タンタルコンデンサ

電解コンデンサは、かつてバルブメタルと呼ばれた特殊な金属が持つ、絶縁性の酸化層を形成する化学的性質を利用しています。タンタル陽極材料を電解槽で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。この酸化層が電解コンデンサの誘電体として機能します。この酸化層の特性を、ニオブ電解コンデンサの酸化層の特性と比較したものが以下の表に示されています。

粗い陽極構造上に誘電体酸化膜を形成した後、陰極が必要になります。電解コンデンサの陰極は電解質です。使用されている電解質には様々な種類があります。一般的に、電解質は非固体電解質と固体電解質の2種類に分類されます。非固体電解質はイオン伝導性を持つ液体媒体です。印加電圧の極性が反転すると、酸化膜が破壊される可能性があります。

原理的には、すべての電解コンデンサは板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る。

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

電解コンデンサの誘電体層の厚さは非常に薄く、1ボルトあたりナノメートル単位である。にもかかわらず、これらの酸化膜層の絶縁耐力は非常に高い。そのため、タンタルコンデンサは他のタイプのコンデンサに比べて高い体積容量を実現できる。

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（定格電圧による）に増加します。^{[ 7 ]}

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。しかし、異なる酸化物材料の誘電率を比較すると、五酸化タンタルは酸化アルミニウムよりも約3倍高い誘電率を持つことがわかります。そのため、同じCV値であれば、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型化できます。

• 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作製
• 
  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る。
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  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
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  固体電解質を用いた典型的なSMDタンタル電解チップコンデンサの構造

一般的なタンタル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圧縮焼結されたタンタル粉末、誘電体として五酸化タンタルの酸化物層、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。

タンタルコンデンサは、比較的純度の高い元素タンタル金属の粉末から製造されます。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}粉末の体積効率を比較するための一般的な性能指標は、容量（C、通常はμF）×ボルト（V）/グラム（g）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）。^{[ 7 ]}典型的な粒子サイズは2～10μm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る粉末を示しています。粉末間の粒子サイズの大きな違いに注目してください。

粉末はタンタル線（ライザー線と呼ばれる）の周りに圧縮されて「ペレット」を形成する。^{[ 11 ]}ライザー線は最終的にコンデンサのアノード接続となる。このペレット/ワイヤの組み合わせはその後、高温（通常1200～1800℃）で真空焼結され 、機械的に強いペレットが生成され、粉末中の多くの不純物が除去される。焼結中、粉末はスポンジ状の構造になり、すべての粒子が相互に連結して一体の空間格子を形成する。この構造は予測可能な機械的強度と密度を持ち、非常に多孔質であるため、大きな内部表面積が生じる（図2参照）。

表面積が大きいほど静電容量が高くなるため、平均粒子径が小さい高CV /g粉末は、低電圧・高静電容量部品に使用されます。適切な粉末の種類と焼結温度を選択することで、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、220μF  6V のコンデンサは、表面積が約346cm²  、つまり紙¹ 枚（USレターサイズ、8.5×11インチの紙の面積は約413cm²  ）の⁸⁰ %になりますが、ペレットの総体積は約0.0016cm³ です^。

次に、陽極酸化の電気化学プロセスによって、タンタル粒子のすべての表面に誘電体が形成されます。これを実現するには、「ペレット」を非常に弱い酸溶液に浸し、直流電圧を印加します。誘電体の総厚は、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。最初は、適切な電圧（つまり誘電体の厚さ）に達するまで電源を定電流モードに保ち、その後、この電圧を維持し、電流をほぼゼロまで減衰させて、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記述する化学式は次のとおりです。^{[ 10 ]}

2 Ta → 2 Ta 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るだけでなく、内部にも成長します。酸化物の成長厚さ1単位あたり、3分の1が外側に、3分の2が内側に成長します。酸化物の成長には限界があるため、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は制限があります（図3参照）。

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。^{[ 12 ]}電解コンデンサは、信頼性の高い機能を確保するために、酸化膜の厚さに安全マージンを設けて製造されます。この安全マージンとは、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です。

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、より堅牢な誘電体を提供します。^{[ 13 ]}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「電界結晶化」によって裏付けられています。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} 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、安全マージンははるかに低く、通常 2 程度です。^{[ 17 ] [ 19 ]}

固体タンタルコンデンサの次の段階は、陰極板の塗布です（湿式タンタルコンデンサは、ケースと併用し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実現されます。「ペレット」を硝酸塩の水溶液に浸し、その後、約250 ℃のオーブンで焼いて二酸化マンガン層を生成します。化学式は次のとおりです。^{[ 10 ]} 

Mn( _{NO₃ )} ₂ _→ MnO₂ ₊ 2NO₂

図4に示すように、硝酸塩溶液の比重を変化させながらこのプロセスを数回繰り返すことで、「ペレット」の内部および外部のすべての表面に厚い被膜を形成する。

従来の構造では、「ペレット」をグラファイトに浸し、次に銀に浸す^{[ 20 ]}ことで、二酸化マンガン陰極板から外部陰極終端への良好な接続を実現します（図5参照）。

下の図は、焼結陽極と固体二酸化マンガン電解質を用いたタンタル電解チップコンデンサの製造工程を示しています。

タンタル電解コンデンサは3つの異なるスタイルで製造されています。^{[ 10 ]}

• タンタルチップコンデンサ：表面実装型（SMD）で、タンタルコンデンサ全体の80%がSMDタイプです。
• タンタル製「パール」、樹脂浸漬、シングルエンドタイプ、PCB実装用
• 軸方向リード型タンタルコンデンサは、固体電解質と非固体電解質の両方を使用し、主に軍事、医療、宇宙用途で使用される。

• タンタルコンデンサのさまざまな種類
• 
  タンタルチップコンデンサ
• 
  Tantalum "pearls" for PCB mounting
• 
  Axial tantalum capacitors

More than 90% of all tantalum electrolytic capacitors are manufactured in SMD style as tantalum chip capacitors. It has contact surfaces on the end faces of the case and is manufactured in different sizes, typically following the EIA-535-BAAC standard. The different sizes can also be identified by case code letters. For some case sizes (A to E), which have been manufactured for many decades, the dimensions and case coding over all manufactures are still largely the same. However, new developments in tantalum electrolytic capacitors such as the multi-anode technique to reduce the ESR or the "face down" technique to reduce the inductance have led to a much wider range of chip sizes and their case codes. These departures from EIA standards mean devices from different manufacturers are no longer always uniform.

An overview of the dimensions of conventional tantalum rectangular chip capacitors and their coding is shown in the following table:^[21]

• Note: EIA 3528 metric is also known as EIA 1411 imperial (inches).

The main feature of modern non-solid (wet) tantalum electrolytic capacitors is their energy density compared with that of solid tantalum and wet aluminum electrolytic capacitors within the same temperature range. Due to their self-healing properties (the non-solid electrolyte can deliver oxygen to form new oxide layer in weak areas of the dielectric), the dielectric thickness can be formed with much lower safety margins and consequently with much thinner dielectric than for solid types, resulting in a higher CV value per volume unit. Additionally, wet tantalum capacitors are able to operate at voltages in excess of 100 V up to 630 V, have a relatively low ESR, and have the lowest leakage current of all electrolytic capacitors.

1930年代に開発されたオリジナルの湿式タンタルコンデンサは、タンタル陽極と箔陰極を電解液に浸した紙片で隔てた巻線セルからなる軸型コンデンサで、銀ケースに取り付けられ、非密閉エラストマーで密封されていた。^{[ 22 ]}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でき、比較的低いESRを実現できた。

従来、銀製のケースは銀の移動やウィスカーの発生といった問題があり、漏洩電流の増加や短絡を引き起こしていたため、新しいタイプの湿式タンタルコンデンサは、焼結タンタルペレットセルとゲル状硫酸電解液を純タンタルケースに組み込んだ構造を採用している。

タンタル電解液式湿式コンデンサは価格が比較的高いため、一般消費者向け用途は限られています。石油探査用プローブなど、過酷な環境下での使用が求められる産業用途で用いられています。軍事規格に適合したタイプは、航空電子機器、軍事、宇宙用途に必要な高い品質レベルに加え、拡張された静電容量と電圧定格を提供できます。

タンタル電解コンデンサは、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。すべての特性は、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。

• Cはコンデンサの静電容量です。
• R_リークは、コンデンサの漏れ電流を表す抵抗値である。
• R _ESRは、コンデンサのすべてのオーム損失をまとめた等価直列抵抗であり、通常は「ESR」と略されます。
• L _{ESL は}等価直列インダクタンスであり、コンデンサの実効自己インダクタンスで、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で規定されています。

タンタル電解コンデンサの電気的特性は、陽極の構造と使用される電解液によって決まります。これはタンタルコンデンサの静電容量値に影響を与え、静電容量値は動作周波数と温度によって変化します。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記載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、コンデンサが設計された値です。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。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タイプ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、逆電圧を避けるために、定格電圧が 2.5 V 以下のタイプでは 1.1 ～ 1.5 V 、定格電圧が 2.5 V を超えるタイプでは2.1 ～ 2.5 V の直流バイアス電圧を測定中に印加することがあります。     

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。電解コンデンサは、さまざまな許容差シリーズに分類されており、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。

• 定格容量、E3シリーズ、許容誤差±20%、文字コード「M」
• 定格容量、E6シリーズ、許容誤差±20%、文字コード「M」
• 定格容量、E12シリーズ、許容誤差±10%、文字コード「K」

必要な静電容量許容誤差は、用途によって異なります。フィルタリングやバイパスコンデンサとしてよく使用される電解コンデンサは、発振器のような高精度な周波数制御用途にはほとんど使用されないため、厳しい許容誤差は必要ありません。

IEC/EN 60384-1規格によれば、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。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、右図に示されています。

印加電圧を低くすると、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向上し、予想される故障率が低下します。^{[ 42 ]}

規定電圧よりも高い電圧を印加すると、タンタル電解コンデンサーが破損す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間、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、最も近いボルトに丸められます。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用い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加わると、一部のタンタルコンデンサが故障し、直接短絡につながる可能性があります。^{[ 43 ] [ 45 ]}

タンタル電解液は分極しており、一般的に陽極電圧は陰極電圧に対して正である必要があります。

逆電圧を印加すると、誘電体層を横切って電解コンデンサの陽極へ、微小亀裂などのごく小さな欠陥領域から逆方向の漏れ電流が流れます。この電流はわずか数マイクロアンペアですが、局所的に非常に高い電流密度となり、微小なホットスポットが発生する可能性があります。これにより、非晶質五酸化タンタルの一部が、より導電性の高い結晶質に変化することがあります。高電流が流れると、この現象が連鎖的に発生し、コンデンサが完全に短絡状態になる恐れがあります。

しかしながら、タンタル電解コンデンサは、限られた回数の逆電圧に短時間耐えることができます。タンタルコンデンサの逆電圧に関する最も一般的なガイドラインは以下のとおりです。

• 定格電圧の10%から最大1Vまで（ 25 ℃ 時）、 
• 定格電圧の3%から最大0.5V（ 85  ℃時）まで、
• 定格電圧の1%から最大0.1Vまで（ 125 ℃ 時）。 

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

タンタル電解コンデンサをはじめとする一般的なコンデンサには、2つの電気的機能があります。タイマーなどの用途では、コンデンサは電気エネルギーを蓄積する蓄電部品として機能します。しかし、電源などの平滑化、バイパス、またはデカップリング用途では、コンデンサはAC抵抗としても機能し、電圧レールから不要なAC成分を除去します。この（バイアスのかかった）AC機能においては、周波数に依存するAC抵抗（インピーダンス「Z」）が静電容量の値と同様に重要になります。

インピーダンスとは、交流回路において特定の周波数における電圧と電流の比（振幅と位相の両方を含む）の複素比のことである。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用いることができる。

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

インピーダンスは周波数に依存する交流抵抗であり、特定の周波数において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、「Z」とだけ表記されます。IEC/EN 60384-1規格によれば、タンタル電解コンデンサのインピーダンス値は、コンデンサの容量と電圧に応じて、 10kHzまたは100kHzで測定され、規定されます。 

インピーダンスは測定だけでなく、コンデンサの直列等価回路の理想化された構成要素（理想コンデンサC、抵抗ESR、インダクタンスESLなど）を用いて計算することもできます。この場合、角周波数ωにおけるインピーダンスは、 ESRと容量性リアクタンスX _Cの幾何級数（複素数）加算によって与えられます。

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

そして誘導リアクタンスX _L (インダクタンス)によって

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

するとZは次のように与えられる。

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

共振という特殊なケースでは、リアクタンスX _CとX _Lが両方とも同じ値（X _C = X _L ）となるため、インピーダンスはESRのみによって決まります。共振周波数を超えると、コンデンサのESLによって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振る舞い始めます。

• 周波数と温度の関数としての典型的なインピーダンス曲線と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
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  異なる電解コンデンサの種類における周波数に対する典型的なインピーダンスおよびESR曲線とMLCCとの比較

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、電極の線路抵抗、電解質抵抗、および誘電体酸化物層の誘電損失です。^{[ 48 ]}

ESRは平滑化処理後に残る重畳交流リップルに影響を与え、回路の機能にも影響を及ぼす可能性があります。コンデンサに関して言えば、ESRはリップル電流がコンデンサを流れる際に内部発熱の原因となります。この内部発熱はタンタル電解コンデンサの信頼性に影響を与える可能性があります。

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 ]}

電解コンデンサに関する議論では、歴史的に、関連データシートにおいてESRの代わりに損失係数tan δが用いられることがありました。_{損失係数は、誘導リアクタンスXL}から容量リアクタンスXCを_差し引いた値とESRとの間の位相角の正接によって決定されます。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、周波数決定回路や共振回路において損失が非常に少ないコンデンサに使用され、損失係数の逆数は品質係数( 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、直流電流に重畳された任意の周波数の交流電流の実効値のことです。これは主に電源装置（スイッチング電源を含む）において交流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部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の二乗値です。

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

この内部で発生する熱は、周囲温度や場合によっては他の外部熱源に加えて、コンデンサ本体の温度を周囲温度に対してΔTの温度差を生じさせます。この熱は、コンデンサの表面積Aと周囲への熱抵抗β_を介して、熱損失Pthとして分配されなければなりません。

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

内部で発生した熱は、熱放射、対流、熱伝導によって周囲環境に放出されなければならない。コンデンサの温度は、発生熱と放出熱のバランスによって決まり、コンデンサに規定された最高温度を超えてはならない。

リップル電流は、100 Hz または 120  Hz または 10 kHz における実効値 (RMS) として、上位カテゴリの温度で規定されます。非正弦波リップル電流は、フーリエ解析 によってその構成正弦波周波数に分析および分離し、等価リップル電流は個々の電流の二乗和の平方根として計算する必要があります。^{[ 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 ]}制限を超えると、短絡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、サージ電流、ピーク電流、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 ]}サージ電流、ピーク電流、またはパルス電流にさらされるタンタルコンデンサは、高誘導性回路では最大70%の電圧ディレーティングで使用する必要があります。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、コンデンサにかかるピーク電流が低減されます。

直流漏れ電流は、他の従来のコンデンサにはない電解コンデンサ特有の特性です。この電流は、電解コンデンサの直列等価回路において、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漏れ電流の主な原因は、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経路、過剰な二酸化マンガンによる誘電体のバイパス、水分経路または陰極導体 (炭素、銀) によるものです。^{[ 54 ]}固体電解質コンデンサのこの漏れ電流は、通常の条件下では固体電解質が形成プロセスに必要な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。

データシートにおける漏洩電流の仕様は、多くの場合、定格静電容量値C _R と定格電圧値U _Rの乗算値に、2 分または 5 分の測定時間後に測定された付加値を加えた値で示されます。例:

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

漏洩電流の値は、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る湿気の影響によって異なります。通常、漏洩電流は非常に低く、ほとんどの場合、規定の最悪値よりもはるかに低い値となります。

誘電吸収とは、長時間充電されたコンデンサが短時間放電された際に、電荷をいくらか保持する現象です。理想的なコンデンサは放電後にゼロボルトになりますが、実際のコンデンサは時間遅延を伴う双極子放電によってわずかな電圧が発生します。この現象は誘電緩和、ソーク、またはバッテリー作用とも呼ばれます。

誘電体吸収は、長時定数積分器やサンプル保持回路など、非常に小さな電流が使用される回路で問題を引き起こす可能性があります。^{[ 57 ] [ 58 ]}しかし、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、誘電体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その機能をどれだけうまく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、定性的にも定量的にも記述できますが、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、製造時に実施される耐久試験における故障率を特定することによって経験的に決定されます（信頼性工学#信頼性試験を参照）。

信頼性は通常、バスタブ曲線で示され、初期故障（初期死亡故障）、定常的なランダム故障、および摩耗故障の3つの領域に分けられます。総故障率に含まれる故障の種類は、短絡、断線、および劣化故障（電気的パラメータの超過）です。

信頼性予測は一般的に故障率λ、略してFIT（failures in time）で表されます。これは、一定のランダム故障の期間中に固定された動作条件下で10億（10⁹ ^）コンポーネント時間の動作中に予想される故障の数です（たとえば、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）。これらの故障率モデルは暗黙のうちに「ランダム故障」という考え方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タイミングで故障しますが、予測可能な速度で故障します。故障率FITの標準動作条件は40  °Cと0.5  U _Rです。

FITの逆数は、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  ℃、定格電圧UR_を基準条件として規定され、1000時間あたりの故障部品の割合（n  %/1000時間）で表されます。これは、 ^10⁵ 時間あたり「n」個の故障部品、またはFIT規格では^10⁹時間あたり1万倍の値を意味します。

標準動作条件である 40  °C および 0.5  U _{R以外の条件、その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}^{[ 59 ]}または軍事^{[ 60 ]}のコンテキストで標準化された加速係数を使用して FIT 値を再計算できます。たとえば、温度と印加電圧が高いと、故障率が増加します。

故障率の再計算で最もよく引用される資料は、電子部品の故障率計算の「バイブル」であるMIL-HDBK-217Fです。SQC Onlineは、受け入れサンプリングと品質管理のためのオンライン統計計算ツールで、アプリケーション条件に基づいて与えられた故障率の値を計算するための簡単なオンラインツールを提供しています。^{[ 61 ]}

タンタルコンデンサー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、以前はフィールド結晶化の故障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。現在市販されているタンタルコンデンサは、標準製品として、85  °C および U _Rで 0.01%/1000 h、つまり 85 °C および U _{Rで 10} ⁷時間あたり 1 つの故障という、高い MIL 規格の「C」レベルに達しています。^{[ 16 ]} 40 °C および 0.5 U _Rの MIL HDKB 217F からの加速係数を使用して FIT で再計算すると、 0.1 Ω の直列抵抗で使用される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、または有効寿命は、使用される電解液に完全に依存します。

• 液体電解質を使用する製品には、寿命に関する規定はありません。（密閉状態の場合）
• 二酸化マンガン電解質を使用しているものには、寿命に関する規定はありません。
• 高分子電解質を使用しているものには、寿命に関する仕様がある。

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、導電率がわずかに低下します。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金属型構造と一致します。^{[ 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用語で規定されますが、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。^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}

タンタルコンデンサは、使用する電解液によって長期的な電気的特性が異なります。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、適用規則が定められています。

タンタルコンデンサは、他の電子部品と同様に非常に高い信頼性を持ち、故障率も非常に低い。しかし、タンタルコンデンサには「電界結晶化」と呼ばれる特有の故障モードが1つ存在する。^{[ 14 ]}電界結晶化は、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。^{[ 18 ]}現在、タンタル固体電解コンデンサでまれに発生する故障の90%以上は、この故障モードによる短絡や漏洩電流の増加が原因である。^{[ 70 ]}

タンタル電解コンデンサの極めて薄い酸化膜、すなわち誘電体層は、非晶質構造で形成されなければならない。非晶質構造を結晶構造に変化させると、導電率が1000倍に増加し、同時に酸化膜の体積も増大することが報告されている。^{[ 16 ]}電界結晶化に続いて発生する誘電破壊は、低インピーダンス回路において、数ミリ秒以内に漏れ電流がナノアンペアからアンペアまで急激に上昇することを特徴とする。電流の流れが増加すると、「雪崩効果」で加速し、金属/酸化膜全体に急速に広がる可能性がある。これにより、酸化膜上の比較的小さな焼けた領域から、ペレットの広い領域を覆うジグザグの焼けた筋、あるい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。^{[ 11 ]}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。このような状況では、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ため、故障は壊滅的なものになる可能性がある。

不純物、微細な機械的損傷、または誘電体の欠陥は構造に影響を与え、非晶質構造から結晶構造へと変化させ、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、結晶化リスクを決定する上で最も重要なパラメータの1つです。1980年代半ば以降、製造されるタンタル粉末の純度は向上傾向にあります。

はんだ付けによる応力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ります。^{[ 71 ]}壊滅的な故障を回避する唯一の方法は、電源から流れる電流を制限して、破壊を限られた領域に抑えることです。結晶化した領域を流れる電流は、故障付近の二酸化マンガン陰極を加熱します。温度が上昇すると、化学反応によって周囲の導電性二酸化マンガンが絶縁性の酸化マンガン(III) (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停止します。^{[ 11 ] [ 68 ]}

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、並列接続しても安全です。大型のコンデンサ、特に大型で高電圧のタイプは、コンデンサの故障によるバンク全体の急放電を防ぐため、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、アルミニウム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、耐電圧能力を高めるために電解コンデンサを直列に接続することができます。充電中、直列接続された各コンデンサの両端の電圧は、個々のコンデンサの漏れ電流の逆数に比例します。各コンデンサの個々の漏れ電流はわずかに異なるため、漏れ電流が大きいコンデンサほど電圧が低くなります。直列接続されたコンデンサの両端の電圧バランスは対称ではありません。各コンデンサの両端の電圧を安定させるために、受動的または能動的な電圧バランスを提供する必要があります。^{[ 74 ]}

タンタルコンデンサはすべて極性のある部品で、正極と負極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、その後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。^{[ 75 ]}故障が短絡（最も一般的なケース）で、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勢いよく排出することさえあります。

固体電解質を使用した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。非固体電解質を使用したタンタル電解コンデンサ（軸方向リード型）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成形面を見ればより分かりやすいでしょう。これらの異なるマーク表示は、危険な混乱を招く可能性があります。

特に混乱を招く原因の一つは、表面実装型タンタルコンデンサでは正極端子にバーマークが付いているのに対し、表面実装型アルミコンデンサでは負極端子にバーマークが付いている点である。

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。ドットのある面を正面に見たとき、正極リードは右側のリードです。正極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付けポイントで極性がマークされます。たとえば、正極性には四角形のはんだ付けポイントが使用されます（特定のケースでは、接地、負または正の電圧ピンとの接続を測定して確認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、種類、電気的特性、熱的特性、製造年月日を示す刻印が施されています。しかし、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おり、刻印できる情報は静電容量、許容誤差、電圧、極性に限られます。

小型コンデンサでは、略記法が用いられます。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 で計算）を表し、文字 K または M は許容誤差（それぞれ ±10% および ±20%）を示し、「V」は動作電圧を表します。

例：

• 105K 330Vは、動作電圧330Vで10 × ^10⁵ pF = 1 μF (K = ±10%)の静電容量を意味します。
• 476M 100Vは、動作電圧100Vで47×10⁶pF = 47μF（M = ±20%）^の静電容量を意味します。

静電容量、許容差、製造日は、IEC/EN 60062で規定された略語で示すことができます。定格静電容量（マイクロファラッド）の略語の例：μ47 = 0.47 μF、4μ7 = 4.7 μF、47μ = 47 μF

製造年月日は、国際規格に準拠して印刷されることが多い。

• バージョン1：年/週の数字コードによるコーディング。「1208」は「2012年、第8週」を意味します。
• 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。

非常に小型のコンデンサの場合、マーキングは不可能であり、部品を完全に識別するには、部品のパッケージまたは組立メーカーが作成した使用部品の記録のみを利用できます。

電気・電子部品および関連技術の特性と試験方法の標準定義は、非営利・非政府の国際標準化団体である国際電気標準会議（IEC）^{[ 77 ]によって発行されています[ 78 ] [ 79 ]} 。IECは、特定の用途特性については、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。より高い信頼性や過酷な動作環境が要求される部品には、米国MIL-STD規格の品質および信頼性規格と方法が使用されます。

電子機器用コンデンサの特性の定義および試験方法の手順は、一般仕様書に規定されている。

• 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試験および要件は、以下のセクション仕様に規定されています。

• IEC/EN 60384-3—マンガン二酸化物固体電解質を用いた表面実装型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用いた固定タンタルコンデンサ
• IEC/EN 60384-24—導電性高分子固体電解質を用いた表面実装型固定タンタル電解コンデンサ

タンタルは、主にコンデンサに使用されています。タンタル鉱石は紛争鉱物の一つです。いくつかの非政府組織は、家電製品と紛争鉱物の関係性について啓発活動を行っています。

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%を占めていた。^{[ 80 ]}

タンタルコンデンサは、漏洩電流が少なく容量が大きいため、長時間保持を実現するサンプルホールド回路や、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の使用に適しています。また、低ESRと高周波での低リアクタンスを実現するフィルムコンデンサやセラミックコンデンサと並列接続して、電源レールのデカップリングにもよく使用されます。外部環境や部品の密集配置によって内部環境が高温になり、高い信頼性が求められる状況では、タンタルコンデンサはアルミ電解コンデンサの代替として使用できます。医療用電子機器や宇宙機器など、高い品質と信頼性が求められる機器には、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、小型で長期信頼性が高いことから、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ある。 ^{[ 81 ] [ 82 ]}