커패시터 플래그

섬네일|right|캔 상단의 개방형 통풍구가 있고 눈에 띄는 마른 전해액 잔여물(적갈색)이 있는 고장 난 알루미늄 전해 콘덴서

커패시터 플래그(capacitor plague)는 1999년부터 2007년까지 비고체 알루미늄 전해 콘덴서의 예상보다 높은 고장률과 관련된 문제였다. 특히 일부 대만 제조업체의 제품에서 문제가 두드러졌으며, 이는 가스 발생을 동반한 부식을 일으키는 결함 있는 전해질 조성 때문이었다. 이로 인해 압력 축적으로 인해 커패시터 케이스가 파열되는 경우가 많았다.

높은 고장률은 많은 유명 전자제품 브랜드에서 발생했으며, 개인용 컴퓨터의 메인보드, 비디오 카드, 전원 공급 장치에서 특히 두드러졌다.

인디펜던트지의 2003년 기사는 결함 있는 커패시터의 원인이 잘못 복사된 공식 때문이라고 주장했다. 2001년, 일본의 루비콘 코퍼레이션에서 일하던 한 과학자가 커패시터 전해질에 대한 잘못 복사된 공식을 훔쳤다. 그는 그 후 이 잘못된 공식을 이전에 근무했던 중국의 루미너스 타운 일렉트릭 회사로 가져갔다. 같은 해, 이 과학자의 직원들은 중국을 떠나 이 잘못 복사된 공식을 다시 훔쳐 중화민국으로 가서 자신들의 회사를 설립하고 커패시터를 생산하며 이 잘못된 커패시터 전해질 공식을 더욱 확산시켰다.

 역사 

 첫 발표 
중화민국의 원료 문제와 관련된 첫 번째 결함 커패시터는 2002년 9월 전문 잡지 Passive Component Industry에 보고되었다. 직후, 두 개의 주류 전자 잡지는 대만 제조업체에서 생산된 메인보드의 광범위한 조기 커패시터 고장 발견을 보고했다.

이러한 출판물들은 엔지니어와 기술에 관심 있는 전문가들에게 정보를 제공했지만, 이 문제는 캐리 홀츠만(Carey Holzman)이 오버클럭 성능 커뮤니티에 "누설 커패시터"에 대한 그의 경험을 발표하기 전까지는 대중에게 널리 알려지지 않았다.

 대중의 관심 
섬네일|right|전원을 공급하는 도체를 단락시킨 누설 전해액으로 인해 인쇄 회로 기판에서 발생한 화재의 결과

홀츠만의 출판물에서 나온 소식은 인터넷과 신문에서 빠르게 퍼져나갔는데, 이는 부풀어 오르거나 터진 커패시터, 밀폐 고무가 튀어나오고 수많은 회로 기판에 전해액이 누출된 극적인 고장 이미지 때문이기도 했다. 많은 PC 사용자들이 영향을 받았고, 수많은 블로그와 기타 웹 커뮤니티에 보고서와 댓글이 쇄도했다.

소식의 빠른 확산은 또한 잘못된 전해질 이외의 다른 이유로 인해 고장 난 커패시터의 사진을 게시하는 오정보를 받은 사용자들과 블로그를 초래했다.

 만연 
영향을 받은 커패시터 대부분은 1999년부터 2003년 사이에 생산되었으며 2002년부터 2005년 사이에 고장났다. 잘못 제조된 전해질로 생산된 커패시터의 문제는 적어도 2007년까지 제조된 장비에 영향을 미쳤다.

아비트, IBM, 델, 애플, HP, 인텔와 같은 주요 메인보드 공급업체들은 결함 있는 전해액을 사용한 커패시터에 영향을 받았다.

2005년, 델은 메인보드를 전면 교체하고 시스템 교체 필요성을 결정하는 물류에 약 4억 2천만 달러를 지출했다.

다른 많은 장비 제조업체들은 자신들도 모르게 결함 있는 커패시터가 포함된 보드를 조립하고 판매했으며, 그 결과 커패시터 플래그의 영향은 전 세계 모든 종류의 장치에서 볼 수 있었다.

모든 제조업체가 리콜이나 수리를 제공하지 않았기 때문에, 자작 수리 지침이 작성되어 인터넷에 게시되었다.

 책임 
2002년 11월/12월호 Passive Component Industry는 결함 있는 전해질에 대한 첫 기사에 이어, 일부 대만 전해 콘덴서 제조업체들이 결함 있는 제품에 대한 책임을 부인하고 있다고 보도했다.

산업 고객들은 고장을 확인했지만, 결함 있는 부품의 출처를 추적할 수 없었다. 결함 있는 커패시터에는 "Tayeh", "Choyo", "Chhsi"와 같이 이전에 알려지지 않은 브랜드가 표시되어 있었다. 이 표시는 익숙한 회사나 제품 브랜드와 쉽게 연결되지 않았다.

메인보드 제조업체 ABIT 컴퓨터 Corp.는 제품에 사용된 대만 커패시터 제조업체의 결함 있는 커패시터를 공개적으로 인정한 유일한 제조업체였다. 그러나 회사는 결함 있는 제품을 공급한 커패시터 제조업체의 이름을 공개하지 않았다.

 증상 

 일반적인 특성 
부적절하게 제조된 전해액이 포함된 비고체 알루미늄 전해 콘덴서는 대부분 "낮은 등가 직렬 저항 (ESR)", "낮은 온저항", 또는 "높은 리플 전류" e-캡 시리즈에 속했다. 70% 이상의 물로 구성된 전해액을 사용하는 e-캡의 장점은 특히 낮은 ESR로, 이는 더 높은 리플 전류를 허용하고 생산 비용을 절감한다는 것이다. 물은 커패시터에서 가장 저렴한 재료이다.

 조기 고장 
비고체 전해질을 사용하는 모든 전해 커패시터는 전해액 증발로 인해 시간이 지남에 따라 노화된다. 전기 용량은 일반적으로 감소하고 ESR은 일반적으로 증가한다. 일반적으로 2000시간/85°C로 정격되고 40°C에서 작동하는 소비자 품질의 비고체 전해 커패시터의 정상 수명은 약 6년이다. 40°C에서 작동하는 1000시간/105°C 커패시터의 경우 10년 이상이 될 수도 있다. 더 낮은 온도에서 작동하는 전해 커패시터는 훨씬 더 긴 수명을 가질 수 있다.

정상적인 수명 동안 전기 용량은 정격 값의 70%까지 감소하고 ESR은 정격 값의 두 배까지 증가해야 "열화 고장"으로 간주된다. 결함 있는 전해액을 사용하는 전해 커패시터의 수명은 2년밖에 되지 않을 수 있다. 커패시터는 예상 수명의 약 30%에서 50%에 도달한 후 조기에 고장날 수 있다.

 전기적 증상 
개방형 통풍구가 있는 고장 난 전해 커패시터의 전기적 특성은 다음과 같다.
 전기 용량 값이 정격 값 미만으로 감소한다.
 ESR이 매우 높은 값으로 증가한다.

개방형 통풍구가 있는 전해 콘덴서는 양호하거나 불량한 전해질에 관계없이 건조되는 과정에 있다. 이들은 항상 낮은 전기 용량 값과 매우 높은 옴성 ESR 값을 보인다. 따라서 건조된 e-캡은 전기적으로 쓸모가 없다.

e-캡은 눈에 보이는 증상 없이 고장날 수 있다. 전해 콘덴서의 전기적 특성이 사용 이유이므로, 장치의 고장 여부를 최종적으로 결정하기 위해 이러한 매개변수를 기기로 테스트해야 한다. 그러나 전기적 매개변수가 사양을 벗어나더라도 고장을 전해질 문제로 단정하는 것은 확실하지 않다.

눈에 보이는 증상 없이 부적절하게 제조된 전해질이 포함된 비고체 알루미늄 전해 콘덴서는 일반적으로 두 가지 전기적 증상을 보인다.
 상대적으로 높고 변동하는 누설 전류
 커패시터 본체의 가열 및 냉각 후 변동하는, 정격 값의 두 배까지 증가하는 전기 용량 값

 시각적 증상 
섬네일|고장 난 전해 콘덴서 통풍구와 마른 전해액 잔여물의 근접 촬영

고장 난 전자 장치를 검사할 때, 고장 난 커패시터는 다음과 같은 명확하게 보이는 증상으로 쉽게 인식할 수 있다.

 커패시터 상단 통풍구의 팽창. (통풍구는 캔 형태 커패시터 케이스 상단에 스탬프로 찍혀 있으며, 내부 압력 축적을 해소하고 폭발을 방지하기 위해 갈라지도록 만들어진 이음새를 형성한다.)
 파열되거나 갈라진 통풍구, 종종 눈에 보이는 껍질 같은 갈색 또는 빨간색의 마른 전해액 침전물이 동반된다.
 회로 기판에 비스듬히 놓인 커패시터 케이스. 이는 하단 고무 마개가 밀려나와 발생하며, 때로는 커패시터 바닥에서 메인보드로 전해액이 누출되어 PCB 표면에 짙은 갈색 또는 검은색 침전물로 보인다. 누출된 전해액은 때때로 충격으로부터 커패시터를 고정하기 위해 사용되는 두꺼운 탄성 접착제와 혼동될 수 있다. 커패시터 측면에 붙은 짙은 갈색 또는 검은색 껍질은 전해액이 아니라 항상 접착제이다. 접착제 자체는 무해하다.

 조사 
 산업 스파이의 영향 
산업 스파이는 전해액 공식 도용과 관련하여 커패시터 플래그에 연루되었다. 루비콘 코퍼레이션에서 일하던 한 재료 과학자가 회사를 떠나 일본 루비콘의 ZA 및 ZL 시리즈 커패시터에 사용되는 비밀 수성 전해액 공식을 가지고 중국 회사에 취직했다. 이 과학자는 이 전해액의 복사본을 개발했다. 그리고 이 중국 회사에서 이탈한 일부 직원들이 이 공식의 불완전한 버전을 복사하여 대만의 많은 알루미늄 전해 콘덴서 제조업체에 일본 제조업체보다 낮은 가격으로 판매하기 시작했다. 이 불완전한 전해액에는 커패시터의 장기적인 안정성에 필수적인 중요한 독점 성분이 부족했으며 완성된 알루미늄 커패시터에 포장했을 때 불안정했다. 이 결함 있는 전해액은 수산화물 형성을 방해하지 않고 수소 가스를 생성했다.

주장된 절도와 관련된 공개 재판은 없었는데, 루비콘의 완전한 전해액 공식은 보안이 유지되었기 때문이다. 그러나 결함 있는 커패시터에 대한 독립적인 실험실 분석 결과, 많은 조기 고장이 아래에 설명된 바와 같이 전해액 내 높은 수분 함량과 억제제 누락과 관련이 있는 것으로 나타났다.

 불완전한 전해질 공식 
많은 수의 알루미늄 전해 콘덴서의 고장을 수반하는 "커패시터 플래그" 또는 "불량 커패시터" 사건 동안 발생하는 수산화물(수화)의 방해받지 않는 형성 및 관련 수소 가스 생산은 고장 난 커패시터를 분석한 메릴랜드 대학교의 첨단 라이프사이클 공학 센터의 두 연구원에 의해 입증되었다.

두 과학자는 처음에 이온 크로마토그래피와 질량 분석법을 통해 고장 난 커패시터에 수소 가스가 존재하여 커패시터 케이스의 팽창 또는 통풍구의 파열을 초래했음을 확인했다. 따라서 알루미늄 산화물 형성의 첫 단계에 따라 산화가 일어나는 것이 증명되었다.

전해 콘덴서에서는 방향족 질소 화합물이나 아민과 같은 환원 또는 감극 화합물을 사용하여 과잉 수소를 결합하여 결과적인 압력을 완화하는 것이 관례였기 때문에, 연구원들은 이러한 유형의 화합물을 찾았다. 분석 방법은 이러한 압력 완화 화합물을 탐지하는 데 매우 민감했지만, 고장 난 커패시터 내부에서는 그러한 물질의 흔적이 발견되지 않았다.

내부 압력 축적이 너무 커서 커패시터 케이스가 이미 부풀어 올랐지만 통풍구가 아직 열리지 않은 커패시터에서는 전해액의 pH 값을 측정할 수 있었다. 결함 있는 대만 커패시터의 전해액은 pH 7에서 8 사이의 알칼리성이었다. 양호한 비교 가능한 일본 커패시터는 pH 약 4의 산성 전해액을 가지고 있었다. 알루미늄이 알칼리성 액체에 의해 용해될 수 있지만 약산성 액체에는 용해되지 않는다는 것이 알려져 있으므로, 결함 있는 커패시터의 전해액에 대한 에너지 분산형 X선 분광법 (EDX 또는 EDS) 지문 분석을 수행하여 전해액에서 용해된 알루미늄을 검출했다.

금속 알루미늄을 물의 침식으로부터 보호하기 위해, 억제제 또는 부동태제로 알려진 일부 인산염 화합물을 사용하여 고수성 전해액을 사용하는 장기 안정성 커패시터를 생산할 수 있다. 인산염 화합물은 수성 전해액 시스템을 사용하는 전해 콘덴서에 관한 특허에서 언급된다. 인산 이온이 없었고 전해액도 조사된 대만 전해액에서 알칼리성이었으므로, 커패시터는 분명히 물 손상에 대한 보호가 부족했으며, 더 안정적인 알루미나 산화물의 형성이 억제되었다. 따라서 수산화 알루미늄만 생성되었다.

화학 분석 결과는 56일간의 장기 테스트에서 전기 용량 및 누설 전류를 측정함으로써 확인되었다. 화학적 부식으로 인해 이들 커패시터의 산화층이 약화되어 단시간 후에 전기 용량과 누설 전류가 잠깐 증가한 후, 가스 압력으로 인해 통풍구가 열리면서 갑자기 감소했다. 힐먼과 헬몰트의 보고서는 고장 난 커패시터의 원인이 대만 제조업체에서 사용한 결함 있는 전해액 혼합물이며, 이는 전해 콘덴서의 장기적인 안정성을 위해 전해액의 정확한 pH를 보장하는 데 필요한 화학적 성분이 부족했음을 증명했다. 알칼리성 pH 값을 가진 전해액이 안정한 산화물로 전환되지 않고 수산화물이 지속적으로 축적되는 치명적인 결함을 가지고 있다는 그들의 추가 결론은 양극박 표면에서 사진 촬영과 화학 성분의 EDX 지문 분석을 통해 검증되었다.

 같이 보기 
 RKM 코드

 각주 

 추가 자료 
H. Kaesche, Die Korrosion der Metalle - Physikalisch-chemische Prinzipien und aktuelle Probleme, Springer-Verlag, Berlin, 2011, 
C. Vargel, Corrosion of Aluminium, 1st Edition, 2 October 2004, Elsevier Science, Print Book , eBook 
W. J. Bernard, J. J. Randall Jr., The Reaction between Anodic Aluminium Oxide and Water, 1961 ECS - The Electrochemical Society 
Ch. Vargel, M. Jacques, M. P. Schmidt, Corrosion of Aluminium, 2004 Elsevier B.V., 
Patnaik, P. (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. .
Wiberg, E. and Holleman, A. F. (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. 

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