Définition des tests automatisés
Le test automatisé est le processus qui permet à un ordinateur d'exécuter une série de tests individuels sur un produit dans une séquence logique. Ces tests prennent des mesures à l'aide de matériel d'instrumentation, qui transmet les valeurs mesurées à un ordinateur équipé d'un logiciel (test executive) qui peut comparer les résultats à des limites prédéfinies et déterminer si le produit a réussi ou échoué. Grâce à l'automatisation, la procédure d'essai peut être exécutée très rapidement, de manière fiable et répétée, avec un risque limité d'erreur humaine. Les tests automatisés sont désormais utilisés dans toutes les industries qui utilisent l'électronique et le nombre de testeurs automatisés augmente considérablement.
Exemples quotidiens de tests automatisés
Un exemple courant du passage du test manuel au test automatisé se trouve chez le mécanicien local. Lorsque les voitures étaient simples à réparer, les consommateurs les amenaient chez un mécanicien qui vérifiait manuellement des éléments tels que le distributeur, les bougies d'allumage et l'arrivée du carburant dans le carburateur. Ces contrôles étaient effectués un par un jusqu'à ce que la panne soit diagnostiquée et la réparation effectuée. Aujourd'hui, le mécanicien branche l'automobile sur un ordinateur, appuie sur un bouton, puis analyse les résultats des tests générés après que l'ordinateur a effectué un ensemble plus complet de mesures. Par exemple, lors de l'essai d'une unité de contrôle du moteur (ECU), de nombreux tests sont effectués sans que le mécanicien n'ait besoin de savoir ce qui se passe exactement. Ce processus est défini comme un test automatisé, dans lequel une série de tests est effectuée sur un produit de manière séquentielle.
L'histoire des tests automatisés
La complexité des produits varie, tout comme la manière dont ils doivent être testés. Souvent, plus le produit est complexe, plus il est coûteux à fabriquer et à tester. Les équipements d'essai automatisés (EEA) sont utilisés tout au long du cycle de développement du produit, depuis la mise au point du prototype initial jusqu'à la production complète, en passant par les essais du premier lot. Les mêmes systèmes d'essai sont ensuite très souvent utilisés dans les stations de réparation ou sur le site des fabricants sous contrat. Quel que soit le lieu de fabrication, les équipements de test sont généralement conçus et développés à proximité du centre de R&D de l'entreprise. Cela permet aux ingénieurs de partager leurs idées initiales sur la meilleure façon de tester un produit et de trouver une solution rentable pour le tester.
Il arrive souvent que les ingénieurs chargés du développement des essais installent l'équipement et forment les opérateurs locaux à la manière d'utiliser l'équipement pour obtenir des performances maximales. Le choix de l'équipement de test à utiliser est généralement déterminé par le type de produit fabriqué. Historiquement, les ATE étaient coûteux et difficiles à programmer. Ils étaient principalement utilisés pour les produits critiques. Les premiers équipements de test étaient affectueusement appelés "Rack and Stack" et, comme leur nom l'indique, il s'agissait d'un système de test basé sur un rack rempli d'instruments individuels. Ceux-ci étaient souvent reliés entre eux par le bus d'interface général (GPIB), inventé dans les années 1960 par Hewlett-Packard. Le GPIB est un bus parallèle de 8 bits qui présente l'avantage de permettre au développeur de logiciels de s'adresser à chaque instrument par le biais d'un système d'adressage unique et intuitif. Ainsi, un développeur de logiciel pouvait décider quels instruments contrôler, dans quel ordre, et quand renvoyer les résultats des tests. Le GPIB a révolutionné la conception des systèmes de test et son utilisation est encore très répandue aujourd'hui.
Les équipements d'essai ont évolué à pas de géant au cours des trois dernières décennies, avec des bus plus rapides tels que PCI, PCI Express, PXI, Ethernet, USB et bien d'autres. Ces nouvelles normes permettent un transfert de données beaucoup plus rapide entre l'instrumentation de l'équipement d'essai et l'ordinateur. En conséquence, le coût des équipements d'essai automatisés a diminué et leurs performances ont augmenté de manière significative. Actuellement, un ATE entièrement fonctionnel peut ne coûter que quelques milliers de dollars, contre des centaines de milliers dans les années 1980 et avant. La baisse des prix et les améliorations technologiques ont entraîné une prolifération de l'adoption des équipements d'essai automatisés par les entreprises du monde entier. Autrefois réservés aux essais de produits critiques, les systèmes d'ATE sont aujourd'hui monnaie courante dans la plupart des entreprises de fabrication de haute technologie, produisant une gamme de produits de faible coût ou de grande valeur.
Types de tests automatisés
Les systèmes d'essai automatisés sont de toutes formes et de toutes tailles et font appel à tous les domaines d'expertise. Des experts en optique, en RF, en mécanique, en électricité, en logiciel et autres sont tous nécessaires à différents stades des différents projets de test.
Voici quelques exemples de types de tests :
- Test en circuit
- Balayage des frontières
- Inspection optique automatisée (AOI)
- Inspection automatisée par rayons X (AXI)
- Équipement d'essai fonctionnel automatisé
- Test combiné
Test en circuit (ICT)
Le test en circuit existe depuis de nombreuses années. Son utilisation initiale était de tester des cartes de circuits imprimés individuelles qui entraient dans des produits électroniques. Une sonde électrique teste une carte de circuit imprimé (PCB) peuplée en vérifiant les courts-circuits, les circuits ouverts, la résistance, la capacité et d'autres éléments de base qui montrent si l'assemblage a été correctement réalisée. Le test peut être effectué avec un adaptateurs d’interface de type lit de clous et de l'équipement de test spécialisé, ou avec une configuration de test en circuit sans dispositif. Un testeur de type lit de clous est un dispositif électronique traditionnel contenant de nombreuses broches insérées dans des trous dans une feuille laminée en tissu de verre. Les broches sont alignées à l'aide de broches d'outillage pour entrer en contact avec des points de test sur un PCB, qui sont à leur tour connectés à une unité de mesure par des fils et des câbles. Chacune des petites broches à ressort entre en contact avec un nœud dans le circuit du dispositif sous test (DUT). En appuyant le DUT contre le lit de clous, un contact fiable peut être rapidement et simultanément établi avec des centaines voire des milliers de points de test individuels dans le circuit du DUT. La force de maintien peut être fournie manuellement ou au moyen d'un vide, tirant ainsi le DUT vers le bas sur les clous. Les systèmes ICT incluent souvent une journalisation des données de test intégrée, avec des rapports de sortie propriétaires basés sur la conception du fabricant. De nombreux systèmes ICT sont encore utilisés aujourd'hui, bien qu'ils soient progressivement remplacés par les systèmes de balayage de frontière décrits ci-dessous. L'ICT présente de nombreux avantages, notamment la rapidité du test et la capacité de tester de nombreuses parties du PCB simultanément, ainsi que d'être prête à l'emploi. Ils sont normalement utilisés pour tester des PCB individuels peuplés avant d'être assemblés dans le sous-ensemble.
Balayage des frontières
Le boundary scan est une forme de test automatisé qui est devenue extrêmement populaire ces dernières années. Souvent connu sous le nom de JTAG (Joint Test Action Group), ou sous sa norme IEEE (IEEE 1149.1), le boundary scan offre de nombreux avantages significatifs par rapport aux formes de test plus traditionnelles et, à ce titre, est devenu l'un des principaux outils utilisés aujourd'hui dans le cadre du test automatisé. La principale raison pour laquelle le test boundary scan a été développé à l'origine était de résoudre les problèmes liés au manque d'accès aux cartes et aux circuits intégrés à des fins de test. Les produits étant de plus en plus petits, l'espace disponible est devenu plus difficile à trouver, ce qui signifie que les méthodes de test traditionnelles étaient inadaptées, voire impossibles. Le boundary scan permet de résoudre ce problème en utilisant des registres boundary scan spécifiques dans les grands circuits intégrés montés sur la carte. Lorsque la carte est réglée en mode boundary scan, des données sont transmises aux registres de données sérielles des circuits intégrés. La réponse et donc les données qui sortent de cette chaîne de données sérielles permettent au testeur de détecter toute défaillance à une vitesse relativement élevée. Grâce à sa capacité à tester des cartes et même des circuits intégrés dont l'accès physique est très limité, le boundary scan s'est largement répandu et son utilisation ne cesse de croître.
Inspection optique automatisée (AOI)
L'AOI est courante dans de nombreux environnements de fabrication. Il s'agit essentiellement d'une forme d'inspection visuelle, mais elle est réalisée automatiquement à l'aide de caméras, d'ordinateurs et de logiciels. En raison de la nature automatisée de l'inspection, elle offre un degré de répétabilité et de rapidité beaucoup plus élevé que l'inspection manuelle traditionnelle. L'AOI est particulièrement utile lorsqu'il est placé à la fin d'une ligne de production créant des circuits imprimés soudés, où il peut rapidement localiser tout problème de production, y compris les défauts de soudure, et déterminer si les bons composants sont montés et si leur orientation est correcte. Ce type d'inspection était traditionnellement effectué par des opérateurs qui examinaient le même type de cartes pendant de nombreuses heures. L'un des principaux problèmes de l'inspection visuelle manuelle est la fatigue de l'opérateur. Vers la fin d'une période de travail, la précision de l'inspection manuelle diminue souvent, ce qui entraîne le passage de mauvais produits ou l'échec de bons produits. L'AOI permet de résoudre ces problèmes avec succès. En raison de leur coût élevé, les systèmes AOI ne sont souvent utilisés que sur les lignes de production à haut volume.
Inspection automatisée par rayons X (AXI)
L'AXI présente de nombreuses similitudes avec l'AOI. Cependant, avec l'avènement des boîtiers BGA (Ball Grid Array), il a été nécessaire de créer une forme d'inspection permettant de visualiser des éléments qui n'étaient pas optiquement visibles. Les systèmes AXI peuvent regarder à travers les boîtiers de circuits intégrés (IC) pour évaluer avec précision les joints de soudure, de la même manière qu'un médecin regarde un os aux rayons X pour détecter une éventuelle fracture.
Équipement d'essai fonctionnel automatisé
L'essai fonctionnel consiste, comme son nom l'indique, à tester le fonctionnement d'un appareil. Il se situe à un stade beaucoup plus avancé du processus de fabrication et constitue souvent le dernier test avant que le produit ne soit emballé et expédié au client. Une fois que le produit a atteint ce stade de test, c'est généralement la réparation la plus coûteuse en cas de défectuosité. Plus tôt un problème ou une question de conception est testé(e) et détecté(e), moins il est coûteux de le résoudre. La plupart des testeurs fonctionnels doivent être fabriqués sur mesure, car la plupart des fonctions des produits d'une entreprise sont uniques à cette dernière. Lorsqu'un nouveau produit est conçu et fabriqué, il présente souvent des caractéristiques qui n'ont jamais existé auparavant, ce qui signifie que personne n'a jamais construit de testeur pour ces caractéristiques.
Test combiné
Comme le montrent les types de tests déjà évoqués, aucune méthode de test n'est en mesure de fournir une solution complète. Pour surmonter ce problème, de nombreux systèmes ATE intègrent une variété d'approches de test au sein d'un même testeur. En combinant les fonctions de test, la couverture de test est beaucoup plus élevée. Un testeur combinatoire est également capable d'entreprendre une variété de types de tests différents sans avoir à déplacer physiquement la carte d'un testeur à l'autre. Cette suite unique de tests peut inclure des tests ICT ainsi que des tests fonctionnels et des tests JTAG boundary scan. Chaque type de test automatisé décrit a ses points forts ; il est donc nécessaire de choisir le type d'approche de test approprié pour le test requis. En combinant les différentes techniques d'essai disponibles, il est possible d'exploiter au maximum tout ATE construit. Les tests pourront ainsi être exécutés rapidement, tout en offrant un niveau élevé de couverture pour tester avec succès tous les types de produits.
Choisir entre test manuel et test automatisé
En analysant l'ensemble du cas d'utilisation du produit, en plus du volume de fabrication, la voie à suivre est généralement claire. Souvent, les produits critiques sont testés plusieurs fois pour garantir leur bon fonctionnement. Il s'agit par exemple de produits utilisés pour protéger la sécurité des personnes ou de produits dont le fonctionnement défectueux pourrait être catastrophique, comme dans les secteurs des transports, de l'aérospatiale, de la médecine et de la défense. Par exemple, les entreprises qui fabriquent des composants d'avion savent que toute défaillance de leurs produits peut entraîner la mort et la destruction à grande échelle, et c'est pourquoi elles investissent massivement dans des équipements de test automatisés. Un autre exemple est celui des fabricants de dispositifs médicaux implantés, dont la qualité des produits peut faire la différence entre la vie et la mort pour leurs utilisateurs. Les entreprises de ce type ont été les premières à adopter la technologie de test automatisé, à la fois pour des raisons de sécurité et d'accessibilité financière. Les tests automatisés ne se fatiguent jamais et n'ont jamais de mauvaise journée. Lorsqu'un opérateur effectue les tâches nécessaires, il a été démontré que les résultats peuvent varier entre avant et après l'heure du déjeuner. En outre, la subjectivité commence à jouer un rôle. Ce qui convient à une personne peut ne pas convenir à une autre. Des produits qui ne devraient pas être commercialisés sont parvenus jusqu'au public et des produits qui ont été rejetés se sont avérés tout à fait corrects. Ces erreurs coûtent cher en rappels, en réparations et en réputation de marque. Lorsque l'on travaille avec des limites objectives, les résultats sont toujours fiables et reproductibles.
L'application est-elle adaptée à l'automatisation ?
Le test manuel est traditionnellement utilisé lorsque le test est un processus simple et que les coûts de main-d'œuvre sont faibles. Les tests manuels sont également fréquemment utilisés dans les départements de recherche et de développement où la flexibilité est un facteur important pour tester un nouveau produit en cours de développement. La possibilité de modifier un processus de test et d'essayer plusieurs options différentes se prête bien aux tests manuels. Les entreprises ont parfois du mal à passer d'un processus de test manuel à un processus de test automatisé, car les coûts perçus du développement du logiciel peuvent sembler élevés.
Le test automatisé est aujourd'hui largement utilisé pour tester toutes sortes de produits électroniques en raison de la réduction du coût des équipements de test et des outils logiciels, conformément à la loi de Moore. Au fur et à mesure que les coûts des équipements de test diminuent, le déploiement des équipements de test automatisés se généralise. Un autre facteur contribuant à la diffusion des tests automatisés est l'augmentation du coût de la main-d'œuvre dans le monde entier, qui rend les tests manuels plus onéreux. Dans les secteurs de niche où des compétences spécialisées sont requises, trouver et former le personnel adéquat peut s'avérer tout aussi coûteux et difficile. Les tests automatisés sont utilisés pour tous les types de produits, qu'il s'agisse de produits à grand volume et à faible coût ou de produits à faible volume et à valeur élevée. Les facteurs permettant de décider quel équipement de test doit être utilisé dépendent du type de produit fabriqué. Dans le cas des produits à haut volume/faible coût, les délais d'essai sont souvent critiques, de sorte que gagner quelques secondes en testant un produit est un facteur déterminant dans le choix du type d'équipement d'essai à utiliser. Pour les produits plus complexes et de grande valeur, la capacité à effectuer de nombreux tests en profondeur est plus importante ; par conséquent, l 'équipement d'essai tend à être plus sophistiqué et potentiellement plus coûteux.
L'automatisation vaut-elle l'investissement financier ?
L'une des plus grandes décisions que les chefs d'entreprise doivent prendre lorsqu'ils commencent à introduire un nouveau produit est de savoir s'il faut investir dans des tests automatisés. Le coût de la mise en place d'un système de test automatisé, même s'il a baissé ces dernières années, reste un investissement important. Cela dit, une fois l'investissement initial réalisé, il existe des moyens de le transformer en une plateforme réduction des coûts. En concevant et en mettant en œuvre des stations d'essai dotées d'un noyau commun, il est possible de les réutiliser et de les recycler facilement tout au long de la fabrication. La clé d'un noyau commun ou d'une station d'essai générique consiste à regrouper tous les instruments coûteux dans une unité de base. À partir de là, il est facile de concevoir des montages flexibles autour d'eux pour s'adapter à différents produits et à différentes étapes du cycle de vie du produit, en les remplaçant ou en les remplaçant selon les besoins.
L'opposition à l'introduction d'équipements de test automatisés peut également venir de l'intérieur de l'organisation, car certains membres du personnel peuvent avoir l'impression que leur emploi est menacé par l'introduction d'une nouvelle technologie. Cette menace perçue est souvent renversée lorsqu'ils réalisent que les tâches banales de leur travail seront remplacées par des fonctions plus passionnantes où ils pourront apporter une plus grande valeur ajoutée à l'entreprise. Bien gérée, cette situation peut se transformer en une expérience positive pour toutes les parties concernées.
Les principales différences entre les tests manuels, semi-automatiques et automatisés ont été abordées, mais la question de savoir comment décider demeure.
Pour déterminer la stratégie la plus adaptée à une situation donnée, il convient de répondre à un certain nombre de questions :
- Le produit est-il peu coûteux ou de grande valeur ?
- Sera-t-il produit en grande quantité ?
- Le test est-il complexe ou relativement simple ?
- Est-il essentiel pour le client final ?
- Faut-il tester 100 % des unités ou des tests par lots suffisent-ils ?
Les réponses à ces questions permettent de mieux décider si le test automatisé est une stratégie à mettre en place. Pour les entreprises qui fabriquent des produits électroniques simples et peu coûteux, le test automatisé est essentiel pour maintenir les coûts de fabrication et de test à un niveau bas. Dans ce cas, il est beaucoup trop coûteux de faire tester chaque produit à la main par un opérateur. Lorsque le produit est complexe ou de grande valeur, il est souvent judicieux d'automatiser les tests en raison du coût élevé de la main-d'œuvre spécialisée nécessaire pour tester la complexité du produit. Les produits de grande valeur ont souvent des clients qui attendent des niveaux élevés de tests et des processus documentés pour garantir une qualité constante. Pour les produits critiques, une qualité élevée et des tests répétés sont essentiels à tous les stades de la production. Les tests doivent être effectués à chaque niveau de l'assemblage, depuis les tests des cartes de circuits imprimés individuelles jusqu'aux tests d'acceptation fonctionnelle, en passant par les tests des sous-systèmes. Pour ces types de produits, l'échec sur le terrain (c'est-à-dire le coût d'une mauvaise qualité) est beaucoup plus coûteux que des essais complets.
Pour mieux comprendre, et donc justifier, les différences entre les processus de test déjà évoquées, il est utile d'appliquer un exemple de scénario de test typique. Dans l'exemple de scénario décrit ci-dessus, un produit qui doit être testé est décomposé en fonction du coût potentiel par test pour chacun des trois processus de test. Les calculs critiques permettant de décider de la meilleure stratégie sont la durée du test, les coûts de l'opérateur, les coûts de l'équipement et le développement technique (c'est-à-dire la conception du logiciel) nécessaire. L'exemple suppose qu'une ligne de produits fabrique 10 000 unités par an en fonction des coûts fixes, des coûts de développement et des durées de test estimés. Ces informations sont utilisées pour calculer les coûts de test par unité. La dépense critique dans cet exemple est le temps de test. Au fur et à mesure qu'il diminue, le coût par test diminue considérablement.
Dans le cas d'un test manuel, les coûts de l'opérateur sont plus élevés car le niveau de compétence doit être plus élevé. Un technicien d'essai formé est nécessaire pour effectuer l'essai. Ce n'est pas le cas pour les scénarios de test semi-automatiques ou entièrement automatisés, où un opérateur moins qualifié peut être utilisé. (Dans ces cas, l'opérateur pourrait éventuellement travailler avec plusieurs testeurs en même temps, mais cette hypothèse de multiplexage n'est pas utilisée dans les calculs.) L'exemple présenté dans le tableau ci-dessus fournit un guide pour calculer différents scénarios de type de test. Dans ce cas, en raison du volume unitaire (10 000 par an), il est justifié de passer d'un test manuel à un test semi-automatisé, mais pas à un test entièrement automatisé. En effet, le volume est suffisamment élevé pour justifier une certaine forme d'automatisation afin de réduire de manière significative les coûts de main-d'œuvre, mais le volume n'est pas assez important pour justifier les coûts plus élevés d'une automatisation complète.
La réussite des tests de produits est essentielle à la qualité, mais elle a un coût. La question de savoir si les tests de produits doivent être manuels ou automatisés doit être soigneusement pesée, en tenant compte de toutes les considérations ci-dessus. Une bonne planification permettra d'obtenir des résultats efficaces et d'accélérer la fabrication tout en améliorant les résultats globaux.
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