De bekende “capacitor plague” een technologisch schandaal rond defecte elektrolytische condensatoren (elco’s) begin jaren 2000. Dit gebeurde door slechte fabricage en een onjuiste elektrolytformule, vooral in goedkope of namaakcomponenten.
De condensatorplaag was een probleem dat verband hield met een hoger dan verwacht uitvalpercentage van elektrolytische condensatoren van niet-massief aluminium tussen 1999 en 2007, vooral die van sommige Taiwanese fabrikanten, als gevolg van een gebrekkige elektrolytsamenstelling die corrosie veroorzaakte die gepaard ging met gasvorming; dit resulteerde vaak in het scheuren van de behuizing van de condensator door de opbouw van druk.
Hoge uitvalpercentages kwamen voor bij veel bekende elektronicamerken, en waren vooral duidelijk bij moederborden, videokaarten en voedingen van personal computers.
In een artikel uit 2003 in The Independent werd beweerd dat de oorzaak van de defecte condensatoren te wijten was aan een verkeerd gekopieerde formule. In 2001 stal een wetenschapper die bij de Rubycon Corporation in Japan werkte een verkeerd gekopieerde formule voor de elektrolyten van condensatoren. Vervolgens bracht hij de defecte formule naar het bedrijf Luminous Town Electric in China, waar hij eerder werkte. In hetzelfde jaar verliet de staf van de wetenschapper China, stal opnieuw de verkeerd gekopieerde formule en verhuisde naar Taiwan, waar ze hun eigen bedrijf oprichtten, condensatoren produceerden en nog meer van deze foutieve formule van condensatorelektrolyten propageerden.
Geschiedenis
Eerste aankondigingen
De eerste defecte condensatoren die verband hielden met Taiwanese grondstoffenproblemen werden in september 2002 gerapporteerd door het vakblad Passive Component Industry. Kort daarna rapporteerden twee reguliere elektronische tijdschriften de ontdekking van wijdverbreide, voortijdig falende condensatoren, van Taiwanese fabrikanten, in moederborden.
Deze publicaties informeerden ingenieurs en andere technisch geïnteresseerde specialisten, maar de kwestie kreeg pas wijdverspreide publieke aandacht toen Carey Holzman zijn ervaringen publiceerde over “lekkende condensatoren” in de gemeenschap van overklokprestaties.
Publieke aandacht
Het nieuws uit de Holzman-publicatie verspreidde zich snel op internet en in kranten, mede dankzij de spectaculaire beelden van de storingen: uitpuilende of barstte condensatoren, uitgestoten afdichtingsrubber en lekkende elektrolyt op talloze printplaten. Veel pc-gebruikers werden getroffen en veroorzaakten een lawine aan rapporten en reacties op duizenden blogs en andere webgemeenschappen.
De snelle verspreiding van het nieuws resulteerde er ook in dat veel slecht geïnformeerde gebruikers en blogs foto’s plaatsten van condensatoren die defect waren vanwege andere redenen dan een defect elektrolyt.
Prevalentie
De meeste van de getroffen condensatoren zijn geproduceerd tussen 1999 en 2003 en faalden tussen 2002 en 2005. Problemen met condensatoren die zijn geproduceerd met een verkeerd geformuleerde elektrolyt hebben gevolgen gehad voor apparatuur die tot ten minste 2007 is vervaardigd.
Grote leveranciers van moederborden zoals Abit, IBM, Dell, Apple, HP en Intel werden getroffen door condensatoren met defecte elektrolyten.
In 2005 besteedde Dell ongeveer 420 miljoen dollar aan het vervangen van moederborden en aan de logistiek om te bepalen of een systeem aan vervanging toe was.
Veel andere fabrikanten van apparatuur assembleerden en verkochten onbewust platen met defecte condensatoren, en als gevolg daarvan kon het effect van de condensatorplaag overal ter wereld op allerlei apparaten worden waargenomen.
Omdat niet alle fabrikanten terugroepacties of reparaties hadden aangeboden, werden er doe-het-zelf-reparatie-instructies geschreven en op internet gepubliceerd.[15]
Verantwoordelijkheid
In de uitgave van Passive Component Industry van november/december 2002 werd, na het eerste verhaal over defecte elektrolyt, gerapporteerd dat enkele grote Taiwanese fabrikanten van elektrolytische condensatoren de verantwoordelijkheid voor defecte producten ontkenden.[16]
Hoewel industriële klanten de storingen bevestigden, konden ze de bron van de defecte componenten niet traceren. De defecte condensatoren waren gemarkeerd met voorheen onbekende merken zoals “Tayeh”, “Choyo” of “Chhsi”. De merken waren niet gemakkelijk te koppelen aan bekende bedrijven of productmerken.
De moederbordfabrikant ABIT Computer Corp. was de enige getroffen fabrikant die publiekelijk toegaf dat defecte condensatoren, verkregen van Taiwanese condensatorfabrikanten, in zijn producten werden gebruikt. Het bedrijf wil echter niet de naam bekendmaken van de condensatorfabrikant die de defecte producten heeft geleverd.
Symptomen
Gemeenschappelijke kenmerken
De niet-massieve aluminium elektrolytische condensatoren met onjuist geformuleerde elektrolyt behoorden meestal tot de zogenaamde “lage equivalente serieweerstand (ESR)”, “lage impedantie” of “hoge rimpelstroom” e-cap-serie. Het voordeel van e-caps die een elektrolyt gebruiken dat voor 70% uit water of meer bestaat, is met name een lage ESR, waardoor een hogere rimpelstroom en lagere productiekosten mogelijk zijn, waarbij water het minst kostbare materiaal in een condensator is.
Voortijdig falen
Alle elektrolytische condensatoren met niet-vaste elektrolyt verouderen na verloop van tijd als gevolg van verdamping van de elektrolyt. De capaciteit neemt meestal af en de ESR neemt meestal toe. De normale levensduur van een niet-vaste elektrolytische condensator van consumentenkwaliteit, doorgaans geschat op 2000 uur/85 °C en werkend bij 40 °C, is ongeveer 6 jaar. Het kan meer dan 10 jaar duren voor een condensator van 1000 uur/105 °C die werkt bij 40 °C. Elektrolytische condensatoren die bij een lagere temperatuur werken, kunnen een aanzienlijk langere levensduur hebben.
De capaciteit zou normaal gesproken moeten afnemen tot slechts 70% van de nominale waarde, en de ESR zou moeten toenemen tot tweemaal de nominale waarde, gedurende de normale levensduur van het onderdeel, voordat het als een “degradatiefout” moet worden beschouwd. De levensduur van een elektrolytische condensator met defecte elektrolyt kan slechts twee jaar bedragen. De condensator kan voortijdig defect raken nadat hij ongeveer 30% tot 50% van zijn verwachte levensduur heeft bereikt.
Elektrische symptomen
De elektrische kenmerken van een defecte elektrolytische condensator met een open ventilatieopening zijn als volgt:
- capaciteitswaarde daalt tot onder de nominale waarde
- ESR neemt toe tot zeer hoge waarden.
Elektrolytische condensatoren met een open ontluchting zijn aan het uitdrogen, ongeacht of ze goede of slechte elektrolyt hebben. Ze vertonen altijd lage capaciteitswaarden en zeer hoge ohmse ESR-waarden. Droge e-caps zijn daarom elektrisch nutteloos.
E-caps kunnen falen zonder zichtbare symptomen. Omdat de elektrische eigenschappen van elektrolytische condensatoren de reden zijn voor het gebruik ervan, moeten deze parameters met instrumenten worden getest om definitief te beslissen of de apparaten defect zijn. Maar zelfs als de elektrische parameters buiten hun specificaties vallen, is de toewijzing van een storing aan het elektrolytprobleem geen zekerheid.
Elektrolytische condensatoren van niet-massief aluminium zonder zichtbare symptomen, die een onjuist geformuleerde elektrolyt bevatten, vertonen doorgaans twee elektrische symptomen:
- relatief hoge en fluctuerende lekstroom
- verhoogde capaciteitswaarde, tot tweemaal de nominale waarde, die fluctueert na verwarming en koeling van het condensatorlichaam
Zichtbare symptomen
Bij het onderzoeken van een defect elektronisch apparaat kunnen de defecte condensatoren gemakkelijk worden herkend aan duidelijk zichtbare symptomen, waaronder de volgende:
Uitpuilen van de ontluchting bovenop de condensator. (De “ontluchting” is in de bovenkant van de behuizing van een blikvormige condensator gestempeld en vormt een naad die bedoeld is om te splijten om de drukopbouw binnenin te verlichten, waardoor een explosie wordt voorkomen.)
Gebarsten of gebarsten ventilatieopening, vaak vergezeld van zichtbare korstige roestachtige bruine of rode gedroogde elektrolytafzettingen.
De behuizing van de condensator zit scheef op de printplaat, veroorzaakt doordat de onderste rubberen plug naar buiten is geduwd, soms waarbij elektrolyt vanaf de onderkant van de condensator naar het moederbord is gelekt, zichtbaar als donkerbruine of zwarte oppervlakteafzettingen op de printplaat. Het gelekte elektrolyt kan worden verward met dikke elastische lijm die soms wordt gebruikt om de condensatoren tegen schokken te beveiligen. Een donkerbruine of zwarte korst aan de zijkant van een condensator is altijd lijm en geen elektrolyt. De lijm zelf is onschadelijk.
Onderzoek
Implicaties van industriële spionage
Industriële spionage was betrokken bij de condensatorplaag, in verband met de diefstal van een elektrolytformule. Een materiaalwetenschapper die voor Rubycon in Japan werkte, verliet het bedrijf en nam de geheime elektrolytformule op waterbasis voor Rubycon’s condensatoren uit de ZA- en ZL-serie, en ging voor een Chinees bedrijf werken. De wetenschapper ontwikkelde vervolgens een kopie van deze elektrolyt. Vervolgens kopieerden enkele personeelsleden die het Chinese bedrijf verlieten een onvolledige versie van de formule en begonnen deze op de markt te brengen aan veel van de aluminium-elektrolytische fabrikanten in Taiwan, waardoor de prijzen van de Japanse fabrikanten werden onderboden. Deze onvolledige elektrolyt miste belangrijke gepatenteerde ingrediënten die essentieel waren voor de stabiliteit van de condensatoren op de lange termijn en was onstabiel wanneer hij werd verpakt in een afgewerkte aluminium condensator. Deze defecte elektrolyt maakte de ongehinderde vorming van hydroxide mogelijk en produceerde waterstofgas.
Er zijn geen openbare gerechtelijke procedures gestart met betrekking tot de vermeende diefstal, aangezien de volledige elektrolytformule van Rubycon veilig bleef. Uit onafhankelijke laboratoriumanalyses van defecte condensatoren is echter gebleken dat veel van de voortijdige defecten verband lijken te houden met een hoog watergehalte en ontbrekende remmers in de elektrolyt, zoals hieronder beschreven.[26]
Onvolledige elektrolytenformule
De ongehinderde vorming van hydroxide (hydratatie) en de daarmee samenhangende productie van waterstofgas, die optreedt tijdens incidenten met “condensatorpest” of “slechte condensatoren”, waarbij grote aantallen elektrolytische aluminiumcondensatoren uitvallen, is aangetoond door twee onderzoekers van het Center for Advanced Life Cycle Engineering van de Universiteit van Maryland, die de defecte condensatoren analyseerden.
De twee wetenschappers stelden aanvankelijk door middel van ionenchromatografie en massaspectrometrie vast dat er waterstofgas aanwezig was in defecte condensatoren, wat leidde tot het uitpuilen van de behuizing van de condensator of het barsten van de ontluchting. Zo werd bewezen dat de oxidatie plaatsvindt in overeenstemming met de eerste stap van de vorming van aluminiumoxide.
Omdat het bij elektrolytische condensatoren gebruikelijk is om de overtollige waterstof te binden door reducerende of depolariserende verbindingen, zoals aromatische stikstofverbindingen of aminen, te gebruiken om de ontstane druk te verlichten, zochten de onderzoekers vervolgens naar dit soort verbindingen. Hoewel de analysemethoden zeer gevoelig waren bij het detecteren van dergelijke drukverlichtende verbindingen, werden er geen sporen van dergelijke middelen gevonden in de defecte condensatoren.
Bij condensatoren waarbij de interne drukopbouw zo groot was dat het condensatorhuis al uitpuilde maar de ontluchting nog niet open was, kon de pH-waarde van het elektrolyt worden gemeten. De elektrolyt van de defecte Taiwanese condensatoren was alkalisch, met een pH tussen 7 en 8. Goede vergelijkbare Japanse condensatoren hadden een elektrolyt die zuur was, met een pH van ongeveer 4. Omdat bekend is dat aluminium kan worden opgelost door alkalische vloeistoffen, maar niet door licht zure vloeistoffen, werd een energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX of EDS) vingerafdrukanalyse van de elektrolyt van de defecte condensatoren uitgevoerd, waarbij opgelost aluminium in de defecte condensatoren werd gedetecteerd. elektrolyt.
Om het metallische aluminium te beschermen tegen de agressiviteit van water, kunnen sommige fosfaatverbindingen, bekend als remmers of passivatoren, worden gebruikt om langdurig stabiele condensatoren te produceren met hoogwaterige elektrolyten. Fosfaatverbindingen worden genoemd in patenten met betrekking tot elektrolytische condensatoren met waterige elektrolytische systemen.[28] Omdat fosfaationen ontbraken en de elektrolyt ook alkalisch was in de onderzochte Taiwanese elektrolyten, ontbeerde de condensator kennelijk enige bescherming tegen waterschade en werd de vorming van stabielere aluminiumoxideoxiden geremd. Daarom werd alleen aluminiumhydroxide gegenereerd.
De resultaten van de chemische analyse werden bevestigd door het meten van de elektrische capaciteit en lekstroom tijdens een langdurige test van 56 dagen. Als gevolg van de chemische corrosie was de oxidelaag van deze condensatoren verzwakt, dus na korte tijd namen de capaciteit en de lekstroom even toe, voordat ze abrupt daalden toen de gasdruk de ontluchting opende. Het rapport van Hillman en Helmold bewees dat de oorzaak van de defecte condensatoren een defect elektrolytmengsel was dat door de Taiwanese fabrikanten werd gebruikt en dat de noodzakelijke chemische ingrediënten ontbeerde om de juiste pH van de elektrolyt in de loop van de tijd te garanderen, voor stabiliteit op lange termijn van de elektrolytische condensatoren. Hun verdere conclusie, dat de elektrolyt met zijn alkalische pH-waarde de fatale fout had van een voortdurende opeenhoping van hydroxide zonder dat het werd omgezet in het stabiele oxide, werd zowel fotografisch als met een EDX-vingerafdrukanalyse van de chemische componenten geverifieerd op het oppervlak van de anodefolie.
Ondersteun mijn website’s, kanaal en inhoud en mijn voortdurende inspanningen via Patreon:
https://patreon.com/Colani
Suc6
Terry van Erp
