从电子产品研发到生产，电子产品制造的全过程

从物联网芯片到模块，从研发到生产的全过程

物联网和智能家居的发展加深了人与物之间的联系和互动，使我们的生活更加丰富多彩、更加便捷、联系更加紧密。人与物（设备）的连接依赖于互联网无线网络的无线连接，但连接协议的类别却很多，如主要有 WiFi、BLE、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、Lora 等。而针对 WiFi 协议，又有很多芯片平台，如高通 QCA4004、MTK MT7688、乐心 ESP8266、RTL8710 等；这样一来，难免会给工程师在产品开发初期带来困扰：什么协议适合产品？需要测量哪些参数？测量手段有哪些？
今天以瑞昱 RTL8710 WiFi 模块为例，从选型、生产工艺、研发、PCB 制作、芯片封装和 PCB 组装（SMT）流程等方面给大家详细讲解。

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

它主要涉及硬件设计和软件设计。
我们需要考虑方案选择、原理图和布局设计、PCB 板和 PCBA 原型制作、指标调试和参数测试等这些方面。 其中，方案选择最为重要。

1.方案选择

核心是满足功能、方便供应和生产、价格匹配

(1) 需求分析

功能考量：WiFi 的组网模式，一对一还是一对多。终端产品采取一对一，用于网关和路由则是一对多。

在传输速率、分流量类、控制类中，如果模块应用于智能家电控制，则选择偏控制类芯片，如ESP8266，如果应用于路由器等产品，则要选择流量类芯片，如MTK 7620；

就一个功能接口而言，模块开发商可能考虑更多的是芯片接口的数量、功能支持，如 GPIO 接口、SPI Flash 接口、I2C 接口等；其实这很容易理解。比如物联网的 WIFI 芯片 RTL8710，就有 20 多个 GPIO，支持更多的输入输出设备，或者更多的外部连接或控制。另外，对接口功能的考虑也不容忽视。例如，该芯片的部分接口可以在不工作时自动将功耗降到最低状态，在工作状态时自动从睡眠模式唤醒，可以大大降低产品的功耗。
此外，在应用功能方面，开发人员可以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，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；
好的产品即使各方面都很优秀，但价格太高，不适合市场，所以绝对没人敢选。当然，我们也不能只看价格，俗话说物美价廉也是很有道理的。如果说两种芯片方案的优势差异明显，但芯片方案的优势即使价格高一点也挡不住大家的选择。在芯片方案的稳定性方面，这一点尤为关键。如果是高功耗容易导致发热和死机的芯片，你让产品开发者、消费者如何选择？当然，发热可能是造成不稳定的诸多因素之一，比如芯片厂商对软件代码优化不足，也会造成这些问题。
不同厂商或品牌提供的芯片解决方案可能各不相同。在芯片行业，似乎有这样一个共识：首选欧美芯片方案，其次是日韩芯片方案，再次是台湾芯片方案，最后才是大陆芯片方案。当然，这是在芯片方案价格相差不大的前提下。我们上面提到的模块芯片方案来自一家台湾制造商。
最后，芯片方案再好，供货渠道不稳定，或者经常缺货，这对模块开发商来说也是非常致命的。

2.原理图设计

模块开发人员选择好芯片方案后，就需要对模块进行开发和设计。首先是设计原理图。

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范要求，设计出具有高稳定性的原理图。

成本优势：原理图的设计方案很多，但成本因素也不容忽视。比如两层电路板设计、四层电路板设计都可以用，四层电路板也比较好，但价格比较贵。当然，这只是成本考虑的一个方面。

兼容设计：原理图设计中的电磁兼容设计考虑的是模块在各种电磁环境下仍能协调有效地工作。其目的是既要保证模块能抑制外界的各种干扰，使模块能在特定的电磁环境下正常工作，又要减少模块本身对其他电子设备的电磁干扰。EMC 设计关系到整个模块的稳定性和性能。

批量生产的难易程度：方案设计还要考虑日后加工是否方便，好的加工意味着较少的加工成本。如果方案设计导致实际加工良品率低，也会造成成本增加。

3.电路板布局

上述部分的原理图设计与 PCB 板的绘制统称为 PCB Layout。两者是相辅相成的，原理图设计是要体现在绘制 PCB 板上的，原理图要考虑，绘制 PCB 板也要考虑，而且绘制 PCB 板还需要考虑更多。比如射频方面的考虑、稳定性方面的考虑、结构方面的考虑，甚至绘制 PCB 板还需要考虑板子的美观性。因为从电路板上的图纸就可以看出模块制造商到底是不是专业的。
当然，根据 PCB 布局，所涉及的 PCB 选型、电阻器、电容器和其他材料的类型和数量都将体现在 BOM（物料清单）物料清单中。同时，PCB 和 PCB 组装（SMT）的生产也将根据这份材料清单来确定。

4.电路板原型

印刷电路板（PCB）或芯片由环氧玻璃树脂制成，有不同数量的信号层，芯片和其他元件焊接在信号层上。

供应商选择：对于 PCB 样机，模块制造商如果寻找外部制造商，通常需要考虑这些制造商是否有 PCB 样机经验、制造商的设备是否符合需求以及制造商的管理是否良好等。

工艺要求：如果是多层印刷电路板，就必须找到一家专门生产多层印刷电路板的制造商。

5.PCBA 原型

电路板 + 组装（PCBA）是经过 SMT 工艺和 DIP 插接工艺的 PCB 裸板。PCBA 也称为成品 PCB。

印刷电路板和 PCBA 原型制作是在开始全面批量生产之前验证设计质量和性能的最佳选择。与可靠的原型制造商合作非常重要，因为他们能快速制作样品电路板，并在您需要某些印刷电路板时对其进行修正。这些电路板可以在项目的早期阶段快速测试和验证设计是否存在任何错误或潜在缺陷，而且先订购小批量的样板也更具成本效益。我们的 UETPCB 可为 PCB 制造和组装提供高质量、低成本的快速 PCB 样板服务。

6.调试

对于模块的调试主要在于硬件电路调试和软件调试。

一般 Wi-Fi 产品的射频部分由多个部分组成，蓝色虚线框内的部分被统一视为功率放大器部分。无线收发器（Radio Transceiver）一般是设计的核心器件之一。除了与射频电路关系密切外，一般还与 CPU 有关。这里我们只关注与射频电路相关的部分内容。发射信号时，收发器本身会直接向功率放大器（PA）输出功率很小的微弱射频信号，然后通过发射/接收开关经天线辐射到空间。接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，然后将其送入低噪声放大器（LNA）进行放大，这样放大后的信号就可以直接送入收发器进行处理和解调。

硬件调试主要包括射频电路调试和功能电路调试。射频调试包括发送和接收两大方面，其中发送包括发送功率、相位错误调试等，接收包括灵敏度、接收电平等。功能电路调试则更多涉及硬件功能模块的具体电路调试。

在射频参数调试方面，发射 TX 主要是功率 Power、误差矢量幅度 EVM 和频率偏移 FREQ。在接收 Rx 方面，主要是接收灵敏度（Sensitivity）和灵敏度（Sensitivity）。这些参数会影响 WiFi 数据信号传输是否稳定。这需要专门的设备进行测试。如 LitePointd IQ2010、WT-200。

此外，软件调试主要在于对功能的稳定性、完整性进行调试。一般来说，具体的调试是针对单个或部分函数进行的，下一步是进行更全面的测试。

7.Test

电子电路测试是以实现电路设计指标为目的，经过一系列测量、判断、调整、再测量的反复过程。

功能测试模块测试：根据模块支持的功能、操作说明和用户方案，测试模块的功能和操作行为，以确定模块是否符合设计要求。

性能测试： 主要包括测试模块的各个功能电路，以及信号传输距离和其他参数。

稳定性测试： 对相关模块的实际传输速率、实际功耗、吞吐量、无线连接和其他稳定性方面进行测试。

预烧测试： 这是一项确定模块寿命的测试，目的是在使用过程中达到最佳效果。由于系统长期处于工作状态，工作时会对各设备进行负载操作。只要在这种条件下能保证设备的性能稳定，工作模块在正常环境下的使用寿命就会比较长。

认证测试某些产品必须经过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，方可出厂、进口、销售和在商业服务场所使用，特别是通信产品，以及国际上比较流行的认证如 FCC、CE、RoHS、UL 等。

模块生产

模块生产主要包括印刷电路板生产、PCBA（SMT）加工和测试。

PCB 生产是模块生产中最基本、最重要的步骤。整个流程如下图所示。

PCB 组装（SMT）加工

根据模块的 PCB 特性，单面安装。

单面装配工艺

来料检测 → 锡膏印刷 → 焊接 → 回流焊 → 清洁 → 测试

(1) 材料检查：生产前，应根据 BOM 和生产订单检查 SMT 材料的规格和数量；

(2）调机：同时要对 SMT 进行编程和调整。调机完成后，就是送料工序。

(3) 印刷焊膏：将焊膏均匀涂抹在 PCB 的焊盘上，以确保回流焊接时元件引脚与 PCB 对应焊盘之间的良好电气连接。

(4) 焊接：印刷电路板上印上焊锡膏，通过自动送料机传送到 SMT 机器上。SMT 机器的程序是事先准备好的。当机器识别到有电路板时，就会开始自动取料进行贴装。

(5）回流焊前的目视检查：或称中间检查，要注意元件的极性、无偏移、无短路、无少件等。

(6) 回流焊接：经检查的 PCB 将在回流焊接后自动焊接。

至此，模块生产流程基本结束。

(7）回流焊后检查：这里主要检查的是外观，看是否有焊接不良、锡珠、短路、元件偏移等。外观检查的方法有 AOI 检查/X 射线抽样检查、目视检查。

(8) AOI 测试

通常，AOI 检查可以放在回流焊之前或之后，但大多数制造商选择在回流焊之后进行 AOI 检查，因为在回流焊之后可以发现所有遇到的装配错误。

由于 AOI 自动光学检测存在误判率（盲点、少锡等），因此需要在 AOI 检测后进行人工视觉检测。

模块表面的金属屏蔽罩

但对于表面有金属屏蔽模具的区块，AOI 检测是不可行的，所以我们可以采用另一种 X 射线点检。X 射线非接触式三维检测法，当电路板层数较多时，内层的精度要求会更高。它还可用于透视观察和测量封装物体的位置和形状，甚至可用于透视金属屏蔽装置。

目视检查是先用眼睛扫描整个电路板，然后用显微镜检查有缺陷的地方，如缺锡、短路等，通过倾斜电路板来调整最佳视线，就能很容易地发现这些缺陷。用眼睛检查不规则的地方通常比用显微镜一点一点地检查时间要短。当然，当发现问题时，可以使用显微镜进行更详细的检查。

然后，我们用激光打标机在模块上打标。通过模块上的标记文字，我们可以连接到一些芯片制造商、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时，首先使用随机并口数据线，将编程器与计算机并口连接，实现在线编程。

(2) GPIO 测试 GPIO 端口的特殊测试通过专用测试夹具进行。将模块放在专门设计的针床夹具上，使夹具测试探针与元件引线接触，通过检查夹具周围 LED 的亮度来检查 GPIO 接口是否合格。

GPIO 测试

(3) 接收和发射功率测试 IQ 2010 测试仪用于测试模块 WIFI 的发射功率和接收功率。

(4）其他测试完成后，模块出厂前应进行包装。模块包装除了一般的耐挤压、耐振动真空泡沫袋外，更重要的还有防水、防静电等包装措施。

常用于智能家居、工控产品的 WiFi 模块通常为嵌入式，不同领域、不同产品、不同工程师进行二次开发时，都会遇到一些技术问题，模块厂商通常会或多或少地配备开发者社区、技术热线、E-mail、即时通讯、现场支持等服务。

从模块研发前的需求分析到方案选型的确定，从原理图设计到PCB板绘制，从模块软硬件匹配到BOM物料确认；与模块生产相关的PCB生产、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，我们可以知道PCB和PCBA生产商的重要性。

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