Ausführliche Erläuterungen zum Bustreiber-Problem.
2016-12-08:
Es folgt der genauere Hintergrundbericht zum diesjährigen Sommerspaßverderber.
Begonnen hat ja alles damit, daß die meisten der fertigen Boards als sie bei Medusa ankamen nichteinmal Starten wollten. Die Wenigen die dies dennocht taten, haben dermaßen viel Strom gezogen, daß die sehr großzügig dimensionierten Tischnetzteile versagt haben. Mit der Eingrenzung des Problems und dem diesbezüglichen Debugging der Hardware wollen wir euch jetzt nicht langweilen, sondern gleich das tatsächliche Problem beschreiben. Denn nach etlichen Tests hat sich herausgestellt, und später auch bestätig, daß das Problem an den Pegelwandlern der FireBee liegt. Diese jeweils 6 Pegelwandler (Position U25 sowie U31 bis U35) pro Board, sind kleine Chips die die Spannung auf dem Board wandeln und die ganzen speziellen Spannungen, wie beispielsweise 3,3 Volt, 1,45 Volt, 1,8 Volt usw., die von den anderen unterschiedlichen ICs benötigt werden, erzeugen. Es handelt sich um direktionale 8-Pfad Spannungswandler von Texas Instrumets. Es ist ein »Standard«-Typ: 74LVC(8T)245. Der wird benötigt, weil zu Atari-Zeiten 5V noch die Standard-Spannung »in« Computern war, die »modernere« Elektronik auf der FireBee jedoch mit 3,3V arbeitet (und eben teils mit noch geringeren Spannungen). Das verwendete Gehäuse ist ein »QFN« (Quad Flatpack No leads, 4seitiges Gehäuse ohne Beinchen) mit einem Exposed Pad, also einer Metallisierung auf der Unterseite. Diese soll als »Thermal Pad« eingesetzt werden, um die Kühlung des ICs über die Leiterplatte zu verbessern.
Diese sogenannten »Thermal Pads« auf der Unterseite müssen also vollflächig auf das Board angelötet werden, damit die Wärme, die beim Spannungswandeln entsteht, abgeleitet wird. Im Schema dieses ICs (auch »Pegelwandler« genannt) von Texas Instruments ist keinerlei elektrische Verbindung des »exposed thermal pad« (etp) mit irgendeiner anderen Struktur auf dem Chip verzeichnet. Im Datenblatt steht lediglich daß das Thermal Pad aufgelötet werden »muß«.
Daher wurde die FireBee so konstruiert, daß sie unkonventioneller Weise die 3v3-Schiene zur Kühlung nutzt. Eigentlich eine sehr innovative Idee, die Platinenplatz und Ressourcen spart. Die Prototypen haben auch bestätigt daß dies hervorragend funktioniert. Die »konservative« Variante wäre gewesen, besagte »Thermal Pads« dieser sechs Pegelwandler auf GND zu löten.
Was nun bei der zweiten Serie geschehen ist, ist daß der Widerstand der Pegelwandler sich während dem Betrieb angefangen hat zu ändern. Im Neuzustand ist der Widerstand zwischen dem »Exposed Thermal Pad« zu GND unendlich. Bei abgelöteten Bauteilen sowie Nagelneuen die MCS zur Kontrolle besorgt hat, beträgt er im Betrieb bei 25°C einige KiloOhm. Bei Erwärmung auf 100°C sinkt er auf einige hundert Ohm. Teilweise haben sich die Pegelwandler auf über 110 Grad Celsius erwärmt. Ein kleiner Teufelskreis also; Direkt nach dem Einschalten der Computer fing das Board an sich zu verändern. Je wärmer das Board wurde, desto geringer wurde der Widerstand und desto mehr Strom floß.
Ganz ohne weiteres Zutun haben sich die Verhaltensweisen der Computer unter Last verändert. Ihr könnt euch hoffentlich vorstellen was das in den ersten Wochen des Hardwaredebuggings bedeutet hat. Ein Rechner mit fast 1000 Bauteilen auf einer 8-fach Multilayerplatine, der erwiesenermaßen gut funktioniert, an dem nichts geändert wurde, der aber nun anscheinend nach Lust und Laune tut was er will und sich alle paar Sekunden anders verhält. Retrospektiv betrachtet eine sehr gute Einlage aus dem E-Technik-Horror-Laden, … Im Juli, noch ohne Idee woran es liegen könnte, absolut nicht lustig!
Die abschließende Vermutung unsererseits ist nun, daß TI bei der Herstellung der ICs unterschiedliches »Diebond Material« (Kleber im Chip) genutzt hat, um die IC-Struktur mit dem »Thermal Pad« intern zu verbinden. Manche dieser Kleber werden eben bei manchen Chips durch Hitze leitend. Leider war von TI nur eine knappe Stellungnahme zu erhalten, daß das Thermal Pad angeblich intern weiterhin »not connected« ist, …
Das Problem liegt somit eindeutig bei TI. Der Konzern hat die physikalischen Eigenschaften des ICs irgendwie und irgendwann verändert, dies aber nirgends dokumentiert. Bis dato haben wir, auch nach der intensiven Suche nach PCNs (Product Change Notes) auf diversen Kanälen, keinerlei Informationen dazu gefunden. Der aktuelle Chip ist also offiziell genau gleich wie in allen vorhergehenden Chargen – was ja objektiv nicht stimmt. Wir konnten auch nicht herausfinden ab welcher Charge oder in welchen Produktionszeiträumen der Chips das Problem auftritt.
Ein Hardwareentwickler der sich im Zuge der Probleme neu in unser Projekt eingeklinkt hat und seine Hilfe angeboten hat, hat es folgendermaßen ausgedrückt: »MCS hat nach bestem Wissen und Gewissen gearbeitet und sollte IMHO nicht auf den Kosten sitzen bleiben«. Damit erklärt sich auch warum neben MCS der Bestücker vollkommen unverantwortlich für diese ganze Misere ist. Obwohl wir angekündigt haben, daß er den Fehler kostenfrei beheben wird, sind nun diese Kosten von knapp unter 3000 Euro entstanden. Dies kommt daher daß der Bestücker jetzt auf einer dreistelligen Anzahl an Boards die sechs Bustreiber ablötet, mit isolierendem aber wärmeleitenden Kaptonband auf der Unterseite des Thermal Pads beklebt und anschließend wieder auflötet. Und das alles obwohl auch er vollkommen korrekt gehandelt hat und keinerlei Produktionsfehler seinerseits zu beklagen sind. Wer sich ein wenig mit Leiterplattenherstellung beschäftigt hat, weiß daß diese manuell sehr aufwändige Nacharbeit, an einer dreistelligen Boardanzahl, um diesen Preis, ein absoluter Hammer ist! Unser Bestücker war auch bei der Fehlersuche und Kommunikation mit Lieferanten und Hersteller sehr zuvorkommend und behilflich. Ein super Service und vorbildliche Zusammenarbeit.
All dies macht hoffentlich klar, warum wir euch jetzt um Spenden bitten. Wir wollen als Projekt nicht, daß eine Einzelperson die schon einen großen Teil ihrer Freizeit »investiert« um euch die FireBees zum Herstellungspreis der Hardware zu ermöglichen, auf den Kosten sitzen bleibt. Andererseits wollen wir auch den Preis der Boards nicht erhöhen, immerhin habt ihr um einen speziellen Preis vorbestellt. Auch den Bestücker trifft wie beschrieben keinerlei Schuld. Und Geld von einem Halbleiterhersteller wegen Folgeproblemen seiner Chipdokumentation zu erhalten – obwohl die erste Serie und die Prototypen sich komplett anders verhalten haben – ist natürlich aussichtslos. Daher nochmals die Bitte gemeinsam und solidarisch für die Fehlerbehebung »zusammenzulegen«.
Danke auch nochmals für das Vertrauen das ihr in Medusa gesetzt habt und die Unterstützung die ihr uns während der Lieferverzögerung und Fehlersuche zukommen habt lassen.
Spenden bitte wie beschrieben per PayPal an mcs (at) kingx (dot) com oder per per Banküberweisung an:
MCS Aschwanden
Buchhaldenstr.16
8610 Uster
Switzerland
Bank account Nr.: 202-805498.40F
IBAN: CH22 0020 2202 8054 9840 F
BIC: UBSWCHZH80A
"reason for payment": FB series 2 donation
 2 Kommentare
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 | Goli :: 2016-12-30 12:31:05
Gibt es keine PR-Abteilung bei TI und kann man nicht TI für so ein Liebhaberprojekt um eine Spende bitten? Auch TI wird sicher interessiert daran sein, die Spezifik ihres Bausteins dahingehend zu ergänzen, dass es unbedingt auf ground gelötet werden sollte.
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| Mathias :: 2017-01-10 17:55:03
Die Marketingleiterin von TI für DACH dürfte Dagmar Volz in Freising sein. Kannst ja gerne Dein Glück dort versuchen. Ich kanns mir zwar nicht vorstellen, weil wir über die Technik auch keine genaueren Infos bekommen haben, aber man weiß ja nie ;) Wir haben das Geld eh noch nicht beisammen. Berichte uns halt gegebenenfalls.
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