หัววัดและหัวต่อ: ปัญหาการทดสอบในฮาร์ดแวร์สมัยใหม่

สำหรับบริษัทใดก็ตามที่นำผลิตภัณฑ์ทางกายภาพมาใช้ ช่วงเวลาจากการออกแบบจนถึงการส่งมอบอุปกรณ์เต็มไปด้วยการตัดสินใจที่สำคัญ มีไม่กี่อย่างที่สำคัญหรือเข้าใจผิดมากไปกว่าการเลือกวิธีตรวจสอบความสมบูรณ์ของแผ่นวงจรพิมพ์ การตัดสินใจนี้ ซึ่งมักถูกสรุปเป็นการแข่งขันระหว่าง Flying Probe Testing (FPT) และ In-Circuit Testing (ICT) เป็นมากกว่าข้อความทางเทคนิค มันเป็นการเลือกเชิงกลยุทธ์ที่ส่งผลโดยตรงต่อกระแสเงินสดของบริษัท ความเร็วในการผลิต และความสามารถในการนวัตกรรมของบริษัท

ในขณะที่ทั้งสองวิธีมีอยู่เพื่อค้นหาข้อบกพร่องในการผลิตที่อาจทำให้บอร์ดไร้ประโยชน์ พวกมันแสดงแนวคิดพื้นฐานที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง หนึ่งคือการสอบถามเชิงพลวัต อีกหนึ่งคือคำแถลงของการผลิตจำนวนมาก การเลือก ICT เร็วเกินไปคือการผูกบริษัทใหม่กับการออกแบบที่แน่นอนโดยมีค่าใช้จ่ายสูง การพึ่งพา FPT นานเกินไปคือการสร้างอุปสรรคในการผลิตที่อาจขัดขวางการเติบโตในช่วงเริ่มต้น คำถามไม่ใช่ว่าเทสต์ใดดีกว่า แต่เทสต์ใดสอดคล้องกับความเป็นจริงของผลิตภัณฑ์เฉพาะในช่วงเวลาหนึ่งของวงจรชีวิต

ความเป็นรูปธรรมของการทดสอบ

เพื่อเข้าใจความแตกต่างอย่างลึกซึ้งระหว่างสองแนวทางนี้ ต้องเข้าใจว่าพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับแผ่นวงจรอย่างไร ความแตกต่างคือเรื่องของการเข้าถึง แบบต่อเนื่องกับแบบขนาน และจากความแตกต่างเพียงอย่างเดียวนี้ ผลลัพธ์ด้านต้นทุน ความเร็ว และความยืดหยุ่นก็ไหลออกมา

Flying Probe Testing เป็นการกระทำที่แม่นยำของหุ่นยนต์ มันทำงานเหมือนมัลติมิเตอร์อัตโนมัติ ซึ่งมีหัววัดสองถึงหกหัวเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่น่าทึ่งทั่วพื้นผิวของบอร์ด โดยมีซอฟต์แวร์ที่ได้มาจากไฟล์การออกแบบของบอร์ดเป็นแนวทาง หัววัดจะลงบนสายไฟของส่วนประกอบ vias และแผ่นทดสอบในลำดับที่วางแผนไว้ล่วงหน้า โดยการแตะหลายจุด เครื่องจะวัดความผิดปกติของการเชื่อมต่อ สายไฟเปิด และค่าของส่วนประกอบที่บ่งชี้ความผิดพลาดในการผลิต กระบวนการทั้งหมดเป็นชั่วคราว เป็นการสนทนาในซอฟต์แวร์ที่ไม่ต้องการฮาร์ดแวร์ที่กำหนดเอง

In-Circuit Testing เป็นการกระทำที่ต้องการการยืนยันทางกายภาพ มันพึ่งพาอุปกรณ์เฉพาะที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบ “เตียงตะปู” ซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบปิดฝา ที่มีแถวของพิน pogo ที่มีสปริงอยู่ในแต่ละจุด พินเหล่านี้จัดเรียงในกลุ่มที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งเป็นภาพสะท้อนของจุดทดสอบทุกจุดบนด้านล่างของบอร์ด เมื่อบอร์ดถูกกดเข้าไปในอุปกรณ์นี้ การเชื่อมต่อหลายร้อยหรือหลายพันจุดจะถูกสร้างขึ้นพร้อมกัน การสัมผัสแบบขนานนี้ช่วยให้ระบบสามารถทดสอบทุกเน็ตบนบอร์ดในลำดับที่รวดเร็วและรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้เป็นฮาร์ดแวร์ที่ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นภาพถ่ายทางกายภาพของเวอร์ชันบอร์ดเฉพาะ การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการวางผังของบอร์ดที่เปลี่ยนจุดทดสอบทำให้อุปกรณ์ราคาแพงนี้ล้าสมัย ซึ่งทำให้ ICT เป็นสิ่งที่ไม่เหมาะสมกับกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์แบบวนซ้ำ ซึ่งการพัฒนาออกแบบไม่ใช่แค่คาดหวังแต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อความอยู่รอด สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ยังอยู่ในช่วงเปลี่ยนแปลง ความคล่องตัวที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ของ FPT เป็นเส้นทางเดียวที่สามารถทำได้

เศรษฐศาสตร์ของความมุ่งมั่น

โมเดลทางการเงินของ FPT และ ICT เป็นภาพสะท้อนโดยตรงของธรรมชาติทางกายภาพของพวกมัน การเลือกนี้เป็นการแลกเปลี่ยนแบบคลาสสิกระหว่างการลงทุนล่วงหน้าที่สำคัญสำหรับต้นทุนต่อหน่วยต่ำ และการลงทุนเริ่มต้นเป็นศูนย์สำหรับต้นทุนต่อหน่วยสูง สำหรับสตาร์ทอัพ นี่ไม่ใช่การคำนวณบัญชี แต่เป็นคำแถลงเกี่ยวกับกลยุทธ์การจัดสรรทุน

FPT ถูกกำหนดโดยการไม่มีต้นทุนวิศวกรรมที่ไม่เกิดซ้ำ (NRE) เนื่องจากการทดสอบเกิดจากซอฟต์แวร์ การทดสอบสามารถเริ่มได้เกือบจะทันทีที่บอร์ดแรกออกจากสายการประกอบ โดยไม่ต้องลงทุนในเครื่องมือเฉพาะ การดำเนินการนี้เป็นสิ่งที่มีค่าอย่างยิ่งสำหรับต้นแบบและการผลิตในช่วงเริ่มต้น ราคาของความยืดหยุ่นนี้จ่ายในเรื่องของเวลา ลักษณะเชิงลำดับของการทดสอบหมายความว่าบอร์ดแต่ละใบใช้เวลานานขึ้นในการประมวลผล ส่งผลให้ต้นทุนต่อหน่วยสูงขึ้น

ICT ทำงานบนหลักเศรษฐศาสตร์ตรงกันข้าม NRE ที่มีมูลค่าสูง ซึ่งอาจอยู่ในช่วงไม่กี่พันถึงหลายหมื่นดอลลาร์ เป็นตัวแทนของต้นทุนในการสร้างเครื่องมือความแม่นยำ การลงทุนนี้ไม่ได้เป็นการสุ่ม มันจ่ายสำหรับวิศวกรรมที่ซับซ้อนในการออกแบบอุปกรณ์ การเจาะรูอย่างแม่นยำของแผ่น G10 และแรงงานด้วยมืออย่างพิถีพิถันในการติดตั้งและเดินสายพิน pogo หลายร้อยหรือหลายพันตัว ต้นทุนเริ่มต้นสูงนี้จะถูกคำนวณเป็นค่าใช้จ่ายในช่วงการผลิต เมื่อการลงทุนนี้เสร็จสิ้น การทดสอบเองก็รวดเร็วเป็นพิเศษ มักใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที ซึ่งทำให้ต้นทุนต่อหน่วยลดลงเหลือเพียงเศษสตางค์ โมเดลนี้มีประสิทธิภาพอย่างรุนแรงสำหรับการผลิตจำนวนมาก แต่กำแพงแรกของมันอาจเป็นอุปสรรคสำหรับบริษัทที่ต้องการอนุรักษ์ทุน

จังหวะของการผลิต

เส้นเวลาของการทดสอบแบ่งออกเป็นสองช่วงชัดเจน: เวลาจนถึงการทดสอบแรกสุด และเวลาต่อการทดสอบแต่ละครั้ง FPT ให้ความรวดเร็ว ICT ให้ความสามารถในการผลิตในปริมาณมาก ผู้จัดการฝ่ายผลิตต้องตัดสินใจว่าสิ่งใดมีค่าสำคัญมากกว่ากันในช่วงเวลาหนึ่ง

เวลาจนถึงการทดสอบแรกสุดของ ICT วัดเป็นสัปดาห์ การออกแบบ การสร้าง และการตรวจสอบอุปกรณ์เฉพาะเป็นโครงการที่สำคัญในตัวเอง ซึ่งสร้างความล่าช้าอย่างมากระหว่างเวลาที่บอร์ดถูกสร้างขึ้นและเวลาที่สามารถตรวจสอบได้อย่างเต็มที่ สำหรับการเปิดตัวผลิตภัณฑ์ใหม่ที่มีเส้นตายเข้มงวด ความล่าช้านี้อาจเป็นไปไม่ได้ โปรแกรมการทดสอบด้วย flying probe ซึ่งสามารถสร้างจากข้อมูล CAD ได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง ช่วยให้การทดสอบเริ่มต้นได้ในวันเดียวกับที่บอร์ดออกจากสายการผลิต ให้ข้อมูลย้อนกลับทันทีแก่ทีมวิศวกรรมและการผลิต

เมื่อเริ่มใช้งานได้จริงแล้ว บทบาทจะกลับกันอย่างมาก ระบบ ICT ที่สามารถทดสอบบอร์ดในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที ทำให้เป็นพลังงานแห่งประสิทธิภาพ มันสามารถตามทันสายการประกอบความเร็วสูง เพื่อให้แน่ใจว่าการทดสอบจะไม่กลายเป็นอุปสรรค นี่คือจุดที่ FPT เริ่มแสดงข้อจำกัดของมัน เมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้นเป็นพัน ๆ ช่วงเวลาทดสอบต่อบอร์ดของโปรเบอร์ที่บินได้สามารถสร้างความล่าช้าอย่างมีนัยสำคัญ ชะลอการส่งสินค้าและทำให้ลูกค้าหงุดหงิด

การค้นหาเพื่อความแน่นอน

แม้ว่าวิธีทั้งสองจะมีประสิทธิภาพอย่างน่าทึ่ง มักจะจับข้อผิดพลาดในการผลิตทั่วไปได้มากกว่า 95% แต่พวกเขามองหาข้อบกพร่องในวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อย พวกเขาทั้งคู่กำลังมองหาไฟฟ้าสั้นระหว่างสายไฟ เปิดวงจร และส่วนประกอบที่ผิดหรือขาด และสำหรับบอร์ดดิจิทัลส่วนใหญ่ ความแตกต่างในการครอบคลุมข้อบกพร่องสำคัญเหล่านี้มีน้อยมาก

อย่างไรก็ตาม ยังมีความแตกต่างเล็กน้อย เนื่องจากอุปกรณ์ทดสอบ ICT สามารถออกแบบให้แยกชิ้นส่วนทางไฟฟ้าจากวงจรโดยรอบได้ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีความได้เปรียบในการวัดค่าทางอนาล็อกอย่างแม่นยำ มันสามารถยืนยันได้อย่างน่าเชื่อถือว่าตัวต้านทานหรือคาปาซิเตอร์อยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนที่กำหนดไว้ โปรแกรมบินได้ แม้ว่าจะสามารถวัดค่าเดียวกันได้ แต่บางครั้งก็อาจมีปัญหาในการบรรลุระดับความแม่นยำเดียวกันบนบอร์ดที่หนาแน่นและซับซ้อน ในทางตรงกันข้าม วิธีการทดสอบเน็ตต่อเน็ตของ FPT ทำให้มันเก่งเป็นพิเศษในการตรวจจับวงจรเปิดทางกายภาพ เนื่องจากเป็นการตรวจสอบความต่อเนื่องทางไฟฟ้าโดยตรงจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

กรอบสำหรับการเลือกเชิงกลยุทธ์

การตัดสินใจจึงเกินกว่าการเปรียบเทียบทางเทคนิคง่าย ๆ มันกลายเป็นการคำนวณเชิงกลยุทธ์ของต้นทุน ปริมาณ และความเสี่ยง ตรรกะนี้สามารถวัดได้โดยการหาจุดคุ้มทุน ซึ่งเป็นปริมาณการผลิตที่ต้นทุนต่อหน่วยสูงของ FPT เท่ากับต้นทุนรวมของ ICT ที่มีการลงทุนในอุปกรณ์เริ่มต้นจำนวนมาก จุดเปลี่ยนนี้ ซึ่งมักอยู่ระหว่าง 500 ถึง 2,000 หน่วย เป็นจุดที่ตรรกะทางการเงินเริ่มเปลี่ยนแปลง

อย่างไรก็ตาม การคำนวณนี้ไม่ใช่กฎที่แน่นอน สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ Class III หรือชิ้นส่วนอากาศยานที่สำคัญ ต้นทุนของความล้มเหลวในสนามเดียวกันนั้นสูงมาก จนการลงทุนในอุปกรณ์ ICT ที่มี NRE เป็นส่วนหนึ่งของการรับประกันคุณภาพโดยไม่สามารถต่อรองได้ ไม่ว่าจะปริมาณเท่าใดก็ตาม

สำหรับบริษัทที่เติบโตมากที่สุด กลยุทธ์ที่ซับซ้อนที่สุดคือการนำทั้งสองวิธีมาใช้ในลำดับ เริ่มต้นด้วยการออกแบบบอร์ดสำหรับ ICT ตั้งแต่การแก้ไขครั้งแรก รวมถึงชุดแผ่นทดสอบเต็มรูปแบบ แม้ว่าจะไม่ได้ใช้งานในตอนแรก การมองการณ์ไกลนี้ ซึ่งเป็นหลักการสำคัญของการออกแบบเพื่อการทดสอบ (DfT) มีต้นทุนต่ำในขั้นตอนการออกแบบ แต่ให้ผลตอบแทนมหาศาลในภายหลัง การผลิตสามารถเริ่มต้นด้วย FPT โดยใช้ข้อได้เปรียบที่ไม่มี NRE เพื่อยืนยันการออกแบบและทดสอบตลาดโดยไม่ต้องเสี่ยงทุนจำนวนมาก เมื่อความต้องการของตลาดได้รับการพิสูจน์และการผลิตขยายตัวจน FPT กลายเป็นอุปสรรค บริษัทสามารถลงทุนในอุปกรณ์ ICT ได้อย่างมั่นใจ โดยรู้ว่าบอร์ดพร้อมสำหรับการเปลี่ยนผ่านไปสู่การทดสอบความเร็วสูงอย่างราบรื่น

ในที่สุด ความเสี่ยงที่ใหญ่ที่สุดไม่ได้อยู่ที่การเลือกวิธีทดสอบที่ “ผิด” ความเสี่ยงที่แท้จริงคือการข้ามการทดสอบไฟฟ้าที่แข็งแกร่งโดยสิ้นเชิง หรือเลือกวิธีที่สร้างความเสี่ยงทางธุรกิจที่รุนแรง การเลือก ICT ก่อนเวลาอันควรเป็นการสิ้นเปลืองทุนทรัพย์อันมีค่า การใช้ FPT นานเกินไปทำให้การเติบโตของบริษัทชะงัก การเลือกที่ถูกต้องคือสิ่งที่สอดคล้องกับความเป็นจริงทางกายภาพของโรงงานและความเป็นจริงทางการเงินและกลยุทธ์ของธุรกิจเอง