この記事を何のデバイスで読んでいますか？スマートフォンですか？ノートパソコン？タブレット？目の前のデバイスがほとんど故障することなく意図した通りに動作するということが、どれほど驚くべきことか、少し考えてみてください。どうしてそんなことが可能なのでしょうか？コンセプトから生産に至るまで、高品質で堅牢な製品を皆さんの手に届けるには、数百ものステップがあります。

製品を設計する際、設計は戦いの半分に過ぎません。製品を数百個、数千個、あるいは数百万個作ることを決定する前に、できる限りの due diligence（適切な調査）を行うことができます。しかし、それらの各ユニットが意図した通りに動作することを確認する方法がなければ、作る意味がありません。

戦いのもう半分はテストです。これは、品質があり機能的な製品を顧客に出荷することを確認するためです。これは、テスト可能性を考慮した設計から始まり、製品のすべての部分で機能テストを実行することによって行われます。

早期にテストし、頻繁にテストする

通常、電子機器の設計には、製造が必要なPCB（プリント基板）が必要です。PCBに欠陥がある場合、設計の残りの部分に望みはありません。多くのメーカーには、製造されている設計が提供したものと正確に同じであることを確認する組み込みプロセスがあります。

PCBを正しくすることが、途中の問題を軽減するための第一歩です。Seeed Studioは、YouTubeチャンネルで回路基板がどのように作られるかについての内部視点を提供しています。

Seeed Studioは最近、PCBアセンブリサービスを使用する際に無料の機能テストを提供し始めました。テスト計画を提供すれば、完全に組み立てられたPCBAの1つをテストしてくれます！

自動光学検査（AOI）と電気テストは、PCB製造レベルで欠陥を発見するための最良の味方です。AOIは提供されたアートワークに対して設計を視覚的にチェックし、電気テストはPCBを物理的にプローブすることで、誤ったオープンまたはショート回路をテストします。

メーカーがPCBを組み立てた場合、通常、すべてが正しいことを確認するために別の検査プロセスがあります。自動光学検査が実行され、組み立ての問題がないかチェックされます。複雑なコンポーネントパッケージがある場合、X線画像で部品の下がすべて良好に見えるかチェックされます。

これらの2つの大きなステップの後でも、問題が発生する可能性があるため、完成したPCBアセンブリを製品に取り付ける前、または市場にリリースする前に、すべてのPCBアセンブリで機能テストを実行することが極めて重要です。

PCBA機能テストとは何ですか？

さて、あなたの設計は上記のすべてのステップを通過したので、テストの時期です。設計がテストされるとき、それが正しく動作するために必要な設計のすべての要素が動作するはずです。この種のテストは機能テストと呼ばれます。以下は、設計が意図した通りに動作することを確認するために、機能テストで通常テストされるすべてのものです。

電圧と電源

設計が正しく電力を供給されていなければ、何も動作しません。設計が正しい電圧を供給されていることを確認する必要があります。電圧が間違っている場合、設計の残りの部分に望みはなく、先に進む前に何が起こっているかのトラブルシューティングを行う必要があります。

PCB製造中に実行された電気テストは、PCB上のオープンまたはショート回路をキャッチするはずです。何回経験しても、基板に初めて電源を入れるのは緊張するものです。

マイクロコントローラとプロセッサ

今日の世界の設計で何らかの「頭脳」を見つけられない場合は、苦労するでしょう。

マイクロコントローラは非常に強力で安価であるため、多くの設計で見られます。

設計でマイクロコントローラを使用する場合、プログラミングする必要があります。これは、部品が基板にはんだ付けされる前でさえ、追加費用や追加のリードタイム、またはその両方でチップメーカーによって行われることがありますが、インシステムプログラマ（ISP）を使用してプログラミングする方法を持つことも重要です。

初期ユニットの場合は、自分でプログラミングし、回路と対話しながらISPを使用して発生する可能性のある問題をデバッグする方法を持つことが最善です。

信号とセンサー

ほとんどの設計には、マイクロコントローラから出力として生成されるか、何らかのセンサーから来るかに関わらず、何らかの信号が含まれます。

ほとんどの場合、設計が意図した通りに動作する前にマイクロコントローラをプログラミングする必要があります。マイクロコントローラがプログラミングされ、すべての周辺コンポーネントと通信していると仮定しましょう。

マイクロコントローラがプログラミングされると、設計の残りの側面をテストできるはずです。

ユーザーインターフェース

ほとんどのユーザーは、あなたの製品がどのように動作するかを気にしないか、二度と考えないでしょう。彼らが望むのは、製品が約束したことをすべて実行してくれることだけです。

ユーザーが直面するコンポーネントをテストすることは、製品がエンドユーザーのために意図した通りに動作することを確認するために重要です。これには、スイッチ、ボタン、LED、スクリーン、静電容量式タッチ、またはユーザーがあなたが約束した通りに製品を動作させるために対話するものが含まれます。

テスト方法

機能テストがどのように実行されるかに入る前に、過去にどのように実行されてきたかを目の当たりにすることが良い考えです。テストの実際を確認する最良の方法は、あなたの製品と同様の製品を生産する製造施設を訪問し、製品が箱詰めされ、パレットに積み上げられるまでの生産ライン全体を見ることです。

彼らが答える意思があるなら質問し、好奇心を持ってください。後で頭痛の種を救ってくれる新しいことを学ぶでしょう。

または、人気のある技術系YouTuberが製造施設を歩き回り、スマートフォンを生産するために何が必要かを詳細に説明している素晴らしいビデオがあります。驚くべきことに、100人以上の人々が製品が施設を離れる前に各製品に触れます。

機能テスト計画

できるだけ早くテストについて考え、それを設計に組み込むことが重要です。設計のブロック図を作成しながら、各要素がどのようにテストされる可能性があり、それが正しく機能することを意味するのかを考えてください。

各側面がどのようにテストされる可能性があるかについてメモを書き留めてください。これにより、設計全体を通じて「テスト可能性を考慮した設計」の考え方が身につきます。これは、テストの側面を回路図、PCBレイアウト、さらにはマイクロコントローラのコードに含めることを強制します。

完成した設計を想像してください。ユーザーはそれとどのように対話しますか？すべてのユーザーが直面する機能は、基礎となる設計が動作している場合にのみ機能します。

例えば、ユーザーが静電容量式タッチに触れた場合、そのアクションが何をするかを期待しますか？おそらく、スクリーンを起動するかLEDを点灯させ、それからマイクロコントローラにアクションを実行するように指示します。

このアクションには、すべてのコンポーネントが適切な電圧を供給されていること、静電容量式タッチセンサーとLEDが正しく取り付けられていること、そしてマイクロコントローラがプログラミングされ、期待通りに動作していることが必要であることがすぐにわかります。

テストポイント

何をテストする必要があるかを理解したら、設計の各側面を物理的に測定する簡単な方法が必要です。

テストポイントは、基板上の単なるパッドで、簡単にプローブできるように特別に含まれています。さまざまな理由から、コンポーネントのピンやパッドをプローブすることに頼りたくはありません。

これらのパッドのサイズにルールはありませんが、テストプローブで簡単に接触できるほど十分に大きい必要があります。

インシステムプログラミング

十分に洗練された製品の内部を見ると、プログラミングヘッダーや、プログラミングヘッダーが取り付けられる可能性のあるPCB上の空きスペースを見つけるかもしれません。

このヘッダーは通常、PCBに既に取り付けられているマイクロコントローラをプログラムするために使用されるため、「インシステム」という用語があります。

大量生産のシナリオでは、このヘッダーを取り付けることは意味がありません。これはデザイナーのデバッグ目的のためのものであり、生産中はコストを削減するために取り付けられません。

このインシステム接続を達成する方法は多くあり、私のお気に入りの1つはTag-Connectシステムを使用することです。これにより、基板上に余分なコンポーネントを配置する必要がなくなります。私はこれらの特別なケーブルをいくつか持っており、すべての設計で同じTag-Connectフットプリントを使用しているため、すべての基板に接続するために使用できます。

テスト治具

初期プロトタイプや設計の少量生産の場合は、各基板を自分で手動でテストする意味があります。この演習を行うことで、将来の自分に感謝することになるでしょう。なぜなら、製品が適切に機能することを確認するために何が必要かを理解し、感謝することができるからです。

人間は通常、反復性が苦手なので、チェックボックス付きであってもテスト計画を整理しておくと、ステップをスキップするのを防ぐのに役立ちます。

すべての基板をテストするためにかかる時間を正当化できる場合、この手動アプローチはうまく機能します。規模を拡大し始めると、自動化が最良の味方になります。

製造施設を見学することを決めた場合、専門の治具によって実行されている自動テストを間違いなく見たでしょう。これらの治具は、それ自体が製品になります。通常、コンピューター、制御基板、エンクロージャー、およびユーザーインターフェースが含まれます。それはあなたの製品ほど華やかではないかもしれませんが、それと同じくらい重要であり、時にはさらに複雑です。

構造

繰り返し使用することを意図したテキスト治具は、機能と構造の両面で堅牢である必要があります。

一部のテスト治具は、金属エンクロージャー、3D印刷された部品、さらには2×4材の組み合わせである場合がありますが、最終的な目標は同じです。それは、同じテストを繰り返し実行し、結果を提供する必要があります。

設計をテストする一般的な方法は、それをバネ loaded、導電性のピンに対してクランプダウンすることです。これらのピンは、基板のテストポイントをテキスト治具の制御エレクトロニクスに接続します。治具は、最大の反復性のために基板をこれらのピンに機械的に整合させる必要があります。

可能な限り自動化する

理想的なテキスト治具は、基板をすばやく入れ、クランプダウンし、スタートボタンを押すことができるものです。テキスト治具は、基板を適格とするために必要なすべてを実行する必要があります。

できるだけ人間をループから除外することで、成功の可能性が高まります。基板上で物理的にボタンを押す必要がある場合は、テキスト治具によって制御されるソレノイドを使用して物理的にボタンを押します。

設計に特定の色である必要があるLEDがある場合、期待する色を検出するように設計されたカラーセンサーを治具に含めます。

これらすべてはテスト治具の複雑さを増しますが、事前の努力に完全に値します。将来、自分に感謝することになるでしょう。

テストインターフェース

テスト治具設計のもう1つの重要な側面は、自己完結型にすることです。メーカーがあなたのテスト治具を実行するために専用のコンピューターを持っていることに頼りたくはありません。彼らは正しいソフトウェアを持っていないかもしれません、古くて遅いコンピューターかもしれません、またはいつでもクラッシュする可能性があります。

あなたのテスト治具には頭脳が必要であり、コンピューターは安価で小型であり、テキスト治具を操作するには十分以上です。ほとんどすべてのテスト治具は、テストプログラムを実行するコンピューターから実行する必要があります。

Raspberry Piはテスト治具のコンピューターとして優れた選択です。これは、すべてのGPIO、電力、および通信が利用可能なヘッダーを介して周辺デバイスとインターフェースする簡単な方法があるコンパクトなコンピューターです。

Raspberry Piで最も人気のあるオペレーティングシステムはLinuxであり、それが火星にとって十分に良いものであれば、あなたのテスト治具には十分以上です。

Raspberry Piは、Raspberry Piの機能を拡張して被テストユニット（UUT）で特定のテストを実行するインターフェース基板とよくペアになります。まるでラズベリーパイとホイップクリームのように。

独自のコンピューターを提供することで、メーカーの未知のコンピューターが持つ可能性のある互換性の問題を排除できます。あなたがコンピューターを望むように正確にセットアップするため、推測作業はなく、彼らはそれをプラグインするだけです。

冗長性

生産中の成功をさらに確実にするために、2つまたは3つの同一のテキスト治具を構築することを検討してください。

この種の冗長性は、最悪の事態、例えばテスト治具が故障した場合にあなたを救います。数千枚の基板をテストするために1つのテキスト治具しか用意していないと想像してください。テスト治具は、あなたのビジネスにとって生産と収益の間のゲートウェイです。

テスト治具が故障した場合、基板をテストできず、したがって製品に取り付けることもできません。テスト治具が修理されるか、別のものを送るまで、生産は急停止します。

少なくとも2つのテスト治具をメーカーに送り、並行して発生する可能性のある問題をデバッグするために1つを自分用に保管してください。

簡単に、明白にする

ロボットがすべてを完全に引き継いでいない限り、多くの場合、人間があなたの製品を生産ラインに押し進めることになります。誰かが物理的にあなたの基板をテスト治具にロードし、「スタート！」を指示します。

労働と時間は、製品の最終的な製造コストに影響を与える要因であるため、すべてをできるだけ迅速でシームレスにしたいものです。

テスト治具を、操作が明白なように設計してください。基板をテスト治具にロードするための反復可能な方法、テストを開始するために押すための明白なボタン、および基板が合格したか不合格かを知るための明白な方法を含めてください。

これには、不快なほど大きなスタートボタンと大きな緑と赤のLEDが含まれるかもしれません。

問題の特定

上記のすべてをテストすることで、設計の問題や製造欠陥を迅速に見つけることができます。手動または自動で実行できるテスト計画に、テストする必要があるすべてを詳細に記述することが重要です。

製造欠陥、間違ったコンポーネント、さらには欠陥のあるコンポーネントによって発生する可能性のあるいくつかの問題があります。

一般的なPCBアセンブリの問題

自動化されたPCBテストが初期の問題を見つけることができますが、機能テストは良好なPCBアセンブリのみが製品に組み込まれることを確認します。

製造中の一般的な問題には以下が含まれる場合があります：

• はんだ付け – はんだが多すぎる、少なすぎる、および冷たいはんだ接続は、接続性の問題を引き起こす可能性があります。はんだが多すぎるとショートを引き起こす可能性があり、少なすぎるとオープン回路を引き起こす可能性があり、冷たい接続は断続的な接続性を引き起こす可能性があります。
• コンポーネント – 場合によっては、コンポーネント自体が故障点になることがあります。おそらく、コンポーネントが逆向きに取り付けられたか、間違ったコンポーネントが取り付けられました。各コンポーネントメーカーには品質保証プロセスがあるはずですが、時々、不良品が見逃されたり、組み立てプロセスで損傷したりすることがあります。コンポーネントはリフロープロセス中に予期せずシフトすることもあります。
• 環境 – 一部のコンポーネントは湿度に敏感であり、PCBアセンブリの前に適切に保管されていない場合、リフロープロセスに送ると故障を引き起こす可能性があります。回路も製造中に不適切に扱われ、物理的に損傷する可能性があります。ほとんどのメーカーは、製造および組み立てプロセス中に発生するすべての環境問題に注意を払っています。

多くの製造問題は適切なPCB設計で軽減できますが、機能テストは残りのすべてをキャッチするはずです。

機能テストでできないことは何ですか？

機能テストの注意点は、生産前に適切な due diligence（適切な調査）とプロトタイピングを行ったことを前提としていることです。これらをテスト計画に組み込むことは可能ですが、確かにテストの複雑さに影響を与え、それに要する時間も言うまでもありません。

機能テストは、設計段階で見落とされた問題を修正することはありません。環境は、極端に寒いまたは暑い温度や湿度レベルなど、設計に影響を与える可能性のあるものです。これらのタイプのテストは、温度チャンバーを使用して実行でき、設計を温度極限で「浸す」ことができます。各コンポーネントには、設計プロセス中に従うべき温度と湿度の仕様があります。

電磁干渉は、生産前にテストすべきもう1つの設計側面です。これは独自の機器を使用してテストするか、設計をテストラボに送ることができます。米国で販売されるすべての電子製品は、意図的な放射体（つまり、WifiまたはBluetooth）であるか非意図的な放射体であるかにかかわらず、FCCテストを受ける必要があります。このテストは、設計が放出しているノイズを発見し、それが注意を必要とするものであるかどうかを判断します。

結論

製品のテスト可能性は、生産効率を左右する可能性があります。テスト治具を、製品の最後の防衛線、したがってあなたのビジネスの最後の防衛線と考えてください。これは、品質のある製品を顧客の手に届けることを保証します。

テストされていないものを出荷することは想像できません。顧客に問題を見つけてもらうべきではありません。製品は彼らに喜びをもたらし、頭痛の種をもたらすべきではありません。期待があります。

製品を生産する際に費やす先見の明は、最終的にあなたのビジネスの収益性と評判に影響を与えます。「ガベージイン、ガベージアウト」という格言は今でも真実であり、生産に入るものをあなたは制御しているので、出てくるものが問題だらけの臭いガラクタの山にならないようにしてください。

製品と同じくらいの思考と目的をテストに注げば、成功の可能性を10倍に高めることができます！