Разбор отказов Floppy Emu: что нашлось в куче забракованных плат

Перевод статьи Floppy Emu Hardware Failure Analysis Results — Steve Chamberlin (Big Mess o’ Wires).

Никто не любит возиться с неработающим железом, и я не исключение. Каждый раз, когда я заказываю у контрактного производителя очередную партию Floppy Emu, несколько плат не проходят контроль качества. Что с ними происходит дальше? Несколько лет такие платы копились кучей в углу моего кабинета вместе с несколькими возвратами от покупателей — и ждали дня, когда я наконец займусь их разбором. Ждать пришлось долго, но «День анализа отказов» всё-таки настал — точнее, скорее «Месяц анализа отказов», — и результаты получились довольно интересными.

Вот разбивка по уникальным причинам отказов, которые мне удалось установить, и количество плат с каждой из них.

Кварцевый резонатор#

Это был странный отказ: поначалу на его поиск ушла куча времени, но когда я научился узнавать симптомы, стало понятно, что именно он стоит за большинством забракованных плат. Подробнее о загадках с кварцами я писал в отдельном посте в прошлом месяце. Если коротко: во время последней производственной партии у моего обычного поставщика кварцев их не оказалось в наличии. Контрактный производитель с моего согласия заменил их другими, с теми же характеристиками. Ни на что это повлиять не должно было. Но каким-то образом повлияло.

У 26 забракованных плат тактового сигнала, судя по всему, не было вовсе. Стоило переключить тактирование микроконтроллера на внешний кварц — и плата не делала совершенно ничего. Ещё 16 в какой-то мере работали, но вели себя непредсказуемо или сбоили на повышенных тактовых частотах. Сначала я не понимал, то ли новые кварцы выявили какой-то дефект или «хрупкость» в схеме Floppy Emu, то ли они просто были бракованными или повреждёнными. В итоге я пришёл к мнению, что кварцы повредили грубым обращением или перегревом при сборке. Замена кварца и повторная прошивка устранили все проблемы.

Микросхема CPLD#

CPLD от Xilinx на Floppy Emu — нежный цветок, который давно доставляет хлопот. До нынешнего «кварцгейта» именно CPLD была самой частой причиной отказов, которые я видел. Поскольку это микросхема, напрямую подключённая к внешнему интерфейсу Floppy Emu, на неё приходится основной удар от статики и любых электрических перегрузок. Это 3,3-вольтовая микросхема, толерантная к 5 В, но эта толерантность иногда казалась несколько сомнительной — по крайней мере, при том, как она здесь используется.

Признаки отказавшей или неисправной CPLD — сбои эмуляции диска, перегрев или непредсказуемое поведение. Обычно устройство при этом продолжает работать и на дисплее есть текст, но функции диска больше не действуют. В крайних случаях вышедшая из строя CPLD превращается в глухое короткое замыкание между питанием и землёй, и тогда не работает вообще ничего. Замена и перепрограммирование CPLD решили проблемы у всех этих плат.

Микроконтроллер не запрограммирован#

Забавно — или грустно, смотря как посмотреть, — но третьей по частоте причиной брака оказалось то, что микроконтроллер просто не прошили. Кто-то на производстве задремал на посту, сбился, положил плату не в ту стопку — что-то в этом роде. Плата с непрограммированным микроконтроллером на первый взгляд выглядит полностью мёртвой, но при этом отвечает отладчику, и достаточно нескольких секунд, чтобы прошить чип и всё заработало.

Проблемы с пайкой#

Каждый компонент должен быть электрически соединён с платой припоем. Дефекты пайки бывает трудно заметить невооружённым глазом, но под увеличением они обычно бросаются в глаза, поэтому один из первых моих шагов при поиске неисправности — рассмотреть проблемную плату при 10-кратном увеличении. Мне давно пора обзавестись крутым настольным микроскопом, но пока я пользуюсь дешёвой ювелирной лупой 10×, и её вполне хватает.

На паре плат припоя местами было слишком много — получились перемычки, случайно соединившие соседние выводы микросхем. Но чаще встречались соединения с недостатком припоя или просто плохие паяные соединения, когда вывод микросхемы лишь лежит на контактной площадке, но не припаян к ней. К счастью, обе проблемы легко исправить паяльником и капелькой флюса.

Неисправный микроконтроллер#

Ещё один возможный источник отказов — микроконтроллер на плате. По моему опыту, эти микроконтроллеры довольно живучие, и все отказы, которые я видел, случились уже у покупателей, когда те по ошибке подключали кабель Floppy Emu к контроллеру Disk II от Apple II задом наперёд. Сделать это удручающе легко, потому что на контроллере Disk II стоят голые штыревые разъёмы, а не ключевой разъём в корпусе. При перевёрнутом подключении на выводы микроконтроллера попадают +12 и −12 вольт, и он погибает.

К сожалению, симптомы неисправного микроконтроллера почти такие же, как у неисправного кварца: плата полностью не отвечает, отладчик молчит. Мне приходилось изучать историю каждой «немой» платы, чтобы угадать, в чём дело. Иногда я ошибался: менял микроконтроллер, а когда это не помогало — ещё и кварц.

Прочее#

Остальные неисправности были единичными. У одной платы был физически сломан разъём дисплея — не хватало штырька, поэтому дисплей был пустым. Другая не прошла контроль, потому что не загорался светодиод — только вот светодиода не было вовсе! На плате была лишь пустая площадка. Попалась и плата с физической трещиной в текстолите — длинной линией через всю ширину платы, которую можно было чётко разглядеть, только посветив под определённым углом. Ещё две платы так и не выдали причину своего отказа, и, потратив на них слишком много времени, я отправил их в утиль.

Самая последняя плата, которую я осмотрел, оказалась полностью исправной. Я её тщательно протестировал, и она работала идеально. Возможно, она не прошла контроль из-за чего-то внешнего — плохого блока питания или кабеля, — а может, её просто ошибочно отнесли к браку.

Итоги#

Из 68 Floppy Emu в куче на анализ отказов мне удалось реанимировать 65. Весьма неплохой процент! Я научился узнавать симптомы некоторых типичных отказов, так что, если снова с ними столкнусь, справлюсь быстрее. А главное, выводы из этого анализа (особенно про кварцы) помогут мне изменить конструкцию и процесс сборки, чтобы забракованных плат в будущем стало меньше. Знание — сила, как говорится, и теперь у меня этой силы хоть отбавляй.