三种电容的参数差异及应用区别作简要列表比较:
钽电容与铝电容的差异讨论
氧化膜是电解电容器的心脏部分，它的质量关系到产品性能的优劣，它采用电化学方式生成使得电解电容在结构和性能上具有不同于一般电容的独特之处，其中，电解电容的优点：容量大/体积小 ，正是由于氧化膜的特性（介质常数大、面积大且厚度小）才具有的。而同时，电解电容的各项缺陷也是由于氧化膜的局限性所造成。关于它的生长机理及特性的理论解释尚未完善，其有三个基本特性：整流效应、自愈作用和工作电压极限。下面就钽电容和铝电容的氧化膜及相关特性差异进行比较：
1） 阳极氧化膜的结构与形成液的关系
a. 不溶解氧化膜的形成液：形成结构致密的膜层，高工作电压特性好；
b. 能溶解但也能生成氧化膜的形成液：多孔结构的氧化膜。
在形成液中形成的氧化膜，不论是铝或钽金属，如未经过特殊处理，所得氧化膜均属于无定形结构。由于无定形铝氧化膜容易和水起反应，需要形成晶型的才不易，所以铝氧化膜一般要形成晶型；而钽氧化膜则要保持无定性结构，因为出现局部晶化将导致介质性能恶化。
钽金属极易形成氧化膜，其与氧化膜的化学稳定性均很高，低压形成时效率高（电流密度高）；水合膜对于高压或中压（160V以上）的铝电解电容有好处，能提高性能，但对低压而言，则不利，它可自然形成，由于不可能得到薄于10nm的水合膜层，它的一部份组成工作介质可使电压下降2V左右（1～1.4nm/V），因此，要想制造极低工作电压（3V）的大容量铝电容器而又不把氧化膜搞厚是有困难的。
总结：氧化膜特性不同导致大容量铝电容难以做成极低电压规格。
2） 关于钽氧化膜的晶化及避免晶化的原因
a.无法获得一完整的结晶氧化膜；
b.结晶氧化膜性能不优越，在相同形成电压下，厚度为无定形一倍；
c.局部晶化的存在使电性能恶化严重，漏电流急剧上升 ，电压升不上。
场致晶化的影响：使无定形膜剥离，性能劣化，漏电流剧增、损耗角正切增大；氧化膜增厚，电容量下降。
3） 闪火与晶化的关系及燃烧机理
氧化膜在形成过程中会出现局部闪火的现象（膜的局部击穿），这与氧化膜上的针孔或裂缝有关， 针孔或裂缝里所填充的气体或形成电解液在外加电场达到气（液） 体的热击穿条件发生闪火（释氧造成），闪火使膜发生局部击穿，虽可通过继续阳极化获得修补（铝氧化膜），但对钽氧化膜，闪火后容易在该处形成核中心，促使晶化发展，所以闪火为场致晶化原因之一，闪火与晶化是互相促进的联系关系，形成过程中要控制发生闪火现象。
随着闪火/晶化的继续发生，释氧及晶化膜生长等需要电子/离子，从而漏电流急剧上升，无定形膜完整性被破坏，电子在结晶区的隙缝可以通过（正常工作时可以遇到），离子在晶化型氧化物中比较容易通过，在相同形成电压下，其厚度为无定形膜的一倍；使得容量下降（区域扩大）。晶化并不局限于阳极化过程中，甚至在正常工作电压条件下，特别是高温加高压时，也有出现的可能性。而且伴随着释氧过多，很容易导致钽电容燃烧“Ignition”失效。示意图见图4-1。
燃烧的机理：由于Ta2O5不可能完全纯净, 存在PPB级的金属杂质, 在存在金属杂质(小孔/裂缝)的地方,容易产生连续的电流, 在满足大电流及长时间的情况下， MnO2及Ta2O5开始加热,470℃时MnO2开始分解成Mn2O3 ,释放出O2, Mn2O3会形成保护层,此时叫自愈现象（见下面描述） ,但如果电流太大介质开始受热,温度升到520℃, Ta2O5变成晶型结构, 同时释放热量, 扩散阻止了Mn2O3的保护作用, 使电流不能减少,导致会形成更多的Mn2O3及O2,缺陷点附近的Ta受热后吸收O2 , 这是一个释放能量的反应因而会燃烧。
总结：钽电容在阳极化中需要注意避免闪火的出现，尽量避免使用于高压等严酷条件。
4） 阳极氧化膜的三特性：整流效应 、自愈作用和形成电压
a） 整流效应：
按照第二电极（或称阴极，对面电极）来划分有三种类型：液体电解质（形成过程或是已制成的，阴极均为液体－比如铝电容器；固体电解质，属于半导体类型，比如钽电容器；金属薄膜，依靠真空蒸发或阴极溅射工艺沉积到氧化膜表面，干式氧化膜电容器。
阳极氧化膜的单向导电性（整流效应），又叫做电导不对称性，反映为阳极氧化膜对电源电压方向有选择性，与半导体的整流效应比较，缺少实际应用上的意义，在讨论其作用时，不应当作整流器件来考虑。
对于整流的机理，到目前仍未有一致的观点：有两个公论较为典型：
i 阳极氧化膜的p－i－n结或p－n结理论
p－i－n结理论：认为整个阴极氧化膜为一个p－i－n结，该理论忽略三种不同对面电极的作用，与实际不够符合，因为对面电极为金属薄膜时，整流效应很不明显。由此，有人认为p－n结只存在于氧化膜与电解质的界面，整个阳极氧化膜应视为n型半导体。
ii 阳极氧化膜存在疵点理论
由于疵点的存在，正向时，电解质所提供的氧将起阻流作用。但当反向时，没有氧而会积累氢离子，氢离子获得电子析出，而伴随有电子流动。干式氧化膜时，反向时，疵点部位的电阻最低、电流最大（探针作为电极）。因此认为整流效应只发生在疵点部位。
b） 阳极氧化膜的自愈作用：
因第二电极而异：能否提供氧离子（电解液）进行修补或提供绝缘物隔离，各自机理不一样：对于液体电解质而言，能在外施加电压下，供应氧离子，使破坏的氧化膜得以迅速生长增厚，可将弱点补齐修复，即使有杂质或其他缺陷不能修复，由于释氧，有如塞头隔绝电解液与阳极的直接接触，给膜提供时间自动修复；但若工作电解液干涸，无法提供氧离子，则一遇到击穿就失效。此外，若氧化膜破坏得厉害，漏电流很大，热不平衡，局部修补无济于事。
固体电解质，严格来说不具有修补氧化膜的能力；当具有疵点导致介质击穿时，该处短路得局部发热效应引起与之接触的MnO2分解成的含氧量的Mn2O3（也有的说MnO） ， 但疵点温度需达到450℃才能产生如上化学分解， Mn2O3为导电能力很差的氧化物，从而产生电隔离（所以也不会出现如一般电解电容器那样在接通时起始冲击电流很大的现象 ）但如若发生场致晶化现象，则不会发生电隔离。另外，也有人认为Ta离子从钽阳极于MnO2的O离子结合生成新的局部氧化膜得到修补。
c） 形成电压－为什么说钽电容的工作电压要比铝电容小：
工作电压与形成电压有关系，而形成电压与钽、铝金属本身性质、结构等又有关系，且工作电压与形成电压有一比例关系，钽电解为1.2～1.8 ；固体钽为3～5。
固体电解质电容的上限工作电压低，还因为后续工艺进行高温热分解时，由于对氧化膜有破坏作用，使所生成的MnO2与膜的机械结合能力，以及膜与MnO2界面所形成的阻挡层强度显然小于膜与电解液之间所形成的阻挡层强度。另外， MnO2本身缺乏液体电解质所具有的强烈修补氧化膜的能力等。
5） 铝电容与钽电容的可靠因素考虑
电压值对寿命的影响，对固体钽电容更显著，因为铝氧化膜如出现损伤和被覆腐蚀后，还可以在工作中主动进行修补，而固体钽却没有这种积极主动的修补能力，一般是以降低工作电压来消极的保护氧化膜。从电压应力影响电容器寿命的角度来看，工作电压以不超过额定电压的80％为好。
然而对铝电解电容器来说，修补氧化膜也只能在最高的工作电压下进行，局部缺陷处难以修复到原始形成电压值下的氧化膜厚度，所以过分降低工作电压，对铝电解电容器并不是最适合的措施。相比较，铝电解电容以降低工作温度为关键；而钽电容则以降低工作电压为主要。
总结：正常使用中铝电容需要注意温度降额，钽电容需要注意电压降额。
本文分享自微信公众号 - 硬件工程师炼成之路（gh_3a15b8772f73）。
如有侵权，请联系 [email protected] 删除。
本文参与“OSC源创计划”，欢迎正在阅读的你也加入，一起分享。