처리량 함정: 왜 플라잉 프로브가 대량 생산을 방해하는가

모든 하드웨어 스타트업의 라이프사이클에는 대차대조표와 물리학이 충돌하는 특정 순간이 있습니다. 이는 보통 EVT(엔지니어링 검증 테스트)에서 PVT(생산 검증 테스트)로 전환되는 동안 발생합니다. 작동하는 보드를 갖고 있고, 가속화할 계약 제조업체가 준비되어 있으며, 테스트 고정장치 가격이 보입니다: $15,000 ‘침대 못’(ICT) 클램쉘로, 기계 가공에 6주가 걸립니다.

반응은 거의 항상 같습니다. ‘NRE’(비반복 엔지니어링) 항목을 보면 망설이게 됩니다. 왜 15,000달러를 지불하고 한 달을 기다리나요? 공장에는 오늘 바로 보드 테스트를 할 수 있는 기계가 있어 초기 설치 비용 없이 검사를 할 수 있는데 말이죠. 이것은 플라잉 프로브를 사용하는데, 이는 시험 포인트를 하나씩 잡아내는 재봉틀처럼 움직이는 관통 바늘입니다. 고정장치도, 대기 시간도 없습니다. 이는 제조 경제 법칙에서 허점을 발견한 것처럼 느껴집니다.

그것은 허점이 아닙니다. 400% 이자율이 적용되는 신용카드와 같습니다. 플라잉 프로브는 프로토타입 단계에서는 구세주이지만, 그것에 의존해 몇 백 개 이상의 유닛을 생산하는 것은 제가 현장에서 목격하는 가장 흔한 병목의 원인입니다. 초기 자본 지출을 건너뛰면서 절약하는 것이 아니라, 비용을 눈에 보이는 일회성 검사에서 단위 마진과 일정에 숨겨진, 피 흘리는 상처로 옮기게 되는 것뿐입니다.

타크 타임 월

볼륨에서 플라잉 프로브가 실패하는 이유를 보기 위해 전자공학 생각을 멈추고 시간을 생각하세요. 특히 ‘비트율’ 또는 타크 타임을 말입니다. 만약 표면 실장 기술(SMT) 라인이 효율적으로 작동한다면, 30~45초마다 완성된 PCBA(인쇄 회로 기판 조립)가 나온다고 예상됩니다. 이것이 공장의 심장 박동입니다. 이후 단계인 검사, 테스트, 포장도 그 박동에 맞춰야 합니다. 그렇지 않으면, 제품을 만들고 있는 것이 아니라 더미를 쌓고 있는 것입니다.

침대 못 고정장치는 500개의 핀을 동시에 PCB에 눌러 모든 네트는 병렬로 검사합니다. 이 검사는 15초가 걸립니다. 이것은 SMT 라인보다 빠르기 때문에 벨트는 절대 멈추지 않습니다.

반면, 플라잉 프로브 테스트기는 직렬입니다. 4개(때로는 8개)의 헤드를 가지고 있으며, 똑같은 500개의 네트를 검사하려면 물리적으로 움직이고, 멈추고, 내려가서, 만지고, 측정하고, 들어올리고 다시 움직여야 합니다. 현대 직선 모터와 고가속 가반대를 사용하더라도 물리학은 한계를 부과합니다. 400개의 네트가 있는 적당히 복잡한 보드는 플라잉 프로브로 4분이 걸릴 수 있습니다. [[검증 필요]]

그 차이의 수학을 해보세요. SMT 라인은 30초마다 보드를 생산하고, 테스트기는 240초마다 하나의 보드를 검사합니다. 시험기를 통과하는 보드 하나당 7개가 뒤에 쌓입니다. 5,000개 제품의 하루 첫 점심 시간까지, 더 이상 생산 라인은 없고, 창고 보관 문제가 될 뿐입니다. 복도에 방전 카트에 쌓인 400개의 검사가 안된 보드를 볼 수 있습니다.

생산 책임자가 종종 '그냥 더 많은 기계 시간을 사면 해결된다'고 시도하는 것을 목격했습니다. 그들은 하루 24시간 프로브를 돌려 8시간 SMT 교대근무를 따라잡으려고 합니다. 그들은 초과근무를 지불하고, 공장에 두 번째 또는 세 번째 기계에 보드를 넣어달라고 간청합니다. 갑자기, 고정장치에서 절약했던 $15,000은 사라집니다. 인건비, 기계 감가상각, 전기료를 지불하며, 이는 모든 유닛 비용에 포함됩니다. 테스트 비용이 $0.50이 되어야 하는데, $5 또는 $10을 지불하는 셈입니다. 몇 푼을 절약하기 위해, 1주차에 떠안은 기술적 부채를 유지하며 마진을 소진하는 겁니다.

가끔 창업자가 ‘범용 고정장치’ 또는 조절 가능한 핀 시스템이 있어, 맞춤 공구 비용을 피하고 빠른 속도를 제공하는 것을 묻기도 합니다. 이것은 몇 년마다 Kickstarter 캠페인이나 트레이드 쇼 부스에 나타나는 영원한 꿈입니다. 실제로, 이러한 조절 시스템은 고신뢰성 제조용 버퍼웨어일 뿐입니다. 수천 번 반복하는 동안 0.01인치 목표를 반복적으로 맞출 수 있는 기계적 강성 부족이 문제입니다. 결국 느리고 유연한 프로브 또는 빠르고 딱딱한 못이라는 이진 선택에 갇혀 있습니다.

물리학, 마찰 및 false 실패

속도만이 이곳의 유일한 적은 아니다. 문제의 또 다른 절반은 측정 자체의 취약성이다. 못 위에 놓고 측정할 때는 강력한 기계적 지레가 작용한다. 공압 실린더가 수백 파운드의 힘으로 판넬을 밀어내며 산화와 플럭스 잔여물을 통과하여 견고하고 기체 밀폐된 전기 접속을 만든다.

비행 프로브는 그럴 수 없다. 정교하고 균형 잡힌 팔이 보드를 부드럽게 탭한다. SMT 공정이 테스트 패드에 약간 두꺼운 플럭스 잔여층을 남기거나 특정 0402 저항기가 약간 비스듬히 납땜될 경우, 프로브 팁이 미끄러질 수 있다. 대신 절연된 솔더 마스크 위에 착지할 수도 있다.

기계는 “실패”를 보고한다. 라인이 멈춘다. 작업자가 와서 보드를 보고, 알코올로 패드를 닦고, “재테스트”를 누른다. 통과한다. 이 과정이 1시간에 열 번씩 일어난다. 우리는 이 현상을 “거짓 실패” 또는 “본파이프 노이즈”라고 부른다. 못 위 고정구에서는 기계적인 힘이 강력하기 때문에 거짓 실패는 드물다. 비행 프로브에서는 비효율의 지속적인 배경 방사선과 같다.

프로브가 늑대 울음소리를 내면, 엔지니어가 개입해야 한다. 이는 위험한 심리적 효과를 낳는다: “늑대 울음소리” 피로감. 10k 서열 저항기에서 다섯 번째 거짓 경보 후, 작업자는 조사하는 것을 멈추고 그냥 재테스트를 계속한다. 결국, 실제로 문제가 있는 보드가 나온다. 실제 없는 저항기. 작업자는 기계의 불안정함에 익숙하여 또 다른 오류라고 생각하거나, 재테스트를 강제로 수행하거나, 더 나쁘게는 수작업으로 보드를 통과시킨다. 그 잘못된 보드는 고객에게 전달된다.

여기서 종종 전기 테스트를 완전히 우회하고 시각 검사 시스템—자동 광학 검사(AOI) 또는 X선—에 의존하려는 유혹이 있다. “납땜이 좋아 보이면”이라고 생각한다면, “연결은 좋아야 한다”고 본다. 이것은 위험한 오류다. AOI는 부품의 존재와 필렛의 모양을 검사한다. 칩 내부가 죽었는지 볼 수 없다. 저항기가 10k 옴인지 1k 옴인지 알 수 없다. 표면상 완벽해 보여도 내부 전기 연속성이 없는 냉납땜 연결을 감지하지 못한다. 전자를 사진으로 찍을 수 없다. 측정해야 한다.

탐사가 왕일 때

볼륨 생산에 피해를 주는 속도 폭력에도 불구하고, 비행 프로브는 구식이 아니다. 단순히 오해받고 있을 뿐이다. 프로브는 사실 두 가지 특정 분야의 왕이다: 프로토타입과 “불가능한” 보드.

새 제품의 Revision A를 제작할 때는 반드시 설계를 변경하게 된다. 3주 만에 구식이 될 보드용으로 $15,000의 하드툴링 고정구를 구매하는 것은 부당행위다. 이 경우, 비행 프로브가 완벽하다. CAD 데이터를 로드하고, 아침에 프로그램을 디버그하며, 50개의 프로토타입을 테스트한다. 사이클 타임은 중요하지 않다. 5,000개를 기다리지 않기 때문이다.

두 번째 유효 사례는 “슈퍼-보드”이다. 고복잡도 서버 마더보드 또는 의료 MRI 컨트롤러를 고려하자. 이 보드들은 5,000개의 네트, 20개의 층, 그리고 양쪽에 부품이 매우 밀집되어 있어 포고핀용 테스트 포인트를 배치할 공간 자체가 없다. 못 위 고정구는 물리적으로 불가능하다, 왜냐하면 못을 끼울 자리가 없기 때문이다.

이 경우, 단가가 천문학적일 때가 많아 $5,000 또는 $10,000원이다. 생산량은 주당 다섯 대일 수 있다. 이때 40분의 테스트 시간은 수용 가능하다. 테스트 비용은 보드의 가치에 비해 미미하며, 생산량이 적어 테스터가 병목이 되지 않는다. 작은 비아와 부품 다리들을 정확히 치는 능력은 유일한 전략이 된다.

크로스오버 전략

테스트 전략의 핵심은 비행 프로브를 언제 발사할지 정확히 아는 것이다. 이 교차점은 보드 복잡성이나 EMS 제공업체의 인건비에 따라 달라지기 때문에 드물게 정해진 숫자가 아니다. 그러나, 일반적인 소비자 전자제품 PCB의 경우, 위험 구역은 보통 500단위 정도에서 시작한다.

100개를 제작한다면 프로브를 사용하라. 1,000개를 제작한다면 ROI 계산이 필요하다. $15,000 고정구 비용을 계약제조업체가 부과하는 프로브 시간 비용과 비교하라. 종종, 고정구는 #700 단위까지 자체 비용을 회수한다.

하지만 계산은 단순한 재무적 평가가 아니라 운영적 평가여야 한다. 스스로에게 물어보라: 내 전체 공급망이 단 하나의 기계적 바늘의 속도에 의해 제한될 여유가 있는가? 없다면, NRE를 지불하라. 고정구를 제작하라. 비행 프로브가 최선을 다하는 일, 즉 미래의 프로토타입을 시험하는 일에 집중하게 하라. 현재의 생산은 지연하지 않도록 하라.