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······