Ersatz von Elkos bei PC Mainboards

Hallo,

heute gibt es ein paar Bilder zum "Kondensatortausch einmal anders".
Wie allgemein bekannt ist, sind gealterte Kondensatoren, speziell Elektrolytkondensatoren kein exklusives Problem alter Röhrenradios. Auch in Fernsehgeräten, TVT-Displays und -Fernsehern, in Schaltnetzteilen aller Art und eben auch in der PC-Technik gibt es viele Beispiele dafür.

Im Bereich von PC- und Server- Mainbords sind hier speziell Platinen der Generation von ca. 1998 - ca. 2006 betroffen. Der Legende nach hatten Industriespione, die die Produktionsverfahren Japanischer Hersteller für Taiwanesische / Chinesische Auftraggeber ausspähten, einzelne Komponenten der Elektrolytflüssigkeit übersehen. Das führte in den Folgejahren zu reihenweisen Bauteilausfällen bei den Hauptplatinen jener Hersteller, die von den betreffenden Elko-Herstellern beliefert wurden.

Unter besonderer Beanaspruchung stehen hier die Ultra-Low-ESR Elkos im Bereich der Schaltregler, die der präzisen Gewinnung der Prozessorcorespannung dienen. Dabei wird mit Schaltreglern und zugehörigen Induktivitäten und Siebkapazitäten die Corespannung (in der Größenordnung um die 1 - 1,5V) aus der Versorgungsspannung von 3,3V gewonnen. Dabei sind Ströme im zweistelligen Amperebereich zu liefern. Aus diesem Grund werden auch Schaltregler eingesetzt, ein einfacher Längsregler hätte zuviel Verlustwärme.

Der Ausfall der Elkos zeigt sich häufig (nicht immer) durch Aufblähen der Zylinderoberseite, das Einreißen der Sollbruchstellen und den Austritt von Elektrolyt. Häufig ist optisch aber nichts zu erkennen, der Hersteller und der Typ verraten das Problem.
Begleitet wird der Ausfall von Instabilitäten des betroffenen Rechners bis hin zur Startverweigerung.

Warum sollte man die Kondensatoren nun überhaupt ersetzten, da doch IT-Hardware nichts mehr kostet?

Nun es gibt teure Serverboards, denen man so ein zweites Leben im "nichtproduktiven Bereich" schenken kann und es gibt havarierte Systeme, die nicht mehr hochfahren, deren Anwenderdatenbestände aber nur sauber aus dem laufenden System heraus gesichert werden können, um sie dann im neuen Ersatzsystem wieder zu importieren.
Schließlich gibt es noch "mission critical" Systeme, die immer verfügbar sein müssen, aber aus unerfindlichen Gründen nicht redundant angelegt wurden. Die Reparatur einer Hauptplatine ist dann ggf. in ein paar Stunden erledigt, ein neues System aufzusetzen würde viel länger dauern.
Aus diesen Gründen habe ich über die Jahre unzählige Platinen repariert. Für alle, die in diese Situation kommen, oder eine ähnliche Situalion vorfinden, sei das Vorgehen kurz geschildert.
Hier sieht man ein typisches Sockel 462 Board mit schadhaften Elkos:



Nach dem Auslöten der Teile mit einem kräftigen Lötkolben



Ich gehe dabei so vor, dass ich beide Lötstellen gleichzeitig erhitze und den Kondensator, sobald das Zinn flüssig ist, herausziehe. Die Lötaugen werden dann mit der Entlötpumpe gereinigt. Manche empfehlen auch, die Augen, wenn das nicht gelingt, mit einer Stecknadel freizumachen.
Unter 80 Watt braucht man hierbei beim Löten gar nicht anzufangen. Die Platinen sind 6 und mehr lagig, die großen Kupferflächen, auch in den Zwischenlayern leiten die Wärme sehr gut ab.

Jetzt werden die neuen Elkos eingesetzt. In diesem Fall die legendär hochwertigen "Rubycon MBZ" mit je 2200µF 10V, 10mm Durchmesser.



Schnell muss man dabei auch noch sein, damit die durch alle Layer ragenden Durchkontaktierungen nicht beschädigt werden.
Heir noch die Lötseite:



Für das Projekt "Erste Lötversuche" ist so etwas ungeeignet, sofern man die Hauptplatine noch verwenden möchte.
Man kann an Schrottboards aber gut üben. Schließlich fallen derartige Arbeiten auch bei modernen Geräten der Unterhaltungstechnik an.

Ja Hans, wie sich die Bilder gleichen. Eigentlich gilt das Problem der ungeeigneten Elektrolyte längst als gelöst, dennoch wandern weiterhin viele Geräte gerade auch der Unterhaltungselektronik auf den Müll. Da könnte natürlich auch Absicht dahinter stecken Wenn bei einem TFT Display die CFL-Rohren nicht rechtzeitiig schwach machen, sorgen die Elkos für pünktlichen Ausfall.

Hallo Heiner, genau die Zeit des Intel BX Chipsatzes (-> Pentium II) fiel in die Hochzeit dieser Problematik.
Miit geübter Hand und dem richtigen Werkzeug ist der Austausch der Elkos eigentlich mit fast 100% Erfolgsquote möglich. Aber wie gesagt, es sieht einfacher aus, als es in der Praxis bisweilen ist.
Wenn man noch Ersatzboards bekommen konnte und vor Allem, wenn man so viel Zeit hatte, sie zu besorgen, war man gut dran.

Die Hersteller werben heute mit der Verwendung von sog. "solid (core) capacitors". Sie finden zumindest in Bereichen hoher Erwärmung Anwendung. Langzeitergebnisse über deren Lebensdauer stehen freilich noch aus.

Hallo Peter,

ja, gerade in den ersten Jahren war die Beschaffung geeigneter Ersatzkondensatoren sehr umständlich.

Die Kondensatoren müssen einen der Originalbestückung mindestens ebenbürtig niedrigen ESR aufweisen, 105° ist sowieso Pflicht.

Die Maße müssen exakt stimmen: Der Durchmesser wegen der gedrängten Anordnung, die Höhe, weil sonst zum Beispiel CPU Kühlkörper nicht mehr montiert werden können.
Gerade Durchmesser von 8mm oder 10mm bei gegebenen Daten sind meist nicht handelsüblich.

Meine Favoriten sind: Rubycon MBZ, Rubycon MCZ und Panasonic FM. (Alles Japan)

Größere Vorräte habe ich mir immer wieder einmal von Digikey USA bestellt.
Hier findet sich eine kleine Liste von Versendern:

http://www.capacitorlab.com/where-to-buy-capacitors/

Wenn es auf ein paar Tage nicht ankommt, kann man kleine Mengen getrost fallweise bei den einschlägigen Ebay Spezialisten in Asien bestellen. Sie arbeiten schnell und zuverlässig und das Zolldrama bleibt bei kleinen Mengen auch aus.

Wenn alles noch am selben Tag passieren musste, habe ich auch schon auf die Schnelle abends Low ESR Elkos bei Conrad geholt (die sind meist viel zu groß), sie von der Rückseite her eingelötet, nur damit das System schnell wieder ans Netz ging. Mit lose im Gehäuse stehendem Board konnte man dann die Daten sichern und in Ruhe in den nächsten Tagen auf ein Ersatzsystem migrieren. Als Dank für diese Artistik kam dann vom Kunden meist bestenfalls ein "Na, das wurde aber auch Zeit!" oder "Warum brauchen Sie so lange?"....

Das ist ja der Irrsinn - jeder will Höchstverfügbarkeit, aber keinen Cent in Redundanzen und Cluster investieren.

Einige Besonderheiten von Schaltregern gilt es zu beachten.

In diesen Schaltungen, es handelt sich hier um "Step-Down" Schaltungen, dient ein MOS-FET als Schalter, der mit einer Induktivität und einer Kapazität arbeitet. Das Ganze wird mit hoher Frequenz getaktet, die Stabilisierung erfolgt über einen Regelkreis.
Die einwandfreie Funktion des Regelkreises ist nur unter definierten Bedingungen gegeben. Speziell die Höhe der Induktivität und der ESR der Kapazität müssen genauestens stimmen.

Aus diesem Grund arbetet die Regelung nicht mehr korrekt, sobald etwa Elkos mit höherem ESR bestückt werden oder sobald sich durch längere Anschlussbeine der Elkos zusätzliche Induktivitäten ergeben. Die Stabilität derartiger Regelschaltungen ist begrenzt, kleinste Störungen wirken sich aus.
Im Ergebnis führt das dazu, dass eine CPU dann eine zu hohe oder zu niedrige Corespannung erhält. Ist sie zu niedrig, sind Instabilitäten die Folge, ist sie zu hoch, überwärmt sich der Prozessor, was bei konstanter Kühlung wieder zu Instabilitäten führt.
Weiterhin wird durch Störungen der Regelschleife die Fähigkeit Laständerungen auszuregeln reduziert, was wiederum zu Instabilitäten des ganzen Rechnersystems führt.

Die Auwahl der Ersatzbauteile ist also nicht trivial, ebenso wie die Art des Einbaus.

Hallo Andreas,

ganz genau um die 0,01 Ohm, die Du oben ausgerechnet hast, geht es aber! Das sind 10 Milliohm.
Ein guter Low-ESR Elko (z.B. Panasonic FM) hat eine Impedanz / ESR von ca. 12 Milliohm, andere Modelle 8 Milliohm und weniger!
Höher darf sie auch nicht sein, damit die Regelung arbeitet.

Die etwas längeren Drahtbeinchen beim "Anstoppeln" würden hier den ESR verdoppeln(!).

Man darf nicht vergessen, dass neben der Frequenz hier die Ströme eine bedeutende Rolle spielen. Es laufen leicht 20 - 40 Ampere und mehr bei ca. 1 Volt durch diese Schaltregler. Die Spannungsquelle ist extremst niederohmig, 10 Milliohm eine Menge Holz!

Die folgende Tabelle zeigt die verfügbaren Spannungen, die der Vcore Spannungsregler im obigen Beispiel liefern muss:



Hier wird auf 25 Millivolt genau geregelt. Mit einem verdoppelten ESR stimmen die Werte nicht mehr.

Ich bin daher der Meinung: Nein, man darf hier nicht abknipsen und an die Stummel anlöten!

Hier hat es 4 Nichicon KZG erwischt.



Nichicon - eigentlich ein eher zuverlässiger Anbieter, zudem auf einem ASUS-Markenboard, nur wenige Jahre alt, wenig Hitzebelastung im System.

Und obwohl die Nichicon KZG nicht unproblematisch in der Vergangenheit waren, ist der Fall hier wahrscheinlich etwas anders gelagert: Es zeigte sich, dass das Netzteil ausgefallen war. Nun ist mit Sicherheit das Netzteil nicht infolge lecker Elkos in der Corespannungserzeugung ausgefallen, auch sind beide Fehler wahrscheinlich nicht unabhängig voneinander aufgetreten.
Vielmehr dürfte eine fortgesetzte Belastung der Corespannungsregelung mit unsauberer Betriebsspannung die Elkos mit ins Verderben gerissen haben.
Die vom Netzteil unzureichend gesiebte Betribsspannung führt zu einer Überschreitung der maximalen Ripplebelastung und dann ist die Lebensdauer eines KZG eben nicht mehr z.B. 2000h, sondern nur 500h.

Das Thema stirbt nicht aus.
Bei einem Teilausfall in meinem Netzwerk führte die Spur zu einem defekten kleinen Linksys Gigabit-Switch, der seit dem Jahre 2004 unauffällig seinen Dienst tat. Damals war Gigabit noch nicht Standard, die Komponenten etwas teurer.
Nach dem (mühsamen) Öffnen zeigt sich das Ausmass der Katastrophe:



Obwohl das Gerät sehr klein und schlecht belüftet ist, hat man sich teilweise für 85° Elkos des unheimlich renommierten Herstellers "STONE" entschieden.
Gleich 6 Stück (470µ und 1000µ) in den Step-Down Reglern haben das Zeitliche gesegnet...oder sind sie vielleicht "stoned"?

Ein Schelm, wer hier an geplante Obsoleszenz denkt.