보드마스터를 이용한 산업용 보드 수리 사례



개요

"산업용 컴퓨터 시스템의 디지털 PCB는 어떻게 수리되는가?“

일반적으로 철도, 전력, 항공 등의 국가 핵심 산업분야에서는 일부 설비에 대해 아주 오래된 컴퓨터 장비나 전자카드
(PCB)가 특수한 목적으로 현재까지도 사용되고 있습니다. 이러한 레거시 컴퓨터(구형 모델)의 경우 이미 오래전에 단종된 상태이며 제조사의 서비스 지원을 받지 못하는 경우가 종종 있습니다. 그리고 적절한 수리 업체를 찾지 못하는 경우도 있어 정비나 수리에 있어서 설비 담당이나 운영자들은 많은 어려움을 갖고 있습니다.

이러한 제품에 대해 고장이 발생하였을 때 어떻게 수리를 해야 할까요? 무척이나 어려운 질문입니다. 관련 회로도가 존재하고 전용의 시험용 지그나 장비가 있어야 하며 적절한 단계적 시험을 위한 테스트 프로그램과 관련 사항에 대한 해박한 지식을 보유한 경우에라도 수리는 어려운 이야기입니다.

위의 사진은 산업용 보드인 PCB 사진으로 특수한 용도로 사용되는 클록 생성 보드입니다.

상기 보드의 수리과정을 통해 보드마스터가 어떻게 고장 진단에 활용될 수 있는지를 설명 드리겠습니다. 또한 몇 가지 기술적인 엔지니어의 경험 대해서도 함께 확인해 보도록 하겠습니다. PCB상의 IC에 대해 인-서킷 시험을 수행할 경우 IC들은 보드 상의 다른 IC 들과 연관되어 있기 때문에 정확하게 시험이 되지 않을 경우가 있습니다. 이런 경우 IC를 PCB에서 떼어내어 Out-of-Circuit 시험을 수행해야 합니다. 하지만 몇 가지 기술적인 시험 방법을 통해 인-서킷 상에서 부품의 건전성을 확인할 수 있게 됩니다.

일반적으로 보드마스터나 개별 SYSTEM8 모듈을 사용하여 산업용 PCB의 고장진단 및 수리를 할 경우 다음 차에 따라 작업을 수행합니다.

단계

작업내역

도구 및 기술

1

수리보드 육안점검

산업용 확대경, 육안점검

2

기본적인 회로 확인, 수리 절차 수립

수리계획서, Test Flow

3

전원 오프 시험 (V-I 커브/시그니처 분석)

보드마스터8000+ (AICT/AMS)

4

보드 전원 확인

보드마스터8000+  (MIS, VPS)

5

디지털/아날로그 IC In-Circuit Test
(필요시 Out-of-Circuit Test)

보드마스터8000+  (AICT, BFL/ATM)

6

그 외 부품 시험

보드마스터8000+ (MIS)

7

부품 교체 및 수리, 세척 등

솔더링,PCB Repair Tool

8

교체된 부품에 대한 시험 및 보드 레벨 시험

갱신된 TestFlow, 수리보고서

육안 검사

보드상의 부품에 대한 파손, 손상, 접촉 불량 및 단선이나 단락, 이물질 등의 상태를 확인하는 과정입니다. 무엇보다 고장 보드에 대한 육안 검사는 부품이나 PCB의 탄흔, 그을음, 열화, 크랙 등을 중점적으로 확인합니다. 해당 고장 보드의 경우 육안검사에서 특이한 점을 발견할 수는 없었습니다. 대부분의 IC들은 각 핀들의 상태가 매우 깨끗하고 이물질이나 탄흔, 솔더링 등의 상태가 매우 양호한 상태로 확인되었습니다.

 
일부 커패시터의 경우 감싸고 있는 패키지 소재에 약간의 크랙이 확인되었으나 커패시턴스 변화나 동작에는 이상이 없을 것으로 판단됩니다.

기본회로 확인 및 수리절차 수립
산업용 클록 생성보드의 경우 크리스털을 이용한 발진회로와 디지털 제어를 위한 회로와 컴퓨터와 통신을 주고받기 위한 어드레스 및 데이터 버스 등의 신호처리 회로로 구성된 것으로 파악됩니다. 자세한 도면과 매뉴얼이 없는 상태로는 보드에 대해 정확하게 이해하는 것은 불가능합니다.


위의 표시처럼 대부분의 IC가 디지털 IC로 구성되어 있고 일부 커패시터나 저항, 다이오드 및 TR 등이 사용된 것으로 확인됩니다. 와 같은 보드의 경우 IC 구동을 위한 전원은 우측의 버스에 연결되는 커넥터로부터 5V와 GND가 제공되어 PCB 상에 +5V 전원 부 패턴과 GND 패턴 이 PCB 상부와 하부에 서로 분리되어 사용되는 것을 육안으로 쉽게 확인할 수 있습니다.

전원 오프시험 (V-I Testing)

커패시터, 저항 등의 수동 소자에 대해 V-I 시험을 수행하여 부품의 건전성을 확인할 수 있습니다. PCB 상의 주요 부품에 대해 쇼트나 오픈 상태를 확인합니다. 전원 인가하기 전에, 각 IC들과 수동소자들의 내부 단락, 누설, 부품의 노화로 인한 고장 문제를 방지하기 위해 먼저 V-I 테스트를 해야 합니다.

직접 전원을 보드에 인가하는 경우 손상을 줄 수 있기 때문에 산업용 보드에 전원을 인가하기 전에 먼저 AICT 모듈의 V-I 테스트로 시험을 확인해야 하며 별도의 PCB에 전원을 인가하지 않고도 시험을 수행할 수 있는 부품에 대해 수행합니다.

특히 다이오드, 저항, 커패시터 등의 부품의 경우에는 양품과의 비교 데이터가 있을 경우 더욱 손쉽게 고장원인을 찾을 수 있습니다. 현재 보드에서는 V-I 커브인 전원 오프 시험에서는 특이한 사항(부품의 파손이나 쇼트 등)을 확인할 수 없었으며, AICT를 이용해 Diode, TR 시험에서 각 부품의 Functional 시험이 정상적으로 수행됨을 확인하였습니다.

구동 전원 확인

아날로그 IC 및 디지털 IC, 크리스털 부품 등의 건전성을 확인하기 위해서는 해당 보드에 전원을 인가해야 합니다. 각종 IC의 VCC, GND 사양을 확인하고 회로상의 입력 전원과 GND 패턴을 확인함으로써 +5V 전원을 PCB에 직접 인가해야 한다는 것을 알 수 있습니다.

일반적으로 수리를 진행하다 보면 해당 보드를 분석하고, 전원을 확인하고 각종 부품의 건전성을 확인하는 일련의 절차가 필요합니다. 하지만 이러한 각 부품의 시험을 진행하는데 있어 계측기를 설정하고 설정 값을 조정하며, 해당 부품 시험을 위해 적절하게 시험을 준비하는 것에 많은 시간을 소요하게 됩니다. ABI의 Ultimate 소프트웨어의 테스트플로우 매니저(TestFlow Manager)는 이러한 일련의 절차를 소프트웨어로 처리해 저장할 수 있어 향후 동일한 보드나 반복된 작업을 위해 체계적인 방법을 제공합니다.

보드의 전원 오프 시험인 V-I 시험, 주파수 측정, 디지털 IC 부품의 기능 시험 등을 아래의 사진에서처럼 Ultimate 소프트웨어의 테스트플로우 매니저로 각 작업을 정의하고 시험에 사용되는 계측기와 설정 값을 설정합니다. 모든 시험에 대해 처음에는 다소 시간이 소요되더라도 이러한 테스트플로우 매니저로 단계를 만들어 시험을 정의하면 하나의 시험 단계에는 시험의 내용과 결과를 함께 저장시킬 수 있어 향후 양품/불량의 Pass/Fail 시험에 활용할 수 있습니다. 또한 보드상의 특정 부품에 대한 반복시험이나 다수 부품의 시험에 각 단계를 복사하여 사용할 수 있어서 작업의 효율성을 높일 수 있습니다.


IC 부품 기능 시험

고장 보드의 경우 사용된 대부분의 IC가 디지털 IC 부품으로 각종 게이트 소자 부품, 카운터, 플립플롭 저장장치 등으로 구성됩니다. 디지털 IC의 시험에 있어서 크게 고장 진단을 위해 In-Circuit 시험Out-of-Circuit 시험을 사용할 수 있습니다. 다음의 사진처럼 PCB 상의 IC를 테스트 클립으로 연결하여 시험을 수행하는 것을 인-서킷 시험이라고 합니다. 이러한 시험을 통해 IC의 기능인 Truth Table, Connection, Voltage, Digital V/I Thermal 값을 시험합니다.

 
여기서 중요한 점은 일부 IC의 경우 IC간의 연결 상태에 따라 시험이 불가능한 경우가 생길 수 있습니다.  특히, 위 보드에서는 클록이 사용되기 때문에 카운터나 플리플롭, 일부 디지털 IC의 인-서킷 시험이 실패할 수 있는데 이러한 실패가 어떠한 원인으로 유발된 것인가를 판단할 수 있어야 합니다. 만일 이러한 원인을 확인하기 어려운 경우는 해당 부품을 PCB에서 떼어내어 별도의 어댑터를 이용해 IC 기능을 추가로 확인해야 할 필요가 있습니다. 이렇게 부품을 떼어내거나 새로운 부품을 별도의 어댑터를 이용해 시험하는 것을 Out-of-Circuit 시험이라고 합니다.

고장 보드의 경우 다음과 같은 부품이 사용되었습니다.

부품명

설명

라이브러리

74106

DUAL J-K Negative edge Triggered  Flip Flop with Preset and Clear

7476

MC849P

Qaud 2 Input NAND Gate (2k pull up resistor)

 

MC837P

HEX INVERTER

 

7452

Expandable 4-WIDE AND-OR Gate

 

MC863P

Triple 3 Input NAND Gate (2k pull-up resistor)

 

MC861P

Expandable Dual 4 Input NAND Gate (2k Pull-up resistor)

 

74193N

Synchronous 4 Bit Up/Down Binary Counter

 

74123N

Dual Retriggerable Mono stable With Clear

 

7404N

Hex Inverter

 

74153N

Dual 4 Line to 1 Line Multiplexer

 

7421N

Dual 4 Input AND Gate

 

7474N

Dual D type Flip Flop with PRESET & CLEAR

 

7411N

Triple 3 Input AND Gate

 

7438N

Quad 2 Input NAND Gate Open Collector

 

7410N

Triple 3 Input NAND Gate

 

7400N

Qaud 2 Input NAND Gate

 

위 IC 중에 라이브러리가 존재하는 것과 없는 것들을 확인해보고 없을 경우 동일한 기능의 다른 부품 라이브러리를 참고해 적용할 지를 선택 결정합니다. 위의 예와 같이 74106의 경우 동일한 부품 라이브러리는 없지만 “DUAL J-K Negative edge Triggered  Flip Flop with Preset and Clear”의 7476과 동일하여 해당 라이브러리를 이용하면 시험을 수행할 수 있습니다.


위 사진과 같이 보드상의 모든 시험 가능한 IC와 V/I 커브 시험, 주파수 측정 등의 시험 항목에 대해 하나의 작업 항목을 생성하면서 시험을 수행합니다. 여기서는 총 60개 IC에 대한 시험을 수행했고 기본적인 V-I 시험과 MIS를 이용한 주파수 측정 시험을 수행하였습니다.

테스트플로우 매니저의 항목을 생성하면서 시험을 수행하면 다음과 같은 이점이 있습니다. 시험결과가 저장되기 때문에 향후 동일 보드의 재시험에 매우 유용하게 각 항목에 대한 양품 비교 시험을 수행할 수 있습니다. 유사한 또는 동일 부품의 반복시험 이나 재시험에 있어서 일일이 계측기 및 설정을 조정하지 않아도 됩니다. 시험에 필요한 데이터 시트나 사진, 작업절차 및 주의사항 등의 정보를 함께 저장해 놓을 수 있습니다.

일부 해외의 수리 업체의 경우 수만 개의 테스트플로우 매니저 파일을 보유하여 회사의 자산으로 활용하고 있습니다.

디지털 IC에 대한 시험 중 아래의 사진과 같이 회색의 IC가 아닌 노랑색, 적색, 초록색은 IC는 In-Circuit 시험이 실패로 표시한 것입니다. 그중 노랑과 초록의 부품은 정상이며, 적색의 부품이 고장으로 판명되어 교체 수리해서 고장을 해결했습니다.

이러한 시험을 통해 우리가 이해해야 하는 매우 중요한 사실이 하나가 있습니다. “ABI 보드마스터를 이용하더라도 모든 IC를 In-Circuit 시험 즉, PCB 상에서 그 기능을 모두 완벽하게 시험할 수는 없다”라는 것입니다. 물론, ABI의 보드마스터가 없을 경우를 상상해 보시기 바랍니다. 위 보드와 같은 수리 건에 대해 회로도가 없는 상태에서 어떻게 수리를 할 수 있을 것이며 또 단 하나의 디지털 IC라도 그 건전성을 어떻게 확인 할 수 있을지? 아마 하나하나 시험 회로를 구성해 Truth Table을 시험해야 할 것입니다. 이러한 수리 방법과 절차로 인한 수리 엔지니어의 고통은 말로 표현할 수 없을 정도로 어렵고 고단한 작업이 될 것이다. 또 회로도가 존재할 경우에라도 제작사가 아니고서는 쉽게 고장을 확인하기 어려울 것입니다.

ABI 보드마스터를 이용한 시험에서 좀 더 많은 IC에 대해 건전성을 In-Circuit 상태로 평가할 수 있으면 더욱 좋을 것입니다. 여기에서 우리는 시험이 왜 실패하고 일부 IC에 대해서 어떻게 하면 부품을 떼어내지 않고도 건전성을 확인할 수 있는지에 대한 몇 가지 기술적인 방법에 대해 설명하고자 합니다.

안정된 시험을 위한 Clock 신호 불능 처리

위 그림의 22번 J-K Flip Flop의 시험에 있어서 오류가 발생하는 경우에는 각 핀의 상태를 확인해 봐야 하는데 특히 1번 핀의 상태에 주목해야 할 필요가 있습니다. 위의 예와 같이 18번 NAND Gate의 입력과 출력은 MIS의 Frequency Counter를 이용할 경우 1Mhz 주파수의 클록 신호가 확인되는 것을 알 수 있습니다. 시험을 정상적으로 수행하기 위해서는 ATM이나 BFL 모듈의 BDO (Bus Disable Output) 케이블을 18번 핀의 입력에 High를 걸어주어 출력이 03핀이 Low 상태가 되도록 합니다. 그런 다음 22번 JK 플리플롭의 시험을 수행하면 정상적으로 동작함을 확인 할 수 있습니다. 시험 대상 IC의 입출력의 변동이 있을 경우에는 Truth Table 시험이 정상적으로 수행되지 않을 수 있습니다.
     

또 다른 예로 아래와 같은 74193 Binary Counter의 시험에 있어 클록이 시험에 영향을 줄 수 있습니다. 이런 경우 크리스털을 제거하든지 BDO 케이블을 이용하여 신호를 Disable 시켜야 정상적인 시험결과를 얻을 수 있습니다.


출력이 중첩된 경우의 시험방법

아래의 회로 도면과 같이 출력이 중첩된 경우가 있을 수 있습니다. 고장보드의 13번 IC를 시험하고자 할 경우 두 개의 IC 출력이 중첩되어 시험에 실패할 경우가 있는데, 예를 들어 13번 IC의 Truth Table을 시험하려할 때 입력 12번 핀과 13번 핀에 대해 순차적으로 00, 01, 10, 11의 입력을 전압 값으로 입력하고 이에 대한 출력을 확인하게 됩니다. 이때 29번 IC의 출력이 무엇인가에 따라 13번 IC 출력의 값이 달라질 수 있습니다. 이러한 경우 13번 출력이 Low 이어야 하는데 29번이 High 인 경우 시험은 실패가 될 수 있습니다.


그러면 이러한 경우 우리는 어떻게 인서킷 상태로 시험을 수행해야 하며 결과를 수용해야 하는지를 고민해야 합니다. 물론, 둘 중의 하나 IC를 떼어서 시험을 수행하면 바로 적합여부를 확인할 수 있습니다.

위와 같은 회로에서 12번이나 13번의 입력 신호 중 하나를 29번 IC의 9번 입력에 동시 연결해 주고 시험을 수행하면 두 개 IC가 정상일 경우에만 출력이 제대로 확인되기 때문에 간접적으로 13번 IC의 게이트가 건전하다는 것을 확인할 수 있습니다.

다음의 예는 60번 IC인 Hex Inverter와 59번 IC인 Nand Gate의 출력이 중첩된 경우의 시험방법입니다.  60번이나 59번에 대해 인서킷 시험을 수행할 경우 출력이 중첩된 상태의 다른 게이트 출력으로 인해 시험이 Fail될 수 있습니다. 60번 IC를 시험할 경우 59번 IC의 입력 12,13과 60번 IC 11번 핀 입력을 서로 연결해 주면 두 개의 IC 모두 Inverter로 동작할 것이고 수회 반복 시험을 통해 이상이 없으면 60번 IC는 정상의 IC로 판정할 수 있습니다.

반대로 59번의 IC를 시험할 경우에는 입력 핀 둘 중 하나를 60번 핀의 입력에 연결하거나 또는 BDO 케이블을 이용해 11번 핀에 High를 인가해 놓으면 60번 IC의 10번 핀 출력은 항상 0이 되기 때문에 59번의 게이트 출력 시험에 영향을 주지 않게 됩니다. 따라서 59번 IC에 대해 정상적인 시험 결과를 얻을 수 있습니다.


만일 위와 같은 방법으로 시험을 수행했음에도 불구하고 계속 Truth Table이 Fail 상태인 경우에는 해당 IC가 고장인 경우이며 이런 경우 추가확인을 위해서 PCB에서 떼어내 Out-of-Circuit 어댑터를 사용하여 시험해야 합니다.

고장 부품 확인

인서킷 상태에서 일부 IC의 Fail 결과가 정말로 IC 불량인지 아니면 회로상의 여러 가지 상황으로 인해 발생되는 현상인가는 사실 많은 경험과 진단 기술이 축적되어야만 판단할 수 있을 것입니다. 또 고장으로 표시한 경우에는 반드시 부품을 떼어내서 out-of-Circuit에서 정확한 시험을 수행해서 다시 한번 고장을 확인해야 합니다.

만일 회로도가 있을 경우에는 좀 더 쉽게 고장을 유발하는 부품에 대해 유추하고 추정해볼 수 있을 것이며 그러한 부품들을 먼저 떼어내 시험해 볼 수도 있습니다.

위 보드의 고장 수리 사례에서는 적색으로 표시된 74193 바이너리 카운터를 교체함으로써 고장을 확인할 수 있었고 관련 대체 부품으로 교체하여 수리를 완료할 수 있었습니다.

 

다음은 해당 고장 부품을 PCB에서 제거한 후 Out Circuit 모드로 시험을 수행한 시험결과입니다. 왼쪽의 시험 결과가 고장 부품의 결과이며, 우측 Truth Table의 경우 교체를 위해 준비한 신품 IC의 시험 결과입니다.

부품 교체 수리 및 세척

고장이 확인 된 부품에 대해 대체부품으로 교체하여 수리한다. 수리가 된 보드의 경우 세척과 마무리 정리, 수리보고서 작성을 통해 작업을 완료한다. 수리 보드의 경우 PCB 상단에 와이어 처리가 되어 있다. 추가적으로 테이핑 처리를 하여 좀 더 견고하게 와이어가 고정될 수 있도록 마무리한 후 고객에게 인도한다.


보드마스터를 이용한 고장 진단 요약

보드마스터는 디지털 IC를 시험할 수 있는 BFL/ATM모듈, 아날로그 IC를 시험할 수 있는 AICT, V-I 커브 시험의 능력을 극대화 한 AMS 모듈, 파형을 측정하고 계수하고, 신호를 생성하고, 전압/전류/저항을 측정하는 다기능 계측 모듈인 MIS, PCB에 전원을 인가하고 인서킷 시험에서 자동으로 프로그램된 설된 전원을 공급/차단하는 VPS 모듈로 구성됩니다. 각각의 모듈은 PCB 고장분석을 위해 필요한 기능으로 서로 유기적으로 결합되어 사용자가 고장 수리 및 점검의 생산성을 극대화 할 수 있도록 돕습니다.

테스트플로우 매니저를 이용하여 시험을 순서화하고 체계화할 수 있습니다. 각종 시험에 관련된 계측기 설정과 자료를 첨부하고 설정할 수 있으며 향후 시험에 다시 활용할 수 있어 생산성 향상뿐만 아니라 지속적인 직무 교육에 활용할 수 있습니다. 테스트플로우 매니저는 점검 방법, 설정, 시험결과 및 관련 프로세스를 내부 자산으로 손쉽게 축적할 수 있도록 돕는 최상의 도구입니다.

사실, 도면이 없고 전용의 시험 설비나 진단, 고장 수리를 위한 별도의 시험지그가 없는 상태에서 PCB를 수리하는 것은 대단히 어려운 작업입니다. 하지만 ABI 보드마스터는 이러한 어려운 작업을 좀더 쉽고 빠르게 처리할 수 있도록 돕는 다양한 기능과 방법을 제공합니다.

위의 시험에서 사용했던 시험 기능과 이를 지원하는 장비는 다음과 같습니다.

Advanced IC Tester (디지털 IC 시험)           - ATM 모듈 또는 BFL 모듈

Variable Power Supply                               – VPS 모듈

Analogue V-I Curve Tester                         – AICT 또는 AMS 모듈

Digital Oscilloscope, Frequency Counter  – MIS 모듈

Dual Channel Digital Multimeter              – MIS 모듈 

유지보수 및 리페어, 점검 작업에서 엔지니어는 자신만의 테스트 기술을 갖고 싶어 하고 부품이 정상 부품인지 불량부품인지 확인하기 위해 반복적으로 테스트를 수행하면서 점검 노하우를 축적시키기 위해 노력합니다.

사실, 정상 보드와 회로도 없이 고장을 검출하고 수리하기는 쉽지 않습니다. 계측 장비의 기능뿐만 아니라 이를 활용하는 엔지니어의 경험과 기술 능력이 매우 중요하기 때문입니다. PCB 고장분석을 위한 유니버설 진단 장비인 보드마스터는 PCB상의 많은 부품과 기능을 시험 할 수 있어 엔지니어에게 매우 유용한 장비가 될 것입니다.

엔지니어는 테스트플로우에 저장된 과거의 시험 결과와 경험이 있기 때문에, 동일한 기능을 쉽게 테스트 할 수 있습니다. 그것은 크게 노화/고장 부품의 검출 시간을 줄일 수 있습니다. 또한, 소프트웨어는 파형을 저장하여 비교할 수 있고, 작업내용을 기록할 수 있어 동일한 회로보드에 대해 과거의 저장 결과와 측정한 것의 비교를 통해 고장 검출 작업을 매우 신속하게 수행할 수 있습니다.

보드마스터 8000 Plus 활용분야

자동차,  비행기, 철도, 전력, 엘리베이터, 전자공학, 엔지니어링, 의료기기 등의 산업분야 PCB 수리 및 고장검출 분야에 폭넓게 사용될 수 있습니다. 아래의 업무 분야에 바로 적용해 품질을 높여보시기 바랍니다.

◾SMT 제조 및 PCB 리페어 업무
◾국가 기간산업 시스템의 정비 및 유지보수 업무
◾교육 분야
◾교통 신호체계 PCB
◾공군 및 군수
◾전자 제조



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