Войти
Неисправные алюминиевые электролитические конденсаторы с открытыми вентиляционными отверстиями в верхних частях емкости и видимыми засохшими остатками электролита (красновато-коричневый цвет) чума конденсаторов была проблема, используемая с более высокой, чем ожидалось, интенсивностью отказов нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов в период с 1999 по 2007 год, особенно у тайваньских производителей, из-за на неисправный состав электролита, который вызвал коррозию, сопровождающийся газообразованием, часто приводящий к разрыву корпуса конденсатора из-за повышения давления.
Высокая частота отказов встречается во многих во многих известных брендах электроники и особенно ярко проявляется в материнских платах, видеокартах и источниковх питания своих компьютеров..
Первые дефектные конденсаторы, связанные с проблемами сырьем в Тайване, были опубликованы в специализированном журнале Passive Component Industry в сентябре 2002 года. Вскоре после этого два основных журнала по электронике сообщили об широко распространенных преждевременных выходов конденсаторов из строя. от тайваньских производителей, в материнских платах.
Эти публикации проинформировали инженеров и других технических специалистов, но не получила широкого распространения до тех пор, пока Кэри Хольцман опубликовал свой опыт "утечки конденсаторов" в сообществе о разгоне производительности.
Результаты возгорания печатной платы, вызванные утечкой электролита, закоротившего проводники, несущие мощность Новости из публикации Хольцмана быстро распространились в Интернету и 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, вызвало лавину отчетов и комментариев в тысячах блогов и других веб-сообществ.
Быстрое распространение таких сообщений, как многие дезинформированные пользователи и блоги разместили фотографии поразившего себя электролитом.
Большинство поврежденных конденсаторов были произведены с 1999 по 2003 год и вышли из строя в период с 2002 по 2005 годы. Повлияли проблемы с конденсаторами, изготовленными с неправильно подобранным электролитом. оборудование, произведенное как минимум до 2007 года.
Основные поставщики материнских плат, такие как Abit, IBM, Dell, Apple, HP и Intel пострадали от конденсаторов 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.
Многие другие производители оборудования по незнанию собирали и продавали платы с неисправными конденсаторами, и в результате эффекта конденсаторной чумы можно было наблюдать во всех самых устройствах по всему миру.
iPhone не все производители предлагали отзыв или ремонт, самостоятельные инструкции по ремонту были написаны и опубликованы в Интернете.
В выпуске Индустрия пассивных компонентов за ноябрь / декабрь 2002 г., после первоначального сообщения о дефектном электролите, сообщалось, что некоторые крупные тайваньские производители электролитических конденсаторов отрицали ответственность за дефектную продукцию.
Хотя промышленные пользователи подтвердили отказы, они не смогли отследить источник неисправных компонентов. Дефектные конденсаторы были промаркированы неизвестными ранее брендами, такими как «Tayeh», «Choyo» или «Chhsi». Эти марки нелегко связать со знакомыми компаниями или брендами продукции.
Производитель материнских плат ABIT Computer Corp. был использован поставляутым, используемым публично, используемым конденсаторы, полученные от тайваньских производителей конденсаторов. Однако компания не стала раскрывать имя производителя конденсаторов, который поставил неисправную продукцию.
В статье 2003 года в газете The Independent утверждено, что причиной неисправных конденсаторов на самом деле является неверно скопированная формула. В 2001 году ученый, работавший в Rubycon Corporation в Японии, украл неправильно скопированную формулу электролитов конденсаторов. Сначала он работал в компании Luminous Town Electric в Китае. В том же году сотрудники ученого покинули Китай, неверно скопированную формулу и переехали на Тайвань, где они бы создали свою собственную компанию, производящую конденсаторную еще больше этой ошибочной формулы конденсаторных электролитов электролитов.
Нетвердые алюминиевые электролитические конденсаторы с неправильным подобранным электролитом в основном к так называемому «низкому эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR)», серия электронных конденсаторов «низкий импеданс » или «высокий пульсирующий ток». Преимущество электронных колпачков с электролитом, состоящее из 70% воды или более, заключается, в частности, в низком ESR, который обеспечивает более высокий пульсирующий ток и снижает производственные затраты, вода является сравнительно дорогостоящим материалом в конденсаторе.
| Электролит | Производитель. серия, тип | Размеры. Д × Д. (мм) | Макс. СОЭ. при 100 кГц, 20 ° C. (мОм) | Макс. пульсации тока. при 85/105 ° C. (мА) |
|---|---|---|---|---|
| Нетвердый. органический электролит | Vishay. 036 RSP, 100 мкФ, 10 В | 5 × 11 | 1000 | 160 |
| Нетвердый, этиленгликоль,. электролит борной кислоты (боракс) | NCC. SMQ, 100 мкФ, 10 В | 5 × 11 | 900 | 180 |
| Нетвердый. электролит на водной основе | Rubycon. ZL, 100 мкФ, 10 В | 5 × 11 | 300 | 250 |
Все электролитические конденсаторы с не- твердый электролит со временем стареет из- за испарения электролита. Емкость обычно уменьшается, а СОЭ обычно увеличивается. Нормальный срок службы нетвердого электролитического конденсатора потребительского качества, обычно рассчитанного на 2000 ч / 85 ° C и при работе при 40 ° C, составляет 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 СОЭ увеличиваться до удвоенного номинального значения в течение нормального срока службы компонента прежде, чем это следует рассматривать как ухудшение характеристик. неудача ». 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 характеристики вышедшего из строя электролитического конденсатора с открытым вентиляционным отверстием следующие:
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 бейсболки могут выйти из строя без каких-либо видимых симптомов. Эти параметры электрические характеристики электролитических конденсаторов используются для использования этих параметров, 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, с неправильным подобранным электролитом, обычно проявляют два параметра:
Крупный план разорванного вентиляционного отверстия электролитического конденсатора и высохшего остатка электролита При осмотре вышедшего из электронного устройства устройства легко распознать неисправные конденсаторы по четко видимым симптомам, которые включают следующее:
Неисправный конденсатор Chhsi с накоплением корки электролита наверху
Неисправные конденсаторы рядом с гнездом материнской платы ЦП
Неисправные конденсаторы Tayeh, которые слегка вентилировались алюминиевые крышки
Неисправные электролитические конденсаторы 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 разрушил снесло корпус
Неисправные конденсаторы Choyo (черный цвет), из-за которых на материнской плате просочился коричневый электролит
Первым разработанным электролитическим конденсатором был алюминиевый электролитический конденсатор с жидким электролитом, изобретенный Чарльзом Поллаком в 1896 году. Современные электролитические конденсаторы основаны на той же фундаментальной конструкции. Спустя примерно 120 лет разработки миллиардов этих недорогих и надежных конденсаторов используются электронные устройства.
Конструкция типичного несимметричного алюминиевого электролитического конденсатора с нетвердым электролитом
Увеличенная диаграмма поперечного сечения электролитического конденсатора, показаны фольги конденсаторов 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 полосок алюминиевой фольги, называемая анодом, химически шероховатая и окисленная в процессе, называемым формованием, удерживает на своей поверхности очень тонкий оксидный слой в качестве электрического изолятора, служащего диэлектриком 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 полосы фольги, чтобы избежать металлического контакта, 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 пробкой. Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют канавки в верхней части корпуса, образующие короткое отверстие, предназначенное для открытия в случае чрезмерного давления газа, вызванного нагревом, вызванным нагреванием или выходом из строя электролита.
Поперечный разрез протравленной низковольтной анодной фольги 10 В
СЭМ-изображение шероховатой поверхности анода используемого электролитического конденсатора, показывающая отверстия в аноде 248>Ультратонкое поперечное сечение протравленной поры в фольге низковольтного анода, увеличение в 100000 раз, светло-серый: алюминий, темно-серый: аморфный оксид алюминия, светлый: поры, в активен электролит
Алюминиевая фольга, используемая в нетвердых алюминиевых электролитических электролитических конденсаторах, должна иметь чистоту 99,99%. Фольгу придают шероховатость электрохимическим травлением для увеличения эффективной емкостной поверхности. Эта протравленная анодная алюминиевая фольга окисляется (это называется формованием). Формование очень тонкий оксидный барьерный слой на поверхности анода. Этот оксидный слой является электрически изолирующим и служит диэлектриком конденсатора. Формование происходит всякий раз, когда на анод подается положительное напряжение, и образует оксидный слой, толщина которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Такое электрохимическое поведениеет механизм самовосстановления нетвердых электролитических конденсаторов.
Обычный процесс образования оксида или самовосстановления осуществляется в две стадии реакции. Во-первых, сильно экзотермическая превращает металлический алюминий (Al) в гидроксид алюминия, Al (OH) 3:
Эта реакция ускоряется сильным электрическим полем и высокой температурой и сопровождается повышением давления в корпусе конденсатора, вызванным выделением газообразного водорода. Гелеобразный гидроксид алюминия Al (OH) 3 (также называемый тригидратом оксида алюминия (ATH), гидроксид алюминия, гидроксид алюминия (III) или гидратированный оксид алюминия) превращается посредством второй стадии реакции (обычно медленно в течение нескольких часов при при комнатной температуре, быстрее в течение нескольких минут при более высоких температурах) в аморфной или кристаллической оксида алюминия, Al 2O3:
Этот оксид служит диэлектриком, а также защищает от агрессивных факторов металлического алюминия на части электролит. Одна проблема процессов формования или самовосстановления в нетвердых алюминиевых электролитах заключается в коррозии, когда электролит должен доставлять достаточно кислорода для образования оксидного слоя, причем вода, вызывающая коррозию алюминия, является наиболее эффективным способом.
Название «электролитический конденсатор» происходит от электролита, проводящей жидкости внутри конденсатора. В качестве жидкости он может соответствовать структуре анода и образованного оксидного слоя и образовывать катод, изготовленный по индивидуальному заказу.
С электрической точки зрения электролит в электролитическом конденсаторе является фактическим катодом конденсатора и должен иметь хорошую электропроводность, которая на самом деле является ионной -проводимостью. в жидкостях. Но это также химическая смесь растворителей с кислотными или щелочными добавками, которые должны быть некоррозионными (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 приблизительно разделить на две основные группы:
Было известно, что вода является очень хорошим растворителем для 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 с помощью химических ингибиторов, которые стабилизируют оксидный слой.
В 1990-х годах японские исследователи разработали третий класс электролитов.
В начале 1990-х годов некоторые японские производители начали разработку нового низкоомного водного электролита. на основе класса электролитов. Вода с ее высокой диэлектрической проницаемостью ε = 81 является мощным растворителем для электролитов и высокой растворимостью для повышающих проводимость концентраций улучшенной проводимостью улучшенной проводимостью по сравнению с электролитами с органическими растворителями, такими как ГБЛ. Но вода будет реагировать агрессивно и даже бурно с незащищенным алюминием, превращая металлический алюминий (Al) в гидроксид алюминия (Al (OH) 3) посредством сильно экзотермической реакция с выделением тепла, вызывающая расширение газа, которое может привести к взрыву конденсатора. Таким образом, основная проблема при разработке электролитов на водной основе является достижением долгосрочной устойчивости за счет предотвращения коррозионного воздействия воды на алюминий.
Обычно анодная фольга покрыта слоем диэлектрического оксида алюминия (Al 2O3), который защищает металлическую алюминий агрессивности водных растворов щелочей. Однако некоторые примеси или слабые места в оксидном слое открывают возможность водной анодной коррозии, 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 прерванными защитными веществами в электролите, известными как ингибиторы или пассиваторы. Ингибиторы, такие как хроматы, фосфаты, силикаты, нитраты, фториды, бензоаты, растворимые масла и некоторые другие химические вещества, могут уменьшить реакции анодной и катодной коррозии. Однако, если ингибиторы используются в недостаточном количестве, они имеют тенденцию к увеличению питтинга.
Слой оксида алюминия в электролитическом конденсаторе устойчивых к химическим атакам, если значение pH электролита находится в диапазоне от 4,5 до 8,5. Однако в идеале значение pH электролита составляет около 7 (нейтральный); И измерения, проведенные еще в 1970-х годах, показали, что ток утечки увеличиваются из-за химически вызванных дефектов, когда значение pH отклоняется от этого идеального значения. Известно, что вода агрессивна по отношению к чистому алюминию и вызывает химические дефекты. Кроме того, известно, что незащищенные диэлектрики из оксида алюминия могут незначительно растворяться щелочными электролитами, ослабляя оксидный слой.
Основная проблема водосодержащих электролитных систем заключается в контроле агрессивности воды по отношению к металлическому алюминию.. Этот вопрос доминировал при разработке электролитических конденсаторов на длине многих десятилетий. Первые коммерчески используемые электролиты в середине двадцатого века представляют собой смеси этиленгликоля и борной кислоты. Но даже эти гликолевые электролиты нежелательную химическую реакцию вода-кристалл, согласно схеме: «кислота + спирт » → «сложный эфир + вода». Таким образом, даже безводных электролитах реакции этерификации. 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 приводит к более быстрому высыханию. В противном случае электролит должен доставлять кислород для процессов самовосстановления, а вода является лучшим химическим веществом для этого случая.
Известно, что «нормальный» процесс создания стабильного слоя оксида алюминия путем преобразования алюминия через промежуточный этап образования гидроксида алюминия может прерывание из-за чрезмерно щелочного или щелочного электролита. Например, щелочное нарушение химического состава этой реакции приводит к реакции:
В этом случае может случиться так, что гидроксид, образованный на первой стадии, механически станет отделяется от поверхности металлического алюминия и не будет преобразован в желаемую стабильную форму оксида алюминия. Первоначальный процесс самовосстановления для создания нового оксидного слоя предотвращает из-за дефекта или слабой диэлектрической точки, и образующийся газообразный водород выходит в конденсатор. Затем в слабом месте начинается дальнейшее образование гидроксида алюминия, предотвращает его превращение в стабильный оксид алюминия. Самовосстановление оксидного слоя внутри электролитического конденсатора не может произойти. Как в условиях роста анодного водорода в баллоне, повышенного давления.
Поверхность анода с выросшими пластинами гидроксида алюминия
Поверхность анода с выросшими шариками гидроксида алюминия
Японский производитель Rubycon стал лидером в разработке новых систем электролитов на водной основе с повышенной проводимостью в конце 1990-х годов. 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, первые конденсаторы, в которых использовался электролит с использованием воды около 40%, которые подходили для температурного диапазона 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. Другие производители, такие как NCC, Nichicon и Elna, вскоре представили свои собственные продукты.
Улучшенная 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 достичь импеданса 46 мОм при нагрузке током пульсаций 1400 мА. Конденсаторы серии ZL с новым электролитом на водной основе могут достичь импеданса 23 мОм при токе пульсаций 1820 мА, то есть общее улучшение на 30%.
Конденсаторы нового типа в технических характеристиках назывались сериями «с низким ESR» или «с низким импедансом», «со сверхнизким импедансом» или «с высоким током пульсаций». Высококонкурентный рынок технологий цифровых данных и высокоэффективных источников питания быстро принял эти новые благодаря их улучшенным характеристикам. Кроме того, улучшенная проводимость электролита, конденсаторы не только могут выдерживать высокий номинальный ток пульсации, но и намного дешевле в производстве, поскольку вода намного дешевле, чем другие растворители. Лучшая низкая стоимость приведению к повсеместному внедрению новых конденсаторов в крупносерийную продукцию, как ПК, ЖК-экраны и блоки питания.
Промышленный шпжан был замешан в чуме конденсаторов в связи с кражей формулы электролита. Специалист по материалам, работающий в Rubycon в Японии, покинул компанию, взяв секретную формулу электролита на водной основе для конденсаторов Rubycon серий ZA и ZL, и начал работать в китайской компании. Затем ученый разработал копию этого электролита. Затем некоторые сотрудники, перебежавшие из китайской компании, скопировали неполную версию формулы и продавать ее многим производителям электролитов алюминия на Тайване, занижая цены японских производителей. В этом неполном электролите отсутствовали важные запатентованные ингредиенты, которые были важны для долговременной стабильности конденсаторов, и он был нестабильным при упаковке в готовый алюминиевый конденсатор. Этот дефектный электролит позволил беспрепятственно образовать гидроксид и образовал газообразный водород.
Нет известных публичных судебных разбирательств, связанных с предполагаемой кражей формул электролита. Однако один независимый лабораторный анализ неисправных конденсаторов показал, что некоторые из преждевременных отказов, по-видимому, связаны с показателем воды и отсутствием ингибиторов в электролите, как описано ниже.
Беспрепятственное образование гидроксида (гидратация) и связанное с ним образование газообразного водорода, происходящее во время инцидентов «конденсаторной чумы» или «неисправных конденсаторов», связанных с отказом большого количества алюминиевых электролитических электролитических конденсаторов, использованных двумя исследователями из Центра перспективной инженерии жизненного цикла при Университета Мэриленда, которые проанализировали неисправные конденсаторы.
Первоначально двое ученых определили, по данным ионной хроматографии и масс-спектрометрии, в неисправных 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.
Потому что в электролитических конденсаторах принято связывать избыточный объем с помощью восстанавливающих или деполяризующих соединений, таких как ароматические соединения азота или амины уменьшить возникшее давление, исследователи начали поиск соединений этого типа. Хотя методы анализа были очень чувствительны при обнаружении таких агентов, никаких сомнений не было обнаружено в неисправных конденсаторах.
В конденсаторах, в которых повышение внутреннего давления было большим, что корпус конденсатора уже вздулся, но вентиляционное отверстие еще не открылось, можно было измерить pH электролита. Электролит неисправных тайваньских конденсаторов был щелочным, с pH от 7 до 8. В хороших сопоставимых японских конденсаторах был электролит, который был кислым, с pH 4. Как известно, алюминий может растворяться щелочными жидкостями, но не того, который является слабокислым, был проведен анализ отпечатков пальцев электролита неисправных конденсаторов с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX или EDS), который обнаружил растворенный алюминий в электролите.
Для защиты металлического от агрессивного воздействия воды можно использовать некоторые фосфатные соединения, известные как ингибиторы или пассиваторы воды, для производства долговременных стабильных конденсаторов с воднымиролитами с высоким содержанием. Фосфатные соединения включаются в патентах на электролитические конденсаторы с водными электролитическими системами. Исследуемых в исследуемых тайваньских электролитах отсутствовали фосфата, электролит также был щелочным конденсатором, очевидно, не имелось какой-либо защиты от повреждений водой, и образование более стабильных оксидов оксида алюминия было подавлено. Следовательно, образует только гидроксид алюминия.
Результаты химического анализа были подтверждены путем измерения электрической емкости и утечки в длительных испытаниях 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, которые 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.
