การทดสอบและควบคุมคุณภาพ PCBA: การรับประกันความน่าเชื่อถือในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์

ทำไมการทดสอบ PCBA ถึงสำคัญ?

ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ จุดบัดกรีที่มีข้อบกพร่องเพียงจุดเดียวอาจทำให้ผลิตภัณฑ์เสียหาย ต้องรับประกันซ่อม และสร้างความเสียหายต่อชื่อเสียง การทดสอบ PCBA (Printed Circuit Board Assembly) จับข้อบกพร่องก่อนผลิตภัณฑ์ถึงมือลูกค้า ช่วยให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและลดต้นทุนรวมด้านคุณภาพ ไม่ว่าคุณจะใช้การประกอบแบบ SMT หรือ THT การทดสอบอย่างครอบคลุมถือเป็นสิ่งจำเป็น

พิจารณาสิ่งนี้: ต้นทุนในการแก้ไขข้อบกพร่องเพิ่มขึ้น 10 เท่าในแต่ละขั้นตอน ตั้งแต่การออกแบบ การผลิต ไปจนถึงการบริการภาคสนาม ข้อบกพร่อง 0.01 บาทที่จับได้ระหว่างการประกอบ กลายเป็นค่าซ่อม 10 บาทภาคสนาม การทดสอบที่มีประสิทธิภาพไม่ใช่ค่าใช้จ่าย แต่เป็นการลงทุนด้านคุณภาพ ตามรายงานของ IPC การนำระบบการทดสอบที่แข็งแกร่งมาใช้สามารถลดความล้มเหลวภาคสนามได้ถึง 90%

ต้นทุนของคุณภาพ

ต้นทุนคุณภาพแบ่งออกเป็น 4 ประเภท:

1. ต้นทุนป้องกัน - การตรวจสอบ DFM การฝึกอบรม การควบคุมกระบวนการ
2. ต้นทุนการประเมิน - การตรวจสอบ การทดสอบ การตรวจสอบ
3. ต้นทุนความล้มเหลวภายใน - การแก้ไข ของเสีย การทดสอบซ้ำ
4. ต้นทุนความล้มเหลวภายนอก - การรับประกัน การส่งคืน ความเสียหายต่อชื่อเสียง

ผู้ผลิตที่ฉลาดลงทุนในการป้องกันและการประเมินเพื่อลดต้นทุนความล้มเหลว American Society for Quality (ASQ) ให้ทรัพยากรมากมายเกี่ยวกับการวิเคราะห์ต้นทุนคุณภาพ

ภาพรวมวิธีการทดสอบ

การควบคุมคุณภาพ PCBA สมัยใหม่ใช้วิธีการที่เสริมกันหลายวิธี การผสมผสานที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของผลิตภัณฑ์ เทคโนโลยีการประกอบ และความต้องการด้านคุณภาพของคุณ:

มาสำรวจแต่ละวิธีอย่างละเอียด

Solder Paste Inspection (SPI)

SPI ตรวจสอบครีมบัดกรีก่อนวางชิ้นส่วน เป็นแนวป้องกันแนวแรก การจับข้อบกพร่องครีมบัดกรีตรงนี้ป้องกันความล้มเหลวในการประกอบในขั้นตอนถัดไป

SPI วัดอะไร

• ปริมาตร - ปริมาณครีมที่ทาลงไป
• พื้นที่ - การครอบคลุมแพด
• ความสูง - ความหนาของครีม
• ตำแหน่ง - การจัดตำแหน่งกับแพด

ข้อบกพร่องทั่วไปที่ตรวจพบ

• ครีมไม่เพียงพอ (ทำให้เกิดจุดเปิด)
• ครีมมากเกินไป (ทำให้เกิดบริดจ์)
• ตำแหน่งไม่ตรง
• ครีมแตก
• ไม่มีครีม

เทคโนโลยี SPI

ระบบ 3D SPI สมัยใหม่ใช้:

• Laser Triangulation
• Moiré Fringe Projection
• การวัดแบบ Confocal

สิ่งเหล่านี้ให้การวัดปริมาตรที่แม่นยำด้วยความสามารถทำซ้ำ ±1%

ทำไม SPI ถึงสำคัญ

การศึกษาในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า 60-70% ของข้อบกพร่องในการประกอบมาจากการพิมพ์ครีมบัดกรี งานวิจัยที่เผยแพร่โดย SMTA (Surface Mount Technology Association) ยืนยันการค้นพบนี้ การจับข้อบกพร่องเหล่านี้ที่ SPI ป้องกัน:

• การลุกของชิ้นส่วน (Tombstoning)
• บริดจ์บัดกรี
• จุดเชื่อมไม่เพียงพอ
• รูพรุนในการเชื่อมต่อ BGA

Automated Optical Inspection (AOI)

AOI ใช้กล้องและการประมวลผลภาพเพื่อตรวจสอบบอร์ดที่ประกอบเสร็จเพื่อหาข้อบกพร่องที่มองเห็น รวดเร็ว สม่ำเสมอ และจับปัญหาที่มองเห็นบนพื้นผิวส่วนใหญ่ นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับทั้งการประกอบแบบ SMT และแบบผสม SMT/THT

ความสามารถของ AOI

ข้อบกพร่องชิ้นส่วน:

• ชิ้นส่วนหายไป
• ชิ้นส่วนผิด
• ชิ้นส่วนไม่ตรง
• ข้อผิดพลาดขั้ว
• ค่าผิด (ผ่านการตรวจสอบเครื่องหมาย)

ข้อบกพร่องบัดกรี:

• บริดจ์ (ไฟช็อต)
• บัดกรีไม่เพียงพอ
• บัดกรีมากเกินไป
• จุดเย็น (ลักษณะ)
• ชิ้นส่วนลุก

ข้อบกพร่อง PCB:

• การปนเปื้อน
• ทางไฟเสียหาย
• แพดหลุด

ข้อจำกัดของ AOI

AOI ตรวจจับไม่ได้:

• จุดบัดกรีที่ซ่อนอยู่ (ใต้ BGA, QFN)
• ความแม่นยำของค่าชิ้นส่วน
• การทำงาน
• ข้อบกพร่องภายในชิ้นส่วน

นี่คือเหตุผลที่ AOI เป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์การทดสอบที่ครอบคลุม ไม่ใช่โซลูชันเดี่ยว สำหรับจุดเชื่อมที่ซ่อนอยู่ ต้องใช้การตรวจสอบด้วย X-ray

2D AOI vs 3D AOI

2D AOI:

• ใช้กล้องมาตรฐาน
• ต้นทุนต่ำกว่า
• วัดความสูงได้จำกัด
• ดีสำหรับบอร์ดง่ายๆ

3D AOI:

• ใช้แสงที่มีโครงสร้างหรือเลเซอร์
• วัดความสูงของ Solder Fillet
• ตรวจจับข้อบกพร่องได้ดีกว่า
• เหมาะสำหรับแอพพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง

การตรวจสอบด้วย X-Ray

การตรวจสอบด้วย X-ray มองทะลุชิ้นส่วนเพื่อเปิดเผยจุดบัดกรีที่ซ่อนอยู่ จำเป็นสำหรับ BGA, QFN และแพ็คเกจอื่นๆ ที่มีขั้วด้านล่าง ตามงานวิจัยของ IEEE การตรวจสอบด้วย X-ray กำลังกลายเป็นมาตรฐานสำหรับการประกอบที่ซับซ้อน

เมื่อไหร่ต้องใช้ X-Ray

• แพ็คเกจ BGA และ CSP
• แพ็คเกจ QFN และ DFN
• การประกอบ Flip Chip
• บอร์ดหลายชั้น ที่มี Buried Vias (ดูคู่มือ HDI PCB)
• แอพพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง

X-Ray เปิดเผยอะไร

ข้อบกพร่อง BGA:

• บอลหายไป
• บอลบริดจ์
• ข้อบกพร่อง Head-in-Pillow
• รูพรุนในจุดบัดกรี
• จุดเปิดที่ไม่เปียก

ข้อบกพร่อง QFN:

• รูพรุนในแพดตรงกลาง
• จุดเปิดในแพดรอบนอก
• บริดจ์ใต้แพ็คเกจ

2D X-Ray vs 3D X-Ray (CT)

2D X-Ray:

• ภาพแบน ทุกชั้นซ้อนทับกัน
• การตรวจสอบเร็วกว่า
• ต้นทุนต่ำกว่า
• ดีสำหรับแอพพลิเคชันส่วนใหญ่

3D X-Ray (CT):

• การถ่ายภาพแบบชั้นต่อชั้น
• ระบุตำแหน่งข้อบกพร่องได้แม่นยำ
• จำเป็นสำหรับการประกอบที่ซับซ้อน
• ต้นทุนสูงกว่าและช้ากว่า

การวิเคราะห์รูพรุน

X-ray ใช้วัดปริมาณรูพรุนในจุดบัดกรี IPC-7095 ให้แนวทางสำหรับระดับรูพรุนที่ยอมรับได้:

รูพรุนมากเกินไปลดการระบายความร้อนและความแข็งแรงเชิงกล สำหรับการประกอบ LED และอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การควบคุมรูพรุนมีความสำคัญเป็นพิเศษ

In-Circuit Testing (ICT)

ICT ใช้ Bed-of-Nails Fixture เพื่อทดสอบชิ้นส่วนแต่ละตัวและลักษณะวงจร ให้การตรวจสอบไฟฟ้าอย่างครอบคลุม

การวัดของ ICT

การทดสอบชิ้นส่วน:

• ค่าความต้านทาน
• ค่าความจุ
• ค่าความเหนี่ยวนำ
• ลักษณะไดโอด
• Gain ของทรานซิสเตอร์

การทดสอบวงจร:

• จุดเปิด (การเชื่อมต่อหายไป)
• จุดสั้น (การเชื่อมต่อที่ไม่ต้องการ)
• ทิศทางชิ้นส่วน
• ค่าชิ้นส่วนผิด

ข้อดีของ ICT

• ทดสอบพารามิเตอร์ไฟฟ้าจริง
• การครอบคลุมข้อบกพร่องสูง (>95% เป็นไปได้)
• การดำเนินการทดสอบรวดเร็ว
• ดีสำหรับการผลิตปริมาณมาก
• จับความล้มเหลวเชิงพารามิเตอร์

ข้อจำกัดของ ICT

• ต้องการ Fixture แบบกำหนดเอง (ต้นทุน NRE)
• ต้องการการเข้าถึง Test Point
• ไม่สามารถทดสอบพารามิเตอร์ทั้งหมด
• ไม่เหมาะสำหรับปริมาณน้อย
• การออกแบบต้องรองรับ Test Points

การออกแบบสำหรับ ICT

เพื่อให้ ICT มีประสิทธิภาพ ทำตามแนวทางเหล่านี้ (รวมถึงในแนวทางการออกแบบ PCB ของเรา):

• รวม Test Points บนเน็ต
• ขนาด Test Point ขั้นต่ำ: 0.035" เส้นผ่านศูนย์กลาง
• ระยะห่างขั้นต่ำ: 0.100" (0.050" สำหรับ Fine Pitch)
• การเข้าถึงด้านเดียวเป็นที่ต้องการ
• จัดทำเอกสารตำแหน่ง Test Point

Functional Testing (FCT)

การทดสอบการทำงานตรวจสอบว่าบอร์ดที่ประกอบทำงานตามที่ออกแบบไว้หรือไม่ ต่างจาก ICT ที่ทดสอบชิ้นส่วน FCT ทดสอบการทำงานทั้งหมด นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับโครงการการประกอบแบบ Turnkey และ Box Build

แนวทาง FCT

1. การทดสอบการทำงานพื้นฐาน

• การตรวจสอบเปิดเครื่อง
• การตรวจสอบ LED/ตัวบ่งชี้
• การทดสอบ I/O พื้นฐาน
• การทดสอบอินเทอร์เฟซการสื่อสาร

2. การทดสอบการทำงานเต็มรูปแบบ

• ใช้งานฟังก์ชันทั้งหมด
• การตรวจสอบประสิทธิภาพ
• การสอบเทียบหากจำเป็น
• สภาวะเครียด (ขอบเขตแรงดันไฟ)

3. การทดสอบระดับระบบ

• บอร์ดในตัวเครื่องสุดท้าย
• อินเทอร์เฟซโลกจริง
• การตรวจสอบผลิตภัณฑ์ทั้งหมด

การออกแบบ FCT Fixture

Fixture FCT ที่ดีรวมถึง:

• การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ
• อินเทอร์เฟซการสื่อสาร (USB, UART, ฯลฯ)
• การจำลองโหลด
• การสร้างสัญญาณกระตุ้น
• จุดวัด

การโปรแกรมระหว่างการทดสอบ

สถานี FCT หลายแห่งรวมถึง:

• การโปรแกรมเฟิร์มแวร์
• การจัดเก็บข้อมูลสอบเทียบ
• การกำหนดหมายเลขซีเรียล
• การโปรแกรม MAC Address
• การตั้งค่าคอนฟิก

การทดสอบ Burn-In

Burn-in เร่งความล้มเหลวในช่วงเริ่มต้นโดยใช้งานบอร์ดภายใต้สภาวะเครียด คัดกรองข้อบกพร่อง "Infant Mortality"

สภาวะ Burn-In

พารามิเตอร์ Burn-in ทั่วไป:

• อุณหภูมิสูง (40-85°C)
• ความเครียดแรงดันไฟ (ปกติ +10%)
• ระยะเวลา: 24-168 ชั่วโมง
• การทำงานระหว่างการทดสอบ

เมื่อไหร่ต้องใช้ Burn-In

• แอพพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง
• อุปกรณ์ทางการแพทย์
• การบินและการป้องกัน
• ระบบความปลอดภัยยานยนต์
• โครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ

HALT vs HASS

HALT (Highly Accelerated Life Test):

• การตรวจสอบการออกแบบ
• หาขอบเขตการออกแบบ
• ผลักดันเกินสเปค
• ทำกับตัวอย่าง

HASS (Highly Accelerated Stress Screening):

• การคัดกรองการผลิต
• ทำงานภายในขีดจำกัดสเปค
• ใช้กับหน่วยทั้งหมด
• จับข้อบกพร่องการผลิต

การสร้างกลยุทธ์การทดสอบ

กลยุทธ์การทดสอบที่มีประสิทธิภาพรวมหลายวิธีตาม:

ความต้องการของผลิตภัณฑ์

การวิเคราะห์การครอบคลุมข้อบกพร่อง

คำนวณการครอบคลุมข้อบกพร่องที่คาดหวัง:

1. แสดงรายการข้อบกพร่องที่เป็นไปได้
2. กำหนดความน่าจะเป็นการตรวจจับต่อการทดสอบ
3. คำนวณการครอบคลุมรวม
4. ระบุช่องว่าง

ตัวอย่างกลยุทธ์ตามแอพพลิเคชัน

อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค:

• SPI → AOI → X-ray ตัวอย่าง → FCT
• เน้น: การคัดกรองปริมาณที่คุ้มค่า

อุปกรณ์ทางการแพทย์:

• SPI → AOI → 100% X-ray → ICT → FCT → Burn-in
• เน้น: การจับข้อบกพร่องสูงสุด (ดูMedical Cable Assembly)

อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์:

• SPI → AOI → X-ray → ICT → FCT → สิ่งแวดล้อม
• เน้น: ข้อบกพร่องเป็นศูนย์ การติดตามเต็มรูปแบบ (ดูAutomotive Wire Harness)

แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดในการควบคุมคุณภาพ

Statistical Process Control (SPC)

ติดตามพารามิเตอร์กระบวนการตลอดเวลา:

• แนวโน้มปริมาตรครีมบัดกรี
• อัตราข้อบกพร่อง AOI
• Yield ผ่านครั้งแรก
• ข้อบกพร่องต่อล้านโอกาส (DPMO)

Control Charts ระบุแนวโน้มก่อนที่จะทำให้เกิดความล้มเหลว

Root Cause Analysis

เมื่อเกิดข้อบกพร่อง:

1. กักกันผลิตภัณฑ์ที่ได้รับผลกระทบ
2. ระบุกลไกข้อบกพร่อง
3. กำหนดสาเหตุรากฐาน
4. ดำเนินการแก้ไข
5. ตรวจสอบประสิทธิผล

ใช้วิธี 8D, 5-Why หรือ Fishbone Analysis

การติดตาม

บำรุงรักษาบันทึกที่เชื่อมโยง:

• หมายเลขซีเรียลบอร์ด
• รหัสล็อตชิ้นส่วน
• พารามิเตอร์กระบวนการ
• ผลการทดสอบ
• การระบุตัวตนผู้ปฏิบัติงาน

จำเป็นสำหรับการเรียกคืนและการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

การปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

คุณภาพเป็นการเดินทาง:

• การตรวจสอบกระบวนการเป็นประจำ
• การบูรณาการคำติชมของลูกค้า
• โครงการปรับปรุง Yield
• การอัปเดตเทคโนโลยี

มาตรฐานอุตสาหกรรม

มาตรฐานคุณภาพหลักสำหรับ PCBA (เรียนรู้เพิ่มเติมที่ IPC):

IPC-A-610: ความยอมรับของการประกอบอิเล็กทรอนิกส์

• Class 1: อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป
• Class 2: บริการเฉพาะทาง
• Class 3: ความน่าเชื่อถือสูง

IPC-J-STD-001: ความต้องการการบัดกรี

ISO 9001: ระบบการจัดการคุณภาพ

ISO 13485: คุณภาพอุปกรณ์ทางการแพทย์

IATF 16949: คุณภาพยานยนต์

ตารางเปรียบเทียบมาตรฐาน

สรุป

การทดสอบและควบคุมคุณภาพ PCBA เป็นสาขาที่มีหลายชั้นซึ่งรวมการตรวจสอบด้วยสายตา การทดสอบไฟฟ้า และการตรวจสอบการทำงาน ไม่มีวิธีเดียวที่จับข้อบกพร่องทั้งหมดได้ คุณภาพที่มีประสิทธิภาพมาจากการรวมกันอย่างมีกลยุทธ์ของแนวทางที่เสริมกัน

การลงทุนในการควบคุมคุณภาพให้ผลตอบแทนผ่าน:

• ลดความล้มเหลวภาคสนาม
• ลดต้นทุนการรับประกัน
• ความสัมพันธ์กับลูกค้าที่แข็งแกร่งขึ้น
• การปรับปรุงกระบวนการอย่างต่อเนื่อง

เป้าหมายไม่ใช่แค่การหาข้อบกพร่อง แต่เป็นการสร้างกระบวนการที่ไม่สร้างข้อบกพร่องตั้งแต่แรก

บริการทดสอบและบูรณาการ ของเราประกอบด้วยความสามารถ SPI, AOI, X-ray, ICT และการทดสอบการทำงานที่ทันสมัย ร่วมกับระบบคุณภาพที่ได้รับการรับรอง ISO เราทำให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์ของคุณตรงตามมาตรฐานความน่าเชื่อถือสูงสุด

บทความที่เกี่ยวข้อง

• คู่มือ Turnkey PCB Assembly
• เปรียบเทียบ SMT vs THT Assembly
• แนวทางการออกแบบ PCB สำหรับการผลิต
• คู่มือเทคโนโลยี HDI PCB

เอกสารอ้างอิง

1. IPC - Association Connecting Electronics Industries: www.ipc.org
2. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers: www.ieee.org
3. American Society for Quality (ASQ): asq.org
4. SMTA - Surface Mount Technology Association: www.smta.org
5. ISO 9001 Quality Management: www.iso.org/iso-9001-quality-management.html
6. ISO 13485 Medical Devices: www.iso.org/iso-13485-medical-devices.html