从物联网芯片到模块，整个研发和生产过程
物联网和智能家居的发展加深了人与物之间的联系与互动，使我们的生活更加丰富多彩、更加便捷，也更加紧密地联系在一起。 人与物（设备）之间的连接依赖于互联网无线网络，但连接协议种类繁多，例如主流的Wi-Fi、BLE、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、LoRa等。 就 Wi-Fi 协议而言，有高通 QCA4004、联发科 MT7688、凌芯 ESP8266、RTL8710 等多种芯片平台；这不可避免地给产品开发初期的工程师们带来了困扰：哪种协议适合该产品？ 需要测量哪些参数？又该采用哪些测量手段？
今天，我们将以瑞昱（Realtek）RTL8710 WiFi模块为例，从选型、生产流程、研发、PCB生产、芯片封装到PCB组装（SMT）工艺，为您进行详细讲解。
从芯片到模块的四个阶段：
- 薯片
- 模块研发
- 模块生产
- 二次开发支持
芯片
模块研发
这主要涉及硬件设计和软件设计。
我们需要考虑以下几个方面，例如方案选型、原理图和布局设计、PCB板及PCBA原型制作、指标调试和参数测试。其中，方案选型最为重要。
1.方案选择
关键在于满足功能需求、便于供应和生产，以及价格合理。
(1) 需求分析
功能考量：WiFi的组网模式，是一对一还是多对一。终端产品采用一对一模式，而网关和路由器则采用多对一模式。
在传输速率、分流量等级和控制等级方面，如果该模块应用于智能家电控制，应选择部分控制等级的芯片，例如 ESP8266；如果用于路由器等产品，则必须选择流级芯片，例如 MTK 7620；
就功能接口而言，模块开发人员可能会更关注芯片接口的数量以及功能支持，例如 GPIO 接口、SPI Flash 接口、I2C 接口等；实际上，这一点很容易理解。 例如，物联网Wi-Fi芯片RTL8710拥有20多个GPIO引脚，支持更多的输入输出设备，或更多的外部连接与控制。 此外，对接口功能的考量也不容忽视。例如，该芯片的某些接口在闲置时可自动将功耗降至最低状态，而在工作状态下可自动从睡眠模式中唤醒，这能大幅降低产品的功耗。
此外，在应用功能方面，开发人员可根据需要选择直通或非直通的芯片方案。
(2) 优缺点分析
除了分析芯片解决方案的市场需求外，模块开发商还需要考虑芯片的性价比和稳定性，以及原厂和供应渠道；
一款好产品，即使各方面都很出色，但如果价格对市场来说过高，那绝对没人敢买。 当然，我们不能只看价格，正如俗话所说，便宜没好货。如果两种芯片方案的优劣势差异明显，那么即使价格稍高，其优势也能让人们毫不犹豫地选择它。 在芯片解决方案的稳定性方面，这一点尤为关键。如果芯片功耗过高，容易发热甚至崩溃，产品开发者和消费者又该如何选择呢？当然，发热可能只是导致不稳定性的众多因素之一，例如芯片制造商对软件代码的优化不足，同样也会引发这些问题。
不同制造商或品牌提供的芯片解决方案可能各不相同。在芯片行业，似乎存在一种共识：优先选择欧美地区的芯片解决方案，其次是日本和韩国的，然后是台湾地区的，最后才是大陆地区的芯片解决方案。 当然，这是在芯片解决方案的价格差异不大的前提下。我们上面提到的模块芯片解决方案来自一家台湾制造商。
最后，无论芯片解决方案多么出色，如果供应渠道不稳定或经常短缺，这对模块开发商来说也是致命的。
2.原理图设计
模块开发人员选定合适的芯片方案后，就需要着手开发和设计该模块。首先要设计原理图。
稳定性：开发人员需要根据芯片制造商提供的芯片信息和规格要求，设计出具有高稳定性的原理图。
成本优势：原理图的设计方案多种多样，但不应忽视成本因素。例如，可以使用双层电路板设计或四层电路板设计；虽然四层电路板性能更优，但价格也更高。当然，这只是成本考量中的一个方面。
兼容性设计：在原理图设计中，电磁兼容性（EMC）设计需确保模块在各种电磁环境下仍能协调工作并保持高效运行。 其目的是确保模块不仅能够抑制各种外部干扰，从而在特定的电磁环境中正常工作，还能减少模块本身对其他电子设备造成的电磁干扰。EMC设计关系到整个模块的稳定性和性能。
批量生产的难度：方案设计还应考虑未来加工是否方便，加工方便意味着加工成本较低。如果方案设计导致实际加工的良品率较低，也会造成成本增加。
3. PCB 布局
上述部分的原理图设计与PCB板图共同称为PCB布局。两者相辅相成：原理图设计需体现在PCB板图中，设计原理图时需考虑PCB板图，而绘制PCB板图时则需考虑更多因素。 例如，射频（RF）方面的考量、稳定性方面的考量、结构方面的考量，甚至在绘制PCB板图时还需考虑电路板的美观性。因为从电路板图上就能看出，该模块制造商究竟是否专业。
当然，根据PCB布局，所选用的PCB以及电阻、电容等元件的类型和数量，都将体现在物料清单（BOM）中。此外，PCB和PCB组装（SMT）的生产也将根据这份物料清单来确定。
4. PCB原型
印刷电路板（PCB），或称芯片，由环氧玻璃树脂制成，具有不同数量的信号层，芯片和其他元器件均焊接在这些信号层上。
供应商选择：对于PCB原型和模块制造商而言，如果需要寻找外部制造商，通常需要考虑这些制造商是否具备PCB原型制作经验、其设备是否符合需求以及管理是否完善等因素。
工艺要求：如果PCB是多层板，则必须寻找一家专门生产多层PCB的制造商。
5. PCBA 原型
电路板+组装（PCBA）是指经过表面贴装（SMT）工艺和双列直插（DIP）工艺处理的裸板。PCBA也被称为成品电路板。
在开始全面量产之前，PCB 和 PCBA 原型制作是验证设计质量和性能的最佳选择。如果您需要印刷电路板，与一家可靠的原型制造商合作至关重要，他们能够快速制作样品板，并在必要时进行修正。 这些样品板能够快速测试并验证设计，帮助您在项目早期阶段发现任何错误或潜在缺陷；此外，先订购小批量原型生产也更具成本效益。我们的UETPCB提供快速周转的PCB原型服务，在保证高品质的同时，以低成本完成PCB制造和组装。
6. 调试
模块的调试主要涉及硬件电路调试和软件调试。
普通Wi-Fi产品的射频（RF）部分由多个部件组成，图中带虚线的蓝色框通常被视为功率放大器部分。无线收发器（射频收发器）通常是设计中的核心器件之一。除了与射频电路密切相关外，它通常还与CPU相关。 这里我们仅关注与射频电路相关的一些内容。当传输信号时，收发器本身会直接向功率放大器（PA）输出功率较小的微弱射频信号，该信号随后通过收发开关经由天线辐射到空间中。 在接收信号时，天线会捕获空间中的电磁信号，然后将其送至低噪声放大器（LNA）进行放大，以便将放大的信号直接送至收发器进行处理和解调。
硬件调试主要涉及射频电路和功能电路的调试。射频调试包括两个主要方面：发射和接收，其中发射包括发射功率、相位误差调试等，接收包括灵敏度、接收电平平衡等。功能电路调试则更多地与硬件功能模块的具体电路调试相关。
在调试射频（RF）参数时，发射端（TX）主要涉及功率（Power）、误差向量幅度（EVM）和频率偏移（FREQ）。而接收端（Rx）则主要涉及接收灵敏度（Sensitivity）。这些参数会影响WiFi数据信号传输的稳定性。 测试时需要专用设备，例如 LitePoint IQ2010 和 WT-200。
此外，软件调试主要侧重于稳定性及功能的完整性。通常情况下，会针对单个或部分功能进行具体调试，随后再进行更全面的测试。
7.测试
电子电路测试是指为达到电路设计指标而进行的一系列测量、判断、调整、重新测量等重复过程。
功能测试：根据该模块支持的功能、操作说明和用户方案，对模块的功能和可操作性进行测试，以确定其是否符合设计要求。
性能测试： 这主要包括对模块的每个功能电路进行测试，以及对信号传输距离等参数进行测试。
稳定性测试： 对相关模块的实际传输速率、实际功耗、吞吐量、无线连接及其他稳定性方面进行了测试。
老化测试： 这是一项旨在确定模块使用寿命并确保其在使用过程中达到最佳性能的测试。由于系统长期处于工作状态，因此在运行时会对每个设备进行负载运行测试。 只要在这些条件下能保证设备的性能稳定性，工作模块在正常环境下的使用寿命就会更长。
认证考试：某些产品必须经相关国家指定的认证机构认证，取得相关证书并加贴认证标志，方可在工厂、进口、销售及商业服务场所进行生产、进口、销售和使用，尤其是通信类产品，以及FCC、CE、RoHS、UL等国际上较为普遍的认证。
模块生产
模块生产主要包括PCB生产、PCBA（SMT）加工和测试。
PCB生产是模块生产中最基础、也是最重要的环节。整个流程如下图所示。
按设计制造的PCB裸板
PCB组装（SMT）加工
根据该模块的PCB特性，其采用单面安装。
单面组装工艺
进料检测 → 焊膏印刷 → 焊接 → 回流 → 清洗 → 测试
(1) 物料核对：生产前，应根据BOM和生产订单中的物料规格及数量，对SMT物料进行核对；
(2) 调试设备：与此同时，应编程并调试SMT设备。设备调试完成后，便是供料工序。
(3) 焊膏印刷：将焊膏均匀地涂布在PCB的焊盘上，以确保在回流焊接过程中，元器件的引脚与PCB上相应的焊盘之间能够建立良好的电气连接。
(4) 焊接：在PCB上涂布焊膏后，由自动供料机将其送入SMT机器。SMT机器的程序需提前设置好。当机器检测到有电路板时，便会自动取料进行贴装。
已组装的 RTL8710 模块
(5) 回流焊前的目视检查：也称为中间检查，需注意元器件的极性、无偏移、无短路、无缺件等。
(6) 回流焊接：经过检查的PCB将在回流焊接后自动完成焊接。
至此，模块的生产过程基本已经结束。
(7) 回流焊后的检查：此处的检查主要针对外观，以确认是否存在焊接不良、锡珠、短路、元器件偏移等问题。外观检查方法包括AOI检测、X射线抽样检测以及目视检查。
(8) AOI测试
通常，AOI检测可以在回流焊之前或之后进行，但大多数制造商选择在回流焊之后进行AOI检测，因为此时可以发现所有装配错误。
由于AOI自动光学检测存在误判（盲区、锡量不足等）的情况，因此在AOI检测后仍需进行人工目视检查。
模块表面的金属屏蔽罩
然而，对于表面带有金属屏蔽模具的模块，AOI检测并不可行，因此我们可以采用另一种X射线抽样检测方法。 X射线非接触式三维检测方法，当电路板层数较多时，对内层的精度要求会更高。该方法还可用于对封装对象的位置和形状进行透视观察和测量，甚至可用于金属屏蔽装置的透视检测。
目视检查是指先用肉眼扫描整个电路板，然后用显微镜检查有缺陷的区域，例如缺锡、短路等，通过倾斜电路板以调整最佳视角，可以轻松发现这些问题。通常，用肉眼检查异常情况比用显微镜逐一检查所花费的时间更少。 当然，一旦发现问题，可以使用显微镜进行更详细的检查。
然后，我们使用激光打标机对该模块进行打标。通过模块上的打标文字，我们可以查到该模块所属的芯片制造商、系列、型号等信息。
模块测试
(1) 编程
通用串行编程器，用于编程，首次采用随机并行端口数据线，编程器与计算机并行端口连接，实机编程。
(2) GPIO测试：通过专用的测试夹具对GPIO端口进行专项测试。将模块放置在专门设计的针床式夹具上，使夹具的测试探针与元器件的引脚接触，并通过观察夹具周围LED的亮度来检查GPIO接口是否合格。
GPIO 测试
(3) IQ 2010 收发功率测试仪用于测试 Wi-Fi 模块的发射功率和接收功率。
(4) 其他：测试完成后，模块应在出厂前进行包装。模块包装除应具备抗挤压、抗振动的一般要求外，还应采用真空泡沫袋包装，更重要的是要采取防水、防静电的包装措施。
二次开发支持
WiFi模块通常用于智能家居和工业控制产品中，作为嵌入式组件使用。在不同领域、不同产品以及不同工程师进行二次开发时，往往会遇到一些技术问题。大多数模块制造商通常会通过开发者社区、技术热线、电子邮件、即时通讯以及现场支持等方式，为开发者提供技术支持服务。
从模块研发前的需求分析到方案选定，从原理图设计到PCB板绘制，从模块软硬件匹配到物料清单（BOM）确认；以及与模块生产相关的PCB制造、SMT加工和测试； 从模块交付到售后技术支持，每一步都至关重要，由此我们不难看出PCB和PCBA制造商的重要性。
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