模组研发到生产，看工程师炼金术！

　　物联网、智能家居的发展，加深了人与物的连接互动，使得我们的生活更加丰富多彩、沟通更为便捷、连接越来越紧密。

　　我们知道，芯片制造的过程就如同用乐高盖房子一样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯片制造流程后，就可产出必要的 IC 芯片。然而，没有设计图，拥有再强制造能力都没有用，因此，建筑师的角色相当重要。

　　IC 生产流程中，IC 多由专业 IC 设计公司进行规划、设计，像是联发科、高通、Intel 等知名大厂，都自行设计各自的 IC 芯片，提供不同规格、效能的芯片给下游厂商选择。因为 IC 是由各厂自行设计，所以 IC 设计十分仰赖工程师的技术，工程师的素质影响着一间企业的价值。

　　单单的芯片不成线，物与物的连接还依赖于无线组网无线连接，然而当前连接协议却品类多多，如大类的WiFi、BLE、Zigbee、Z-wave，还有小众的NB-IoT、LoRa等，且单就WiFi协议，又有多个芯片平台。这样一来给工程师产品开发前期带来困扰： 产品适合选用什么协议？需要哪些参数做衡量？ 又有什么测试测量手段？

　　芯片到模组，主要有这四个阶段：芯片；模组研发；模组生产；二次开发支持。

　　1、芯片生产过程

　　在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定。这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要几间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进行设计，这样才不用再花额外的时间进行后续修改。IC 设计也需要经过类似的步骤，才能确保设计出来的芯片不会有任何差错。

　　规格制定的第一步便是确定 IC 的目的、效能为何，对大方向做设定。接着是察看有哪些协定要符合，像无线网卡的芯片就需要符合 IEEE 802.11 等规範，不然，这芯片将无法和市面上的产品相容，使它无法和其他设备连线。最后则是确立这颗 IC 的实作方法，将不同功能分配成不同的单元，并确立不同单元间连结的方法，如此便完成规格的制定。

　　设计完规格后，接着就是设计芯片的细节了。这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，方便后续制图。在 IC 芯片中，便是使用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来。常使用的 HDL 有 Verilog、VHDL 等，藉由程式码便可轻易地将一颗 IC 地功能表达出来。接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满足期望的功能为止。

　　

　　重点说说模组研发、生产过程

　　一张导图、分段说明：

　　

　　方案选型

　　（1）需求分析

　　功能考量：wifi使用的组网方式，一对一，还是一对多。终端产品取一对一，用在网关、路由上则是一对多。在传输速率上，分流量类，控制类，如果模块应用在智能家电控制方面的，选择偏控制类的芯片，比如ESP8266即可；如果用在路由器这样的产品，就要选择流量类芯片，比如MTK的7620；

　　在功能接口方面，模组开发商考虑更多的可能就是芯片的接口数量，功能支持等，比如GPIO功能口、SPI flash扩展口、I2C接口；其实这个很好理解，比如RTL8710这款物联网WiFi芯片，它的GPIO多达二十多个，支持多的输入输出设备，或是更多的外部连接或控制。

　　（2）优劣分析

　　除对芯片方案的市场需求进行分析外，模组开发商还需要考虑芯片的性价比与稳定性，以及原厂及供货渠道；一款好的产品就算各个方面都过硬，但是价格脱离市场高的离谱，那么绝对是没有人敢选择的。当然也不能单单只看价格，俗话说便宜没好货是非常有道理的。如果两款芯片方案优势差异比较明显，但是优势占优的芯片方案即使价格高一点也阻挡不了大家选择的。

　　说到芯片方案的稳定性，这个尤为关键。倘若是一款功耗高易引起发热而造成死机的芯片，你如何让产品开发商、消费者选择呢。当然发热可能是造成不稳定众多因素中的一种，如芯片厂商对软件代码的优化不到位，同样会引起上述问题。不同厂商或者不同品牌提供的芯片方案，可能是各有千秋，甚至是千差万别。

　　在芯片行业，大家似乎有一种共识，欧美芯片方案优先选择，接着是日韩，再者就是***，最后才选择大陆芯片方案，当然这是在芯片方案价格差异不大的前提之下。当然这样笼统的说是不太科学，但是参照意义还是有的。上述我们提到的模组芯片方案就是来自***厂商。

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　　2、原理图

　　模组开发商选择好芯片方案后，就就要进行模组开发设计。模组研发设计最先做的工作就是，设计原理图。

　　稳定性：开发商需要根据芯片厂商提供的芯片资料，按照规格要求设计出稳定性高的原理图。

　　成本优势： 原理图有多种设计方案，但是不能忽视对成本考量。如两层电路板设计，四层电路板设计都可以使用，四层电路板也更优，但是价格就更贵。当然这只是成本考虑的一个方面而已。

　　兼容设计：原理图设计时的电磁兼容设计考虑，就是要考虑模组在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作。

　　量产难易程度：原理图设计还要考虑日后是否方便加工，好加工也就意味着加工费用少。如果设计的原理图致使实际加工的良品率低的话，同样会造成成本增加。

　　3、绘制PCB板

　　上部分的原理图设计，与画PCB板一块，被统称为PCB Layout。两者都是相辅相成的，原理图设计的就是要在画PCB板上得到体现，原理图要考虑的画PCB板时同样需要考虑，并且画PCB板还需要考虑的更多。

　　当然根据PCB Layout设计方案设所涉及的PCB选型，电阻、电容类型和数量等各项物料情况，都会在BOM（Bill of Material）物料清单体现，同样PCB、贴片生产等也按此表单来确定物料。

　　4、PCB打样

　　由环氧玻璃树脂材料制成，有不同信号层数，而芯片等贴片元件就贴在PCB上。

　　厂商选择：对于PCB打样，模组厂商如果寻找外部厂商，通常需要考虑这些厂商是否有模组PCB打样经验，厂商的设备是否满足需要，厂商管理是否过硬等等。

　　工艺要求：如果模组PCB要多层打样，就要找有多层PCB打样经验的厂家。

　　5、PCBA打样

　　PCBA也就是说PCB空板经过SMT上件，再经过DIP插件的整个制程，简称PCBA，可能理解其为成品线路板。

　　6、调试

　　对于模组的调试，主要在于硬件电路调试和软件调试。

　　硬件调试：主要涉及射频电路、功能电路调试。射频调试包括发送和接收两个大的方面，其中发送又包括了发送功率、相位误差调试等，接收包括灵敏度、接收电平等。而功能电路调试更多的涉及到具体的某项硬件功能模块的电路调试。

　　射频参数的调试，发射TX方面主要为功率Power、误差向量幅度EVM、以及频偏Freq；在接收RX方面主要是接收灵敏度 Sensitivity，这些参数影响着WiFi数据信号传输是否稳定；需要专门的仪器来测试。比如LitePointd的IQ2010、极致汇仪的WT-200； 目前，该行业RFsister开放实验室提供这些方面测试服务。

　　软件调试：主要在于稳定性、功能的完整性调试。一般而言，只是单一，或者部分功能进行的具体调测，下一步则需要进行更全面的测试

　　7、测试

　　是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量、判断、调整、再测量的反复进行过程。

　　功能测试：根据模块支持的特性、操作描述和用户方案，测试该模块的特性和可操作行为以确定其是否满足设计需求。

　　性能测试：主要涉及测试模块各个功能电路，以及信号的传输距离等还其他参数。

　　稳定性测试：对涉及模块的实际传输速率、实际功耗、吞吐量 、无线连接等稳定性方面测试。

　　老化测试： 就是对模组寿命和在使用过程中能达到最佳效果而进行的一项测试。因系统长时间的处于工作状态，在其工作时对各器件进行负荷运转，只要在这些条件下能保证设备的性能稳定，那么在正常环境下工作模组的使用寿命就会更久。

　　认证测试：某些产品必须经相关国家指定的认证机构认证合格，取得相关证书并加施认证标志后，方能出厂、进口、销售和在经营服务场所使用，尤其是通信类产品，而国际比较普及的认证如FCC（美国）、CE（欧洲）、RoHS（欧洲）等。

　　模组生产

　　模组生产主要包含PCB生产、SMT贴片加工、模组测试三个环节：

　　1、PCB生产：模组生产最基础也是最重要的环节。

　　2、SMT贴片加工：根据该模组PCB特性，模组贴片采用单面贴装。

　　单面贴装流程

　　（1）物料核对：生产前还需根据BOM单和模组生产订单进行物料的规格、数量对SMT物料进行核对；

　　（2）调机：同时还要对SMT进行编程以及调整，调机完成之后即是上料过程。

　　（3）印锡：将适量的焊膏均匀的施加在PCB的焊盘上，以保证贴片元器件与PCB相对应的焊盘在回流焊接时，达到良好的电气连接。

　　（4）贴片：印锡过的PCB板，通过自动送板机传送到贴片机进行贴片。贴片机的程序是事先编制好的，机器识别到有板的时候就会开始自动取料进行贴装。

　　（5）炉前目检：或称作中间检查，需要注意检查元件的极性、贴装有没有偏移、有无短路、有无少件、多件、有无少锡等。

　　（6）回流焊接：检查好的线路板经过回流焊之后就会自动进行焊接。

　　（7）炉后检查：这里主要检查的是模组的外观，看有无焊接不良，即空焊、锡珠、短路、元件偏移、元件竖立等等。外观检验方式有：AOI检测/X-Ray抽检、目检。

　　A1、AOI检测

　　通常AOI检查可放在回流焊接前或者后，但多数厂商AOI检测选择放在回流焊之后，因为这个位置可发现遇到的所有装配错误。由于采用AOI自动光学检测存在一定的误判（盲点，少锡等）率，所以AOI的检测后还需人工目检。当然AOI检测是炉后检查的通用检查方式，但因AOI检测对表面附有金属屏蔽罩模的块检测方法不可行，因此我们可以采用了另一种X-Ray抽检。

　　A2、X-Ray抽检

　　X-Ray非接触式3D检验法， 当电路板层数越多的时候，对内层对位准确精度的需求就会越高。其还可对封装后内部物件的位置和形态进行透视观察测量，甚者可透视金属屏蔽器件。这里需要说明的是，虽然X-Ray检测透视性强，但其只是一种抽检测试方式。

　　B、目检

　　目检就是先用眼睛扫描整片板子，在用显微镜对有缺陷的地方做检查，如缺锡、短路、或接脚扭曲都可以再经由倾斜板子，来调整最佳视线时容易发现。用眼睛来检查不规则的地方，通常要比用显微镜一点一点的检查更节省时间。当然发现问题后，再用显微镜来做更详细的检验。

　　3、模组测试

　　（1）烧录：通用串行编程器进行烧录，首先使用随机的并口数据线，将编程器与计算机并口联接，进行联机烧写。

　　（2）GPIO测试：通过专有的测试夹具对GPIO口进行专项测试。将模组放置在专门设计的针床夹具上，使夹具测试探头与组件的引线相接触，通过查看夹具周边LED亮度的情况，来检查GPIO接口是否合格。

　　（3）接收、发射功率测试：利用IQ2010测试仪对模组WiFi的发射功率、接收功率做测试。

　　四、二次开发支持：

　　在这个以服务取胜的时代，模组厂商通常从售前到售后都提供服务支持，尤其体现在售后的二次开发技术支持。常见应用于智能家居、工业控制产品之中的WiFi模组通常为嵌入式，不同的领域、不同的产品、不同的工程师对其二次开发，或多或少会遇到一些技术问题，模组厂商通常以开发者社区、技术热线、邮件、即时通信、上门支持服务等。

　　在开发者社区，通常有应用开发案例、SDK支持、固件更新包、常见问题等，个人比较喜欢泡开发者社区，不光能和其他工程狮交流，也偶然分享自己的一些小心得，还可以获得一些免费的经典资源，现在用上也算是借花献佛吧。

　　总结：从模组研发前的需求分析到确定方案选型，从原理图设计到绘制PCB板，从模组软硬件对接到确认BOM物料；从模组生产涉及的PCB生产、到SMT加工、测试；从模组出货到售后技术支持，从这里面的每一步，我们可以看到厂商努力的身影，我们可以感受到厂商内心的执着，而不是你眼中仅看到的价格。