การออกแบบอุปกรณ์จับยึดทดสอบ PCB: Bed-of-Nails, Flying Probe และ DFT

อุปกรณ์ทดสอบ PCB คือแท่นยึดแบบกำหนดเองที่ใช้ยึดแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้ว และกดหัววัดแบบสปริงลงบนจุดทดสอบ เพื่อให้เครื่องทดสอบสามารถตรวจสอบแผงวงจรได้โดยอัตโนมัติ นี่คือสิ่งที่ทำให้การทดสอบการผลิตทำได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ — แต่แท่นยึดจะใช้งานได้ก็ต่อเมื่อแผงวงจรได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงการเข้าถึงจุดทดสอบ คู่มือนี้จะอธิบายว่าอุปกรณ์ทดสอบคืออะไร ความแตกต่างระหว่างวิธีการแบบใช้หมุดยึดและแบบใช้หัววัดเคลื่อนที่ วิธีการออกแบบแผงวงจรให้สามารถทดสอบได้ และวิธีที่ Highleap Electronics สร้างและทดสอบแผงวงจรด้วยกลยุทธ์การใช้แท่นยึดที่เหมาะสม

1. อุปกรณ์ทดสอบ PCB คืออะไร?

อุปกรณ์ทดสอบ PCB คืออุปกรณ์ที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษเพื่อยึดแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้วให้อยู่ในตำแหน่งที่แม่นยำ และกดหมุด "pogo" ที่มีสปริงอยู่หลายตัวลงบนแผ่นทดสอบ เชื่อมต่อแผงวงจรเข้ากับอุปกรณ์ทดสอบเพื่อทำการตรวจสอบโดยอัตโนมัติ มันคือส่วนเชื่อมต่อทางกลระหว่างแผงวงจรเฉพาะของคุณกับเครื่องทดสอบ และเป็นสิ่งที่ช่วยให้สายการผลิตสามารถตรวจสอบแผงวงจรที่เหมือนกันหลายร้อยแผงได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ

รูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดคืออุปกรณ์ยึดแบบ "เตียงตะปู" ซึ่งมีหมุดป๊อกโก้หลายสิบหรือหลายร้อยตัวเรียงกันเป็นจุดทดสอบ เพื่อให้เครื่องทดสอบวงจรสามารถวัดส่วนประกอบแต่ละชิ้น หรือเครื่องทดสอบการทำงานสามารถทดสอบแผงวงจรโดยรวมได้ เนื่องจากอุปกรณ์ยึดแต่ละชิ้นได้รับการผลิตและเดินสายสำหรับรูปแบบแผงวงจรเดียว จึงมีต้นทุนเริ่มต้นสูง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการเลือกระหว่างอุปกรณ์ยึดแบบเฉพาะและวิธีการที่ไม่ใช้อุปกรณ์ยึด (ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป) จึงขึ้นอยู่กับปัจจัยทางเศรษฐกิจเป็นหลัก โดยพิจารณาจากปริมาณการผลิต

2. การทดสอบแบบ Bed-of-nails กับ Flying Probe: การทดสอบแบบใดเหมาะสมกับปริมาตรของคุณ?

ใช้แท่นยึดแบบตะปูสำหรับงานผลิตจำนวนมากที่ความเร็วในการทดสอบช่วยชดเชยต้นทุนของแท่นยึด และใช้การทดสอบแบบหัววัดเคลื่อนที่สำหรับงานต้นแบบและงานผลิตจำนวนน้อยที่การหลีกเลี่ยงต้นทุนของแท่นยึดมีความสำคัญมากกว่าความเร็ว วิธีการทั้งสองนี้เป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนเริ่มต้นกับเวลาในการทดสอบต่อแผ่นวงจร:

อุปกรณ์ยึดแบบเตียงตะปูนั้นมีประสิทธิภาพสูงสุดในด้านปริมาณงานเมื่อคุณผลิตแผงวงจรมากพอที่จะคุ้มทุน ในขณะที่การทดสอบแบบหัววัดเคลื่อนที่ได้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ยึด และเหมาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้น เมื่อการออกแบบอาจยังมีการเปลี่ยนแปลงและปริมาณการผลิตยังน้อย ผลิตภัณฑ์จำนวนมากเริ่มต้นด้วยการทดสอบแบบหัววัดเคลื่อนที่ได้สำหรับต้นแบบ และค่อยเปลี่ยนไปใช้อุปกรณ์ยึดสำหรับขั้นตอนการผลิต นอกเหนือจากการตรวจสอบวงจรแล้ว ทั้งสองวิธีสามารถใช้ร่วมกับการทดสอบการทำงานที่ทดสอบแผงวงจรในลักษณะเดียวกับที่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะใช้งาน

3. วิธีการออกแบบแผงวงจรสำหรับการทดสอบ (DFT)

ออกแบบให้สามารถทดสอบได้โดยการวางแผ่นทดสอบที่เข้าถึงได้ง่ายบนทุกเน็ตที่คุณต้องการตรวจสอบ จัดวางไว้ด้านใดด้านหนึ่ง กำหนดขนาดและระยะห่างให้เหมาะสมกับขา Pogo Pin และหลีกเลี่ยงแผ่นทดสอบใต้ชิ้นส่วนที่มีความสูง อุปกรณ์จับยึดสามารถตรวจสอบได้เฉพาะสิ่งที่เลย์เอาต์เปิดเผยเท่านั้น ดังนั้นการเข้าถึงการทดสอบจึงเป็นการตัดสินใจด้านการออกแบบที่ทำก่อนที่จะตรึงแผงวงจร — การเพิ่มเข้าไปภายหลังนั้นมีค่าใช้จ่ายสูงหรือเป็นไปไม่ได้ สิ่งสำคัญมีดังนี้:

• จัดเตรียมแผ่นทดสอบ ตาข่ายทุกอันที่ใช้ในการทดสอบจะต้องมีพื้นที่รองรับที่เข้าถึงได้ง่าย มีขนาดเหมาะสม และมีจุดอ้างอิงบนพื้นชัดเจน
• ควรจัดวางหัววัดให้อยู่ด้านใดด้านหนึ่ง การใช้หัววัดแบบด้านเดียวทำให้ได้อุปกรณ์จับยึดที่เรียบง่ายกว่า ประหยัดกว่า และเชื่อถือได้มากกว่าการใช้หัววัดแบบสองด้าน
• โปรดรักษาระยะห่างและห้ามเข้า พิน Pogo ต้องมีระยะห่างและพื้นที่ว่างขั้นต่ำระหว่างแผ่นรอง และชิ้นส่วนที่สูงต้องไม่กีดขวางสนามแม่เหล็กของโพรบ
• วางแผนสำหรับจุดเชื่อมต่อการทดสอบการทำงาน ตัวเชื่อมต่อ หัวต่อ หรือแผ่นรองที่ช่วยให้เครื่องทดสอบการทำงานสามารถขับเคลื่อนและตรวจสอบบอร์ดได้นั้น เป็นส่วนหนึ่งของแผนการเข้าถึงเดียวกัน

ระเบียบวินัยนี้เป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบเพื่อการทดสอบและเป็นสิ่งที่จะตรวจพบได้ในขั้นตอนการตรวจสอบก่อนการผลิต — แผงวงจรที่ไม่มีช่องสำหรับเข้าถึงโพรบนั้น เป็นปัญหาที่แก้ไขได้ง่ายกว่ามากในขั้นตอน CAD เมื่อเทียบกับการแก้ไขหลังจากที่ได้เสนอราคาอุปกรณ์ไปแล้ว

4. ต้นทุนของอุปกรณ์ทดสอบ: อุปกรณ์ทดสอบจะคุ้มทุนเมื่อใด?

อุปกรณ์ทดสอบเฉพาะทางจะคุ้มค่าเมื่อปริมาณการผลิตของคุณสูงพอที่เวลาในการทดสอบต่อแผ่นวงจรที่รวดเร็วของอุปกรณ์จะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้มากกว่าต้นทุนการสร้างในตอนแรก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเกิดขึ้นในปริมาณการผลิตปานกลางถึงสูง ในขณะที่ปริมาณการผลิตต่ำจะทดสอบโดยไม่ใช้อุปกรณ์ได้ถูกกว่า หลักเศรษฐศาสตร์นั้นสรุปได้ง่ายๆ คือ อุปกรณ์มีต้นทุนเริ่มต้นที่แท้จริง แต่สามารถทดสอบแต่ละแผ่นวงจรได้ในเวลาเพียงไม่กี่วินาที ในขณะที่การทดสอบแบบ Flying Probe ไม่มีต้นทุนอุปกรณ์ แต่ใช้เวลาหลายนาทีต่อแผ่นวงจร

สำหรับต้นแบบแผงวงจร 10 แผ่น การสร้างอุปกรณ์จับยึดแทบจะไม่คุ้มค่า การทดสอบแบบ Flying Probe ช่วยหลีกเลี่ยงการลงทุนนี้ไปได้เลย แต่สำหรับแผงวงจรหลายพันแผ่น ความเร็วในการทดสอบด้วยอุปกรณ์จับยึดที่ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีต่อแผ่น จะคุ้มค่ากับต้นทุนการสร้างและกลายเป็นตัวเลือกที่ถูกกว่าโดยรวม จุดเปลี่ยนขึ้นอยู่กับแผงวงจรและปริมาณการผลิตของคุณ ดังนั้นกลยุทธ์การทดสอบจึงควรวางแผนร่วมกับผู้ผลิต เช่นเดียวกับการผลิตในปริมาณน้อยและการผลิตในปริมาณมากที่ต้องใช้แนวทางการทดสอบที่แตกต่างกัน การเลือกกลยุทธ์ที่ผิดอาจทำให้เสียเงินไปกับอุปกรณ์จับยึดที่ไม่จำเป็น หรือทำให้สายการผลิตในปริมาณมากติดขัดเนื่องจากการทดสอบที่ช้า

5. ภายในอุปกรณ์ทดสอบแรงต้านแบบ "เตียงตะปู": หมุดกระโดด แผ่นรอง และหัววัด

อุปกรณ์ทดสอบแบบ "เตียงตะปู" สร้างขึ้นจากองค์ประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ แถวของหมุดสปริงที่สัมผัสกับแผ่นทดสอบ แผ่นหัววัดที่เจาะรูซึ่งยึดหมุดแต่ละตัวให้ตรงกับเป้าหมายอย่างแม่นยำ และกลไกที่กดแผ่นวงจรลงบนหมุด การเข้าใจองค์ประกอบเหล่านี้จะช่วยอธิบายได้ว่าทำไมอุปกรณ์ทดสอบนี้จึงมีความแม่นยำและมีราคาสูง เพราะหมุดแต่ละตัวถูกจัดวางเพื่อการออกแบบแผ่นวงจรที่เฉพาะเจาะจงเพียงแบบเดียว

ตัวพินแบบสปริง (pogo pins) คือหัวใจสำคัญของอุปกรณ์นี้ แต่ละตัวเป็นโพรบขนาดเล็กที่มีสปริงอยู่ภายใน ซึ่งจะยุบตัวลงเล็กน้อยเมื่อกดแผ่นวงจรลง ทำให้มั่นใจได้ว่าการสัมผัสจะแน่นและสม่ำเสมอโดยไม่ทำให้แผ่นวงจรเสียหาย และมีปลายหลายแบบให้เลือกใช้ — ปลายแหลมสำหรับเจาะทะลุออกไซด์หรือคราบฟลักซ์ ปลายแบนสำหรับแผ่นวงจรเคลือบทอง — เพื่อให้เหมาะสมกับพื้นผิวของแผ่นวงจร พินเหล่านี้จะวางอยู่ในแผ่นที่เจาะรูอย่างแม่นยำ ทำให้แต่ละตัวอยู่ใกล้กับเป้าหมายเพียงเศษเสี้ยวมิลลิเมตร ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแผ่นทดสอบจึงต้องมีขนาดและระยะห่างที่เหมาะสม แผ่นที่เล็กเกินไปหรืออยู่ใกล้กันเกินไปจะทำให้การยึดจับไม่แข็งแรงและไม่น่าเชื่อถือ แผ่นวงจรจะถูกยึดด้วยระบบสุญญากาศหรือเครื่องกดเชิงกลเพื่อให้พินทั้งหมดสัมผัสกันพร้อมกัน และอุปกรณ์จะเชื่อมต่อจุดสัมผัสเหล่านั้นกลับไปยังเครื่องทดสอบวงจรเนื่องจากพื้นที่พินทั้งหมดถูกออกแบบมาเฉพาะสำหรับเลย์เอาต์เดียว อุปกรณ์นี้จึงเป็นเครื่องมือสำหรับแผ่นวงจรเดียว — ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมต้นทุนจึงถูกคิดตามปริมาณการผลิต และทำไมปริมาณการผลิตต่ำจึงนิยมใช้แนวทางแบบโพรบเคลื่อนที่โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ยึด จับแทน

6. Highleap ติดตั้งและทดสอบบอร์ดของคุณอย่างไร

Highleap จะปรับกลยุทธ์การทดสอบให้เข้ากับปริมาณการผลิตและแผงวงจรของคุณ — การทดสอบแบบ Flying Probe สำหรับต้นแบบและการผลิตจำนวนน้อย การทดสอบแบบ Bed-of-nails และการทดสอบการทำงานสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจำนวนมาก — และตรวจสอบการออกแบบของคุณเกี่ยวกับการเข้าถึงการทดสอบก่อนที่จะสร้างอุปกรณ์ทดสอบ ผ่านการทดสอบการทำงานและการทดสอบในวงจร แผงวงจรจะได้รับการตรวจสอบตามขอบเขตที่คุณกำหนด ไม่ว่าจะเป็นการเปิดและลัดวงจร ค่าของส่วนประกอบ หรือพฤติกรรมการทำงานโดยรวม

เนื่องจากประสิทธิภาพของอุปกรณ์ทดสอบขึ้นอยู่กับการออกแบบช่องทางการเข้าถึงบนแผงวงจร ดังนั้นจึงเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบความสามารถในการผลิตและการทดสอบในระหว่างการประกอบแบบครบวงจรเพื่อตรวจจับแผ่นทดสอบที่ขาดหายหรือพื้นที่สำหรับหัววัดที่ถูกปิดกั้นก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาของอุปกรณ์ทดสอบ เมื่อคุณขอใบเสนอราคา โปรดแจ้งปริมาณเป้าหมายของคุณ ข้อบกพร่องที่การทดสอบต้องตรวจจับได้ และไม่ว่าคุณต้องการการทดสอบแบบวงจรภายใน การทดสอบการทำงาน หรือทั้งสองอย่าง เพื่อให้สามารถกำหนดขอบเขตของอุปกรณ์ทดสอบและแผนการทดสอบที่เหมาะสมตั้งแต่เริ่มต้น

7. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับอุปกรณ์ทดสอบ PCB

พินกระโดดคืออะไร?

พินป็อกโกเป็นหัววัดทดสอบแบบมีสปริงและลูกสูบที่ยุบตัวลงเมื่อกดลงบนแผ่นรอง ทำให้เกิดการสัมผัสที่แน่นหนาและสม่ำเสมอโดยไม่ทำให้แผงวงจรเสียหาย การจัดเรียงพินป็อกโกหลายๆ ตัวบนแผ่นโลหะที่เจาะรูจะประกอบกันเป็น "ฐานรอง" ของอุปกรณ์ทดสอบแบบฐานรอง (bed-of-nails fixture)

อุปกรณ์จับยึดสำหรับทดสอบ ICT และอุปกรณ์จับยึดสำหรับทดสอบการทำงานแตกต่างกันอย่างไร?

อุปกรณ์ ICT จะตรวจสอบวงจรแต่ละวงเพื่อวัดส่วนประกอบและการเชื่อมต่อ ในขณะที่อุปกรณ์ทดสอบการทำงานจะเชื่อมต่อกับอินเทอร์เฟซจริงของแผงวงจร เช่น พลังงาน ขั้วต่อ และสัญญาณ เพื่อทดสอบการทำงานเหมือนกับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สายการผลิตหลายแห่งใช้อุปกรณ์ทั้งสองชนิดตามลำดับ

แผ่นทดสอบสำหรับอุปกรณ์ต้องมีขนาดใหญ่แค่ไหน?

แผ่นทดสอบควรมีขนาดใหญ่พอและเว้นระยะห่างกันมากพอเพื่อให้พินแบบสปริงสามารถลงจอดได้อย่างมั่นคง โดยทั่วไปจะเป็นแผ่นกลม เปิดด้านหนึ่ง และมีระยะห่างจากชิ้นส่วนที่สูง แผ่นที่เล็กเกินไปหรือเรียงชิดกันเกินไปจะทำให้ตัวยึดเปราะบางและเสียหายได้ง่าย

คุณสามารถทดสอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยไม่ต้องใช้ตัวยึดได้หรือไม่?

ใช่แล้ว การทดสอบแบบ Flying-probe ใช้หัววัดที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ตัวยึดแบบพิเศษ และการตรวจสอบแบบไม่สัมผัสด้วย AOI และ X-ray ก็ทำได้โดยไม่ต้องสัมผัสแผงวงจร เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับต้นแบบและการผลิตในปริมาณน้อย ตัวยึดจะคุ้มค่ากับต้นทุนก็ต่อเมื่อใช้ในการผลิตในปริมาณมากเท่านั้น

ฉันสามารถสร้างอุปกรณ์ทดสอบแบบเตียงตะปูเองได้ไหม?

สำหรับแผงวงจรแบบง่ายๆ ที่ใช้แผ่นเจาะรูและตัวรับแบบพินนั้น สามารถทำได้ แต่การจัดเรียงพินที่แม่นยำ การลงทะเบียนแผงวงจรที่เชื่อถือได้ และการเดินสายไฟที่ทนทานนั้นทำได้ยากหากทำด้วยมือ สำหรับงานผลิตจำนวนมาก อุปกรณ์ยึดที่สร้างขึ้นอย่างมืออาชีพนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่ามาก

อุปกรณ์ทดสอบใช้งานได้นานแค่ไหน?

อุปกรณ์จับยึดที่สร้างมาอย่างดีจะใช้งานได้นานหลายพันรอบการทดสอบ โดยส่วนที่สึกหรอมากที่สุดและต้องเปลี่ยนเป็นระยะคือพินแบบสปริง เนื่องจากอุปกรณ์นี้ผูกติดอยู่กับรูปแบบแผงวงจรแบบเดียว อายุการใช้งานจึงสิ้นสุดลงเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงรุ่นของผลิตภัณฑ์นั้น