$40,000 الثقل الورقي: لماذا تغطية الاختبار "الكاملة" تقتل الأجهزة ذات الحجم المنخفض

تخيل شركة ناشئة في مجال التكنولوجيا الطبية في عام 2018. هم على بعد ثلاثة أسابيع من موعد تقديم طلب إلى إدارة الغذاء والدواء، ويحملون دفعة إنتاج من 2000 وحدة يجب أن تعمل بلا شك. لإثبات جديتهم للمستثمرين، طلبوا "المعيار الذهبي" لاختبار التصنيع: جهاز اختبار داخل الدائرة (ICT) مخصص. إنه قطعة جميلة من الألمنيوم المشغول، مثقبة بمئات الثقوب لأجهزة الاستشعار ذات النوابض، مصممة للتحقق من كل مقاوم ومكثف على اللوحة. كلف $35,000 واستغرق ثمانية أسابيع للتصنيع.

لكن عندما يصل الجهاز أخيراً إلى رصيف التحميل، تظهر مشكلة. كان لابد من تغيير تخطيط اللوحة قليلاً في "الإصدار ب" لإصلاح مشكلة حرارية. تحركت ثقوب التثبيت بمقدار ثلاثة مليمترات.

الجهاز الآن ثقل ورقي بقيمة خمسة وثلاثين ألف دولار. لا يمكن تعديله؛ يجب التخلص منه. الشركة الناشئة أحرقت $35 ألف دولار وشهرين من فترة التشغيل، وما زالوا لم يختبروا لوحة واحدة.

هذا السيناريو يتكرر باستمرار في تطوير الأجهزة. المهندسون مدربون على السعي لتحقيق "تغطية 100%" وغالباً ما يعتمدون على الأدوات الثقيلة المستخدمة من قبل عمالقة مثل آبل أو ديل. لكن الفيزياء سهلة مقارنة بالاقتصاد. عندما تبني 500 أو 2000 أو حتى 5000 وحدة، تنهار حسابات اختبار "الحديد الكبير" التقليدي. تحتاج إلى استراتيجية تعطي الأولوية للمرونة على السرعة، والواقع الوظيفي على الكمال الهيكلي.

لماذا "المعيار الذهبي" يخذلك

في التصنيع عالي الحجم — فكر في 100,000 وحدة شهرياً — اختبار ICT هو الملك. جهاز "سرير المسامير" يثبت اللوحة، وفي ست ثوانٍ، يخبرك بالضبط أي مقاوم 0402 هو القيمة الخاطئة. إنه سريع ودقيق ومكلف للغاية. تكلفة الهندسة غير المتكررة (NRE) للجهاز، والبرمجة، ووقت التصحيح يمكن أن تصل بسهولة إلى $15,000 إلى $50,000. إذا كنت تبني مليون وحدة، تتوزع هذه التكلفة على سنتات لكل لوحة. إذا كنت تبني 1,000 وحدة، فأنت تدفع ضريبة $15 على كل جهاز فقط من أجل امتياز اختباره.

وهنا يختلط الأمر على العديد من الفرق بين "الاحتراق" و"الاختبار". قد تميل إلى طلب رفوف احتراق مكثفة لالتقاط الأعطال المبكرة، معتقداً أن ذلك يحل محل الحاجة إلى جهاز اختبار. لكنه لا يفعل. الاحتراق هو اختبار إجهاد لالتقاط معدل الوفيات المبكرة — المكونات التي تفشل بعد 48 ساعة من التعرض للحرارة. يخبرك إذا كانت اللوحة تدوم. لا يخبرك إذا كان قد تم بني بشكل صحيح في المقام الأول. لا يمكنك حرق لوحة تحتوي على جسر لحام على سكة الطاقة؛ ستقوم فقط بحرق ثقب في لوحة الدائرة المطبوعة. لا يزال عليك إيجاد طريقة للتحقق من جودة البناء دون شراء الوحش الألمنيومي.

في الإنتاج منخفض الحجم، وقت الدورة غير مهم. التكلفة الثابتة والجمود هما العدو الحقيقيان. يتطلب سرير المسامير تصميمًا "مقفلًا". إذا قمت بتحريك نقطة اختبار، يموت التجهيز. في عالم إدخال المنتج الجديد (NPI) الفوضوي، حيث يتبع الإصدار C الإصدار B خلال شهر، فإن قفل تصميمك من أجل التجهيز هو خطأ استراتيجي. تحتاج إلى طريقة اختبار يمكنها التكيف بسرعة بقدر ما يمكن لمصمم التخطيط توجيه المسارات.

المسبار الطائر: مبادلة الوقت بالمال

البديل الفوري للتجهيز الثابت هو المجس الطائر. تخيل آلة كبيرة حيث، بدلاً من تثبيت مئات المسامير في وقت واحد، تدور أربعة إلى ثمانية أذرع روبوتية حول اللوحة، تلمس نقاط الاختبار واحدة تلو الأخرى. تبدو كروبوت جراحة خيالي.

السحر هنا هو أنه لا يوجد تجهيز. تقوم بتحميل بيانات CAD (ملفات ODB++ أو Gerber) في الآلة، وتخبرها بمكان الأجزاء، وهي تحدد كيفية اختبارها. إذا قمت بتحريك مقاوم في الإصدار التالي، فقط قم بتحميل ملف جديد. تنخفض تكلفة الإعداد من $20,000 إلى ربما $2,000. المقابل، بالطبع، هو الوقت. بينما يختبر سرير المسامير اللوحة في ثوانٍ، قد يستغرق المجس الطائر من ثلاث إلى ست دقائق لكل لوحة حسب كثافة المكونات.

قم بالحساب. إذا كنت تبني 1,000 وحدة، فإن أربع دقائق إضافية لكل لوحة تعادل حوالي 66 ساعة من وقت الآلة. هذا ضئيل مقارنة بأسابيع الانتظار لتصنيع التجهيز. ومع ذلك، للمجس الطائر حد واضح: فهو في الأساس اختبار هيكلي . يتحقق مما إذا كانت الأجزاء موجودة وإذا كانت وصلات اللحام متصلة. عادة لا يمكنه تشغيل اللوحة والتواصل مع البرنامج الثابت لأنه لا يمكنه الحفاظ على جميع دبابيس الطاقة والبيانات متصلة في نفس الوقت. يخبرك أن الجسم مركب، لكنه لا يخبرك إذا كان الدماغ حيًا.

الاختبار الوظيفي: هل يقلع فعلاً؟

هذا يجبر على إدراك حاسم للأجهزة منخفضة الحجم: غالبًا ما يكون تغطية الاختبار الوظيفي (FCT) أكثر قيمة من التغطية الهيكلية. يمكنك أن تمتلك لوحة حيث كل وصلة لحام مثالية، وكل مقاوم يقيس 10 كيلو أوم، واللوحة لا تزال تفشل في العمل لأن المذبذب الكريستالي بتردد خاطئ أو ذاكرة الفلاش تتوقف عن العمل.

فكر في حادثة "الشبح في الفلكس". كانت دفعة من اللوحات تفشل بشكل متقطع في الميدان، مما تسبب في فوضى. اجتازت الاختبارات الهيكلية كل وحدة. تبين أن الشركة المصنعة المتعاقدة كانت تستخدم فلكس "لا نظيف" معين، والذي تحت رطوبة عالية (مثل 90% في مستودع غير مكيف)، أصبح موصلًا قليلاً. لا يمكن لأي قياس مقاومة اكتشاف ذلك. فقط اختبار إجهاد وظيفي — تشغيلها وتشغيلها — اكتشف الفشل.

عليك فصل "اختبار التصنيع" عن "الشهادة". غالبًا ما يصاب العملاء بالذعر ويسألون إذا كان الاختبار الوظيفي يغطي امتثال FCC أو UL. لا يفعل. الامتثال هو فحص قانوني يتم مرة واحدة بواسطة مختبر متخصص. اختبار التصنيع الوظيفي هو فحص وجودي يتم على كل وحدة: هل يتم الإقلاع؟ هل يمكنه التواصل؟ هل السكك مستقرة؟ بالنسبة لإنتاج 2,000 وحدة، معرفة أن جهازك يقلع ويتواصل عبر USB له قيمة لا نهائية مقارنة بمعرفة أن R204 ضمن تحمل 1% بالضبط.

الاستراتيجية: البرنامج الثابت مجاني، والألمنيوم مكلف

الاستراتيجية الذكية للإنتاج منخفض الحجم هي التصميم المشترك. تستبدل التجهيز الألمنيومي المكلف بالبرنامج الثابت المجاني. هذا ليس شيئًا يمكنك إضافته بعد الانتهاء من التصميم؛ يجب أن يكون في المخطط.

تحتاج إلى تصميم "وضع المصنع" في جهازك. هذه حالة خاصة من البرنامج الثابت يتم تفعيلها بفعل مادي — سحب دبوس GPIO إلى منخفض، الضغط على زر أثناء الإقلاع، أو استقبال أمر محدد عبر UART. عندما تستيقظ اللوحة في هذا الوضع، لا يجب أن تنتظر المستخدم؛ يجب أن تجري اختبارًا ذاتيًا فورًا. تتحقق من السكك الداخلية الخاصة بها، ترسل إشارة إلى مقياس التسارع لترى إذا كان يستجيب، تحاول الكتابة والقراءة من EEPROM، ثم تبلغ عن النتيجة.

من الناحية المادية، هذا بسيط. لا تحتاج إلى رف $50k. تحتاج إلى كابل USB، مشبك دبوس بوغو بسيط لرأس التصحيح (Tag-Connect منقذ هنا)، وجهاز كمبيوتر محمول يشغل سكريبت بايثون. إذا أردت أن تكون أنيقًا، استخدم Raspberry Pi. يقوم المشغل بتوصيله، يستمع السكريبت لرسالة "أنا حي" من البرنامج الثابت، ويسجل الرقم التسلسلي في جدول Google. التكلفة الإجمالية للأجهزة: $200. إجمالي NRE: أسبوع من وقت مهندس البرنامج الثابت الخاص بك.

لكن عليك أن تكون صارمًا بشأن "الجانب الفيزيائي" لهذا. إذا أخفيت منفذ USB خلف حامل، أو إذا كان رأس التصحيح مدفونًا تحت البطارية، فقد أفسدت العملية. لن أعلمك كيفية كتابة كود بايثون—هذا واجب منزلي قياسي—لكن سأخبرك أنه إذا لم تكشف عن نقاط الاختبار على حافة اللوحة، فأنت تختار إنفاق المال على الأشعة السينية لاحقًا.

الإنسان في الحلقة

هناك وهم مستمر بين مؤسسي التكنولوجيا المتفائلين بـ "التصنيع بدون تدخل بشري"—مصنع تقوم فيه الروبوتات بكل شيء. في الواقع، بالنسبة لتشغيل 3000 وحدة، يكون المشغل البشري دائمًا أرخص من ذراع روبوت. يجب تصميم استراتيجية الاختبار الخاصة بك لتناسب إنسانًا متعبًا، يشعر بالملل، وقد كان يوصّل الكابلات لمدة ست ساعات.

إذا كان اختبارك يتطلب من المشغل توصيل اثني عشر موصلًا مختلفًا يدويًا، فأنت تضمن الفشل. لقد رأيت خطوطًا حيث بدأ المشغلون، الذين أرهقهم التكرار، في إجبار موصلات DB9 على الدخول بزاوية، مما أدى إلى تلف رؤوس اللوحة. بحلول اللوحة #50، كان "الاختبار" في الواقع يدمر المنتج.

صمم لليد البشرية. استخدم موصلات ذات مفتاح لا يمكن توصيلها بالعكس. استخدم ماسح باركود حتى لا يضطروا إلى كتابة أرقام السيريال. والأهم من ذلك، قلل من الإجراءات الفيزيائية المطلوبة لبدء الاختبار. من الناحية المثالية، يقومون بتوصيل كابل واحد، ويبدأ الاختبار تلقائيًا. إذا اضطروا للنقر على "ابدأ" على الشاشة، فسوف ينسون في النهاية النقر عليها أو ينقرون مرتين.

حكم "تكلفة الهروب"

هذه حساب بارد للمخاطر. نسميه "تكلفة الهروب". إذا أنفقت $50,000 على تجهيز ICT كامل، قد تكتشف 99.9% من العيوب. إذا أنفقت $2,000 على إعداد اختبار وظيفي ذكي، قد تكتشف 99.0%.

هل فرق 0.9% يستحق $48,000؟ إذا كنت تصنع أجهزة تنظيم ضربات القلب، نعم. إذا كنت تصنع أجهزة إنترنت الأشياء الاستهلاكية حيث يعني الفشل في الميدان فقط إرسال وحدة بديلة مقابل $50، فبالتأكيد لا. لا تدع السعي للكمال النظري يُفلس تشغيل الإنتاج الخاص بك. صمم الاختبار في الكود، احترم المشغل البشري، وشحن الأجهزة.