タンタルコンデンサ

タンタル電解コンデンサは、電子回路の受動部品である電解コンデンサ です。多孔質のタンタル金属のペレットを陽極として、誘電体を形成する絶縁酸化物層で覆い、陰極として液体または固体の電解質で囲まれています。非常に薄く、比較的高い誘電率の誘電体層のため、タンタルコンデンサは、体積あたりの静電容量が高く（高い体積効率）、重量が軽いという点で、他の従来のコンデンサや電解コンデンサとは異なります。

タンタルは紛争資源です。タンタル電解コンデンサは、同等のアルミ電解コンデンサよりもかなり高価です。

タンタル コンデンサは、本質的に極性のあるコンポーネントです。逆電圧はコンデンサを破壊する可能性があります。非極性または双極性のタンタル コンデンサは、2 つの極性コンデンサを直列に接続し、アノードを反対方向に向けることで作成されます。

タンタル電解コンデンサは、安定した静電容量、低リーク電流が要求され、信頼性が非常に重要な電子機器に広く使用されています。 ^[1] 信頼性、耐久性、過酷な条件下での性能により、医療機器、^[2]航空宇宙および軍事用途に使用されています。^[3] その他の用途には、電源装置、計測機器、通信機器、コンピュータ周辺機器などがあります。^[4]

電解コンデンサは、歴史的にバルブ金属と呼ばれ、絶縁酸化層を形成できる特殊な金属の化学的特性を利用します。電解槽内のタンタル陽極材料に正電圧を印加すると、印加電圧に比例した厚さの酸化バリア層が形成されます。この酸化層は、電解コンデンサの誘電体として機能します。次の表では、この酸化層の特性とニオブ電解コンデンサの酸化層の特性とを比較しています。

粗い陽極構造上に誘電体酸化物を形成した後、陰極が必要になります。電解質は電解コンデンサの陰極として機能します。使用されている電解質にはさまざまな種類があります。一般的に、電解質は非固体電解質と固体電解質の 2 種類に分けられます。非固体電解質は、導電性がイオン性の液体媒体です。印加電圧の極性が逆になると、酸化物層が破壊される可能性があります。

原理的に、すべての電解コンデンサはプレートコンデンサを形成し、その静電容量は、電極面積 A と誘電率ε が大きいほど、また誘電体の厚さ d が薄いほど大きくなります。

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

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。それにもかかわらず、これらの酸化物層の誘電強度は非常に高いです。そのため、タンタル コンデンサは他のコンデンサ タイプと比較して高い体積容量を実現できます。

エッチングまたは焼結された陽極は、同じ全体寸法の滑らかな表面と比較して、総表面積がはるかに大きくなります。この表面積の増加により、固体タンタル電解コンデンサの静電容量値は最大200倍（定格電圧によって異なります）増加します。^[6]

電解コンデンサの体積は、静電容量と電圧の積、いわゆるCV 体積によって定義されます。ただし、さまざまな酸化物材料の誘電率を比較すると、五酸化タンタルの誘電率は酸化アルミニウムの約 3 倍であることがわかります。したがって、特定の CV 値のタンタル電解コンデンサは、アルミニウム電解コンデンサよりも小さくすることができます。

• 二酸化マンガン電解質を用いた固体タンタルチップコンデンサの構造
• 
  タンタル電解コンデンサのコンデンサセルは、焼結タンタル粉末から構成されています。
• 
  固体電解質と陰極接触層を備えた焼結タンタル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タンタル電解チップコンデンサの構造

典型的なタンタルコンデンサはチップコンデンサであり、タンタル粉末を圧縮してペレット状に焼結したものをコンデンサの陽極とし、五酸化タンタルの酸化物層を誘電体とし、固体二酸化マンガン電解質を陰極として構成されています。

タンタルコンデンサは、比較的純粋なタンタル金属の粉末から製造されます。 ^{[7] [8] [9]粉末の}体積効率を比較するための一般的な性能指数は、静電容量 (C、通常は μF) とグラム (g) あたりの電圧 (V) の積で表されます。1980 年代半ば以降、製造されたタンタル粉末は CV/g 値が約 10 倍向上しています (約 20k から 200k)。^[6]一般的な粒子サイズは 2 ～ 10 μm です。図 1 は、粒子が徐々に細かくなり、単位体積あたりの表面積が大きくなっている粉末を示しています。粉末間の粒子サイズが非常に大きく異なることに注意してください。

粉末はタンタル線（ライザー線と呼ばれる）の周囲に圧縮され、「ペレット」を形成します。^[10]ライザー線は最終的にコンデンサへの陽極接続になります。このペレットと線の組み合わせはその後、高温（通常 1200 ～ 1800 °C）で真空焼結され、機械的に強いペレットが生成され、粉末内の多くの不純物が除去されます。焼結中、粉末はスポンジのような構造になり、すべての粒子がモノリシックな空間格子に相互接続されます。この構造は機械的強度と密度が予測可能ですが、非常に多孔質であるため、内部表面積が大きくなります（図 2 を参照）。

表面積が大きいほど静電容量は高くなります。したがって、平均粒子サイズが小さくCV /g 値が高い粉末は、低電圧、高静電容量部品に使用されます。適切な粉末タイプと焼結温度を選択することにより、特定の静電容量または電圧定格を実現できます。たとえば、220 μF 6 V コンデンサの表面積は 346 cm ²近く、つまり紙 1 枚のサイズの 80% になります (US レター、8.5×11 インチの紙の面積は約 413 cm ^{2です)。ただし、ペレットの総体積は約 0.0016 cm 3}しかありません。

次に、陽極酸化の電気化学プロセスによってタンタル粒子の表面全体に誘電体が形成されます。これを実現するために、「ペレット」を非常に弱い酸溶液に浸し、DC電圧を印加します。誘電体の総厚さは、形成プロセス中に印加される最終電圧によって決まります。最初に、電源は、正しい電圧（誘電体の厚さ）に達するまで定電流モードに保たれます。その後、この電圧が保持され、電流はゼロ近くまで減衰して、デバイスと製造ロット全体で均一な厚さを実現します。陽極での誘電体形成プロセスを説明する化学式は次のとおりです。^[9]

2 タ → 2 タ⁵⁺ + 10 e ⁻

2 Ta ⁵⁺ + 10 OH ⁻ → Ta ₂ O ₅ + 5 H ₂ O

酸化物はタンタルの表面に形成されますが、材料の内部にも成長します。酸化物の成長単位の厚さごとに、3分の1は外側に成長し、3分の2は内側に成長します。酸化物の成長の制限により、現在入手可能なタンタル粉末ごとにタンタル酸化物の最大定格電圧に制限があります (図 3 を参照)。

形成電圧によって生成される誘電体層の厚さは、電解コンデンサの耐電圧に直接比例します。^[11]電解コンデンサは、信頼性の高い機能を確保するために、誘電体の電解生成に使用される電圧とコンデンサの定格電圧の比率である酸化層の厚さに安全マージンを設けて製造されています。

二酸化マンガン電解質を使用した固体タンタルコンデンサの安全マージンは通常 2 ～ 4 です。つまり、安全マージンが 4 の 25 V タンタルコンデンサの場合、誘電体耐電圧は 100 V に耐えることができ、より堅牢な誘電体となります。^[12]この非常に高い安全係数は、固体タンタルコンデンサの故障メカニズムである「フィールド結晶化」によって実証されています。^{[13] [14] [15] [16] [17]} 固体ポリマー電解質を使用したタンタルコンデンサの場合、安全マージンは非常に低く、通常は約 2 です。^{[16] [18]}

固体タンタルコンデンサの次の段階は、陰極板の適用です（湿式タンタルコンデンサは、ケースと組み合わせて液体電解質を陰極として使用します）。これは、硝酸マンガンを二酸化マンガンに熱分解することによって達成されます。「ペレット」は硝酸塩の水溶液に浸され、その後オーブンで約250°Cで焼かれ、二酸化被膜が生成されます。化学式は次のとおりです。^[9]

マンガン(NO ₃ ) ₂ → マンガンO ₂ + 2 NO ₂

このプロセスは、硝酸塩溶液の比重を変えながら数回繰り返され、図 4 に示すように、「ペレット」の内部および外部表面全体に厚いコーティングが形成されます。

従来の構造では、「ペレット」をグラファイトに浸し、次に銀に浸して^[19]、二酸化マンガン陰極板から外部陰極端子までの良好な接続を確保します（図5を参照）。

下の写真は、焼結陽極と固体二酸化マンガン電解質を使用したタンタル電解チップコンデンサの製造フローを示しています。

タンタル電解コンデンサは3つの異なるスタイルで作られています: ^[9]

• タンタルチップコンデンサ：表面実装用のSMDスタイル。タンタルコンデンサの80％がSMDです。
• タンタル「パール」、樹脂浸漬、PCB 実装用シングルエンド スタイル
• 固体電解質と非固体電解質を備えたアキシャルリード型タンタルコンデンサは、主に軍事、医療、宇宙用途に使用されます。

• さまざまなスタイルのタンタルコンデンサ
• 
  タンタルチップコンデンサ
• 
  PCB 実装用タンタル「パール」
• 
  アキシャルタンタルコンデンサ

タンタル電解コンデンサの 90% 以上は、 SMDスタイルのタンタル チップ コンデンサとして製造されています。ケースの端面に接触面があり、通常はEIA -535-BAAC 規格に従ってさまざまなサイズで製造されています。さまざまなサイズは、ケース コード文字によっても識別できます。何十年も製造されている一部のケース サイズ (A から E) については、すべてのメーカーの寸法とケース コーディングは今でもほぼ同じです。ただし、ESR を低減するマルチ アノード技術やインダクタンスを低減する「フェイス ダウン」技術などのタンタル電解コンデンサの新しい開発により、チップ サイズとケース コードの範囲が大幅に広がりました。EIA 規格からのこれらの逸脱は、異なるメーカーのデバイスが必ずしも均一ではなくなったことを意味します。

従来のタンタル長方形チップコンデンサの寸法とそのコードの概要を次の表に示す。^[20]

• 注: EIA 3528 メートル法は、EIA 1411 インペリアル法 (インチ) とも呼ばれます。

現代の非固体 (湿式) タンタル電解コンデンサの主な特徴は、同じ温度範囲内で固体タンタルおよび湿式アルミ電解コンデンサと比較してエネルギー密度が高いことです。自己修復特性 (非固体電解質は酸素を供給して誘電体の弱い部分に新しい酸化物層を形成できます) により、誘電体の厚さは安全マージンをはるかに低くして形成でき、その結果、固体タイプよりもはるかに薄い誘電体で形成できるため、体積単位あたりの CV 値が高くなります。さらに、湿式タンタルコンデンサは 100 V を超える電圧から最大 630 V まで動作でき、ESR が比較的低く、すべての電解コンデンサの中で最も漏れ電流が低くなっています。

1930年代に開発された最初の湿式タンタルコンデンサは、タンタル陽極と箔陰極からなる巻線セルを電解液に浸した紙のストライプで分離した軸型コンデンサで、銀ケースに収められ、非密閉エラストマーで密封されていました。^[21]タンタル誘電体酸化物層は強酸に対して不活性で安定しているため、湿式タンタルコンデンサは硫酸を電解液として使用することができ、比較的低いESRを実現しました。

過去には、銀ケースには銀の移動やウィスカーの問題があり、漏れ電流や短絡の増加につながっていたため、新しいタイプの湿式タンタルコンデンサでは、純粋なタンタルケースに取り付けられた焼結タンタルペレットセルとゲル化硫酸電解質を使用しています。

湿式タンタル電解コンデンサは比較的高価なため、消費者向けの用途はほとんどありません。石油探査用プローブなど、耐久性の高い産業用途で使用されています。軍事認可を受けたタイプは、航空電子工学、軍事、宇宙用途で求められる高い品質レベルに加えて、拡張された静電容量と電圧定格を提供できます。

絶縁酸化膜を形成できる「バルブ金属」のグループは 1875 年に発見されました。1896 年にカロル ポラックはアルミニウム電極と液体電解質を使用したコンデンサの特許を取得しました。アルミニウム電解コンデンサは 1930 年代に商業的に製造されました。

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Tansitor Electronic Inc.（米国）によって開発され、軍事目的で使用されました。^[21]

固体電解質タンタルコンデンサは、1950年代初頭にベル研究所によって発明され、新しく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開発されました。ベル研究所のRLテイラーとHEハリングが1950年代初頭に発見した新しい小型コンデンサの解決策は、セラミックの経験に基づいていました。彼らは金属タンタルを粉末に粉砕し、この粉末を円筒形に圧縮し、次に真空条件下で1,500〜2,000°C（2,730〜3,630°F）の高温で粉末粒子を焼結してペレット（「スラグ」）にしました。^{[22] [23]}

これらの最初の焼結タンタルコンデンサは液体電解質を使用していました。1952年にベル研究所の研究者は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使用することを発見しました。^[24]

基本的な発明はベル研究所によるものですが、商業的に実現可能なタンタル電解コンデンサを製造するための革新は、スプレイグ電気会社の研究者によって行われました。スプレイグの研究ディレクターであるプレストン・ロビンソンは、1954年にタンタルコンデンサを実際に発明したと考えられています。^{[25] [26]}彼の発明は、1955年に「改革」ステップを導入したRJミラードによってサポートされました。^{[27] [28]これは、MnO} ₂堆積のディップアンドコンバートサイクルごとにコンデンサの誘電体が修復されるという大きな改良でした。これにより、完成したコンデンサの漏れ電流が劇的に減少しました。

この最初の固体電解質二酸化マンガンは、他のすべてのタイプの非固体電解質コンデンサよりも 10 倍優れた導電性を持っていました。タンタル真珠のような形で、すぐにラジオや新しいテレビ機器に広く使用されるようになりました。

1971年にインテルは初のマイクロコンピュータ（MCS 4）を発売し、1972年にはヒューレット・パッカードが初のポケット電卓（HP-35）を発売した。^{[29] [30]}コンデンサに対する要求、特に損失低減の要求が高まった。標準的な電解コンデンサのバイパスコンデンサとデカップリングコンデンサの等価直列抵抗（ESR）を下げる必要があった。^[31]

固体タンタルコンデンサはアルミ電解コンデンサよりもESRと漏れ電流値が低いにもかかわらず、1980年に業界でタンタルの価格ショックが発生し、特に民生用娯楽機器におけるタンタルコンデンサの有用性が劇的に低下しました。^{[32] [33]}より安価な代替品を求めて、業界はアルミ電解コンデンサの使用に戻りました。

1975年にアラン・J・ヒーガー、アラン・マクダーミド、白川秀樹が導電性ポリマーを開発し、 ESRを低下させるという画期的な成果をあげました。 ^[34]ポリピロール（PPy）^[35]やPEDOT ^[36]などの導電性ポリマーの導電率は二酸化マンガンの1000倍優れており、金属の導電率に近い値です。1993年にNECは「NeoCap」と呼ばれるSMDポリマータンタル電解コンデンサを発表しました。1997年に三洋電機は「POSCAP」ポリマータンタルチップを発表しました。

タンタルポリマーコンデンサ用の新しい導電性ポリマーが、Kemet社によって「1999 Carts」会議で発表されました。^[37]このコンデンサには、新しく開発された有機導電性ポリマーPEDTポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）、別名PEDOT（商品名Baytron）が使用されています。^[38]

1990年代に急速に成長したSMD技術向けに、チップ型で高CV容量の低ESRコンデンサの開発が進み、タンタルチップの需要が劇的に増加しました。しかし、2000年/2001年にタンタルの価格が再び高騰したため、二酸化マンガン電解質を使用したニオブ電解コンデンサの開発が余儀なくされ、2002年から販売されています。^{[39] [40]}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。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。^[41]

個別部品としてのタンタル電解コンデンサは、損失と寄生誘導部品があるため、理想的なコンデンサではありません。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で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_リーク、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。

並列等価回路ではなく直列等価回路を使用することは、IEC /EN 60384-1 で指定されています。

タンタル電解コンデンサの電気特性は、陽極の構造と使用される電解質によって異なります。これは、動作周波数と温度に依存するタンタルコンデンサの静電容量値に影響します。電解コンデンサの静電容量の基本単位はマイクロファラッド(μF) です。

メーカーのデータシートに指定されている静電容量値は、定格静電容量 C _Rまたは公称静電容量 C _Nと呼ばれ、コンデンサの設計値です。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。電解コンデンサは、静電容量が通常 1 kHz 以上で測定される他の種類のコンデンサとは異なります。タンタルコンデンサの場合、逆電圧を回避するために、測定中に定格電圧が ≤2.5 V のタイプでは 1.1 ～ 1.5 V、定格電圧が >2.5 V のタイプでは 2.1 ～ 2.5 V の DC バイアス電圧を印加することができます。

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。電解コンデンサは、さまざまな許容差シリーズ分類で提供されており、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"

必要な静電容量許容差は、特定のアプリケーションによって決まります。フィルタリングやバイパスコンデンサによく使用される電解コンデンサは、発振器などの正確な周波数のアプリケーションにはほとんど使用されないため、狭い許容差は必要ありません。

IEC/EN 60384-1 規格では、タンタル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。

電解コンデンサの定格電圧は、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。両方の電圧と温度の関係は、右の図に示されています。

印加電圧が低いとタンタル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高まり、予想される故障率が低下します。^[42]

指定より高い電圧を印加すると、タンタル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。タンタル電解コンデンサの場合、サージ電圧は定格電圧の1.3倍で、最も近いボルトに切り上げられます。タンタル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。^{[43] [44]}

固体二酸化マンガン電解質を使用したタンタル電解コンデンサに過渡電圧または電流スパイクが印加されると、一部のタンタルコンデンサが故障し、直接的に短絡につながる可能性があります。^{[43] [45]}

タンタル電解は分極しており、通常、陰極電圧に対して陽極電圧が正である必要があります。

逆電圧が印加されると、逆漏れ電流が、誘電体層を横切って電解コンデンサの陽極に至る微小亀裂やその他の欠陥の非常に小さな領域に流れます。電流はわずか数マイクロアンペアですが、非常に高い局所的な電流密度を示し、小さなホットスポットを引き起こす可能性があります。これにより、非晶質の五酸化タンタルが、より導電性の高い結晶形態に変化する可能性があります。高電流が流れると、この効果により雪崩が発生し、コンデンサが完全にショートする可能性があります。

ただし、タンタル電解コンデンサは、限られたサイクル数であれば、短時間であれば逆電圧に耐えることができます。タンタル逆電圧に関する最も一般的なガイドラインは次のとおりです。

• 定格電圧の10%、25℃で最大1Vまで、
• 定格電圧の3%、85℃で最大0.5Vまで、
• 125 °C で定格電圧の 1% から最大 0.1 V まで。

これらのガイドラインは短時間の逸脱に適用され、コンデンサを恒久的に使用できる最大逆電圧を決定するために使用されるべきではありません。^{[46] [47]}

タンタル電解コンデンサは、他の従来のコンデンサと同様に、2 つの電気的機能を持っています。タイマーなどのアプリケーションでは、コンデンサは電気エネルギーを蓄えるストレージ コンポーネントとして使用されます。ただし、電源などの平滑化、バイパス、またはデカップリングアプリケーションでは、コンデンサは電圧レールから不要な AC コンポーネントをフィルタリングするAC抵抗としても機能します。この (バイアスされた) AC 機能では、周波数に依存する AC 抵抗 (インピーダンス"Z" ) が容量値と同じくらい重要です。

インピーダンスは、交流回路の特定の周波数における電圧と電流の複素比であり、大きさと位相の両方を持ちます。この意味で、インピーダンスはコンデンサが交流電流を減衰させる能力の尺度であり、オームの法則のように使用できます。

${\displaystyle Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}。 }$

インピーダンスは周波数に依存する AC 抵抗であり、特定の周波数で大きさと位相の両方を持ちます。電解コンデンサのデータシートでは、インピーダンスの大きさ|Z|のみが指定されており、単に「Z」と書かれています。IEC/EN 60384-1 規格に関しては、タンタル電解コンデンサのインピーダンス値は、コンデンサの静電容量と電圧に応じて 10 kHz または 100 kHz で測定され、指定されます。

測定以外にも、理想的なコンデンサC、抵抗ESR、インダクタンスESLなどのコンデンサの直列等価回路から理想的なコンポーネントを使用してインピーダンスを計算することもできます。この場合、角周波数ωでのインピーダンスは、 ESRと容量性リアクタンスX _Cの幾何学的（複素）加算によって与えられます。

${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$

誘導性リアクタンスX _L (インダクタンス)

${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$。

Zは次のように与えられる 。

${\displaystyle Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}}$。

共振の特殊なケースでは、リアクタンス抵抗X _CとX _{L の}両方が同じ値 ( X _C =X _L ) を持ち、インピーダンスはESRによってのみ決定されます。共振周波数を超えると、コンデンサのESLによりインピーダンスが再び増加します。この時点で、コンデンサは主にインダクタンスとして動作し始めます。

• 周波数と温度の関数としての典型的なインピーダンスとESR曲線
• 
  周波数の関数としての典型的なインピーダンスとESR
• 
  MLCCと比較したさまざまな電解コンデンサスタイルの周波数に対する典型的なインピーダンスとESR曲線

等価直列抵抗（ESR）は、コンデンサのすべての抵抗損失をまとめたものです。これらは、端子抵抗、電極接点の接触抵抗、電極の線抵抗、電解質抵抗、および誘電体酸化層の誘電損失です。^[48]

ESR は平滑化の後に残る重畳された ACリップルに影響し、回路の機能に影響を及ぼす可能性があります。コンデンサに関しては、リップル電流がコンデンサを流れると、ESR によって内部熱が発生します。この内部熱はタンタル電解コンデンサの信頼性に影響を及ぼす可能性があります。

一般的に、ESRは周波数と温度の上昇とともに減少します。^[49]

電解コンデンサの議論では、歴史的に、関連データシートのESRではなく、損失係数tan δが参照されることがあります。損失係数は、容量性リアクタンスX _Cから誘導性リアクタンスX _Lを差し引いた値とESRの間の位相角の正接によって決まります。コンデンサのインダクタンスESLが小さい場合、損失係数は次のように近似できます。

${\displaystyle \tan \delta ={\mbox{ESR}}\cdot \omega C}$

損失係数tan δ は、周波数決定回路または共振回路内の損失が非常に低いコンデンサに使用されます。損失係数の逆数値は品質係数( Q ) と呼ばれ、共振器の帯域幅を表します。

「リップル電流」とは、DC 電流に重畳された任意の周波数の AC 電流のRMS値です。これは主に電源 (スイッチング電源を含む) で AC 電圧を整流した後に発生し、デカップリング コンデンサまたは平滑コンデンサを介して充電電流と放電電流として流れます。

リップル電流はコンデンサ本体内で熱を発生させます。この電力損失P _{L は}ESRによって発生し、実効 (RMS) リップル電流I _Rの二乗値になります。

${\displaystyle P_{L}=I_{R}^{2}\cdot ESR}$

この内部で発生した熱は、周囲温度および場合によっては他の外部熱源に加えて、周囲に対してΔ Tの温度差を持つコンデンサ本体の温度につながります。この熱は、コンデンサの表面A上の熱損失P _thおよび周囲に対する 熱抵抗βとして分散される必要があります。

${\displaystyle P_{th}=\Delta T\cdot A\cdot \beta }$

内部で発生した熱は、熱放射、対流、熱伝導によって周囲に分散されます。コンデンサの温度は、発生した熱と分散された熱のバランスによって決まり、コンデンサの最大指定温度を超えてはなりません。

リップル電流は、100 Hzまたは120 Hz、または上限温度での10 kHzでの実効値（RMS）として規定されています。非正弦波リップル電流は、フーリエ解析によって分析され、その成分正弦波周波数に分離され、等価リップル電流は個々の電流の二乗の合計の平方根として計算されます。^[50]

${\displaystyle I_{R}={\sqrt {{i_{1}}^{2}+{i_{2}}^{2}+{i_{3}}^{2}+{i_{n}}^{2}}}}$

固体タンタル電解コンデンサでは、リップル電流によって発生する熱がコンデンサの信頼性に影響を与えます。^{[51] [52] [53]}限界を超えると、ショートや部品の焼損を伴う壊滅的な故障につながる傾向があります。

固体タンタル電解コンデンサは、サージ、ピーク、またはパルス電流によって損傷を受ける可能性があります。^{[43] [44]}サージ、ピーク、またはパルス電流にさらされるタンタルコンデンサは、誘導性の高い回路では最大70％の電圧低下で使用してください。可能であれば、電圧プロファイルはランプターンオンにする必要があります。これにより、コンデンサに見られるピーク電流が低減されます。

DCリーク電流は、他の従来のコンデンサにはない電解コンデンサの特殊な特性です。この電流は、電解コンデンサの直列等価回路でコンデンサと並列に接続された抵抗R_リークによって表されます。固体タンタルコンデンサのリーク電流の主な原因は、誘電体の電気的破壊、不純物または不十分な陽極酸化による導電パス、過剰な二酸化マンガンによる誘電体のバイパス、湿気のパス、または陰極導体 (炭素、銀) によるバイパスです。^[54]固体電解コンデンサのこのリーク電流は、通常の状態では固体電解質が形成プロセスに酸素を供給できないため、新しい酸化物を生成するという意味での「修復」によって低減することはできません。この記述は、信頼性 (故障率) で説明されているフィールド結晶化中の自己修復プロセスと混同しないでください。

データシートの漏れ電流の仕様は、定格静電容量値C _Rと定格電圧U _R の値を乗算し、2 分または 5 分の測定時間後に測定された追加数値を添えて示されることがよくあります。例:

${\displaystyle I_{\mathrm {リーク} }=0{.}01\,\mathrm {{A} \over {V\cdot F}} \cdot U_{\mathrm {R} }\cdot C_{\mathrm {R} }+3\,\mathrm {\mu A} }$

漏れ電流の値は、印加電圧、コンデンサの温度、測定時間、およびケースの密閉状態によって生じる湿気の影響によって異なります。通常、漏れ電流は非常に低く、ほとんどの場合、指定された最悪のケースよりもはるかに低くなります。

誘電吸収は、長時間充電されたままのコンデンサが短時間放電されたときにいくらかの電荷を保持する場合に発生します。理想的なコンデンサは放電後にゼロボルトに達しますが、実際のコンデンサは時間遅延双極子放電によって小さな電圧を発生します。この現象は誘電緩和、"浸漬"、または "バッテリー動作" とも呼ばれます。

誘電吸収は、長時間定数の 積分器やサンプルホールド回路など、非常に小さな電流が使用される回路では問題を引き起こす可能性があります。 ^{[57] [58]}ただし、タンタル電解コンデンサが電源ラインをサポートしているほとんどのアプリケーションでは、誘電吸収は問題になりません。

部品の信頼性とは、部品が一定時間内にどの程度その機能を果たすかを示す特性です。信頼性は確率過程の影響を受け、定性的および定量的に記述できますが、直接測定することはできません。電解コンデンサの信頼性は、製造に伴う耐久テストで故障率を特定することで経験的に決定されます。信頼性工学#信頼性テストを参照してください。

信頼性は通常、バスタブ曲線で示され、初期故障または初期故障、定常ランダム故障、摩耗故障の 3 つの領域に分けられます。総故障率に含まれる故障タイプは、短絡、開回路、および劣化故障 (電気パラメータの超過) です。

信頼性の予測は、一般的に故障率λ、略称 FIT (時間内故障) で表されます。これは、一定のランダム故障期間中に一定の動作条件で 10 億 (10 ⁹ ) のコンポーネント動作時間 (例: 1000 個のコンポーネントで 100 万時間、または 100 万個のコンポーネントで 1000 時間、つまり 1 ppm/1000 時間) 中に発生すると予想される故障の数です。これらの故障率モデルは、暗黙的に「ランダム故障」の概念を前提としています。個々のコンポーネントはランダムな時間に故障しますが、その率は予測可能です。故障率 FIT の標準動作条件は、40 °C および 0.5 U _Rです。

FIT の逆数値は平均故障間隔(MTBF) です。

タンタルコンデンサの場合、故障率は、多くの場合、85 °C および定格電圧 U _{R を}基準条件として指定され、1000 時間あたりの故障したコンポーネントの割合 (n %/1000 h) として表されます。つまり、10 ^{5時間あたりの故障したコンポーネントの数が「n」個、または FIT では 10 9}時間 あたりの 1 万倍の値です。

標準動作条件である40℃および0.5UR以外の条件_、つまり他の温度および印加電圧、電流負荷、静電容量値、回路抵抗、機械的影響および湿度については、産業用^[59]または軍事用^[60]の文脈で標準化された加速係数を使用してFIT値を再計算することができます。たとえば、温度および印加電圧が高いほど、故障率は高くなります。

故障率の再計算に最もよく引用される情報源は、電子部品の故障率計算の「バイブル」であるMIL-HDBK-217Fです。受け入れサンプルと品質管理のためのオンライン統計計算機であるSQC Onlineは、アプリケーション条件に対する特定の故障率値を短時間で計算するためのオンラインツールを提供します。^[61]

タンタルコンデンサの製造業者の中には、独自のFIT計算表を持っているところもある。^{[62] [63]}

タンタルコンデンサは信頼性の高い部品です。タンタル粉末とコンデンサ技術の継続的な改善により、以前は現場での結晶化障害のほとんどを引き起こしていた不純物の量が大幅に減少しました。市販のタンタルコンデンサは現在、標準製品として、85 °C および U _{Rで 0.01%/1000 時間、または 85 °C および U R}で10 ⁷時間あたり 1 回の故障という高い MIL 標準「C」レベルに達しています。^{[15] 40 °C および 0.5 U} _Rでの MIL HDKB 217F からの加速係数を使用して FIT で再計算すると、直列抵抗 0.1 Ω で使用される 100 μF/25 V タンタルチップコンデンサの故障率は 0.02 FIT になります。

タンタル電解コンデンサの寿命、耐用年数、負荷寿命、または耐用年数は、使用される電解質によって完全に異なります。

• 液体電解質を使用したものには寿命の規定はありません。（密閉されている場合）
• 二酸化マンガン電解質を使用するものには寿命の仕様がありません。
• ポリマー電解質を使用する場合は、寿命の仕様が定められています。

ポリマー電解質は、導電性ポリマーの熱劣化メカニズムにより、導電性がわずかに低下します。導電性は時間の関数として低下し、これは粒状金属型構造と一致しており、その老化は導電性ポリマー粒子の収縮によるものです。^[64]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条件で指定されますが、その寿命計算は、はるかに長い動作寿命につながる別の規則に従います。^{[65] [66] [67]}

タンタルコンデンサは、使用される電解質に応じて、電気的に長期的な動作が異なります。固有の故障モードを持つタイプについては、高い信頼性と長寿命を確保するために適用規則が指定されています。

タンタルコンデンサは、他の電子部品と同様に信頼性が高く、故障率も非常に低い。しかし、タンタルコンデンサには「フィールド結晶化」と呼ばれる唯一の独特な故障モードがある。^[13]フィールド結晶化は、固体タンタルコンデンサの劣化や壊滅的な故障の主な原因である。^[17]タンタル固体電解コンデンサの今日のまれな故障の90％以上は、この故障モードによるショートや漏れ電流の増加によって引き起こされている。^[70]

タンタル電解コンデンサの極めて薄い酸化膜、つまり誘電体層は、アモルファス構造で形成されなければならない。アモルファス構造を結晶構造に変えることにより、酸化物の体積が拡大し、導電率が 1000 倍に増加すると報告されている。^[15]電界結晶化に続いて誘電破壊が起こると、低インピーダンス回路では、数ミリ秒以内に漏れ電流がナノアンペアからアンペアに急激に上昇する。電流が増加すると、「雪崩効果」で加速し、金属/酸化物に急速に広がる可能性がある。その結果、酸化物のかなり小さな焦げた部分から、ペレットの広い領域を覆うジグザグの焦げた縞、または金属の完全な酸化まで、さまざまな程度の破壊が生じる可能性がある。^[10]電流源が無制限の場合、電界結晶化によってコンデンサの短絡が発生する可能性がある。この状況では、利用可能な電流を制限するものが何もない場合、コンデンサの直列抵抗が非常に低くなる可能性があるため、故障は壊滅的になる可能性がある。

不純物、小さな機械的損傷、または誘電体の欠陥は構造に影響を及ぼし、非晶質から結晶構造に変化して誘電強度を低下させる可能性があります。タンタル粉末の純度は、結晶化のリスクを定義する最も重要なパラメータの 1 つです。1980 年代半ば以降、製造されたタンタル粉末の純度は向上しています。

はんだ付けによるストレス後のサージ電流は結晶化を開始し、絶縁破壊につながる可能性がある。^[71]壊滅的な故障を回避する唯一の方法は、故障を限られた領域に抑えるために、ソースから流れる電流を制限することである。結晶化した領域を流れる電流は、故障箇所近くの二酸化マンガンの陰極を加熱する。温度が上昇すると、化学反応により周囲の導電性二酸化マンガンが絶縁性のマンガン(III)酸化物(Mn ₂ O ₃ ) に還元され、タンタル酸化物層内の結晶化した酸化物が絶縁され、局所的な電流の流れが止まる。^{[10] [68]}

結晶化した固体タンタルコンデンサは、電源投入時に故障する可能性が最も高い。^[72]誘電体層にかかる電圧が破壊の引き金となり、電源投入時の電流が崩壊を壊滅的な故障に導くと考えられている。このような突然の故障を防ぐために、メーカーは以下のことを推奨している。^{[15] [68] [73]}

• 定格電圧に対して50%の印加電圧低減
• 3Ω/Vの直列抵抗を使用するか、
• 低速起動モードを備えた回路（ソフトスタート回路）の使用。

電解コンデンサの記号

小型または低電圧の電解コンデンサは、安全に並列接続できます。大型コンデンサ、特に大型で高電圧タイプのコンデンサは、故障したコンデンサによるバンク全体の突然の放電に対して個別に保護する必要があります。

三相グリッドの周波数制御用の DC リンクを備えたAC/AC コンバータなどの一部のアプリケーションでは、アルミ電解コンデンサが通常提供するよりも高い電圧が必要です。このようなアプリケーションでは、電解コンデンサを直列に接続して耐電圧能力を高めることができます。充電中、直列に接続された各コンデンサの電圧は、個々のコンデンサの漏れ電流の逆数に比例します。各コンデンサの漏れ電流は少しずつ異なるため、漏れ電流が大きいコンデンサの電圧は低くなります。直列に接続されたコンデンサの電圧バランスは対称的ではありません。各コンデンサの電圧を安定させるには、パッシブまたはアクティブの電圧バランスを提供する必要があります。^[74]

すべてのタンタルコンデンサは極性のある部品で、正極または負極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、その後正しい極性で動作させても故障の原因となります。^[75]故障が短絡（最も一般的な発生原因）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。この故障により、コンデンサが燃えているコアを強制的に排出することもあります。

固体電解質のタンタル電解コンデンサは、正極端子にバーまたは「+」のマークが付いています。非固体電解質 (アキシャルリード型) のタンタル電解コンデンサは、負極端子にバーまたは「-」(マイナス) のマークが付いています。極性は、正極端子があるケースの形状側でよりよく識別できます。異なるマーク スタイルは、危険な混乱を引き起こす可能性があります。

特に混乱を招く原因は、表面実装タンタルコンデンサでは正極端子にバーが付いていることです。一方、アルミニウム表面実装コンデンサでは負極端子にバーが付いています。

1970年代初頭のタンタルコンデンサでは、極性はドットで示されています。ドットがある側を正面にしたときに右側のリードがプラスリードです。プラスリードはわずかに長い場合もあります。^[76]さらに、PCBに「+」または「-」の記号が印刷されていない場合は、異なる形状のはんだポイントで極性がPCB上にマークされます。たとえば、正方形のはんだポイントはプラス極性に使用されます（特定のケースでは、接地、負または正の電圧ピンに対する接続を測定して検証する必要があります）。

タンタルコンデンサは、他のほとんどの電子部品と同様に、十分なスペースがあれば、製造元、タイプ、電気的特性、熱的特性、製造日を示す刻印があります。ただし、ほとんどのタンタルコンデンサはチップ型であるため、スペースが限られているため、刻印されている記号は静電容量、許容差、電圧、極性に限られます。

小型のコンデンサでは、省略表記が使用されます。最も一般的に使用される形式は、XYZ J/K/M "V" です。ここで、XYZ は静電容量 (XY × 10 ^Z pF として計算) を表し、文字 K または M は許容誤差 (それぞれ ±10% と ±20%) を示し、"V" は動作電圧を表します。

例:

• 105K 330V は、動作電圧が 330 V で静電容量が 10 × 10 ^{5 pF = 1 μF (K = ±10%) であることを意味します。}
• 476M 100Vは、動作電圧が100Vで静電容量が47 × 10 ^{6 pF = 47 μF（M = ±20%）であることを意味します。}

静電容量、許容差、製造日は、IEC/EN 60062 で規定されている短縮コードで表示できます。定格静電容量 (マイクロファラッド) の短縮表示の例: μ47 = 0.47 μF、4μ7 = 4.7 μF、47μ = 47 μF

製造日は国際基準に従って印刷されることが多いです。

• バージョン 1: 年/週の数字コードでコーディング、「1208」は「2012、週番号 8」です。
• バージョン 2: 年コード/月コードによるコーディング。年コードは次のとおりです: "R" = 2003、"S" = 2004、"T" = 2005、"U" = 2006、"V" = 2007、"W" = 2008、"X" = 2009、"A" = 2010、"B" = 2011、"C" = 2012、"D" = 2013、"E" = 2014 など。月コードは次のとおりです: "1" から "9" = 1 月から 9 月、"O" = 10 月、"N" = 11 月、"D" = 12 月。"X5" は "2009 年 5 月" です。

非常に小さいコンデンサの場合、マーキングは不可能であり、コンポーネントのパッケージまたは使用されているコンポーネントのアセンブリ製造元の記録のみを使用してコンポーネントを完全に識別できます。

電気・電子部品および関連技術の特性と試験方法の標準的な定義は、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）^[77]によって発行されており、^{[78] [79]}特定のアプリケーション特性については、EIAサイズ規格、IPCはんだ付け性規格など、他の業界団体の規格に準拠しています。米国MIL-STD仕様の品質と信頼性の規格と方法は、より高い信頼性が求められる部品や、より劣悪な動作環境が求められる部品に使用されます。

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/EN 60384-1: 電子機器用固定コンデンサ

電子機器に使用されるアルミニウムおよびタンタル電解コンデンサが標準タイプとして承認されるために満たすべきテストと要件は、次のセクション仕様に規定されています。

• IEC/EN 60384-3—二酸化マンガン固体電解質を備えた表面実装固定タンタル電解コンデンサ
• IEC/EN 60384-15—非固体および固体電解質を備えた固定タンタルコンデンサ
• IEC/EN 60384-24—導電性ポリマー固体電解質を備えた表面実装固定タンタル電解コンデンサ

タンタルコンデンサは、タンタル元素の主な用途です。タンタル鉱石は紛争鉱物の 1 つです。いくつかの非政府組織は、消費者向け電子機器と紛争鉱物の関係についての認識を高めるために協力しています。

2008年のタンタル電解コンデンサの市場規模は約22億米ドルで、コンデンサ市場全体の約12％を占めました。^[80]

タンタルコンデンサは漏れ電流が少なく容量が大きいため、サンプルホールド回路で長いホールド時間を実現したり、正確なタイミングが重要ではない長時間タイミング回路で使用したりするのに向いています。また、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサと並列に電源レールのデカップリングに使用することもよくあり、高周波で低ESRと低リアクタンスを実現します。外部環境や高密度のコンポーネントパッキングによって内部環境が高温のままになる場合や、高い信頼性が重要になる場合には、タンタルコンデンサをアルミ電解コンデンサの代わりに使用できます。医療用電子機器や宇宙機器など、高品質と信頼性が求められる機器では、タンタルコンデンサが使用されています。

低電圧タンタルコンデンサの特に一般的な用途は、小型で長期的な信頼性があるため、コンピュータのマザーボードや周辺機器の電源フィルタリングです。 ^{[81] [82]}

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