電容電介質(zhì)種類繁多，每種電介質(zhì)都有獨(dú)特特性，適用于特定應(yīng)用場景。材料與制造工藝的進(jìn)步，提升了電介質(zhì)的容量與耐壓能力，使其能適配更多應(yīng)用，甚至因電路需求取代其他類型的電容。

重大技術(shù)革新往往是為了滿足特定需求或突破特定應(yīng)用的局限。固體鉭電容與濕式鉭電容以優(yōu)異的能量密度和可靠性著稱，其中濕式鉭電容更能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。但受限于規(guī)格參數(shù)、工作要求與成本，二者的應(yīng)用范圍往往受到制約。

聚合物鉭電容的問世解決了這一痛點(diǎn) —— 它僅需極低的電壓降額，就能拓展可用容量與耐壓范圍，進(jìn)而減少電路中所需的電容數(shù)量或縮小元件占位面積。因此，聚合物鉭電容正逐漸成為諸多應(yīng)用場景的最優(yōu)解。本文將對比三種鉭電容電介質(zhì)的降額差異。

固體鉭電容與聚合物鉭電容的性能對比

性能與可靠性是設(shè)備的核心基礎(chǔ)。理解電容的使用工況與降額原因，能幫助工程師在對比不同電容技術(shù)時，更高效地做出選型決策。

鉭電容制造商在出廠前會進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計與測試，確保只有高品質(zhì)產(chǎn)品流入市場。但 PCB 組裝過程中的熱應(yīng)力，可能會降低電容的耐壓閾值，這種影響通常在設(shè)備上電或遭遇瞬態(tài)事件時顯現(xiàn)。不過，當(dāng)電容完成自修復(fù)后，短時瞬態(tài)與上電操作不會影響其長期可靠性。

固體鉭電容在額定電壓（RV）及以上電壓下工作，極易發(fā)生損壞甚至災(zāi)難性失效，因此電壓降額是保障器件可靠性的關(guān)鍵手段。電容可靠性通常以每千小時失效率來表示：在接近額定電壓的條件下工作時，鉭電容的失效率約為 0.1%~1%/ 千小時，且大多數(shù)失效發(fā)生在初次上電階段 —— 這類失效通常不計入穩(wěn)態(tài)工作失效率的統(tǒng)計范疇。

在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計時，需根據(jù)實(shí)際工況，結(jié)合美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）手冊中提供的電壓降額系數(shù)（F_U）、溫度系數(shù)（F_T）與串聯(lián)電阻系數(shù)（F_R），對基本失效率（F_B）進(jìn)行修正。這些系數(shù)的數(shù)值越低，電容的失效率降幅越顯著。

工程師可借助圖 1 所示的圖形化計算器，評估不同工況下各修正系數(shù)對失效率的影響。例如，當(dāng)工作溫度為 40℃、施加電壓為額定電壓的 60% 時，失效率修正系數(shù)約為 0.00001。

1.這款圖形化工具可根據(jù)工作溫度與電壓比，估算元件的失效率乘數(shù)。將選定的溫度與電壓值用直線連接，直線與圖表的交點(diǎn)即為對應(yīng)的乘數(shù)數(shù)值。

商用固體鉭電容的標(biāo)準(zhǔn)失效率等級為M 級（1%/ 千小時）。針對高可靠性應(yīng)用場景，相關(guān)方制定了MIL-STD-217 標(biāo)準(zhǔn)：要求對電容進(jìn)行 50% 的電壓降額，以實(shí)現(xiàn) 5~15 的失效單位（FIT）——1FIT 代表每十億小時發(fā)生一次失效。

電壓加速因子及其對電容可靠性的影響

電壓加速因子（VAF） 是設(shè)計高可靠性電容的核心參數(shù)，它能量化電壓與溫度對電容失效率的影響（詳見公式）?！禡IL-HDBK-217F Notice 2》手冊提供了基本 FIT 值的計算方法，以及基于各類因素的修正準(zhǔn)則。

隨著溫度與施加電壓的升高，電容的 FIT 值會呈指數(shù)級增長。例如，當(dāng)溫度升至 125℃時，F(xiàn)IT 值會增至原來的 5 倍；若同時施加額定電壓（100% RV），F(xiàn)IT 值甚至?xí)^ 5000。這種指數(shù)級增長凸顯了合理降額對維持電容可靠性的重要性。通過理解并應(yīng)用電壓加速因子，工程師能夠預(yù)測并延長電容的使用壽命與性能，確保其適配各類應(yīng)用場景。

溫度對 FIT 值的影響因子為 5，而電壓的影響更為顯著 —— 其指數(shù)影響因子高達(dá) 17。當(dāng)施加電壓超過額定電壓的 60% 后，影響因子會急劇翻倍：電壓為額定值的 70% 時，因子為 14.7；80% 時，因子飆升至 134；電壓進(jìn)一步升高后，因子會突破更高量級。由此可見，當(dāng)降額系數(shù)（S）超過 60% 時，電壓加速因子會對電容的 FIT 值產(chǎn)生決定性影響。

圖 2 源自軍用標(biāo)準(zhǔn)手冊，它展示了溫度對 FIT 值的影響，同時用四條曲線體現(xiàn)了額定電壓的作用權(quán)重。

2.  電容失效率（FIT）隨溫度升高而上升，且施加電壓越接近額定值，失效率增幅越顯著。該圖直觀呈現(xiàn)了溫度與電壓應(yīng)力對元件可靠性的疊加影響。

基于電壓、溫度與阻抗的降額準(zhǔn)則，提升元件可靠性

提升元件可靠性是產(chǎn)品開發(fā)的核心目標(biāo)，這推動了指數(shù)型失效率等級元件的誕生。這類元件會通過高溫壽命測試，結(jié)合指數(shù)模型預(yù)測其整體可靠性。常見的可靠性等級包括P 級（0.1%/ 千小時）、R 級（0.01%/ 千小時）與 S 級（0.001%/ 千小時）。

威布爾電壓分級是固體鉭電容的另一項可靠性標(biāo)準(zhǔn)，其目的是篩選出早期失效品、消除批次差異、剔除性能異常的產(chǎn)品批次。該分級的等級包括 B 級（0.1%/ 千小時）、C 級（0.01%/ 千小時）與 D 級（0.001%/ 千小時）。

在符合電壓、溫度與阻抗降額準(zhǔn)則的前提下，固體鉭電容（模塑型、涂覆型、密封型）的使用壽命幾乎是無限的 —— 因為降額工況下的電介質(zhì)不會出現(xiàn)老化損耗。這類電容的失效通常集中在早期（如初次上電階段），且失效率會隨時間推移逐漸降低。

盡管溫度、電路阻抗、紋波電流與機(jī)械應(yīng)力都會影響電容可靠性，但施加電壓是最關(guān)鍵的因素。電壓降額不僅能提升電容的長期可靠性，還能優(yōu)化其初次上電的性能表現(xiàn)。與之形成對比的是，鋁電解電容的失效率遵循“浴盆曲線”—— 其壽命末期的失效率會顯著上升，這與固體鉭電容的可靠性特征截然不同（見圖 3）。

3.  固體鉭電容的失效率特征與鋁電解電容存在顯著差異：鋁電解電容的失效率呈 “浴盆曲線” 分布，壽命末期的失效率會明顯升高。

基于電壓降額對可靠性的關(guān)鍵影響，所有鉭電容制造商都會為其產(chǎn)品提供降額指南。Vishay 參考《EIA-809 標(biāo)準(zhǔn)》以及 NASA 與軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求，制定了圖 4 所示的推薦降額準(zhǔn)則。通常情況下，電容的工作電壓應(yīng)控制在額定電壓的 50%~60%；對于額定電壓≥35V 的產(chǎn)品，Vishay 建議采用更高的降額比例，降額幅度至少達(dá)到 50%。

4.  該表為 Vishay 參考《EIA-809 標(biāo)準(zhǔn)》、NASA 與軍用標(biāo)準(zhǔn)制定的降額指南，適用于工作溫度低于 85℃的場景。

導(dǎo)電聚合物鉭電容誕生之初，其核心優(yōu)勢在于陰極體系的等效串聯(lián)電阻（ESR）遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二氧化錳（MnO?）鉭電容—— 這是因為聚合物的導(dǎo)電率比二氧化錳高出數(shù)個數(shù)量級。除了極低的 ESR，工程師還發(fā)現(xiàn)，聚合物陰極在電壓應(yīng)力下的表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

耐熱性對比：固體鉭電容 vs 聚合物鉭電容

兩種鉭電容均具備自修復(fù)機(jī)制，但技術(shù)原理存在本質(zhì)區(qū)別。

固體鉭電容的陰極材料為二氧化錳，器件內(nèi)部含有氧源。當(dāng)電容出現(xiàn)漏電流增大的情況時，電流會流經(jīng)電介質(zhì)的缺陷部位并產(chǎn)生局部溫升，缺陷區(qū)域的溫度隨之升高。

溫升會促使二氧化錳被還原為三氧化二錳（Mn?O?）—— 這種物質(zhì)的電阻比二氧化錳高出數(shù)個數(shù)量級。由此，潛在失效點(diǎn)會被電氣隔離，漏電流也會降至可接受范圍。二氧化錳還原過程中釋放的氧氣，會被五氧化二鉭電介質(zhì)吸收。

但如果溫升失控或升溫速度過快，就可能引發(fā)危險的燃爆事件。

相比之下，聚合物鉭電容的自修復(fù)過程更為安全：潛在失效點(diǎn)的局部溫升會使聚合物材料失去導(dǎo)電性，缺陷部位被絕緣隔離，漏電流隨之降低。這類電容的失效模式通常為短路，但屬于無害失效—— 失效時不會發(fā)生燃燒，因此聚合物鉭電容的降額指南更為寬松：

• 額定電壓≤10V 的產(chǎn)品：工作電壓可達(dá)到額定值的 90%

• 額定電壓＞10V 的產(chǎn)品：工作電壓可達(dá)到額定值的 80%

聚合物鉭電容現(xiàn)已擁有對應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)《MIL-PRF-32700》，為用戶提供選型與應(yīng)用指導(dǎo)。其失效率的定義方式與二氧化錳鉭電容不同 —— 因為聚合物鉭電容的壽命性能更優(yōu)。同時，這類電容無法按照二氧化錳鉭電容的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行威布爾分級，原因是其失效特征不滿足威布爾分布的判定條件。

為了更精準(zhǔn)地評估聚合物鉭電容的失效率，工程師會采用高加速壽命測試（HALT） 來確定其失效率等級。聚合物鉭電容的材料體系與生產(chǎn)工藝，與二氧化錳鉭電容存在本質(zhì)差異，這也是其降額要求大幅降低的核心原因。圖 5 為《MIL-PRF-32700》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聚合物鉭電容降額推薦值。

5.  該表列出了《MIL-PRF-32700》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的聚合物鉭電容降額推薦電壓（直流）。

對比兩種鉭電容可以發(fā)現(xiàn)：在符合電壓與溫度降額準(zhǔn)則的前提下，二者均能實(shí)現(xiàn)超長使用壽命。

例如，一項針對 100 個樣品的壽命測試顯示：在額定溫度與額定電壓下工作 1000 小時后，電容的失效率約為 2.3%/ 千小時（見圖 6）。即便測試中未出現(xiàn)失效案例（失效數(shù) m=0），該失效率在多數(shù)應(yīng)用場景下仍無法被接受。而通過對二氧化錳鉭電容進(jìn)行 50% 的電壓降額、對聚合物鉭電容進(jìn)行 20% 的電壓降額，電容的預(yù)測失效率可降至約 0.1%/ 千小時，平均無故障時間（MTTF）也會從 5 年延長至 100 年以上。

6.  該圖基于電壓與溫度加速模型，對比了二氧化錳與聚合物鉭電容的輸入?yún)?shù)、對應(yīng)的失效率及平均無故障時間（MTTF）。

電壓降額有兩個明確目標(biāo)：一是避免電容在 PCB 貼裝后及初次上電時失效；二是防止電容在溫度 / 電壓應(yīng)力下發(fā)生電介質(zhì)擊穿。設(shè)計時需注意區(qū)分穩(wěn)態(tài)失效率與上電 / 浪涌事件引發(fā)的失效。

前文提到，鉭電容的自修復(fù)特性意味著并非所有異常事件都會導(dǎo)致器件失效，而失效率的降低通常是基于穩(wěn)態(tài)工作條件的統(tǒng)計結(jié)果。瞬態(tài) / 浪涌事件可能在任意時刻發(fā)生，這類高應(yīng)力沖擊造成的失效，往往無法通過自修復(fù)機(jī)制避免。

濕式鉭電容的降額要求

濕式鉭電容采用完全不同的技術(shù)路線，其陰極材料為液態(tài)電解質(zhì)而非固體材料。液態(tài)電解質(zhì)具備真正的自修復(fù)能力，且不會對電介質(zhì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力。憑借高可靠性與長壽命的優(yōu)勢，濕式鉭電容多年來一直被廣泛應(yīng)用于惡劣環(huán)境場景。

這類電容的可靠性已得到充分驗證，額定壽命可達(dá) 10000 小時，且采用密封封裝設(shè)計 —— 因此除了溫度、沖擊與振動外，無需考慮其他環(huán)境因素的影響。濕式鉭電容的大部分制程步驟，與兩類固體陰極鉭電容基本一致。

對于濕式鉭電容，當(dāng)工作溫度在-55℃~+85℃范圍內(nèi)時，其最大工作電壓可等于額定電壓；當(dāng)溫度超過 85℃時，最大工作電壓會隨溫度升高線性降低：在最高工作溫度 + 125℃時，最大工作電壓降至額定電壓的 2/3。對于 Vishay 134D、135D、T11、T24、T34 等更高耐溫系列的產(chǎn)品，在極限溫度下，最大工作電壓需降至額定電壓的 50%。當(dāng)溫度高于 85℃時，行業(yè)通常將最大工作電壓稱為類別電壓。圖 7 展示了額定電壓與類別電壓的比值關(guān)系。

7.  該曲線展示了高溫環(huán)境下，電容允許施加的電壓占 85℃額定電壓的比例，同時標(biāo)注了各工況對應(yīng)的壽命測試驗證等級。

盡管大多數(shù)濕式鉭電容系列在≤85℃的溫度下工作時，無需進(jìn)行電壓降額，但仍需確保直流偏置電壓與交流紋波電壓的總和不超過額定電壓 。為了進(jìn)一步提升可靠性，建議預(yù)留 10%~20% 的安全裕量 —— 即在≤85℃的工況下，電壓總和不超過額定電壓的 80%~90%；當(dāng)溫度高于 85℃時，電壓總和需按相同比例，基于類別電壓進(jìn)行限制。

大量歷史數(shù)據(jù)驗證了濕式鉭電容的可靠性：在 85℃、額定電壓下，其壽命可達(dá) 10000 小時；在 125℃、降額電壓下，壽命同樣能達(dá)到 10000 小時；此外，還有相關(guān)數(shù)據(jù)證明，這類電容可在 200℃甚至 230℃的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。工程師只需補(bǔ)充少量測試數(shù)據(jù)，結(jié)合 Excel 的 FIT 曲線計算器，就能精準(zhǔn)預(yù)測電容在中間溫度區(qū)間的使用壽命，從而為高溫應(yīng)用場景提供可靠的壽命預(yù)期（見圖 8）。

8.  該曲線展示了濕式鉭電容的壽命與溫度的關(guān)系，擬合的指數(shù)衰減曲線直觀體現(xiàn)了工作溫度與器件預(yù)期壽命的強(qiáng)負(fù)相關(guān)性。

針對航天等高可靠性應(yīng)用場景，NASA 制定了專屬的電容降額規(guī)則（見圖 9）。需要注意的是，該規(guī)則目前未涵蓋聚合物鉭電容，且鉭箔電容現(xiàn)已停產(chǎn)。從規(guī)則中可以看到，NASA 要求固體鉭電容在 70℃（而非 85℃）以下環(huán)境工作時，電壓降額比例至少達(dá)到 50%；當(dāng)溫度超過 70℃時，需進(jìn)一步提高降額幅度。這一要求與濕式鉭電容的降額規(guī)范相近。

9.  該表列出了 NASA 針對不同類型電容制定的降額規(guī)則，包含對應(yīng)的軍用型號、電壓降額系數(shù)與最高環(huán)境溫度限制，為航天級應(yīng)用的元件選型提供指導(dǎo)。

結(jié)論

三種主流鉭電容的降額要求存在顯著差異，這源于它們采用了不同的陰極體系。電壓降額是提升電容長期可靠性與初次上電性能的最有效手段。理解這些差異，是確保電容可靠性達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵：二氧化錳固體鉭電容需降額 50%，聚合物鉭電容需降額 20%，而濕式鉭電容雖無強(qiáng)制降額要求，但建議預(yù)留 10%~20% 的安全裕量。

這些降額要求的差異，直接影響了電容的電氣性能表現(xiàn)。在選型階段對比三類鉭電容時，工程師可據(jù)此優(yōu)化電路板面積、設(shè)備重量與制造成本。