Конденсаторная чума - Capacitor plague

Неисправные алюминиевые электролитические конденсаторы с открытыми отверстиями в верхней части банки и видимыми засохшими остатками электролита (красновато-коричневый цвет)

В конденсаторная чума была проблема, связанная с более высокой, чем ожидалось, интенсивностью отказов нетвердых алюминиевые электролитические конденсаторы в период с 1999 по 2007 год, особенно от некоторых тайваньских производителей,[1][2] из-за неисправности электролит состав, который вызвал коррозия сопровождается газообразованием, что часто приводит к разрыву корпуса конденсатора из-за накопления давление.

Высоко частота отказов встречались во многих известных брендах электроники и были особенно очевидны в материнские платы, видеокарты, и Источники питания из персональные компьютеры.

История

Первые объявления

Специализированный журнал сообщил о первых неисправных конденсаторах, связанных с проблемами тайваньского сырья. Производство пассивных компонентов в сентябре 2002 г.[1] Вскоре после этого два основных журнала по электронике сообщили об обнаружении в материнских платах широко распространенных преждевременно выходящих из строя конденсаторов тайваньских производителей.[3][4]

Эти публикации проинформировали инженеров и других технически заинтересованных специалистов, но проблема не получила широкого распространения до тех пор, пока Кэри Хольцман опубликовал свой опыт "утечки конденсаторов" в разгон Сообщество производительности.[5]

Общественное внимание

Последствия возгорания печатной платы, вызванного утечкой электролита, который закороченный проводники, несущие мощность

Новости из публикации Хольцмана быстро распространились в Интернете и в газетах, отчасти из-за впечатляющих изображений неисправностей - вздутия или взрыва конденсаторов, вытеснения уплотнительной резины и утечки электролита на бесчисленных печатных платах. Пострадали многие пользователи ПК, что вызвало лавину сообщений и комментариев в тысячах блогов и других веб-сообществах.[4][6][7]

Быстрое распространение новостей также привело к тому, что многие дезинформированные пользователи и блоги разместили фотографии конденсаторов, вышедших из строя по другим причинам, кроме неисправного электролита.[8]

Распространенность

Большинство поврежденных конденсаторов были произведены в период с 1999 по 2003 год и вышли из строя в период с 2002 по 2005 годы. Проблемы с конденсаторами, произведенными с неправильно подобранным электролитом, повлияли на оборудование, произведенное по крайней мере до 2007 года.[2]

Основные производители материнских плат, такие как Немного,[9] IBM,[1] Dell,[10] яблоко, HP, и Intel[11] пострадали конденсаторы с неисправными электролитами.

В 2005 году Dell потратила около 420 миллионов долларов США на прямую замену материнских плат и на логистику определения того, нуждается ли система в замене.[12][13]

Многие другие производители оборудования по незнанию собирали и продавали платы с неисправными конденсаторами, и в результате эффект конденсаторной чумы можно было наблюдать во всех видах устройств по всему миру.

Поскольку не все производители предлагали отзыв или ремонт, сделай это сам Инструкции по ремонту были написаны и опубликованы в Интернете.[14]

Обязанность

В выпуске журнала за ноябрь / декабрь 2002 г. Производство пассивных компонентовпосле первоначального сообщения о дефектном электролите сообщила, что некоторые крупные тайваньские производители электролитических конденсаторов отказываются от ответственности за дефектную продукцию.[15]

Хотя промышленные заказчики подтвердили отказы, они не смогли отследить источник неисправных компонентов. Неисправные конденсаторы были промаркированы неизвестными ранее брендами, такими как «Tayeh», «Choyo» или «Chhsi».[16] Эти марки нелегко связать со знакомыми компаниями или товарными брендами.

Производитель материнских плат ABIT Computer Corp. был единственным затронутым производителем, который публично признал, что в его продукции используются дефектные конденсаторы, полученные от тайваньских производителей конденсаторов.[15] Однако компания не стала раскрывать имя производителя конденсаторов, поставлявшего неисправную продукцию.

Промышленный шпионаж

Статья 2003 г. в Независимый утверждал, что причиной неисправных конденсаторов на самом деле была неверно скопированная формула. В 2001 году ученый, работающий в Rubycon Corporation в Японии, украл неправильно скопированную формулу электролитов конденсаторов. Затем он отнес неисправную формулу в компанию Luminous Town Electric в Китае, где он раньше работал. В том же году сотрудники ученого покинули Китай, снова украли неправильно скопированную формулу и переехали на Тайвань, где они бы создали свою собственную компанию, производящую конденсаторы и распространяющую еще больше этой ошибочной формулы конденсаторных электролитов.[17]

Симптомы

Общие характеристики

Нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы с неправильно составленным электролитом в основном относились к так называемым «низким эквивалентное последовательное сопротивление (СОЭ) "," низкий сопротивление ", или серия электронных крышек" с высоким пульсационным током ". Преимущество электронных крышек, в которых используется электролит, состоящий из 70% воды или более, заключается, в частности, в низком ESR, что позволяет пульсирующий ток, а также снижение производственных затрат, поскольку вода является наименее дорогим материалом в конденсаторе.[18]

Сравнение алюминиевых электронных крышек с разными нетвердыми электролитами
ЭлектролитПроизводитель
серия, тип		Размеры
Д × Д
(мм)		Максимум. СОЭ
при 100 кГц, 20 ° C
(мОм)		Максимум. пульсирующий ток
при 85/105 ° C
(мА)
Нетвердый
органический электролит		Vishay
036 RSP, 100 мкФ, 10 В		5 × 111000160
Нетвердый этиленгликоль,
борно-кислотный (боракс) электролит		NCC
SMQ, 100 мкФ, 10 В		5 × 11900180
Нетвердый
электролит на водной основе		Рубикон
ZL, 100 мкФ, 10 В		5 × 11300250

Преждевременный отказ

Все электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом со временем изнашиваются из-за испарения электролита. В емкость обычно снижается, а СОЭ обычно увеличивается. Нормальный срок службы нетвердого электролитического конденсатора потребительского качества, обычно рассчитанный на 2000 ч / 85 ° C и действующий при 40 ° C - примерно 6 лет. Для конденсатора 1000 ч / 105 ° C, работающего при 40 ° C, он может составлять более 10 лет. Электролитические конденсаторы, работающие при более низкой температуре, могут иметь значительно более длительный срок службы.

Емкость должна обычно снижаться до 70% от номинального значения, а ESR увеличиваться до удвоенного номинального значения в течение нормального срока службы компонента, прежде чем это следует рассматривать как «отказ из-за ухудшения характеристик».[19][20] Срок службы электролитического конденсатора с дефектным электролитом может составлять всего два года. Конденсатор может выйти из строя преждевременно после достижения примерно 30-50% ожидаемого срока службы.

Электрические симптомы

Электрические характеристики вышедшего из строя электролитического конденсатора с открытым дефлектором следующие:

  • значение емкости уменьшается ниже номинального значения
  • СОЭ увеличивается до очень высоких значений.

Электролитические конденсаторы с открытым вентиляционным отверстием находятся в процессе высыхания, независимо от того, хороший у них или плохой электролит. Они всегда показывают низкие значения емкости и очень высокие значения омического ESR. Следовательно, сухие электронные крышки бесполезны с точки зрения электричества.

Электронные крышки могут выйти из строя без каких-либо видимых симптомов. Поскольку электрические характеристики электролитических конденсаторов являются причиной их использования, эти параметры должны быть проверены с помощью приборов, чтобы окончательно решить, вышли ли устройства из строя. Но даже если электрические параметры выходят за рамки их технических характеристик, отнесение отказа к проблеме с электролитом не является достоверным.

Нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы без видимых симптомов, которые содержат неправильно составленный электролит, обычно проявляют два электрических симптома:

  • относительно высокий и неустойчивый ток утечки[21][22]
  • повышенное значение емкости, в два раза превышающее номинальное значение, которое колеблется после нагрева и охлаждения корпуса конденсатора

Видимые симптомы

Крупным планом сломанное вентиляционное отверстие электролитического конденсатора и высохший остаток электролита

При осмотре вышедшего из строя электронного устройства неисправные конденсаторы можно легко распознать по отчетливо видимым симптомам, которые включают следующее:[23]

  • Выпуклость вентиляционного отверстия в верхней части конденсатора. («Отверстие» выбито в верхней части корпуса конденсатора в форме банки, образуя шов, который предназначен для разделения для снятия нарастания давления внутри и предотвращения взрыва.)
  • Разбитое или потрескавшееся вентиляционное отверстие, часто сопровождающееся видимыми корками, похожими на ржавчину коричневыми или красными засохшими электролитными отложениями.
  • Корпус конденсатора согнут на печатной плате из-за выталкивания нижней резиновой заглушки, иногда из-за просачивания электролита на материнскую плату из основания конденсатора, что проявляется в виде темно-коричневых или черных поверхностных отложений на печатной плате.[24] Протекший электролит можно спутать с толстым эластичным клеем, который иногда используется для защиты конденсаторов от ударов. Темно-коричневая или черная корка на стороне конденсатора всегда является клеем, а не электролитом. Сам клей безвреден.
Видимые симптомы выхода из строя электролитических конденсаторов

  • Неисправный конденсатор Чши с накоплением корки электролита наверху

  • Неисправные конденсаторы рядом с разъемом материнской платы процессора

  • Неисправные конденсаторы Tayeh, которые слегка вентилируются через алюминиевые верхние части

  • Неисправные электролитические конденсаторы с вздутыми крышками банок и удаленными резиновыми уплотнениями, даты изготовления «0106» и «0206» (июнь 2001 г. и июнь 2002 г.)

  • Неисправный конденсатор взорвался и обнажил внутренние элементы, а другой частично вылетел из корпуса.

  • Неисправные конденсаторы Choyo (черный цвет), из-за которых на материнскую плату вылился коричневатый электролит

Нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы

Смотрите также: Алюминиевый электролитический конденсатор

Первый электролитический конденсатор был разработан алюминиевый электролитический конденсатор с жидкостью электролит, изобретенный Чарльз Поллак в 1896 году. Современные электролитические конденсаторы основаны на той же фундаментальной конструкции. Спустя примерно 120 лет разработки миллиарды этих недорогих и надежных конденсаторов используются в электронных устройствах.

Базовая конструкция

Основные конструктивные детали нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов

  • Конструкция типичного несимметричного алюминиевого электролитического конденсатора с нетвердым электролитом

  • Крупный план поперечного сечения электролитического конденсатора, показывающий фольгу конденсатора и оксидные слои

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом обычно называют «электролитическими конденсаторами» или «электронными крышками». Компоненты состоят из двух полос алюминиевой фольги, разделенных бумажной прокладкой, пропитанной жидким или гелеобразным электролитом. Одна из полос алюминиевой фольги, называемая анодом, подверглась химической шероховатости и окислилась в процессе, называемом формирование, удерживает на своей поверхности очень тонкий оксидный слой как электрический изолятор, служащий диэлектрик конденсатора. Жидкий электролит, который является катодом конденсатора, идеально покрывает неровную поверхность оксидного слоя анода и делает увеличенную поверхность анода эффективной, тем самым увеличивая эффективную емкость.

Вторая полоска алюминиевой фольги, называемая «катодной фольгой», служит для электрического контакта с электролитом. Прокладка разделяет полоски фольги, чтобы избежать прямого контакта с металлом, который может вызвать короткое замыкание. К обеим пленкам прикрепляются подводящие провода, которые затем скручиваются вместе с прокладкой в ​​намотанный цилиндр, который помещается в алюминиевый корпус или «банку». Обмотка пропитана жидким электролитом. Это обеспечивает резервуар электролита для продления срока службы конденсатора. Сборка вставляется в алюминиевую банку и закрывается заглушкой. Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют канавки в верхней части корпуса, образующие вентиляционное отверстие, которое предназначено для открытия в случае чрезмерного давления газа, вызванного нагревом, коротким замыканием или выходом из строя электролита.

Формирование диэлектрика из оксида алюминия

Вид на структуры низковольтной анодной фольги

  • Поперечное сечение протравленной анодной фольги низкого напряжения 10 В, вид сбоку

  • СЭМ-изображение шероховатой поверхности анода неиспользуемого электролитического конденсатора, показывающее отверстия пор в аноде

  • Ультратонкое поперечное сечение протравленной поры в низковольтной анодной фольге, увеличение в 100000 раз, светло-серый: алюминий, темно-серый: аморфный оксид алюминия, свет: пора, в которой активен электролит

Алюминиевая фольга, используемая в нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторах, должна иметь чистоту 99,99%. Фольгу придают шероховатость электрохимическим травлением для увеличения эффективной емкостной поверхности. Эта протравленная анодная алюминиевая фольга окислена (так называемая формирование). Формование создает очень тонкий оксидный барьерный слой на поверхности анода. Этот оксидный слой является электрически изолирующим и служит диэлектрик конденсатора. Формование происходит всякий раз, когда на анод подается положительное напряжение, и образуется оксидный слой, толщина которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Такое электрохимическое поведение объясняет механизм самовосстановления нетвердых электролитических конденсаторов.

Нормальный процесс образования оксида или самовосстановления осуществляется в две стадии реакции.[25] Во-первых, сильно экзотермическая реакция превращает металлический алюминий (Al) в гидроксид алюминия, Al (OH)3:

2 Al + 6 H2O → 2 Al (OH)3 + 3 часа2 ↑

Эта реакция ускоряется сильным электрическим полем и высокими температурами и сопровождается повышением давления в корпусе конденсатора, вызванным выделением газообразного водорода. Гелеобразный гидроксид алюминия Al (OH)3 (также называемый тригидрат оксида алюминия (ATH), гидроксид алюминия, гидроксид алюминия (III) или гидратированный оксид алюминия) превращается через вторую стадию реакции (обычно медленно в течение нескольких часов при комнатной температуре, более быстро в течение нескольких минут при более высоких температурах ), в аморфную или кристаллическую форму оксид алюминия, Al2О3:

2 Al (OH)3 → 2 AlO (OH) + 2 Н2O → Al2О3 + 3 часа2О

Этот оксид служит диэлектриком, а также защищает конденсатор от агрессивных реакций металлического алюминия с частями электролита. Одной из проблем процессов формования или самовосстановления в нетвердых алюминиевых электролитах является проблема коррозии, когда электролит должен доставлять достаточно кислорода для образования оксидного слоя, причем вода, вызывающая коррозию алюминия, является наиболее эффективным способом.

Состав электролита

Название «электролитический конденсатор» происходит от электролита, проводящей жидкости внутри конденсатора. В качестве жидкости он может соответствовать протравленной и пористой структуре анода и выросшего оксидного слоя и образовывать катод, изготовленный по индивидуальному заказу.

С электрической точки зрения электролит в электролитическом конденсаторе является фактическим катод конденсатора и должен иметь хорошую электропроводность, что на самом деле ион -проводимость в жидкостях. Но это также химическая смесь растворители с кислота или же щелочь добавки,[26] что должно быть некоррозионный (химически инертный ), чтобы конденсатор, внутренние компоненты которого изготовлены из алюминия, оставался стабильным в течение ожидаемого срока службы. Помимо хорошей проводимости рабочих электролитов, существуют и другие требования, в том числе химическая стабильность, химическая совместимость с алюминием и низкая стоимость. Электролит также должен обеспечивать кислород для процессов формирования и самовосстановления. Такое разнообразие требований к жидкому электролиту приводит к появлению широкого спектра запатентованных решений с тысячами запатентованных электролитов.

До середины 1990-х годов электролиты можно было условно разделить на две основные группы:

  • электролиты на основе этиленгликоль и борная кислота. В этих так называемых гликолях или бура с электролитами происходит нежелательная химическая реакция кристаллической воды: «кислота + спирт дает эфир + воду». Эти электролиты из буры давно используются в электролитических конденсаторах и содержат воду от 5 до 20%. Они работают до максимальной температуры 85 ° C или 105 ° C в диапазоне напряжений до 600 В.[27]
  • почти безводные электролиты на основе органических растворителей, таких как диметилформамид (DMF), диметилацетамид (DMA), или γ-бутиролактон (ГБЛ). Эти конденсаторы с электролитами на основе органических растворителей подходят для температур до 105 ° C, 125 ° C или 150 ° C; иметь низкие значения тока утечки; и иметь очень хорошее долгосрочное поведение.

Было известно, что вода является очень хорошим растворителем низкоомных электролитов. Однако проблемы коррозии, связанные с водой, до этого времени препятствовали ее использованию в количествах, превышающих 20% электролита, водная коррозия с использованием вышеупомянутых электролитов контролировалась химическими ингибиторами, которые стабилизируют оксидный слой.[28][29][30][31]

Конденсаторы с электролитом на водной основе

В 1990-х годах японские исследователи разработали третий класс электролитов.

  • Электролиты на водной основе, содержащие до 70% воды, относительно недороги и могут похвастаться такими желательными характеристиками, как низкое ESR и более высокое напряжение. Эти электролитические конденсаторы обычно имеют маркировку «с низким импедансом», «с низким ESR» или «с высокой пульсацией тока» с номинальным напряжением до 100 В,[18] для недорогих приложений массового потребления.
  • Несмотря на эти преимущества, исследователи столкнулись с рядом проблем при разработке электролитических конденсаторов на водной основе.
  • Многие из плохо спроектированных конденсаторов попали на массовый рынок. Конденсаторная чума возникает из-за неисправных электролитов этого типа.

Разработка электролита на водной основе

В начале 1990-х годов некоторые японские производители начали разработку нового класса электролитов на водной основе с низким сопротивлением. Вода с ее высокой диэлектрическая проницаемость с ε = 81, является мощным растворителем для электролитов и обладает высокой растворимостью для повышающих проводимость концентраций соль ионы, что приводит к значительному увеличению проводимости по сравнению с электролитами с органическими растворители подобно ГБЛ. Но вода будет реагировать довольно агрессивно и даже бурно с незащищенным алюминием, превращая металлический алюминий (Al) в гидроксид алюминия (Al (OH)3) через очень экзотермический реакция, при которой выделяется тепло, вызывающее расширение газа, что может привести к взрыву конденсатора. Таким образом, основной проблемой при разработке электролитов на водной основе является достижение долгосрочной стабильности за счет предотвращения коррозионного воздействия воды на алюминий.

Обычно анодная фольга покрыта диэлектриком. оксид алюминия (Al2О3) слой, который защищает основной металлический алюминий от агрессивных водных растворов щелочей. Однако некоторые примеси или слабые места в оксидном слое создают возможность анодной коррозии под действием воды, которая приводит к образованию гидроксида алюминия (Al (OH)3). В электронных крышках, использующих щелочной электролит, этот гидроксид алюминия не будет преобразован в желаемую стабильную форму оксида алюминия. Слабое место остается, и анодная коррозия продолжается. Этот коррозионный процесс может быть прерван защитными веществами в электролите, известными как ингибиторы или пассиваторы.[31][32] Ингибиторы, такие как хроматы, фосфаты, силикаты, нитраты, фториды, бензоаты, растворимые масла и некоторые другие химические вещества, могут уменьшать реакции анодной и катодной коррозии. Однако, если ингибиторы используются в недостаточном количестве, они могут усилить точечную коррозию.[33]

Проблема воды в нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторах

Слой оксида алюминия в электролитическом конденсаторе устойчив к химическим воздействиям, пока значение pH электролита находится в диапазоне от 4,5 до 8,5.[34] Однако в идеале значение pH электролита составляет около 7 (нейтральный); и измерения, проведенные еще в 1970-х годах, показали, что ток утечки увеличивается из-за химически вызванных дефектов, когда значение pH отклоняется от этого идеального значения.[35] Известно, что вода чрезвычайно агрессивна по отношению к чистому алюминию и вызывает химические дефекты. Кроме того, известно, что незащищенные диэлектрики оксида алюминия могут незначительно растворяться щелочными электролитами, ослабляя оксидный слой.[36]

Фундаментальная проблема водосодержащих электролитных систем заключается в контроле агрессивности воды по отношению к металлическому алюминию. Этот вопрос доминировал при разработке электролитических конденсаторов на протяжении многих десятилетий.[37] Первые коммерчески используемые электролиты в середине двадцатого века представляли собой смеси этиленгликоль и борная кислота. Но даже эти гликолевые электролиты имели нежелательную химическую реакцию вода-кристалл по схеме: «кислота + алкоголь " → "сложный эфир + вода ». Таким образом, даже в первых, казалось бы, безводных электролитах, этерификация реакции могут привести к содержанию воды до 20 процентов. Срок службы этих электролитов зависит от напряжения, потому что при более высоких напряжениях ток утечки, основанный на агрессивности воды, будет увеличиваться в геометрической прогрессии; и связанный с этим повышенный расход электролита приведет к более быстрому высыханию.[19][20] В противном случае электролит должен доставлять кислород для процессов самовосстановления, а вода - лучшее химическое вещество для этого.[18]

Водная коррозия: гидроксид алюминия

Попытка графического изображения образования гидроксида алюминия
в поре шероховатой анодной фольги электролитического конденсатора
Попытка наглядно представить образование гидроксида алюминия в порах шероховатой анодной фольги электролитического конденсатора.

Известно, что «нормальный» процесс создания стабильного слоя оксида алюминия путем преобразования алюминия через промежуточную стадию гидроксида алюминия может быть прерван чрезмерно щелочным или основным электролитом. Например, щелочное нарушение химического состава этой реакции вместо этого приводит к следующей реакции:

2 Al (тв.) + 2 NaOH (водн.) + 6 H2O → 2 Na+ (водн.) + 2 [Al (OH)4]− (s) + 3 H2 (грамм)

В этом случае может случиться так, что гидроксид, образованный на первой стадии, станет механически отделен от поверхности металлического алюминия и не будет преобразован в желаемую стабильную форму оксида алюминия.[38][страница нужна ] Первоначальный процесс самовосстановления для создания нового оксидного слоя предотвращается из-за дефекта или слабой диэлектрической точки, и образующийся газообразный водород улетучивается в конденсатор. Затем в слабом месте начинается дальнейшее образование гидроксида алюминия, и предотвращается его превращение в стабильный оксид алюминия. Самовосстановление оксидного слоя внутри электролитического конденсатора не может произойти. Однако реакции не останавливаются, так как в порах анодной фольги растет все больше и больше гидроксида, и на первом этапе реакции образуется все больше и больше газообразного водорода в баллоне, повышая давление.

Растровый электронный микроскоп изображений
различных форм гидроксида алюминия
из вышедших из строя электролитических конденсаторов

  • Поверхность анода с наросшими пластинами из гидроксида алюминия

  • Поверхность анода с наросшими шариками гидроксида алюминия

Производство для рынка

Японский производитель Рубикон стала лидером в разработке новых систем электролитов на водной основе с повышенной проводимостью в конце 1990-х годов.[нужна цитата ] После нескольких лет разработок исследователи под руководством Сигеру Удзава обнаружили смесь ингибиторов, подавляющих гидратацию алюминия. В 1998 году Rubycon анонсировал две серии, ZL и ZA, первых конденсаторов производства с электролитом с содержанием воды около 40%, которые подходили для температур от -40 ° C (-40 ° F; 233 K) до 105 ° С (221 ° F, 378 К). Позже были разработаны электролиты для работы с водой до 70% по весу.[нужна цитата ] Другие производители, такие как NCC,[39] Ничикон,[40] и Элна[41] спустя короткое время последовали их собственные продукты.

Улучшенную проводимость нового электролита можно увидеть, сравнив два конденсатора, каждый из которых имеет номинальную емкость 1000 мкФ при номинальном напряжении 16 В, в корпусе диаметром 10 мм и высотой 20 мм. Конденсаторы серии Rubycon YXG снабжены электролитом на основе органического растворителя и могут достигать импеданса 46 мОм при нагрузке током пульсаций 1400 мА. Конденсаторы серии ZL с новым электролитом на водной основе могут достигать импеданса 23 мОм при токе пульсаций 1820 мА, то есть общее улучшение на 30%.

Конденсаторы нового типа в технических характеристиках назывались сериями «Low-ESR» или «Low-Impedance», «Ultra-Low-Impedance» или «High-Ripple Current». Высококонкурентный рынок технологий цифровых данных и высокоэффективных источников питания быстро принял эти новые компоненты благодаря их улучшенным характеристикам. Кроме того, улучшая проводимость электролита, конденсаторы не только могут выдерживать более высокий номинальный ток пульсаций, но и обходятся гораздо дешевле в производстве, поскольку вода намного дешевле, чем другие растворители. Лучшая производительность и низкая стоимость привели к повсеместному внедрению новых конденсаторов в крупносерийную продукцию, такую ​​как ПК, ЖК-экраны и блоки питания.

Расследование

Последствия промышленного шпионажа

Промышленный шпионаж был замешан в чуме конденсаторов в связи с кражей формулы электролита. Материаловед, работающий на Рубикон в Япония покинул компанию, взяв секретную формулу электролита на водной основе для конденсаторов Rubycon серий ZA и ZL[нужна цитата ], и начал работать в китайской компании. Затем ученый разработал копию этого электролита.[нужна цитата ]. Затем некоторые сотрудники, сбежавшие из китайской компании, скопировали неполную версию формулы.[нужна цитата ] и начал продавать его многим алюминий производители электролитов на Тайване, занижающие цены японских производителей.[1][42] В этом неполном электролите не хватало важных запатентованных ингредиентов, которые были необходимы для долговременной стабильности конденсаторов.[4][23] и был нестабильным в готовом алюминиевом конденсаторе. Этот дефектный электролит позволял беспрепятственно образовывать гидроксид и выделять газообразный водород.[36]

Нет известных публичных судебных разбирательств, связанных с предполагаемой кражей составов электролитов. Однако один независимый лабораторный анализ неисправных конденсаторов показал, что многие из преждевременных отказов, по-видимому, связаны с высоким содержанием воды и отсутствием ингибиторов в электролите, как описано ниже.

Неполная формула электролита

Беспрепятственное образование гидроксида (гидратация) и связанное с ним образование газообразного водорода, происходящее во время инцидентов "конденсаторной чумы" или "неисправных конденсаторов", связанных с выходом из строя большого количества алюминиевых электролитических конденсаторов, было продемонстрировано двумя исследователями в Центр продвинутой инженерии жизненного цикла из Университет Мэриленда кто проанализировал вышедшие из строя конденсаторы.[36]

Двое ученых первоначально определили, ионная хроматография и масс-спектрометрии, что в вышедших из строя конденсаторах присутствует газообразный водород, что приводит к вздутию корпуса конденсатора или разрыву вентиляционного отверстия. Таким образом было доказано, что окисление происходит в соответствии с первой стадией образования оксида алюминия.

Поскольку в электролитических конденсаторах было принято связывать избыток водорода с помощью восстановительных или деполяризующий соединения, такие как ароматный соединения азота или амины Затем исследователи искали соединения этого типа, чтобы уменьшить возникающее давление. Хотя методы анализа были очень чувствительны при обнаружении таких соединений, снижающих давление, никаких следов таких агентов не было обнаружено в неисправных конденсаторах.

В конденсаторах, в которых нарастание внутреннего давления было настолько большим, что корпус конденсатора уже вздулся, но вентиляционное отверстие еще не открылось, pH значение электролита можно было измерить. Электролит неисправных тайваньских конденсаторов был щелочным, с pH от 7 до 8. В хороших сопоставимых японских конденсаторах был электролит, который был кислым, с pH около 4. Как известно, алюминий может растворяться щелочными жидкостями, но не то, что слегка кислое, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX или EDS) был проведен дактилоскопический анализ электролита неисправных конденсаторов, который обнаружил растворенный алюминий в электролите.

Чтобы защитить металлический алюминий от агрессивности воды, некоторые фосфатные соединения, известные как ингибиторы или пассиваторы, может быть использован для производства долговременных стабильных конденсаторов с водными электролитами. Фосфатные соединения упоминаются в патентах на электролитические конденсаторы с водными электролитическими системами.[43] Поскольку в исследуемых тайваньских электролитах отсутствовали ионы фосфата, а электролит также был щелочным, конденсатор, очевидно, не имел какой-либо защиты от повреждения водой, и образование более стабильных оксидов оксида алюминия было подавлено. Следовательно, образуется только гидроксид алюминия.

Результаты химического анализа были подтверждены измерением электрической емкости и тока утечки в ходе длительного испытания продолжительностью 56 дней. Из-за химической коррозии оксидный слой этих конденсаторов был ослаблен, поэтому через короткое время емкость и ток утечки ненадолго увеличились, а затем резко упали, когда давление газа открыло вентиляционное отверстие. Отчет Хиллмана и Хельмольда доказал, что причиной выхода из строя конденсаторов была неисправная смесь электролита, используемая тайваньскими производителями, в которой отсутствовали необходимые химические ингредиенты для обеспечения правильного pH электролита с течением времени для долгосрочной стабильности электролита. конденсаторы. Их дальнейший вывод о том, что электролит с его щелочным значением pH имеет фатальный недостаток в виде непрерывного накопления гидроксида без его превращения в стабильный оксид, был подтвержден на поверхности анодной фольги как фотографически, так и с помощью анализа отпечатков пальцев EDX. химические компоненты.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Д. М. Зогби (сентябрь 2002 г.). «Электролитические отказы алюминия с низким ESR связаны с проблемами тайваньского сырья» (PDF). Производство пассивных компонентов. Публикации Пауманок. 4 (5): 10, 12, 31. Архивировано с оригинал (PDF) 3 марта 2016 г.. Получено 15 июн 2018.
  2. ^ а б Конденсаторная чума, опубликовано 26 ноября 2010 г. компанией PC Tools
  3. ^ Сперлинг, Эд; Содерстрем, Томас; Хольцман, Кэри (октябрь 2002 г.). "Есть сок?". EE Times.
  4. ^ а б c Чиу, Ю-Цзы; Мур, Сэмюэл К. (февраль 2003 г.). «Неисправности и отказы: протекающие конденсаторы портят материнские платы». IEEE Spectrum. 40 (2): 16–17. Дои:10.1109 / MSPEC.2003.1176509. ISSN  0018-9235. Получено 22 августа 2014.
  5. ^ Кэри Хольцман, оверклокеры, конденсаторы: не только для владельцев Abit, материнские платы с протекающими конденсаторами, 10/9, 2002, [1]
  6. ^ Хейлз, Пол (5 ноября 2002 г.). «Проблемы с тайваньскими компонентами могут вызвать массовые отзывы». Спрашивающий. Получено 27 апреля 2015.
  7. ^ Производители материнских плат страдают от отказов конденсаторов, GEEK, 7 февраля 2003 г.
  8. ^ У. БОНОМО, Г. ХУПЕР, Д. РИЧАРДСОН, Д. РОБЕРТС и Т.Х. VAN DE STEEG, Vishay Intertechnology, Режимы отказа конденсаторов, [2]
  9. ^ "Mainboardhersteller steht für Elko-Ausfall gerade", Heise (на немецком языке) (онлайн-изд.), DE.
  10. ^ Майкл Сингер, CNET News, Dell не покидают конденсаторы, 31 октября 2005 г. [3]
  11. ^ Майкл Сингер, CNET News, компьютеры с плохими конденсаторами
  12. ^ Блог Guardian Technology: как формула украденного конденсатора обошлась Dell в 300 миллионов долларов [4]
  13. ^ Вэнс, Эшли (28 июня, 2010 г.). «Иск по неисправным компьютерам подчеркивает упадок Dell». Нью-Йорк Таймс. Получено 8 марта 2012.
  14. ^ Информация о ремонте и неисправном конденсаторе, Лаборатория конденсаторов.
  15. ^ а б Лиотта, Беттьян (ноябрь 2002 г.). «Тайваньские производители бейсболок не несут ответственности» (PDF). Производство пассивных компонентов. Публикации Пауманок. 4 (6): 6, 8–10. Архивировано из оригинал (PDF) 20 ноября 2015 г.. Получено 2015-11-03.
  16. ^ "Чума конденсаторов, identifizierte Hersteller (~ идентифицированные поставщики)". Opencircuits.com. 10 января 2012 г.. Получено 3 сентября 2014.
  17. ^ Артур, Чарльз (31 мая 2003 г.). «Украденная формула конденсаторов, приводящая к перегоранию компьютеров». Деловые новости. Независимый. В архиве из оригинала 25 мая 2015 г.. Получено 16 января 2020.
  18. ^ а б c Удзава, Сигэру; Комацу, Акихико; Огавара, Тецуши; Rubycon Corporation (2002). «Алюминиевый электролитический конденсатор со сверхнизким импедансом и электролитом на водной основе». Журнал Японской ассоциации инженеров по надежности. 24 (4): 276–283. ISSN  0919-2697. Регистрационный номер 02A0509168.
  19. ^ а б "А. Альбертсен, Оценка срока службы электролитического конденсатора" (PDF). Получено 4 сентября 2014.
  20. ^ а б Сэм Г. Парлер, Корнелл Дубилье, Получение множителей ресурса для электролитических конденсаторов [5]
  21. ^ Алюминиевый электролитический конденсатор, Х. О. Зигмунд, Bell System Technical Journal, версия 8, 1 января 1229 г., стр. 41–63.
  22. ^ A. Güntherschulze, H. Betz, Elektrolytkondensatoren, Verlag Herbert Cram, Berlin, 2. Auflage 1952
  23. ^ а б "Возникла проблема с конденсатором материнской платы". Кремниевый чип. AU. 11 мая 2003 г.. Получено 7 марта 2012.
  24. ^ Перегоревшие, лопнувшие и протекающие конденсаторы материнской платы - серьезная проблема, PCSTATS, 15 января 2005 г. [6] В архиве 16 августа 2016 г. Wayback Machine
  25. ^ Sundoc Bibliothek, Universität Halle, Диссертация, Анодирование алюминия, [7]
  26. ^ Элна, Принципы, 3. Электролит, Таблица 2: Пример состава электролита «Алюминиевые электролитические конденсаторы - Принципы | ELNA». Архивировано из оригинал 4 марта 2016 г.. Получено 5 февраля 2016.
  27. ^ НЕВОДНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ и ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ, Электролитические конденсаторы FaradNet, Часть III: Глава 10 [8] В архиве 17 июня 2016 г. Wayback Machine
  28. ^ К. Х. Тисбюргер: Der Elektrolyt-Kondensator. 4. Auflage. Roederstein, Landshut 1991, [OCLC31349250]
  29. ^ У. Дж. Бернард, Дж. Дж. Рэндалл мл., Взаимодействие анодного оксида алюминия с водой. [9]
  30. ^ Гл. Варгель, М. Жак, М. П. Шмидт, Коррозия алюминия, 2004 г., Elsevier B.V., ISBN  978-0-08-044495-6
  31. ^ а б Альфонсо Бердук, Зонгли Доу, Ронг Сю, BHC Components Ltd (KEMET), Электрохимические исследования для применения алюминиевых электролитических конденсаторов: Анализ коррозии алюминия в электролитах на основе этиленгликоля [10]
  32. ^ Дж. Л. Стивенс, Т. Р. Маршал, А. К. Гейкулеску, К. Р. Фегер, Т. Ф. Стрэндж, Carts USA 2006, Влияние состава электролита на деформационные характеристики влажных алюминиевых конденсаторов ICD, «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 14 декабря 2014 г.. Получено 2014-12-14.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  33. ^ Бернард, Уолтер Дж; Рэндалл-младший, Джон Дж. (7 апреля 1961 г.). «Взаимодействие анодного оксида алюминия и воды» (PDF). Журнал Электрохимического общества. 154 (7): 355–361. Дои:10.1149/1.2428230. Архивировано из оригинал (PDF) 23 декабря 2014 г.. Получено 2015-11-03.
  34. ^ «Энциклопедия Alu, оксидный слой». Aluinfo.de. Архивировано из оригинал 14 декабря 2014 г.. Получено 4 сентября 2014.
  35. ^ Дж. М. Санс, Дж. М. Альбелла, Дж. М. Мартинес-Дуарт, О ингибировании реакции между анодным оксидом алюминия и водой [11]
  36. ^ а б c Хиллман, Крейг; Хельмольд, Норман (2004), Выявление отсутствующих или недостаточных компонентов электролита в вышедших из строя алюминиевых электролитических конденсаторах (PDF), Решения DFR
  37. ^ К. Х. Тисбюргер: Дер Электролит-Конденсатор 4-е издание, стр. 88-91, Roederstein, Landshut 1991 (OCLC 313492506)
  38. ^ H. Kaesche, Die Korrosion der Metalle - Physikalisch-chemische Prinzipien und aktuelle Probleme, Springer-Verlag, Berlin, 1966, ISBN  978-3-540-51569-2 (Выпуск 1990 г.)
  39. ^ "Ncc, Ecc". Chemi-con.co.jp. Получено 4 сентября 2014.
  40. ^ "Ничикон". Nichicon-us.com. Получено 4 сентября 2014.
  41. ^ "Элна". Элна. Получено 4 сентября 2014.
  42. ^ Электролитические отказы алюминия с низким ESR связаны с проблемами тайваньского сырья (PDF), Молалла, заархивировано из оригинал (PDF) 26 апреля 2012 г.
  43. ^ Чанг, Дженг-Куэй, Ляо, Чи-Мин, Чен, Чи-Сюн, Цай, Вэнь-Та, Влияние состава электролита на сопротивление гидратации анодированного оксида алюминия [12]

дальнейшее чтение

  • H. Kaesche, Die Korrosion der Metalle - Physikalisch-chemische Prinzipien und aktuelle Probleme, Springer-Verlag, Берлин, 2011 г., ISBN  978-3-642-18427-7
  • К. Варгель, Коррозия алюминия, 1-е издание, 2 октября 2004 г., Elsevier Science, Print Book ISBN  978-0-08-044495-6, электронная книга ISBN  978-0-08-047236-2
  • В. Дж. Бернард, Дж. Дж. Рэндалл мл., Реакция между анодным оксидом алюминия и водой, 1961 г. ECS - Электрохимическое общество [13]
  • Гл. Варгель, М. Жак, М. П. Шмидт, Коррозия алюминия, 2004 г., Elsevier B.V., ISBN  978-0-08-044495-6
  • Патнаик, П. (2002). Справочник неорганических химикатов. Макгроу-Хилл. ISBN  0-07-049439-8.
  • Виберг, Э. и Холлеман, А. Ф. (2001). Неорганическая химия. Эльзевир. ISBN  0-12-352651-5