エレクトロニクスの研究開発から生産まで、エレクトロニクス製造の全プロセス

IoTチップからモジュールまで、研究開発と製造の全プロセス

モノのインターネットとスマートホームの発展により、人とモノのつながりと相互作用が深まり、私たちの生活はよりカラフルに、より便利に、より密接につながっている。人とモノ（機器）の接続は、インターネットの無線ネットワークの無線接続に依存しますが、接続プロトコルは、主要なWiFi、BLE、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、Loraなど、多くのカテゴリです。また、WiFiプロトコルについては、Qualcomm QCA4004、MTK MT7688、LEXIN ESP8266、RTL8710など、数多くのチッププラットフォームが存在する。このように、製品開発の初期段階でエンジニアに悩みをもたらすことは避けられない。どのようなパラメータを測定する必要があるのか？測定手段は？
本日はRealtek RTL8710 WiFiモジュールを例に、選定から製造工程、研究開発、PCB製造、チップパッケージ、PCBアセンブリ（SMT）工程まで、詳しくご説明いたします。

チップからモジュールまでの4段階：

• チップス
• モジュール研究開発
• モジュール生産
• セカンダリー開発サポート

主にハードウェア設計とソフトウェア設計が含まれる。
スキームの選択、回路図とレイアウト設計、PCBボードとPCBAプロトタイピング、インデックスのデバッグとパラメータテストなど、これらの側面を考慮する必要があります。 その中でも、スキームの選択は最も重要です。

1.スキームの選択

コアは、機能、簡単な供給と生産、価格マッチングを満たすことです。

(1) 需要分析

機能の検討：WiFiのネットワーキング・モードは、1対1か1対多か。端末製品は一対一で、ゲートウェイやルーティングに使用されるのは一対多です。

伝送速度、分流量クラス、制御クラスでは、モジュールがインテリジェント家電の制御に適用される場合は、ESP8266などの部分制御クラスのチップを選択し、ルータなどの製品に使用される場合は、MTK 7620などのフロークラスのチップを選択する必要があります；

機能インターフェイスの観点から、モジュール開発者はチップ・インターフェイスの数、GPIOインターフェイス、SPIフラッシュ・インターフェイス、I2Cインターフェイスなどの機能サポートをより多く考慮するかもしれない。例えば、モノのインターネットのWIFIチップであるRTL8710は、20以上のGPIOを持ち、より多くの入出力デバイス、またはより多くの外部接続や制御をサポートしています。また、インターフェース機能の考慮も無視できません。例えば、このチップの一部のインターフェースは、動作していないときには自動的に消費電力を最低の状態にし、動作状態にあるときには自動的にスリープモードから復帰させることができ、製品の消費電力を大幅に削減することができる。
さらに、アプリケーション機能の面では、開発者は必要に応じてパススルーまたは非パススルーのチップ方式を選択できる。

(2) メリットとデメリットの分析

モジュール開発者は、チップ・ソリューションの市場需要の分析に加えて、チップのコストパフォーマンスと安定性、さらに元の工場と供給ルートも考慮する必要がある；
すべての面で優れていても、価格が市場に対して高すぎるため、あえて選ぶ人はいない。もちろん、価格だけを見ることはできないが、諺にもあるように、安い商品も非常に合理的である。2つのチップスキームの違いは明らかだが、価格が多少高くてもチップスキームの利点があれば、誰もが選ばないわけにはいかない。これは、チップソリューションの安定性に関しては特に重要である。もし消費電力が高ければ、チップの発熱やクラッシュを引き起こしやすくなる。もちろん、熱はまた、これらの問題を引き起こす可能性があるソフトウェアコードのチップメーカーの不十分な最適化などの不安定性を引き起こす多くの要因の一つである可能性があります。
メーカーやブランドによって提供されるチップソリューションは異なる場合がある。チップ業界では、欧米のチップ・ソリューションが好まれ、次いで日本と韓国のチップ・ソリューションが好まれ、台湾のチップ・ソリューションが好まれ、最後に中国本土のチップ・ソリューションが選ばれるというコンセンサスがあるようだ。もちろん、これはチップ・ソリューションの価格差が大きくないことが前提である。前述したモジュール・チップ・ソリューションは台湾メーカーのものである。
最後に、チップ・ソリューションがいかに優れていても、供給経路が不安定であったり、不足が頻発したりすることは、モジュール開発者にとっても致命的である。

2.回路図設計

モジュール開発者が良いチップ方式を選択した後、モジュールを開発・設計する必要がある。まず、回路図を設計する。

安定性：開発者は、チップメーカーが提供するチップ情報と仕様要件に従って、安定性の高い回路図を設計する必要がある。

コストの優位性：回路図には多くの設計オプションがあるが、コストの考慮は無視できない。例えば、2層回路基板設計、4層回路基板設計を使用することができ、4層回路基板も良いですが、価格はより高価です。もちろん、これはコスト考慮の一面に過ぎない。

互換設計：回路図設計におけるEMC設計の考慮は、モジュールが様々な電磁環境でも調整し、効果的に動作できることを考慮することである。その目的は、モジュールが特定の電磁環境で適切に動作できるように、モジュールがあらゆる種類の外部干渉を抑制できるだけでなく、モジュール自体が他の電子機器に与える電磁干渉を低減できるようにすることです。EMC設計はモジュール全体の安定性と性能に関係します。

大量生産の難易度：回路図の設計はまた、それが将来的に処理するために便利であるかどうかを考慮する必要があり、良い処理は、より少ない処理コストを意味します。のれんの低率の実際の処理の結果、回路図の設計もコストの増加を引き起こす場合。

3.PCBレイアウト

PCBボードの図面と一緒に、上記の部分の回路図設計は、総称してPCBレイアウトと呼ばれています。両方が補完的であり、回路図の設計は、PCBボードの図面に反映されることであり、回路図は、PCBボードの図面も考慮する必要があり、PCBボードの図面はまた、より考慮する必要があります。例えば、RFの考慮事項、安定性の考慮事項、構造的な考慮事項、さらには描画PCBボードはまた、ボードの美観を考慮する必要があります。ボード上の図面から、あなたは、モジュールメーカーは、最終的にはプロではない見ることができますので。
もちろん、PCBレイアウトによって、PCBの選択、抵抗器、コンデンサ、その他の材料の種類と数量は、BOM（部品表）の材料リストに反映されます。また、PCBとPCBアセンブリ（SMT）の生産は、この材料リストに従って決定されます。

4.PCBプロトタイプ

プリント基板（PCB）はエポキシガラス樹脂でできており、チップやその他の部品がはんだ付けされる信号層の数が異なる。

ベンダーの選択：PCBプロトタイプ、モジュールメーカーが外部メーカーを探す場合、通常、これらのメーカーがPCBプロトタイプの経験を持っているかどうか、メーカーの設備がニーズに合っているかどうか、メーカーの管理が良いかどうかなどを考慮する必要がある。

プロセス要件：PCBが多層である場合、多層PCBを専門とするメーカーを探す必要がある。

5.PCBAプロトタイプ

CircuitBoard +Assembly (PCBA)は、SMTプロセスとDIPプラグインプロセスを経たPCBベアボードです。PCBAは完成PCBとも呼ばれます。

PCB＆PCBAプロトタイピングは、完全な量産を開始する前に、設計の品質と性能を確認するための最良の選択です。プリント基板が必要な場合、サンプル基板を迅速に製造し、修正することができる信頼できるプロトタイプメーカーと協力することは非常に重要です。これらの基板は、プロジェクトの初期段階でミスや潜在的な欠陥がある場合、設計を迅速にテストし、検証することができます。私達のUETPCBは高品質および安価のPCB製造業そしてアセンブリのための速い回転PCBプロトタイプサービスを提供する。

6.デバッグ

モジュールのデバッグには、主にハードウェア回路のデバッグとソフトウェアのデバッグがある。

一般的なWi-Fi製品のRF部はいくつかの部品で構成されており、点線の青枠がパワーアンプ部と統一されている。無線トランシーバー（Radio Transceiver）は、一般的に設計の核となるデバイスの一つである。高周波回路との密接な関係に加え、CPUとの関連も一般的です。ここでは、高周波回路に関連する内容の一部にのみ注目する。信号を送信する場合、トランシーバー自身は小さな電力で微弱な高周波信号を直接パワーアンプ（PA）に出力し、送受信スイッチからアンテナを通して空間に放射する。信号を受信すると、アンテナは空間の電磁信号を感知し、それを増幅するために低雑音増幅器（LNA）に送り、増幅された信号を直接トランシーバーに送り、処理と復調を行います。

ハードウェアのデバッグには、主にRF回路と機能回路のデバッグが含まれる。RFデバッグには、送信と受信の2つの主要な側面が含まれ、送信には送信電力、位相エラーデバッグなどが含まれ、受信には感度、受信電力平等などが含まれる。機能回路のデバッグは、ハードウェア機能モジュールの特定の回路のデバッグに関連する。

RF パラメータのデバッグでは、送信 TX は主に Power Power、エラーベクトル振幅 EVM、周波数オフセット FREQ である。受信Rxに関しては、主に受信SensitivityとSensitivityである。これらのパラメータは、WiFiデータ信号伝送が安定しているかどうかに影響する。これをテストするには特別な装置が必要です。例えば、LitePointd IQ2010、WT-200などである。

また、ソフトウェアのデバッグは、主に安定性、関数のデバッグの整合性にあります。一般的に言えば、特定のチューニングは、単一または部分的な関数で実行され、次のステップは、より包括的なテストを実施することです。

7.テスト

電子回路テストは、測定、判断、調整、繰り返しプロセスの再測定の一連の目的のための回路設計指標を達成することです。

機能テストモジュールがサポートする機能、操作説明、ユーザースキームに従って、モジュールの機能と操作可能な動作をテストし、設計要件を満たしているかどうかを判断します。

パフォーマンステスト： 主にモジュールの各機能回路、信号伝送距離、その他のパラメーターをテストする。

安定性試験： 実際の伝送速度、実際の消費電力、スループット、ワイヤレス接続、および関連モジュールのその他の安定性がテストされます。

バーンインテスト： モジュールの寿命を見極め、使用時に最良の結果を得るためのテストである。システムは長時間作業状態にあるため、作業時には各機器に負荷動作を引き継ぐ。このような条件下で装置の性能安定性が保証される限り、通常の環境下では作業モジュールの寿命は長くなります。

認定試験いくつかの製品は、関連する国の指定された認証機関の認定を取得し、関連する証明書を取得し、認証マークを追加する必要があり、工場、インポート、販売、ビジネスサービスの場所で使用することができ、特に通信製品、およびFCC、CE、RoHS指令、ULなどの国際的なより一般的な認証。

モジュール生産

モジュール生産は主にPCB生産、PCBA(SMT)加工とテストを含みます。

PCB製造はモジュール製造の最も基本的で重要なステップである。全工程を下図に示す。

PCBアセンブリ（SMT）加工

モジュールのPCB特性により、片面に実装される。

片面組立工程

入射材料検出→はんだペースト印刷→はんだ付け→リフロー→洗浄→検査

(1)材料チェック：生産前に、SMT材料はBOMと生産指示書に従って材料の仕様と数量をチェックしなければならない；

(2）調整機：同時に、SMTをプログラムし、調整する必要があります。調整機の完了後、それは供給プロセスです。

(3)はんだペースト印刷：リフローはんだ付けの際に、部品のピンとPCBに対応するパッドとの間の良好な電気的接続を確保するために、PCBのはんだパッド上に均一にはんだペーストを塗布する。

(4) はんだ付け：はんだペーストが印刷されたプリント基板は、自動供給装置によってSMTマシンに送られる。SMTマシンのプログラムはあらかじめ準備されている。機械は基板があると認識すると、自動的に実装のための材料を取り始めます。

(5)リフロー前の目視検査：または中間検査と呼ばれ、部品の極性、オフセットの有無、短絡の有無、個数の少なさなどに注意を払う必要がある。

(6) リフローはんだ付け：チェックされたプリント基板は、リフローはんだ付け後に自動的にはんだ付けされます。

この時点で、モジュール製造工程は基本的に終了する。

(7)リフロー後の検査：ここでは、はんだ付け不良、錫ビーズ、短絡、部品のオフセットなどがあるかどうかを確認するための外観検査が主な検査です。外観検査の方法は、AOI検査/X線サンプリング検査、目視検査です。

(8) AOIテスト

通常、AOI検査はリフローの前でも後でも可能だが、ほとんどのメーカーはリフロー後にAOI検査を行う。

AOI自動光学検出の誤判定率（死角、スズの少なさなど）のため、AOI検出後に人工的な目視検査が必要となる。

モジュール表面の金属製シールドカバー

しかし、表面に金属遮蔽モールドがあるブロックでは、AOI検出は不可能であるため、別のX線スポット検査を採用することができます。X線非接触三次元検査法は、回路基板の層数が多い場合、要求精度の内層が高くなります。また、透視観察、封入物の位置と形状の測定、金属遮蔽装置の透視にも使用できます。

目視検査とは、まず目視で基板全体をスキャンし、次に顕微鏡で不良箇所を検査することである。例えば、錫の欠落や回路のショートなどは、基板を傾けて最適な視界を調整することで容易に発見することができる。通常、顕微鏡で少しずつ調べるよりも、目視でイレギュラーな箇所を調べる方が時間はかからない。もちろん、問題が見つかれば、顕微鏡を使ってさらに詳しく調べることができる。

その後、レーザーマーキングマシンを使ってモジュールにマーキングします。モジュール上のマーキングテキストを通じて、我々はいくつかのチップメーカー、シリーズ、モデルおよびその他の情報に接続することができます。

モジュールテスト

(1) プログラミング
プログラミングのための普遍的なシリアル プログラマー、任意パラレル ポートのデータ ラインの最初の使用、プログラマーおよびコンピュータ パラレル ポートの関係、オンライン プログラミング。

(2) GPIOテスト GPIOポートの特別テストは、独自のテストフィクスチャを介して行われます。モジュールを特別に設計されたニードルベッド治具の上に置き、治具のテストプローブを部品のリードに接触させ、治具の周りのLEDの明るさをチェックすることにより、GPIOインターフェイスが適格であるかどうかを確認します。

GPIOテスト

(3）受信と送信電力試験IQ 2010テスターは、送信電力をテストし、モジュールWIFIの電力を受信するために使用されます。

(4)その他テストが完了した後、工場出荷前にモジュールを梱包する必要があります。モジュールの包装は、一般的な耐押出、振動真空発泡袋に加えて、より重要かつ防水、帯電防止包装対策。

一般的にインテリジェントな家庭で使用され、通常埋め込まれたWiFiモジュールの産業用制御製品、さまざまな分野、さまざまな製品、2回目の開発のための別のエンジニアは、いくつかの技術的な問題が発生します、多かれ少なかれモジュールメーカーは、通常、開発者コミュニティ、テクニカルホットライン、電子メール、インスタントメッセージング、オンサイトサポートサービスを使用しています。

モジュールの研究開発前の需要分析からスキーム選択の決定まで、回路図設計からPCBボードの図面まで、モジュールのハードウェアとソフトウェアのマッチングからBOM材料の確認まで、PCB生産、SMT加工、モジュール生産に関連するテストまで、モジュールの納品からアフターセールス技術サポートまで、すべてのステップは非常に重要であり、私たちはPCBとPCBAメーカーの重要性を知ることができます。

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