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2021年6月18日 星期五
 
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自動測試設備應兼顧性能、速度與成本

多年以來,許多北美電子製造商的辦公室裏都曾貼有這樣的標語:“更好、更快、更便宜——請選擇其中兩個”。也許你還見過其他類似的說法,不過這些都暗示著你只能顧及性能、速度和成本中任意兩個要素,同時必須忽略剩下的第三個要素。然而今天我們已經承擔不起這樣的奢侈了,我們不得不想辦法在每個製造解決方案中都考慮這三個要素。

    經過多年研究,我發現印製電路板製造業對自動測試設備(ATE)的需求近年來發生了一些變化,特別是業界要求縮短從印製板組裝的CAD檔到生產製造之間的時間,我稱之為time-to-money,即盈利時間,或TTM。如果製造速度得以提高,就可節約大量的費用和資源,對大多數機構來說,更為重要的是只有產品開始發貨才有可能實現盈利。  

    目前亞洲地區的製造業者已經在規劃如何進行運作,在建設表面貼裝生產線方面他們的成本不會比美國、西歐或日本低,也許勞動力要便宜一些,不過今天大多數電子產品勞動力部分的成本已經變得無關緊要了。但是亞洲公司工作速度快,他們的運作更為柔性,如果他們決定今天生產A產品、明天生產B產品,他們會想辦法準確地做到這一點,用他們自己的“製造就緒”方法和模式。在規定的時間內,他們比歐美企業生產出來的產品數量和種類更多,那麼他們是怎麼做到的呢?

人的因素

    在東亞的大多數工廠,員工工作時間都比較長,通常12小時一班,有時是每週6天高強度地工作。工作時間更長意味著他們可以用更少的日曆時間完成更多的工作任務。他們也會自己削減某些過程,消除多餘的操作和一些“額外”的步驟,這些步驟只會增加處理複雜度而不能帶來任何好處,這種“小改進”式的柔性是他們成功的關鍵。

    讓我們看看美國或西歐製造業者是如何考慮增加製造產能的,這些公司會計畫並採購新的製造、檢測和測試設備,並規劃好生產產能,然後工程師用甘特圖或其他工具制定工作計畫。整個過程運作下來也許要四個多月,而亞洲製造商希望能在幾個星期內完成這些同樣的工作,他們希望更快生產出產品以迅速獲得市場機會。此外,製造商還要求供應商在幾天時間之內就給出滿意的解決方案,他們想讓設備安裝和調試時間更短,同時設計工藝時還考慮要使經驗少的工程師也可以熟練掌握。這就是創新——迅速形成產能、從一個產品到另一個產品的快速切換,以及比競爭對手更快地將產品交付到客戶手上。

    沒有人會說這些想法具有革命性,然而過去經驗表明,仔細的過程規劃會使形成產能時間減少30%~40%,以前如果加工首板或許需要14天,採用新的流程可以將該時間縮短到7或8天,如果每天加工5,000塊板,提早五天進入上量生產就意味著可以在規定的時間內多生產25,000塊板。這些額外的加工意味著更多的收入、更快的速度,也即縮短了至關重要的盈利時間。

    作為測試設備製造商不得不考慮這種運作特點,並將其視為新的市場機會。在美國和西歐,有幾十年製造經驗的工程師並不罕見,他們瞭解問題的奧秘所在,他們可以將測試與檢測暴露出的缺陷加以解決,同時他們知道或可以學習如何充分發揮工藝設備的所有先進功能特性。

    而亞洲製造商就沒有這麼奢侈了,那裏的產業在盲目地快速增長,在那兒很少有25年經驗的工程師,原因很簡單,技術在這些國家存在的時間也沒有25年。所以大多數工程師是年輕人,他們沒有經驗豐富的優勢,也沒有時間和精力去學習測試系統複雜而詳細的各種特性,雖然這些特性能夠暴露出產品的缺陷。因此對他們來說,測試設備不需要那些他們從不會使用的特性,他們要的是簡單、方便操作、經濟型解決方案,這樣僅有幾個星期或幾個月工作經驗的員工都可以熟練快速地操作。

 回到基礎

    在這點上,線上測試設備就是一個很好的例子。早期的測試設備每個探針在任何時候都可以作為驅動器和接收器。因為單板上測試點和測試設備的驅動器/接收器之間存在一一對應,程式和夾具設計都相對簡單而且可以同時處理。隨著技術的發展,功能集成度增加導致需要越來越多的測試探針,這種架構變得既麻煩又昂貴。因此有些公司引入了複用技術,通過一個單一驅動器/接收器組合來處理單板上8個甚至16個測試通道。

    雖然這種新方法可以處理更多測試通道,實現更為複雜的容量,可在一個複用網路中指派一個通道作為驅動器,同時禁止同一網路上的其他通道作為接收器,但程式開發軟體是基於現有的通道資源來指派節點,這樣在加工測試夾具前就必須將測試程式差不多做好,從而大大延長了測試開發週期。比如需要3天進行編程和測試夾具資料建立,然後要3~4天加工夾具,而後又需要2~3天將它們放在一起進行調試,因此一個中等複雜PCBA整個測試開發時間至少要10~12天。另外在一個複用測試設備上,要找到足夠的通道來適應當今單板電路密度,這需要將測試探針接到離測試節點較遠的地方,這樣夾具線就不得不比同等非複用解決方案的要長,而長線會降低測試信號品質。

    幸運的是,技術微型化為製造和測試工程師提供了部分解決辦法。第一代非複用測試設備可以在一塊交換板上實現最多16個測試通道,雖然對於幾百個測試點的單板來說是足夠了,但當待測單板複雜到需要至少75個交換板時,就存在驗證邏輯難題和可靠性問題,費用也非常巨大。

    由於近年來電子產品不斷向小型化發展,功耗也大幅減少,所以今天的非複用交換板可以包含144個驅動器/接收器通道,而不會有任何的性能下降。這種通道板組成的測試系統體積更小、價格更低、耗能更低,同時比其他設備故障更少,並且能保證有足夠的通道來測試當前的單板。人們又一次可以避免複用並重新應用基本原理,製造商又可再次同時開發夾具和程式,這樣大約能夠減少一半的準備時間。

 其他方面因素

    對於製造商來說,只有他們知道如何利用更短準備時間才有意義,許多亞洲公司必須開發成功、敏捷的製造工藝,儘管他們的工程師缺乏經驗而且流動性較高。另外複雜的硬體還要求支撐軟體來減少操作所需的技能與專門技術。

    還有一點重要的是,必須首先制定合適的性能範圍。分析單板故障種類中只有1%的故障也許符合那些想找出每個可能故障的客戶需求,但大多數應用場合是不需要這樣做的,因為這要付出更多成本。心臟起搏器、個人電腦、手機和雜誌附送的免費計算器等產品有各自不同的失效成本和不同的品質/成本盈虧平衡點,很多時候製造商沒有時間也沒有興趣去調查那剩餘的1%失效的原因。二八法則(20%任務需要花費80%的努力)依然有效,如果設備性能使系統成本增加10%,同時操作複雜度增加20%,那麼最終的額外缺陷覆蓋也許根本就不值所增加的費用。如前所述,去掉測試設備中那些製造商認為沒用的能力/特性將可以降低30%~40%的成本。目前世界上其他地方的製造商也在開始接受這種觀點,以保證在全球市場競爭中取得成功。

    所以對於電子製造商及其供應商來說,整體環境正在發生根本性的變化,這種趨勢並不意味著沒有人願意擁有最先進的設備,許多公司還是認為它們是必不可少的,不過更為確切的說法是,製造商想要有更多的選項和價格選擇空間,一個尺寸並不合適所有人。

 經驗之談

    資深的技術人員能在測試程式編程、驗證和調試階段充分利用自身經驗,他們可以識別多餘、意外和不協調的結果並知道如何處理它們。那些經驗不夠,如只工作半年的人則沒有這樣的技能。測試設備必須以某種方式將設備設計者的經驗體現在裏面以補充工程技術人員知識的不足。通過簡化編程和夾具架構邏輯,非複用架構可使這種體現更為容易,該方法很像所謂的“專家系統軟體”,它讓外行也可以執行需要專家才能完成的任務。

    例如使用自動化工具可以減少30%以上的模擬調試時間,這些工具包含了經驗非常豐富的測試工程師的實戰經驗。典型的“腳本”包括增加邏輯隔離點、自動修正測量放大器回饋電阻、自動選擇先進測量模式以補償系統或夾具變異、調整AC頻率以測量電容和電感等等,另外工程師可以將相似器件自動調試工具程式用在板上其他任何地方。根據我們的經驗,這一方法可以將一個中等複雜主板的調試時間從16個小時減少到11個小時。

    在調試階段,有經驗的工程師在為特定測試問題給出“最佳”選擇方案之前,也許會嘗試許多解決辦法,這個過程如果實現自動化可以將處理時間從3~4天減少到幾個小時。為方便起見,系統應工作在用戶所熟悉的Windows平臺,僅這一決定就將大幅減少培訓時間,那些為了讓系統特性得到直接控制而去開發專用用戶介面的日子已經一去不復返了。我們希望通過這一測試開發和應用方法將整個測試開發週期減少30~40%。以PC主板為例,現在11天才能完成的工作6天就可以完成。

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