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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とも呼ばれる[ 1 ] [ 2 ]）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できており、その上に絶縁性の五酸化ニオブ層が誘電体として作用する電解コンデンサである。酸化物層の表面にある固体電解質がコンデンサの陰極（−）として機能する。
ニオブコンデンサはSMDパッケージで入手可能で、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する。固体二酸化マンガン電解質を使用した製品も存在する。
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極性を持つ部品です。規定の許容範囲を超える逆電圧やリップル電流が流れると、誘電体が破壊され、コンデンサ自体が損傷する可能性があります。その結果生じる短絡は、大型のコンデンサでは火災や爆発を引き起こす恐れがあります。
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た。2002年以降、タンタルに比べてニオブのコストが低く入手しやすいという利点を活かし、西側諸国で市販されるようになった。
ニオブはタンタルの姉妹金属です。ニオブはタンタルとほぼ同じ融点（2744 ℃）を持ち、化学的性質も類似しています。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。しかし、原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、価格も安価です。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、漏洩電流の不安定性やコンデンサの故障につながる可能性があります。酸素拡散を低減し、漏洩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ピングして不動態化ニオブ窒化物にする方法と、陽極材料として酸化ニオブ（NbO）を使用する方法の2つが考えられます。酸化ニオブは、高い金属伝導性を特徴とする硬質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製造でき、同様の方法で加工してコンデンサを製造できます。また、陽極酸化（陽極酸化、成形）によって酸化され、絶縁誘電体層を生成できます。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市販されています。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 ）を使用している。
ニオブは、タンタルやアルミニウムと同様に、いわゆるバルブメタルである。このような金属を電解浴に接触させ、正の電圧を印加すると、印加電圧に応じた厚さの電気絶縁性の酸化膜が形成される。この酸化膜は、電解コンデンサの誘電体として機能する。
ニオブのこの性質は20世紀初頭から知られていた。ニオブはタンタルよりも自然界に豊富に存在し、価格も安いが、融点が2744 ℃と高いため、ニオブ電解コンデンサの開発は阻害されていた。
1960年代、タンタル鉱石に比べてニオブ鉱石の入手が容易だったことから、ソビエト連邦ではニオブ電解コンデンサの研究が進められた。[ 3 ]西側諸国では、ニオブコンデンサはタンタルコンデンサと同じ用途で使われていた。鉄のカーテンの崩壊に伴い、この技術は西側諸国で広く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示した。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、基本的にタンタルコンデンサと同じである。2000年と2001年のタンタル価格の高騰により、二酸化マンガンとポリマー電解質を用いたニオブ電解コンデンサの開発が促進され、2002年から入手可能になった。[ 4 ] [ 5 ]
すべての電解コンデンサは「板コンデンサ」と考えることができ、その静電容量は電極面積（A）と誘電率（ ε）とともに増加し、誘電体の厚さ（d）とともに減少します。
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絶縁耐力により、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、粉末を焼結してペレット状に成形し、表面が粗い構造にすることで、同じ面積の滑らかな表面と比較して電極表面積Aを増加させるように製造されます。この表面積の増加により、定格電圧にもよりますが、固体ニオブ電解コンデンサの静電容量は最大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したものを次の表に示す。[ 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、絶縁破壊電圧が低いため、同じ静電容量と定格電圧であれば、ニオブコンデンサとタンタルコンデンサのサイズはほぼ同じになる。
一般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ニオブまたは酸化ニオブの粉末を圧縮焼結してペレット状にしたもの、誘電体として五酸化ニオブの酸化物層、陰極として固体二酸化マンガン電解質から構成されている。
ニオブおよびタンタル電解コンデンサの陽極材料と電解液の組み合わせにより、特性の異なる多種多様なコンデンサが開発されています。各種コンデンサの主な特性を以下の表に示します。
固体電解質を用いたタンタルおよびニオブ電解コンデンサは、表面実装チップコンデンサとして、スペースが限られている、または薄型が求められる電子機器で主に使用されています。広い温度範囲で大きなパラメータ変動なく安定して動作します。[ 4 ] [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
異なる電解チップコンデンサの特性を比較するために、寸法が同じで静電容量と電圧が同程度のサンプルを以下の表で比較しています。このような比較において、ESRとリップル電流負荷の値は、現代の電子機器における電解コンデンサの使用において最も重要なパラメータです。ESRが低いほど単位体積あたりのリップル電流が高くなり、回路におけるコンデンサの機能性が向上します。
（１）特に指定がない限り、 100μF/10V
（２）コンデンサ100μF / 10Vで計算、
アルミニウムやタンタル、ニオブなどの金属上に電気化学的に酸化層を形成し、一方向の電流を遮断するが逆方向の電流は流すという現象は、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「バルブメタル」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「アルミニウム電極付き電気液体コンデンサ」のアイデアを考案した。1896年、ポラックは最初の電解コンデンサの特許を取得した。[ 11 ] 巻線タンタル箔と非固体電解質を用いた最初のタンタル電解コンデンサは、1930年に米国タンシター・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 ]
ニオブはタンタルの姉妹金属であり、陽極酸化中に酸化層を生成するバルブ金属として機能します。ニオブは原料としてタンタルよりも自然界に豊富に存在し、安価です。ニオブコンデンサは1960年代後半に米国と旧ソ連で開発されました。ニオブはタンタルよりも入手しやすかったため、ソ連でより多く使用されました。[ 13 ]
2000/2001年にタンタルの価格が再び高騰したことで、二酸化マンガン電解質を用いたニオブ電解コンデンサの商業開発が促され、2002年から入手可能になった。[ 14 ] [ 15 ]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ある。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ある。[ 13 ]
ニオブ電解コンデンサは、単体部品としては理想的なコンデンサではなく、損失や寄生誘導成分が存在します。これらの特性はすべて、理想化された静電容量と、コンデンサのすべての損失および誘導パラメータをモデル化した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、電気的特性は次のように定義されます。
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的特性は、陽極の構造と電解液の種類によって決まります。コンデンサの静電容量値は、測定周波数と温度によって変化します。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記載されており、C R C Nという記号で表されます。電解コンデンサの標準的な測定条件は、周波数 100/120 Hz の交流測定法です。交流測定電圧は 0.5 V AC- RMS を超えてはなりません。
測定された静電容量と定格値との許容偏差率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 で定められています。狭いスペースでの簡略表示のために、各許容差には文字コードがIEC 60062で規定されています 。
IEC/EN 60384-1規格によれば、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直流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。用途によっては、より高い温度範囲を使用することが重要です。高温時に印加する電圧を下げることで、安全マージンを維持できます。そのため、一部のコンデンサタイプでは、IEC規格で高温時の「温度ディレーティング電圧」、すなわち「カテゴリ電圧 U C 」が規定されています。カテゴリ電圧とは、カテゴリ温度範囲 T C内の任意の温度において、コンデンサに連続的に印加できる最大直流電圧またはピークパルス電圧のことです。電圧と温度の関係は、右図（モバイル端末では上図）に示されています。
印加電圧を低くすると、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。印加電圧を低くすると、信頼性が向上し、予想される故障率が低下します。[ 16 ]
規定電圧よりも高い電圧を印加すると、電解コンデンサが破損する可能性があります。
サージ電圧とは、電解コンデンサが限られたサイクル数で動作中に印加される可能性のある最大ピーク電圧値を指します。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（最も近いボルトに四捨五入）を超えてはなりません。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極性があり、陽極電圧が陰極電圧に対して正である必要があります。
インピーダンス、ESR、誘電正接tan δ、リップル電流、漏洩電流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。
信頼性および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、耐用年数、負荷寿命、または有効寿命は、非固体電解コンデンサ、特に非固体アルミニウム電解コンデンサに特有の特性です。これらのコンデンサは、液体電解質が時間とともに蒸発し、摩耗による故障を引き起こす可能性があります。二酸化マンガン電解質を用い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。そのため、非固体アルミニウム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ります。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します。電気伝導率は、時間の経過とともに低下し、これは、導電性ポリマー粒子の収縮による劣化である粒状構造と一致します。[ 17 ]ポリマー電解コンデンサの寿命は、非固体電解コンデンサと同様の用語で規定されていますが、その寿命の計算は、はるかに長い動作寿命につながる別の規則に従います。[ 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、自己修復機構などの特性が異なります。固有の故障モードを持つタイプのコンデンサについては、高い信頼性と長寿命を確保するために、適用規則が定められています。
固体電解コンデンサのまれな故障は、欠陥や不純物によって引き起こされる誘電体の破壊です。ニオブ電解コンデンサでは、誘電体は五酸化ニオブ（Nb 2 O 5 ）です。この五酸化物の他に、ニオブ亜酸化物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ですが、短絡よりははるかに低いです。誘電体に欠陥や不純物があり、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に還元されることで、導電チャネルが効果的に隔離されます。
欠陥のある固体ニオブにエネルギーが加えられると、最終的には高抵抗のNbO₂チャネルまたはNb₂O₅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、ニオブ陽極の熱暴走はタンタル陽極の約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（95%）減少します。
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よりも絶縁破壊電圧耐性が低いため、印加電圧ごとに厚くなり、誘電体の電気的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。ニオブ酸化物アノードと組み合わせると、ニオブ酸化物アノードは酸素拡散に対してより安定しており、不動態化ニオブまたはタンタルアノードと比較して、より低い電圧ディレーティング規則につながります。[ 8 ]
電解コンデンサの記号
ニオブコンデンサは一般的に極性のある部品であり、正極端子が明確に区別されています。逆極性（たとえ短時間でも）にさらされると、コンデンサは脱分極し、誘電体酸化膜が破壊されます。その結果、後で正しい極性で動作させたとしても、故障する可能性があります。故障が短絡（最も一般的なケース）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・非政府の国際標準化機関である国際電気標準会議（IEC）[ 25 ]が定めた規則に従います。[ 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、一般仕様書に記載されています。
現在（2014年時点）まで、ニオブ電解コンデンサに関するIECの詳細仕様は存在しない。
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表している。
