钽（tan），英文名是Tantalum ，主要存在于钽铁矿中，同铌共生。

钽有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。

 

钽是一种过渡金属元素，化学符号为 Ta，原子序数为 73。它具有一些独特的物理和化学性质，使其在许多高科技和工业应用中非常重要。以下是钽元素的一些关键特性和全球储存情况的介绍：

 

钽的特性

高熔点：钽的熔点高达 3017°C，使其在高温应用中非常有价值。

 

抗腐蚀性：钽对许多化学物质具有很强的抵抗力，包括酸和碱，这使其在化工和医疗领域广泛应用。

 

高密度：钽的密度为 16.65 g/cm³，接近黄金的密度。

 

良好的导电性：钽具有良好的电导率和热导率。

 

生物相容性：钽在生物环境中表现出良好的相容性，因此常用于制造医疗植入物。

 

钽的应用

电子行业：用于制造钽电容器和高功率电阻器。

 

航空航天：用于制造高温合金和喷气发动机部件。

 

医疗领域：用于制造外科植入物和医疗设备。

 

化工行业：用于制造耐腐蚀设备和容器。

 

全球钽储量及分布

根据美国地质调查局（USGS）的数据，全球钽的已探明储量主要分布在以下几个国家：

 

澳大利亚：澳大利亚拥有世界上最大的钽储量，占全球储量的很大一部分。

 

巴西：巴西也是钽的重要生产国，拥有丰富的钽矿资源。

 

卢旺达和刚果（金）：这两个非洲国家是钽矿的主要来源，特别是在卢旺达，钽矿是其重要的出口商品。

 

加拿大：加拿大也有一定量的钽储量，但开采量相对较小。

 

钽的供应和潜在枯竭问题

虽然钽是一种相对稀有的元素，但由于其重要的工业用途，全球对钽的需求持续增长。以下是钽供应面临的一些挑战：

 

供应集中：钽的主要供应来源集中在少数几个国家，这使得供应链容易受到地缘政治和经济波动的影响。

 

环境和社会问题：特别是在非洲国家，钽矿开采可能涉及非法采矿和冲突矿产问题，这对供应链的稳定性和可持续性构成挑战。

 

资源有限：虽然目前已探明的钽储量可以满足短期需求，但长期来看，随着高科技产业的发展，钽的需求可能会进一步增加，导致资源逐渐枯竭的风险。

 

可持续性和替代方案

为了应对钽资源可能枯竭的问题，以下几种策略和研究方向被提出：

 

资源回收：提高钽的回收率，从废旧电子设备中回收钽是一个重要的方向。

 

替代材料：研究和开发钽的替代材料，例如高性能陶瓷材料或其他金属合金，以减少对钽的依赖。

 

提高采矿效率：采用先进的采矿和提炼技术，提高钽矿的开采和提炼效率。

 

综上所述，钽作为一种关键的工业金属，其全球储量相对有限，供应面临一定的挑战。但通过技术创新和可持续发展措施，可以缓解钽资源枯竭的风险。

 

虽然钽的抗腐蚀性很强，但是其抗腐蚀性是由于表面生成稳定的五氧化二钽（Ta2O5）保护膜。

 

简单的说，固体钽电容是将钽粉压制成型,在高温炉中烧结成阳极体,其电介质是将阳极体放入酸中赋能,形成多孔性非晶型Ta2O5介质膜,其工作电解质为硝酸锰溶液经高温分解形成MnO2 ,通过石墨层作为引出连接用。

 

钽电容和铝电解电容一样，如果需要形成足够大的电容值，是需要两个足够大的平面面积，和足够小且可控的平面间距。

 

钽电容是一种广泛应用于电子电路中的电容器，以其高容量、低漏电流和高稳定性而闻名。制造钽电容的过程涉及以下几个主要步骤：

 

一、原材料制备

 

从钽矿中提取钽，通过化学处理和还原过程得到钽粉。钽粉的纯度和颗粒大小对最终电容的性能有很大影响。

 

二、阳极制备：

 

1、压制成形

 

压制成型：将钽粉压制成所需形状的坯料，通常是圆柱形或矩形。

 

该工序目的是将钽粉与钽丝模压在一起并具有一定的形状。

 

在成型过程中要给钽粉中加入一定比例的粘接剂。

 

钽粉作为金属与钽丝充分接触导电，形成了阳极。

 

因为是颗粒状的所以其面积也是可以足够的大。

 

 

2、烧结

 

烧结：在高温下将坯料烧结，形成坚固的多孔结构。这一步骤使得钽粉颗粒之间形成良好的电接触。

 

在高温、高真空条件下将刚刚压制成形的钽坯烧成具有一定机械强度的钽块。

 

 

三、阳极氧化：

 

形成钽氧化层：将烧结后的钽阳极在电解液中进行电化学氧化，形成一层氧化钽（Ta2O5）。这层氧化物层是钽电容的介质层，决定了电容器的电性能。

 

1、赋能

 

赋能工序是很关键的一道工序，它利用电化学的方法，在阳极表面生成一层致密的绝缘Ta2O5（五氧化二钽）氧化膜，以作为钽电解电容器的介质层。

 

过程为成架的产品浸入形成液中（通常为稀硝酸液）一定深度，硝酸溶液会渗透到钽块内部的孔道内，再将钽块作为阳极通以电流，硝酸分解出氧，就会在与硝酸接触的钽粒子表面生成Ta2O5（五氧化二钽）氧化膜。

 

 

氧化膜厚度：电压越高，氧化膜的厚度越厚，所以提高赋能电压，氧化膜的厚度增加，容量就下降。

 

耐压和容量自然是矛盾的，间距越大，按照电容公式其实现的电容值就越小，但是能够实现的耐压值就会越大，因为击穿所需要的电压变大了。

 

四、阴极制备：

 

1、二氧化锰沉积：将氧化后的钽阳极浸泡在二氧化锰溶液中，通过化学反应在阳极表面形成一层二氧化锰（MnO2），作为电容器的阴极。

 

被膜：通过多次浸渍硝酸锰，分解制得二氧化锰的过程。

 

被膜是将已经赋能好的钽电容进行清洗干燥后，浸在硝酸锰溶液中，硝酸锰溶液一直深入到钽块内部孔洞，硝酸锰加热分解变成二氧化锰形成电容的阴极。此工序须重复多次直到内部间隙都充满二氧化锰，这样保证二氧化锰的覆盖率使电容的容量足够的大。

 

这里二氧化锰是电容的阴极，紧贴介质层，这样可以有足够的面积S。

 

同时我们期望电极的电阻率比较小，这样可以有足够小的ESR。

 

通过上面的描述和动画，我们可以看到阳极是钽金属、介质层是五氧化二钽、阴极是二氧化锰。因为钽粉是颗粒状压制的，所以表面积足够大、五氧化二钽是通过化学反应实现的，所以是包裹在钽粉表面，同时通过多次处理让二氧化锰也是包裹在五氧化二钽的表面。

 

在Ta2O5膜上被一层MnO2,作为电容器的阴极。这就是我们在此前电解电容器的结构特点中阐述的其阴极为非金属材料----“电解质”。

 

除了电解质为MnO2的钽电容，还有Polymer（高分子聚合物）为电解质的钽电容。Polymer钽电容仅将阴极材料从MnO2换成了Polymer，其余工艺基本是一样的，但改变了很多特性：

 

1）显著提高电容器高频特性，拓展了电解电容器适用的频率范围。导电Polymer材料导电率是MnO2的 10~1000倍，有效降低电容器的ESR。

 

2）Polymer材料柔软有弹性，被膜过程最高温度+120℃，Polymer钽电容的失效率比MnO2钽电容的失效率更低。

 

3）Polymer的另一个优势是氧含量低，钽块与氧结合导致燃烧的机率大大减少。

 

钽电容的全称叫做二氧化锰钽电容，也正是这个结构特点形成了“钽电容”失效模式是火花四溅：

 

二氧化锰钽电容（通常简称为钽电容）在特定条件下可能会发生爆炸，这是因为钽电容在电气和环境条件恶劣时容易发生故障。以下是一些可能导致钽电容爆炸的原因：

 

过电压

钽电容对电压的耐受能力有限，如果施加的电压超过了其额定电压，钽电容的绝缘层可能会被击穿。这会导致电流激增，产生大量的热量，从而引发电容爆炸。

 

反向电压

钽电容通常是极性电容，需要正确连接正负极。如果连接反了，钽电容会在反向电压下工作，这会导致绝缘层劣化和热量积累，从而引发爆炸。

 

过流

当通过钽电容的电流超过其设计值时，内部电阻会发热。这种热量可能会导致钽电容内部的氧化钽层和二氧化锰层之间的化学反应加剧，最终导致电容失效和爆炸。

 

温度过高

钽电容对环境温度有一定的耐受范围。在高温环境下，钽电容的内部结构可能会发生变化，特别是二氧化锰层会发生分解，从而导致电容失效和爆炸。

 

电容缺陷

制造过程中，如果钽电容的氧化层不均匀或有缺陷，在工作过程中这些缺陷可能会成为热点，导致局部过热，从而引发爆炸。

 

脉冲负载

钽电容对快速变化的脉冲负载比较敏感。如果电路中有大幅度的电流脉冲，钽电容可能无法迅速适应，导致电流过大，产生过热现象，从而引发爆炸。

 

爆炸的过程

当钽电容内部过热时，二氧化锰（MnO2）会发生分解，释放出氧气。这些氧气会进一步与钽（Ta）反应，生成更多的热量和氧化钽（Ta2O5）。这种热量累积到一定程度时，会导致电容器外壳破裂，并可能引发火焰或爆炸。

 

预防措施

为了避免钽电容爆炸，可以采取以下措施：

 

正确选择和使用钽电容：确保钽电容的额定电压、额定电流和工作温度范围适合具体应用。

 

正确连接极性：严格按照标识连接正负极，避免反向连接。

 

避免过载和过压：设计电路时，确保施加在钽电容上的电压和电流在其额定范围内。

 

环境控制：避免在极端温度环境下使用钽电容。

 

2、石墨层和银层涂覆：在二氧化锰层上涂覆石墨层和银层，以提高导电性并提供良好的电接触。

 

被石墨银浆  

 

石墨层作为缓冲层，主要目的是减小了ESR，同时可以防止银浆与二氧化锰接触导致银氧化。

 

银浆层的目的是与石墨层接触，提供一种等电位表面。

 

五、封装：

 

封装材料选择：选择合适的封装材料，通常是环氧树脂或塑料。

 

封装过程：将处理好的阳极和阴极封装在封装材料中，形成最终的电容器形状。

 

切断、装配

 

将被银后的产品定距切断，在切断前先对钽丝表面的氧化膜刮除，防止虚焊，再将阳极焊接在框架上，阴极通过银膏固化与框架托片结合在一起。

 

模塑

 

将装配后的框架条产品模塑包封。

 

 喷砂

 

打印

 

打印产品的标称电容容量、电容额定电压和阳极标识以及厂家信息。

 

 

切边

 

六、测试和分级：

 

电气性能测试：对电容器的电容量、漏电流、等效串联电阻（ESR）等进行测试，确保其符合设计规格。

 

质量检验：进行外观和物理性能检查，确保电容器的质量和可靠性。

 

老化筛选

 

测试

 

老炼浪涌测试完的产品会进行电性能四参数的测试，容量、损耗、漏电流及ESR，不合格品会自动剔除到收集盒。

 

容量：测试频率是100Hz

 

损耗：测试频率是100Hz

 

漏电流：IL判定标准为不大于0.02CU（C为标称容量,U为测试电压）.

 

编带

 

注：文中动画节选自AVX钽电容生产介绍视频