コンデンサの疫病

コンデンサ・プラウグは、1999年から2007年の間に、特に台湾の一部メーカーの非固体アルミ電解コンデンサの故障率が予想以上に高くなったことに関連する問題であり^{[1] [2]、電解質}の組成に欠陥があり、ガス発生を伴う腐食を引き起こし、圧力の上昇によりコンデンサのケースが破裂することがよくありました。

多くの有名ブランドの電子機器で高い故障率が発生し、特にマザーボード、ビデオカード、およびパソコンの電源で顕著でした。

2003年のインディペンデント紙の記事では、コンデンサの欠陥の原因は、誤ってコピーされた配合によるものだと主張した。2001年、日本のルビコン社に勤務する科学者が、コンデンサの電解質の誤ってコピーされた配合を盗んだ。その後、彼はその誤った配合を、以前勤めていた中国のルミナスタウン電気社に持ち込んだ。同年、その科学者のスタッフは中国を離れ、再び誤ってコピーされた配合を盗んで台湾に移り、そこで独自の会社を設立してコンデンサを製造し、コンデンサの電解質のこの誤った配合をさらに広めた。^[3]

台湾の原材料問題に関連する最初の欠陥コンデンサは、2002年9月に専門誌「Passive Component Industry」で報告されました。 ^[1]その後まもなく、2つの主流エレクトロニクスジャーナルが、マザーボードで台湾メーカーの早期故障コンデンサが広範囲に発見されたと報告しました。^{[4] [5]}

これらの出版物はエンジニアや技術に関心のある専門家に情報を提供しましたが、この問題が広く一般に知られるようになったのは、ケアリー・ホルツマンがオーバークロックパフォーマンスコミュニティで「コンデンサの液漏れ」に関する経験を発表したときでした。^[6]

ホルツマンの出版物からのニュースは、膨らんだり破裂したりしたコンデンサ、吹き飛んだゴムのシール、無数の回路基板からの電解液の漏れなど、障害の衝撃的な画像もあって、インターネットや新聞で急速に広まりました。多くのPCユーザーが影響を受け、何千ものブログやその他のウェブコミュニティで報告やコメントが殺到しました。^{[5] [7] [8]}

このニュースが急速に広まった結果、多くの誤った情報を得たユーザーやブログが、電解液の不良以外の理由で故障したコンデンサの写真を投稿することになった。^[9]

影響を受けたコンデンサのほとんどは1999年から2003年に製造され、2002年から2005年の間に故障しました。不適切な配合の電解質を使用して製造されたコンデンサの問題は、少なくとも2007年までに製造された機器に影響を与えています。^[2]

Abit、^[10]、 IBM、^[1]、 Dell、^[11]、 Apple、HP、Intel ^[12]などのマザーボードの大手ベンダーは、欠陥のある電解質を含むコンデンサの影響を受けました。

2005年、デルはマザーボードの交換とシステムの交換が必要かどうかを判断するためのロジスティクスに約4億2000万ドルを費やしました。^{[13] [14]}

他の多くの機器メーカーも、知らないうちに欠陥のあるコンデンサを搭載した基板を組み立てて販売し、その結果、コンデンサ問題の影響が世界中のあらゆる種類の機器に見られるようになりました。

すべてのメーカーがリコールや修理を提供していなかったため、自分で修理するための手順書が作成され、インターネット上で公開されました。^[15]

2002年11月/12月号のPassive Component Industryでは、電解液の欠陥に関する最初の記事に続いて、台湾の大手電解コンデンサメーカー数社が欠陥製品に対する責任を否定していると報じた。^[16]

産業顧客は故障を確認したが、故障した部品の供給源を突き止めることはできなかった。欠陥のあるコンデンサには、「Tayeh」、「Choyo」、「Chhsi」など、これまで知られていなかったブランド名が付けられていた。 ^[17]これらのマークは、よく知られた企業や製品ブランドとは簡単に結び付けられるものではなかった。

マザーボードメーカーのABIT Computer Corp.は、台湾のコンデンサメーカーから入手した不良コンデンサが自社製品に使用されていることを公に認めた唯一の被害を受けたメーカーでした。^[16]しかし、同社は不良製品を供給したコンデンサメーカーの名前を明らかにしませんでした。

不適切に配合された電解質を使用した非固体アルミ電解コンデンサは、主にいわゆる「低等価直列抵抗（ESR）」、「低インピーダンス」、または「高リップル電流」のe-capシリーズに属していました。70％以上の水を含む電解質を使用するe-capの利点は、特にESRが低いため、より高いリップル電流が可能になり、水はコンデンサの中で最も安価な材料であるため、製造コストが削減されることです。^[18]

非固体電解質を使用したすべての電解コンデンサは、電解質の蒸発により、時間の経過とともに劣化します。通常、静電容量は減少し、ESR は増加します。消費者向け品質の非固体電解コンデンサの通常の寿命は、通常 2000 時間/85 °C で動作し、 40 °C で動作する場合で、およそ 6 年です。40 °C で動作し、1000 時間/105 °C のコンデンサの場合は、10 年以上になることがあります。より低い温度で動作する電解コンデンサは、寿命がかなり長くなります。

通常、部品の通常の寿命中に、静電容量が定格値の 70% まで低下し、ESR が定格値の 2 倍まで増加すると、「劣化故障」と見なされます。^{[19] [20]}電解質に欠陥のある電解コンデンサの寿命は 2 年ほど短くなることがあります。コンデンサは、予想寿命の約 30% から 50% に達すると、早期に故障する可能性があります。

通気孔が開いた故障した電解コンデンサの電気的特性は次のとおりです。

• 静電容量値が定格値以下に低下する
• ESR は非常に高い値まで増加します。

通気孔が開いている電解コンデンサは、電解質の良し悪しに関係なく、乾燥の過程にあります。常に低い静電容量値と非常に高い抵抗 ESR 値を示します。したがって、乾燥した e-caps は電気的に役に立たなくなります。

電解コンデンサは、目に見える症状がなくても故障することがあります。電解コンデンサは電気特性に基づいて使用されるため、機器が故障したかどうかを明確に判断するには、これらのパラメータを機器でテストする必要があります。ただし、電気パラメータが仕様外であっても、故障の原因が電解液の問題であると断定できるわけではありません。

目に見える症状がなく、電解質の配合が不適切である非固体アルミ電解コンデンサでは、通常、次の 2 つの電気的症状が見られます。

• 比較的高い変動漏れ電流^{[21] [22]}
• コンデンサ本体の加熱と冷却後に変動する定格値の最大2倍までの静電容量値の増加

故障した電子機器を検査すると、次のようなはっきりと目に見える症状によって故障したコンデンサを簡単に認識できます。^[23]

• コンデンサ上部の通気孔の膨らみ。(「通気孔」は、缶型コンデンサのケース上部に刻印されており、内部の圧力上昇を緩和して爆発を防ぐために分割することを目的とした継ぎ目を形成します。)
• 破裂またはひび割れた通気口。多くの場合、目に見える固い錆のような茶色または赤色の乾燥した電解質の堆積物が伴います。
• コンデンサケースが回路基板上で曲がって設置されている。これは底部のゴム栓が押し出されたことが原因で、コンデンサの底部から電解液がマザーボードに漏れ、PCB の表面に暗褐色または黒色の沈殿物として見えることがある。^[24]漏れた電解液は、コンデンサを衝撃から守るために時々使用される厚手の弾性接着剤と混同されることがある。コンデンサの側面に付着している暗褐色または黒色の固まりは、必ず接着剤であり、電解液ではない。接着剤自体は無害である。

コンデンサー問題には、電解液配合の盗難に関連した産業スパイ活動が関与していた。ルビコン社で働いていた材料科学者が同社を辞め、ルビコン社の ZA および ZL シリーズ コンデンサー用の秘密の水系電解液配合を持ち出し、中国企業で働き始めた。その後、科学者はこの電解液のコピーを開発した。その後、中国企業から離反したスタッフの一部が不完全な配合をコピーし、台湾の多くのアルミ電解メーカーに販売し、日本のメーカーの価格を下げ始めた。^{[1] [25]}この不完全な電解液には、コンデンサーの長期安定性に不可欠な重要な独自成分が欠けており^{[5] [23]}、完成したアルミコンデンサーにパッケージングされた状態では不安定であった。この欠陥のある電解液により、水酸化物が妨げられることなく形成され、水素ガスが発生した。^{[26] [27]}

ルビコンの完全な電解液配合は安全であったため、盗難疑惑に関連する公の裁判は行われていない。しかし、欠陥のあるコンデンサを独立した研究室で分析したところ、早期故障の多くは、以下に説明するように、電解液中の水分含有量の高さと抑制剤の不足に関連しているようだと判明した。^[26]

多数のアルミ電解コンデンサが故障する「コンデンサ疫病」または「不良コンデンサ」事故の際に発生する水酸化物（水和）の妨げられない形成とそれに伴う水素ガスの発生は、故障したコンデンサを分析したメリーランド大学先端ライフサイクル工学センターの2人の研究者によって実証された。^[26]

2人の科学者は、イオンクロマトグラフィーと質量分析法によって、故障したコンデンサーには水素ガスが存在し、それがコンデンサーのケースの膨張や通気口の破裂につながっていることを最初に突き止めました。こうして、酸化は酸化アルミニウム形成の第一段階に従って起こることが証明されました。

電解コンデンサーでは、芳香族窒素化合物やアミンなどの還元性または脱分極性化合物を使用して過剰な水素を結合し、結果として生じる圧力を軽減するのが慣例であるため、研究者はこの種の化合物を探しました。分析方法は、このような圧力軽減化合物の検出に非常に敏感でしたが、故障したコンデンサー内にはそのような薬剤の痕跡は見つかりませんでした。

内部圧力の上昇が非常に大きく、コンデンサケースがすでに膨らんでいるものの、通気口がまだ開いていないコンデンサでは、電解液のpH値を測定することができました。不良の台湾製コンデンサの電解液はアルカリ性で、pH は 7 ～ 8 でした。比較対象となる良好な日本製コンデンサの電解液は酸性で、pH は約 4 でした。アルミニウムはアルカリ性の液体には溶解しますが、弱酸性の液体には溶解しないことが知られているため、不良コンデンサの電解液のエネルギー分散型 X 線分光法(EDX または EDS) 指紋分析を行ったところ、電解液に溶解したアルミニウムが検出されました。

金属アルミニウムを水の攻撃性から保護するために、阻害剤または不動態化剤と呼ばれるリン酸化合物を使用して、高水性電解質を使用した長期安定性のあるコンデンサを製造することができます。リン酸化合物は、水性電解システムを備えた電解コンデンサに関する特許に記載されています。^[28]調査された台湾の電解液にはリン酸イオンがなく、電解質もアルカリ性であったため、コンデンサは明らかに水による損傷に対する保護がなく、より安定したアルミナ酸化物の形成が阻害されました。そのため、アルミニウム水酸化物のみが生成されました。

化学分析の結果は、56 日間にわたる長期テストで電気容量と漏れ電流を測定することで確認されました。化学腐食により、これらのコンデンサの酸化層が弱くなっていたため、しばらくすると静電容量と漏れ電流が一時的に増加しましたが、ガス圧でベントが開くと急激に低下しました。ヒルマン氏とヘルモルド氏の報告書では、故障したコンデンサの原因は台湾の製造業者が使用した電解液の混合物に欠陥があり、電解コンデンサの長期安定性のために電解液の pH を長期間にわたって適正に保つために必要な化学成分が不足していたことが証明されました。さらに、アルカリ性の pH 値を持つ電解液には、安定した酸化物に変換されることなく継続的に水酸化物が蓄積するという致命的な欠陥があるという彼らの結論は、陽極箔の表面で写真と化学成分の EDX 指紋分析の両方で確認されました。

• RKMコード

• H. Kaesche、『金属の腐食 - 物理化学原理と問題点』、シュプリンガー版、ベルリン、2011 年、ISBN 978-3-642-18427-7 
• C. Vargel、「アルミニウムの腐食」、第 1 版、2004 年 10 月 2 日、Elsevier Science、印刷書籍ISBN 978-0-08-044495-6、電子書籍ISBN 978-0-08-047236-2  
• WJバーナード、JJランドールジュニア、「陽極酸化アルミニウムと水の反応」、1961年ECS - 電気化学協会[8]
• Ch. Vargel、M. Jacques、MP Schmidt、「アルミニウムの腐食」、2004 Elsevier BV、ISBN 978-0-08-044495-6 
• Patnaik, P. (2002). 無機化学物質ハンドブック. McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8 . 
• Wiberg, E. および Holleman, AF (2001)。無機化学。エルゼビア。ISBN 0-12-352651-5