Restaurationsversuche an vintage computern

Hauptkategorie: Für die Öffentlichkeit Kategorie: Fachartikel Erstellt: Montag, 30. August 2010 Zuletzt aktualisiert: Samstag, 30. Juni 2012 Veröffentlicht: Mittwoch, 16. Juni 2010 Geschrieben von Jörg Hoppe

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Hier an einer PDP-11/34 backplane

"In the mid-1970s, DOAs were running at about 25 percent - one system out of four a customer received would be Dead On Arrival [...]
Quite honestly, we were much more sensitive to production targets than quality targets in those days because of explosive growth in customer demands. The natural human instinct is to push that stuff out and get the revenues.
It's also hard to train people properly when you're growing at 35 percent a year and have an enormous backlog of orders to meet. [...]
Customers were so anxious to get their hands on the DEC products that the level of negative feedback wasn't sufficient to make the company change its approach to quality until much later, in the early 1980s."

Tony Tynan, Digital Employee 1974-1991, nach "Digital at Work"

Abstract:

In diesem Artikel werden Restaurationsversuche an einer PDP-11/34 backplane geschildert. (Eine englische Version ist hier veröffentlicht, Danke an Mark Gerber für die Übersetzung)

Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen, Hilfe wird gerne angenommen!


pdp1134_total

Das Problem

Während der Inbetriebnahme einer PDP-11/34a zeigte sich, dass die NPG-Signalkette auf der DD11-PK backplane unterbrochen war.

Das NPG-Signal läuft über die ganze backplane und verbindet je zwei Pins in jedem Slot miteinander. Das Signal läuft dabei teilweise über Leiterbahn und teilweise über wire-wrap.

backplane_NPG_path

Die DD11-PK backplane besteht aus 6 * 9  flip chip Buchsen, die von einer Seite in eine massive Leiterplatte eingelötet sind.
Es gibt drei Verbindungsebenen zwischen den Buchsenpins:

  1. Auf der Bestückungsseite sind die Pins durch aufgedruckte Leiterbahnen verbunden. Diese sind komplett unzugänglich.
  2. auf der Pin-Seite sind ebenfalls manche Pins durch gedruckte Leiterbahnen verbunden.
  3. aber hauptsächlich sind die Buchsenpins auf der Pin-Seite per wire-wrap verbunden.
backplane_total_connectorside backplane_total_pinside


Eine optische Prüfung zeigte, dass zwar alle Pins der NPG-Kette korrekt per wire-wrap verbunden waren. Eine elektrische Durchgangsmessung ergab allerdings keine niederohmige Verbindung, sondern einen zwischen 0 und 10 Kiloohm schwankenden Widerstand.


Die Diagnose

Naturgemäss gibt man zunächst den Wickelverbindungen die Schuld. Diese sind aber (angeblich) betriebssicherer als Lötverbindungen, und zeigten beim Nachmessen auch keine Probleme.
Schliesslich konnte ich einen Pin finden, der bei leichter mechanischer Bewegung einen starken Wechsel im Durchgangswiderstand verursachte. Eine Makro-Fotografie enthüllt das Problem:


bad_pin_org

(Die Vergrösserung ist ungefähr 10x, der Durchmesser eines Pins beträgt 0,7 mm)

Man erkennt, dass das Lötzinn den wire-wrap-Pin nicht benetzt, oder nur auf manchen Seiten benetzt hat. Das Lötzinn hat auch keinen "Meniskus" ausgebildet, war also nie in Kontakt mit dem Pin. Der Pin bildet mit der Lötstelle einen klassischen Wackelkontakt, und hat keine sichere Verbindung mit der Leiterbahn auf der anderen Platineseite.

Es handelt sich um einen Produktionsfehler. Offenbar wurden bei DEC seinerzeit bereits oxidierte oder verunreinigte Pins eingelötet. Diese hatten wohl sogar anfänglich elektrischen Kontakt, sind aber im Laufe der Zeit ausgefallen.

Eine anderer Aufnahme zeigt Pins mit verschiedenen Sorten von schlechten Lötstellen:

good_and_bad_pins

Man sieht:

  • der Pin unten rechts und der Pin in der Bildmitte sind wahrscheinlich überhaupt nicht (mehr) benetzt.
  • oben rechts im Bild ist ein Pin zu sehen, der nur an einer Seite benetzt ist, an einer anderen Seite jedoch nicht.
  • die anderen Lötstellen links im Bild sehen gut aus.

Besteht noch Hoffnung?

Während der Arbeit mit der PDP11/34 zeigte sich übrigens auch, dass die Maschine die ersten Tests (EXAM/DEPOSIT über die console) zunächst wie erwartet bestand. Später, nachdem einigen Karten umgesteckt wurden, bestand sie diese Tests seltener und dann gar nicht mehr. Nach jahrelanger Lagerung fallen die schlechten Lötstellen also jetzt erst bei Inbetriebnahme aus. Oder anders ausgedrückt: Die PDP-11 zerbröselt langsam ....

Eine kurze Schätzung zeigte, dass sehr viele der vierkantigen Pins - etwa 20-40% -  zumindest auf einer Seite nicht benetzt sind.  Kritisch sind die Pins, die auf keiner der vier Seiten benetzt sind, diese Zahl ist nicht schätzbar. Eine DK11-PK backplane enthält 1944 Pins ... eine Anzahl, die eigentlich jede händische Kontrolle ausschliesst. Und wenn nur 1% aller Lötstellen ausgefallen sind, bedeutet das schon 19 Fehlerquellen!

Die Lötstellen vieler Pins sind übrigens wegen dichtem wire-wrap Drahtgewirr gar nicht einsehbar:

backplane_pins_wires

Bei diesem Fehlerbild könnte man wirklich guten Gewissens von einem Totalschaden ausgehen und die backplane einfach wegwerfen.

Oder man nimmt es sportlich!

Reparaturstrategien

Als Reparaturidee kommt folgendes in Betracht:

1. Manuelles Flicken

Verfahren: An allen (1944!) Pins kräftig wackeln, einen Verdrahtungsplan aufbereiten und alle Verbindungen nachmessen. Anschliessend die Lötstellen nachlöten, die mit dem Kolben erreichbar sind, die anderen Verbindungen nachwrappen.

Nun, händisch kann man das vielleicht einmal im Leben machen. Es handelt sich bei dem backplane-Problem aber um einen systematischen Fehler in der Produktion von DEC ... es ist zu erwarten, dass noch andere Maschinen das gleiche Problem haben.

2. Automatisches Löten

Da die Anzahl der einzelnen Lötstellen zu hoch ist, und viele Lötstellen für einen klassischen Lötkolben nicht erreichbar sind, verbietet sich ein Nachlöten per Hand.

- Klassische Lötbäder sind nicht anwendbar, da die Wrap-Draht-Struktur in der Lötwelle schmelzen würde.

- Kondensationslöten ist ein industrielles Verfahren zur Erhitzen der Lötstellen per Kondensationsdampf auf Schmelztemperatur. Das Kondensat setzt sich nur auf metallischen Flächen ab, erhitzt also nur die wire-wrap-Pins und die Lötstellen. Die ganze Unterseite der Backplane wird dem Dampf ausgesetzt.
Es ist die Frage, ob ein Aufschmelzen der Lötstellen ohne Zugabe von Flussmittel die Kontakte zwischen Pins und Zinn wieder herstellt: Die Pins wurden ja schon beim ersten Löten nicht vom Zinn benetzt.

3. Chemische Verfahren

Die Idee dabei: die Backplane wird durch eine Reihe von Bädern geschickt, die die korrodierten Pins erst reinigen, und dann die Kontakte wiederherstellen. So lassen sich mit wenigen Arbeitsschritten alle Pins auf einmal behandeln.

Folgende Verfahren wurden bereits ausprobiert:

3.1. Ein Rezept zur Reinigung von Silberbesteck: Die Backplane wurde 3 Stunden lang zusammen mit Aluminiumfolie in ein warmem Salzwasserbad gelegt. Es bildeten sich Blasen am Lötzinn, die Aluminumfolie wurde dünner und brüchig, sonst gab es keine Veränderungen.

3.2. Die backplane wurde mit Silbertauchbad behandelt, eine gängie Lösung zur Reinigung von angelaufenem Silber aus dem Baumarkt. Keine Veränderung. Offenbar sind die schwarzen Ablagerungen auf den wire-wrap-Pins kein Silbersulfid.

3.3. Die Backplane wurde mit Salzsäure gereinigt. Während reines Lötzinn von der Rolle durch ein Salzsäurebad spiegelblank wird, wurden die Lötstellen auf der backplane schwarz! Versuch abgebrochen.

3.4. Die backplane wurde mit "Chemisch Zinn" (octamex) behandelt. Die backplane wurde einmal 20 Minuten und einmal 10 Stunden unter Lösung gesetzt. Die richtige Einwirkzeit ist wohl erreicht, wenn man auch nach Schütteln der nassen backplane keine Ausgas-Geräusche mehr hört. 
"Chemisch Zinn" lagert sich eigentlich nur auf sauberen Kupferflächen ab, trotzdem schienen sich die schlechten Verbindung auf der NPG-Kette zu schliessen. Nach mechanischer Bewegung des Pins oben im Foto war der Kontakt allerdings wieder offen. Trotzdem würde ich dieses Verfahren nicht als völligen Fehlschlag bewerten.

 

4. Galvanische Verfahren

Zur Wiederherstellung der elektrischen Kontakte kommen auch galvanische Verfahren in Frage. Es wird galvanisch soviel Metall auf Lötstellen und Pins aufgetragen, bis alle Haarrisse wieder geschlossen sind.

Zum Glück sind viele Metalle für den galvanischen Auftrag geeignet: Gold, Silber, Zink, Nickel, Kupfer, Zinn. Alle Metalle haben hinreichend hohe Leitfähigkeit, um die Haarrisse zu füllen. Es kann daher der Prozess ausgewählt werden, der die beste Anhaftung auf verunreinigtem Lötzinn verspricht, sowie möglichst preisgünstig und ungiftig ist.

Aufbau:

  1. Dazu müssen auf der Buchsenseite Kontaktleisten eingesteckt werden, die alle Slot-Pins miteinander elektrisch verbinden. Diese Kontaktleisten lassen sich aus den abgesägten Kontaktfingern alter flip-chip-boards gewinnen. Die Buchsenpins werden zusammengeschaltet und an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen.
  2. Nur die Wire-wrap-Pins und die Lötstellen hängen in der Lösung mit dem Metall-Elektrolyten.
  3. Der Boden der Wanne mit dem Elektrolyt-Bad wird als Anode mit einem Metallblech ausgelegt, das mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden wird.

... to be continued ...

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