เหตุใดผลการทดสอบจึงแสดงค่า 80% ทั้งที่แผงวงจรอยู่ในสภาพดี

เหตุใดผลการทดสอบจึงแสดงค่า 80% ทั้งที่แผงวงจรอยู่ในสภาพดี

ปัญหาโปโก พิน

รายงานผลผลิตตอนเช้าตรวจสอบพบว่ามีเพียง 80.2% เท่านั้นที่ผ่านเกณฑ์ ร้อยละยี่สิบของการผลิตในวันนั้นล้มเหลวในการดำเนินการขั้นตอนเดียวกันอย่างแม่นยำ—นั่นคือ ไอซีที (การตรวจสอบภายในวงจร)  เทอร์มินัล—และข้อบกพร่องเหล่านี้กระจายอยู่ทั่ว ไม่สม่ำเสมอ และเกิดขึ้นเป็นจังหวะอย่างน่าหงุดหงิด ผู้ควบคุมคุณภาพจึงทำสิ่งที่ผู้ควบคุมคุณภาพมักทำ: กักเก็บแผงวงจรที่ไม่ผ่านเกณฑ์ ดึงบันทึกข้อบกพร่องออก และจัดประชุมทบทวนแบบจำลอง ทีมวิศวกรคาดว่าอาจเกิดจากวงจรลัดวงจรจำกัด ชุดชิ้นส่วนที่เสียหาย หรือปัญหาด้านรูปแบบ พวกเขาใช้เวลาหนึ่งวันครึ่งตามหาสาเหตุที่ไม่มีจริง

นี่คือจุดดึงดูดข้อสอง: เมื่อช่างเทคนิคทำการทดสอบแผงวงจรร้อยละยี่สิบชุดเดิมด้วยฟิกซ์เจอร์ชุดเดิมอีกครั้ง ผลปรากฏว่ามีถึงร้อยละ 98 ผ่านเกณฑ์ในการทดสอบครั้งที่สอง แผงวงจรอยู่ในสภาพดี แบบออกแบบอยู่ในสภาพดี ชิ้นส่วนทั้งหมดอยู่ในสภาพดี ปัญหาที่แท้จริงคือ พินโปโก -- หนึ่งในหัววัดแบบสปริงที่มีแรงดันในส่วนตรวจสอบ ซึ่งตั้งอยู่ในช่องเสียบประมาณ 30 มิลลิเมตรจากช่องที่เกิดความผิดพลาดก่อนหน้า หัววัดนี้สร้างการสัมผัสที่ไม่ดีจริง และกลับอ้างว่าทำงานปกติ

นั่นคือสิ่งที่เกี่ยวข้องกับ ส่วนตรวจสอบ : เมื่อมันล้มเหลว มันจะไม่ล้มเหลวอย่างมีเสียง แต่จะล้มเหลวอย่างเงียบเชียบ ณ จุดเดียวที่ไม่มีใครมอง—เพราะทุกคนสมมุติว่าเครื่องมือที่วัดสิ่งใดสิ่งหนึ่งย่อมต้องทำงานได้ดีโดยตัวมันเอง

ฟิสิกส์ของสปริงขนาดเล็กและปลายเข็มที่คม

Aพินโปโก  เป็นอุปกรณ์ที่ดูเรียบง่ายเกินจริง: ประกอบด้วยลูกสูบ ปลอกสูบ สปริง และปลายเข็มที่กดลงบน  จุดทดสอบ  บนแผงวงจร เมื่อส่วนประกอบปิดลง แต่ละขาจะกดลงไปจนถึงระยะ เคลื่อนเกิน  และปลายเข็มจะเจาะเข้าสู่พื้นผิวจุดทดสอบ คุณภาพของการติดต่อทางไฟฟ้าขึ้นอยู่กับว่าปลายเข็มสามารถสัมผัสกับโลหะที่สะอาดได้โดยตรง—โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง เช่น คราบออกไซด์ คราบฟลักซ์ ฝุ่น หรือฟิล์มบางๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจาก พื้นผิวแบบ OSP .

ข้อกำหนดด้านไฟฟ้าเข้มงวดมาก ความต้านทานการสัมผัสของปุ่มสปริง (pogo pin) ที่อยู่ในสภาพดีและสมดุลจะอยู่ที่หลักสิบมิลลิโอห์ม—โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 50 มิลลิโอห์ม แต่หากปุ่มสัมผัสเสื่อมสภาพ เช่น สปริงอ่อนแรง หรือพื้นผิวสกปรก ความต้านทานอาจเพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยมิลลิโอห์ม หรือเปลี่ยนแปลงอย่างไม่แน่นอน การประกอบชิ้นส่วนที่ปรับค่าไว้แม่นยำที่ 10 มิลลิโอห์มต่อจุดสัมผัส อาจกลายเป็นชิ้นส่วนที่ให้ผลต่างออกไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อความต้านทานเพิ่มขึ้นเป็น 300 มิลลิโอห์ม ซึ่งความแตกต่างนี้มองไม่เห็นเลย หากไม่มีการวัดค่าอย่างละเอียด

ขณะนี้ ให้คูณค่าดังกล่าวด้วยจำนวนจุดสัมผัสทั้งหมดในโปรแกรมทดสอบทั่วไป โปรแกรมทดสอบ แผงวงจรหนึ่งแผ่นที่มีจุดตรวจสอบ 200 จุด หมายความว่ามีจุดสัมผัสแบบสปริงโหลดพร้อมใช้งานพร้อมกัน 200 จุด โดยแต่ละจุดต้องเผชิญกับปัญหาการสึกหรอ มลภาวะ และความเหนื่อยล้าของตนเอง การล้มเหลวของปุ่มสัมผัสเพียงหนึ่งเดียวอาจทำให้การทดสอบทั้งชุดล้มเหลวได้ และหากปุ่มสัมผัสดังกล่าวอยู่ในวงจรที่ตรวจวัดสัญญาณที่ละเอียดอ่อน ความล้มเหลวนั้นอาจแสดงผลออกมาเหมือนกับแผงวงจรชำรุดจริง

เหตุใดจุดสัมผัสจึงเสื่อมสภาพ

การล้มเหลวของพินโปโกเกิดขึ้นอย่างเงียบๆ มากกว่าจะเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรง มันคือกระบวนการค่อยเป็นค่อยไปของการสึกหรอสะสมเล็กน้อย:

การสึกหรอจากแนวคิด แนวคิดนี้หมายถึงปัจจัยของการสัมผัส—เช่น หัวแบบมงกุฎ หัวแบบปลายแหลม หรือรูปทรงที่ออกแบบมาเพื่อรวมแรงกดให้เจาะทะลุผิวเคลือบ ทุกครั้งที่สัมผัสจะทำให้ส่วนปลายสึกกร่อนเล็กน้อย ปลายที่เริ่มต้นด้วยขนาด 0.4 มิลลิเมตร จะสิ้นสุดชีวิตในสภาพที่มน แวววาว และไม่สามารถเจาะผ่านวัสดุใดๆ ได้อีก ผู้ผลิตกำหนดอายุการใช้งานของพินไว้ที่หลายพันหรือหลายล้านรอบ แต่ค่าที่ระบุนั้นสมมุติว่าแผงวงจรสะอาด ระยะการกดเกิน (over-travel) ถูกต้อง และมีการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอ ส่วนในโลกแห่งความเป็นจริง อายุการใช้งานจริงมักลดลงเหลือเพียงเศษส่วนหนึ่งของค่าที่ระบุ—ตัวอย่างเช่น พินที่ระบุว่าทนได้ 1 ล้านรอบ มักจำเป็นต้องเปลี่ยนก่อนถึง 200,000 รอบเมื่อเผชิญกับปัญหาในการผลิต

การปนเปื้อน . การเปลี่ยนแปลงของเงินมัดจำจากการบัดกรี ฝุ่นจากพื้นที่ผลิต น้ำมันจากการจับถือ และเศษตะกั่วจากการดำเนินการรอบข้าง ล้วนสะสมอยู่บนหัวเข็ม แต่ละชั้นของสิ่งสกปรกนี้จะเพิ่มความต้านทานการสัมผัส นี่คือเหตุผลที่อุปกรณ์ยึดจับบนสายการผลิตที่ใช้ฟลักซ์สูงและไม่ต้องทำความสะอาดหลังการบัดกรีเสื่อมสภาพเร็วกว่าอุปกรณ์ที่ใช้กับแผงวงจรที่ทำความสะอาดอย่างสมบูรณ์— เนื่องจากปลายเข็มกำลังรับคราบสกปรกซ้ำแล้วซ้ำเล่าในแต่ละรอบ

อาการอ่อนเพลียในฤดูใบไม้ผลิ . ฤดูใบไม้ผลิคือเครื่องยนต์ของเข็ม และเป็นส่วนประกอบที่ได้รับการใช้งานหนักที่สุด เคลื่อนเกิน — การบีบอัดเพิ่มเติมหลังจากสัมผัสครั้งแรก — จะทำให้ฤดูใบไม้ผลิเกิดภาวะเหนื่อยล้าและลดแรงที่สามารถสร้างได้ เข็มที่มีแรงไม่เพียงพอจะไม่สามารถเจาะผ่านฟิล์มผิวได้ จึงทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้น อุปกรณ์ยึดจับที่ถูกกดลงอย่างรุนแรงแทนที่จะปิดอย่างนุ่มนวล หรือแผงวงจรที่วางสูงกว่าระดับปกติเล็กน้อย จะทำลายฤดูใบไม้ผลิโดยไม่รู้ตัว

การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง . เข็มจำเป็นต้องลงจอดภายใน จุดตรวจสอบ  พื้นที่—โดยทั่วไปคือแผ่นขนาด 0.8 ถึง 1.2 มิลลิเมตร การเคลื่อนตัวเพียง 0.1 มิลลิเมตรจากการจัดวางอุปกรณ์ยึดตราย (fixture enrollment) การสึกหรอของหมุดยึด (tooling pin wear) หรือการขยายตัวของแผงวงจร (board growth) อาจทำให้ปลายเข็มแตะขอบของแผ่นแทนที่จะอยู่ตรงกลาง ซึ่งส่งผลให้พื้นที่สัมผัสเล็กลงมากและค่าความต้านทานไม่คงที่ ปลายเข็มอาจแตะลงบนชั้นสารกันการเชื่อม (solder mask) แทนที่จะเป็นทองแดง—ซึ่งจะตรวจพบว่าเป็นวงจรเปิด (open circuit) ทุกครั้ง

การบิดงอของแผงวงจร อุปกรณ์ยึดตรายทำงานภายใต้สมมุติฐานว่าแผงวงจรเรียบ แต่หากแผงวงจรบิดงอแม้เพียงเศษเสี้ยวของมิลลิเมตร ก็จะทำให้หัววัดบางตัวยกตัวขึ้นจากหมุดยึด ในขณะที่หัววัดอีกบางตัวถูกกดแน่นเกินไป ส่งผลให้สายไฟฟ้า (nets) ที่ได้รับผลกระทบแสดงผลเป็นวงจรเปิดหรือวงจรลัดวงจร สำหรับแผงวงจรที่มีการกระจายทองแดงไม่สม่ำเสมอ—ซึ่งมักบิดงอเล็กน้อยหลังกระบวนการ reflow—อุปกรณ์ยึดตรายอาจสร้างรูปแบบความล้มเหลวที่เกิดซ้ำๆ จนดูคล้ายข้อผิดพลาดในการออกแบบวงจร

เหตุใดการทดสอบซ้ำจึงผ่าน

ส่วนที่น่าหงุดหงิดของการล้มเหลวของพินโปโกคือ การทดสอบซ้ำจะ "ซ่อม" ปัญหานั้นให้หายไป บอร์ดแบบเดียวกันเป๊ะๆ จะผ่านการทดสอบครั้งที่สอง และข้อเท็จจริงนี้ทำให้ทุกคนเชื่อว่าปัญหานั้นเกิดชั่วคราว— เป็นความผิดพลาดชั่วขณะ หรือปัญหาที่แก้ไขได้เอง หรืออาจเกิดจากผู้ปฏิบัติงานก็เป็นได้ ระบบดังกล่าวเป็นระบบที่ใช้งานทางกายภาพอย่างแท้จริง และไม่มีอะไรพิเศษเลย

-เป้าหมายแรกของแนวคิดพินคือสามารถเจาะหรือผลักฟิล์มออกไซด์/สิ่งสกปรกออกไปได้โดยอาศัยแรงกล ซึ่งในครั้งแรกนั้นมันยังไม่สามารถทำได้สำเร็จ แต่เมื่อลงจอดครั้งที่สอง พินจะสัมผัสกับผิวโลหะที่เพิ่งถูกเปิดเผยออกมาใหม่ สัญญาณจึงดีขึ้น

-การวางและยึดบอร์ดซ้ำอีกครั้งหนึ่งอาจทำให้บอร์ดเข้าที่ในรูปแบบที่ต่างออกไป ส่งผลให้พินที่สัมผัสกับบอร์ดเปลี่ยนไป และแรงกดที่กระทำต่อพินแต่ละตัวก็อาจแตกต่างกันด้วย

-พินตัวหนึ่งที่มีประสิทธิภาพต่ำ— เช่น มีสิ่งสกปรกเกาะติด หรือสปริงสึกหรอ— อาจแสดงพฤติกรรมที่ต่างกันไปในแต่ละรอบการใช้งาน บางครั้งผ่านการทดสอบ บางครั้งก็ล้มเหลว

ราคาที่บอร์ดผ่านการทดสอบซ้ำนั้นแท้จริงแล้วเป็นสัญญาณเชิงวินิจฉัย: เมื่อสัดส่วนของบอร์ดที่ล้มเหลวสูงมากต้องถูกส่งไปทดสอบซ้ำ สาเหตุแรกที่ควรสงสัยคือชิ้นส่วนอุปกรณ์ ไม่ใช่ตัวบอร์ดเอง ราคาที่บอร์ดผ่านการทดสอบซ้ำในอัตราสูงเป็นสัญญาณเตือนสีแดงสำหรับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการโทร ไม่ใช่เครื่องหมายของความมั่นใจว่าทุกอย่างจะสมบูรณ์แบบ

ต้นทุนที่แท้จริงของการล้มเหลวที่ผิดพลาด

ต้นทุนของการล้มเหลวที่ผิดพลาดไม่ได้จำกัดเพียงแค่เวลาที่ใช้ในการทดสอบซ้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความไม่แน่นอนที่เกิดขึ้นตามมาด้วย:

สินค้าคงคลังที่ถูกกักกัน บอร์ดที่ล้มเหลวแต่ละตัวจะถูกเก็บไว้ในพื้นที่รอตรวจสอบจนกว่าจะระบุสาเหตุของ "ปัญหา" ได้ ในสายการผลิตที่มีปริมาณสูง หมายความว่ามีบอร์ดหลายพันตัวต่อชั่วโมงที่ต้องคอยรอคำตอบจากปัญหาที่อาจไม่มีอยู่จริง

เวลาของวิศวกรที่สูญเปล่า การทบทวนการออกแบบ การตรวจสอบแผนผังวงจร และการประเมินองค์ประกอบ ล้วนใช้เวลาไปกับบอร์ดที่แท้จริงแล้วไม่มีข้อบกพร่องเลย ปัญหาที่แท้จริง—เช่น ขาติดต่อสึกหรอ—กลับมองไม่เห็นในการตรวจสอบทั้งหมดเหล่านี้

การปรับปรุงซ้ำที่สูญเปล่า บอร์ดที่ไม่ผ่านการทดสอบ จะถูกทำเครื่องหมายว่ามีปัญหา และต้องถูกนำกลับไปปรับปรุงใหม่ (โดยทั่วไปคือการทดสอบซ้ำแบบพื้นฐาน ซึ่งมักผ่าน) ซึ่งส่งผลให้เกิดต้นทุนและภาพลักษณ์เชิงลบจากการปรับปรุงใหม่ โดยไม่มีประโยชน์ใดๆ ตามมา บางส่วนของบอร์ดที่ถูกตัดสินว่าล้มเหลวผิดพลาด อาจถูกทิ้งหรือซ่อมแซมโดยไม่จำเป็น และทุกครั้งที่มีการแตะต้องเพื่อปรับแต่ง ย่อมก่อความเสี่ยงที่แท้จริงต่อบอร์ดที่มีคุณภาพดีอยู่แล้ว

ข้อมูลผลลัพธ์ที่บิดเบือน หากชิ้นส่วนนั้นเสื่อมสภาพลงอย่างช้าๆ ค่าผลลัพธ์จะลดลงเรื่อยๆ จากสัปดาห์หนึ่งไปยังอีกสัปดาห์หนึ่ง โดยไม่มีใครสามารถอธิบายสาเหตุได้ ทีมงานการผลิตจึงเริ่ม "ซ่อมแซม" กระบวนการ— เช่น ปรับแต่งโปรไฟล์ เปลี่ยนแป้งประสาน หรือปรับตำแหน่งการวาง — เพื่อชดเชยปัญหาที่แท้จริงแล้วเกิดขึ้นภายในส่วนประกอบของการตรวจสอบเท่านั้น

จะจับปัญหานี้ไว้ก่อนที่มันจะกินเวลาหนึ่งสัปดาห์ได้อย่างไร

โชคดีที่: ปัญหาของพ็อกโก้พินเป็นปัญหาเชิงกล ซึ่งปัญหาเชิงกลสามารถป้องกันได้ การควบคุมตนเองนั้นเรียบง่าย และได้ผล

ติดตามค่าความต้านทานการสัมผัส ไม่ใช่แค่ผลผ่าน/ไม่ผ่าน  โปรแกรมตรวจสอบที่บันทึกค่าความต้านทานต่อแต่ละเน็ต หรืออย่างน้อยก็ทำเครื่องหมายเน็ตที่มีค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นเกินเกณฑ์ที่กำหนด จะเปลี่ยนการเสื่อมสภาพที่ซ่อนเร้นให้กลายเป็นแนวโน้มที่สังเกตเห็นได้ชัด เมื่อเน็ตเดียวกันแสดงค่าความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดหนึ่งสัปดาห์ของการผลิต แปลว่าจิกซ์เจอร์กำลังแจ้งให้คุณทราบว่ามันจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขก่อนที่จะเริ่มทำให้แผงวงจรล้มเหลว

ใช้บอร์ดต้นแบบ  เก็บบอร์ดที่รู้ว่าทำงานได้ดีอย่างแน่นอน ซึ่งผ่านการทดสอบและบันทึกข้อมูลไว้แล้ว และนำมาใช้ร่วมกับจิกซ์เจอร์ทุกครั้งก่อนเริ่มการเปลี่ยนแปลงงานใหม่ หากบอร์ดต้นแบบเริ่มทำงานผิดปกติ หรือผ่านการทดสอบด้วยระยะขอบที่ต่ำมากจนน่าตกใจ ก็แสดงว่าส่วนประกอบนั้นมีแนวโน้มผิดปกติอย่างแน่นอน การปฏิบัติเพียงข้อเดียวนี้เองก็เพียงพอที่จะตรวจจับความล้มเหลวของพอกโก้ พิน ทุกกรณีที่ผมเคยพบมาได้ล่วงหน้าหลายวันก่อนที่ปัญหาจะปรากฏในสถิติอัตราผลิตสำเร็จ

บำรุงรักษาเข็มอย่างสม่ำเสมอ ไม่ใช่รอจนกว่าจะเกิดความล้มเหลว  จัดแนวความคิดให้เป็นระเบียบในช่วงเวลาที่กำหนด — ช่วงเวลานั้นขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและระดับความสะอาดของแผงวงจร แต่โดยทั่วไปแล้ว ทุกๆ 10,000 ถึง 20,000 รอบ ถือเป็นจุดเริ่มต้นที่เหมาะสมสำหรับสายการผลิตที่มีกำลังการผลิตสูง ควรเปลี่ยนเข็มก่อนที่จะสึกหรอ ไม่ใช่หลังจากสึกหรอแล้ว เข็มที่ออกแบบให้ทนได้ถึงหนึ่งล้านรอบ แต่ถูกเปลี่ยนที่ 150,000 รอบตามตารางที่วางไว้ จะมีต้นทุนเพียงไม่กี่ดอลลาร์ แต่หากเข็มหยุดทำงานที่ 180,000 รอบ จะส่งผลให้สูญเสียเวลาการผลิตหนึ่งวัน

ออกแบบจุดทดสอบให้สามารถสัมผัสได้ด้วยหัววัด จุดทดสอบที่เป็นรูผ่านแบบไม่มีสารเคลือบ (bare via) หรือพื้นที่โลหะใต้ชิ้นส่วน หรือพื้นที่โลหะที่เคลือบด้วย OSP นั้น ถือเป็นจุดทดสอบที่ทำให้หัววัดเกิดความยากลำบากในการสัมผัส ดังนั้น ควรจัดเตรียมพื้นที่สัมผัสเฉพาะสำหรับหัววัด โดยมีพื้นผิวที่เหมาะสมต่อการสัมผัสซ้ำๆ และมีขนาดที่สอดคล้องกับชนิดของหัววัด เพื่อยืดอายุการใช้งานของหัววัดและรักษาค่าความต้านทานการสัมผัสให้คงที่ นี่คือการตัดสินใจเชิงการออกแบบเพื่อการทดสอบ (DFT) ซึ่งดำเนินการในขั้นตอนการออกแบบ และส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของชุดอุปกรณ์ทดสอบตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

ดูอัตราการทดสอบซ้ำ  หากอัตราความสำเร็จในการทดสอบซ้ำของท่านสูง—เกินร้อยละไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของบอร์ดที่ล้มเหลว—ให้ถือว่าเป็นสัญญาณเตือนเกี่ยวกับชุดอุปกรณ์ทดสอบ ไม่ใช่ปริศนา ค่าสัดส่วนระหว่างจำนวนบอร์ดที่ "หยุดทำงานตั้งแต่การทดสอบครั้งแรก แล้วส่งไปทดสอบซ้ำ" กับจำนวนบอร์ดที่ "ล้มเหลวทั้งในการทดสอบครั้งแรกและครั้งที่สอง" นั้น ถือเป็นหนึ่งในสัญญาณแรกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการระบุว่าการสัมผัสระหว่างชิ้นส่วนเริ่มเสื่อมสภาพตลอดกระบวนการตรวจสอบทั้งหมด

ชุดอุปกรณ์ทดสอบเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิต

ความจริงที่น่าอึดอัดคือ ชุดอุปกรณ์ทดสอบนั้นเป็นชิ้นส่วนกลไกที่ใช้งานจริง ไม่ใช่เครื่องมือที่ให้ข้อเท็จจริงอย่างแน่นอน มันประกอบด้วยสปริง ปลายเข็ม และพื้นผิวที่สัมผัส ซึ่งทั้งหมดนี้จะค่อยๆ เสื่อมสภาพตามระยะเวลาที่ไม่มีใครบันทึกไว้ เมื่อผลผลิตลดลง แต่บอร์ดยังอยู่ในสภาพดี การตรวจสอบควรเริ่มต้นจากชุดอุปกรณ์ทดสอบก่อนเป็นอันดับแรก ไม่ใช่รอจนเป็นทางเลือกสุดท้าย

บอร์ดร้อยละยี่สิบซึ่งล้มเหลวเมื่อเช้าตรู่นั้น? กลับเข้าสู่สายการผลิตอีกครั้ง ผ่านการทดสอบ และส่งมอบได้สำเร็จ ความล้มเหลวที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่บอร์ดเลย แต่เกิดจากปลายเข็มทดสอบเพียงตัวเดียวที่ใช้งานมาแล้ว ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียงสามสิบมิลลิเมตรจากจุดที่ผู้คนกำลังมองหาอยู่ โดยเงียบๆ หลอกลวงผู้ผลิตที่คาดหวังว่าจะได้รับความจริง