TL;DR

  • Floppy Emu 68대의 고장 분석에서 65대를 복구했으며, 가장 큰 원인은 조립 중 손상된 것으로 판단한 클록 크리스털임.
  • 클록 문제는 작동하지 않는 보드 26대, 불안정한 작동이나 고속 클록 오류가 나타난 보드 16대에서 확인됨.
  • 그 밖의 주요 원인은 CPLD 고장 6대, 프로그래밍되지 않은 마이크로컨트롤러 5대, 납땜 문제 5대, 마이크로컨트롤러 고장 4대임.
  • 크리스털·CPLD 교체와 재프로그래밍, 납땜 보수 등으로 여러 고장을 해결했으며, 일부 보드는 원인을 찾지 못했거나 부품 누락·물리적 손상이 확인됨.
  • 분석 결과는 향후 설계와 조립 공정 변경에 참고할 수 있으며, 고장 증상을 익혀 같은 문제가 발생할 때 더 빠르게 대응할 수 있게 됨.

하드웨어 고장 진단

  • 전체 고장 분석 대상은 68대이며, 원인별 수량은 다음과 같음.
  • 클록 크리스털 / 클록 없음: 26대
  • 클록 크리스털 / 클록 불량: 16대
  • CPLD 불량: 6대
  • 마이크로컨트롤러 미프로그래밍: 5대
  • 납땜 문제: 5대
  • 마이크로컨트롤러 칩 불량: 4대
  • 디스플레이 헤더 파손: 1대
  • 부품 누락: 1대
  • PCB 균열: 1대
  • 문제 없음, 정상 보드: 1대
  • 원인 불명, 해결하지 못함: 2대

클록 크리스털

  • 처음에는 원인을 추적하는 데 시간이 많이 들었지만, 증상을 알아본 뒤에는 품질 검사 불합격의 대부분이 이 문제와 관련 있음을 확인함. 클록 크리스털 문제는 지난달 별도 글에서 더 자세히 다룸.
  • 가장 최근의 제조 배치에서 평소 공급업체의 클록 크리스털이 품절되자, 계약 제조업체가 승인에 따라 사양이 같은 다른 크리스털로 대체함. 영향이 없어야 했지만 문제가 발생함.
  • 26대는 마이크로컨트롤러의 클록 소스를 외부 크리스털로 바꾸면 전혀 작동하지 않았고, 추가 16대는 일부 기능이 작동했지만 동작이 불안정하거나 높은 클록 속도에서 문제가 나타남.
  • 처음에는 새 크리스털이 설계의 결함이나 취약성을 드러낸 것인지, 크리스털 자체의 결함이나 손상인지 확신하지 못함. 이후 조립 중 거친 취급이나 과열로 크리스털이 손상된 것으로 판단함.
  • 크리스털을 교체하고 보드를 재프로그래밍해 문제를 해결함.

CPLD 칩

  • Floppy Emu의 Xilinx CPLD 칩은 민감하며 오랫동안 문제의 원인이 됨. 올해 크리스털 문제 전까지는 관찰된 고장의 가장 큰 원인이었음.
  • 외부 인터페이스에 직접 연결된 칩이라 정전기 방전이나 전기적 스트레스에 노출됨. 이 칩은 5V 내성의 3.3V 부품이지만, 이 설계에서의 5V 내성은 때때로 의심스러워 보임.
  • CPLD 고장 증상에는 디스크 에뮬레이션 실패, 과열, 불안정한 동작이 포함됨. 대개 기기는 작동하고 디스플레이에 글자가 나타나지만 디스크 기능은 작동하지 않음.
  • 심한 경우 고장 난 CPLD가 전원과 접지 사이의 단락처럼 작동해 기기 전체가 작동하지 않음. CPLD를 교체하고 재프로그래밍해 문제를 해결함.

마이크로컨트롤러 미프로그래밍

  • 세 번째로 흔한 품질 검사 불합격 원인은 마이크로컨트롤러가 프로그래밍되지 않은 상태였음. 계약 제조업체에서 작업을 놓쳤거나, 작업 흐름을 혼동했거나, PCB를 잘못된 더미에 넣었을 가능성이 있음.
  • 프로그래밍되지 않은 보드는 처음 보면 완전히 작동하지 않는 것처럼 보이지만 디버거에는 응답함. 칩을 플래시하는 데 몇 초면 충분하며, 이후 정상 작동함.

납땜 문제

  • 각 부품은 납땜으로 PCB에 전기적으로 연결돼야 함. 납땜 문제는 육안으로 발견하기 어려울 수 있지만 확대하면 잘 보이는 경우가 많아, 문제 보드를 10배 확대해 살펴보는 것이 초기 점검 절차 중 하나임.
  • 현재는 저렴한 10배 보석상 루페를 사용하며, 충분히 잘 작동함.
  • 일부 보드에서는 납이 지나치게 많아 인접한 IC 핀 두 개가 의도치 않게 연결되는 납땜 브리지가 확인됨. 더 흔한 문제는 납이 부족하거나 접합 상태가 나빠 IC 핀이 PCB 패드에 놓여만 있고 제대로 붙지 않은 경우임.
  • 두 문제 모두 인두와 플럭스로 쉽게 수리함.

마이크로컨트롤러 칩 불량

  • 온보드 마이크로컨트롤러도 고장 원인 중 하나임. 이 마이크로컨트롤러는 대체로 튼튼하며, 관찰된 고장은 고객이 Floppy Emu 케이블을 Apple II Disk II 컨트롤러에 거꾸로 연결했을 때 발생함.
  • Disk II 컨트롤러에는 덮개가 있고 방향이 고정된 헤더 대신 노출된 핀 커넥터가 있어 거꾸로 연결하기가 유난히 쉬움. 반대로 연결하면 마이크로컨트롤러 핀에 +12V와 -12V가 가해져 칩이 손상됨.
  • 마이크로컨트롤러 고장 증상은 클록 크리스털 고장과 거의 같음. 보드가 전혀 반응하지 않고 디버거 활동도 없음.
  • 어떤 문제가 원인인지 추정하기 위해 각 무응답 보드의 이력을 검토함. 일부는 잘못 추정해 마이크로컨트롤러를 교체했지만, 문제가 해결되지 않아 크리스털도 교체함.

기타

  • 나머지 문제는 각각 한 대에서만 확인됨.
  • 한 보드는 디스플레이 헤더가 물리적으로 파손되고 핀 하나가 없어 화면이 비어 있었음.
  • 다른 보드는 LED가 켜지지 않아 품질 검사에서 불합격했지만, PCB에는 LED가 없었고 빈 패드만 있었음.
  • 또 다른 보드는 PCB가 물리적으로 갈라져 있었음. PCB 폭을 따라 길게 난 균열은 특정 각도에서 빛을 비출 때만 뚜렷하게 보임.
  • 두 대는 원인을 찾지 못했으며, 많은 시간을 들인 뒤 폐기함.
  • 마지막으로 검사한 보드는 문제가 전혀 없었고, 충분한 테스트에서도 완벽하게 작동함. 불량 판정은 전원 공급 장치나 케이블 같은 외부 요인 때문이거나 단순한 분류 오류였을 가능성이 있음.

최종 결과

  • 고장 분석 더미의 Floppy Emu 68대 중 65대를 되살림.
  • 여러 고장 원인의 증상을 알아보게 돼 같은 문제가 다시 나타나면 더 빠르게 처리할 수 있음.
  • 특히 클록 크리스털에 관한 분석은 향후 품질 검사 불합격을 줄이기 위한 설계 및 조립 공정 변경의 참고 자료가 됨.
  • 지식은 힘이라는 말처럼, 이제 힘을 많이 갖게 됨.