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文檔簡介

揭秘IoT芯片到模組研發(fā)生產全過程物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的開展,加深了人與物的連接互動,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,又有多個芯片平臺如高通QCA4004、MTK的MT7688、樂鑫的ESP8266、瑞昱的RTL8710等;這樣一來,難免會給工程師產品開發(fā)前期帶來困擾:產品適合選用什么協(xié)議?需要哪些參數(shù)做衡量?又有什么測試測量手段?

今天就以瑞昱的RTL8710

WiFi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加工的過程工藝來給大家做個細致的講述,爭取能撥開云霧見明月。芯片到模組的四個階段一、芯片從度娘拿來的芯片生產過程。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)主要涉及硬件設計、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(shù)測試;其中,方案選型為重中之重。1、方案選型核心是滿足功能、供貨生產容易、價格匹配;〔1〕需求分析功能考量:wifi使用的組網(wǎng)方式,一對一,還是一對多。終端產品取一對一,用在網(wǎng)關、路由上那么是一對多。在傳輸速率上,分流量類,控制類,如果模塊應用在智能家電控制方面的,選擇偏控制類的芯片,比方ESP8266即可;如果用在路由器這樣的產品,就要選擇流量類芯片,比方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,比方GPIO功能口、SPIflash擴展口、I2C接口;其實這個很好理解,比方RTL8710這款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片,它的GPIO多達二十多個,支持多的輸入輸出設備,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無視的,比方這款芯片其有的接口在無工作狀態(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,這樣可大大降低產品的功耗。另外,在應用功能方面,開發(fā)商根據(jù)需要選擇透傳類,還是非透傳類的芯片方案。

〔2〕優(yōu)劣分析除對芯片方案的市場需求進行分析外,模組開發(fā)商還需要考慮芯片的性價比與穩(wěn)定性,以及原廠及供貨渠道;

一款好的產品就算各個方面都過硬,但是價格脫離市場高的離譜,那么絕對是沒有人敢選擇的。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的。如果兩款芯片方案優(yōu)勢差異比擬明顯,但是優(yōu)勢占優(yōu)的芯片方案即使價格高一點也阻擋不了大家選擇的。說到芯片方案的穩(wěn)定性,這個尤為關鍵。倘假設是一款功耗高易引起發(fā)熱而造成死機的芯片,你如何讓產品開發(fā)商、消費者選擇呢。當然發(fā)熱可能是造成不穩(wěn)定眾多因素中的一種,如芯片廠商對軟件代碼的優(yōu)化不到位,同樣會引起上述問題。

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,歐美芯片方案優(yōu)先選擇,接著是日韓,再者就是臺灣,最后才選擇大陸芯片方案,當然這是在芯片方案價格差異不大的前提之下。當然這樣籠統(tǒng)的說是不太科學,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,對于模組開發(fā)商同樣是非常致命的。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)設計最先做的工作就是,設計原理圖。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)格要求設計出穩(wěn)定性高的原理圖。

本錢優(yōu)勢:原理圖有多種設計方案,但是不能無視對本錢考量。如兩層電路板設計,四層電路板設計都可以使用,四層電路板也更優(yōu),但是價格就更貴。當然這只是本錢考慮的一個方面而已。

兼容設計:原理圖設計時的電磁兼容設計考慮,就是要考慮模組在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調、有效地進行工作。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,同時又能減少模組本身對其它電子設備的電磁干擾。電磁兼容設計考慮,涉及到整個模塊的穩(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。如果設計的原理圖致使實際加工的良品率低的話,同樣會造成本錢增加。

3、繪制PCB板上局部的原理圖設計,與畫PCB板一塊,被統(tǒng)稱為PCBLayout。兩者都是相輔相成的,原理圖設計的就是要在畫PCB板上得到表達,原理圖要考慮的畫PCB板時同樣需要考慮,并且畫PCB板還需要考慮的更多。比方,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的美觀度。因為從板子的畫法上就可以看出模組廠商到底是不是專業(yè)。

當然根據(jù)PCBLayout設計方案設所涉及的PCB選型,電阻、電容類型和數(shù)量等各項物料情況,都會在BOM〔BillofMaterial〕物料清單表達,同樣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,有不同信號層數(shù),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,廠商的設備是否滿足需要,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)驗的廠家。

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插件的整個制程,簡稱PCBA,可能理解其為成品線路板。

6、調試對于模組的調試,主要在于硬件電路調試和軟件調試。Wi-Fi產品的一般射頻設計框圖一般Wi-Fi產品的射頻局部由幾大局部組成,藍色的虛線框內統(tǒng)一看成是功率放大器局部。無線收發(fā)器〔RadioTransceiver〕一般是一個設計的核心器件之一,除了與射頻電路的關系比擬密切以外,一般還會與CPU有關,這里我們只關注其與射頻電路相關的一些內容。發(fā)送信號時,收發(fā)器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號,送至功率放大器〔PowerAmplifier,PA〕進行功率放大,然后通過收發(fā)切換器〔Transmit/ReceiveSwitch〕經(jīng)由天線〔Antenna〕輻射至空間。接收信號時,天線會感應到空間中的電磁信號,通過切換器之后送至低噪聲放大器〔LowNoiseAmplifier,LNA〕進行放大,這樣放大后的信號就可以直接送給收發(fā)器進行處理,進行解調。

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

射頻參數(shù)的調試,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(shù)影響著WiFi數(shù)據(jù)信號傳輸是否穩(wěn)定;需要專門的儀器來測試。比方LitePointd的IQ2021、極致匯儀的WT-200;目前,該行業(yè)RFsister開放實驗室提供這些方面測試效勞。另外,軟件調試主要在于穩(wěn)定性、功能的完整性調試。一般而言,只是單一,或者局部功能進行的具體調測,下一步那么需要進行更全面的測試

7、測試所謂電子電路的測試,是以到達電路設計指標為目的而進行的一系列的測量、判斷、調整、再測量的反復進行過程。

功能測試:根據(jù)模塊支持的特性、操作描述和用戶方案,測試該模塊的特性和可操作行為以確定其是否滿足設計需求。

性能測試:主要涉及測試模塊各個功能電路,以及信號的傳輸距離等還其他參數(shù)。

穩(wěn)定性測試:對涉及模塊的實際傳輸速率、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到達最正確效果而進行的一項測試。因系統(tǒng)長時間的處于工作狀態(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保證設備的性能穩(wěn)定,那么在正常環(huán)境下工作模組的使用壽命就會更久。

認證測試:某些產品必須經(jīng)相關國家指定的認證機構認證合格,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(jīng)營效勞場所使用,尤其是通信類產品,而國際比擬普及的認證如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、模組測試三個環(huán)節(jié):1、PCB生產PCB生產是模組生產最根底也是最重要的環(huán)節(jié),全流程如下列圖。

以下是按照模組要求生產的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=>

絲印焊膏〔點貼片膠〕=>貼片=>回流焊接=>清洗

=>檢測

〔1〕物料核對:生產前還需根據(jù)BOM單和模組生產訂單進行物料的規(guī)格、數(shù)量對SMT物料進行核對;

〔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?!?〕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相對應的焊盤在回流焊接時,到達良好的電氣連接。

印錫示意圖〔4〕貼片:印錫過的PCB板,通過自動送板機傳送到貼片機進行貼片。貼片機的程序是事先編制好的,機器識別到有板的時候就會開始自動取料進行貼裝。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)過回流焊之后就會自動進行焊接。到這里,模組的生產環(huán)節(jié)就根本結束了?!?〕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。外觀檢驗方式有:AOI檢測/X-Ray抽檢、目檢。A1、AOI檢測通常AOI檢查可放在回流焊接前或者后,但多數(shù)廠商AOI檢測選擇放在回流焊之后,因為這個位置可發(fā)現(xiàn)遇到的所有裝配錯誤。

AOI檢測由于采用AOI自動光學檢測存在一定的誤判〔盲點,少錫等〕率,所以AOI的檢測后還需人工目檢。

模塊表層金屬屏蔽罩

當然AOI檢測是爐后檢查的通用檢查方式,但因AOI檢測對外表附有金屬屏蔽罩模的塊檢測方法不可行,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檢驗法,當電路板層數(shù)越多的時候,對內層對位準確精度的需求就會越高。其還可對封裝后內部物件的位置和形態(tài)進行透視觀察測量,甚者可透視金屬屏蔽器件。這里需要說明的是,雖然X-Ray檢測透視性強,但其只是一種抽檢測試方式。

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,來調整最正確視線時容易發(fā)現(xiàn)。用眼睛來檢查不規(guī)那么的地方,通常要比用顯微鏡一點一點的檢查更節(jié)省時間。當然發(fā)現(xiàn)問題后,再用顯微鏡來做更詳細的檢驗。

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、報廢等處理。

接著用激光打標機給模組打標,通過模組上的標文我們可以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,其采用瑞昱〔Realtek〕芯片,生產商為B&T〔博安通〕,是一款802.11b/g/n標準的WiFi產品,并且符合FCC標準。

3、模組測試〔1〕燒錄

通用串行編程器進行燒錄,首先使用隨機的并口數(shù)據(jù)線,將編程器與計算機并口聯(lián)接,進行聯(lián)機燒寫。

〔2〕GPIO測試通過專有的測試夾具對GPIO口進行專項測試。將模組放置在專門設計的針床夾具上,使夾具測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測試

〔3〕、接收、發(fā)射功率測試利用IQ2021測試儀對模組WiFi的發(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的包裝。模組包裝除了一般抵抗擠壓、震動真空泡沫袋外,更重要的還有做防水、防靜電包裹措施。

另外,出貨前廠商還會進行一定比例的抽查檢驗。

四、二次開發(fā)支持:在這個以效勞取勝的時代,模組廠商通常從售前到售后都提供效勞支持,尤其表達在售后的二次開發(fā)技術支持。

常見應用于智能家居、工業(yè)控制產品之中的WiFi模組通常為嵌入式,不同的領域、不同的產品、不同的工程師對其二次開發(fā),或多或少會遇到一些技術問題,模組廠商通常以開發(fā)者社區(qū)、技術熱線、郵件、即時通信、上門支持效勞等。

在開發(fā)者

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