盡管有來(lái)自鋁電容器和陶瓷電容器不斷的競(jìng)爭(zhēng)，一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，鉭電容器一直在市場(chǎng)上占有超過(guò)半數(shù)的份額。它們依然會(huì)不斷成長(zhǎng)，特別是相關(guān)新型鉭電容器，像導(dǎo)電聚合物陰極鉭電容器。保持鉭電容器占有市場(chǎng)并吸引電子產(chǎn)品用戶(hù)的主要參數(shù)，是體積小、（CV/cc）、低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感，對(duì)電壓和溫度的高穩(wěn)定性，以及長(zhǎng)期高穩(wěn)定性（即高可靠性）。
高穩(wěn)定性和可靠性將鉭電容器帶入特殊的應(yīng)用，例如軍工、航天和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)，鉭電容器的關(guān)鍵成分，Ta2O5介質(zhì)固有的受熱應(yīng)力會(huì)不穩(wěn)定。穩(wěn)定介質(zhì)和Ta/ Ta2O5界面可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)手段實(shí)現(xiàn)。在更高溫度和電壓條件下，要擴(kuò)大高穩(wěn)定性和可靠性，需要對(duì)這些熱應(yīng)力和動(dòng)力學(xué)因素，以及制造技術(shù)對(duì)該科學(xué)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的影響有深刻的了解。
在這篇文章中，我們介紹如何應(yīng)用這些知識(shí)，可以將高可靠元件的工作溫度從125℃擴(kuò)大到150℃，以及額定電壓擴(kuò)大到125V或以上。我們也會(huì)解釋CV/cc和能量/cc如何在更高電壓的情況下可以繼續(xù)增加。
這篇文章的第二個(gè)課題是擴(kuò)大聚合物鉭電容器的額定電壓?，F(xiàn)在低ESR聚合物鉭電容器只能做額定電壓比較低的產(chǎn)品。要有高額定電壓可靠元件，這種型號(hào)的電容器應(yīng)該繼續(xù)擴(kuò)大市場(chǎng)。這里的問(wèn)題不僅僅是介質(zhì)和鉭與介質(zhì)界面的穩(wěn)定，而且也是介質(zhì)與聚合物界面基本特性問(wèn)題。通過(guò)了解該界面的特性，我們介紹為什么改變聚合物的化學(xué)性質(zhì)可以導(dǎo)致元件擊穿電壓明顯提高。
{zh1}，我們介紹一種新的篩選技術(shù)，可以用來(lái)辨別弱的不可靠產(chǎn)品和好的可靠產(chǎn)品，為了最終高可靠性應(yīng)用，也可以用來(lái)選擇“好中{zh0}”的產(chǎn)品。
1、鉭電容器中Ta2O5穩(wěn)定性回顧
Ta2O5和Ta依照Ta-O均衡模式圖，形成非-均衡對(duì)相。成為一種緩和熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)方式，氧從Ta2O5介質(zhì)遷移到Ta陽(yáng)極，發(fā)生在Ta./ Ta2O5界面的鄰近區(qū)域。這種過(guò)程導(dǎo)致Ta2O5薄膜中氧空缺的積聚，因此，造成介質(zhì)的退化。
鉭電容器中Ta2O5熱應(yīng)力不穩(wěn)定的第二個(gè)原因是無(wú)組織（非結(jié)晶）的結(jié)構(gòu)。電子陷阱，伴隨無(wú)組織（非結(jié)晶）結(jié)構(gòu)，減少了強(qiáng)電場(chǎng)中電子的活動(dòng)性，因此，防止介質(zhì)擊穿。另一方面，無(wú)組織（非結(jié)晶）的介質(zhì)本能地傾向排序和結(jié)晶化，以減少它們內(nèi)在的能量。當(dāng)晶體的內(nèi)含物生長(zhǎng)成薄膜無(wú)組織（非結(jié)晶）的矩陣，由于無(wú)組織（非結(jié)晶）和晶體相之間具體體積的差異，它們產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。{zh1}，這種應(yīng)力導(dǎo)致介質(zhì)的分裂，這是鉭電容器災(zāi)難故障的主要原因。
鉭電容器列在可靠性電子元件清單的前面和Ta2O5介質(zhì)的熱應(yīng)力不穩(wěn)定性之間顯而易見(jiàn)的矛盾，可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)手段解決。減少氧的遷移比率，通過(guò)來(lái)自陰極的氧補(bǔ)償介質(zhì)中的氧空缺，抑制結(jié)晶化過(guò)程，在可靠性鉭電容器設(shè)計(jì)中是重要的目標(biāo)。
由于鉭電容器正朝著具有更高CV陽(yáng)極，增加它們的體積效力，以及采用聚合物陰極以減少ESR的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)變得越來(lái)越困難。關(guān)鍵的應(yīng)用，需要高的工作溫度和高的工作電壓，鉭電容器穩(wěn)定性和可靠性成為{zd0}的挑戰(zhàn)。滿(mǎn)足這些挑戰(zhàn)的技術(shù)機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)本身以及物理障礙是這篇文章的課題。
2、高的工作溫度
大多數(shù)型號(hào)鉭電容器的{zd0}工作溫度是125℃。在篷蓋汽車(chē)應(yīng)用中，需要更高的{zd0}工作溫度是175℃，石油探測(cè)應(yīng)用需要進(jìn)一步提高工作溫度到200℃以上。盡管當(dāng)工作溫度T≥125℃時(shí)采用降額電壓，工作溫度的增加可能損害鉭電容器的所有成分。首當(dāng)其沖的是它非結(jié)晶的介質(zhì)薄膜。這是因?yàn)闇囟仍黾右灾笖?shù)方式加速了Ta2O5介質(zhì)層中氧的遷移和結(jié)晶化過(guò)程。
首先，用傳統(tǒng)技術(shù)制造的非固體鉭電容器200℃壽命測(cè)試導(dǎo)致直流漏電流、損耗因子和容量的迅速增加。顯示陽(yáng)極中介質(zhì)顏色變化的故障分析是發(fā)生在200℃壽命測(cè)試中（圖1）。這種顏色的變化是介質(zhì)厚度減少的證據(jù)，它與電氣測(cè)試數(shù)據(jù)是一致的。
圖1：
見(jiàn)英文原文（Fig.1.Virgin (left) and failed(right)anodes of the A-case 22μF -25V Wet Ta capacitors subject to 200℃ lift test 圖1：A殼號(hào)22μF -25V非固體鉭電容器在200℃壽命測(cè)試前后原始（左）和故障（右）陽(yáng)極情況）
非固體鉭電容器在200℃壽命測(cè)試中介質(zhì)厚度的減少，可能是因?yàn)楦吖ぷ鳒囟群透咧绷鞴ぷ麟妷菏勾┻^(guò)介質(zhì)-陽(yáng)極界面活躍的氧遷徙加速造成。在低壓鉭電容器中薄的介質(zhì)膜更易受這種影響，因?yàn)樵谶@些薄膜中氧的損耗在總的薄膜厚度中占據(jù)重要的部分。用做非固體鉭電容器中的電解液的硫酸和Ta2O5薄膜外表面之間的化學(xué)反應(yīng)，也可以在200℃壽命測(cè)試中使介質(zhì)厚度減少。
為了解決這些問(wèn)題，對(duì)高溫鉭電容器已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的技術(shù)。這種技術(shù)集中解決Ta2O5介質(zhì)、它與陽(yáng)極和電解液界面的穩(wěn)定問(wèn)題，包括改善陽(yáng)極制造工藝、以及介質(zhì)的形成和熱處理。用這種技術(shù)制造的電容器成功地通過(guò)了200℃壽命測(cè)試，電氣參數(shù)沒(méi)有任何值得注意的變化。
作為一個(gè)例子，圖2演示非固體鉭電容器用傳統(tǒng)技術(shù)（控制）和特殊高溫度技術(shù)（試驗(yàn)），在200℃壽命測(cè)試中直流漏電流和容量的變化情況。
圖2：
見(jiàn)英文原文（Fig.2.Relative change of DCL and Cap during 200℃ life test of A-case 22μF -25V Wet Ta capacitors,made with conventional (control) and special (test) technology. 圖2：用傳統(tǒng)（控制）和專(zhuān)門(mén)（試驗(yàn)）技術(shù)做的A殼號(hào)22μF -25V非固體鉭電容器在200℃壽命測(cè)試時(shí)直流漏電流和容量的相對(duì)變化情況）
從圖2中可以明顯看出傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品使直流漏電流和容量有明顯的增加，而試驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)品這些參數(shù)保持穩(wěn)定。
3、高的工作電壓
非固體鉭電容器工作電壓高達(dá)150V，一般要求形成電壓大約是工作電壓的1.8-2.5倍。非固體鉭電容器在新的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，在那種場(chǎng)合，工作電壓使本體溫度超過(guò)250℃。固體鉭電容器的工作電壓{zg}為50V，一般要求形成電壓大約是工作電壓的2.8-3.5倍。由于鉭電容器中介質(zhì)的厚度與形成電壓成正比，高電壓鉭電容器有相對(duì)較厚的介質(zhì)，范圍在0.3-0.7微米之間。
高壓鉭電容器的主要問(wèn)題是在這些電容器中非結(jié)晶介質(zhì)是非常容易變成結(jié)晶化。該現(xiàn)象純粹是熱力學(xué)本性。在兩個(gè)不同結(jié)晶相界面之間需要不相稱(chēng)斷層來(lái)調(diào)節(jié)這些不同相的結(jié)晶格子。當(dāng)相中有一相是非結(jié)晶的，像結(jié)晶鉭上的Ta2O5 非結(jié)晶情況，不需要不相稱(chēng)斷層。因?yàn)椴幌喾Q(chēng)斷層在系統(tǒng)中引入附加的能量，結(jié)晶基礎(chǔ)上的非結(jié)晶膜比起類(lèi)似的結(jié)晶膜具有比較低的內(nèi)部能量。另一方面，非結(jié)晶膜中的原子無(wú)序化給系統(tǒng)帶來(lái)附加的能量。因此，內(nèi)部能量的平衡和保持非結(jié)晶或結(jié)晶之間平衡的趨勢(shì)，決定于薄膜表面和體積之間的比率。該比率隨著介質(zhì)厚度的增加變得比較小，平衡將偏向結(jié)晶化。
首次用傳統(tǒng)技術(shù)制造的125V非固體鉭電容器的壽命試驗(yàn)，由于DCL的快速增加，導(dǎo)致少量災(zāi)難的故障。事故分析表明介質(zhì)的顏色從原始的綠色變成了故障元件的灰色（圖3）。
圖3：
見(jiàn)英文原文（Fig.3.Virgin (left) and failed (right) anodes of A-case 3.6μF -125V Wet Ta capacitors subject to 125V life test. 圖3： A殼號(hào)3.6μF -125V非固體鉭電容器在125V壽命試驗(yàn)時(shí)原始陽(yáng)極（左）和故障陽(yáng)極（右）變化情況）
SEM（掃描電子顯微鏡）分析確認(rèn)，介質(zhì)的灰色來(lái)自眾多的結(jié)晶化位置（圖4）。介質(zhì)非結(jié)晶矩陣中成長(zhǎng)的晶體瓦解了介質(zhì)薄膜，使漏電流增加。
圖4：
見(jiàn)英文原文（Fig.4.SEM image of the gray area on failed anode shown on the Fig.3 right. 圖4： 圖3右邊故障陽(yáng)極上灰色區(qū)域的SEM圖象）
從這些結(jié)果可以看出，高壓鉭電容器的技術(shù)改善集中在非結(jié)晶介質(zhì)的抑制結(jié)晶化上。結(jié)晶化開(kāi)始于非結(jié)晶Ta2O5相的小核酸酶，它在作陽(yáng)極化處理時(shí)，在Ta2O5膜內(nèi)部的鉭陽(yáng)極的表面形成（插入圖4）。這些結(jié)晶化核酸酶的大小和密度與在鉭陽(yáng)極中的雜質(zhì)——例如鐵、碳和氧——的濃度成正比。陽(yáng)極表面的機(jī)械傷害也引起結(jié)晶化過(guò)程。
要改善陽(yáng)極制造技術(shù)，使它們?cè)诔尚秃蜔Y(jié)過(guò)程中鉭陽(yáng)極的污染和傷害減到最小。特別要注意減少陽(yáng)極中來(lái)自有機(jī)粘結(jié)料的碳的含量、陽(yáng)極中氧的含量和自然表面氧化物。要通過(guò)控制燒結(jié)后陽(yáng)極鈍化來(lái)使自然表面氧化物的厚度減到最小。燒結(jié)后鉭陽(yáng)極高純度表面導(dǎo)致Ta2O5薄膜非結(jié)晶矩陣中的初始晶體的體積和濃度變小。另外的可能發(fā)生的事來(lái)自形成陽(yáng)極的熱處理，它破壞陽(yáng)極表面的初始晶體，因此中斷它們進(jìn)一步生長(zhǎng)。
這種高電壓技術(shù)抑制非結(jié)晶Ta2O5介質(zhì)結(jié)晶化，因此，得以制造高電壓的非固體和固體鉭電容器。它也用來(lái)制造下面介紹的高能量的鉭電容器。
4、高的能量效率
鉭電容器應(yīng)用在醫(yī)學(xué)設(shè)備上，像心臟去纖顫器，使儲(chǔ)存能量（E）成為一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。因?yàn)镋=CV2/2，增加工作電壓，儲(chǔ)存的能量以拋物線方式增加。同時(shí)，工作電壓的增加，因此形成電壓導(dǎo)致鉭電容器中電荷Q=CV減少。這兩種趨勢(shì)的重疊導(dǎo)致能量達(dá)到它的{zd0}值，然后，隨形成電壓的增加而滾動(dòng)下降。作為一個(gè)例子，圖5介紹這種用50KCV/g鉭粉燒結(jié)鉭陽(yáng)極的結(jié)果。
圖5：
見(jiàn)英文原文（Fig.5 Specific charge and energy of Ta anodes sintered with 50K CV/g Ta power with conventional sintering (control) and Y-sintering (test) 圖5 用50K CV/g鉭粉在傳統(tǒng)燒結(jié)（控制）和Y-燒結(jié)（試驗(yàn)）時(shí)鉭陽(yáng)極具體的電荷和能量）
CV隨形成電壓減少的原因是燒結(jié)陽(yáng)極的不均勻結(jié)構(gòu)。這包括燒結(jié)顆粒之間對(duì)顆粒本身之間薄的頸，以及寬范圍的燒結(jié)陽(yáng)極中的毛孔尺寸大小。在形成期間，Ta2O5介質(zhì)膜在初始陽(yáng)極表面的內(nèi)外部生長(zhǎng)，經(jīng)由薄的頸和堵塞細(xì)毛孔侵蝕金屬，這樣一來(lái)，就導(dǎo)致鉭陽(yáng)極活性表面積的減少，造成CV隨形成電壓的增加而下降。
在CV滾動(dòng)下降電壓范圍內(nèi)進(jìn)行陽(yáng)極形成，可以對(duì)鉭電容器的可靠性產(chǎn)生不良影響。這是因?yàn)殡娏髅芏仍黾硬糠值厍治g“頸”和和非常細(xì)的毛孔，造成局部溫度增加，因此刺激Ta2O5介質(zhì)膜非結(jié)晶矩陣局部結(jié)晶化。
增加鉭電容器電荷和能量效率顯而易見(jiàn)的方法是使陽(yáng)極結(jié)構(gòu)更一致，其中包括燒結(jié)顆粒之間厚的頸和大的開(kāi)孔。在傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝中，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)要素，頸和小孔，是互相矛盾的。比較高的壓制密度和燒結(jié)溫度導(dǎo)致更好的厚的頸，但是由于陽(yáng)極的收縮，小孔變小了。反之，降低壓制密度和燒結(jié)溫度，導(dǎo)致更大的孔，但是燒結(jié)顆粒之間的頸變薄了。
這種矛盾可以通過(guò)結(jié)合去氧燒結(jié)（所謂的Y-燒結(jié)）來(lái)解決，當(dāng)在低溫進(jìn)行表面擴(kuò)散時(shí)，使頸隨著小孔儲(chǔ)存的增加同時(shí)生長(zhǎng)。按照?qǐng)D5，用這種形態(tài)試驗(yàn)的陽(yáng)極證明有更穩(wěn)定的CV，因此，比起用傳統(tǒng)燒結(jié)控制陽(yáng)極，有更高的儲(chǔ)存能量。預(yù)期可以在使鉭陽(yáng)極的一致上進(jìn)一步改善這種工藝，包括使用鉭薄片和細(xì)絲。
5、高壓聚合物電容器
在長(zhǎng)期大量生產(chǎn)以來(lái)，鉭電容器最根本的變化總伴隨等效串聯(lián)電阻（ESR）的減少。其中包括用傳導(dǎo)性更好的固體MnO2陰極取代有機(jī)液體電解質(zhì)陰極，和后來(lái)采用傳導(dǎo)性更好的聚合物陰極（圖6）。
圖6：
見(jiàn)英文原文（Fig.6 Evolution of Ta capacitors in term of ESR and working voltages 圖6 鉭電容器ESR和工作電壓演變）
圖6也顯示鉭電容器中ESR的減少伴隨著工作電壓的減少，尤其是在聚合物電容器中。同時(shí)，高壓聚合物鉭電容器對(duì)終端電子產(chǎn)品很有吸引力，因?yàn)樗鼈兙哂械虴SR和安全的綜合特點(diǎn)。當(dāng)在低阻抗電路中發(fā)生故障時(shí)，比起MaO2鉭電容器來(lái)，聚合物鉭電容器對(duì)起火和燃燒具有更大抵抗力，這種差別在比較高工作電壓情況下使用變得更顯著。
圖7a展示同樣陽(yáng)極和同樣介質(zhì)膜但是不同陰極鉭電容器的I（V）特性?？梢钥闯觯诜枪腆w鉭電容器中，幾乎形成電壓的電流沒(méi)有明顯增加的情況下，直流電壓可以增加。同時(shí)，在MnO2和聚合物陰極固體鉭電容器中，電流在相當(dāng)早就開(kāi)始增加，它們的BDV（擊穿電壓）讀數(shù)比起形成電壓來(lái)相當(dāng)?shù)?。這是MnO2和聚合物電容器比起非固體電容器來(lái)工作電壓更低的主要原因。
圖7：
見(jiàn)英文原文（Fig.7I(V)(a) and I(T)(b) characteristics of formed to 125N Ta capacitors with liquid electrolyte, MaO2, and polymer cathodes 圖7 在125V形成的液體電解液、MnO2、和聚合物陰極鉭電容器的I(V)(a)和I(T)(b)特性）
從液體電解質(zhì)、MnO2和聚合物陰極鉭電容器的電流-溫度I(T)特性（圖7(a)）可以看出，流過(guò)這些電容器的jh能量也從非固體鉭電容器的大約0.6電子伏特降低到MnO2鉭電容器的0.4電子伏特到聚合物鉭電容器的只有0.1電子伏特。
在MnO2和聚合物鉭電容器之間有更大的差別，通過(guò)對(duì)這些電容器的熱去極電流分析（TSDC）可以發(fā)現(xiàn)。這些分析是在佩恩州立大學(xué)的介質(zhì)研究中心做的（圖8）。按照?qǐng)D9，聚合物鉭電容器捕捉大量電荷，可以通過(guò)高斜坡加熱釋放出來(lái)，而MnO2鉭電容器沒(méi)有證實(shí)有此特性。
圖9：
見(jiàn)英文原文（Fig.9 Thermally stimulated depolarization current (TSDC) of D-case Ta capacitors 15 μF 25V with either polymer or MnO2 cathode (center of Dielectric Study at the PEU 圖9 D殼號(hào)15μF 25V聚合物或MnO2的陰極鉭電容器熱激勵(lì)去極化電流（TSDC）（在PSU介質(zhì)研究中心））
綜合I（V）、I（T）和TSDC資料，可以接著假設(shè)高電壓聚合物鉭電容器大概的電氣特性。與在金屬-半導(dǎo)體接觸類(lèi)似的肖特基發(fā)射，在這些電容器中的電流受到介質(zhì)-聚合物界面之間壁壘的限制。如果通過(guò)單體和氧化劑反應(yīng)（在原處聚合），在介質(zhì)表面以化學(xué)方式產(chǎn)生傳導(dǎo)聚合物，然后單體和/或在介質(zhì)表面的氧化劑互相作用，產(chǎn)生電流載流子陷阱。當(dāng)施加電壓的時(shí)候，這些陷阱上的電荷被積聚，壁壘減少，因此，電流增加。結(jié)果，在原處制造的聚合物鉭電容器恰好有厚的“高壓”介質(zhì)限制了工作電壓。
該模式解釋了在原處聚合和預(yù)先-聚合散布的聚合物鉭電容器（圖9）之間的差別，在[7]中有報(bào)道。
圖9：
見(jiàn)英文原文（Fig.9 I(V) Characteristics of  D-case polymer Ta capacitors 15 μF 25V with either In-Situ Polymerization or Pre-polymerized cathode 圖9 在原處-聚合或預(yù)先-聚合陰極D殼號(hào)15μF 25V聚合物鉭電容器的I（V）特性）
預(yù)先-聚合散布在介質(zhì)表面的沉積物在介質(zhì)-聚合物表面不產(chǎn)生電氣陷阱（trap），因此，在相當(dāng)高的電壓情況下比起在原處聚合，保持高壁壘低電流。這種模式需要另外的分析和查證，但是，已經(jīng)證明制造高電壓聚合物鉭電容器的物理可能性是存在的。
6、新的篩選技術(shù)
使用{zg}純度的原材料、先進(jìn)的技術(shù)和最精密復(fù)雜的機(jī)器，不能保證所有的成品電容器有理想的、無(wú)瑕疵的介質(zhì)。由于偶然的污染或來(lái)自機(jī)械故障或人為因素，有些成品電容器在它們的介質(zhì)上有缺陷。
在介質(zhì)上隱藏的缺陷，在生產(chǎn)線老化過(guò)程中沒(méi)有被修復(fù)，在最終的電氣測(cè)試中未被發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可能日益惡化，并引起電容器發(fā)生故障。那就是為什么在鉭電容器制造過(guò)程中要進(jìn)行加速老化、浪涌測(cè)試、再流試驗(yàn)等等，來(lái)展示介質(zhì)中隱藏的缺陷，來(lái)篩選出不可靠的產(chǎn)品，當(dāng)強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)，可以使一般電容器的性能和可靠性惡化，在測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)。
這就是為什么開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的篩選技術(shù)，將在介質(zhì)中隱藏缺陷的不可靠的電容器篩選出來(lái)，而不損害一般電容器。這種技術(shù)也可以篩選特殊用途、甚至不允許有最小故障率可能性的、最可靠“空間質(zhì)量”電容器。
作為一個(gè)例子，圖10示范測(cè)試前沒(méi)有篩選和篩選過(guò)的固體電解質(zhì)鉭電容器的結(jié)果
圖10：
見(jiàn)英文原文（Fig.10 Accelerated LT at 125℃ and 2.2 working voltage of C-case Ta capacitors 10 μF-16V with and without screening prior to test 圖10 測(cè)試前沒(méi)有篩選和經(jīng)過(guò)篩選的C殼號(hào)10μF 16V鉭電容器，在125℃ 和 2.2V工作電壓進(jìn)行加速LT的情況）
該試驗(yàn)是在125℃ 和 2.2V工作電壓進(jìn)行。正如可以看到的，相當(dāng)數(shù)量沒(méi)有經(jīng)過(guò)篩選的電容器在“電源開(kāi)”時(shí)和在非常早期的高速試驗(yàn)階段發(fā)生故障。相反，經(jīng)過(guò)篩選的電容器沒(méi)有發(fā)生任何早期故障，它們時(shí)間-故障分布狀態(tài)是一致的。