揭秘IoT芯片到模組研發(fā)生產全過程收藏版

揭秘IoT芯片到模組研發(fā)生產全過程（收藏版）物聯網、智能家居發(fā)展，加深了人與物連接互動，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（設備）連接依賴于Internet無線組網無線連接，然而連接協議卻品類多多，如大類WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave，還有小眾NB-IoT、LoRa等；且單就WiFi協議，又有多個芯片平臺如高通QCA4004、MTKMT7688、樂鑫ESP8266、瑞昱RTL8710等；這么一來，難免會給工程師產品開發(fā)前期帶來困擾：產品適合選取什么協議？需要哪些參數做衡量？又有什么測試測量伎倆？今天小編就以瑞昱RTL8710WiFi模塊為例，從研發(fā)選型、生產過程兩大方面，輔以芯片封裝、PCB生產、及SMT加工過程工藝來給大家做個細致講述，爭取能撥開云霧見明月。芯片到模組四個階段一、芯片（本階段小編自認淺薄，大家飄過~）從度娘拿來芯片生產過程，貼圖共同學習。重點說說模組研發(fā)、生產過程；一張導圖、分段說明；二、模組研發(fā)主要包括硬件設計、軟件設計兩方面；所謂謀而后動，模組動手設計之前。需要從這幾個方面去考量，方案選型、原理圖及l(fā)ayout設計、PCB板子及PCBA打樣、指標調試與參數測試；其中，方案選型為重中之重。1、方案選型關鍵是滿足功效、供貨生產輕易、價格匹配；（1）需求分析功效考量：wifi使用組網方式，一對一，還是一對多。終端產品取一對一，用在網關、路由上則是一對多。在傳輸速率上，分流量類，控制類，假如模塊應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量，功效支持等，比如GPIO功效口、SPIflash擴展口、I2C接口；其實這個很好了解，比如RTL8710這款物聯網WiFi芯片，它GPIO多達二十多個，支持多輸入輸出設備，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)下可自動將功耗降低到最低狀態(tài)，待進入工作狀態(tài)時可自動從睡眠模式喚醒，這么可大大降低產品功耗。另外，在應用功效方面，開發(fā)商依照需要選擇透傳類，還是非透傳類芯片方案。（2）優(yōu)劣分析除對芯片方案市場需求進行分析外，模組開發(fā)商還需要考慮芯片性價比與穩(wěn)定性，以及原廠及供貨渠道；一款好產品就算各個方面都過硬，不過價格脫離市場高離譜，那么絕對是沒有些人敢選擇。當然也不能單單只看價格，俗話說廉價沒好貨是非常有道理。假如兩款芯片方案優(yōu)勢差異比較顯著，不過優(yōu)勢占優(yōu)芯片方案即使價格高一點也阻擋不了大家選擇。說到芯片方案穩(wěn)定性，這個尤為關鍵。倘若是一款功耗高易引發(fā)發(fā)燒而造成死機芯片，你怎樣讓產品開發(fā)商、消費者選擇呢。當然發(fā)燒可能是造成不穩(wěn)定眾多原因中一個，如芯片廠商對軟件代碼優(yōu)化不到位，一樣會引發(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)，大家似乎有一個共識，歐美芯片方案優(yōu)先選擇，接著是日韓，再者就是臺灣，最終才選擇大陸芯片方案，當然這是在芯片方案價格差異不大前提之下。當然這么籠統說是不太科學，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灣廠商。最終，再好芯片方案，供貨渠道不穩(wěn)定，或者經常出現短缺，對于模組開發(fā)商一樣是非常致命。2、原理圖設計模組開發(fā)商選擇好芯片方案后，就就要進行模組開發(fā)設計。模組研發(fā)設計最先做工作就是，設計原理圖。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)格要求設計出穩(wěn)定性高原理圖。成本優(yōu)勢：原理圖有多個設計方案，不過不能無視對成本考量。如兩層電路板設計，四層電路板設計都能夠使用，四層電路板也更優(yōu)，不過價格就更貴。當然這只是成本考慮一個方面而已。兼容設計：原理圖設計時電磁兼容設計考慮，就是要考慮模組在各種電磁環(huán)境中仍能夠協調、有效地進行工作。目標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，同時又能降低模組本身對其它電子設備電磁干擾。電磁兼容設計考慮，包括到整個模塊穩(wěn)定性和性能。量產難易程度：原理圖設計還要考慮日后是否方便加工，好加工也就意味著加工費用少。假如設計原理圖致使實際加工良品率低話，一樣會造成成本增加。3、繪制PCB板上部分原理圖設計，與畫PCB板一塊，被統稱為PCBLayout。二者都是相輔相成，原理圖設計就是要在畫PCB板上得到表現，原理圖要考慮畫PCB板時一樣需要考慮，而且畫PCB板還需要考慮更多。比如，射頻考量、穩(wěn)定性考量，結構考量，甚至畫PCB板還需要考慮到板子美觀度。因為從板子畫法上就能夠看出模組廠商到底是不是專業(yè)。當然依照PCBLayout設計方案設所包括PCB選型，電阻、電容類型和數量等各項物料情況，都會在BOM（BillofMaterial）物料清單表現，一樣PCB、貼片生產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，有不一樣信號層數，而芯片等貼片元件就貼在PCB上。廠商選擇：對于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打樣經驗，廠商設備是否滿足需要，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打樣經驗廠家。5、PCBA打樣PCBA（PrintedCirruitBoard+Assembly,）也就是說PCB空板經過SMT上件,再經過DIP插件整個制程,簡稱PCBA，可能了解其為成品線路板。6、調試對于模組調試，主要在于硬件電路調試和軟件調試。Wi-Fi產品通常射頻設計框圖通常Wi-Fi產品射頻部分由幾大部分組成，藍色虛線框內統一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器（RadioTransceiver）通常是一個設計關鍵器件之一，除了與射頻電路關系比較親密以外，通常還會與CPU關于，這里我們只關注其與射頻電路相關一些內容。發(fā)送信號時，收發(fā)器本身會直接輸出小功率微弱射頻信號，送至功率放大器（PowerAmplifier，PA）進行功率放大，然后經過收發(fā)切換器（Transmit/ReceiveSwitch）經由天線（Antenna）輻射至空間。接收信號時，天線會感應到空間中電磁信號，經過切換器之后送至低噪聲放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）進行放大，這么放大后信號就能夠直接送給收發(fā)器進行處理，進行解調。硬件調試主要包括射頻電路、功效電路調試。射頻調試包含發(fā)送和接收兩個大方面，其中發(fā)送又包含了發(fā)送功率、相位誤差調試等，接收包含靈敏度、接收電平等。而功效電路調試更多包括到詳細某項硬件功效模塊電路調試。射頻參數調試，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，這些參數影響著WiFi數據信號傳輸是否穩(wěn)定；需要專門儀器來測試。比如LitePointdIQ、極致匯儀WT-200；現在，該行業(yè)RFsister開放試驗室提供這些方面測試服務。另外，軟件調試主要在于穩(wěn)定性、功效完整性調試。通常而言，只是單一，或者部分功效進行詳細調測，下一步則需要進行更全方面測試7、測試所謂電子電路測試,是以達成電路設計指標為目標而進行一系列測量、判斷、調整、再測量重復進行過程。功效測試：依照模塊支持特征、操作描述和用戶方案，測試該模塊特征和可操作行為以確定其是否滿足設計需求。性能測試：主要包括測試模塊各個功效電路，以及信號傳輸距離等還其余參數。穩(wěn)定性測試：對包括模塊實際傳輸速率、實際功耗、吞吐量、無線連接等穩(wěn)定性方面測試。老化測試：就是對模組壽命和在使用過程中能達成最好效果而進行一項測試。因系統長時間處于工作狀態(tài)，在其工作時對各器件進行負荷運轉，只要在這些條件下能確保設備性能穩(wěn)定，那么在正常環(huán)境下工作模組使用壽命就會更久。認證測試:一些產品必須經相關國家指定認證機構認證合格，取得相關證書并加施認證標志后，方能出廠、進口、銷售和在經營服務場所使用，尤其是通信類產品，而國際比較普及認證如FCC(美國)、CE(歐洲)、RoHS(歐洲)等。三、模組生產模組生產主要包含PCB生產、SMT貼片加工、模組測試三個步驟：1、PCB生產PCB生產是模組生產最基礎也是最主要步驟，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=>絲印焊膏（點貼片膠）=>貼片=>回流焊接=>清洗=>檢測（1）物料查對：生產前還需依照BOM單和模組生產訂單進行物料規(guī)格、數量對SMT物料進行查對；（2）調機：同時還要對SMT進行編程以及調整，調機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相對應焊盤在回流焊接時，達成良好電氣連接。印錫示意圖（4）貼片：印錫過PCB板，經過自動送板機傳送到貼片機進行貼片。貼片機程序是事先編制好，機器識別到有板時候就會開始自動取料進行貼裝。圖示SMT加工線貼片后RTL8710模組（5）爐前目檢：或稱作中間檢驗，需要注意檢驗元件極性、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：檢驗好線路板經過回流焊之后就會自動進行焊接。到這里，模組生產步驟就基本結束了。（7）爐后檢驗：這里主要檢驗是模組外觀，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。外觀檢驗方式有：AOI檢測/X-Ray抽檢、目檢。A1、AOI檢測通常AOI檢驗可放在回流焊接前或者后，但多數廠商AOI檢測選擇放在回流焊之后，因為這個位置可發(fā)覺碰到全部裝配錯誤。AOI檢測因為采取AOI自動光學檢測存在一定誤判（盲點，少錫等）率，所以AOI檢測后還需人工目檢。模塊表層金屬屏蔽罩當然AOI檢測是爐后檢驗通用檢驗方式，但因AOI檢測對表面附有金屬屏蔽罩模塊檢測方法不可行，所以我們能夠采取了另一個X-Ray抽檢。A2、X-Ray抽檢X-Ray非接觸式3D檢驗法,當電路板層數越多時候,對內層對位準確精度需求就會越高。其還可對封裝后內部物件位置和形態(tài)進行透視觀察測量，甚者可透視金屬屏蔽器件。這里需要說明是，即使X-Ray檢測透視性強，但其只是一個抽檢測試方式。B、目檢目檢就是先用眼睛掃描整片板子，在用顯微鏡對有缺點地方做檢驗，如缺錫、短路、或接腳扭曲都能夠再經由傾斜板子，來調整最好視線時輕易發(fā)覺。用眼睛來檢驗不規(guī)則地方，通常要比用顯微鏡一點一點檢驗更節(jié)約時間。當然發(fā)覺問題后，再用顯微鏡來做更詳細檢驗。目檢假如在此步驟發(fā)覺模組出現問題，還要視情況選擇維修、返工、報廢等處理。接著用激光打標機給模組打標，經過模組上標文我們能夠連接到一些芯片廠商、系列、型號等信息標文標明該模組代號為RTL-00，其采取瑞昱（Realtek）芯片,生產商為B&T（博安通），是一款802.11b/g/n標準WiFi產品，而且符合FCC標準。3、模組測試（1）燒錄通用串行編程器進行燒錄，首先使用隨機并口數據線，將編程器與計算機并口聯接，進行聯機燒寫。（2）GPIO測試經過專有測試夾具對GPIO口進行專題測試。將模組放置在專門設計針床夾具上，使夾具測試探頭與組件引線相接觸，經過查看夾具周圍LED亮度情況，來檢驗GPIO接口是否合格。GPIO測試（3）、接收、發(fā)射功率測試利用IQ測試儀對模組WiFi發(fā)射功率、接收功率做測試。主要測試工具（4）、其它檢測完成后，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，出貨前廠商還會進行一定百分比抽查檢驗。四、二次開發(fā)支持：在這個以服務取勝時代，模組廠商通常從售前到售后都提供服務支持，尤其表現在售后二次開發(fā)技術支持。常見應用于智能家居、工業(yè)控制產品之中WiFi模組通常為嵌入式，不一樣領域、不一樣產品、不一樣工程師對其二次開發(fā)，或多或少會碰到一些技術問題，模組廠商通常以開發(fā)者小區(qū)、技術熱線、郵件、即時通信、上門支持服務等。在開發(fā)者小區(qū)，通常有應用開發(fā)案例、SDK