De la recherche et développement à la production, le processus complet de fabrication électronique

De la puce IoT au module, en passant par l'ensemble du processus de R&D et de production

Le développement de l'Internet des objets et de la maison connectée a approfondi la connexion et l'interaction entre les personnes et les objets, rendant nos vies plus riches, plus pratiques et plus connectées. La connexion entre les personnes et les objets (équipements) repose sur une connexion sans fil via Internet, mais il existe de nombreux protocoles de connexion, tels que WiFi, BLE, ZigBee, Z-Wave, NB-IoT, LoRa, etc. Concernant le protocole WiFi, plusieurs plateformes de puces sont disponibles, comme Qualcomm QCA4004, MTK MT7688, LEXIN ESP8266, RTL8710, etc. De ce fait, les ingénieurs sont confrontés à des difficultés dès les premières étapes du développement produit : quel protocole est adapté au produit ? Quels paramètres faut-il mesurer ? Quels sont les moyens de mesure ?
Aujourd'hui, en prenant comme exemple le module WiFi Realtek RTL8710, nous vous proposons une explication détaillée de la sélection, du processus de production, de la recherche et du développement, de la production de PCB, des boîtiers de puces et du processus d'assemblage de PCB (SMT).

Les quatre étapes de la puce au module :

• Puces
• Module R&D
• Production de modules
• Soutien au développement secondaire

Cela implique principalement la conception matérielle et la conception logicielle.
Il convient de prendre en compte les aspects suivants : choix du schéma, conception du schéma et de l’implantation, prototypage des cartes PCB et PCBA, débogage des index et tests des paramètres. Parmi ceux-ci, le choix du schéma est primordial.

1. Sélection du schéma

L'essentiel est de répondre aux besoins fonctionnels, de faciliter l'approvisionnement et la production, et d'assurer un prix compétitif.

(1) Analyse de la demande

Considérations fonctionnelles : le mode de réseau Wi-Fi, de type point à point ou point à plusieurs. Les terminaux fonctionnent en mode point à point, tandis que les passerelles et les routeurs fonctionnent en mode point à plusieurs.

En termes de débit de transmission, de classe de quantité de shunt et de classe de contrôle, si le module est utilisé dans le contrôle d'appareils électroménagers intelligents, sélectionnez une puce de classe de contrôle partielle, telle que l'ESP8266 ; s'il est utilisé dans des produits tels que des routeurs, il est nécessaire de choisir des puces de classe de flux, telles que le MTK 7620 ;

En termes d'interface fonctionnelle, les développeurs de modules peuvent privilégier le nombre d'interfaces de la puce et les fonctionnalités prises en charge, telles que les interfaces GPIO, SPI Flash et I2C. Ce point est facile à comprendre. Par exemple, la puce Wi-Fi RTL8710, utilisée dans l'Internet des objets, possède plus de 20 GPIO et prend en charge un grand nombre de périphériques d'entrée/sortie, ainsi que davantage de connexions et de commandes externes. Il est également essentiel de considérer les fonctionnalités des interfaces. Par exemple, certaines interfaces de cette puce peuvent réduire automatiquement la consommation d'énergie au minimum lorsqu'elles ne sont pas utilisées et sortir automatiquement du mode veille lorsqu'elles sont en fonctionnement, ce qui permet de réduire considérablement la consommation d'énergie du produit.
De plus, en ce qui concerne la fonction de l'application, le développeur peut choisir le schéma de puce avec ou sans traversée selon ses besoins.

(2) Analyse des avantages et des inconvénients

Outre l'analyse de la demande du marché pour les solutions de puces, les développeurs de modules doivent également prendre en compte le rapport coût-performance et la stabilité de la puce, ainsi que l'usine d'origine et les canaux d'approvisionnement ;
Un bon produit, même s'il présente d'excellentes caractéristiques, peut être dissuadé par son prix exorbitant. Bien sûr, le prix n'est pas le seul critère, et comme le dit l'adage, les produits bon marché sont souvent tout à fait acceptables. Si les avantages des deux puces sont manifestes, un léger surcoût ne devrait pas empêcher les consommateurs de choisir la puce la plus performante. La stabilité des puces est un point crucial. Comment convaincre les développeurs et les consommateurs d'opter pour une solution trop gourmande en énergie, susceptible de provoquer une surchauffe et des pannes ? La surchauffe peut être l'un des nombreux facteurs d'instabilité, tout comme une optimisation insuffisante du code logiciel par les fabricants.
Les solutions de puces proposées par différents fabricants ou marques peuvent varier. Dans l'industrie des semi-conducteurs, il semble y avoir un consensus : les solutions européennes et américaines sont privilégiées, suivies de celles du Japon et de la Corée du Sud, puis de Taïwan, et enfin de celles de Chine continentale. Bien entendu, ce classement repose sur le principe que l'écart de prix entre les solutions reste faible. La solution de puce modulaire mentionnée précédemment provient d'un fabricant taïwanais.
Enfin, aussi performante soit la solution de puce, la chaîne d'approvisionnement est instable, voire sujette à des pénuries fréquentes, ce qui est également très préjudiciable aux développeurs de modules.

2. Conception du schéma

Une fois qu'un schéma de puce approprié a été choisi par le développeur du module, il est nécessaire de développer et de concevoir le module. La première étape consiste à concevoir le schéma.

Stabilité : le développeur doit concevoir le schéma avec une grande stabilité en fonction des informations sur la puce fournies par le fabricant et des exigences de spécification.

Avantage économique : de nombreuses options de conception existent pour les schémas, mais il ne faut pas négliger les aspects financiers. Par exemple, on peut utiliser des circuits imprimés à deux ou quatre couches ; ces derniers sont plus performants, mais plus onéreux. Ce n’est là, bien sûr, qu’un aspect à prendre en compte.

Conception compatible : lors de la conception du schéma, il est essentiel de veiller à ce que le module puisse fonctionner efficacement dans divers environnements électromagnétiques. L’objectif est de garantir que le module puisse non seulement supprimer toutes sortes d’interférences externes pour fonctionner correctement dans un environnement électromagnétique spécifique, mais aussi réduire les interférences électromagnétiques qu’il génère lui-même sur les autres équipements électroniques. La conception CEM concerne la stabilité et les performances de l’ensemble du module.

Degré de difficulté de production en série : la conception schématique doit également prendre en compte la facilité de mise en œuvre ultérieure, une mise en œuvre aisée permettant de réduire les coûts. À l’inverse, une conception schématique aboutissant à une mise en œuvre effective peu rentable engendre une augmentation des coûts.

3. Disposition du circuit imprimé

La conception schématique de la partie mentionnée ci-dessus, associée au dessin du circuit imprimé, est appelée « implantation du circuit imprimé ». Ces deux éléments sont complémentaires : la conception schématique doit se refléter dans le dessin du circuit imprimé, et inversement, le schéma doit être pris en compte pour le dessin du circuit imprimé, qui exige une attention particulière. Par exemple, les aspects RF, la stabilité, la structure, et même l'esthétique du circuit imprimé doivent être considérés. En effet, un dessin mal réalisé peut révéler un manque de professionnalisme de la part du fabricant du module.
Bien entendu, en fonction du schéma d'implantation du circuit imprimé, le choix du circuit imprimé, ainsi que le type et la quantité de résistances, de condensateurs et autres composants, seront indiqués dans la nomenclature (BOM). La production du circuit imprimé et son assemblage (CMS) seront ensuite déterminés à partir de cette nomenclature.

4. Prototype de circuit imprimé

Les cartes de circuits imprimés (PCB), ou puces, sont fabriquées en résine époxy et comportent un nombre variable de couches de signal sur lesquelles les puces et autres composants sont soudés.

Sélection des fournisseurs : Pour les prototypes de circuits imprimés, les fabricants de modules, s’ils recherchent des fabricants externes, doivent généralement prendre en compte si ces fabricants ont de l’expérience en matière de prototypage de circuits imprimés, si leur équipement répond aux besoins et si leur gestion est efficace, etc.

Exigences relatives au processus : si le circuit imprimé est multicouche, il est nécessaire de trouver un fabricant spécialisé dans les circuits imprimés multicouches.

5. Prototype de carte de circuit imprimé

Une carte de circuit imprimé assemblée (PCBA) est une carte nue qui subit les processus de montage en surface (SMT) et d'enfichage DIP. On parle également de carte de circuit imprimé finie.

Le prototypage de circuits imprimés (PCB) et d'assemblages de circuits imprimés (PCBA) est la solution idéale pour vérifier la qualité et les performances d'une conception avant le lancement de la production en série. Il est essentiel de collaborer avec un fabricant de prototypes fiable, capable de fabriquer rapidement des cartes d'essai et d'apporter les corrections nécessaires. Ces cartes permettent de tester et de valider rapidement les conceptions, notamment en détectant les erreurs ou les défauts potentiels dès les premières étapes de vos projets. Commander d'abord de petits prototypes s'avère également plus rentable. UETPCB propose des services de prototypage de circuits imprimés rapides, incluant la fabrication et l'assemblage, garantissant une qualité optimale à un prix compétitif.

6. Débogage

Le débogage du module repose principalement sur le débogage du circuit matériel et le débogage logiciel.

La partie RF des produits Wi-Fi courants est composée de plusieurs éléments, et le cadre bleu en pointillés représente généralement l'amplificateur de puissance. L'émetteur-récepteur sans fil (émetteur-récepteur radio) est généralement un composant essentiel du système. Outre son lien étroit avec le circuit radiofréquence, il est généralement connecté au processeur. Nous nous concentrerons ici sur les aspects relatifs au circuit radiofréquence. Lors de la transmission d'un signal, l'émetteur-récepteur génère directement un signal radiofréquence de faible puissance vers un amplificateur de puissance (PA), qui le diffuse ensuite dans l'espace via un commutateur émetteur/récepteur et une antenne. À la réception, l'antenne capte le signal électromagnétique et le transmet à un amplificateur à faible bruit (LNA) pour amplification. Le signal amplifié est ensuite renvoyé à l'émetteur-récepteur pour traitement et démodulation.

Le débogage matériel concerne principalement les circuits RF et les circuits fonctionnels. Le débogage RF comprend deux aspects majeurs : l’émission et la réception. L’émission inclut le réglage de la puissance d’émission, la correction des erreurs de phase, etc., tandis que la réception inclut la sensibilité et l’égalisation du courant reçu. Le débogage des circuits fonctionnels est plus spécifiquement lié au débogage des circuits d’un module fonctionnel matériel.

Pour le débogage des paramètres RF, en émission (TX), on considère principalement la puissance (Power), l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) et le décalage de fréquence (FREQ). En réception (Rx), on considère principalement la sensibilité et la sensibilité. Ces paramètres influencent la stabilité de la transmission du signal de données WiFi. Un équipement spécifique est nécessaire pour effectuer ces tests, comme le LitePointd IQ2010 ou le WT-200.

De plus, le débogage logiciel consiste principalement à vérifier la stabilité et l'intégrité des fonctions. En règle générale, un réglage précis est effectué sur une fonction ou une partie de celle-ci, puis l'étape suivante consiste à réaliser des tests plus complets.

7.Test

Le test de circuit électronique vise à obtenir les indicateurs de conception du circuit dans le but d'effectuer une série de mesures, d'évaluations, d'ajustements et de remesures au cours d'un processus répété.

Test fonctionnel : en fonction des fonctionnalités, de la description du fonctionnement et du schéma utilisateur pris en charge par le module, tester les fonctionnalités et le comportement opérationnel du module afin de déterminer s'il répond aux exigences de conception.

Test de performance : il consiste principalement à tester chaque circuit fonctionnel du module, ainsi que la distance de transmission du signal et d’autres paramètres.

Test de stabilité : le débit de transmission réel, la consommation d’énergie réelle, le débit de transmission, la connexion sans fil et d’autres aspects de stabilité des modules concernés sont testés.

Test de rodage : Ce test permet de déterminer la durée de vie du module et d’optimiser ses performances en fonctionnement. Le système, fonctionnant en continu, supporte la charge appliquée à chaque appareil. Si la stabilité des performances de l’équipement est garantie dans ces conditions, la durée de vie du module sera prolongée en environnement normal.

Test de certification : certains produits doivent être certifiés par les organismes de certification désignés du pays concerné, obtenir les certificats correspondants et ajouter les marques de certification. Ils peuvent être utilisés en usine, à l’importation, à la vente et dans les lieux de services commerciaux, notamment pour les produits de communication, et faire l’objet de certifications internationales plus répandues telles que FCC, CE, RoHS, UL, etc.

Production de modules

La production de modules comprend principalement la production de PCB, le traitement des PCBA (SMT) et les tests.

La production des circuits imprimés est l'étape la plus fondamentale et la plus importante de la production de modules. L'ensemble du processus est illustré dans la figure suivante.

Assemblage de circuits imprimés (CMS)

Conformément aux caractéristiques du circuit imprimé du module, celui-ci est monté sur une seule face.

processus d'assemblage unilatéral

Détection des matériaux entrants → Impression de la pâte à braser → Soudage → Refusion → Nettoyage → Tests

(1) Contrôle des matériaux : avant la production, les matériaux SMT doivent être vérifiés conformément aux spécifications et aux quantités de matériaux selon la nomenclature et les ordres de production ;

(2) Réglage de la machine : simultanément, la machine SMT doit être programmée et réglée. Une fois le réglage de la machine terminé, on peut procéder à l’alimentation.

(3) Impression de pâte à braser : appliquer la pâte à braser uniformément sur les pastilles de soudure du PCB pour assurer une bonne connexion électrique entre les broches des composants et les pastilles correspondantes du PCB lors du soudage par refusion.

(4) Soudage : La carte de circuit imprimé, recouverte de pâte à braser, est acheminée vers la machine CMS par un alimentateur automatique. Le programme de la machine CMS est préprogrammé. Dès qu’elle détecte la présence de la carte, elle lance automatiquement le processus de montage.

(5) Inspection visuelle avant refusion : ou inspection intermédiaire, il est nécessaire de prêter attention à la polarité des composants, pas de décalage, pas de court-circuit, pas de pièces manquantes, etc.

(6) Soudage par refusion : le circuit imprimé vérifié sera automatiquement soudé après le soudage par refusion.

À ce stade, le processus de production des modules est pratiquement terminé.

(7) Inspection après refusion : l’inspection principale consiste à vérifier l’aspect visuel afin de détecter d’éventuelles soudures défectueuses, des perles d’étain, des courts-circuits, un décalage des composants, etc. Les méthodes d’inspection visuelle sont l’inspection AOI/l’inspection par échantillonnage aux rayons X et l’inspection visuelle.

(8) Test AOI

Normalement, l'inspection AOI peut être effectuée avant ou après le refusion, mais la plupart des fabricants choisissent de la réaliser après le refusion car c'est à ce moment-là que toutes les erreurs d'assemblage rencontrées peuvent être détectées.

En raison du taux d'erreur de jugement (zone aveugle, manque d'étain, etc.) de la détection optique automatique AOI, une inspection visuelle manuelle est nécessaire après la détection AOI.

Couvercle de protection métallique sur la surface du module

Cependant, la détection AOI n'est pas envisageable pour les blocs comportant des moules de blindage métallique en surface. Il est donc possible d'utiliser une autre méthode d'inspection ponctuelle par rayons X. Cette méthode d'inspection 3D sans contact par rayons X, dont la précision requise pour les couches internes est plus élevée lorsque le nombre de couches du circuit imprimé est important, peut également servir à l'observation et à la mesure en perspective de la position et de la forme des objets encapsulés, voire même à l'inspection en perspective des dispositifs de blindage métallique.

L'inspection visuelle consiste d'abord à parcourir l'ensemble de la carte à l'œil nu, puis à examiner les zones défectueuses au microscope, telles que les manques d'étain ou les courts-circuits. Ces défauts sont facilement repérables en inclinant la carte pour optimiser la visibilité. Il est généralement plus rapide d'examiner les irrégularités à l'œil nu que de les observer une par une au microscope. Bien entendu, une fois le problème identifié, le microscope permet un examen plus approfondi.

Nous utilisons ensuite une machine de marquage laser pour marquer le module. Le texte marqué sur le module nous permet d'établir des liens avec certains fabricants de puces, leurs séries, modèles et autres informations.

essai de module

(1) Programmation
Programmateur série universel pour la programmation, première utilisation d'une ligne de données de port parallèle aléatoire, connexion du programmateur et de l'ordinateur au port parallèle, programmation en ligne.

(2) Test GPIO : un test spécifique du port GPIO est réalisé à l’aide d’un banc de test propriétaire. Placez le module sur un support à aiguilles spécialement conçu à cet effet, mettez en contact la sonde de test du banc avec la broche du composant et vérifiez la conformité de l’interface GPIO en contrôlant la luminosité des LED autour du banc de test.

test GPIO

(3) Test de puissance de réception et de transmission Le testeur IQ 2010 est utilisé pour tester la puissance de transmission et la puissance de réception du module WIFI.

(4) Autres : Une fois le test terminé, le module doit être emballé avant de quitter l’usine. Outre les mesures générales de protection contre l’extrusion et les vibrations (sacs en mousse sous vide), l’emballage du module doit impérativement être étanche et antistatique.

Couramment utilisé dans les produits domotiques et de contrôle industriel, le module WiFi embarqué est généralement utilisé dans différents domaines, produits et par différents ingénieurs lors du développement. Des problèmes techniques peuvent alors survenir. La plupart des fabricants de modules proposent généralement une assistance technique à la communauté des développeurs, par téléphone, e-mail, messagerie instantanée ou sur site.

De l'analyse des besoins préalable à la recherche et au développement du module, jusqu'à la détermination du choix du schéma, de la conception schématique au dessin de la carte PCB, de l'adéquation du matériel et du logiciel du module à la confirmation des matériaux de la nomenclature ; production de PCB, traitement SMT et tests liés à la production du module ; de la livraison du module au support technique après-vente, chaque étape est cruciale et nous pouvons mesurer l'importance des fabricants de PCB et de PCBA.

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