ชิ้นส่วนปลอมและการประกอบที่ไม่ดีทำลายระบบจับเวลาเลเซอร์ความแม่นยำสูง

ความล้มเหลวของระบบวัดเวลาบิน time-of-flight ของเลเซอร์ความแม่นยำสูงได้เผยให้เห็นปัญหาร้ายแรงในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์แบบ outsource สิ่งที่เริ่มต้นเป็นเพียงการแก้ไขข้อบกพร่องของซอฟต์แวร์อย่างง่าย ๆ กลับกลายเป็นการสืบสวนที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนปลอมและกระบวนการผลิตที่เสียหาย

ระบบที่เป็นปัญหาใช้เทคนิคการจับเวลาขั้นสูงเพื่อวัดช่วงเวลาที่สั้นมาก ไม่เหมือนกับระบบพื้นฐานที่ใช้ออสซิลโลสโคป การตั้งค่าแบบกำหนดเองนี้ใช้วงจรทริกเกอร์พิเศษที่มี AD96685 comparator เพื่อให้ได้ timing jitter ที่ต่ำมาก การตั้งค่านี้แยกสัญญาณจาก pulse generator 10 MHz เพื่อทริกเกอร์เลเซอร์และเริ่มโมดูลจับเวلาความแม่นยำใน FPGA พร้อมกัน

ส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมระบบ

• เครื่องกำเนิดพัลส์: เอาต์พุตพัลส์ความเร็วสูง 10 MHz
• ตัวแยกสัญญาณ: แบ่งสัญญาณออกเป็นสองเส้นทาง
• ตัวกระตุ้นเลเซอร์: คอมแพเรเตอร์ AD96685 พร้อมสายหน่วงเวลาที่ปรับได้
• ชิปจับเวลา: ระบบวัดที่ใช้ FPGA เป็นฐาน
• ลูปป้อนกลับ: การป้อนกลับแรงดันที่ควบคุมด้วย DAC เพื่อความเสถียรของเวลา

ความล้มเหลวในการผลิตหลายอย่างทำให้ปัญหาซับซ้อนขึ้น

การสืบสวนเปิดเผยปัญหาการผลิตที่เกิดขึ้นต่อเนื่อง ชิป AD96685 comparator แสดงการลดลงของประสิทธิภาพอย่างรุนแรง โดยแรงดัน input offset voltage สูงถึง 40mV แทนที่จะเป็น 2mV ตามที่กำหนดไว้ ความแรงของสัญญาณเอาต์พุตลดลงเหลือน้อยกว่า 50% ของระดับที่คาดหวัง ในขณะที่ rise time ยืดออกไปถึง 3 นาโนวินาทีซึ่งไม่สามารถยอมรับได้

ความสงสัยเริ่มแรกมุ่งเน้นไปที่ปัญหาการออกแบบวงจร เช่น impedance mismatching หรือ power supply noise อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์เผยให้เห็นปัญหาที่ร้ายแรงกว่า ceramic package แสดงรอยแตกที่มองเห็นได้ copper trace ไม่ได้เรียงตัวกันอย่างถูกต้อง และยังมี flux contamination เหลืออยู่บนพื้นผิว PCB หลังการประกอบ

การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ให้หลักฐานที่ชัดเจน bonding wire ภายในเสียหาย การติดตั้ง die ไม่ได้เรียงตัวกัน และชิ้นส่วนไม่ได้ปิดผนึกอย่างถูกต้อง ช่องว่างและฟองอากาศใน epoxy encapsulant บ่งบอกถึงข้อบกพร่องพื้นฐานในการผลิต

ข้อมูลจำเพาะของ AD96685 Comparator เปรียบเทียบกับประสิทธิภาพที่สังเกตได้

เครื่อง Pick-and-Place บดขยี้ชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน

นอกจากปัญหาชิ้นส่วนปลอมแล้ว การสืบสวนยังเผยให้เห็นว่าเครื่อง pick-and-place กำลังทำลายชิปทางกายภาพระหว่างการประกอบ ระบบอัตโนมัตินี้ใช้หัวฉีดเพื่อวางตำแหน่งชิ้นส่วนบนแผงวงจร แต่การสอบเทียบที่ไม่เหมาะสมอาจใช้แรงบดขยี้กับ semiconductor package ที่ละเอียดอ่อน

ยอดเยี่ยมมาก เป็นกรณีที่น่าประทับใจมากในการสร้างเครื่องมือของตัวเอง หรือค่อนข้างจะเป็นเครื่องมือแบบใช้ครั้งเดียวที่ดูเหมือนจะทำสิ่งง่าย ๆ สิ่งที่น่าประทับใจที่สุดคือการจัดการกับปัญหาต่าง ๆ ที่ปกติจะต้องทำ PCB ใหม่ แต่ผู้เขียนไม่เคยถอย

การรวมกันของชิ้นส่วนปลอมและความเสียหายทางกลศาสตร์สร้างพายุที่สมบูรณ์แบบของความล้มเหลว แม้แต่ชิ้นส่วนทดแทนของแท้ก็ล้มเหลวเมื่อต้องผ่านกระบวนการประกอบที่มีข้อบกพร่องเดียวกัน

ข้อบกพร่องในการผลิตที่ระบุได้

• ชิป comparator AD96685 ปลอม
• บรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วนเซรามิกแตกร้าว
• สายเชื่อมต่อภายในเสียหาย
• การติดตั้ง die ไม่ตรงแนว
• การจัดเรียงเส้นทาง PCB ไม่ตรง
• การปนเปื้อนของ flux บนพื้นผิว PCB
• แรงดันของเครื่อง pick-and-place มากเกินไป

บทเรียนสำหรับนักพัฒนาฮาร์ดแวร์

กรณีนี้เน้นย้ำถึงความเสี่ยงที่สำคัญในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ มาตรการลดต้นทุนที่นำไปสู่ชิ้นส่วนปลอมและกระบวนการประกอบที่ไม่ได้มาตรฐานสามารถทำลายแม้แต่ระบบที่ออกแบบมาอย่างดี ลักษณะที่เกิดขึ้นเป็นช่วง ๆ ของความล้มเหลวทำให้การวินิจฉัยเป็นเรื่องที่ท้าทายเป็นพิเศษ โดยเริ่มแรกชี้ไปที่ปัญหาซอฟต์แวร์มากกว่าความเสียหายของฮาร์ดแวร์

วิธีแก้ไขต้องเปลี่ยนไปใช้พันธมิตรการผลิตที่มีชื่อเสียงซึ่งมีกระบวนการควบคุมคุณภาพที่เหมาะสม แม้ว่าสิ่งนี้จะเพิ่มต้นทุน แต่ก็ขจัดความล้มเหลวที่เกิดขึ้นต่อเนื่องซึ่งรบกวนระบบจับเวลาความแม่นยำสูง สำหรับนักพัฒนาที่ทำงานกับวงจรแอนะล็อกที่ละเอียดอ่อน สิ่งนี้เป็นเรื่องเตือนใจเกี่ยวกับต้นทุนที่ซ่อนอยู่ของการผลิตราคาถูก

อ้างอิง: Trigger o' trouble