タンタルコンデンサ

デバイスの構造と特徴

タンタルコンデンサは、主に、比較的安定したパラメータを備えたコンパクトで耐久性のあるデバイスが必要とされ、静電容量と電圧定格がそう大きくなくても十分な場合に使用される電解デバイスです。従来、タンタルはアルミ電解に比べて、体積あたりの容量、温度に対するパラメータ安定性、寿命の点で優れており、一般にタンタルは長期間の放電状態保管によるドライアップや誘電体劣化の問題がありません。しかし、タンタルは一般に高価で、使用できる容量や電圧の範囲が狭く、希少な材料で作られているため供給不足になりやすく、また、いくつかのサブタイプは大きな発熱により不具合となる傾向があるため、設計に特別な注意を要する場合があります。
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下図は、執筆時点でDigi-Keyで販売されているさまざまな種類のタンタルコンデンサの電圧と電流の定格の組み合わせを示したものです。タンタルコンデンサの陽極は、いずれのタイプも同様の構造をしています;高純度の金属タンタルの微粉末を成形し、高温で焼結して個々の金属粉末を融かし、体積の割に内部表面積が非常に大きい「スラグ」と呼ばれる多孔質の塊にしています。アルミ電解コンデンサの誘電体とほぼ同じように、タンタルコンデンサの誘電体は、スラグの内面全体に五酸化タンタル(Ta2O5)層を形成し、液体バス中で電気化学的に形成されます。この時点から、タンタルのサブタイプは構造が分岐し、採用するカソード方式の違いによって、それぞれのタイプが持つ特徴が現れてきます。

二酸化マンガンタンタル(Ta-MnO2)コンデンサ

タンタルコンデンサには、二酸化マンガン(MnO2)、導電性高分子(ポリマー)、湿式の3種類の陰極方式があります。二酸化マンガン方式は、誘電体形成後のタンタルスラグを一連の硝酸マンガン(Mn(NO3)2)溶液に浸漬して都度焼結し、溶液を固体(半導電性)の二酸化マンガンに変換し、タンタルスラグの微細組織に浸透させてデバイスの陰極としています。次に、グラファイトなどの界面材を塗布して、二酸化マンガンがリード線を取り付けるために必要な金属層(通常は銀)と反応しないようにし、全体をエポキシ樹脂で包装し、出荷前にテストします。最終製品である固体電解コンデンサは、比静電容量が高く、ドライアップの問題もなく、信頼性が高く、また温度に対する安定性も比較的良いですが、故障モードがやや厄介である...というものです。 タンタルMnO2コンデンサの構成と構造は、爆竹(細かく分割された金属と加熱すると酸素を放出する物質との密接な混合物)の構成と構造に類似しているため、これらのコンデンサは、爆発または激しい炎の噴出を特徴とする火工品的な故障があることでよく知られています。このため、その選択と適用には特に注意が必要です。

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軍用/高信頼性/フェイルセーフ

基本的なTa-MnO2コンデンサ技術にいくつかの実用的な改良が加えられ、故障のリスクを軽減する、あるいは少なくとも定量化するメカニズムが利用可能になっています。軍用として指定され、MILスペック品番で調達された製品は、参照されるMILスペックの規定に従って製造および試験されます。この規定には、通常、信頼性の統計的保証を確立するためのロット試験およびスクリーニング手順が含まれます。また、MILスペックでは、しばしば鉛含有端子仕上げ(非RoHS対応)が求められ、錫ウィスカ発生のリスク低減と組み立て時のピーク温度低下により、システム全体の信頼性向上に寄与しています。高信頼性部品は、ラベルや端子仕上げが異なるMILスペック材料として製造されることが多いですが、MILスペック管理団体がまだ採用していない技術的改良が盛り込まれている場合もあります。いずれにせよ、高信頼性の名にふさわしい製品は、信頼性の統計的保証を提供するために、スクリーニング、テスト、あるいはバーンインが行われています。フェイルセーフ機器には、短絡故障が発火故障に移行する前に、短絡故障を開放にする何らかの溶断機構が組み込まれています。これらの仕組みは完璧ではありませんが、発火故障のリスクを数桁低減することができます。

ポリマータンタルコンデンサ

ポリマータンタルコンデンサは、二酸化マンガンを使わず、導電性高分子を陰極材料として使用しているため、発火の危険性はほとんどありません。ポリマータンタルコンデンサは、MnO2に比べてポリマー材料の抵抗値が低いため、一般的にMnO2ベースのコンデンサよりもESRとリップル電流の特性が良く、高周波での性能も優れています。ポリマー陰極の欠点は、温度範囲が狭いこと、湿気に対して敏感であること、自己修復の効果が低く、リーク電流が大きくなることなどが挙げられます。

湿式タンタルコンデンサ

湿式タンタルコンデンサは、その名の通り、陰極に液体の電解液を使用します。液体へのはんだ付けが困難なため、焼結タンタル陽極スラグを通して回路を完結させるために陰極対向電極が必要となり、この対向電極の設計が湿式タンタルデバイスの各ラインナップの差別化の1つとなっています。最近のデバイスは密閉型/溶接型のタンタルケースを使用しており、銀のケース素材とエラストマーシールを採用した初期のデバイスに比べて、電解液漏れが少なく、偶発的な逆電圧印加にも耐性があります。湿式タンタルデバイスの主な利点は、信頼性が高く、比静電容量が比較的大きいこと、液体電解質により誘電体の自己修復作用が持続するため、漏れ電流が少なく、適用できる動作電圧の範囲が広くなることです。しかし、電解液の抵抗により、湿式タンタルのESRは特に良好ということはなく、その結果、比較的低い周波数で静電容量が損なわれてしまいます。また、湿式タンタルコンデンサは非常に高価であり、同程度の定格のアルミ電解コンデンサの約100倍です。このため、湿式タンタルはニッチな技術であり、失敗が許されず、お金にも糸目をつけないような用途に使われることが多いのです。たとえば、宇宙/衛星アプリケーション、生命にかかわる航空電子工学システムなどがあります。

故障のメカニズムと設計上の注意点

タンタルコンデンサ全般について

タンタルコンデンサの誘電体不良の主な原因は、陽極スラグを形成するタンタル粉末に含まれる不純物です。高速道路の作業員が道路に線を描くときにロードキルを邪魔にならないように動かさないときに発生するギャップのように、タンタルの不純物は誘電体層に欠陥をもたらします。タンタルコンデンサの誘電体は、もともと数ナノメートルの厚さしかないため、非常に小さな不純物でも問題になります。

その他のタンタルコンデンサの誘電体異常は機械的な原因で起こります。五酸化タンタルの誘電体は、やや脆いガラス状の物質であるため、機械的な応力が加わると破壊されやすくなっています。特に、部品を基板に組み付ける際のはんだ付け作業時の熱膨張応力は重大です。このようなストレスは、製造時には存在しなかった(そのため検出できなかった)故障を引き起こす可能性があるため、タンタルコンデンサの組み立て後の初回通電時の故障はよく知られた現象です。高分子陰極材(当然、液体陰極も)は二酸化マンガンに比べて柔らかくしなやかなため、MnO2系コンデンサに比べ初期不良率の面で有利です。

MnO2系デバイスについて

Ta-MnO2コンデンサの自己修復機構は、MnO2が熱分解して導電性の低いMn2O3が生成されることに基づきます。故障箇所近傍の漏れ電流によって局所温度が十分に上昇すると、故障箇所に電流を供給しているMnO2陰極材料の領域が破壊され、それ以上電流が流れないように絶縁されます。残念ながら、この過程では、2(MnO2) + (エネルギー)→Mn2O3 + Oと、自由酸素が発生するのです。自己修復が成功するか火口の失敗になるかの分かれ目は、この酸素が自動着火するのに十分な高温のタンタル金属を見つけるかどうかです。周囲温度と故障箇所でオーム加熱を引き起こす電気的故障電流の量は、両方とも結果に影響を与える要因です。

MnO2設計上の注意点

各メーカーのアプリケーションマニュアルを熟読されることをお勧めしますが、Ta-MnO2コンデンサを使用する際のガイドラインを手短に以下に示します。

  1. 直列抵抗を使用する:故障に寄与する外部電流を制限することで、故障部位が臨界発火温度に達する可能性を大幅に低減することができます。歴史的に、印加される電圧1ボルトあたり1~3オームの直列抵抗が推奨されてきました。最近の設計では、これほどのESRを許容できない場合があります。また、大きなデバイスでは、充電時に十分な電気エネル ギーがあり、突然故障が発生した場合に自己発火する場合があります。このような場合、ディレーティングとデバイスのスクリーニングは特に重要です。

  2. 電圧のディレーティング:定常状態の信頼性を高めるには、定格電圧の半分、直列抵抗が印加電圧の1Vあたり0.01Ω以下と極めて低い場合は70%程度まで低下させることが必要です。電流が外部で制限されている場合、20%程度のディレーティングで十分な場合があります。温度に対する更なる(複合)ディレーティングを推奨します。85°Cの0%から125°Cの33%まで直線的に増加しますが、高温度製品シリーズでは異なります。

  3. バーンインは慎重に:タンタルの故障の多くは、組み立てたデバイスの最初の電源投入時に、組み立てに起因する誘電体異常の結果として発生します。電流制限された電源から徐々に電圧をかけることで、自己修復を成功させれば、このような不具合を回避することができるかもしれません。一連のストレスに一度耐えたTa-MnO2コンデンサは、ほぼ永久的に耐える可能性が高いため、その後の予想される最大の電気的および環境的ストレスへの曝露は、プルーフテストとして役立ちます。

  4. 過渡電流を制限する:電池や電源のホットプラグ、システム出力の短絡など、非定常的な事象から生じる電流を含め、製造者が規定するサージ電流制限値を超える電流が流れないようにしなければなりません。サージ電流の仕様がない場合は、Imax < Vrated/(1 + ESR)の値が提案されています。

  5. リップル電流/温度制限を守る:リップル電流の定格は、一般に、周囲温度を超えてデバイスの温度を一定値上昇させるのに必要なリップル量に基づき決定されます。結果として得られる波形が電圧またはサージ電流の制限に抵触する場合を除いて、リップル電流の制限は熱管理の問題です。データシートのリップル制限値が規定されている試験条件を評価し、実際のアプリケーションの条件に応じてその制限値を調整してください。

ポリマーおよび湿式タンタルコンデンサについて

故障すると、ポリマータンタルコンデンサは、高温のガスと破片の雲が急速に拡大するのではなく、温かい抵抗体になる傾向があります。このこととアセンブリに起因する不具合のリスクが減少するため、それらの経験則は少し単純です:電圧は20%低下させ、推奨リップル電流の制限を守り、メーカーが推奨する高温時のディレーティングスケジュールに従ってください。

湿式タンタルコンデンサの場合、部品コストを正当化できるようなアプリケーションでは、部品ごとにシステムの信頼性を詳細に分析する必要があり、他のアプリケーションに比べ経験則の価値が低くなります。それとともに、20%の標準的なディレーティング係数が提案され、ユーザーはこれらのデバイスに共通する比較的低い周波数応答特性に注意することをお勧めします。




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