自動化測試如何優化製造流程並提升產品品質
從資料整合到失效分析，探索自動化測試對製造業的全方位價值
製造業正經歷資料驅動的轉型，自動化測試設備（Automated Test Equipment, ATE）在其中發揮了關鍵作用，從研發到製造，ATE 提供了高效測試方案，幫助企業降低生產成本並提升產品品質，本文深入探討了高度加速壓力篩選（Highly Accelerated Stress Screen, HASS）和樣本驗證測試（Sample Verification Test, SVT）等應用案例，說明如何快速檢測初始故障並提高產品良率；此外，資料整合技術為製造商提供了全面的流程洞察，實現了從測試到失效分析的無縫連接，進一步促進了設計改進與流程優化。無論是追求更高的製造效率，還是解決復雜的產品品質的問題，自動化測試正成為企業成功的關鍵推動力。
簡介
自動測試設備 (Automated Test Equipment, ATE) 廣泛應用於企業的各個領域，特別是在研發 (Research & Development, R&D)、可靠性測試 (Reliability Testing) 和 製造 (Manufacturing) 中最為常見，本白皮書討論了製造過程中的常見自動化測試類型，並展示了一些製造流程步驟的通用範例。這些範例強調了自動測試如何作為包含組裝等手動步驟的更大流程的一部分，同時說明了企業軟體如何利用自動化、整合測試資料來改善製造和業務流程。自動化測試的業務目標
與自動化測試相關的業務目標很簡單：- 降低成本 (Lower Costs)
- 改善流程一致性 (Improve Process Consistency)
- 增加並促進資料收集 (Increase and Facilitate Data Collection)
企業領導者在考慮導入自動化時，通常會先進行投資回報率（ROI）的評估，以判斷這項投資是否值得；導入自動化的核心目標，是要確保在長期運行中，自動化所帶來的總成本低於手動操作，這種成本節省可能表現在幾個方面，例如，自動化能顯著減少執行任務所需的人工成本，同時保證操作的標準化，避免因人員操作差異或疏忽導致的錯誤；除此之外，自動化設備還能降低失誤的發生率，避免因為錯誤導致的額外修復或返工所產生的額外支出；更重要的是，自動化系統通常能夠準確且全面地收集操作資料，這些資料可以幫助企業分析流程效率，進而進行優化和改進。因此，導入自動化不僅僅是一項減少勞動力成本的選擇，更是一種提升整體效率與品質的長期策略。
製造中的自動化測試投入
當新產品被引入時，決定需要測試的內容、測試的時機、以及是否應該自動化可能具有挑戰性，為此，通常會設立一個新產品引入團隊 (New Product Introduction Team, NPI)，與研發 (R&D) 和可靠性測試 (Reliability) 團隊合作，作出相關決策。研發團隊（R&D）負責提供設計驗證測試（Design Verification Test, DVT）、特性測試（Characterization Test）和原型測試（Prototype Testing）所得的測試資料，這些資料，以及用於收集這些資料的軟體、儀器和測試流程，構成製造過程中的重要基礎，例如，必須深入考慮以下問題：
- 哪些可以重複使用？
- 哪些儀器、測試程序、測試軟體、限制條件和配置設定需要使用？
可靠性團隊（Reliability Group）透過高度加速壽命測試（Highly Accelerated Life Testing, HALT）提供關鍵見解，用於設計像高度加速壓力篩選（Highly Accelerated Stress Screen, HASS）這樣的測試程序，這些篩選方法能有效檢測產品在早期階段可能出現的「初始故障」（Infant Mortality Failures）；此外，可靠性工程師通常與製造團隊密切合作，優化測試流程並確定設備配置與規範參數；例如，他們可能會排除不必要的測試，避免浪費資源、或者調整測試程序，以減少對產品的額外磨損；這種協作能確保測試更高效、經濟且具針對性。
- 許多研發階段進行的測試在製造中可能不適用，因為這些測試並非必要，或會增加不必要的成本，甚至對產品造成磨損。
- 工程師需要決定應進行哪些測試、何時進行，以及在測試中使用哪些設定。
當決定測試內容後，團隊會開始判斷哪些測試應自動化，哪些應以手動方式進行；對於自動化測試，需要決定哪些測試可以使用現成的測試設備 (Off-the-Shelf Testers)，哪些需要設計客製化的測試系統。
自動化測試設備的分布
過去，研發團隊可能在工廠的二樓，而製造團隊在一樓 — 二者都位於同一棟建築中，然而，如今，供應鏈變得地理上分散但高度互聯，許多製造商使用合約製造商 (Contract Manufacturers, CMs)，因此，自動化測試設備 (Automated Test Equipment, ATE) 可能需要部署於多個地點。在決定製造流程及所需的測試站後，您還需要考慮哪些流程在自己的設施中完成，哪些由供應商、或合約製造商執行，這些決策會影響成本，因為可能需要在多個地點複製測試設備，例如，如果合約製造商負責一個子組件，則他們需要在其設施中配備測試設備，而您可能還需要在自己的設施中配備相同的設備，以便進行故障排除或收貨檢測測試。
製造中的 ATE 類別
製造中使用的自動化測試設備可以分為兩類：- 現成的 ATE (Off-the-Shelf ATE)：
例如，電路板測試儀 (In-Circuit Testers, ICT) 或邊界掃描測試儀 (Boundary Scan Testers)，這些設備可以直接從供應商處購買，無需大量設計工作。
- 客製化 ATE (Custom ATE)：
專為您的產品設計和建造的測試設備，以下是一些客製化 ATE 的範例：
- 自動光學檢測 (Automated Optical Inspection, AOI) 或 自動 X 光檢測 (Automated X-Ray Inspection, AXI)
- 用於子組件或最終組件接受測試程序 (Acceptance Test Procedure, ATP) 的功能測試儀
- 用於檢測和修復「初始故障」的篩選設備 (Screen ATE)，如 HASS 系統
- 僅對 2% 的產品進行測試的樣本驗證測試儀 (Sample Verification Testers, SVT)
- 用於故障排除的診斷 ATE
非自動化測試的表單式工作站 (Non-ATE Form-Based Stations)
指的是在製造流程中，未使用自動化測試設備（ATE）的工作站，這些工作站通常涉及一些基於手動或半自動流程的檢查和記錄，並產生相關的產品品質資料：- 不包括自動化測試
- 包括某種處理或操作，例如組裝或包裝
- 包括某種形式的品質保證 (Quality Assurance, QA)，例如清單檢查或手動測試
- 產生與產品品質相關的訊息，這些訊息值得捕獲和分析
本文假設這些工作站正在收集資料，並將其與來自自動化測試設備 (ATE) 的測試資料一起匯總到企業資料庫中。
製造中的自動化測試設備計畫範例
假設有一家公司，ACME Corp，專門製造航空電子產品。他們正在建立一條新的生產線，其流程如下：
組裝 → 測試/品質檢查 → 包裝/出貨
組裝工作站 (Assembly Stations)
在最終組裝工作站，三個子組件（A、B 和 C）將被整合為一個完整的最終組件，在此之前，需要先針對每個子組件進行處理：
- 子組件 A：
由合約製造商（CM）生產，CM 的設施配備自動化測試設備（ATE），對子組件 A 進行全面測試，確保 100% 的生產單元都通過測試後再運送至 ACME Corp；ACME Corp 收到子組件後，使用與 CM 相同的測試設備進行重複驗證，確認性能符合要求，然後將其送至最終組裝站。 - 子組件 B：
由 ACME Corp 自行生產，並使用自動化測試設備進行測試，確保品質。 - 子組件 C：
同樣由 ACME Corp 生產，但改由受過專業訓練的操作員進行檢查，確保符合規範。
組裝前的子組件測試與檢驗
接受測試程序站 (ATP Stations)
生產的高層流程如下：
- 最終組裝 (Final Assembly)
- 初步接受測試程序 (Preliminary ATP)
- 高度加速壓力篩選 (Highly Accelerated Stress Screen, HASS)
- 樣本驗證測試 (Sample Verification Test, SVT)
- 最終接受測試程序 (Final ATP)
- 品質檢查、包裝與出貨
高層生產流程（High-Level Production Process）
高度加速壓力篩選 (Highly Accelerated Stress Screen, HASS)
HASS 高度加速壓力篩選是一種測試程序，重點在於檢測並修復可能在現場快速失效的單元，這類失效通常被稱為初始故障（Infant Mortality Failures）；一個完善的 HASS 計畫能顯著減少產品退貨量，從而降低品質相關成本，同時提升客戶的滿意度；HASS 測試通常模擬以下條件：- 高溫與溫度循環： 模擬極端環境中的溫度變化
- 電力循環： 測試產品在反覆啟動和關閉中的穩定性
- 振動測試： 模擬運輸或使用過程中的機械振動對產品的影響
針對不同的產品，HASS 測試需根據其特性進行設計，確保能快速發現初始故障，同時不影響產品的正常使用壽命；通過 HASS 測試，製造商能夠在產品出廠前篩除潛在問題，提高整體品質。
樣本驗證測試 (Sample Verification Test, SVT)
在生產過程中，並非所有產品都會進行全面測試，而是透過 SVT 樣本驗證測試作為補充措施，此方法會隨機抽取少量產品（通常占總量的 2% 或更少），對其進行更深入和全面的量測或檢查，這些測試站大多採用自動化設備，並與企業系統相連，確保測試資料能即時整合到整體的品質監控與分析流程中，這樣的設計既能降低測試成本，又能有效監控產品品質，及早發現潛在問題。整合測試資料與 ATE 計畫
透過將所有測試設備（ATE）中的量測資料匯總到企業系統中，並整合手動工作站（如組裝、品質檢查、和包裝）產生的資料，能夠大幅提升測試資料的價值，這種整合的資料體系可有效協助解決以下問題：- 測試結果追蹤：
詳細記錄產品測試的合格與否情況，並據此計算首道合格率（First-Pass Yield）與整體通過率（Roll-Through Yield）。 - 故障排除與重工效率分析：
精確量化故障排除和重工過程所需的平均時間，為流程優化提供參考依據。 - 生產效率監控：
全面監測測試時間，評估生產效率，確保整體流程的高效運行。
這種整合方法不僅提高了資料的實用性，還為生產決策提供了可靠的依據，進一步優化製造流程並提升產品品質。
解決製造執行問題
製造執行系統 (Manufacturing Execution Systems, MES) 通常涉及庫存控制和良率監控，如果所有系統都與企業系統相連，便可以快速收集以下訊息：- 各測試站的通過/失敗事件，以計算首道合格率 (First-Pass Yield) 和整體通過率 (Roll-Through Yield)
- 故障排除、重工和重新測試所需的時間
- 各產品序列號在流程中的位置，以及從組裝到出貨所需的時間
這些資料可以幫助快速診斷和解決生產問題。
持續改善良率
當良率下降（例如，某周的首道合格率比前一周降低）時，操作人員需要迅速找出原因，如果所有測試設備都連接到企業系統，可以快速回答以下問題：- 哪個測試站出現最多的良率下降？
例如，大部分失敗是否發生在 HASS、最終接受測試程序 (Final ATP)、或樣本驗證測試 (SVT) 中？識別失敗的主要位置有助於隔離問題根源。 - 哪些測試或量測最容易失敗？
測試站運行一系列量測，並將結果與規範限制進行比較，將所有量測資料匯總到企業系統中，可以快速找出最容易失敗的測試項目。 - 是否存在統計過程控制 (Statistical Process Control, SPC) 問題？
例如，某些量測的 Cpk（製造過程能力）值是否逐周下降？分析歷史資料可能顯示出一種趨勢，從而預測問題的發生。 - 問題是與子組件相關還是與最終組裝相關？
透過比較不同測試站的量測結果，以及故障排除與重工資料，可以判斷問題的來源。
加速失效分析
整合的測試資料不僅能改善產品的良率，還能更快速地找到失效的根本原因（Root Cause），失效分析的核心目標是確定失效的來源，並採取糾正行動（Corrective Action），以防止類似問題在未來再次發生。在製造過程中，當產品在某一測試階段出現失敗時，技術人員會立即進行故障排除，找出問題並進行修復，使設備能恢復正常運行，同時記錄下這些常見的問題和修復步驟，是失效分析的重要環節，為未來的流程優化提供寶貴資料。
對於退回的產品，技術人員會使用自動化測試設備，分析失效的量測結果，並調取該產品序列號的完整製造歷史，以檢查是否在生產過程中已經進行過故障排除或重工；此外，工程師會將失效的產品分組，針對每一類失效設計專屬的糾正與預防措施（Corrective and Preventative Action, CAPA），並將這些結果分享給研發（R&D）、可靠性測試（Reliability）和製造（Manufacturing）團隊，這些資料和建議被用來改進產品設計和生產流程，最終提升產品品質並降低失效率。
簡化的 ATE 計畫
高層自動化測試設備（ATE）計畫通常涉及多種測試設備的部署，以滿足不同生產階段的需求，例如：1. 子組件 A 和子組件 B 各自需要專屬的測試設備，確保其功能和品質達標。
2. 用於執行初步和最終接受測試程序（ATP）的自動化測試設備，用於驗證產品在不同階段的性能一致性。
3. 包括樣本驗證測試儀（Sample Verification Test, SVT）、高度加速壓力篩選（Highly Accelerated Stress Screen, HASS）設備，以及專門用於故障排除的測試儀器，以應對產品可能出現的各類挑戰。
在整體生產流程中，從測試到重工再到包裝的每個環節，都需要全面考慮測試資料整合的價值，以確保所有訊息都能支援流程優化與品質提升。
高層生產流程（High-Level Production Process）
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