器件构造 & 显著特征
钽电容是一种电解电容，主要用于需要具有相对稳定参数的，紧凑，耐用的应用，并且适度的电容值和额定电压就足够了。传统上，钽相对于铝电解质的优势体现在单位体积电容、温度参数稳定性和寿命方面;一般来说，钽在长时间储存放电时不会出现干化问题或介电退化问题。然而，钽通常更昂贵，可用电容和电压值的范围更有限，由更容易受到供应中断的稀有材料制成，并且可能需要在设计中特别小心，因为某些子类型容易失败。
下面的图表说明了在撰写本文时DigiKey提供的各种类型钽电容的电压和电流额定值组合。抛开子类型不谈，钽电容的阳极构造是相当相似的;高纯度的精细粉末状金属钽被塑造成所需的形状，并在高温下烧结，将单个金属粉末颗粒融合成高度多孔的物质，称为“塞格”，其体积具有极高的内表面积。然后在液浴中用电化学方法形成电容的电介质，在“块”的整个内表面积上形成五氧化二钽(Ta2O5)层，这与铝电解电容的电介质形成的方式非常相似。从这一点开始，不同钽子类型的结构发生了分歧，采用不同的阴极系统产生了不同类型的特性。
Ta-MnO2 电容
有三种基本的阴极类型：二氧化锰(MnO2)、导电聚合物和湿钽。使用二氧化锰，在电介质形成后，将钽块浸入一系列硝酸锰(Mn(NO3)2)溶液中，并在每次浸入后烘烤，将液体溶液转化为固体(半)导电的二氧化锰，这种二氧化锰彻底渗透到钽块的微观结构中，并充当器件的阴极。然后应用一层界面材料(如石墨)，以防止MnO2与金属层(通常是银)发生反应，以便有东西可以连接导线，然后将整个组件包装在环氧树脂中并在装运前进行测试。最终产品是一个固态电解电容，具有高比电容，没有干燥问题，良好的可靠性，相对较好的温度稳定性，以及相当讨厌的失效模式……因为Ta-MnO2电容的成分和结构类似于爆竹(一种精细划分的金属与加热时释放氧气的物质混合)这些电容以烟火方式失败而闻名，其特点是爆炸或猛烈喷出火焰。因此，建议在选择和使用时特别小心。
军用 / 高可靠性 / 故障安全
已经对基本的Ta-MnO2电容技术进行了一些实际的改进，并且有了减轻或至少量化故障风险的机制。指定为军用产品，并根据MIL-spec型号采购的产品，将根据MIL-spec的要求进行生产和测试，其中通常包括批量测试和筛选程序，以建立可靠的统计学上的保证。军用规格通常还要求(不符合RoHS 标准的)含铅端子镀层，由于降低了锡晶须形成的风险和组装过程中较低的峰值温度，因此整体上有利于系统可靠性。高可靠性部件通常采用具有不同标签和终端镀层的军用规格材料制造，但也可能采用军用规格管理机构尚未采用的技术改进。无论如何，名副其实的高可靠性（Hi-Rel）产品将经过筛选，测试和/或燃烧，以提供可靠性的统计学上的保证。故障安全装置包含某种类型的熔断机制，以便在短路故障发展为明火故障之前，将其转换为开路故障。这些机制并不完美，但它们确实将燃烧故障的风险降低了几个小数点。
聚合物钽 电容
聚合物钽电容完全不用二氧化锰，而是使用导电聚合物作为正极材料，这几乎消除了烟火故障的风险。由于所使用的聚合物材料相对于MnO2具有较低的电阻，因此钽聚合物电容帽通常具有更好的ESR和纹波电流规格，以及相对于基于MnO2的对应物具有更好的高频性能。聚合物阴极系统的缺点包括更有限的温度范围，对水分的敏感性更大，自我修复的效率降低，导致更高的泄漏电流。
湿钽电容
湿钽电容，顾名思义，在其阴极系统中使用液体电解质。由于很难焊接到液体上，因此需要阴极对电极通过烧结的钽阳极块来完成电路，而这种对电极的设计是不同系列湿钽电容器件之间的区别之一。现代器件使用密封/焊接的钽外壳，与早期采用银壳材料和弹性体密封的器件相比，它更不容易发生电解质泄漏，更能容忍偶然的电压反转。湿钽电容的主要优点是其可靠性和相对较高的比电容;液态电解质为电介质提供了持续的自愈作用，从而导致低泄漏电流和更高的适用工作电压范围。然而，由于液体电解质的电阻，大多数湿钽电容的ESR并不是特别好，导致在相对较低的频率下电容损失。湿钽电容也相当昂贵，大约是同等额定值的铝电解电容的100倍。综上所述，这些因素使得湿钽电容成为一种利基技术，主要存在于不可能出现故障、也不考虑金钱的应用中;空间/卫星应用、对生命至关重要的航空电子系统等。
失效机制和设计考虑
对于一般的钽电容
钽电容中介质故障的主要原因是形成阳极块的钽粉中的杂质。就像公路工作人员在道路上画线时懒得把路上的死路虫移开时出现的缝隙一样，钽中的杂质会导致介电层出现缺陷。由于钽电容中的电介质一开始只有几纳米厚，所以即使是非常小的杂质也会造成问题。
钽电容中的其他介电故障是机械诱发的。作为一种有点脆的玻璃状物质，当施加机械应力时，五氧化二钽电介质容易破裂。尤其重要的是，当零件组装到电路板上时，焊接操作过程中的热膨胀应力。由于这些应力可能导致在生产时不存在(因此无法检测到)的故障，因此钽电容在组装后首次应用电源时发生故障是一种已知现象。由于聚合物阴极材料(显然是液体阴极)相对于二氧化锰更柔软，更柔韧，因此在婴儿死亡率方面，这些类型比二氧化锰基电容具有优势。
对于MnO2器件而言
在Ta-MnO2电容中起作用的自修复机制是基于MnO2材料热分解成导电性低得多的Mn2O3。当故障部位附近的泄漏电流导致局部温度升高到足够高时，向故障提供电流的MnO2阴极材料区域击穿，从而使故障与进一步的电流隔离。不幸的是，这个过程会产生松散的氧气:2(MnO2) +(能量)→Mn2O3 +O。成功的自愈事件和烟火失败的区别在于，这种氧是否能在足够高的温度下找到钽金属，从而自动点燃。环境温度和可在故障部位引起欧姆加热的电气故障电流的大小都是影响结果的因素。
Mn02设计注意事项
虽然建议仔细研究制造商的应用文献，但为不耐烦的人提供了以下关于Ta-MnO2电容应用的指导方针:
使用串联电阻:限制故障可用的外部电流，大大减少故障部位达到临界点火温度的机会。历史上，每施加伏特1至3欧姆的串联电阻已被推荐。现代设计可能不能容忍这么多的ESR，较大的器件在充电时可能含有足够的电能，如果突然出现故障，可以自燃。在这些情况下，降级和器件筛选就显得尤为重要。
降率电压:为了(显著)提高稳态可靠性，将器件的降率从额定电压降低一半，当串联电阻极低时，降率可达70%，每施加电压0.01欧姆或更低。如果电流受到外部限制，只要降低20%就足够了。建议进一步(复合)降低温度因子，从0 @ 85°C线性增加到33% @ 125°C，尽管高温产品系列可能有所不同。
小心烧坏:由于组装引起的介电故障，许多钽故障发生在组装器件的第一次上电时。通过限流源逐渐施加电压，促进成功的自我修复，可能会避免一些这些故障。随后暴露于最大预期的电气和环境应力将作为证明测试，因为Ta-MnO2电容在一次给定的压力下存活下来，可能几乎无限期地存活下来。
限制瞬态电流:应避免超过制造商规定的浪涌电流限制的电流流动，包括由非常规事件引起的电流流动，如电池或电源的热插拔，系统输出的短路故障等。在没有浪涌电流规格的情况下，建议采用Imax<Vrated/(1+ESR)的值。
观察纹波电流/温度限制:纹波电流额定值通常基于产生给定器件温度高于环境温度所需的纹波量。除了产生的波形会违反电压或浪涌电流限制的情况外，纹波电流限制是一个热管理问题。评估数据表中规定纹波限值的测试条件，并根据实际应用条件调整这些限值。
用于聚合物和湿钽电容
当它们确实失效时，钽聚合物电容往往会变成一个热电阻，而不是一个迅速膨胀的热气体和弹片云。由于这一点以及组装引起缺陷的风险降低，它们的应用经验规则更简单一些:降低20%的电压，遵守推荐的纹波电流限制，并在高温下遵循制造商推荐的降级时间表。
对于湿钽电容来说，能够证明零件成本合理的那种应用也可能需要对系统逐个部件进行详细的可靠性分析，这使得经验法则的价值低于其他应用。因此，建议使用20%的标准降级因子，并建议用户注意这些器件中常见的相对较低的频率响应特性。