揭秘IoT芯片到模組研發(fā)生產(chǎn)全過程收藏版

揭秘IoT芯片到模組研發(fā)生產(chǎn)全過程（收藏版）物聯(lián)網(wǎng)、智能家居發(fā)展，加深了人與物連接互動(dòng)，使得我們生活愈加豐富多彩、溝通更為便捷、連接越來越緊密。人、物（設(shè)備）連接依賴于Internet無線組網(wǎng)無線連接，然而連接協(xié)議卻品類多多，如大類WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave，還有小眾NB-IoT、LoRa等；且單就WiFi協(xié)議，又有多個(gè)芯片平臺(tái)如高通QCA4004、MTKMT7688、樂鑫ESP8266、瑞昱RTL8710等；這么一來，難免會(huì)給工程師產(chǎn)品開發(fā)前期帶來困擾：產(chǎn)品適合選取什么協(xié)議？需要哪些參數(shù)做衡量？又有什么測(cè)試測(cè)量伎倆？今天小編就以瑞昱RTL8710WiFi模塊為例，從研發(fā)選型、生產(chǎn)過程兩大方面，輔以芯片封裝、PCB生產(chǎn)、及SMT加工過程工藝來給大家做個(gè)細(xì)致講述，爭(zhēng)取能撥開云霧見明月。芯片到模組四個(gè)階段一、芯片（本階段小編自認(rèn)淺薄，大家飄過~）從度娘拿來芯片生產(chǎn)過程，貼圖共同學(xué)習(xí)。重點(diǎn)說說模組研發(fā)、生產(chǎn)過程；一張導(dǎo)圖、分段說明；二、模組研發(fā)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩方面；所謂謀而后動(dòng)，模組動(dòng)手設(shè)計(jì)之前。需要從這幾個(gè)方面去考量，方案選型、原理圖及l(fā)ayout設(shè)計(jì)、PCB板子及PCBA打樣、指標(biāo)調(diào)試與參數(shù)測(cè)試；其中，方案選型為重中之重。1、方案選型關(guān)鍵是滿足功效、供貨生產(chǎn)輕易、價(jià)格匹配；（1）需求分析功效考量：wifi使用組網(wǎng)方式，一對(duì)一，還是一對(duì)多。終端產(chǎn)品取一對(duì)一，用在網(wǎng)關(guān)、路由上則是一對(duì)多。在傳輸速率上，分流量類，控制類，假如模塊應(yīng)用在智能家電控制方面，選擇偏控制類芯片，比如ESP8266即可；假如用在路由器這么產(chǎn)品，就要選擇流量類芯片，比如MTK7620；在功效接口方面，模組開發(fā)商考慮更多可能就是芯片接口數(shù)量，功效支持等，比如GPIO功效口、SPIflash擴(kuò)展口、I2C接口；其實(shí)這個(gè)很好了解，比如RTL8710這款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片，它GPIO多達(dá)二十多個(gè)，支持多輸入輸出設(shè)備，或是更多外部連接或控制；一樣在接口功效方面考慮也是不能無視，比如這款芯片其有接口在無工作狀態(tài)下可自動(dòng)將功耗降低到最低狀態(tài)，待進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)從睡眠模式喚醒，這么可大大降低產(chǎn)品功耗。另外，在應(yīng)用功效方面，開發(fā)商依照需要選擇透?jìng)黝悾€是非透?jìng)黝愋酒桨?。?）優(yōu)劣分析除對(duì)芯片方案市場(chǎng)需求進(jìn)行分析外，模組開發(fā)商還需要考慮芯片性價(jià)比與穩(wěn)定性，以及原廠及供貨渠道；一款好產(chǎn)品就算各個(gè)方面都過硬，不過價(jià)格脫離市場(chǎng)高離譜，那么絕對(duì)是沒有些人敢選擇。當(dāng)然也不能單單只看價(jià)格，俗話說廉價(jià)沒好貨是非常有道理。假如兩款芯片方案優(yōu)勢(shì)差異比較顯著，不過優(yōu)勢(shì)占優(yōu)芯片方案即使價(jià)格高一點(diǎn)也阻擋不了大家選擇。說到芯片方案穩(wěn)定性，這個(gè)尤為關(guān)鍵。倘若是一款功耗高易引發(fā)發(fā)燒而造成死機(jī)芯片，你怎樣讓產(chǎn)品開發(fā)商、消費(fèi)者選擇呢。當(dāng)然發(fā)燒可能是造成不穩(wěn)定眾多原因中一個(gè)，如芯片廠商對(duì)軟件代碼優(yōu)化不到位，一樣會(huì)引發(fā)上述問題。不一樣廠商或者不一樣品牌提供芯片方案，可能是各有千秋，甚至是千差萬別。在芯片行業(yè)，大家似乎有一個(gè)共識(shí)，歐美芯片方案優(yōu)先選擇，接著是日韓，再者就是臺(tái)灣，最終才選擇大陸芯片方案，當(dāng)然這是在芯片方案價(jià)格差異不大前提之下。當(dāng)然這么籠統(tǒng)說是不太科學(xué)，不過參考意義還是有。上述我們提到模組芯片方案就是來自臺(tái)灣廠商。最終，再好芯片方案，供貨渠道不穩(wěn)定，或者經(jīng)常出現(xiàn)短缺，對(duì)于模組開發(fā)商一樣是非常致命。2、原理圖設(shè)計(jì)模組開發(fā)商選擇好芯片方案后，就就要進(jìn)行模組開發(fā)設(shè)計(jì)。模組研發(fā)設(shè)計(jì)最先做工作就是，設(shè)計(jì)原理圖。穩(wěn)定性：開發(fā)商需要依照芯片廠商提供芯片資料，按照規(guī)格要求設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性高原理圖。成本優(yōu)勢(shì)：原理圖有多個(gè)設(shè)計(jì)方案，不過不能無視對(duì)成本考量。如兩層電路板設(shè)計(jì)，四層電路板設(shè)計(jì)都能夠使用，四層電路板也更優(yōu)，不過價(jià)格就更貴。當(dāng)然這只是成本考慮一個(gè)方面而已。兼容設(shè)計(jì)：原理圖設(shè)計(jì)時(shí)電磁兼容設(shè)計(jì)考慮，就是要考慮模組在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作。目標(biāo)就是確保模組既能抑制各種外來干擾，使模組在特定電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能降低模組本身對(duì)其它電子設(shè)備電磁干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)考慮，包括到整個(gè)模塊穩(wěn)定性和性能。量產(chǎn)難易程度：原理圖設(shè)計(jì)還要考慮日后是否方便加工，好加工也就意味著加工費(fèi)用少。假如設(shè)計(jì)原理圖致使實(shí)際加工良品率低話，一樣會(huì)造成成本增加。3、繪制PCB板上部分原理圖設(shè)計(jì)，與畫PCB板一塊，被統(tǒng)稱為PCBLayout。二者都是相輔相成，原理圖設(shè)計(jì)就是要在畫PCB板上得到表現(xiàn)，原理圖要考慮畫PCB板時(shí)一樣需要考慮，而且畫PCB板還需要考慮更多。比如，射頻考量、穩(wěn)定性考量，結(jié)構(gòu)考量，甚至畫PCB板還需要考慮到板子美觀度。因?yàn)閺陌遄赢嫹ㄉ暇湍軌蚩闯瞿＝M廠商到底是不是專業(yè)。當(dāng)然依照PCBLayout設(shè)計(jì)方案設(shè)所包括PCB選型，電阻、電容類型和數(shù)量等各項(xiàng)物料情況，都會(huì)在BOM（BillofMaterial）物料清單表現(xiàn)，一樣PCB、貼片生產(chǎn)等也按此表單來確定物料。4、PCB打樣PCB(PrintedCircuitBoard)稱為”印刷電路板”，由環(huán)氧玻璃樹脂材料制成，有不一樣信號(hào)層數(shù)，而芯片等貼片元件就貼在PCB上。廠商選擇：對(duì)于PCB打樣，模組廠商假如尋找外部廠商，通常需要考慮這些廠商是否有模組PCB打樣經(jīng)驗(yàn)，廠商設(shè)備是否滿足需要，廠商管理是否過硬等等。工藝要求：假如模組PCB要多層打樣，就要找有多層PCB打樣經(jīng)驗(yàn)廠家。5、PCBA打樣PCBA（PrintedCirruitBoard+Assembly,）也就是說PCB空板經(jīng)過SMT上件,再經(jīng)過DIP插件整個(gè)制程,簡(jiǎn)稱PCBA，可能了解其為成品線路板。6、調(diào)試對(duì)于模組調(diào)試，主要在于硬件電路調(diào)試和軟件調(diào)試。Wi-Fi產(chǎn)品通常射頻設(shè)計(jì)框圖通常Wi-Fi產(chǎn)品射頻部分由幾大部分組成，藍(lán)色虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器（RadioTransceiver）通常是一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵器件之一，除了與射頻電路關(guān)系比較親密以外，通常還會(huì)與CPU關(guān)于，這里我們只關(guān)注其與射頻電路相關(guān)一些內(nèi)容。發(fā)送信號(hào)時(shí)，收發(fā)器本身會(huì)直接輸出小功率微弱射頻信號(hào)，送至功率放大器（PowerAmplifier，PA）進(jìn)行功率放大，然后經(jīng)過收發(fā)切換器（Transmit/ReceiveSwitch）經(jīng)由天線（Antenna）輻射至空間。接收信號(hào)時(shí)，天線會(huì)感應(yīng)到空間中電磁信號(hào)，經(jīng)過切換器之后送至低噪聲放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）進(jìn)行放大，這么放大后信號(hào)就能夠直接送給收發(fā)器進(jìn)行處理，進(jìn)行解調(diào)。硬件調(diào)試主要包括射頻電路、功效電路調(diào)試。射頻調(diào)試包含發(fā)送和接收兩個(gè)大方面，其中發(fā)送又包含了發(fā)送功率、相位誤差調(diào)試等，接收包含靈敏度、接收電平等。而功效電路調(diào)試更多包括到詳細(xì)某項(xiàng)硬件功效模塊電路調(diào)試。射頻參數(shù)調(diào)試，發(fā)射TX方面主要為功率Power、誤差向量幅度EVM、以及頻偏Freq；在接收RX方面主要是接收靈敏度Sensitivity，這些參數(shù)影響著WiFi數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是否穩(wěn)定；需要專門儀器來測(cè)試。比如LitePointdIQ、極致匯儀WT-200；現(xiàn)在，該行業(yè)RFsister開放試驗(yàn)室提供這些方面測(cè)試服務(wù)。另外，軟件調(diào)試主要在于穩(wěn)定性、功效完整性調(diào)試。通常而言，只是單一，或者部分功效進(jìn)行詳細(xì)調(diào)測(cè)，下一步則需要進(jìn)行更全方面測(cè)試7、測(cè)試所謂電子電路測(cè)試,是以達(dá)成電路設(shè)計(jì)指標(biāo)為目標(biāo)而進(jìn)行一系列測(cè)量、判斷、調(diào)整、再測(cè)量重復(fù)進(jìn)行過程。功效測(cè)試：依照模塊支持特征、操作描述和用戶方案，測(cè)試該模塊特征和可操作行為以確定其是否滿足設(shè)計(jì)需求。性能測(cè)試：主要包括測(cè)試模塊各個(gè)功效電路，以及信號(hào)傳輸距離等還其余參數(shù)。穩(wěn)定性測(cè)試：對(duì)包括模塊實(shí)際傳輸速率、實(shí)際功耗、吞吐量、無線連接等穩(wěn)定性方面測(cè)試。老化測(cè)試：就是對(duì)模組壽命和在使用過程中能達(dá)成最好效果而進(jìn)行一項(xiàng)測(cè)試。因系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，在其工作時(shí)對(duì)各器件進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，只要在這些條件下能確保設(shè)備性能穩(wěn)定，那么在正常環(huán)境下工作模組使用壽命就會(huì)更久。認(rèn)證測(cè)試:一些產(chǎn)品必須經(jīng)相關(guān)國(guó)家指定認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證合格，取得相關(guān)證書并加施認(rèn)證標(biāo)志后，方能出廠、進(jìn)口、銷售和在經(jīng)營(yíng)服務(wù)場(chǎng)所使用，尤其是通信類產(chǎn)品，而國(guó)際比較普及認(rèn)證如FCC(美國(guó))、CE(歐洲)、RoHS(歐洲)等。三、模組生產(chǎn)模組生產(chǎn)主要包含PCB生產(chǎn)、SMT貼片加工、模組測(cè)試三個(gè)步驟：1、PCB生產(chǎn)PCB生產(chǎn)是模組生產(chǎn)最基礎(chǔ)也是最主要步驟，全流程以下列圖。以下是按照模組要求生產(chǎn)PCB電路板：金色為接口針腳2、SMT貼片加工依照該模組PCB特征，模組貼片采取單面貼裝。單面貼裝流程來料檢測(cè)=>絲印焊膏（點(diǎn)貼片膠）=>貼片=>回流焊接=>清洗=>檢測(cè)（1）物料查對(duì)：生產(chǎn)前還需依照BOM單和模組生產(chǎn)訂單進(jìn)行物料規(guī)格、數(shù)量對(duì)SMT物料進(jìn)行查對(duì)；（2）調(diào)機(jī)：同時(shí)還要對(duì)SMT進(jìn)行編程以及調(diào)整，調(diào)機(jī)完成之后即是上料過程。（3）印錫：將適量焊膏均勻施加在PCB焊盤上，以確保貼片元器件與PCB相對(duì)應(yīng)焊盤在回流焊接時(shí)，達(dá)成良好電氣連接。印錫示意圖（4）貼片：印錫過PCB板，經(jīng)過自動(dòng)送板機(jī)傳送到貼片機(jī)進(jìn)行貼片。貼片機(jī)程序是事先編制好，機(jī)器識(shí)別到有板時(shí)候就會(huì)開始自動(dòng)取料進(jìn)行貼裝。圖示SMT加工線貼片后RTL8710模組（5）爐前目檢：或稱作中間檢驗(yàn)，需要注意檢驗(yàn)元件極性、貼裝有沒有偏移、有沒有短路、有沒有少件、多件、有沒有少錫等。（6）回流焊接：檢驗(yàn)好線路板經(jīng)過回流焊之后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行焊接。到這里，模組生產(chǎn)步驟就基本結(jié)束了。（7）爐后檢驗(yàn)：這里主要檢驗(yàn)是模組外觀，看有沒有焊接不良，即空焊、錫珠、短路、元件偏移、元件豎立等等。外觀檢驗(yàn)方式有：AOI檢測(cè)/X-Ray抽檢、目檢。A1、AOI檢測(cè)通常AOI檢驗(yàn)可放在回流焊接前或者后，但多數(shù)廠商AOI檢測(cè)選擇放在回流焊之后，因?yàn)檫@個(gè)位置可發(fā)覺碰到全部裝配錯(cuò)誤。AOI檢測(cè)因?yàn)椴扇OI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)存在一定誤判（盲點(diǎn)，少錫等）率，所以AOI檢測(cè)后還需人工目檢。模塊表層金屬屏蔽罩當(dāng)然AOI檢測(cè)是爐后檢驗(yàn)通用檢驗(yàn)方式，但因AOI檢測(cè)對(duì)表面附有金屬屏蔽罩模塊檢測(cè)方法不可行，所以我們能夠采取了另一個(gè)X-Ray抽檢。A2、X-Ray抽檢X-Ray非接觸式3D檢驗(yàn)法,當(dāng)電路板層數(shù)越多時(shí)候,對(duì)內(nèi)層對(duì)位準(zhǔn)確精度需求就會(huì)越高。其還可對(duì)封裝后內(nèi)部物件位置和形態(tài)進(jìn)行透視觀察測(cè)量，甚者可透視金屬屏蔽器件。這里需要說明是，即使X-Ray檢測(cè)透視性強(qiáng)，但其只是一個(gè)抽檢測(cè)試方式。B、目檢目檢就是先用眼睛掃描整片板子，在用顯微鏡對(duì)有缺點(diǎn)地方做檢驗(yàn)，如缺錫、短路、或接腳扭曲都能夠再經(jīng)由傾斜板子，來調(diào)整最好視線時(shí)輕易發(fā)覺。用眼睛來檢驗(yàn)不規(guī)則地方，通常要比用顯微鏡一點(diǎn)一點(diǎn)檢驗(yàn)更節(jié)約時(shí)間。當(dāng)然發(fā)覺問題后，再用顯微鏡來做更詳細(xì)檢驗(yàn)。目檢假如在此步驟發(fā)覺模組出現(xiàn)問題，還要視情況選擇維修、返工、報(bào)廢等處理。接著用激光打標(biāo)機(jī)給模組打標(biāo)，經(jīng)過模組上標(biāo)文我們能夠連接到一些芯片廠商、系列、型號(hào)等信息標(biāo)文標(biāo)明該模組代號(hào)為RTL-00，其采取瑞昱（Realtek）芯片,生產(chǎn)商為B&T（博安通），是一款802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)WiFi產(chǎn)品，而且符合FCC標(biāo)準(zhǔn)。3、模組測(cè)試（1）燒錄通用串行編程器進(jìn)行燒錄，首先使用隨機(jī)并口數(shù)據(jù)線，將編程器與計(jì)算機(jī)并口聯(lián)接，進(jìn)行聯(lián)機(jī)燒寫。（2）GPIO測(cè)試經(jīng)過專有測(cè)試夾具對(duì)GPIO口進(jìn)行專題測(cè)試。將模組放置在專門設(shè)計(jì)針床夾具上，使夾具測(cè)試探頭與組件引線相接觸，經(jīng)過查看夾具周圍LED亮度情況，來檢驗(yàn)GPIO接口是否合格。GPIO測(cè)試（3）、接收、發(fā)射功率測(cè)試?yán)肐Q測(cè)試儀對(duì)模組WiFi發(fā)射功率、接收功率做測(cè)試。主要測(cè)試工具（4）、其它檢測(cè)完成后，模組還要完成出廠前包裝。模組包裝除了通常抵抗擠壓、震動(dòng)真空泡沫袋外，更主要還有做防水、防靜電包裹方法。另外，出貨前廠商還會(huì)進(jìn)行一定百分比抽查檢驗(yàn)。四、二次開發(fā)支持：在這個(gè)以服務(wù)取勝時(shí)代，模組廠商通常從售前到售后都提供服務(wù)支持，尤其表現(xiàn)在售后二次開發(fā)技術(shù)支持。常見應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制產(chǎn)品之中WiFi模組通常為嵌入式，不一樣領(lǐng)域、不一樣產(chǎn)品、不一樣工程師對(duì)其二次開發(fā)，或多或少會(huì)碰到一些技術(shù)問題，模組廠商通常以開發(fā)者小區(qū)、技術(shù)熱線、郵件、即時(shí)通信、上門支持服務(wù)等。在開發(fā)者小區(qū)，通常有應(yīng)用開發(fā)案例、SDK