盡管有來自鋁電容器和陶瓷電容器不斷的競爭，一個世紀以來，鉭電容器一直在市場上占有超過半數(shù)的份額。它們依然會不斷成長，特別是相關新型鉭電容器，像導電聚合物陰極鉭電容器。保持鉭電容器占有市場并吸引電子產品用戶的主要參數(shù)，是體積小、（CV/cc）、低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感，對電壓和溫度的高穩(wěn)定性，以及長期高穩(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用，例如軍工、航天和醫(yī)學領域。同時，鉭電容器的關鍵成分，Ta2O5介質固有的受熱應力會不穩(wěn)定。穩(wěn)定介質和Ta/ Ta2O5界面可以通過動力學手段實現(xiàn)。在更高溫度和電壓條件下，要擴大高穩(wěn)定性和可靠性，需要對這些熱應力和動力學因素，以及制造技術對該科學應用實現(xiàn)的影響有深刻的了解。
在這篇文章中，我們介紹如何應用這些知識，可以將高可靠元件的工作溫度從125℃擴大到150℃，以及額定電壓擴大到125V或以上。我們也會解釋CV/cc和能量/cc如何在更高電壓的情況下可以繼續(xù)增加。
這篇文章的第二個課題是擴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品。要有高額定電壓可靠元件，這種型號的電容器應該繼續(xù)擴大市場。這里的問題不僅僅是介質和鉭與介質界面的穩(wěn)定，而且也是介質與聚合物界面基本特性問題。通過了解該界面的特性，我們介紹為什么改變聚合物的化學性質可以導致元件擊穿電壓明顯提高。
{zh1}，我們介紹一種新的篩選技術，可以用來辨別弱的不可靠產品和好的可靠產品，為了最終高可靠性應用，也可以用來選擇“好中{zh0}”的產品。
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-均衡對相。成為一種緩和熱力學穩(wěn)定狀態(tài)方式，氧從Ta2O5介質遷移到Ta陽極，發(fā)生在Ta./ Ta2O5界面的鄰近區(qū)域。這種過程導致Ta2O5薄膜中氧空缺的積聚，因此，造成介質的退化。
鉭電容器中Ta2O5熱應力不穩(wěn)定的第二個原因是無組織（非結晶）的結構。電子陷阱，伴隨無組織（非結晶）結構，減少了強電場中電子的活動性，因此，防止介質擊穿。另一方面，無組織（非結晶）的介質本能地傾向排序和結晶化，以減少它們內在的能量。當晶體的內含物生長成薄膜無組織（非結晶）的矩陣，由于無組織（非結晶）和晶體相之間具體體積的差異，它們產生機械應力。{zh1}，這種應力導致介質的分裂，這是鉭電容器災難故障的主要原因。
鉭電容器列在可靠性電子元件清單的前面和Ta2O5介質的熱應力不穩(wěn)定性之間顯而易見的矛盾，可以通過動力學手段解決。減少氧的遷移比率，通過來自陰極的氧補償介質中的氧空缺，抑制結晶化過程，在可靠性鉭電容器設計中是重要的目標。
由于鉭電容器正朝著具有更高CV陽極，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，實現(xiàn)這些目標變得越來越困難。關鍵的應用，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)。滿足這些挑戰(zhàn)的技術機會和挑戰(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)型號鉭電容器的{zd0}工作溫度是125℃。在篷蓋汽車應用中，需要更高的{zd0}工作溫度是175℃，石油探測應用需要進一步提高工作溫度到200℃以上。盡管當工作溫度T≥125℃時采用降額電壓，工作溫度的增加可能損害鉭電容器的所有成分。首當其沖的是它非結晶的介質薄膜。這是因為溫度增加以指數(shù)方式加速了Ta2O5介質層中氧的遷移和結晶化過程。
首先，用傳統(tǒng)技術制造的非固體鉭電容器200℃壽命測試導致直流漏電流、損耗因子和容量的迅速增加。顯示陽極中介質顏色變化的故障分析是發(fā)生在200℃壽命測試中（圖1）。這種顏色的變化是介質厚度減少的證據，它與電氣測試數(shù)據是一致的。
圖1：
見英文原文（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22μF -25V非固體鉭電容器在200℃壽命測試前后原始（左）和故障（右）陽極情況）
非固體鉭電容器在200℃壽命測試中介質厚度的減少，可能是因為高工作溫度和高直流工作電壓使穿過介質-陽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膜更易受這種影響，因為在這些薄膜中氧的損耗在總的薄膜厚度中占據重要的部分。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反應，也可以在200℃壽命測試中使介質厚度減少。
為了解決這些問題，對高溫鉭電容器已經開發(fā)了專門的技術。這種技術集中解決Ta2O5介質、它與陽極和電解液界面的穩(wěn)定問題，包括改善陽極制造工藝、以及介質的形成和熱處理。用這種技術制造的電容器成功地通過了200℃壽命測試，電氣參數(shù)沒有任何值得注意的變化。
作為一個例子，圖2演示非固體鉭電容器用傳統(tǒng)技術（控制）和特殊高溫度技術（試驗），在200℃壽命測試中直流漏電流和容量的變化情況。
圖2：
見英文原文（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）和專門（試驗）技術做的A殼號22μF -25V非固體鉭電容器在200℃壽命測試時直流漏電流和容量的相對變化情況）
從圖2中可以明顯看出傳統(tǒng)技術產品使直流漏電流和容量有明顯的增加，而試驗技術產品這些參數(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)學領域的應用，在那種場合，工作電壓使本體溫度超過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的厚度與形成電壓成正比，高電壓鉭電容器有相對較厚的介質，范圍在0.3-0.7微米之間。
高壓鉭電容器的主要問題是在這些電容器中非結晶介質是非常容易變成結晶化。該現(xiàn)象純粹是熱力學本性。在兩個不同結晶相界面之間需要不相稱斷層來調節(jié)這些不同相的結晶格子。當相中有一相是非結晶的，像結晶鉭上的Ta2O5 非結晶情況，不需要不相稱斷層。因為不相稱斷層在系統(tǒng)中引入附加的能量，結晶基礎上的非結晶膜比起類似的結晶膜具有比較低的內部能量。另一方面，非結晶膜中的原子無序化給系統(tǒng)帶來附加的能量。因此，內部能量的平衡和保持非結晶或結晶之間平衡的趨勢，決定于薄膜表面和體積之間的比率。該比率隨著介質厚度的增加變得比較小，平衡將偏向結晶化。
首次用傳統(tǒng)技術制造的125V非固體鉭電容器的壽命試驗，由于DCL的快速增加，導致少量災難的故障。事故分析表明介質的顏色從原始的綠色變成了故障元件的灰色（圖3）。
圖3：
見英文原文（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3.6μF -125V非固體鉭電容器在125V壽命試驗時原始陽極（左）和故障陽極（右）變化情況）
SEM（掃描電子顯微鏡）分析確認，介質的灰色來自眾多的結晶化位置（圖4）。介質非結晶矩陣中成長的晶體瓦解了介質薄膜，使漏電流增加。
圖4：
見英文原文（Fig.4.SEM image of the gray area on failed anode shown on the Fig.3 right. 圖4： 圖3右邊故障陽極上灰色區(qū)域的SEM圖象）
從這些結果可以看出，高壓鉭電容器的技術改善集中在非結晶介質的抑制結晶化上。結晶化開始于非結晶Ta2O5相的小核酸酶，它在作陽極化處理時，在Ta2O5膜內部的鉭陽極的表面形成（插入圖4）。這些結晶化核酸酶的大小和密度與在鉭陽極中的雜質——例如鐵、碳和氧——的濃度成正比。陽極表面的機械傷害也引起結晶化過程。
要改善陽極制造技術，使它們在成型和燒結過程中鉭陽極的污染和傷害減到最小。特別要注意減少陽極中來自有機粘結料的碳的含量、陽極中氧的含量和自然表面氧化物。要通過控制燒結后陽極鈍化來使自然表面氧化物的厚度減到最小。燒結后鉭陽極高純度表面導致Ta2O5薄膜非結晶矩陣中的初始晶體的體積和濃度變小。另外的可能發(fā)生的事來自形成陽極的熱處理，它破壞陽極表面的初始晶體，因此中斷它們進一步生長。
這種高電壓技術抑制非結晶Ta2O5介質結晶化，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
鉭電容器應用在醫(yī)學設備上，像心臟去纖顫器，使儲存能量（E）成為一個關鍵的參數(shù)。因為E=CV2/2，增加工作電壓，儲存的能量以拋物線方式增加。同時，工作電壓的增加，因此形成電壓導致鉭電容器中電荷Q=CV減少。這兩種趨勢的重疊導致能量達到它的{zd0}值，然后，隨形成電壓的增加而滾動下降。作為一個例子，圖5介紹這種用50KCV/g鉭粉燒結鉭陽極的結果。
圖5：
見英文原文（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（控制）和Y-燒結（試驗）時鉭陽極具體的電荷和能量）
CV隨形成電壓減少的原因是燒結陽極的不均勻結構。這包括燒結顆粒之間對顆粒本身之間薄的頸，以及寬范圍的燒結陽極中的毛孔尺寸大小。在形成期間，Ta2O5介質膜在初始陽極表面的內外部生長，經由薄的頸和堵塞細毛孔侵蝕金屬，這樣一來，就導致鉭陽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滾動下降電壓范圍內進行陽極形成，可以對鉭電容器的可靠性產生不良影響。這是因為電流密度增加部分地侵蝕“頸”和和非常細的毛孔，造成局部溫度增加，因此刺激Ta2O5介質膜非結晶矩陣局部結晶化。
增加鉭電容器電荷和能量效率顯而易見的方法是使陽極結構更一致，其中包括燒結顆粒之間厚的頸和大的開孔。在傳統(tǒng)的燒結工藝中，這兩個結構要素，頸和小孔，是互相矛盾的。比較高的壓制密度和燒結溫度導致更好的厚的頸，但是由于陽極的收縮，小孔變小了。反之，降低壓制密度和燒結溫度，導致更大的孔，但是燒結顆粒之間的頸變薄了。
這種矛盾可以通過結合去氧燒結（所謂的Y-燒結）來解決，當在低溫進行表面擴散時，使頸隨著小孔儲存的增加同時生長。按照圖5，用這種形態(tài)試驗的陽極證明有更穩(wěn)定的CV，因此，比起用傳統(tǒng)燒結控制陽極，有更高的儲存能量。預期可以在使鉭陽極的一致上進一步改善這種工藝，包括使用鉭薄片和細絲。
5、高壓聚合物電容器
在長期大量生產以來，鉭電容器最根本的變化總伴隨等效串聯(lián)電阻（ESR）的減少。其中包括用傳導性更好的固體MnO2陰極取代有機液體電解質陰極，和后來采用傳導性更好的聚合物陰極（圖6）。
圖6：
見英文原文（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，高壓聚合物鉭電容器對終端電子產品很有吸引力，因為它們具有低ESR和安全的綜合特點。當在低阻抗電路中發(fā)生故障時，比起MaO2鉭電容器來，聚合物鉭電容器對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展示同樣陽極和同樣介質膜但是不同陰極鉭電容器的I（V）特性?？梢钥闯?，在非固體鉭電容器中，幾乎形成電壓的電流沒有明顯增加的情況下，直流電壓可以增加。同時，在MnO2和聚合物陰極固體鉭電容器中，電流在相當早就開始增加，它們的BDV（擊穿電壓）讀數(shù)比起形成電壓來相當?shù)?。這是MnO2和聚合物電容器比起非固體電容器來工作電壓更低的主要原因。
圖7：
見英文原文（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、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，通過對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的介質研究中心做的（圖8）。按照圖9，聚合物鉭電容器捕捉大量電荷，可以通過高斜坡加熱釋放出來，而MnO2鉭電容器沒有證實有此特性。
圖9：
見英文原文（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15μF 25V聚合物或MnO2的陰極鉭電容器熱激勵去極化電流（TSDC）（在PSU介質研究中心））
綜合I（V）、I（T）和TSDC資料，可以接著假設高電壓聚合物鉭電容器大概的電氣特性。與在金屬-半導體接觸類似的肖特基發(fā)射，在這些電容器中的電流受到介質-聚合物界面之間壁壘的限制。如果通過單體和氧化劑反應（在原處聚合），在介質表面以化學方式產生傳導聚合物，然后單體和/或在介質表面的氧化劑互相作用，產生電流載流子陷阱。當施加電壓的時候，這些陷阱上的電荷被積聚，壁壘減少，因此，電流增加。結果，在原處制造的聚合物鉭電容器恰好有厚的“高壓”介質限制了工作電壓。
該模式解釋了在原處聚合和預先-聚合散布的聚合物鉭電容器（圖9）之間的差別，在[7]中有報道。
圖9：
見英文原文（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-聚合或預先-聚合陰極D殼號15μF 25V聚合物鉭電容器的I（V）特性）
預先-聚合散布在介質表面的沉積物在介質-聚合物表面不產生電氣陷阱（trap），因此，在相當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
使用{zg}純度的原材料、先進的技術和最精密復雜的機器，不能保證所有的成品電容器有理想的、無瑕疵的介質。由于偶然的污染或來自機械故障或人為因素，有些成品電容器在它們的介質上有缺陷。
在介質上隱藏的缺陷，在生產線老化過程中沒有被修復，在最終的電氣測試中未被發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場應用中可能日益惡化，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程中要進行加速老化、浪涌測試、再流試驗等等，來展示介質中隱藏的缺陷，來篩選出不可靠的產品，當強化試驗時，可以使一般電容器的性能和可靠性惡化，在測試中可以發(fā)現(xiàn)。
這就是為什么開發(fā)出專門的篩選技術，將在介質中隱藏缺陷的不可靠的電容器篩選出來，而不損害一般電容器。這種技術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“空間質量”電容器。
作為一個例子，圖10示范測試前沒有篩選和篩選過的固體電解質鉭電容器的結果
圖10：
見英文原文（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 測試前沒有篩選和經過篩選的C殼號10μF 16V鉭電容器，在125℃ 和 2.2V工作電壓進行加速LT的情況）
該試驗是在125℃ 和 2.2V工作電壓進行。正如可以看到的，相當數(shù)量沒有經過篩選的電容器在“電源開”時和在非常早期的高速試驗階段發(fā)生故障。相反，經過篩選的電容器沒有發(fā)生任何早期故障，它們時間-故障分布狀態(tài)是一致的。