In der heutigen vollständig entwickelten Industrial Internet of Things (IIoT) ist der industrielle Router zu einem Kernkommunikationsgerät in Schlüsselszenarien wie smarter Fertigung, Fernüberwachung, Energiesystemen, Verkehrssteuerung usw. geworden. Im Vergleich zu Haushalts- oder kommerziellen Routern müssen industrielle Router in extremen Umgebungen zuverlässig arbeiten, wie Hoch-/Niedrigtemperaturen, starke elektromagnetische Störungen, hohe Feuchtigkeit oder Vibrationen, während stabile Netzwerkkommunikation aufrechterhalten wird.

Um diese hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer zu gewährleisten, ist der Fertigungsprozess für industrielle Router nicht nur „Montage“, sondern ein systematischer, streng kontrollierter Ingenieuraufwand. Er umfasst mehrere hochstandardspezifische Phasen, von der Rohmaterialauswahl, Hardware-Design, Bauteilbeschaffung und -inspektion, SMT-Platzierung, Firmware-Flashen, Funktionsprüfung, Zuverlässigkeitsverifizierung, Zertifizierung bis hin zur Ausgangsinspektion.

Überblick und Fertigungsziele

Industrielle Router sind für Szenarien mit hoher Zuverlässigkeit und langfristig stabilem Betrieb konzipiert (z. B. industrielle Automatisierung, Energie, Transport, smarte Städte). Daher gehen die Fertigungsziele über „funktionale Korrektheit“ hinaus und betonen:

Lange Lebensdauer (MTBF) und Stabilität;
Störfestigkeit (elektromagnetische Kompatibilität, Überspannungsschutz usw.);
Breitbandtemperaturbetrieb (z. B. -40 °C bis +75 °C oder höher);
Mechanische Festigkeit und Schutzklassen (z. B. IP30/IP54 oder höher);
Wartungsfähigkeit und vor-Ort austauschbares modulares Design.

Diese Ziele beeinflussen direkt die Materialauswahl, Teststrategien und Kriterien für gute Produkte.

Rohmaterialien und Lieferkettenmanagement

2.1 Wichtige Rohmaterialien

PCB-Substrate: FR4, hoch-Tg-Materialien (für Hochtemperatur-Reflow oder Hochfrequenz); Mehrschichtplatten (4–8 Schichten oder mehr) für komplexe RF-/Stromkreise. Plattendicke und Kupferdicke (z. B. 1 oz/2 oz) müssen in der Designphase festgelegt werden.
RF-Komponenten: SMA/SMB-Anschlüsse, Antennen (extern/gehäuseintegriert), Filter, Leistungsverstärker (PA), Rauscharmen Verstärker (LNA) usw. Strenge Anforderungen an Frequenz, S11/S21, Leistung und Verpackung.
Hauptsteuerchips und Kommunikationsmodule: SoC (ARM/MCU), Mobilfunkmodule (4G/5G), WiFi-Module, GNSS-Module. Hohe Anforderungen an Zertifizierung und langfristige Versorgungsfähigkeit.
Stromkomponenten: Strommanagementchips (PMIC), Transformatoren, Spulen, Kondensatoren (insbesondere MLCC), Spannungsregler, TVS (Überspannungsschutz) usw.
Passive Komponenten und Anschlüsse: Hochzuverlässige Widerstände, Kondensatoren, Spulen, industrienahezugfähige Ethernet-Terminals, Antennenanschlüsse, SIM-Kartenhalter usw.
Gehäuse- und Wärmeableitungsmaterialien: Aluminium-/Magnesium-Aluminium-Legierungsgehäuse, Kunststoffteile (PA66, ABS), Kühlkörper, Wärmeleitpads, Dichtungen (Silikon/Fluorkautschuk).

2.2 Wichtige Punkte im Lieferkettenmanagement

Multi-Sourcing-Strategie: Für kritische Komponenten (Chips, RF-Module, Schlüsselanschlüsse) mindestens zwei Lieferantenalternativen halten, um Ausfallrisiken zu reduzieren.
Bauteil-Lebenszyklus-Management (EOL): Lieferanten-Lebenszyklus-Ankündigungen überwachen und Bauteile vorzeitig ersetzen, die dem Ende ihrer Lebensdauer nahekommen.
Eingangsinspektion (IQC): Optisch, dimensional, elektrische Eigenschaften, Chargenvergleich (BOM-Abgleich), Röntgen, funktionale Stichproben usw.
Zertifizierungsanforderungen für Schlüsselkomponenten: Zum Beispiel benötigen Mobilfunkmodule Träger-/Regionale-Zertifizierung (bei gegenseitiger Anerkennung des Geräts berücksichtigen).

PCB- und Hardware-Design-Phase

3.1 Ausgaben der Designphase

Schaltplan (Schematic) und BOM (inklusive Alternativen)
PCB-Layout (unter Berücksichtigung von Signalintegrität, Wärmemanagement, Strompartitionierung)
Designregeldateien (DRC) und Montageschichten (Silk, Lötstoppmaske)
DFX (Design for eXcellence)-Prüfungen: DFM (Fertigungsfähigkeit), DFA (Montagefähigkeit), DFT (Testfähigkeit), DFR (Zuverlässigkeit)

3.2 Hinweise zum Hochfrequenz- und RF-Design

Antennenposition und Erdungsebene-Behandlung: Sicherstellen, dass Antennen von großen Metallflächen ferngehalten werden und Abstimmungsraum bieten; Isolationsrillen/Keepout-Bereiche verwenden.
In der PCB-Phase Leiterbahnimpedanz (50 Ω Mikrostreifen/Differential) berücksichtigen, mit Impedanzsimulation.
EMI/EMC-Layout: Sensible Signale auf inneren Schichten, vollständige Referenzebenen, dichte Stromentkopplungsanordnung.

3.3 Strom- und Wärmedesign

Partitionierte Stromversorgung (Analog/Digital/RF getrennt)
Kupferdicke für Hochstrombahnen und Wärmeableitungswege
Wärmesimulation oder empirische Regeln (Schlüsselkomponenten nahe Wärmeableitungswegen platzieren)

Bauteilbeschaffung und Eingangsinspektion (IQC)

4.1 Eingangsinspektionsprozess

Empfang → 2. Optische Stichprobe → 3. Dimensions-/Pin-Erkennung → 4. Chargen-/Nummer-/Zertifikatsüberprüfung (RoHS/REACH/Herkunft) → 5. Elektrische/funktionelle Stichprobe (für Schlüsselkomponenten) → 6. Lagerung und Etikettierung (Serien-/Chargennummer)

4.2 Nacharbeits-/Wiederprüfungsstrategie

Bei abnormalen Lieferungen (hohe Defektrate, Parameterdrift) Chargen isolieren und Lieferanten benachrichtigen; bei Bedarf Chargenwechsel und Nacharbeitung verwendeter Materialien verlangen.

SMT-Platzierung und Reflow-Löterprozess

5.1 Wichtige Punkte des SMT-Prozesses

Platziergenauigkeit der Maschine: Komponentenabweichungseinstellungen, Zufuhrbänder (Tape), Bandmanagement
Lötklempaste-Druck: Lötklempaste-Profil, Schablonenauswahl, Druckdruck und -geschwindigkeit Anpassung
Reflow-Profil: Reflow-Kurve basierend auf Lötklempaste-Typ und Komponentenlimits entwerfen (Vorheizung, Halten, Reflow-Spitze, Abkühlung); spezielle Kontrolle für BGA, QFN usw.

SMT-Oberflächenmontagetechnik

Reflow-Löten

5.2 Wellenlöten und Durchsteckprozess

Für Durchsteckkomponenten oder größere Anschlüsse (z. B. RJ45, Schraubklemmen) typischerweise Wellenlöten oder manuelles Löten verwenden.Für hitzeempfindliche Geräte selektives Löten oder Nachlöten-Strategien anwenden.

5.3 Qualitätskontrollpunkte

AOI (Automatische Optische Inspektion) zur Erkennung fehlender Teile, Fehlausrichtung, Lötbälle, BrückenSPI (Lötklempaste-Inspektion) zur Überwachung der DruckqualitätRöntgen für hochpräzise oder dichte BGA-Lötpunkte

Montage, Manuelles Löten und Gehäuse-Montage

6.1 Manuelles/Selektives Löten

Große Anschlüsse, Antennenanschlüsse, Kühlkörper typischerweise von erfahrenen Technikern manuell oder selektiv gelötet.
Lötemperatur und -zeit kontrollieren, um thermischen Schock für SMT-Komponenten zu vermeiden.

Handlöten

Maschinenschweißen

6.2 Gehäuse-Montage

Dichtungen konform mit IP-Klasse verwenden (Drehmomentkontrollierte Schrauben, Verschlusssicherungen)
Wärmemedien (Wärmeleitpads, Wärmeleitpaste) nach Prozessspezifikationen dosieren/auftragen

6.3 Drehmoment- und Mechanische Inspektion

Schlüssel-Schraubendrehmomente aufzeichnen
Optische Inspektion von Gehäuselücken, Farbe, Oberflächenbehandlung (Anodisierung, Elektrophorese)

Firmware-Entwicklung, Flashen und Versionsmanagement

7.1 Firmware-Prozess

Versionskontrolle (Git), Branch-Strategie (Stamm + Release)
CI (Kontinuierliche Integration) für Bildaufbau und automatisierte Einheitstests
Bootloader, Recovery-Modus und Sicherheitsmechanismen (Signatur, Verschlüsselung) bestätigen

7.2 Flashen und Werksbilder

Flash-Methoden: ISP, JTAG, USB/Seriell in Stapeln flashen
Nach-Flash-Verifizierung (Prüfsumme/Signatur) und zufällige Funktionsstichprobe
Gängige Praxis: Geräteseriennummer, MAC-Adresse, Zertifikate und Aktivierungscodes während des Flashens schreiben

Tests (Leiterplatten-, Modul- und Systemebene)

8.1 Leiterplattentests (ICT / Flying Probe)

ICT (Nadelbett) für hochvolumige schnelle elektrische Konnektivitätstests; Artikel umfassen Offen/Kurz, Widerstand, Kapazität, Vorhandensein von Kristalloszillator usw.Flying Probe besser für kleine Chargen/mehrere Iterationen geeignet, flexibel, aber langsamer.

8.2 Funktionsprüfung (FCT)

Start-Selbsttest (POST) und Firmware-Laden
Seriell/Konsole-Log-Verifizierung
Ethernet-PHY-Link-Erkennung und Durchsatztests (iperf für Linkratentests verwenden)
Mobilfunkmodul: SIM-Erkennung, Basisstationsregistrierung, Up-/Downlink-Datentests, Leistungstests
WiFi: SSID-Sendung, Durchsatz, Paketverlustrate, gleichzeitige Verbindungsstests
GNSS: Kalte/heiße Startzeit, Positionsgenauigkeitsstests

Beispielhafte FCT-Testartikeltabelle (Vereinfacht)

Testartikel	Beschreibung	Erfolgs-Kriterien
POST	Start-Selbsttest	Erfolg innerhalb 30 s
Ethernet-Durchsatz	iperf-Test	>1 Gbps
Mobilfunk-Registrierung	SIM/Basisstation	Registriert
WiFi-SSID	Sendungserkennung	Sichtbar
GNSS-Positionierung	Kalter Start	<60 s, Genauigkeit <10 m

8.3 RF- und Funkfrequenztests

RF-Leistung und Empfindlichkeit: Innenraumluft-RF-Testraum oder RF-Testvorrichtung zur Messung von Tx-Leistung, Rx-Empfindlichkeit
Antennenabstimmung: SWR/S11-Tests, um sicherzustellen, dass Abstimmungsnetzwerk im Zielband arbeitet
In-Band/Aus-Band-Emissionen: Spektrum testen, benachbarte Kanal-Leckagen, Spurious-Emissionen

Funktionstestbank-1

FCT-Demonstration automatisierter Tests

Umwelt- und Zuverlässigkeitstests (Alterung, Temperatur/Feuchtigkeit, Vibration, IP)

9.1 Alterung/Brand-In

Hochtemperatur-Alterungskammer: Typischerweise 48–168 Stunden (je nach Kunde/Branche) mit Ausführung von Schlüsselgeschäftsverkehr oder FCT-Skripten
Langzyklus-Zuverlässigkeit: MTBF-Schätzung und beschleunigte Lebensdauertests (ALT)

9.2 Temperatur/Feuchtigkeit und Thermische Zyklen

Programmierte Temperatur/Feuchtigkeitskammer-Zyklen (-40 °C → +85 °C, je nach Spezifikationen) zur Überprüfung von Lötstellen, Komponenten-Drift

9.3 Vibrations- und Stoßtests

Sinus-/Zufalls-Vibrations- und Stoßtests nach IEC- oder Branchenstandards zur Überprüfung mechanischer Zuverlässigkeit und Anschlusslockerung

9.4 IP-Schutztests

Wasserdicht-/staubdicht-Tests (Sprühen, Eintauchen, Staubkammer) nach IP-Klassenspezifikationen für Akzeptanz

Salzsprüh-/Vibrations-Teststelle

Zertifizierung und Vorschriften

Typische Zertifizierungen:

EMC/RED (EU-Funkgeräterichtlinie), FCC (USA)
RoHS, REACH (schädliche Stoffe)
Branchenspezifisch: Schiene, Automobil, Medizin usw. erfordern zusätzliche Konformitätstests

Diese Anforderungen in Design- und Materialauswahlphasen berücksichtigen, um spätere Nacharbeiten zu vermeiden.

Ausgangsinspektion (FQC), Verpackung und Logistik

11.1 FQC-Prozess

Stichprobeninspektionsrate, Vollprüfungsartikel (Aussehen, Funktion), endgültiger Lauf-Test vor Verpackung (Sanity-Test)
Verpackung umfasst antistatische Maßnahmen, stoßfeste Materialien, Bedienungsanleitungen, Konformitätsbescheinigungen und Garantiekarten

11.2 Verpackungsspezifikationsvorschlag

Innere/äußere Verpackung für Druck-/Feuchtigkeitsresistenz basierend auf Transportmodus
(Seefracht/Luftfracht/Landtransport) festlegenBei Batterien oder gefährlichen Gütern Transportvorschriften einhalten (IATA, IMDG)

Häufige Probleme in der Massenproduktion und Strategien zur Erhöhung der Ausbeute

Häufige Probleme: Lötbrücken, Hohlräume, BGA-Lötdfekte, Komponentenfehlausrichtung, Antennenfehlanpassung, EMI-Überschreitung.

Verbesserungsstrategien:

Druck- und Reflow-Parameterkontrolle verstärken, SPI/AOI-Daten-Feedback-Schleifen verwenden;
Schlüsselprozess-PFMEA (Potential Failure Mode and Effects Analysis) einrichten und Kontrollpläne erstellen;
Erstkunde-Verifizierung (FAI) und fortlaufende Stichproben für Schlüsselkomponenten und -prozesse durchführen;
Automatisierte Testvorrichtungen (menschliche Bedienfehler reduzieren) und Testprotokolle für Rückverfolgbarkeit aufzeichnen.

Anhang: Test-Checkliste, Geräteempfehlungen, Prozess-Tabellenvorlagen

13.1 Empfohlene Testgeräte (Beispiele)

Flashen/Programmierung: Stapelprogrammierer (SEGGER Flasher, Elatec usw.)
Funktionstestvorrichtungen: Benutzerdefinierte Vorrichtungen + Steuertestbänke (mit Kamera/Scanner für Seriennummer-Aufzeichnung)
RF-Tests: Spektralanalysator, Signalgenerator, Netzwerkanalysator (VNA) für S11/S21-Messungen
Umwelt: Temperatur/Feuchtigkeitskammer, Vibrations-Tisch, Hoch-/Nieder-Temperatur-Testbox
SMT: SPI, AOI, Röntgen, Platzierungsmaschinen und Reflow-Öfen

13.2 Ausgangs-Test-Checkliste (Kopiierbar in MES)

SN (Seriennummer) Aufzeichnung
MAC-Adresse und Zertifikats-Schreibbestätigung
Boot/POST-Erfolg
Basis-Funktionsprüfung für LAN/WAN/Mobilfunk/WiFi/GNSS
Strom- und Temperaturüberwachungspunkte
Endgültige Aussehensinspektion

13.3 Beispielhafte Prozess-Gantt-/Flusstabelle (Vereinfacht)

Phase	Dauer	Abhängigkeiten	Wichtige Ausgaben
Design	2 Wochen	Anforderungen	Schaltpläne/BOM
Beschaffung	1 Woche	BOM	Komponenten
SMT-Montage	3 Tage	Komponenten	Montierte PCB
Tests	1 Woche	Montage	Verifizierte Einheiten
Verpackung	1 Tag	Tests	Versandete Produkte

Zusammenfassung und Umsetzungsvorschläge

Parallele Berücksichtigung von Zertifizierung, Zuverlässigkeit und Fertigungsfähigkeit in frühen Produktphasen kann spätere Nacharbeitskosten erheblich senken;
Lebenszyklus-Management und Alternativverifizierung für Schlüssel-Lieferanten und -komponenten umsetzen;
Automatisierte Testplattformen und Datenrückverfolgungssysteme (MES-Integration) einrichten, um Defektraten schnell zu identifizieren und kontinuierlich zu verbessern;
Für industrienahezugfähige Produkte beweisen langzyklus-Zuverlässigkeitsdaten und standardisierte Tests die Produktkonkurrenzfähigkeit mehr als kurzfristige Funktionsprüfungen.