IoT 芯片到模組，研發(fā)生產(chǎn)全過程

　　物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的發(fā)展，加深了人與物的連接互動(dòng)，使得我們的生活更加豐富多彩、溝通更為便捷、連接越來越緊密。人、物(設(shè)備)的連接依賴于Internet無線組網(wǎng)無線連接，然而連接協(xié)議卻品類多多，如大類的WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave，還有小眾的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、MTK的MT7688、樂鑫的ESP8266、瑞昱的RTL8710等; 這樣一來，難免會(huì)給工程師產(chǎn)品開發(fā)前期帶來困擾： 產(chǎn)品適合選用什么協(xié)議?需要哪些參數(shù)做衡量? 又有什么測(cè)試測(cè)量手段?

　　今天RTL8710 WiFi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加工的過程工藝來給大家做個(gè)細(xì)致的講述，爭(zhēng)取能撥開云霧見明月。

　　芯片到模組的四個(gè)階段

　　一、芯片

　　從度娘拿來的芯片生產(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)

　　主要涉及硬件設(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

　　核心是滿足功能、供貨生產(chǎn)容易、價(jià)格匹配;

　　(1)需求分析

　　功能考量：wifi使用的組網(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，如果模塊應(yīng)用在智能家電控制方面的，選擇偏控制類的芯片，比如ESP8266即可;如果用在路由器這樣的產(chǎn)品，就要選擇流量類芯片，比如MTK的7620;

　　在功能接口方面，模組開發(fā)商考慮更多的可能就是芯片的接口數(shù)量，功能支持等，比如GPIO功能口、SPI flash擴(kuò)展口、I2C接口;其實(shí)這個(gè)很好理解，比如RTL8710這款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片，它的GPIO多達(dá)二十多個(gè)，支持多的輸入輸出設(shè)備，或是更多的外部連接或控制;同樣在接口功能方面的考慮也是不能忽視的，比如這款芯片其有的接口在無工作狀態(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，這樣可大大降低產(chǎn)品的功耗。

　　另外，在應(yīng)用功能方面，開發(fā)商根據(jù)需要選擇透?jìng)黝?，還是非透?jìng)黝惖男酒桨浮?/p>

　　(2)優(yōu)劣分析

　　除對(duì)芯片方案的市場(chǎng)需求進(jìn)行分析外，模組開發(fā)商還需要考慮芯片的性價(jià)比與穩(wěn)定性，以及原廠及供貨渠道;

　　一款好的產(chǎn)品就算各個(gè)方面都過硬，但是價(jià)格脫離市場(chǎng)高的離譜，那么絕對(duì)是沒有人敢選擇的。當(dāng)然也不能單單只看價(jià)格，俗話說便宜沒好貨是非常有道理的。如果兩款芯片方案優(yōu)勢(shì)差異比較明顯，但是優(yōu)勢(shì)占優(yōu)的芯片方案即使價(jià)格高一點(diǎn)也阻擋不了大家選擇的。說到芯片方案的穩(wěn)定性，這個(gè)尤為關(guān)鍵。倘若是一款功耗高易引起發(fā)熱而造成死機(jī)的芯片，你如何讓產(chǎn)品開發(fā)商、消費(fèi)者選擇呢。當(dāng)然發(fā)熱可能是造成不穩(wěn)定眾多因素中的一種，如芯片廠商對(duì)軟件代碼的優(yōu)化不到位，同樣會(huì)引起上述問題。

　　不同廠商或者不同品牌提供的芯片方案，可能是各有千秋，甚至是千差萬別。在芯片行業(yè)，大家似乎有一種共識(shí)，歐美芯片方案優(yōu)先選擇，接著是日韓，再者就是臺(tái)灣，最后才選擇大陸芯片方案，當(dāng)然這是在芯片方案價(jià)格差異不大的前提之下。當(dāng)然這樣籠統(tǒng)的說是不太科學(xué)，但是參照意義還是有的。上述我們提到的模組芯片方案就是來自臺(tái)灣廠商。

　　最后， 再好的芯片方案，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)商同樣是非常致命的。

　　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)最先做的工作就是，設(shè)計(jì)原理圖。

　　穩(wěn)定性：開發(fā)商需要根據(jù)芯片廠商提供的芯片資料，按照規(guī)格要求設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性高的原理圖。

　　成本優(yōu)勢(shì)： 原理圖有多種設(shè)計(jì)方案，但是不能忽視對(duì)成本考量。如兩層電路板設(shè)計(jì)，四層電路板設(shè)計(jì)都可以使用，四層電路板也更優(yōu)，但是價(jià)格就更貴。當(dāng)然這只是成本考慮的一個(gè)方面而已。

　　兼容設(shè)計(jì)：原理圖設(shè)計(jì)時(shí)的電磁兼容設(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。目的就是確保模組既能抑制各種外來的干擾，使模組在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少模組本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)考慮，涉及到整個(gè)模塊的穩(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。如果設(shè)計(jì)的原理圖致使實(shí)際加工的良品率低的話，同樣會(huì)造成成本增加。

　　3、繪制PCB板

　　上部分的原理圖設(shè)計(jì)，與畫PCB板一塊，被統(tǒng)稱為PCB Layout。兩者都是相輔相成的，原理圖設(shè)計(jì)的就是要在畫PCB板上得到體現(xiàn)，原理圖要考慮的畫PCB板時(shí)同樣需要考慮，并且畫PCB板還需要考慮的更多。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的美觀度。因?yàn)閺陌遄拥漠嫹ㄉ暇涂梢钥闯瞿＝M廠商到底是不是專業(yè)。

　　當(dāng)然根據(jù)PCB Layout設(shè)計(jì)方案設(shè)所涉及的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(Bill of Material)物料清單體現(xiàn)，同樣PCB、貼片生產(chǎn)等也按此表單來確定物料。

　　4、PCB打樣

　　PCB(Printed Circuit Board)稱為”印刷電路板”，由環(huán)氧玻璃樹脂材料制成，有不同信號(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，模組廠商如果尋找外部廠商，通常需要考慮這些廠商是否有模組PCB打樣經(jīng)驗(yàn)，廠商的設(shè)備是否滿足需要，廠商管理是否過硬等等。

　　工藝要求：如果模組PCB要多層打樣，就要找有多層PCB打樣經(jīng)驗(yàn)的廠家。

　　5、PCBA打樣

　　PCBA(Printed Cirruit Board +Assembly,)也就是說PCB空板經(jīng)過SMT上件,再經(jīng)過DIP插件的整個(gè)制程,簡(jiǎn)稱PCBA，可能理解其為成品線路板。

　　6、調(diào)試

　　對(duì)于模組的調(diào)試，主要在于硬件電路調(diào)試和軟件調(diào)試。

　　Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計(jì)框圖

　　一般Wi-Fi產(chǎn)品的射頻部分由幾大部分組成，藍(lán)色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器(Radio Transceiver)一般是一個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件之一，除了與射頻電路的關(guān)系比較密切以外，一般還會(huì)與CPU有關(guān)，這里我們只關(guān)注其與射頻電路相關(guān)的一些內(nèi)容。發(fā)送信號(hào)時(shí)，收發(fā)器本身會(huì)直接輸出小功率的微弱的射頻信號(hào)，送至功率放大器(Power Amplifier，PA)進(jìn)行功率放大，然后通過收發(fā)切換器(Transmit/Receive Switch)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)到空間中的電磁信號(hào)，通過切換器之后送至低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)進(jìn)行放大，這樣放大后的信號(hào)就可以直接送給收發(fā)器進(jìn)行處理，進(jìn)行解調(diào)。

　　硬件調(diào)試主要涉及射頻電路、功能電路調(diào)試。射頻調(diào)試包括發(fā)送和接收兩個(gè)大的方面，其中發(fā)送又包括了發(fā)送功率、相位誤差調(diào)試等，接收包括靈敏度、接收電平等。而功能電路調(diào)試更多的涉及到具體的某項(xiàng)硬件功能模塊的電路調(diào)試。

　　射頻參數(shù)的調(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;需要專門的儀器來測(cè)試。比如LitePointd的IQ2010、極致匯儀的WT-200; 目前，該行業(yè)RFsister開放實(shí)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、功能的完整性調(diào)試。一般而言，只是單一，或者部分功能進(jìn)行的具體調(diào)測(cè)，下一步則需要進(jìn)行更全面的測(cè)試

　　7、測(cè)試

　　所謂電子電路的測(cè)試,是以達(dá)到電路設(shè)計(jì)指標(biāo)為目的而進(jìn)行的一系列的測(cè)量、判斷、調(diào)整、再測(cè)量的反復(fù)進(jìn)行過程。

　　功能測(cè)試：根據(jù)模塊支持的特性、操作描述和用戶方案，測(cè)試該模塊的特性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：主要涉及測(cè)試模塊各個(gè)功能電路，以及信號(hào)的傳輸距離等還其他參數(shù)。

　　穩(wěn)定性測(cè)試：對(duì)涉及模塊的實(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)到最佳效果而進(jìn)行的一項(xiàng)測(cè)試。因系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的處于工作狀態(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保證設(shè)備的性能穩(wěn)定，那么在正常環(huán)境下工作模組的使用壽命就會(huì)更久。

　　認(rèn)證測(cè)試:某些產(chǎn)品必須經(jīng)相關(guān)國家指定的認(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)營服務(wù)場(chǎng)所使用，尤其是通信類產(chǎn)品，而國際比較普及的認(rèn)證如FCC(美國)、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)環(huán)節(jié)：

　　1、PCB生產(chǎn)

　　PCB生產(chǎn)是模組生產(chǎn)最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)， 全流程如下圖。

　　以下是按照模組要求生產(chǎn)的PCB電路板：

　　金色的為接口針腳

　　2、SMT貼片加工

　　根據(jù)該模組PCB特性，模組貼片采用單面貼裝。

　　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)物料核對(duì)：生產(chǎn)前還需根據(jù)BOM單和模組生產(chǎn)訂單進(jìn)行物料的規(guī)格、數(shù)量對(duì)SMT物料進(jìn)行核對(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：將適量的焊膏均勻的施加在PCB的焊盤上，以保證貼片元器件與PCB相對(duì)應(yīng)的焊盤在回流焊接時(shí)，達(dá)到良好的電氣連接。

　　印錫示意圖

　　(4)貼片：印錫過的PCB板，通過自動(dòng)送板機(jī)傳送到貼片機(jī)進(jìn)行貼片。貼片機(jī)的程序是事先編制好的，機(jī)器識(shí)別到有板的時(shí)候就會(huì)開始自動(dòng)取料進(jìn)行貼裝。

　　圖示 SMT加工線

　　貼片后的RTL8710模組

　　(5)爐前目檢：或稱作中間檢查，需要注意檢查元件的極性、貼裝有沒有偏移、有無短路、有無少件、多件、有無少錫等。

　　(6)回流焊接：檢查好的線路板經(jīng)過回流焊之后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行焊接。

　　到這里，模組的生產(chǎn)環(huán)節(jié)就基本結(jié)束了。

　　(7)爐后檢查：這里主要檢查的是模組的外觀，看有無焊接不良，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檢查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)現(xiàn)遇到的所有裝配錯(cuò)誤。

　　AOI檢測(cè)

　　由于采用AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)存在一定的誤判(盲點(diǎn)，少錫等)率，所以AOI的檢測(cè)后還需人工目檢。

　　模塊表層金屬屏蔽罩

　　當(dāng)然AOI檢測(cè)是爐后檢查的通用檢查方式，但因AOI檢測(cè)對(duì)表面附有金屬屏蔽罩模的塊檢測(cè)方法不可行，因此我們可以采用了另一種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)越多的時(shí)候,對(duì)內(nèi)層對(duì)位準(zhǔn)確精度的需求就會(huì)越高。其還可對(duì)封裝后內(nèi)部物件的位置和形態(tài)進(jìn)行透視觀察測(cè)量，甚者可透視金屬屏蔽器件。

　　這里需要說明的是，雖然X-Ray檢測(cè)透視性強(qiáng)，但其只是一種抽檢測(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)有缺陷的地方做檢查，如缺錫、短路、或接腳扭曲都可以再經(jīng)由傾斜板子，來調(diào)整最佳視線時(shí)容易發(fā)現(xiàn)。用眼睛來檢查不規(guī)則的地方，通常要比用顯微鏡一點(diǎn)一點(diǎn)的檢查更節(jié)省時(shí)間。當(dāng)然發(fā)現(xiàn)問題后，再用顯微鏡來做更詳細(xì)的檢驗(yàn)。

　　目檢

　　如果在此環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)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)，通過模組上的標(biāo)文我們可以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，其采用瑞昱(Realtek)芯片,生產(chǎn)商為B&T(博安通)，是一款802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的WiFi產(chǎn)品，并且符合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)的并口數(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

　　通過專有的測(cè)試夾具對(duì)GPIO口進(jìn)行專項(xiàng)測(cè)試。將模組放置在專門設(shè)計(jì)的針床夾具上，使夾具測(cè)試探頭與組件的引線相接觸，通過查看夾具周邊LED亮度的情況，來檢查GPIO接口是否合格。

　　GPIO測(cè)試

　　(3)、接收、發(fā)射功率測(cè)試

　　利用IQ2010測(cè)試儀對(duì)模組WiFi的發(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的包裝。模組包裝除了一般抵抗擠壓、震動(dòng)真空泡沫袋外，更重要的還有做防水、防靜電包裹措施。

　　另外，出貨前廠商還會(huì)進(jìn)行一定比例的抽查檢驗(yàn)。

　　四、二次開發(fā)支持：

　　在這個(gè)以服務(wù)取勝的時(shí)代，模組廠商通常從售前到售后都提供服務(wù)支持，尤其體現(xiàn)在售后的二次開發(fā)技術(shù)支持。

　　常見應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制產(chǎn)品之中的WiFi模組通常為嵌入式，不同的領(lǐng)域、不同的產(chǎn)品、不同的工程師對(duì)其二次開發(fā)，或多或少會(huì)遇到一些技術(shù)問題，模組廠商通常以開發(fā)者社區(qū)、技術(shù)熱線、郵件、即時(shí)通信、上門支持服務(wù)等。

　　最后：

　　從模組研發(fā)前的需求分析到確定方案選型，從原理圖設(shè)計(jì)到繪制PCB板，從模組軟硬件對(duì)接到確認(rèn)BOM物料;從模組生產(chǎn)涉及的PCB生產(chǎn)、到SMT加工、測(cè)試;從模組出貨到售后技術(shù)支持，從這里面的每一步，我們可以看到廠商努力的身影，我們可以感受到廠商內(nèi)心的執(zhí)著，而不是你眼中僅看到的價(jià)格······