ATE ในการทดสอบ PCBA: คู่มือฉบับสมบูรณ์

ในโลกที่ซับซ้อนของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ การรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือของ Printed Circuit Board Assemblies (PCBAs) เป็นสิ่งสำคัญที่สุด นี่คือจุดที่อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) เข้ามามีบทบาทสำคัญ บทความนี้ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับ ATE ในการทดสอบ PCBA โดยเจาะลึกถึงพื้นฐาน ประเภทต่าง ๆ หลักการทำงาน ข้อดี และเทคนิคขั้นสูง ไม่ว่าคุณจะเป็นมือใหม่ในวงการหรือเป็นนักวิจัยที่มีประสบการณ์ คู่มือนี้จะให้ความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับแง่มุมสำคัญนี้ของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) คืออะไร

อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ หรือที่รู้จักกันในชื่อ ATE เป็นระบบที่ซับซ้อนออกแบบมาเพื่อทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ รวมถึง PCBAs โดยอัตโนมัติ เพื่อหาข้อบกพร่องด้านฟังก์ชันและพารามิเตอร์ ลองนึกภาพเครื่องตรวจสอบหุ่นยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและแม่นยำ ซึ่งตรวจสอบแต่ละชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อบนแผงวงจรอย่างละเอียด นั่นคือสิ่งที่ ATE ทำ ระบบเหล่านี้ใช้ซอฟต์แวร์ควบคุมเครื่องมือในการส่งสัญญาณกระตุ้นเฉพาะเจาะจงไปยังอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) และวัดผลตอบสนอง

คำตอบที่วัดได้จะถูกเปรียบเทียบกับค่าที่คาดหวัง ช่วยให้ระบบสามารถตัดสินได้อย่างรวดเร็วว่า DUT ทำงานถูกต้องหรือไม่ กระบวนการอัตโนมัตินี้ช่วยลดเวลาการทดสอบอย่างมากเมื่อเทียบกับวิธีการด้วยมือ และปรับปรุงความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำของการทดสอบอย่างมาก โดยสรุปแล้ว ATE มีบทบาทสำคัญในการรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ มันทำหน้าที่เป็นผู้คุมประตู ป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่องเข้าสู่ตลาด และรับประกันว่าอิเล็กทรอนิกส์คุณภาพสูงเท่านั้นที่จะเข้าสู่มือของเรา

ประเภทของ ATE สำหรับ PCBA

ระบบ ATE หลายประเภทถูกนำมาใช้ในการทดสอบ PCBA แต่ละแบบมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวเอง มาดูกันว่ามีอะไรบ้าง:

เครื่องทดสอบในวงจร (ICT)

เครื่องทดสอบในวงจร หรือ ICTs เป็นเหมือนนักสืบที่ละเอียดรอบคอบ ตรวจสอบแต่ละชิ้นส่วนบน PCBA ทีละชิ้นหลังจากการบัดกรี พวกเขาใช้อุปกรณ์พิเศษที่เรียกว่า “เตียงตะปู” – เป็นแพลตฟอร์มที่มีขาแบบสปริงซึ่งสัมผัสกับจุดทดสอบเฉพาะบนแผงวงจร ICTs สามารถวัดค่าของตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และชิ้นส่วนอื่น ๆ ได้อย่างแม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่ามีค่าตรงตามข้อกำหนด นอกจากนี้ยังสามารถตรวจจับข้อบกพร่องจากการผลิตทั่วไป เช่น การลัดวงจร การเปิดวงจร และการวางชิ้นส่วนผิดตำแหน่ง

ลองนึกภาพว่าคุณกำลังทดสอบหลอดไฟแต่ละดวงในสายไฟคริสต์มาสเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างถูกต้อง แม้ว่า ICT จะมีประสิทธิภาพสูงในการระบุข้อบกพร่องจากการผลิต แต่ก็มีข้อจำกัด พวกเขาไม่สามารถทดสอบการทำงานโดยรวมของวงจรทั้งหมดได้ และอาจต้องการจุดทดสอบจำนวนมาก ซึ่งอาจเป็นความท้าทายสำหรับแผงวงจรที่มีความหนาแน่นสูง

เครื่องทดสอบแบบ Flying Probe

เครื่องทดสอบแบบโปรบโบลว์ (Flying probe) ให้แนวทางที่ยืดหยุ่นมากขึ้นในการทดสอบ PCBA แตกต่างจาก ICT ที่พึ่งพา “เตียงตะปู” คงที่ พวกเขาใช้หัววัดสองหัวขึ้นไปที่เคลื่อนที่รอบ ๆ PCBA เพื่อสัมผัสกับจุดทดสอบตามความจำเป็น ความคล่องตัวนี้ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณต่ำและการทดสอบต้นแบบ เนื่องจากไม่ต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะสำหรับแต่ละประเภทของแผงวงจร

เครื่องทดสอบแบบโปรบโบลว์สามารถทำการทดสอบคล้ายกับ ICT เช่น การวัดค่าชิ้นส่วนและการตรวจจับการลัดวงจรและการเปิดวงจร อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปจะช้ากว่า ICT ความแลกเปลี่ยนคือความยืดหยุ่นเพื่อความรวดเร็ว พวกเขามีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงการออกแบบบ่อยครั้ง เนื่องจากการเขียนโปรแกรมใหม่ของเครื่องทดสอบง่ายกว่าการสร้างอุปกรณ์เฉพาะใหม่

เครื่องทดสอบวงจรเชิงฟังก์ชัน (FCT)

เครื่องทดสอบวงจรเชิงฟังก์ชัน หรือ FCTs ใช้วิธีการแบบองค์รวมในการทดสอบ แทนที่จะตรวจสอบชิ้นส่วนแต่ละชิ้น พวกเขาจะประเมินการทำงานโดยรวมของ PCBA ที่ประกอบขึ้นมา FCTs จำลองสภาพแวดล้อมการทำงานจริงของแผงวงจร โดยใช้สัญญาณเข้าเชิงฟังก์ชันและวัดผลลัพธ์เพื่อยืนยันว่าทำงานตามที่ตั้งใจไว้

ตัวอย่างเช่น หาก PCBA ถูกออกแบบสำหรับนาฬิกาดิจิทัล FCT จะจำลองสัญญาณที่นาฬิกาจะได้รับในแอปพลิเคชันสุดท้ายและตรวจสอบว่าผลลัพธ์ (เช่น การแสดงผล การบันทึกเวลา) ถูกต้องหรือไม่ การทดสอบประเภทนี้สามารถตรวจจับข้อบกพร่องที่ ICT อาจพลาด เช่น ปัญหาเกี่ยวกับจังหวะเวลาและความล้มเหลวด้านฟังก์ชัน ซึ่งจะปรากฏชัดเจนเมื่อวงจรทั้งหมดทำงาน FCT มักใช้เป็น “การรับรองขั้นสุดท้าย” ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถูกส่งออก

ระบบทดสอบการเผาไหม้ (Burn-In Testing Systems)

การทดสอบการเผาไหม้เป็นกระบวนการสำคัญสำหรับการระบุข้อผิดพลาดในช่วงต้นของอายุการใช้งานของ PCBAs มันเหมือนการทดสอบความเครียดสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ ผลักดันให้พวกมันทำงานในขีดจำกัดเพื่อกำจัดชิ้นส่วนที่อ่อนแอ ระบบการเผาไหม้มักประกอบด้วยเตาอบหรือห้องที่รักษาอุณหภูมิที่ควบคุมไว้ แผงวงจรจะเปิดใช้งานและผ่านการทดสอบเชิงฟังก์ชันในช่วงเวลาการ “เผาไหม้” นี้

กระบวนการนี้ช่วยเร่งอายุของชิ้นส่วน ทำให้ชิ้นส่วนที่มีข้อบกพร่องซ่อนอยู่ล้มเหลวในช่วงต้น โดยการระบุและกำจัดชิ้นส่วนอ่อนแอ การทดสอบการเผาไหม้ช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือในระยะยาวของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ระยะเวลาและอุณหภูมิของกระบวนการเผาไหม้จะถูกกำหนดอย่างรอบคอบตามความต้องการของผลิตภัณฑ์และมาตรฐานอุตสาหกรรม

การตรวจสอบด้วยแสงออปติคัลอัตโนมัติ (AOI)

ระบบตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ หรือ AOI เป็น “ตา” ของโลก ATE พวกเขาใช้กล้องและซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพที่ซับซ้อนเพื่อทำการตรวจสอบ PCBAs สำหรับข้อบกพร่อง ระบบ AOI สามารถตรวจจับปัญหาได้อย่างรวดเร็ว เช่น ชิ้นส่วนที่ขาด, การวางชิ้นส่วนผิดทิศทาง, สายบัดกรี, และการบัดกรีไม่เพียงพอ

คิดว่ามันเป็นการตรวจสอบคุณภาพด้วยสายตาที่ความเร็วสูงซึ่งสามารถมองเห็นข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ได้ ระบบ AOI มักใช้เป็นการตรวจสอบรอบแรกเพื่อระบุข้อบกพร่องทางการผลิตอย่างหยาบ ให้วิธีการที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพในการจับปัญหาที่ชัดเจน ระบบ AOI ขั้นสูงยังสามารถทำการตรวจสอบ 3D ได้ด้วย การวัดความสูงของชิ้นส่วนและปริมาณการบัดกรีเพื่อให้การประเมินผลที่ครอบคลุมมากขึ้น

ระบบตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์

ระบบตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์พาเราเข้าสู่โลกที่ซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวของ PCBA พวกเขาใช้รังสีเอกซ์เพื่อสร้างภาพโครงสร้างภายในของบอร์ด เปิดเผยข้อบกพร่องที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบแพ็คเกจ Ball Grid Array (BGA) และชิ้นส่วนอื่น ๆ ที่มีการเชื่อมต่อบัดกรีซ่อนอยู่

การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์สามารถตรวจจับปัญหาเช่น ช่องว่างในจุดบัดกรี, การลัดวงจรภายใน, และชิ้นส่วนที่วางผิดตำแหน่ง ระบบรังสีเอกซ์ทั้ง 2D และ 3D พร้อมให้บริการ โดยระบบ 3D ให้ภาพที่ละเอียดและครอบคลุมมากขึ้นของโครงสร้างภายใน ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ได้อย่างละเอียดถี่ถ้วนมากขึ้น

ส่วนประกอบสำคัญของระบบ ATE

ระบบ ATE เป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญหลายอย่างที่ทำงานร่วมกันอย่างไร้รอยต่อ:

• อุปกรณ์ทดสอบ: นี่คือหัวใจของระบบ ATE ให้เครื่องมือที่จำเป็นในการทดสอบ PCBA รวมถึงแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้พลังงานกับบอร์ด, ตัวสร้างสัญญาณเพื่อสร้างสัญญาณทดสอบ, มัลติมิเตอร์ดิจิทัล (DMMs) เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าและกระแส, ออสซิลโลสโคปเพื่อวิเคราะห์คลื่น และเครื่องมือเฉพาะทางอื่น ๆ
• ระบบสวิตช์: สิ่งเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นผู้ควบคุมจราจรของระบบ ATE เส้นทางสัญญาณระหว่างอุปกรณ์ทดสอบและจุดทดสอบต่าง ๆ บน DUT พวกเขาช่วยให้สามารถเชื่อมต่อจุดทดสอบหลายจุดกับเครื่องมือที่จำกัด ทำให้การใช้ทรัพยากรเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
• อุปกรณ์ทดสอบ: อุปกรณ์เหล่านี้ให้อินเทอร์เฟซทางกายภาพระหว่างระบบ ATE กับ DUT สำหรับ ICT นี่คืออุปกรณ์ “เตียงตะปู” ในขณะที่เครื่องทดสอบฟังก์ชันอาจใช้ตัวเชื่อมต่อขอบหรือสายเคเบิลที่กำหนดเองเพื่อเชื่อมต่อกับบอร์ด
• ซอฟต์แวร์และการเขียนโปรแกรม: สมองของระบบ ATE ซอฟต์แวร์นี้กำหนดลำดับการทดสอบ ควบคุมการตั้งค่าเครื่องมือ และกำหนดเกณฑ์ผ่าน/ไม่ผ่าน โปรแกรมทดสอบมักเขียนด้วยภาษาเช่น C++, Python หรือภาษาทดสอบเฉพาะทาง

วิธีการทำงานของ ATE ในการทดสอบ PCBA

กระบวนการทดสอบ PCBAs โดยใช้ ATE ประกอบด้วยขั้นตอนสำคัญหลายขั้นตอน:

การพัฒนาโปรแกรมทดสอบ

การสร้างโปรแกรมทดสอบเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญ วิศวกรทดสอบจะพัฒนาโปรแกรมเหล่านี้ตามข้อกำหนดการออกแบบและความต้องการทดสอบของ PCBA โปรแกรมนี้กำหนดลำดับของการทดสอบ สัญญาณกระตุ้นที่จะใช้ และการตอบสนองที่คาดหวังจากบอร์ดที่สมบูรณ์ ซึ่งต้องมีความเข้าใจลึกซึ้งทั้งในด้านการทำงานของ PCBA และความสามารถของระบบ ATE โปรแกรมเหล่านี้มักรวม routines การวินิจฉัยเพื่อระบุสาเหตุของความล้มเหลวใด ๆ ด้วย

การออกแบบและการผลิตอุปกรณ์ทดสอบ

อุปกรณ์ทดสอบเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ระหว่างระบบ ATE กับ DUT สำหรับ ICT การออกแบบอุปกรณ์นี้เกี่ยวข้องกับการสร้างอุปกรณ์ “bed of nails” ที่มีหัววัดแบบสปริง (pogo pins) วางตำแหน่งอย่างแม่นยำเพื่อสัมผัสจุดทดสอบเฉพาะบน PCBA อุปกรณ์ทดสอบฟังก์ชันอาจใช้ตัวเชื่อมต่อขอบ สายเคเบิลที่ออกแบบเอง หรือวิธีการผสมผสาน การออกแบบอุปกรณ์ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับตำแหน่งของหัววัด ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และความเสถียรทางกล อุปกรณ์เหล่านี้มักผลิตด้วยเทคนิคการกลึงและประกอบที่แม่นยำเพื่อความถูกต้องและความทนทาน

การดำเนินการทดสอบ การวิเคราะห์ข้อมูล และการแปลผล

เมื่อวาง PCBA ลงในอุปกรณ์ทดสอบ โปรแกรมทดสอบจะถูกดำเนินการ ระบบ ATE จะเริ่มทำงานโดยการใช้สัญญาณกระตุ้นที่กำหนดไว้และวัดผลตอบสนองอย่างละเอียด ข้อมูลนี้จะถูกเปรียบเทียบกับค่าที่คาดหวังในโปรแกรมทดสอบ ผลลัพธ์การทดสอบจะแสดงให้ผู้ปฏิบัติงานเห็นอย่างชัดเจนว่าบอร์ดผ่านหรือไม่ แต่กระบวนการนี้ไม่ได้จบเพียงเท่านี้

การวิเคราะห์ข้อมูล

ระบบ ATE เป็นแหล่งข้อมูลขนาดใหญ่ที่รวบรวมข้อมูลจำนวนมากในระหว่างการทดสอบ ข้อมูลนี้เป็นแหล่งข้อมูลชั้นยอดสำหรับการระบุแนวโน้ม รูปแบบ และโอกาสในการปรับปรุงกระบวนการ เทคนิคการควบคุมกระบวนการทางสถิติ (SPC) มักถูกนำมาใช้เพื่อเฝ้าระวังผลการทดสอบ ค้นหาเบี่ยงเบนจากประสิทธิภาพที่คาดหวัง เมื่อเกิดความล้มเหลว การวิเคราะห์ความล้มเหลวอย่างละเอียดจะถูกดำเนินการเพื่อค้นหาสาเหตุของข้อบกพร่อง

การแปลผลข้อมูลและข้อมูลเชิงลึกที่สามารถดำเนินการได้

การแปลผลข้อมูล ATE ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญทั้งในกระบวนการทดสอบและการทำงานของ PCBA วิศวกรทดสอบจะวิเคราะห์บันทึกความล้มเหลว การวัดพารามิเตอร์ และข้อมูลอื่น ๆ เพื่อระบุส่วนประกอบหรือกระบวนการเฉพาะที่เป็นสาเหตุของข้อบกพร่อง

ตัวอย่างเช่น หากส่วนประกอบใดส่วนหนึ่งล้มเหลวในการทดสอบการเชื่อมต่อบ่อยครั้ง อาจบ่งชี้ว่าจำเป็นต้องปรับโปรไฟล์การ reflow soldering หรือปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมต่อของส่วนประกอบ ข้อมูลที่มีค่านี้สามารถนำไปใช้ปรับปรุงกระบวนการผลิต ปรับแต่งการออกแบบ และสุดท้ายเพื่อยกระดับคุณภาพของผลิตภัณฑ์

เรามาดูเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการวิเคราะห์ข้อมูล ATE ด้วยเทคนิคทางสถิติขั้นสูงกันเถอะ เทคนิคหนึ่งที่ทรงพลังคือ การวิเคราะห์ Pareto, ซึ่งช่วยระบุประเภทความบกพร่องที่สำคัญที่สุด โดยการแสดงความถี่ของประเภทความบกพร่องต่าง ๆ บนชาร์ต Pareto เราสามารถมองเห็นได้อย่างรวดเร็วว่าสาเหตุใดเป็นสาเหตุหลัก ตัวอย่างเช่น เราอาจพบว่า 80% ของความบกพร่องของเราเกิดจากสะพานบัดกรีและชิ้นส่วนที่ขาด ซึ่งช่วยให้เรามุ่งเน้นความพยายามในการปรับปรุงในด้านสำคัญเหล่านี้

เครื่องมือที่มีค่ายิ่งอีกอย่างคือ การแจกแจง Weibull, ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลความน่าเชื่อถือจากการทดสอบเบิร์นอิน การแจกแจง Weibull สามารถช่วยให้เราแบบจำลองเวลาจนถึงความล้มเหลวของชิ้นส่วนและทำนายความน่าเชื่อถือในระยะยาวของผลิตภัณฑ์ของเรา โดยการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างและสเกลของการแจกแจง Weibull เราสามารถเข้าใจกลไกความล้มเหลวที่เป็นสาเหตุหลักและปรับปรุงกระบวนการเบิร์นอินของเราให้เหมาะสม

ประโยชน์ของการใช้ ATE ในการทดสอบ PCBA

ข้อดีของการใช้ ATE ในการทดสอบ PCBA มีมากมาย:

• ความสามารถในการทดสอบที่เพิ่มขึ้น: ระบบ ATE สามารถทดสอบ PCBAs ได้เร็วขึ้นมากกว่าการทดสอบด้วยมือ ซึ่งช่วยเพิ่มผลผลิตอย่างมีนัยสำคัญ
• การครอบคลุมการทดสอบที่ดีขึ้น: ATE สามารถทำการทดสอบในช่วงกว้างกว่าการใช้วิธีด้วยมือ เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถตรวจจับความบกพร่องที่เป็นไปได้มากขึ้น
• ความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำที่ดีขึ้น: ระบบ ATE ให้ผลลัพธ์การทดสอบที่สอดคล้องและแม่นยำ ช่วยลดความเสี่ยงจากความผิดพลาดของมนุษย์
• ต้นทุนแรงงานที่ลดลง: อัตโนมัติช่วยลดความจำเป็นในการทดสอบด้วยมือ ซึ่งนำไปสู่การประหยัดค่าแรงงานอย่างมาก
• การบันทึกข้อมูลและความสามารถในการติดตาม: ระบบ ATE บันทึกผลการทดสอบโดยอัตโนมัติ ให้ข้อมูลที่มีคุณค่าสำหรับการปรับปรุงกระบวนการและรับประกันความสามารถในการติดตาม

ความเข้าใจเกี่ยวกับ Test Coverage ใน ATE

Test coverage เป็นแนวคิดสำคัญใน ATE ซึ่งหมายถึงระดับที่ PCBA ถูกทดสอบหา defect ที่อาจเกิดขึ้น โดยมักแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของความผิดพลาดทั้งหมดที่สามารถตรวจพบได้ การมี test coverage สูงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ แล้วเราจะบรรลุเป้าหมายนี้ได้อย่างไร?

การวิเคราะห์ Fault Spectrum

นี่คือวิธีการระบุประเภทของข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นใน PCBA ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์อย่างละเอียดของกระบวนการผลิต ประเภทของส่วนประกอบ และลักษณะการออกแบบ เพื่อกำหนดกลไกความล้มเหลวที่เป็นไปได้ ประเภทข้อผิดพลาดที่พบบ่อยได้แก่ การลัดวงจร การเปิดวงจร ค่าของส่วนประกอบผิดพลาด ส่วนประกอบที่ขาดหาย และความล้มเหลวด้านการทำงาน การเข้าใจ Fault Spectrum ช่วยในการเลือกเทคนิค ATE ที่เหมาะสมและปรับปรุงการครอบคลุมการทดสอบ

กลยุทธ์การเลือกจุดทดสอบ

จุดทดสอบเป็นตำแหน่งเฉพาะบน PCBA ที่สามารถวัดไฟฟ้าได้ การเลือกจุดทดสอบที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้การครอบคลุมการทดสอบสูง กลยุทธ์มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับข้อผิดพลาดในขณะที่ลดจำนวนจุดทดสอบที่ใช้ ปัจจัยที่ควรพิจารณาได้แก่ ความสามารถในการเข้าถึงส่วนประกอบ ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และความสามารถของระบบ ATE แนวทางการออกแบบเพื่อความสามารถในการทดสอบ (DFT) มักแนะนำให้วางจุดทดสอบบนเครือข่ายและขั้วต่อของส่วนประกอบที่สำคัญทั้งหมดเพื่อให้การทดสอบเป็นไปอย่างละเอียด

เทคนิค ATE ขั้นสูงสำหรับ PCBAs ที่ซับซ้อน

เมื่อ PCBAs มีความซับซ้อนมากขึ้น จำเป็นต้องใช้เทคนิคการทดสอบขั้นสูงเพื่อรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือ

การทดสอบ Boundary Scan

Boundary scan ซึ่งรู้จักกันในชื่อ IEEE 1149.1 หรือ JTAG เป็นวิธีการที่ทรงพลังสำหรับการทดสอบการเชื่อมต่อระหว่างวงจรรวม (ICs) บน PCBA ซึ่งใช้ตรรกะการทดสอบพิเศษฝังอยู่ใน ICs เพื่อควบคุมและสังเกตสัญญาณที่ขั้วต่อของพวกเขา วิธีนี้ช่วยให้สามารถตรวจจับการลัดวงจร การเปิดวงจร และข้อผิดพลาดอื่น ๆ ในการเชื่อมต่อระหว่าง ICs ได้ แม้เมื่อการเข้าถึงจุดทดสอบทางกายภาพมีข้อจำกัด Boundary scan เป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการทดสอบ PCBAs ที่มีความซับซ้อนและหนาแน่นสูง และสามารถรวมเข้ากับเทคนิค ATE อื่น ๆ เพื่อให้ครอบคลุมการทดสอบอย่างครบถ้วน

การทดสอบด้วยตัวเองในตัว (BIST)

BIST เป็นเทคนิคที่ PCBA หรือ IC ถูกออกแบบให้สามารถทดสอบตัวเองได้ วงจรพิเศษถูกเพิ่มเข้าไปเพื่อสร้างรูปแบบการทดสอบและวิเคราะห์ผลตอบสนอง ช่วยให้ตัวอุปกรณ์ตรวจสอบความสามารถในการทำงานของตัวเอง BIST สามารถใช้ทดสอบวงจรดิจิทัล อุปกรณ์หน่วยความจำ และส่วนประกอบอื่น ๆ ได้ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการใช้ ATE ภายนอก โดยเฉพาะสำหรับการทดสอบและวินิจฉัยในสนาม BIST ยังสามารถรวมเข้ากับ ATE เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทดสอบและลดเวลาการทดสอบ

การทดสอบระดับระบบ

การทดสอบระดับระบบเกี่ยวข้องกับการทดสอบ PCBA เป็นส่วนหนึ่งของระบบใหญ่ ซึ่งตรวจสอบให้แน่ใจว่า PCBA ทำงานร่วมกับส่วนประกอบอื่น ๆ ได้อย่างถูกต้องและทำหน้าที่ตามที่ตั้งใจไว้ในระบบโดยรวม การทดสอบระดับระบบสามารถตรวจจับปัญหาการบูรณาการและความล้มเหลวด้านฟังก์ชันที่อาจไม่พบในการทดสอบระดับต่ำ มักต้องใช้อุปกรณ์และซอฟต์แวร์ทดสอบเฉพาะทางที่สามารถจำลองสภาพแวดล้อมของระบบได้อย่างสมจริง

การทดสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณ การสมบูรณ์ของพลังงาน และการทดสอบด้านความร้อน

การทดสอบเฉพาะด้านเหล่านี้เน้นไปที่ประสิทธิภาพสำคัญของ PCBA สมัยใหม่

การทดสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณ

สิ่งนี้รับประกันว่าสัญญาณแพร่กระจายอย่างถูกต้องทั่วทั้ง PCBA โดยไม่มีการบิดเบือน การสะท้อน หรือการรบกวนข้ามสาย มันเกี่ยวข้องกับการวัดพารามิเตอร์เช่น ความต้านทาน, เวลาในการขึ้น, และภาพวาดสายตา อุปกรณ์ ATE เฉพาะทาง เช่น Time Domain Reflectometers (TDRs) และ Vector Network Analyzers (VNAs) ถูกนำมาใช้ ความสมบูรณ์ของสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวงจรดิจิทัลความเร็วสูงและ RF

การทดสอบความสมบูรณ์ของพลังงาน

สิ่งนี้ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครือข่ายจ่ายไฟ (PDN) บน PCBA ให้พลังงานที่สะอาดและเสถียรแก่ทุกส่วนประกอบ มันเกี่ยวข้องกับการวัดพารามิเตอร์เช่น การลดแรงดันไฟฟ้า DC, คลื่นรบกวน AC, และการตอบสนองชั่วคราว การใช้หัววัดและเครื่องมือเฉพาะทางในการวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของพลังงาน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับพลังงานและรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้

การทดสอบความร้อน

สิ่งนี้ประเมินประสิทธิภาพความร้อนของ PCBA ภายใต้สภาพการทำงาน มันเกี่ยวข้องกับการวัดอุณหภูมิของส่วนประกอบและ PCB โดยใช้กล้องความร้อนหรือเซ็นเซอร์ การทดสอบความร้อนสามารถรวมกับการทดสอบการเผาไหม้เพื่อระบุจุดร้อนทางความร้อนและปัญหาเสถียรภาพที่อาจเกิดขึ้น ช่วยให้สามารถปรับปรุงการออกแบบความร้อนของ PCBA และป้องกันความร้อนเกิน ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนกำหนด

การเลือก ATE ที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบ PCBA

การเลือกระบบ ATE ที่เหมาะสมเป็นการตัดสินใจที่สำคัญ ซึ่งสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและประสิทธิผลของการทดสอบ PCBA

ปัจจัยที่ควรพิจารณา

ปัจจัยหลายประการต้องพิจารณาเมื่อเลือกระบบ ATE:

ความซับซ้อนของ PCBA

ความซับซ้อนของ PCBA รวมถึงความหนาแน่นของส่วนประกอบ ความเร็วของสัญญาณ และการมีอยู่ของวงจรอนาล็อกหรือวงจรผสม จะมีผลต่อการเลือก ATE บอร์ดที่ซับซ้อนมากขึ้นอาจต้องการความสามารถในการทดสอบที่ซับซ้อนมากขึ้น

ปริมาณการผลิต

การผลิตในปริมาณสูงมักจะคุ้มค่ากับต้นทุนที่สูงขึ้นของระบบ ICT ซึ่งให้ความเร็วในการทดสอบที่รวดเร็ว การผลิตในปริมาณต่ำอาจเหมาะสมกับเครื่องทดสอบแบบบิน (flying probe testers) ที่มีความยืดหยุ่นมากกว่าแต่ช้ากว่า

ความต้องการในการทดสอบ

ประเภทของการทดสอบที่จำเป็น (เช่น การทดสอบในวงจร, การทำงาน, การสแกนขอบเขต) จะเป็นตัวกำหนดความสามารถของ ATE ที่จำเป็น

งบประมาณ

ต้นทุนเริ่มต้นของระบบ ATE รวมถึงต้นทุนการเขียนโปรแกรมและการบำรุงรักษาที่ต่อเนื่อง ต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ

ความยืดหยุ่น

ความสามารถของระบบ ATE ในการปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงในการออกแบบและทดสอบผลิตภัณฑ์ใหม่เป็นปัจจัยสำคัญ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว

เปรียบเทียบประเภท ATE ต่างๆ

เมื่อเปรียบเทียบประเภท ATE ต่างๆ จำเป็นต้องชั่งน้ำหนักจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละแบบ:

ICT กับ Flying Probe

ICT ให้ผลผลิตสูงขึ้นแต่ต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะสำหรับแต่ละประเภทบอร์ด Flying probe มีความยืดหยุ่นและปรับตัวได้ดีขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงในการออกแบบ แต่ช้ากว่า

ICT กับ FCT

ICT มุ่งเน้นการทดสอบส่วนประกอบแต่ละชิ้น ในขณะที่ FCT ทดสอบการทำงานโดยรวมของบอร์ด

AOI กับ X-ray

AOI ตรวจจับข้อบกพร่องทางสายตาบนพื้นผิวของบอร์ด ในขณะที่ X-ray สามารถตรวจจับข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ใต้พื้นผิวได้

โดยทั่วไป การเลือกที่ดีที่สุดมักเป็นการผสมผสานของประเภท ATE ต่างๆ เพื่อให้ครอบคลุมการทดสอบอย่างครบถ้วน ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตอาจใช้ AOI สำหรับการคัดกรองเบื้องต้น ตามด้วย ICT สำหรับการทดสอบระดับส่วนประกอบ และสุดท้าย FCT สำหรับการตรวจสอบการทำงาน

การวิเคราะห์ต้นทุนและผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI)

การวิเคราะห์ต้นทุนอย่างละเอียดเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อมีการลงทุนใน ATE

ต้นทุนเริ่มต้น

ซึ่งรวมถึงค่าของระบบ ATE เอง พร้อมอุปกรณ์และซอฟต์แวร์ที่จำเป็น

ค่าใช้จ่ายด้านการเขียนโปรแกรม

ซึ่งรวมถึงค่าพัฒนาระบบและบำรุงรักษาโปรแกรมทดสอบ ซึ่งอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของ PCBA และระบบ ATE

ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา

ซึ่งรวมถึงการสอบเทียบเป็นประจำ การซ่อมแซม และค่าชิ้นส่วนอะไหล่เพื่อให้ระบบ ATE ทำงานได้อย่างราบรื่น

การประหยัดแรงงาน

ระบบอัตโนมัติช่วยลดความจำเป็นในการทดสอบด้วยมือ ส่งผลให้ประหยัดค่าแรงงานอย่างมีนัยสำคัญในระยะยาว

การปรับปรุงผลผลิต

โดยการตรวจจับข้อบกพร่องตั้งแต่เนิ่นๆ ในกระบวนการผลิต ATE สามารถปรับปรุงผลผลิตของสินค้าได้อย่างมีนัยสำคัญ ลดของเสียและค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซม

การคำนวณ ROI

ROI คำนวณโดยการแบ่งผลประโยชน์สุทธิ (การประหยัดต้นทุนและการปรับปรุงผลผลิต) ด้วยต้นทุนรวมของการเป็นเจ้าของ (TCO) TCO รวมถึงต้นทุนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับระบบ ATE ตลอดอายุการใช้งาน รวมถึงต้นทุนเริ่มต้น การเขียนโปรแกรม และการบำรุงรักษา ROI ที่เป็นบวกแสดงว่าการลงทุนใน ATE มีความคุ้มค่าในด้านการเงิน

เรามาดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการคำนวณ ROI กัน นี่คือคำแนะนำทีละขั้นตอน:

1. ประมาณการต้นทุนความผิดพลาดรายปีโดยไม่ใช้ ATE: ซึ่งรวมถึงค่าของเศษวัสดุ การซ่อมแซม และความล้มเหลวในสนามที่อาจเกิดขึ้น คุณสามารถประมาณการได้จากข้อมูลในอดีตหรือเกณฑ์อุตสาหกรรม
2. ประมาณการต้นทุนความผิดพลาดรายปีด้วย ATE: สิ่งนี้ควรต่ำกว่าต้นทุนโดยไม่ใช้ ATE อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจาก ATE ช่วยจับข้อผิดพลาดได้ตั้งแต่เนิ่นๆ
3. คำนวณการประหยัดต้นทุนรายปี: หักต้นทุนความผิดพลาดโดยประมาณด้วย ATE ออกจากต้นทุนโดยไม่ใช้ ATE
4. ประมาณการการประหยัดแรงงานรายปี: คำนวณความแตกต่างของต้นทุนแรงงานระหว่างการทดสอบด้วยมือและการทดสอบอัตโนมัติ
5. คำนวณผลประโยชน์รวมรายปี: รวมการประหยัดต้นทุนรายปีและการประหยัดแรงงานรายปี
6. ประมาณการต้นทุนรวมของความเป็นเจ้าของ (TCO) ของระบบ ATE: รวมถึงการลงทุนเริ่มต้น, ต้นทุนโปรแกรมรายปี และต้นทุนบำรุงรักษารายปี ซึ่งคาดการณ์ไว้ตามอายุการใช้งานที่คาดหวังของระบบ ATE
7. คำนวณผลประโยชน์สุทธิ: หัก TCO ออกจากผลประโยชน์รวมรายปีคูณด้วยอายุการใช้งานของระบบ ATE
8. คำนวณ ROI: แบ่งผลประโยชน์สุทธิเพื่อ TCO

ตัวอย่างเช่น สมมุติว่าบริษัทประมาณการว่าโดยไม่ใช้ ATE พวกเขาจะมีค่าใช้จ่ายเกี่ยวกับข้อผิดพลาดรายปีเป็นจำนวน $500,000 ด้วย ATE คาดว่าค่านี้จะลดลงเหลือ $100,000 ส่งผลให้ประหยัดต้นทุนรายปีได้ $400,000 นอกจากนี้ยังประมาณการว่าประหยัดแรงงานรายปีได้ $100,000 ผลประโยชน์รวมรายปีจะเป็น $500,000

หาก TCO ของระบบ ATE ตลอดอายุการใช้งานห้าปีคือ $1,000,000 ผลประโยชน์สุทธิจะเป็น ($500,000 * 5) – $1,000,000 = $1,500,000 ROI จะเท่ากับ $1,500,000 / $1,000,000 = 1.5 หรือ 150% ซึ่งแสดงให้เห็นถึงผลตอบแทนจากการลงทุนที่แข็งแกร่ง

การสมดุลระหว่างการครอบคลุมการทดสอบและต้นทุน

ตอนนี้ มาพูดคุยเกี่ยวกับแง่มุมสำคัญของการสมดุลระหว่างการครอบคลุมการทดสอบและต้นทุน มันไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปได้เสมอไปหรือคุ้มค่าทางต้นทุนที่จะทดสอบสำหรับข้อบกพร่องที่เป็นไปได้ทุกชนิด เราจำเป็นต้องใช้แนวทางเชิงกลยุทธ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสมดุลนี้ นี่คือตัวแบบการตัดสินใจ:

1. การประเมินความเสี่ยง: ระบุส่วนประกอบและฟังก์ชันที่สำคัญที่สุดของ PCBA พิจารณาผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากความล้มเหลวในพื้นที่เหล่านี้ต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ความปลอดภัย และความพึงพอใจของลูกค้า
2. การจัดลำดับความสำคัญของการทดสอบ: ตามการประเมินความเสี่ยง ให้จัดลำดับความสำคัญของการทดสอบที่เน้นในพื้นที่ที่สำคัญที่สุด มุ่งเน้นการทดสอบที่มีความน่าจะเป็นสูงสุดในการตรวจจับข้อบกพร่องที่อาจนำไปสู่ผลกระทบที่สำคัญ
3. การวิเคราะห์ต้นทุน-ผลประโยชน์: สำหรับแต่ละการทดสอบ ให้ประเมินต้นทุน (การเขียนโปรแกรม, อุปกรณ์ทดสอบ, เวลาทดสอบ) เทียบกับผลประโยชน์ที่อาจได้รับ (การตรวจจับข้อบกพร่อง การปรับปรุงผลผลิต การลดความล้มเหลวในสนาม)
4. อัตราการหลบหนีของข้อบกพร่อง: ประมาณความน่าจะเป็นที่ข้อบกพร่องจะหลบหนีการตรวจจับในกลยุทธ์การทดสอบต่าง ๆ พิจารณาต้นทุนของความล้มเหลวในสนามและเปรียบเทียบกับต้นทุนของการทดสอบเพิ่มเติม
5. การปรับปรุงเชิงวนซ้ำ: ติดตามผลการทดสอบอย่างต่อเนื่อง วิเคราะห์อัตราการหลบหนีของข้อบกพร่อง และปรับปรุงกลยุทธ์การทดสอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสมดุลระหว่างการครอบคลุมการทดสอบและต้นทุน

ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์อาจให้ความสำคัญกับการทดสอบสำหรับส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันสนับสนุนชีวิตที่สำคัญ แม้ว่าการทดสอบเหล่านี้จะมีต้นทุนสูงกว่าก็ตาม พวกเขาอาจยอมรับอัตราการหลบหนีของข้อบกพร่องที่สูงขึ้นเล็กน้อยสำหรับฟังก์ชันที่ไม่สำคัญเท่าไร เพื่อรักษาต้นทุนการทดสอบโดยรวมให้อยู่ในงบประมาณ