基體長度與直徑之比接近于2，最多不超過2.5。

b） 成型燒結：

在鉭粉擠壓成型前加入適量的粘合劑（成型劑），使顆粒間及顆粒和成型模具的摩擦都大為減少，可以得到密度均勻而致密的壓塊，另外，在真空燒結后，粘合劑還可以提高塊體的氣孔率，對提高容量和降低損耗有明顯作用。但近年來，隨著小尺寸的要求及成型能力增強，已趨向于不加粘合劑。成型操作是在真空高溫150℃幾分鐘內完成。若有粘合劑，則必須進行預燒，以揮發其中的粘合劑。在預燒或成型后（沒有粘合劑），應立即進行真空燒結，否則鉭粉表面活性下降易開裂， 一般燒結溫度為1500－2000℃，真空度不低于1.3×10-2Pa。燒結使各孤立的鉭粉顆粒燒結在一起形 成海綿狀結構，提高機械強度及密度，同時多孔的海綿狀結構提供大的內部表面積。因此，燒結時間過長或溫度過高將導致電容容值變低。此后添加聚四氟乙烯墊圈隔離鉭金屬絲，以免在后序加工流程中與MnO2短路。真空環境有助于鉭粉的提純，使雜質揮發掉。

圖2. 不同情況下鉭粉的形態

c） 氧化膜形成：

與鋁電容類似，鉭電容的氧化膜也是通過電化學方法生成，即在形成電解液中，施加適當的正極電壓及電流，使鉭表面生成Ta2O5介質。介質厚度由施加電壓控制；介質厚度與耐壓性能有關。厚度與額定電壓的對應關系為每20埃能夠承受1V的電壓。

    要獲得優質的氧化膜層，形成電解液（弱酸溶液）的選擇很重要，因為它的閃火電壓大小決定了鉭電容額定電壓的高低；它抑制晶化能力的強弱也是影響鉭電容可靠與否的一個重要因素。相對鋁電容的形成工藝，鉭氧化膜形成工藝控制要更為嚴格，因為，鉭氧化膜在形成過程中會發生晶化， 形成電壓、形成溫度和升壓電流密度這三個基本參數，對晶化都有直接和間接的影響。形成電壓必須低于形成液的閃火電壓，同時提高形成電壓與額定電壓的倍數有利于減小產品的漏電流及其分散 性，這樣一般固體鉭電容的形成電壓與額定電壓比值為3～5，而電容額定電壓越高，倍數愈小（受 限于形成液的閃火電壓），這也一方面說明高壓鉭電容的漏電流和分散性是比較大的。形成溫度高， 得到的氧化膜較好，但高溫形成時易誘發晶化、降低形成液的閃火電壓，使形成液水分蒸發量較快。低壓形成時，可以不考慮閃火和晶化問題，一般為85±5℃或更高；形成電壓高于150V時，要先在室 溫下進行形成，待電壓升至形成電壓后，再在適當高溫下恒壓形成。氧化膜的生長速度，取決于陽極化時的電流密度，密度高，速度快，但同時會使陽極反應產生的熱量增加，促使晶化發生。

d） 陰極成型

陰極成型，在Ta2O5表面上被覆MnO2層作為電解質，需要進行Mn(NO3)2的熱分解。將形成后在多孔體表面生成Ta2O5的陽極基體浸入Mn(NO3)2溶液中，浸透取出烘干，在水汽（濕式）或空氣（干 式）的高溫氣氛中分解制取電子電導型MnO2，以作為電容器的固體電解質層。濕式分解比干式分 解優越很多，分解溫度比干式的270℃要低，為210℃～250℃。同時生成的MnO2電阻率比干式得到的要低一個數量級，只有0.42Ωcm，干式為7.5Ωcm。還有濕式分解得到的MnO2在致密度、多孔性 等多方面都比干式要優越，基本上目前的廠家工藝均用濕式熱分解法。

     但是Mn(NO3)2的熱分解對陽極塊的電性能影響很大。因為鉭塊和表面的Ta2O5的膨脹系數不同， 受熱產生拉伸應力導致原有的細微裂紋增大，造成漏電流大大增加。同時熱分解還容易導致損耗角 增大、MnO2進入氧化膜細微裂紋導致形成電壓無法升高等。因此，為了修補熱分解對氧化膜的破壞， 需要進行中間再形成。

       為彌補MnO2導電性能差的缺點，即MnO2與金屬焊接不良，在陽極基體表面的MnO2層上還要涂 上一層導電石墨層和銀或鉛錫合金之類的金屬材料，然后接上外部電極，進行封裝、老練。

02

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影響鉭電解濾波效果的模型參數

與鋁電解電容類似，鉭電容的阻抗頻率特性也呈現U形特性，但其ESR相對要小，且作為表貼 封裝的固有優點ESL比較小。同樣，按照C、ESR和ESL三項參數來分析：

2.1電容量

鉭電容是目前大量供應電容中比容最大的品種，相同容量的體積可以做得比較小；但限于固體燒結型工藝結構和材料，其CV值（電容與電壓乘積）做不大，容量和電壓有一定范圍，一般從 0.1uF1000uF；工作電壓從2V50V；典型的最大CV組合為22uF/50V(插件)或（33μF/35V）22uF/35V（表貼），而且從實際應用統計情況來看， 處于這些邊緣規格參數的電容，其相對可靠性要差很多。這些因素都限制了鉭電容在高壓大容量上的應用。

此外，容量的值隨著頻率的增大而減小，另外由于為固體MnO2電解質，所以一其容量溫度特性較穩定，甚至低溫至-200℃時，其容量才減小不過10%。在濾波應用時，溫度對鉭電容的性能影響可以忽略。

圖3. 鉭電容容量 vs 溫度

2.2 RSR值

鉭電容的ESR組成與鋁電容類似，同樣可分為：ESR＝r介＋r解＋r金＝ tgδ/wc ，對于漏電流電阻rL ，它在頻率極低的情況才有一定的影響。

用損耗因數DF來表示，即DF＝ tgδ ＝ω ?C? ESR = tgδ 介 ＋ω ?C?r解 （ tgδ 介是一個幾乎于頻 率無關的量），從損耗因數角度來看，如下面圖4.

圖4. 損耗因數vs頻率

在極低頻為漏電流代表的損耗，可通過阻抗轉換公式換成串聯的表示形式，其影響一般不考慮。在低頻的區域，可以看到，氧化膜介質損耗D3基本不變，反映到r介上，即隨著頻率的增大，r介減小， 直到到達較高的頻率，其影響已基本可忽略，而主要是r解與r金的影響。在低頻的區域，主要是r介， 其隨著頻率的關系，如下面圖5. 所示

圖5. ESR vs 頻率

在室溫情況下，r介的值一般為500/HzuF~1500/HzuF ；另外，從溫度上，r介的溫度特性比較穩定，一般從室溫到125℃，其值會有2％的增加。tgδ 介 變化量若大于2％，則可能反映了形成的氧化膜質量很可能不合格。

在較高頻率段時，r介的值降到比r解還要小時，這時主要是r解主要影響ESR；由于燒結塊是個細長形的圓柱體（直徑相對于長度比較小），當施加交流電壓后，其電流按徑向流動，其導電模型可視為一有無數微小的在氧化膜微孔內的、由電解質組成的微小電阻和由相應的氧化膜介質組成的無數微小的電容量構成，即由分布參數的RC組成導電網絡（實際PSPICE對電解電容的模型也正是基于 這樣的結構），如下面圖6.

圖6. 鉭電容的模型

r解的值就是這些分布參數電阻值的集成代表，它由有效電阻率ρ（ohm/cm）來決定，而p決定于多孔性、微孔的大小和形狀、裝填MnO2的程度以及MnO2電阻率。這與成型和熱分解被覆MnO2工藝均有關，一般成型壓力應盡可能小，使燒結塊密度相應小一些為好。

r解由于與工藝和材料構造工藝有關，比較難于定量分析，不像r介同容量的電容基本一樣, r解在不同電容規格差別很大。在濾波電路中，由于正是用于r解所處的這一頻率范圍，因此，r解對我們應用 的ESR影響較大。MnO2的電阻率隨著溫度上升而減小，溫度升到85℃，ρ會減小大約一半；而溫度降到-55℃，則為原來的2倍。由于與 tgδ 的變化相反，所以一定程度上抵消了變化幅度，總的來說， 鉭電容的ESR溫度特性比較好。r解從低頻一直較穩定，但直到10kHz左右，有個轉折點，隨著頻率增大而減小，如下面圖7.

圖7. ESR vs 溫度 及 r解 vs 頻率

在工藝保證下，r金一般可不考慮，但到高頻后，其值會由于趨膚效應而增大。下面圖為一個頻率范圍內鉭電容ESR的變化圖：

圖8. ESR vs 頻率

貼片固體鉭電容的ESR值相應要比鋁電容小一些，其范圍也是從幾十毫歐到10 歐（100kHz） 分布，具體的ESR值（100kHz）可以在相應的數據手冊上找到（有些需要從85℃變換為常溫25℃）， 另外，通過DF值也可以算得在100Hz下的ESR值是多少。

2.3 ESL值

ESL于電容的封裝尺寸及引線等有關，因此對于貼片固體鉭電容，其ESL很小，一般為1～3nH。同樣，ESL值較為穩定，不隨頻率、溫度變化，電容量對ESL的影響也不太大，主要是封裝尺寸的影響。下圖為貼片固體鉭電容各規格尺寸與貼片陶瓷電容的ESL對比：

03

使用中的可靠性需要關注的地方

鉭電容有三種失效模式：電流型、電壓型和發熱型。

電流型失效常見于固體鉭的異常漏電流巨大，一方面表明其氧化膜上的缺陷部分惡化，引起介質的漏導增大，最后導致介質短路，大多數情形下，自愈特性會修復這些疵點，但如處于充分電過于頻繁的場合，這種介質瞬時擊穿也會弄得不可收拾導致突然失效。因此，電壓一定時，串聯電阻可以顯著減小失效。

   電壓型失效是指使用中的不當導致工作電壓或浪涌電壓突然過高，結果引起局部閃火，終致介質擊穿；另外是長期經受高的工作電壓，而氧化膜不可避免地存在著雜質或其它缺陷；當這些部位的場強較高，電流密度較大，導致局部高溫點出現，從而留下了誘發熱致晶化的隱患。在金屬氧化物界面的某些點上，由于金屬里含有雜質，也成了誘發場致晶化成核的因素，當溫度升高時，便促進了晶核的形成和生長。因為晶體要達到一定大小后，才會使無定形氧化膜破裂，所以晶體生長的快慢是決定電容器壽命的一個因素，試驗表明，使晶體生長到足以引起氧化膜破裂臨界尺寸的時間是場強的指數函數。隨著施加電壓增加（即場強提高）和環境溫度的提高（相應的缺陷部位溫度更 高），電容器的失效率也就增加，在晶體生長階段，對電容器性能并沒有顯著影響，只在氧化膜破裂時，絕緣會完全喪失，導致突然失效。

  發熱型失效一般認為是由于產品的 tgδ 太大導致熱不平衡，熱量累積以致熱破壞，但隨著高頻化，趨膚效應，是另一種熱失效模式。

   對固體鉭電容承受大的沖擊電流對產品性能的影響研究中，例如應用在計算機電源里作為去耦元件以及開關電源的輸出濾波元件時，所遇到的瞬時高頻大電流的沖擊，分析其失效原因發現MnO2 層及銀層部分，已破裂脫開鉭塊，由于局部熱點的低阻和較差的熱導接觸，發生局部高溫，最后造成介質的熱擊穿，按照傳輸線理論，電容器鉭塊可視為一RC組成單元，在高頻時（例如脈沖的前沿部分），電流只在鉭塊表面通過，而未及內部，因此電量集中在表面，電流密度很大。未能均勻分布在鉭塊全部，所以表面成為電量集中區域，而主要集中在鉭塊的一小部分面積上，如鉭塊的上下肩部，一方面該處曲率很大，不利于導熱和散熱；另一方面，肩部的MnO2層較薄，電阻小，因此沖擊電流失效的擊穿是源于發熱，成為發熱型失效的典型。

     這幾種失效模式最終都會造成鉭電容短路燒毀，失效分析很難判斷是那種類型導致。一般說來， 鉭電容在正常運行時（電壓降額足夠）是很少發生失效的，只有在上下電、電源波動及頻繁充放電場合才有可能失效（即在脈沖電流沖擊下），究其原因也是因為，鉭電容的內部結構缺陷導致。因此，相對于鋁電容關注工作溫度因素，鉭電容更為關注施加的工作電壓大小和速率。

        另外，在恒定溫度下，選定某一種形成電解液，不管采用何種電流密度升壓（影響氧化膜的厚度）， 所形成的氧化膜的結構基本不變，即ε（氧化膜介電常數）和α（形成常數nm/V）為一常值，由![圖片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/X9vY79BErlh8S6SuT1zrHuBlFG5Zc3F2bl5PLiadD7zlcvEhBOUibXBnSaibIomtYHFWY3Fud7ooharibUjEqibHewg/640?wx_fmt=png&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1)      及氧化膜厚度d＝Uf×α （形成電壓乘以形成常數）可以知道，形成電壓與電容量的 乘積![圖片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/X9vY79BErlh8S6SuT1zrHuBlFG5Zc3F2OTnmziaIh247JklsCwsjX5bUnVthTgfiaES93RY7XfpVjE9hkvdDWwzQ/640?wx_fmt=png&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1) (uF.V)，在ε和α以及陽極表面面積A不變時（可以認為封裝一樣時，其表面面積有一最大值），CUf為一常值，又由于形成電壓與額定電壓有一比值，因此，同一系列同一封裝的不同規格電容，是有一個最大的CV值。表貼Case D的典型業界最大CV組合為22uF×35V＝ 770uF.V，在同規格同樣陽極表面積下，超出這個規格就是比較邊緣的產品，從實際應用情況來看， 邊緣規格產品的失效率相對較高，這與其工藝控制要求高有關。從器件廠家給出的標準規格、擴展規格及發展規格是可以做出那些產品屬于邊緣規格的判斷。一般鋁電容氧化膜的CUf值為6～ 8.5uF.V/cm2 ;鉭電容氧化膜的CUf值為11～13uF.V/cm2。