Конденсаторная чума

Неисправные конденсаторы были проблемой с момента их разработки, но о первых дефектных конденсаторах, связанных с проблемами тайваньского сырья, было сообщено специализированным журналом Passive Component Industry в сентябре 2002 года[1]. Вскоре после этого ещё два журнала об электронике сообщили о широком распространении конденсаторов от тайваньских производителей и о преждевременном выходе из строя материнских плат[3][4].

Об этих публикациях сообщили инженеры и другие технически заинтересованные специалисты, но проблема не получила широкого распространения в обществе, пока Кэри Хольцман, американский специалист по информационным технологиям, не опубликовал свой опыт «утечки конденсаторов» в сообществе об оверклокинге[5].

Новости из публикации Хольцмана быстро распространились в Интернете и в газетах. Отчасти на это повлияли изображения вышедших из строя конденсаторов — они были вздутыми, а в некоторых случаях и разорванными. Это затронуло многих пользователей ПК и вызвало лавину откликов в блогах и веб-сообществах[4][6][7].

Быстрое распространение новостей также привело к тому, что многие дезинформированные пользователи опубликовывали фотографии конденсаторов, которые вышли из строя по причинам, не связанным с электролитом.[8]

Большинство конденсаторов, затронутых этой проблемой, производилось с 1999 по 2003 год и выходило из строя в период с 2002 по 2005 год. Проблемы с конденсаторами, изготовленными с неправильно сформированным электролитом, затронули оборудование, выпущенное вплоть до 2007 года[2].

От конденсаторов с неисправным электролитом пострадали крупные производители материнских плат, такие как Abit[9], IBM[1], Dell[10], Apple, HP и Intel[11]. В 2005 году компания Dell потратила около 420 миллионов долларов США на диагностику и замену материнских плат[12][13]. Многие другие производители по незнанию собирали и продавали платы с неисправными конденсаторами, так что последствия конденсаторной чумы можно было наблюдать по всему миру.

Не все производители разворачивали программы отзыва или ремонта продукции, так что в Интернете появились инструкции по самостоятельному ремонту[14].

В выпуске журнала Passive Component Industry за ноябрь/декабрь 2002 года сообщалось, что некоторые крупные тайваньские производители электролитических конденсаторов отказались нести ответственность за дефектные продукты[15].

Несмотря на подтверждение сбоев крупными компаниями, определить источник неисправных компонентов не представлялось возможным. Дефектные конденсаторы были отмечены ранее неизвестными марками, такими как Tayeh, Choyo или Chhsi[16]. Эти марки никак не были связаны с известными компаниями. Неисправные конденсаторы известных торговых марок если и ломались, то по причинам, не связанным с неисправным электролитом.

Производитель материнских плат ABIT Computer Corp. стал единственным производителем, который публично признал, что в его продуктах использовались дефектные конденсаторы, полученные от тайваньских производителей конденсаторов[15]. Тем не менее, компания не раскрыла название компании-производителя конденсаторов, который поставлял неисправные продукты.

В статье 2003 года в The Independent утверждалось, что причина неисправных конденсаторов была на самом деле из-за неправильно скопированной формулы. В 2001 году учёный, работающий в корпорации Rubycon в Японии, украл неправильно скопированную формулу электролита, после чего начал работать в компании Luminous Town Electric в Китае. В том же году сотрудники учёного покинули Китай, снова похитив неверно скопированную формулу и переехав на Тайвань, где они создали собственную компанию, производящую конденсаторы и распространяющую ещё больше неисправных конденсаторов[17].

Электролитические конденсаторы из нетвердого алюминия с неправильно сформированным электролитом в основном принадлежали к серии конденсаторов с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС), низким импедансом и током с высокой пульсацией. Преимущество конденсаторов, использующих электролит, состоящий из 70 % воды или более, заключается, в частности, в низких производственных затратах, поскольку вода является наименее дорогостоящим материалом в конденсаторе[18].

Все конденсаторы с жидким электролитом со временем стареют из-за испарения электролита. Ёмкость обычно уменьшается, а ЭПС увеличивается. Обычный срок службы конденсатора с жидким электролитом, рассчитанного на 2000 часов при 85 °С и работающего при 40 °С, составляет примерно 6 лет. Для конденсатора, рассчитанного на 1000 часов при 105 °C, работающего при 40 °C, может быть более 10 лет. Конденсаторы, работающие при более низких температурах, могут иметь ещё более длительный срок службы.

Рассматривать конденсаторы как вышедшие из строя можно после снижения ёмкости до 70 % от номинального значения и возрастания ЭПС по сравнению с номинальным значением[19][20]. Срок службы конденсатора с дефектным электролитом может составлять всего два года, такой конденсатор может преждевременно выйти из строя после достижения приблизительно 30—50 % его ожидаемого срока службы.

Электрические характеристики вышедшего из строя вскрытого конденсатора следующие:

• значение ёмкости уменьшается до значения ниже номинального;
• ЭПС увеличивается до очень высоких значений.

Вскрытые конденсаторы находятся в процессе высыхания, независимо от того, имеют ли они хороший или плохой электролит. Они всегда показывают низкие значения ёмкости и очень высокие значения ЭПС. Высохшие конденсаторы бесполезны с электрической точки зрения.

Алюминиевые конденсаторы с неправильной формулой электролита, переставшие работать без видимых симптомов, обычно имеют два электрических признака:

• относительно высокий и колеблющийся ток утечки;
• увеличенное значение ёмкости, вдвое превышающее номинальное значение, которое колеблется после нагревания и охлаждения корпуса конденсатора.

При проверке сломанного электронного устройства вышедшие из строя конденсаторы могут быть легко распознаны по чётко видимым признакам, которые включают следующее[21]:

• выпуклость отверстия сверху конденсатора;
• сломанный или потрескавшийся разрез, часто сопровождаемый видимыми, похожими на ржавчину коричневыми или красными отложениями электролита.

Протёкший электролит можно спутать с клеем, который используется для защиты конденсаторов от ударов. Тёмно-коричневая или чёрная корка на конденсаторе обычно является клеем, а не электролитом. Сам клей безвреден.

Конденсаторная чума была вызвана кражей формулы электролита. Ученый-материаловед, работающий на Rubycon в Японии, покинул компанию, взяв секретную формулу электролита на водной основе для конденсаторов Rubycon серии ZA и ZL, после чего начал работать в китайской компании, где разработал копию этого электролита. Затем некоторые сотрудники, вышедшие из китайской компании, снова скопировали неполную версию формулы и начали продавать её многим производителям алюминиевого электролита в Тайване, что привело к снижению цен японских производителей[1][22]. В нём отсутствовали важные запатентованные ингредиенты, которые были необходимы для долгосрочной и стабильной работы конденсаторов[4][21]. В результате внутри конденсатора производился водород[23].

Судебных разбирательств, связанных с предполагаемой кражей электролитных формул, не было. Независимый лабораторный анализ дефектных конденсаторов показал, что преждевременный отказ в основном был связан с повышенным содержанием воды и отсутствием ингибиторов.

Образование водорода во времена конденсаторной чумы было продемонстрировано двумя исследователями из Мэрилендского университета, которые проанализировали неисправные конденсаторы[23].

Они определили с помощью ионообменной хроматографии и масс-спектрометрии, что в отказавших конденсаторах присутствовал газообразный водород, что привело к вздутию корпуса конденсатора или разрыву корпуса. Таким образом, было доказано, что окисление происходит в соответствии с первой стадией образования оксида алюминия.

Поскольку в электролитических конденсаторах принято уменьшать избыток водорода с помощью восстанавливающих или деполяризующих соединений для сброса давления, исследователи затем искали соединения этого типа. Никаких следов таких соединений в неисправных конденсаторах обнаружено не было.

В конденсаторах, в которых повышение внутреннего давления было достаточно велико, чтобы конденсатор уже вздулся, но не вскрылся, можно было измерить значение pH электролита. С помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии был обнаружен растворённый в электролите алюминий, а алюминий растворяется только в щелочных соединениях. Электролит неисправных тайваньских конденсаторов был щелочным с pH от 7 до 8. Хорошие аналогичные японские конденсаторы имели кислый электролит с pH около 4.

Чтобы защитить алюминий от растворения в электролите на основе воды, используются ингибиторы. Они упоминаются в патентах, касающихся конденсаторов с электролитом на основе воды[24]. Поскольку фосфат-ионы отсутствовали, а электролит в исследованных тайваньских конденсаторах был также щелочным, конденсатору явно не хватало защиты от взаимодействия с водой.