タンタルコンデンサに関する3つの重要事項
はじめに
タンタル（Ta）は、希少で硬質、青灰色で光沢のある遷移金属であり、耐食性に優れ、熱と電気を通す。また、150℃以下のアクアレギアに対して優れた耐性を示します。その優れた物理的・化学的特性から、タンタルは主にエレクトロニクス、合金などの分野で使用されている。図1は2016年のタンタルの製品出荷量を示している[1]。ほとんどのタンタルはエレクトロニクスに属する陽極としてキャパシタに使用され、その他は主に合金、化学薬品、スパッタリングターゲットに使用されている。2021年には、タンタルの需要の約70%はエレクトロニクス産業からのものである：コンデンサ用アノード、半導体ターゲット、アノード用焼結ライナー[2]。まず、タンタル・コンデンサーについて説明しよう。
図1：2016年のタンタル製品出荷量 [1］
タンタルコンデンサはどのように作られるのか？
他のコンデンサと同様に、タンタルコンデンサには陽極、陰極、電解液の3つの部品があります。陽極には純タンタル粉末と 線材を使用します。
タンタルワイヤーの周りにタンタル粉末を圧縮することで、タンタルの「ペレット」形状を得る。このペレットを約1200～1800℃で焼結し、不純物を取り除きます。この過程で、粉末は多孔質構造にもなり、静電容量値を高めることができる。つまり、タンタルコンデンサは、アルミコンデンサなどの他のコンデンサに比べて、体積あたりの静電容量値が高いのです。
焼結後、外側のタンタル層がTa2O5に変化することにより、タンタル粒子表面の外側に誘電体が形成されます。このプロセスは陽極酸化と呼ばれます。誘電体の厚さはコンデンサの耐電圧に直接関係します。各コンデンサは、信頼性の高い機能を確保するために、安全マージンの酸化層の厚さを持つ必要があります。
最後のステップは、誘電体の外側に陰極を追加することです。湿式タンタルコンデンサは、タンタル部分を浸すために液体電解質を使用し、湿式タンタルコンデンサは筐体で覆われています。筐体と液体電解液は、湿式タンタル・コンデンサの陰極として機能する。固体タンタルコンデンサは、陽極をMn(NO3)2水溶液に浸し、約250℃で焼成すると、誘電体の外側にMnO2層が形成されます。ペレット "の外側に十分な厚さのMnO2層が形成されるまで数回繰り返す。その後、グラファイトと銀に浸し、MnO2カソードから外部カソード終端までの良好な接続を得ます。図2に固体タンタルコンデンサーの簡単な図を示します。
図2：固体タンタル・コンデンサの断面図
タンタル・コンデンサの長所と短所
長所
タンタルコンデンサはアルミコンデンサやセラミックコンデンサに比べて周波数特性に優れ、寿命が長い。また、等価直列抵抗が小さいため、大電流を流しても発熱が少ない。さらにタンタル・コンデンサは、前述のように体積あたりの静電容量が最も大きい。これらの利点により、タンタルコンデンサはノートパソコンやスマートフォンなどの電子分野で人気があります。
デメリット
しかし、タンタル・コンデンサは、アルミ・コンデンサや積層セラミック・コンデンサ（MLCC）、さらにはニオブ・コンデンサほど広く使われているわけではない。その理由の一つは、タンタル金属の供給と価格が不安定であることだ。小型タンタル・コンデンサをMLCCで、大型タンタル・コンデンサをアルミ・コンデンサで置き換えるケースも出てきている。
タンタルコンデンサは分極しているため、交流電流以外では直流電流でしか使用できない。また、電圧スパイク時に陽極がMnO2陰極に接触すると、タンタルコンデンサは化学反応を起こし、発煙・発火する危険な故障モードを起こすことがあります。これを防ぐため、タンタルコンデンサは電流リミッタや温度ヒューズと一緒に使用する必要があります。
タンタルコンデンサの用途
タンタルコンデンサは、体積あたりの静電容量が大きく、安定性に優れ、周波数特性にも優れているため、主にタンタルコンデンサが使用されています。タンタルコンデンサは、静電容量が経時的に安定するため、軍事用途においてアルミ電解コンデンサの代替として使用されます。また、医療用電子機器にもタンタルコンデンサが使用されています。電子製品の中で、タンタルコンデンサが最も多く使用されているのは、デスクトップPCとノートPCである。そして意外なことに、スマートフォンや携帯電話ではタンタルコンデンサの使用量は非常に少ない。
タンタルのリサイクル
タンタル製品の消費量の増加に伴い、タンタルを含む廃棄物が大量に発生しています。超合金やスパッタリングターゲットの製造時の生産廃棄物や、電子産業からの使用済み廃棄物が大幅に増加した。これに対して、タンタルの需要と供給のギャップはますます大きくなっている。このギャップを埋めるために、タンタル廃棄物のリサイクルが再び発展し始めた。
リサイクルは消費前リサイクルと消費後リサイクルの2つに分けられる[3]。ほとんどのタンタルは生産前のスクラップからリサイクルされる。消費前リサイクルは、鉱物廃棄物の発生を伴う総生産プロセスを効率的に改善することができる。タンタル濃度、洗浄コスト、サイズ、経済性がリサイクル戦略に影響を与える主な要因である。
タンタルの消費後リサイクルは、CuやAuのような他の金属に比べてタンタルの濃度が低いため、あまり発展していない。高温冶金タンタル製品の場合、タンタルの消費後リサイクルのプロセスは非常に複雑である。小型のタンタルコンデンサは、この状況をさらに悪化させる。消費後のタンタル製品をリサイクルする経済的で環境に優しい方法を作るために、もっと研究を進めるべきである。
引用
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021).タンタルの世界市場動向と廃タンタルコンデンサからのリサイクル方法：Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
- Zogbi, D. M. (2021, May 10).タンタルのサプライチェーン：2021 年世界市場の最新情報。TTI, Inc.2023 年 1 月 4 日、https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html から取得。
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021).タンタルの世界市場動向と廃タンタルコンデンサからのリサイクル方法：Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
