钽电容器是体积小、电容大、性能优良的产品。它们最初是由美国的贝尔实验室于1956年开发的。它们形状多样，制成适合表面贴装的小型和芯片元件，不仅用于军事通信、航空航天等领域，还用于工业控制、影视设备、通信仪器等产品。
一 引言
钽电容器的全称是钽电解电容器，也是电解电容器的一种。金属钽用作电介质。与使用电解质的普通电解电容器不同，钽电容器不需要使用铝涂层电容器纸进行烧制。 这里的T在钽电容器中几乎没有电感，这也限制了它的容量。此外，由于其中没有电解质，因此适合在高温下工作。
钽电容器的特点是寿命长、耐高温、精度高、高频 滤波和变波性能优异。在工作过程中，它们可以 自动重新替换或隔离氧化膜中的缺陷，以便氧化膜介质可以随时加强并恢复到其适当的绝缘能力，而不会受到连续的累积损坏。这种独特的自愈性能保证了其长寿命和可靠性的优势。此外，它们具有比某些类型的电容器更大的非常高的工作电场强度 ，从而确保其小型化。
二、性能
钽电容器具有优异的性能。它们体积小，电容大，使用非常方便，在电源滤波，交流旁路和其他应用中几乎没有竞争对手。
此外，它们还具有存储电力、充电和放电的能力，主要用于滤波、储能和转换、旁路标记、耦合和去耦以及时间常数组件。在应用中，注意 钽电容器的工作环境和加热温度等性能特征，并采取降额等措施。正确使用有助于充分发挥其功能。而我正确使用会影响产品的工作寿命。
图2.RC 时间常数计算器
如果通过R值的电阻向值C的电容器施加电压，则电容器两端的电压缓慢上升。时间常数定义为充电至最终电压值的63.21%所需的时间。
固态钽电容器具有优异的电气性能、宽工作温度范围、多种形式和出色的体积效率。
钽电容器还具有独特的特性。钽电容器的工作介质 是在钽金属表面形成的非常薄的五氧化二钽膜。这层氧化膜电介质不能独立存在，它应该与电容器的一端集成在一起。因此，它在单位体积内的电容特别大，表明比容量非常高，特别适合小型化。
III 钽电容器：极性和反极性
1. 如何识别钽电容器的极性
电容器体的标记（一条水平线）端是正极，另一端是负极。引线钽电容器的长引线为正端，短引线为负极。在片式钽电容器上，正极由深色条带或斜边标识。当然，您可能用纯文本描述看不懂，因此收集以下图片供您区分钽电容器的正负极。
图3.钽电容器的极性
2. 反极性引起的问题
根据其极性，电容器可分为两种：非极性电容器和极化电容器。非极性电容器通常用于存储电荷，主要用于耦合和频率选择等电路。极化电容器通常用于存储和释放电荷，需要根据实际情况进行选择。
在极化钽电容器的安装过程中，我们需要注意区分它们的正极和负极。误接线会导致钽电容器瞬间失效。在脉冲电路中，两个钽电容器的正极或负极相互连接
固体钽电容器具有极性。如果两极反转，将导致永久性失效。如果错误地将反向电压施加到高阻抗电路上，即使没有短路，电容器也可能造成损坏。为保护电路免受过压和反向电压的影响，请注意测试仪的端杆不能接触电容器。
当电路中不可避免地使用反向电压时，它必须是额定电压的10%或85°时的1V，以及额定电压的5%或85°时的0.5 V。建议使用较小的值。如果反向电压超过240小时，则应在电路中添加最小电阻为33R或更大的电阻。
钽电容器正负极的反向连接不仅会导致故障，而且会给需求量大的客户或企业带来不必要的费用和损失。因此，准确识别正极和负极至关重要。
IV 钽电容器应用中的注意事项
由于钽电容器有爆炸的危险，因此我们在使用它们时必须特别注意。
1.钽电容器是具有极性的电解电容器（带符号“+”的端子为正极）。不要将极性反接，否则会增加漏电或可能导致短路、冒烟甚至爆炸。
2.不能应用的电路如下：高阻抗电压保持电路;耦合电路;时间常数电路;有漏电流效应的电路;串联增加耐压的电路。
图6.用于说明RL时间常数的电路
3.请勿在额定电压以上使用，否则可能会导致短路。
4.限制快速充电或放电。建议在充放电电路中增加限流电阻，使脉冲电流小于20A。
5.在设计过程中，为电容器的容量，耐压和阻抗留出一定的余量，以使程序更加安全可靠。
6.确保使用的温度范围在电容器的工作温度范围内。电源电流不超过允许的纹波电流，否则电容器内部的热量会增加并降低使用寿命。
7.电容器施加的电压建议为额定电压的90%。如果额定电压大于10V，则施加额定电压的80%;如果直流电压加上交流电压，则峰值电压不能超过额定电压;如果直流电压加上负峰值交流电压，则不允许出现负电压。
V 钽电容器设计的改进
制造商提供广泛的钽电容器产品，这些产品针对特定特性进行了优化，并针对不同的应用和细分市场。这些不同的产品系列提供优化，包括更低的 ESR（等效串联电阻）、更小的尺寸、更高的可靠性（用于军事、汽车和医疗应用）、更小的直流漏电流、更低的 ESL（等效串联电感）和更高的工作温度。以下重点介绍其中两个方面：更低的 ESR 和更小的尺寸。
1. 低ESR钽电容器
降低ESR一直是钽电容器设计的重要研究领域之一。钽粉的选择和生产过程中用于涂覆阴极材料的工艺对ESR有重大影响。然而，对于给定的额定值（电容、电压、尺寸），这些因素主要是设计约束，在当今最先进的器件上基本得到解决。降低ESR的两个最重要的因素是用导电聚合物代替MnO2作为正极材料，以及引线框架材料从铁镍合金变为铜（Cu）。
图7.ESR测量的简单模型
（1） 二氧化锰正极材料
传统钽电容器的ESR主要来源于正极材料MnO2。如图8所示，MnO2的电导率约为0.1S/cm。相比之下，导电聚合物（如聚3，4-乙烯二氧噻吩）的电导率在100S/cm的范围内。电导率的这种增加直接导致ESR的显着降低。
图8.不同材料的电导率
在图9中，不同额定值下的ESR频率曲线显示了使用聚合物阴极系统制造钽电容器的优势。通过直接比较MnO2中A外壳的ESR频率曲线和额定值为6.3 V / 47 μF的聚合物设计，可以看出聚合物设计在100 kHz时将ESR降低了一个数量级。
图9.不同额定值下的ESR频率曲线
（2） 铜引线框架材料
当我们使用导电性较多材料的引线框架材料时，ESR可以得到改善。如图10中的电容横截面所示，引线框架提供内部电容元件和封装外部的电气连接。
图 10.电容器横截面
铁镍合金（如合金42）一直是引线框架材料的传统选择。这些合金的优点包括低热膨胀系数 （CTE）， 低成本， 和易于制造。铜引线框架材料加工的改进使其能够用于钽电容器设计。由于电导率是合金42的100倍，因此铜的使用对ESR有重大影响。例如，Vishay 的 100μF / 6.3V T55 聚合物钽电容器带有外壳 （EIA 3216） 和传统引线框架，在 100kHz、25° C 时可提供 70mΩ 的最大 ESR。但是，通过将传统的引线框架改为铜引线框架，可以将最大ESR降低到40mΩ。
2. 紧凑型钽电容器
提高钽电容器设计的体积效率（电容密度）的两个主要因素是钽粉的发展和封装的改进。
（1）钽粉的开发
电容器设计中使用的钽粉的品质因数为：（电容电压）/质量，简称CV/g。大规模生产中使用的钽粉的演变如图11所示。CV / g的这些增加与更小的粒径和更高的粉末纯度有关。在电容器设计中使用这些材料是一项复杂的任务，需要大量的研发投资。
图 11.开发用于批量生产的钽粉
（2） 包装的改进
减小钽电容器尺寸的另一个重要因素是超高效封装技术的发展。业界最常用的封装技术是引线框架设计。这种结构具有非常高的制造效率，可以降低成本并提高生产率。对于不受空间限制的应用，这些设备仍然是可行的解决方案。
然而，在许多主要设计标准是增加密度的电子系统中，减小元件尺寸的能力是一个重要的优势。在这方面，制造商在包装技术方面取得了一些进步。如图12所示，与标准引脚框架结构相比，无引脚框架设计可以提高体积效率。在我们减小外部连接所需的机械结构尺寸后，这些器件可以利用这一额外的可用空间来增加容量电池的尺寸，从而增加电容或电压。
图 12.不同包装技术的体积效率
在最新一代封装技术中，Vishay 获得专利的多阵列封装 （MAP） 结构通过在封装末端使用金属化层提供外部连接，进一步提高了体积效率。这种结构通过完全消除内部阳极连接，最大限度地提高了可用体积内电容元件的尺寸。图13进一步说明了容积效率的提高。可以清楚地看到，电容元件的体积增加了60%以上，这使得它们能够用于优化器件，以增加电容和电压，降低DCL，并提高可靠性。
图 13.Vishay 获得专利的多阵列封装结构
Vishay MAP架构的另一个好处是减少了ESL。MAP结构通过消除环路封装的机械引线框架，可以显著减小现有电流环路的尺寸。通过最小化电流环路，可以显著降低ESL。如图14所示，与标准引脚框架结构相比，这种减少幅度可高达30%。ESL的降低对应于自谐振频率的增加，这可以扩大电容器的工作频率范围。
图 14.Vishay MAP结构与标准引线框架结构相比的性能
钽电容器技术的进步导致了更低的 ESR、更低的 ESL 和更小的尺寸。导电聚合物阴极系统中使用的工艺和材料的成熟为我们带来了稳定和可重复的性能。封装技术的改进带来了更高的电容密度和更低的ESL。所有这些使得钽电容器不再局限于传统用途，而是用于更多的设计。
所有这些改进使设计工程师能够以低寄生效应和更高的封装密度显著提高电气性能。
六、钽电容器失效、爆炸、烧坏和损坏的原因
许多客户经常讨论钽电容爆炸的问题，钽电容器的燃烧或爆炸是研发技术人员最难解决的问题，特别是在开关电源、LED电源等行业。由于钽电容器失效模式的危险，许多研发技术人员不敢再使用它们了。
事实上，如果我们能充分了解钽电容器的特性并找出故障原因（以烧毁或爆炸的形式），钽电容器就没有那么可怕了。毕竟，钽电容器的好处是显而易见的。
钽电容器失效的原因可分为两类：钽电容器的质量和电路设计问题。这次我们将分析电路设计问题。
电路设计和产品选择要求钽电容器的性能和参数满足电路信号的特性。但是，我们通常不能保证上述两项任务都做好。因此，在使用过程中难免会出现故障问题，简单总结如下：
1. 低阻抗电路中的过电压
只有两种类型的电路使用钽电容器：由电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路。
对于带电阻的电路，由于电阻会降低电压并抑制大电流，因此工作电压可以达到钽电容器额定电压的60%。
有两种类型的电路没有电阻器进行保护：
（1）前电平输入经过整流滤波，输出稳定的充放电电路。在这种类型的电路中，电容器用作放电电源。由于输入参数稳定，没有浪涌，即使是低阻抗电路，电压仍然可以达到额定电压的50%，可以保证相当的可靠性。
图 15.充放电电路原理图
（2）电子机器的电源。电容器在此类电路中并联使用。除了要对输入信号进行滤波外，放电还要求在一定的频率和功率下。由于是电源电路，因此此类电路的环路阻抗非常低，以确保电源的输出功率密度足够。
图 16.电源电路中的两个电容器并联
在这种类型的开关电源电路（也称为DC-DC电路）中，在上电和断电的每个瞬间，电路中都会产生持续时间小于1微秒的高强度尖峰脉冲。脉冲电压值至少可以达到稳定输入值的三倍，电流可以达到稳态值的十倍以上。由于持续时间极短，单位时间的能量密度非常高。如果电容器的工作电压过高，此时实际施加到产品的脉冲电压将远远超过产品的额定值，电容器将被击穿。
因此，此类电路中使用的钽电解电容器的允许工作电压不能超过额定值的1/3。如果不考虑电路阻抗的类型，将电压降低50%，一旦通电，电路阻抗最低的DC-DC电路就可能发生短路或爆炸。要找出此类电路中使用的电容器应该减去多少，必须考虑电路阻抗的大小和输入输出功率的大小以及电路中的交流纹波，因为电路阻抗可以决定开关瞬时浪涌的大小。内阻越低，电路的降额值就越大。降额的幅度不能一概而论，而应通过精确的可靠性计算来确定。
2. 电路峰值输出电流大
钽电容器在工作期间可以安全承受的最大直流电流冲击I与产品的等效串联电阻ESR和额定电压UR具有以下数学关系：
I = UR / 1 + ESR。
如果在峰值输出电流较大的电路中使用低容量钽电容器，则可能会因电流过载而烧毁本产品。
图 17.设备打开时的稳态、浪涌和峰值电流
3. 电路中的高ESR和交流纹波
在交流纹波过高的滤波电路中使用ESR过高的钽电容器时，即使使用的电压远低于降额范围，有时在通电的那一刻仍然会发生突然击穿。造成这种问题的主要原因是电容器的ESR和电路中的交流纹波严重不匹配。电容器是交流纹波通过时会发热的极性元件，不同外壳尺寸的产品可以保持不同允许的热平衡发热。由于不同容量产品的ESR值差异很大，因此不同规格的钽电容器可以安全承受的交流纹波值也有很大差异。因此，如果电路中的交流纹波超过电容器可以安全承受的交流纹波值，则会导致热击穿。同样，如果电路中的交流纹波是恒定的，并且所选钽电容器的实际ESR值过高，也会出现同样的现象。
一般来说，在滤波和大功率充放电电路中，必须使用ESR值尽可能低的钽电容器。对于电路中高交流纹波引起的电路故障，许多电路设计人员忽略了它的危害性或对它没有足够的了解，他们中的许多人只是简单地确定电容器的质量存在问题。
4.漏电流大导致实际耐压不足
出现此问题通常是因为钽电容器的实际耐压不够。当长时间对电容器施加一定的场强时，如果介电层的绝缘电阻较低，此时产品的实际漏电流会很大。对于电流较大的产品，实际耐压会降低。
图 18.电路中漏电流的流动
造成这个问题的另一个原因是钽电容器的漏电流标准过于宽松，这导致一些不具备钽电解电容器生产能力的公司生产劣质钽电容器。如果产品在室温下的漏电流过大，其漏电流在较高温度下会呈指数级增加，因此高温下的实际耐压会大大降低。当温度高时，很容易发生击穿。
高温下漏电流的微小变化是所有电容器制造商最重要的目标之一。因此，该指标对可靠性具有决定性影响。
如果您选择使用的钽电容器的漏电流太大，它实际上是废物，因此不可避免地会出现问题。
5. 生产工艺因素
许多用户往往只关注钽电容器性能的选择和设计，而忽略了片状钽电容器安装和使用时容易出现的问题，例如：
（1）采用自动安装代替手工焊接。不预热产品，使用温度高于300度的电烙铁长时间加热电容器，导致电容器的性能受到过度温度冲击的影响而击穿。
（2）如果预热台未加热手工焊接，则在发生冷焊和虚拟焊接时用烙铁反复加热产品。
（3）烙铁头温度达到500度。这样可以快速焊接，但很容易导致芯片组件的故障。
片式钽电容在实际使用中的可靠性实际上可以通过计算得到，而我们的许多用户在使用过程中设计裕量不足，鲁棒性很差。虽然这些钽电容器通过了小批量实验，但在批量生产过程中会出现一致性和质量问题。此时，问题的原因往往归咎于电容器制造商，而忽略了设计可靠性。
对于许多用户来说，MTBF（平均故障间隔时间）仍然是一个奇怪的概念。他们对可靠性工程没有深入的了解，过于注重实验而忽略了数学计算。结果，子电路设计的可靠性低于整机的可靠性。因此，在大规模生产中不断出现问题。事实上，使用钽电容器时容易导致故障的原因和现象很多，无法一一讨论。如果在使用过程中出现新的问题，您可以及时与我们沟通。
审核编辑：陈陈