ニオブコンデンサ

ニオブ電解コンデンサ（歴史的にはコロンビウムコンデンサ^{[1] [2]}とも呼ばれる）は、陽極（+）が不動態化されたニオブ金属または一酸化ニオブで作られ、絶縁性の五酸化ニオブ層が誘電体として機能する電解コンデンサです。酸化物層の表面にある固体電解質がコンデンサの陰極（-）として機能します。

ニオブ コンデンサはSMDパッケージで提供されており、特定の電圧および静電容量定格においてタンタルチップ コンデンサと競合します。固体二酸化マンガン電解質で提供されます。

ほとんどの電解コンデンサと同様に、ニオブ コンデンサは有極性部品です。指定された許容値を超える逆電圧またはリップル電流は誘電体を破壊し、コンデンサを破壊します。その結果生じる短絡により、大型ユニットでは火災や爆発が発生する可能性があります。

ニオブコンデンサは、1960年代に米国とソビエト連邦で開発されました。ニオブはタンタルに比べてコストが低く、入手しやすいという利点を生かして、2002年以降西側諸国で商業的に販売されています。

ニオブはタンタルの姉妹金属です。ニオブの融点はタンタルと似ており (2744 °C)、化学的性質も似ています。ニオブ誘電体コンデンサの製造に使用される材料とプロセスは、既存のタンタル誘電体コンデンサと基本的に同じです。ただし、原材料としてのニオブはタンタルよりも自然界に豊富に存在し、安価です。ニオブ電解コンデンサとタンタル電解コンデンサの特性はほぼ同等です。

ニオブ電解コンデンサは、高純度のニオブを陽極として製造できますが、誘電体 (Nb ₂ O ₅ ) からニオブ陽極金属への酸素の拡散が非常に大きいため、漏れ電流が不安定になったり、コンデンサが故障したりすることがあります。酸素の拡散を減らし、漏れ電流の安定性を向上させるには、金属ニオブ粉末に窒化物をドープして不動態化 ニオブ窒化物にするか、酸化ニオブ(NbO) を陽極材料として使用するという2 つの方法があります。酸化ニオブは、高い金属伝導性を特徴とする硬いセラミック材料です。酸化ニオブ粉末は、タンタル粉末と同様の構造で調製でき、同様の方法で処理してコンデンサを製造できます。また、陽極酸化 (陽極酸化処理、成形) によって酸化して絶縁誘電体層を生成することもできます。そのため、不動態化ニオブ陽極を使用するものと酸化ニオブ陽極を使用するものの 2 種類のニオブ電解コンデンサが販売されています。どちらのタイプも誘電体層として 五酸化ニオブ(Nb ₂ O _{5 ) を使用します。}

ニオブは、タンタルやアルミニウムと同様に、いわゆるバルブ金属です。このような金属を電解槽に接触させて正電圧を印加すると、印加電圧に応じた厚さの電気絶縁酸化物層が形成されます。この酸化物層は、電解コンデンサの誘電体として機能します。

ニオブのこの特性は 20 世紀初頭から知られていました。ニオブは自然界にタンタルよりも豊富に存在し、安価ですが、その融点が 2744 °C と高いため、ニオブ電解コンデンサの開発は妨げられていました。

1960年代、ニオブ鉱石はタンタル鉱石よりも入手しやすいため、ソ連ではニオブ電解コンデンサの研究が進められた。^[3]ソ連では、ニオブ電解コンデンサは西側諸国のタンタルコンデンサと同じ目的で使われた。鉄のカーテンが崩壊すると、この技術は西側諸国でより知られるようになり、1990年代後半には大手コンデンサメーカーが関心を寄せるようになった。ニオブコンデンサの製造に使用される材料とプロセスは、タンタルコンデンサと基本的に同じである。2000年と2001年のタンタル価格の上昇により、二酸化マンガンとポリマー電解質を使用したニオブ電解コンデンサの開発が促進され、2002年から利用可能になった。^{[4] [5]}

すべての電解コンデンサは、電極面積 (A) と誘電体の誘電率(ε) に応じて静電容量が増加し、誘電体の厚さ (d) に応じて静電容量が減少する「プレートコンデンサ」と考えることができます。

${\displaystyle C=\varepsilon \cdot {\frac {A}{d}}}$

ニオブ電解コンデンサの誘電体の厚さは非常に薄く、1ボルトあたり数ナノメートルの範囲です。^[6]この非常に薄い誘電体層と十分に高い誘電強度を組み合わせることで、ニオブ電解コンデンサはタンタルコンデンサに匹敵する高い体積容量を実現できます。

ニオブ陽極材料は、同じフットプリントの滑らかな表面と比較して電極表面積Aを増やすことを目的とした粗い表面構造を持つペレットに焼結された粉末から製造されます。この表面積の増加により、定格電圧に応じて、固体ニオブ電解コンデンサの静電容量が最大200倍に増加します。^[7]

五酸化ニオブ誘電体層の特性を五酸化タンタル層と比較すると次の表のようになります。^[8]

五酸化ニオブは五酸化タンタルに比べて誘電率が高く、破壊電圧が低いため、ニオブコンデンサとタンタルコンデンサは、所定の静電容量と定格電圧に対して同様のサイズになります。

• 固体ニオブチップコンデンサの構造
• 
  ニオブ電解コンデンサのコンデンサセルは、焼結ニオブまたは一酸化ニオブ粉末で構成されています。
• 
  固体電解質と陰極接触層を備えた焼結ニオブ電解コンデンサの構造の概略図
• 
  固体電解質を使用した典型的なSMDニオブ電解チップコンデンサの構造

典型的なニオブコンデンサはチップコンデンサであり、コンデンサの陽極としてペレットに圧縮および焼結されたニオブまたは酸化ニオブの粉末、誘電体としての五酸化ニオブの酸化物層、および陰極としての固体二酸化マンガン電解質で構成されています。

ニオブおよびタンタル電解コンデンサの陽極材料と使用される電解質の組み合わせにより、さまざまな特性を持つさまざまなコンデンサ タイプが形成されています。さまざまなタイプの主な特性の概要を次の表に示します。

表面実装型チップコンデンサとして固体電解質を使用したタンタルおよびニオブ電解コンデンサは、スペースが限られている電子機器や薄型が求められる電子機器に主に使用されています。これらのコンデンサは、大きなパラメータ偏差なしに広い温度範囲で確実に動作します。^{[4] [6] [8] [9] [10]}

さまざまな電解チップコンデンサタイプのさまざまな特性を比較するために、同じ寸法で同等の静電容量と電圧を持つサンプルを次の表で比較します。このような比較では、ESR とリップル電流負荷の値が、現代の電子機器で電解コンデンサを使用する上で最も重要なパラメータです。ESR が低いほど、体積あたりのリップル電流が高くなり、回路内のコンデンサの機能性が向上します。

（１）100μF/10V、特に指定がない限り、

（２）100μF/10Vのコンデンサについて計算すると、

アルミニウムやタンタル、ニオブなどの金属に電気化学的に酸化物層を形成し、電流を一方向には遮断するが、反対方向には流すことができる現象は、1875年にフランスの研究者ウジェーヌ・デュクレテによって発見された。彼はそのような金属を「バルブ金属」と名付けた。チャールズ・ポラック（本名カロル・ポラック）はこの現象を利用して、分極した「アルミニウム電極を備えた電気液体コンデンサ」を考案した。1896年にポラックは最初の電解コンデンサの特許を取得した。^[11] 巻かれたタンタル箔と非固体電解質を備えた最初のタンタル電解コンデンサは、1930年に米国のタンシター・エレクトロニクス社によって開発され、軍事目的で使用された。^[12]

固体電解質タンタルコンデンサの開発は、1950年代初頭に、新たに発明されたトランジスタを補完する小型で信頼性の高い低電圧サポートコンデンサとして始まりました。ベル研究所のRLテイラーとHEハリングが見つけた解決策は、セラミックの経験に基づいていました。彼らはタンタルを粉砕して粉末にし、この粉末を円筒形に圧縮し、次に真空条件下で1500〜2000°Cの高温で粉末粒子をペレット（「スラグ」）に焼結しました。^{[13] [14]}これらの最初の焼結タンタルコンデンサは、固体エレクトロニクスの概念と一致しない非固体電解質を使用していました。1952年にベル研究所でDAマクリーンとFSパワーが固体電解質をターゲットにし、焼結タンタルコンデンサの固体電解質として二酸化マンガンを発明しました。^[15]

ニオブ電解コンデンサは個別部品として理想的なコンデンサではなく、損失と寄生誘導部品があります。すべての特性は、理想的な静電容量と、コンデンサのすべての損失と誘導パラメータをモデル化する追加の電気部品から構成される直列等価回路によって定義および指定できます。この直列等価回路では、電気特性は次のように定義されます。

• C、コンデンサの静電容量
• R_漏れ、コンデンサの漏れ電流を表す抵抗
• R _ESRは、コンデンサのすべての抵抗損失をまとめた等価直列抵抗で、通常は「ESR」と略されます。
• L _{ESL は}、コンデンサの有効自己インダクタンスである等価直列インダクタンスであり、通常は「ESL」と略されます。

並列等価回路の代わりに直列等価回路を使用することは、IEC /EN 60384-1 で規定されています。

ニオブ電解コンデンサの電気特性は、陽極の構造と電解質の種類によって異なります。コンデンサの静電容量値は、測定周波数と温度によって異なります。定格静電容量値または公称値は、メーカーのデータシートに指定されており、C _R C _Nで表されます。電解コンデンサの標準測定条件は、周波数 100/120 Hz の AC 測定方法です。AC 測定電圧は、0.5 V AC- RMSを超えてはなりません。

測定された静電容量の定格値からの許容偏差のパーセンテージを静電容量許容差と呼びます。電解コンデンサにはさまざまな許容差シリーズがあり、その値はIEC 60063 で規定されているE シリーズで指定されています。狭いスペースでの省略表示については、各許容差の文字コードが IEC 60062 で規定されています。

• 定格静電容量、E3 シリーズ、許容差 ±20%、文字コード "M"
• 定格静電容量、E6 シリーズ、許容差 ±20%、文字コード "M"
• 定格静電容量、E12 シリーズ、許容差 ±10%、文字コード "K"

IEC/EN 60384-1 規格では、ニオブ コンデンサの許容動作電圧は「定格電圧 U _R」または「公称電圧 U _N」と呼ばれます。定格電圧 U _{Rは、定格温度範囲 T R} (IEC/EN 60384-1)内の任意の温度で連続的に印加できる最大 DC 電圧またはピーク パルス電圧です。

電解コンデンサの耐電圧は、温度の上昇とともに低下します。一部の用途では、より高い温度範囲を使用することが重要です。高温で印加される電圧を下げると、安全マージンが維持されます。そのため、一部のコンデンサ タイプでは、IEC 規格で高温に対する「温度ディレーティング電圧」、つまり「カテゴリ電圧 U _{C 」が指定されています。カテゴリ電圧とは、カテゴリ温度範囲 T C}内の任意の温度でコンデンサに連続的に印加できる最大 DC 電圧またはピーク パルス電圧です。電圧と温度の関係は、右図 (モバイル デバイスの場合は上図) に示されています。

印加電圧が低いとタンタル（およびニオブ）電解コンデンサに良い影響を与える可能性があります。印加電圧を下げると信頼性が向上し、予想される故障率が低下します。^[16]

指定より高い電圧を印加すると電解コンデンサが破壊される可能性があります。

サージ電圧は、限られたサイクル数の使用中に電解コンデンサに印加される可能性のある最大ピーク電圧値を示します。サージ電圧は、IEC/EN 60384-1 で標準化されています。ニオブ電解コンデンサの場合、サージ電圧は定格電圧の約 1.3 倍以下で、最も近いボルトに切り上げられます。ニオブ コンデンサに印加されるサージ電圧は、コンデンサの故障率に影響を与える可能性があります。

他の電解コンデンサと同様に、ニオブ電解コンデンサは分極されており、陽極電極電圧が陰極電圧に対して正であることが必要です。

インピーダンス、ESR、誘電正接tanδ、リップル電流、漏れ電流に関する一般情報については、電解コンデンサを参照してください。

信頼性と故障率に関する一般的な情報については、電解コンデンサを参照してください。

電解コンデンサの寿命、サービス寿命、負荷寿命または耐用年数は、非固体電解コンデンサ、特に非固体アルミ電解コンデンサの特殊な特性です。これらのコンデンサの液体電解質は時間の経過とともに蒸発し、摩耗故障につながります。二酸化マンガン電解質を使用した固体ニオブコンデンサには摩耗メカニズムがないため、すべてのコンデンサが故障するまで一定の故障率が続きます。非固体アルミ電解コンデンサのような寿命仕様はありません。

しかし、固体ポリマーニオブ電解コンデンサには寿命仕様がある。電解質は導電性ポリマーの熱劣化メカニズムによって劣化する。導電性は時間の関数として粒状構造と一致して低下し、老化は導電性ポリマー粒子の収縮によるものである。^[17]ポリマー電解コンデンサの寿命は非固体e-capsと同様の条件で指定されるが、その寿命計算ははるかに長い動作寿命につながる別のルールに従う。^{[18] [19] [20]}

電解コンデンサの種類によって、長期安定性、固有の故障モード、自己修復メカニズムの挙動が異なります。固有の故障モードを持つタイプの適用ルールは、コンデンサの高い信頼性と長寿命を確保するために規定されています。

固体電解コンデンサのまれな故障は、欠陥または不純物による誘電体の破壊です。ニオブ電解コンデンサの誘電体は五酸化ニオブ (Nb ₂ O ₅ ) です。この五酸化ニオブの他に、亜酸化ニオブである二酸化ニオブ(NbO ₂ ) があります。NbO ₂は半導体材料で、Nb ₂ O ₅よりも導電率が高いものの、ショートよりはるかに低いです。誘電体に欠陥または不純物があり、部分的な誘電体破壊を引き起こした場合、エネルギーが制限されていれば、Nb ₂ O ₅が高抵抗の NbO ₂に還元され、導電チャネルが効果的に分離されます。

故障した固体ニオブにさらにエネルギーが加えられると、最終的には高抵抗の NbO ₂チャネルまたは Nb ₂ O ₅誘電体のいずれかが破壊され、コンデンサは熱暴走故障を起こします。固体タンタルコンデンサと比較すると、ニオブアノードの熱暴走はタンタルアノードの約 3 倍の電力で発生します。これにより、固体タンタルコンデンサと比較して、点火故障モードが大幅に削減されます (95%)。

固体ニオブ電解コンデンサの誘電体層 Nb ₂ O _{5は、タンタルコンデンサの Ta 2} O ₅よりも耐破壊電圧が低いため、印加電圧ごとに厚くなり、誘電体の電気ストレスが低いため、所定の定格電圧に対してより低い電界強度で動作します。ニオブ酸化物陽極と組み合わせると、酸素拡散に対してより安定し、不動態化されたニオブまたはタンタル陽極と比較して電圧ディレーティングルールが低くなります。^[8]

電解コンデンサの記号

ニオブ コンデンサは一般に極性のある部品で、正極端子が明確にマークされています。逆極性にさらされると (たとえ短時間でも)、コンデンサは脱分極し、誘電体酸化層が破壊されます。これにより、後で正しい極性で動作させても故障の原因となります。故障が短絡 (最も一般的な発生) であり、電流が安全な値に制限されていない場合、壊滅的な熱暴走が発生する可能性があります。

すべての電気・電子部品および関連技術の標準化は、非営利の非政府国際標準化機構である国際電気標準会議（IEC）^[25]によって定められた規則に従います。^{[26] [27]}電子機器に使用されるコンデンサの特性の定義と試験方法の手順は、一般仕様に規定されています。

• IEC 60384-1、電子機器用固定コンデンサ – パート1：一般仕様

現在（2014 年）まで、ニオブ電解コンデンサの IEC 詳細仕様は公開されていません。

米国の電子機器メーカー向けに、EIA はニオブおよびタンタル チップ コンデンサの規格を公開しています。

• EIA-717-A 表面実装ニオブおよびタンタルコンデンサ認定仕様

• ニオブコンデンサはタンタルコンデンサの代替品として使用される
• ニオブコンデンサはSMDスタイルで提供されており、フラットデザインのあらゆるポータブル電子システムに適しています。
• ニオブコンデンサには突入電流制限がない
• ニオブコンデンサは、低ESRアプリケーションと安定した電気パラメータのために固体電解質で利用可能です。
• ニオブコンデンサの製造業者は限られている（AVXとVishay）^[28]

• コンデンサの種類

• RP Deshpande、コンデンサ：テクノロジーとトレンド、ISBN 1-25900731-6 9781259007316 – コンデンサ：テクノロジーとトレンド、RP Deshpande著 - AbeBooks 
• D. Bach、論文、2009-06-05、カールスルーエ大学（TH）、化学量論的ニオブ酸化物およびニオブベースのコンデンサのEELS調査[8]
• Ch. Schnitter: ニオブの調教。Bayer Research、Bayer AG、2004 (2007-02-11)、Wayback Machine
• 電解コンデンサ用ニオブ粉末、JFE技術レポート第6号（2005年10月）PDF
• コンデンサ入門 CapSite 2023