Thiết Kế Jig Test Là Gì?

Trong ngành sản xuất điện tử, Jig Test (hay còn gọi là Test Fixture) là hệ thống kiểm tra giúp xác minh chất lượng của bo mạch điện tử (PCB) trước khi đưa vào lắp ráp hoặc xuất xưởng. Một hệ thống Jig Test được thiết kế tốt sẽ giúp doanh nghiệp:

• Tăng tốc độ kiểm tra sản phẩm.
• Giảm sai sót do thao tác thủ công.
• Đảm bảo chất lượng đồng đều.
• Tiết kiệm chi phí bảo hành và sửa chữa.
• Tự động hóa quy trình kiểm thử trong dây chuyền sản xuất.

(Cùng tìm hiểu thêm về Jig test PCB tại đây)

Bài viết dưới đây trình bày đầy đủ quy trình thiết kế một hệ thống Jig Test PCB từ khâu xác định yêu cầu đến bảo trì sau khi đưa vào vận hành.

Xác Định Yêu Cầu Kiểm Thử (Test Requirement)

Bước đầu tiên bao gồm việc phân tích sơ đồ nguyên lý và yêu cầu thiết kế sản phẩm nhằm xác định toàn bộ các điểm giao tiếp cần thiết. Trên cơ sở đó, kỹ sư sẽ xác định các điểm kiểm tra cùng thứ tự kiểm tra. Ngoài ra, việc xác định yêu cầu còn bao gồm việc khảo sát môi trường sản xuất, thời gian kiểm tra một sản phẩm và sản lượng đầu ra dự kiến.

Tương Tác Hai Chiều

Trong quá trình sản xuất bo mạch PCB, kỹ sư thiết kế Jig test và kỹ sư thiết kế DUT (Device Under Test) cần trao đổi liên tục nhằm đảm bảo sự thống nhất từ khâu thiết kế đến kiểm thử. Trên cơ sở đó, người thiết kế Jig test sẽ đưa ra các yêu cầu về vị trí đặt kim đo cũng như quy chuẩn khoảng cách giữa các thành phần trên bo mạch, làm căn cứ để kỹ sư thiết kế DUT tối ưu hóa bản vẽ Layout.

Thiết Kế Kịch Bản Kiểm Thử (Test Sequence)

Sau khi xác định đầy đủ các điểm đo, kỹ sư sẽ xây dựng quy trình kiểm thử.

Một kịch bản kiểm thử hoàn chỉnh bao gồm:

• Khởi tạo DUT
• Cấp nguồn
• Đo điện áp
• Đo dòng tiêu thụ
• Kiểm tra tín hiệu Analog
• Kiểm tra tín hiệu Digital
• Kiểm tra giao tiếp UART
• Kiểm tra SPI
• Kiểm tra CAN
• Kiểm tra Relay
• Kiểm tra LED
• Kiểm tra Motor
• Kiểm tra Display
• Kiểm tra Sensor
• Đánh giá Pass/Fail
• Xuất báo cáo

Kịch bản càng đầy đủ thì độ bao phủ kiểm thử (Test Coverage) càng cao.

Thiết Kế Cơ Khí

Phần cơ khí quyết định độ ổn định của toàn bộ hệ thống. Thiết kế cơ khí đảm bảo bo mạch DUT được cố định chính xác và tiếp xúc tốt với kim đo.

Mục tiêu chính là:

• Định vị chính xác DUT
• Cố định PCB
• Đảm bảo toàn bộ Pogo Pin tiếp xúc đồng thời
• Hạn chế rung lắc
• Dễ thao tác

Thiết kế cơ khí thường dựa trên:

• File Gerber
• File DXF
• File STEP
• Bản vẽ CAD

Thiết Kế Mạch Điện

Thiết kế cấu trúc điện là bước quan trọng quyết định đến hoạt động của Jig test. Người thiết kế cần xây dựng hệ thống phần cứng với các khối chức năng chính bao gồm:

• Khối nguồn cấp: Cung cấp các mức điện áp tiêu chuẩn và ổn định cho toàn bộ Jig test cùng bo mạch DUT.
• Khối mạch đo: Thu thập và phân tích chính xác các tham số điện từ DUT.
• Khối chuyển mạch: Mở rộng khả năng đo nhiều vị trí và tự động hóa quy trình kiểm tra bằng cách luân chuyển kênh đo thông qua Relay hoặc IC Mux/Demux.
• Khối mạch bảo vệ: Tích hợp mạch kẹp áp Diode Schottky, chống đảo cực và bảo vệ quá dòng để đảm bảo an toàn cho thiết bị.
• Khối xử lý trung tâm: Điều hành toàn bộ kịch bản kiểm tra, xử lý dữ liệu đo và so sánh với dải tiêu chuẩn.
• Khối hiển thị: Trực quan hóa trạng thái hoạt động và kết quả (Pass/Fail) ngay trên Jig, thường bao gồm LED báo trạng thái, màn hình hiển thị (LCD/OLED để hiện thông số đo thực tế) và còi báo trạng thái.
• Khối giao tiếp phần mềm (tùy chọn): Kết nối Jig test với phần mềm máy tính qua chuẩn UART, RS485, CAN hoặc USB để lưu trữ Log và quản lý dữ liệu sản xuất (không bắt buộc với các Jig test độc lập).

Mỗi khối mạch đều đảm nhận một vai trò riêng biệt, trong đó giải pháp thiết kế chi tiết sẽ linh hoạt phụ thuộc vào mục đích kiểm thử, giai đoạn sản xuất và đặc tính kỹ thuật của DUT.

Thiết kế Jig test ở hình trên gồm các khối

1. Khối nguồn

• Input Power +24V, ON-OFF Controlled by software: Tiếp nhận nguồn cấp chính +24V cho toàn bộ Jig test. Nguồn này được điều khiển thông qua phần mềm, giúp đảm bảo an toàn, cho phép ngắt nguồn tức thì.

2. Khối đo đạc

• R Shunt on board: Tích hợp điện trở Shunt có sai số nhỏ (cỡ 0,1%) để đo đạc dòng điện tiêu thụ của DUT.
• Thermocouple, Linearized: Mạch đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện, cho phép theo dõi mức nhiệt của DUT
• Input from Digital Sensor: Cổng đầu vào (dự phòng) nhận tín hiệu từ các cảm biến dạng tín hiệu số.

3. Khối tải giả và chuyển mạch

• RLoad Control: Mạch điều khiển tải điện trở, đóng vai trò giả lập các mức tải thực tế để kiểm tra khả năng chịu tải và độ ổn định của các đường xuất nguồn từ DUT.
• DUT outputs (motors, relays, membrane, displays, etc.): Khối các tín hiệu đầu ra từ DUT để điều khiển hoặc kiểm tra hoạt động của các thiết bị ngoại vi như động cơ, relay, hay màn hình hiển thị.

4. Khối xử lý và giao tiếp

• Serial Interface: Cổng giao tiếp nối tiếp (UART/RS232/RS485) phục vụ việc nạp phần mềm, truyền dữ liệu điều khiển hoặc nhận phản hồi từ vi điều khiển trên DUT.
• SPI and Digital Interface: Đường giao tiếp số tốc độ cao dùng để trao đổi dữ liệu hoặc cấu hình các thông số nội bộ cho DUT.
• Logic Analyzer: Cổng kết nối tích hợp dành cho thiết bị phân tích logic, để thu xung tín hiệu số phục vụ việc chẩn đoán lỗi sâu.

5. Khối hiển thị

• RGB Led ON board to User indicator: Đèn LED RGB để hiển thị trạng thái vận hành của Jig, giúp thao tác viên dễ dàng nhận biết.

Thiết Kế Phần Mềm

Phần mềm đóng vai trò biến cụm thiết bị và gá kiểm thử thành một hệ thống đo lường tự động hóa hiệu quả. Quy trình thực thi tuân theo chuỗi kịch bản chuẩn hóa: khởi tạo thiết bị, cấp nguồn và cấu hình trạng thái DUT, chạy các bài test, thu thập dữ liệu và xuất báo cáo.

Vì vậy, việc liên kết chặt chẽ giữa phần cứng và phần mềm là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.

1. Khối Jigtest và DUT

• Thành phần: Bao gồm bo mạch Jig test tích hợp cơ cấu gá kẹp cơ khí và bo mạch cần kiểm tra (DUT).
• Chức năng: Định vị DUT, cố định vị trí tiếp xúc của hệ thống kim đo vào các điểm Test Point, đồng thời làm cầu nối truyền nhận tín hiệu trực tiếp giữa DUT và các thiết bị đo.

2. Khối Đo lường trung tâm và Cấp nguồn

• Thành phần: Khung máy PXI Chassis tích hợp các card chức năng như bộ cấp nguồn lập trình, card thu thập dữ liệu.
• Chức năng: Chịu trách nhiệm phân phối nguồn cấp cho Jig test/DUT, phát tín hiệu kích thích, thu thập các tham số điện từ Jig test và chuyển đổi dữ liệu gửi về máy tính.

3. Khối Đo lường và Hiển thị

• Thành phần: Máy hiện sóng.
• Chức năng: Đo đạc chuyên sâu và hiển thị trực quan dạng sóng tín hiệu thực tế được trích xuất từ Jig test hoặc máy PXI.

4. Khối Giao tiếp phần mềm và Hiển thị

• Thành phần: Máy tính chạy giao diện điều khiển và phần mềm đo lường chuyên dụng.
• Chức năng: Cho phép kỹ thuật viên thiết lập kịch bản kiểm thử, điều khiển toàn bộ các khối phần cứng tự động vận hành, xử lý dữ liệu đo trả về và trực quan hóa kết quả kiểm tra (Pass/Fail) lên màn hình.

Kiểm Tra Xác Nhận

Sau khi hoàn thành các bước trên, người thiết kế cần kiểm tra hoạt động của hệ thống: xác nhận Jig được chế tạo đúng bản vẽ kỹ thuật về kích thước và vật liệu, đảm bảo Jig hoạt động chuẩn xác khi thử nghiệm trên các mẫu DUT đạt (Pass) và lỗi (Fail) đã biết trước.

Bảo Trì

Các thiết bị đo và kim đo cần được bảo trì định kỳ do hiện tượng mài mòn cơ khí sau hàng nghìn chu kỳ hoạt động (thường đạt ngưỡng tuổi thọ khoảng 50.000 lần tiếp xúc). Kim đo bị mòn sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc và gây ra sai số đo lường. Vì vậy, hệ thống thiết kế cần tích hợp bộ đếm chu kỳ kiểm thử trong phần mềm hoặc phần cứng để theo dõi tần suất sử dụng, tự động cảnh báo lịch bảo trì và thay thế kim đo định kỳ.

Ngoài ra, khi thiết kế bo mạch (PCB) của DUT có sự thay đổi, giải pháp gá kẹp và bố trí kim đo cũng cần được điều khiển linh hoạt để đảm bảo tính đồng bộ.

Lời Kết

Thiết kế Jig Test PCB là quá trình kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí, điện tử và phần mềm nhằm xây dựng một hệ thống kiểm tra tự động có độ chính xác cao, đáp ứng yêu cầu của dây chuyền sản xuất hiện đại. Từ việc xác định yêu cầu kiểm thử, phối hợp với kỹ sư thiết kế PCB, xây dựng kịch bản test, thiết kế phần cứng, phần mềm đến kiểm tra xác nhận và bảo trì, mỗi giai đoạn đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm.

Một hệ thống Jig Test được thiết kế tối ưu không chỉ giúp rút ngắn thời gian kiểm tra, nâng cao năng suất, giảm chi phí sản xuất mà còn đảm bảo khả năng truy xuất dữ liệu, phát hiện lỗi sớm và duy trì chất lượng ổn định cho sản phẩm điện tử trước khi xuất xưởng. Đây là giải pháp không thể thiếu đối với các doanh nghiệp sản xuất điện tử hướng đến tự động hóa và kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn công nghiệp.