Trong sản xuất PCB, một bo mạch đạt yêu cầu về ngoại quan chưa đồng nghĩa với việc toàn bộ hệ thống đường dẫn điện bên trong đều hoàn hảo. Những lỗi như đứt đường mạch, via mất kết nối hay chập giữa các đường mạch có thể chỉ được phát hiện thông qua kiểm tra dẫn điện (Electrical Test). Vì vậy, kiểm tra điện là một trong những bước quan trọng để ngăn PCB lỗi đi tiếp sang công đoạn SMT, nơi giá trị linh kiện và chi phí gia công có thể cao hơn nhiều lần giá trị của bản thân bo mạch.
Với các đơn hàng thông thường vừa và nhỏ, nhà máy có thể sử dụng kiểm tra đầu dò (Flying Probe Test) để kiểm tra toàn bộ hoặc mẫu áp dụng tùy theo tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng và quy mô số lượng của từng đơn hàng. Phương án này có ưu điểm là không phát sinh chi phí chế tạo khuôn, nhưng nếu chỉ kiểm tra ngẫu nhiên vẫn tồn tại khả năng PCB lỗi lọt qua, đặc biệt đáng lưu ý với những bo mạch có giá trị cao. Ngược lại, việc kiểm tra 100% Flying Probe chỉ phù hợp cho các đơn hàng mẫu số lượng nhỏ (một vài chục mạch). Đối với đơn hàng từ vài nghìn đến hàng chục nghìn PCB lại làm tăng đáng kể thời gia và chi phí kiểm tra.
Khi sản phẩm đã ổn định thiết kế và bước vào sản xuất hàng loạt, đặc biệt với những mã PCB được đặt hàng lặp lại nhiều lần, việc mở khuôn test PCB (Electrical Test Fixture) trở thành một phương án đáng cân nhắc. Thay vì trả chi phí Flying Probe trên từng lần sản xuất, doanh nghiệp đầu tư một khoản chi phí ban đầu để chế tạo fixture và có thể tiếp tục sử dụng cho nhiều đơn hàng sau đó. Nhờ khả năng kiểm tra nhanh trên toàn bộ PCB hoặc cả production panel, fixture giúp cân bằng tốt hơn giữa mức độ kiểm soát chất lượng, thời gian kiểm tra và chi phí trên mỗi sản phẩm.
Vì vậy, việc hiểu rõ cách thức hoạt động, chi phí đầu tư và ngưỡng sản lượng phù hợp để sử dụng khuôn test PCB là yếu tố quan trọng giúp doanh nghiệp lựa chọn phương án Electrical Test tối ưu khi chuyển từ prototype sang sản xuất hàng loạt.
1. Electrical Test là gì?
Hình 1. Ví dụ về quy trình sản xuất mạch in PCB tiêu chuẩn tại nhà máy.
Electrical Test PCB (E-test) là một trong những công đoạn quan trọng nhất trước khi PCB được xuất xưởng. Nó được thiết kế để kiểm tra tính liên tục và khả năng cách điện giữa các đường mạch khác nhau trên PCB sau khi sản xuất, nhằm bảo đảm mạch in PCB được sản xuất đúng với dữ liệu thiết kế. E-test được sử dụng nhằm phát hiện 2 nhóm lỗi chính bao gồm:
- Hở/ Đứt mạch (Open Circuit): Những điểm theo thiết kế phải được kết nối với nhau nhưng thực tế lại không thông điện. Nguyên nhân có thể đến từ đường dẫn bị đứt, lỗi mạ xuyên lỗ, ăn mòn quá mức…
- Chập/ Ngắn mạch (Short Circuit): Hai đường mạch theo thiết kế phải độc lập nhưng thực tế lại bị nối điện với nhau. Lỗi này có thể phát sinh trong quá trình chế tạo sản xuất như: ăn mòn chưa đủ, lỗi cầu đồng, lỗi imaging, có dị vật bám trên bề mặt mạch…
Ngoài ra còn có một số lỗi liên quan đến via, mạ lỗ, sai kết nối hoặc điện trở đường dẫn bất thường.
Quá trình kiểm tra dẫn điện (Electrical Test) cho phép so sánh trạng thái kết nối điện thực tế của PCB với thiết kế ban đầu để phát hiện những bất thường này nhằm loại bỏ các bo mạch sản xuất lỗi. Hiện nay trong sản xuất mạch in PCB, các nhà máy thường dùng 2 phương pháp chính:
- Kiểm tra đầu dò (Flying Probe Test)
- Khuôn Test PCB (Fixture Test/Bed of Nails)
2. Khuôn test PCB là gì?
Khuôn test PCB, trong sản xuất mạch in thường được gọi bằng các thuật ngữ:
- PCB Test Fixture
- Electrical Test Fixture
- E-test Fixture
- Bed-of-Nails Fixture
- Dedicated Test Fixture
- Universal Grid Fixture
Đây là một hệ thống đồ gá chứa nhiều đầu dò điện được bố trí chính xác tương ứng với các pad, via hoặc test point trên PCB. Khi một mạch hoặc tấm panel (Ghép từ nhiều mạch đơn) PCB được đặt vào khuôn (fixture), các đầu dò sẽ đồng thời tiếp xúc với những điểm cần kiểm tra. Máy Electrical Tester sau đó thực hiện các phép đo giữa những đường mạch khác nhau để xác định PCB có đúng với sơ đồ netlist thiết kế hay không. Khác với phương pháp kiểm tra đầu dò (Flying Probe) phải di chuyển các đầu dò từ điểm này sang điểm khác, một khuôn fixture gồm nhiều đầu dò (kim test) cố định cho phép tiếp xúc đồng thời với hàng trăm hoặc hàng nghìn điểm trên tấm PCB cùng lúc. Đây chính là lợi thế lớn nhất của khuôn test trong sản xuất PCB số lượng lớn giúp tiết kiệm tối đa thời gian và chi phí kiểm tra.
Hình 2. Khuôn test PCB (E-test Fixture).
3. Kiểm tra đầu dò (Flying Probe Test)
Flying Probe Test là phương pháp kiểm tra điện PCB bằng các đầu kim dò tự động di chuyển theo 2 trục X-Y giữa các pad, via và test point để đo từng mạng điện theo dữ liệu thiết kế. Phương pháp này giúp phát hiện:
- Hở mạch, đứt đường dẫn hoặc via lỗi.
- Chập mạch giữa các net.
- Sai kết nối so với thiết kế.
- Điện trở đường dẫn bất thường.
Ưu điểm: không cần làm khuôn test, thiết lập nhanh, phù hợp với prototype và đơn hàng số lượng nhỏ.
Nhược điểm: kiểm tra tuần tự nên tốc độ chậm; khi kiểm tra 100% đơn hàng lớn, chi phí và thời gian có thể cao hơn khuôn test.
Trong sản xuất PCB, Flying Probe thường được dùng cho mẫu thử hoặc kiểm tra ngẫu nhiên. Khi một đơn hàng PCB được sản xuất từ hàng nghìn chiếc, tổng thời gian dành cho kiểm tra Flying Probe có thể trở thành một phần đáng kể trong chu trình sản xuất.
Hình 3. Thiết bị test đầu dò (Flying probe test).
4. Nên chọn mở khuôn test PCB (Fixture test) hay Flying Probe test?
Mặc dù đây là 2 phương pháp test phổ biến và cơ bản nhất khi sản xuất mạch in PCB nhưng không phải ai cũng nắm được các tiêu chí để lựa chọn khi đặt mạch tại nhà máy.
| Tiêu chí | Flying Probe Test | Fixture Test – Bed of Nails |
|---|---|---|
| Nguyên lý | Các đầu dò di chuyển lần lượt đến pad, via hoặc test point | Hệ thống kim cố định đồng thời tiếp xúc với nhiều điểm trên PCB |
| Chi phí ban đầu | Thấp, thường không cần làm khuôn | Cao hơn do phải thiết kế và chế tạo khuôn test |
| Chi phí mỗi PCB | Tương đối cao khi số lượng lớn | Thấp sau khi đã có khuôn |
| Tốc độ kiểm tra | Chậm vì đầu dò di chuyển tuần tự | Rất nhanh, nhiều điểm được kiểm tra cùng lúc |
| Thời gian chuẩn bị | Ngắn, chủ yếu lập chương trình từ dữ liệu Gerber/netlist | Dài hơn do phải sản xuất, lắp kim và xác nhận khuôn |
| Số lượng phù hợp | Prototype, mẫu thử, đơn hàng nhỏ | Sản xuất hàng loạt và đơn hàng lặp lại |
| Khả năng thay đổi thiết kế | Linh hoạt, chỉ cần cập nhật chương trình | Thay đổi pad hoặc vị trí test point có thể phải sửa hoặc làm lại khuôn |
| Mật độ mạch cao | Linh hoạt với nhiều thiết kế phức tạp, nhưng cần đủ vùng tiếp xúc | Khó bố trí kim nếu pad quá nhỏ, khoảng cách quá sát hoặc mật độ cao |
| Độ bao phủ kiểm tra | Có thể kiểm tra 100% net nếu chương trình và điểm tiếp xúc cho phép | Có thể kiểm tra 100% net nếu khuôn tiếp cận đầy đủ các điểm cần đo |
| Nguy cơ làm xước pad | Có thể xuất hiện vết tiếp xúc do đầu dò di chuyển | Có thể để lại dấu kim nhưng lực và vị trí tiếp xúc ổn định hơn |
| Bảo trì | Không cần lưu giữ khuôn riêng cho từng mã PCB | Kim có thể mòn, cong hoặc tiếp xúc kém; khuôn cần lưu trữ và bảo trì |
| Khả năng dùng lại | Máy dùng chung, chương trình riêng cho từng mã | Khuôn thường chỉ dùng cho một thiết kế hoặc một panel cụ thể |
| Hiệu quả khi sản lượng tăng | Giảm dần do thời gian test tích lũy lớn | Tăng mạnh vì chi phí khuôn được phân bổ trên nhiều PCB |
4.1. Khi nào nên dùng Flying Probe Test? Nên chọn kiểm tra 100% hay ngẫu nhiên?
Flying Probe phù hợp khi:
- Sản xuất PCB mẫu – prototype số lượng nhỏ từ một vài chục đến vài trăm mạch
- Thiết kế còn có khả năng chỉnh sửa. Sản phẩm có nhiều phiên bản nhưng mỗi phiên bản sản xuất ít.
- Cần đưa đơn hàng vào kiểm tra nhanh, không muốn chờ chế tạo khuôn.
- PCB có giá trị cao và cần kiểm tra 100%, nhưng sản lượng chưa đủ để đầu tư fixture.
- Các mạch HDI có micro via, Via in pad, BGA pitch nhỏ, mật độ kết nối cao gây khó khăn cho việc thiết kế bố trí các kim test vật lý cố định.
Ví dụ, một thiết kế mới chỉ sản xuất 10–100 PCB và có thể thay đổi ở lần đặt tiếp theo thì Flying Probe thường kinh tế hơn.
Điểm cần lưu ý: việc chọn Flying Probe không đồng nghĩa với kiểm tra 100%. Nhà máy có thể kiểm tra 100% hoặc lấy mẫu tùy điều kiện báo giá và thỏa thuận, yêu cầu chất lượng từ khách hàng. Chính vì vậy, với đơn hàng từ 50 đến một vài trăm mạch xác xuất xảy ra mạch lỗi nếu chọn kiểm tra ngẫu nhiên là hoàn toàn có thể xảy ra.
Với đơn hàng mẫu số lượng ít từ vài chục mạch, thông thường nhà máy sẽ kiểm tra đầu dò Flying Probe 100% không mất phí. Với số lượng từ 50 hay 100 mạch trở lên thường nhà máy sẽ cung cấp dịch vụ kiêm tra Flying probe ngẫu nhiên (random test) miễn phí. Nếu khách hàng yêu cầu kiểm tra 100% (Fully test) nhà máy sẽ thu thêm phí tùy theo độ phức tạp, cũng như kích thước và số lượng mạch vì quá trình kiểm tra sẽ làm tăng thời gian sản xuất. Chính vì vậy, bạn nên cân nhắc lựa chọn kiểm tra electrical test ngẫu nhiên hay toàn bộ đơn hàng tùy thuộc vào chi phí test cũng như khả năng chấp nhận rủi ro của bo mạch. Với các mạch đơn giản giá trị thấp, rủi ro lỗi trong quá trình sản xuất cũng như chi phí thành phẩm không quá cao bạn có thể chọn phương pháp kiểm tra ngẫu nhiên để tối ưu về mặt chi phí cũng như thời gian sản xuất. Với các bo mạch phức tạp, giá trị sau khi hoàn thiện lắp ráp cao thì nên chọn chế độ kiểm tra 100% đơn hàng.
4.2. Khi nào nên dùng Fixture Test?
Fixture Test phù hợp khi:
- Đơn hàng có sản lượng từ trung bình đến lớn.
- Một mã PCB được sản xuất lặp lại nhiều lần.
- Thiết kế đã ổn định và ít khả năng thay đổi.
- Yêu cầu kiểm tra 100% PCB nhưng vẫn phải duy trì tốc độ giao hàng.
- PCB có giá trị cao hoặc lỗi điện có thể gây thiệt hại lớn sau khi lắp ráp.
- Nhà máy cần tích hợp kiểm tra điện vào quy trình sản xuất hàng loạt.
Sau khi đặt PCB lên khuôn, hệ thống có thể kiểm tra toàn bộ bo mạch gần như đồng thời. Vì vậy, mặc dù phải trả chi phí làm khuôn ban đầu, thời gian và chi phí kiểm tra trên mỗi PCB sẽ giảm mạnh khi sản lượng tăng. Chi phí khuôn test dao động từ 2-3 triệu đồng trở lên và phụ thuộc vào kích thước cũng như độ phức tạp của bo mạch. Các nhà máy thường cho phép lưu trữ khuôn test PCB trong vòng 1 năm, với các đơn hàng lớn lặp lại thường xuyên các nhà máy có thể hỗ trợ lưu trữ lâu hơn hoặc miễn phí khuôn test tùy theo chính sách kinh doanh của từng nhà sản xuất.
Không nên quyết định lựa chọn mở khuôn Fixture Test hay Flying Probe test chỉ dựa vào một con số sản lượng cố định. Một phương pháp có thể tham khảo để đưa ra lựa chọn mở khuôn test mạch hay kiểm tra đầu dò dựa trên điểm hòa vốn:
N = Chi phí Fixture/(Chi phí Flying Probe/PCB – Chi phí Fixture/PCB)
Ví dụ:
- Chi phí Fixture: 2,500,000
- Chi phí Flying probe test/ mạch: 1,500
- Chi phí Fixture test/ mạch: 500
N= 2,500,000/(1,500 – 500)= 2,500 mạch
Như vậy từ khoảng 2,500 mạch trở đi việc mở khuôn test pcb sẽ có lợi hơn về chi phí trong ví dụ này. Tuy nhiên đây chỉ là ví dụ minh họa, trên thực tế cần tính theo tổng sản lượng vòng đời của sản phẩm chứ không chỉ số lượng 1 đơn hàng.
5. Kết Luận
Khuôn test PCB không đơn thuần là một khoản chi phí phát sinh trong mỗi đơn hàng mà là một phần quan trọng của chiến lược kiểm soát chất lượng khi PCB bước vào sản xuất hàng loạt.
Flying Probe mang lại sự linh hoạt rất cao cho các đơn hàng mẫu số lượng vừa và nhỏ cũng như những thiết kế thường xuyên thay đổi. Trong khi đó, mở khuôn test PCB (Fixture Test) phát huy lợi thế khi thiết kế đã ổn định, sản lượng tăng cao và sản phẩm được sản xuất lặp lại trong thời gian dài.
Đối với các đơn hàng từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn bo mạch, doanh nghiệp nên đánh giá đồng thời:
- Chi phí mở khuôn;
- Thời gian sản xuất;
- Ghép mạch;
- Mật độ test point;
- Mức độ lặp lại đơn hàng
- Độ phức tạp của bo mạch PCB;
- Tổng chi phí Electrical Test trên toàn vòng đời sản phẩm.
Việc lựa chọn phương pháp kiểm tra phù hợp không chỉ giúp giảm giá thành mà còn nâng cao sản lượng, hạn chế lỗi lọt sang công đoạn SMT và giảm thiểu rủi ro phát sinh chi phí lớn hơn khi bo mạch đã được lắp ráp linh kiện.
Hatakey cung cấp dịch vụ đặt mạch PCB từ số lượng mẫu prototype đến sản xuất hàng loạt, hỗ trợ các yêu cầu về mạch in nhiều lớp (multilayer PCB), HDI, kiểm soát trở kháng (controlled impedance), Electrical Test, TDR và các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng theo yêu cầu của từng dự án. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ