“골든 유닛”은 신화입니다: PCBA 수정 변동 방지

하드웨어 개발에서 가장 위험한 순간은 프로토타입이 실패할 때가 아닙니다. 프로토타입이 완벽하게 작동하고 팀이 축하하며 설계가 대량 생산을 위해 제조 부서로 넘겨질 때입니다.

6개월 후, 현장 반품이 도착하기 시작합니다. 장치가 무작위로 재설정되거나 센서 데이터가 4%만큼 변동하거나 배터리를 고정하는 접착제가 추운 날씨에 부서지기 시작합니다. 엔지니어링 팀은 코드의 버그나 레이아웃의 오류를 찾기 위해 분주하지만 파일은 변경되지 않았습니다. 회로도는 동일합니다. 거버 파일도 동일합니다.

제품은 문서가 허용했기 때문에 변경되었습니다.

이것이 바로 “리비전 드리프트”입니다—새로운 구매 주문이 발행될 때마다 하드웨어 제품을 저하시키는 조용한 엔트로피입니다. “기능적 프로토타입”과 “생산 유닛” 사이의 간극에는 회로도만으로 충분하다고 가정한 수많은 스타트업의 무덤이 있습니다. 그렇지 않습니다. 회로도는 논리적 의도이고, 빌드 패키지는 법적이고 물리적인 정의입니다. 문서가 느슨하면 공급망은 가장 저렴한 물리적 부품으로 빈틈을 채웁니다. “10k 저항기, 0402”와 같은 일반적인 지시를 받은 계약 제조업체(CM)는 설계가 의존한 열 특성을 가진 특정 무라타 부품이 아니라 이윤을 극대화하는 일반 부품을 구매할 것입니다.

승인된 공급업체 목록(AVL)은 제품입니다

빌드 패키지에서 가장 중요한 문서는 회로도나 레이아웃 파일이 아니라 자재 명세서(BOM), 특히 승인 공급업체 목록(AVL) 열입니다.

많은 엔지니어링 팀, 특히 애자일 프로토타이핑에서 생산으로 전환하는 팀은 BOM을 단순한 재료 목록으로 취급합니다: “10uF 커패시터,” “STM32 마이크로컨트롤러,” “USB 커넥터.” 이 방법은 엔지니어가 직접 DigiKey나 Mouser에서 부품을 주문하며 무의식적으로 고품질 브랜드를 선택하기 때문에 실험실에서는 효과적입니다. 하지만 그 목록이 선전이나 과달라하라의 구매 담당자에게 넘어가면 “10uF 커패시터”는 “패드에 맞고 가장 저렴한 것”을 요청하는 것이 됩니다.

여기서 “기능적으로 동등한” 재앙이 발생합니다. 일반 세라믹 커패시터는 프로토타입에 사용된 고급 부품의 정전 용량과 전압 등급은 맞을 수 있지만 DC 바이어스 감쇄 곡선이 크게 다를 수 있습니다. 부하가 걸리면 그 일반 부품은 정격 정전 용량의 30%까지 떨어져 전원 레일 불안정이 발생하며, 이는 펌웨어 버그처럼 보입니다.

또는 “표준” USB 커넥터의 경우를 생각해 보십시오. 프로토타입은 금도금 접점을 가진 Molex 부품을 사용했습니다. 생산에서는 12센트를 절약하기 위해 일반 복제품을 사용합니다. 50회 삽입 사이클 후 접촉 저항이 급증하고 장치가 충전을 멈춥니다. CM은 “잘못된” 행동을 하지 않았습니다—그들은 제공된 모호한 설명에 맞는 커넥터를 구매했습니다. 실패는 문서의 구체성 부족에 있었습니다.

이를 방지하려면 BOM은 설명 목록에서 제조업체 부품 번호(MPN) 목록으로 진화해야 합니다. 모든 항목은 명확히 어떤 특정 제조업체 부품이 허용되는지 명시해야 합니다. 이것이 AVL입니다. “Murata GRM155R60J106ME15D 또는 Samsung CL05A106MQ5NUNC를 구매할 수 있습니다. 그 외는 구매할 수 없습니다.”라고 명시합니다. 이는 물리적 현실에 대한 통제권을 구매 부서에서 엔지니어링으로 되돌려 줍니다.

공급망은 변동성이 크며, 현재는 부족 현상이 일상인 시대를 살고 있습니다. AVL을 단일 공급원에 고정하는 것은 $0.05 칩 부족으로 인해 생산이 중단되는 라인 다운 상황을 초래할 수 있습니다. 이 규율은 완벽한 부품 하나를 찾는 것이 아니라 두세 개의 대체 부품을 검증하는 것입니다. 전에 위기가 닥칠 때를 대비하세요. 설계 단계에서 SiliconExpert나 Octopart Pro와 같은 도구를 사용하여 수명 주기와 사양이 일치하는 부품을 찾으세요.

“가짜 부품”에 대한 불안감 때문에 팀이 최상위 유통업체에서만 구매하도록 한다면, AVL이 위조품에 대한 주요 방어 수단임을 기억하세요. 특정 MPN을 지정하고 공급업체로부터 적합성 증명서(CoC)를 요구함으로써, CM이 그레이 마켓을 이용하는 경로는 훨씬 어려워집니다.

검토는 “스마트” 부품을 넘어 확장되어야 합니다. 마이크로컨트롤러에 집착하다가 접착제 같은 부품을 잊기 쉽습니다. 고진동 환경—자동차나 산업용 로봇—에서는 접착제, 솔더 페이스트, 플럭스 같은 소모품도 엔지니어링 부품입니다. 빌드 문서에 “접착제로 고정”이라고 적혀 있으면, 라인 작업자는 그날 총에 있는 핫멜트를 사용합니다. 그 핫멜트가 -40°C에서 부서지기 시작하면, 무거운 커패시터가 첫 겨울 동결 시 보드에서 떨어져 나갑니다. BOM에는 “Loctite 382”와 경화 프로파일을 명시해야 합니다. BOM에 없으면 제품에도 없습니다.

사진 한 장이 천 가지 잘못된 추측을 막아줍니다

텍스트는 모호하지만, 기하학은 절대적입니다. 수정 편차의 상당 부분은 조립 현장에서 발생하는데, 픽 앤 플레이스 기계를 프로그래밍하는 기술자나 수작업 납땜을 하는 작업자가 문서가 작성된 언어에 능통하지 않을 수 있습니다. 그들은 시각적 신호에 의존합니다. 신호가 없으면 추측합니다. 그리고 종종 “표준 산업 관행”에 근거해 추측하는데, 이는 맞춤 설계의 특정 요구와 직접 충돌할 수 있습니다.

QFN(Quad Flat No-leads) 패키지를 생각해 보세요. 정사각형 칩입니다. 물리적 칩의 “핀 1” 표시자는 작은 레이저 각인 점입니다. PCB의 풋프린트에는 보통 실크스크린에 점이 있습니다. 그러나 그 실크스크린이 칩 본체에 가려지거나, CM 라이브러리의 “표준” 풋프린트가 설계자의 맞춤 풋프린트와 90도 회전되어 있으면, 기계가 부품을 잘못 배치합니다. 수천 개의 보드가 메인 프로세서가 90도 회전된 상태로 조립될 수 있습니다.

리플로우 오븐 전에 이를 잡을 수 있는 유일한 방법은 명확하고 모호하지 않은 조립 도면입니다.

이 문서는 CAD 데이터에서 생성된 보드의 시각적 지도여야 하며, 명확하고 색상으로 구분된 오버레이가 있어야 합니다. 모든 극성 부품—다이오드, 전해 커패시터, IC, 커넥터—의 방향을 명확히 보여줘야 합니다. Gerber 파일의 “코트야드” 레이어에 의존하지 마세요; 그것은 기계를 위한 것이지 사람이 아닙니다. 검사 스테이션에 인쇄하여 걸 수 있는 PDF를 만드세요. 커넥터가 보드 가장자리와 평평하게 맞아야 한다면, “평평함”이 어떤 모습인지 측면 사진을 포함하세요. 특정 핀을 실리콘 덩어리가 덮어야 한다면, 그 핀 주위에 경계 상자를 그리세요. 독자가 빠르게 움직이면서 장치를 처음 보는 상황이라고 가정하세요.

보이지 않는 구성 요소: 펌웨어 및 구성

하드웨어 엔지니어는 종종 펌웨어를 별개의 세계로 취급하지만, 공장에서는 바이너리가 보드에 배치해야 할 또 다른 부품일 뿐입니다.

현장 고장의 흔한 원인 중 하나는 “한밤중 플래시”입니다—선의의 개발자가 버그를 수정하기 위해 공유 폴더의 펌웨어 파일을 업데이트했지만, 공장이 이미 검증된 빌드를 위해 동일한 링크에서 파일을 가져가고 있다는 사실을 모르는 경우입니다. 공장은 새롭고 테스트되지 않은 코드를 플래시합니다. 이 코드는 루트 셸을 열어두는 디버그 플래그를 포함하거나 배터리 수명을 단축시키는 센서 폴링 속도를 변경합니다.

펌웨어 바이너리는 저항기만큼 엄격하게 다뤄져야 합니다. 부품 번호가 있어야 하며, 해시(SHA-256)되어야 합니다. 빌드 지침은 “Latest_Production_FW” 같은 동적 폴더에 링크해서는 안 되며, 정적이고 버전이 명시된 산출물에 링크해야 합니다. 지침에는 명확히 “바이너리 플래시”라고 명시해야 합니다. fw_v1.2.4_release.hex, 체크섬 a1b2...펌웨어를 변경해야 한다면, 커패시터를 교체하는 것과 마찬가지로 엔지니어링 변경 명령서(ECO)가 필요합니다. 이는 하드웨어에서 회귀 테스트를 거치지 않은 “드라이브 바이” 소프트웨어 업데이트로부터 빌드를 보호합니다.

“6개월 건망증” 표준

빌드 패키지의 궁극적인 테스트는 “6개월 건망증 테스트”입니다. 현재 엔지니어링 팀 전체가 내일 모두 퇴사한다고 상상해 보십시오. 6개월 후, 새로운 생산 주문이 들어옵니다. 새로운 팀은 제품을 본 적이 없습니다. 공장 팀도 교체되었습니다. 존재하는 것은 문서 패키지뿐입니다. 그들이 올바르게 유닛을 조립할 수 있을까요?

공정이 특정 기술자 Bob이 “테스트 픽스처를 흔들어야 한다”는 것을 아는 것에 의존한다면, 그 공정은 깨진 것입니다. BOM이 3개월 전에 보낸 이메일에서 “당분간 삼성 부품을 사용하라”고 한 것에 의존한다면, 그 공정은 깨진 것입니다. 버전 관리는 단순히 파일을 정리하는 것이 아니라 법의학적 기록입니다. AVL의 모든 변경, 조립 도면의 모든 조정은 문서와 함께 존재하는 공식 ECO에 기록되어야 합니다. 이것은 관료주의가 아니라 시간의 무질서에 대한 유일한 보험 정책입니다.

리비전 잠금

유연성이 필요한 때가 있고, 잠금이 필요한 때가 있습니다. 프로토타입 단계(Rev A/B)에서는 속도가 우선입니다. 부품을 급히 들여오고, 수작업 납땜 재작업을 하며, 작동하게 만듭니다. 그러나 설계가 Rev C로 넘어가고 “생산” 플래그가 올라가면, 사고방식은 창조에서 방어로 전환되어야 합니다.

“골든 유닛” — 실험실 벤치 위에 놓인 완벽한 샘플은 그 DNA가 문서에 완전히 시퀀싱되어 있을 때만 가치가 있습니다.

CM이 “해결할 것”이라고 의존하는 것을 멈추십시오. “표준”이 오스틴에서와 선전에 같은 의미라고 믿는 것을 멈추십시오. 패키지를 법적 방어처럼 구축하십시오. 수율이 50%로 떨어지거나 현장 반품이 쌓이기 시작할 때, 그 문서만이 실패가 설계 문제인지 빌드 문제인지를 증명할 수 있습니다. 버전을 잠그고, AVL을 정의하며, 문서를 제품 자체로 취급하십시오.