Mạch tích hợp

Mạch tích hợp (IC) là một chìa khóa của thiết bị điện tử hiện đại. Họ là trái tim và bộ não của hầu hết các mạch. Chúng là những "con chip" nhỏ màu đen phổ biến mà bạn tìm thấy trên mọi bảng mạch. Trừ khi bạn là một loại phù thủy điện tử tương tự, điên rồ, bạn có thể có ít nhất một IC trong mỗi dự án điện tử mà bạn xây dựng, vì vậy điều quan trọng là phải hiểu chúng, từ trong ra ngoài.

Các mạch tích hợp là các "chip" nhỏ màu đen, được tìm thấy trên tất cả các thiết bị điện tử nhúng.

IC là tập hợp các linh kiện điện tử - điện trở , bóng bán dẫn , tụ điện , v.v. - tất cả được nhét vào một con chip nhỏ và kết nối với nhau để đạt được mục tiêu chung. Chúng có đủ loại hương vị: cổng logic mạch đơn, ampe kế, bộ định thời 555, bộ điều chỉnh điện áp, bộ điều khiển động cơ, bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý, đồ họa ... danh sách chỉ cần bật và tắt.

Được đề cập trong Hướng dẫn này

Cấu tạo của một IC
Gói IC thông thường
Xác định IC
IC thường được sử dụng

cách đọc được đề nghị

Mạch tích hợp là một trong những khái niệm cơ bản hơn của điện tử. Tuy nhiên, chúng được xây dựng dựa trên một số kiến thức trước đây, vì vậy nếu bạn không quen thuộc với các chủ đề này, trước tiên hãy xem xét hướng dẫn của họ ...

Mạch là gì
Cực tính
Điện trở
Điốt
Tụ điện
Linh kiện bán dẫn

Bên trong IC

Khi chúng tôi nghĩ rằng các mạch tích hợp, các chip đen nhỏ là những gì bạn nghĩ đến. Nhưng những gì bên trong hộp đen đó?

Ruột của một mạch tích hợp, có thể nhìn thấy sau khi loại bỏ đầu .

"Thịt" thực sự đối với IC là một lớp phức tạp của các tấm bán dẫn, đồng và các vật liệu khác, kết nối với nhau để tạo thành bóng bán dẫn, điện trở hoặc các thành phần khác trong mạch. Sự kết hợp cắt và hình thành của các tấm wafer này được gọi là khuôn .

Tổng quan về một IC chết.

Trong khi bản thân IC rất nhỏ, các tấm bán dẫn và các lớp đồng mà nó bao gồm rất mỏng. Các kết nối giữa các lớp rất phức tạp. Đây là phần phóng to của phần chết ở trên:

IC chết là mạch ở dạng nhỏ nhất có thể, quá nhỏ để hàn hoặc kết nối. Để làm cho công việc kết nối với IC của chúng tôi dễ dàng hơn, chúng tôi đóng gói khuôn. Gói IC biến con súc sắc nhỏ xíu thành con chip đen mà chúng ta đều quen thuộc.

Gói IC

Gói này là thứ đóng gói các mạch chết tích hợp và tách nó ra thành một thiết bị mà chúng ta có thể dễ dàng kết nối hơn. Mỗi kết nối bên ngoài trên khuôn được kết nối thông qua một sợi dây vàng nhỏ đến một miếng đệm hoặc ghim trên bao bì. Các chân là các đầu cực đùn màu bạc trên IC, tiếp tục kết nối với các bộ phận khác của mạch điện. Đây là những điều cực kỳ quan trọng đối với chúng tôi, bởi vì chúng là những gì sẽ tiếp tục kết nối với phần còn lại của các thành phần và dây dẫn trong một mạch.

Có nhiều loại gói khác nhau, mỗi loại có kích thước, kiểu lắp và / hoặc số đếm pin duy nhất.

Đánh dấu cực và đánh số pin

Tất cả các IC đều được phân cực và mỗi pin là duy nhất về cả vị trí và chức năng. Điều này có nghĩa là gói phải có một số cách để truyền đạt pin nào. Hầu hết các IC sẽ sử dụng một notch hoặc một dấu chấm để chỉ ra pin nào là pin đầu tiên. (Đôi khi cả hai, đôi khi một hoặc khác.)

Khi bạn biết pin đầu tiên ở đâu, số pin còn lại sẽ tăng liên tục khi bạn di chuyển ngược chiều kim đồng hồ xung quanh chip.

Phong cách gắn kết

Một trong những đặc điểm loại gói chính là cách chúng gắn vào bảng mạch. Tất cả các gói thuộc một trong hai loại lắp: lỗ xuyên (PTH) hoặc giá treo bề mặt (SMD hoặc SMT). Các gói thông qua lỗ thường lớn hơn và dễ làm việc hơn nhiều. Chúng được thiết kế để được dán qua một mặt của bảng và hàn sang phía bên kia.

Các gói gắn trên bề mặt có kích thước từ nhỏ đến rất nhỏ. Chúng đều được thiết kế để ngồi ở một bên của bảng mạch và được hàn lên bề mặt. Các chân của gói SMD hoặc nhô ra bên cạnh, vuông góc với chip hoặc đôi khi được sắp xếp theo ma trận ở dưới cùng của chip. IC trong yếu tố hình thức này không "thân thiện với lắp ráp". Họ thường yêu cầu các công cụ đặc biệt để hỗ trợ quá trình.

DIP (Gói nội tuyến kép)

DIP, viết tắt của gói nội tuyến kép, là gói IC thông qua lỗ phổ biến nhất mà bạn sẽ gặp. Những con chip nhỏ này có hai hàng chân song song kéo dài vuông góc ra khỏi vỏ hình chữ nhật, màu đen, bằng nhựa.

ATmega328 28 pin là một trong những bộ vi điều khiển đóng gói phổ biến hơn (cảm ơn, Arduino!).

Mỗi chân trên IC nhúng được đặt cách nhau 0,1 "(2,54mm), là khoảng cách tiêu chuẩn và hoàn hảo để lắp vào bảng mạch bánh mì và các bảng tạo mẫu khác. Kích thước tổng thể của gói DIP phụ thuộc vào số lượng pin của nó, có thể là bất cứ nơi nào từ bốn đến 64.

Khu vực giữa mỗi hàng của các chân được đặt cách nhau một cách hoàn hảo để cho phép các IC IC nhúng vào khu vực trung tâm của bảng. Điều này cung cấp cho mỗi chân của nó hàng riêng trong bảng và nó đảm bảo chúng không ngắn với nhau.

Ngoài việc được sử dụng trong các bảng mạch, IC IC cũng có thể được hàn vào PCB . Họ được chèn vào một bên của bảng và hàn vào vị trí ở phía bên kia. Đôi khi, thay vì hàn trực tiếp vào IC, bạn nên cắm chip. Việc sử dụng các ổ cắm cho phép loại bỏ một IC DIP và tráo đổi, nếu điều đó xảy ra là "hãy để khói xanh của nó thoát ra".

Một ổ cắm DIP thông thường (trên cùng) và ổ cắm ZIF có và không có IC.

Gói Surface-Mount (SMD / SMT)

Ngày nay có rất nhiều loại gói gắn trên bề mặt. Để làm việc với các IC đóng gói bề mặt, bạn thường cần một bảng mạch in tùy chỉnh ( PCB ) được chế tạo cho chúng, có mẫu đồng phù hợp với chúng được hàn.

Dưới đây là một số loại gói SM phổ biến hơn hiện có, từ khả năng hàn tay từ "có thể làm được" đến "có thể thực hiện được, nhưng chỉ với các công cụ đặc biệt" đến "chỉ có thể thực hiện được với các công cụ rất đặc biệt, thường là tự động".

Đề cương nhỏ (SOP)

Các gói IC phác thảo nhỏ (SOIC) là anh em họ gắn trên bề mặt của DIP. Đó là những gì bạn sẽ nhận được nếu bạn bẻ cong tất cả các chân trên một chiếc DIP ra bên ngoài và thu nhỏ nó xuống kích thước. Với một bàn tay chắc chắn và một cái nhìn cận cảnh, các gói này là một trong những bộ phận dễ dàng nhất để hàn bằng tay. Trên các gói SOIC, mỗi pin thường cách nhau khoảng 0,05 "(1,27mm) từ lần kế tiếp.

SSOP (gói thu nhỏ phác thảo) là phiên bản nhỏ hơn của gói SOIC. Các gói IC tương tự khác bao gồm TSOP (gói phác thảo nhỏ mỏng) và TSSOP (gói phác thảo nhỏ thu nhỏ).

Ví dụ về SSOP được gắn, quý được thêm vào để so sánh kích thước

Bộ ghép kênh 16 kênh ( CD74HC4067 ) trong gói SSOP 24 chân. Được đặt trên một bảng ở giữa (thêm quý để so sánh kích thước).

Rất nhiều IC đơn giản, định hướng theo nhiệm vụ đơn lẻ như MAX 232 hoặc bộ ghép kênh có dạng SOIC hoặc SSOP.

Gói Quad Flat

Phát các chân IC ra theo cả bốn hướng giúp bạn có được thứ gì đó trông giống như một gói bốn mặt phẳng (QFP). IC QFP có thể có bất cứ nơi nào từ tám chân mỗi bên (tổng cộng 32) cho đến hơn bảy mươi (tổng số 300+). Các chân trên IC QFP thường được đặt cách nhau từ 0,4mm đến 1mm. Các biến thể nhỏ hơn của gói QFP tiêu chuẩn bao gồm các gói mỏng (TQFP), rất mỏng (VQFP) và cấu hình thấp (LQFP).

Các ATmega32U4 trong một 44-pin (11 mỗi bên) gói TQFP.

Nếu bạn lấy chân ra khỏi IC QFP, bạn sẽ nhận được thứ gì đó trông giống như gói không có dây dẫn bốn góc (QFN) . Các kết nối trên các gói QFN là các miếng đệm nhỏ, lộ ra ở các cạnh góc dưới của IC. Đôi khi chúng quấn quanh và được phơi ở cả mặt bên và mặt dưới, các gói khác chỉ lộ miếng đệm ở dưới cùng của con chip.

Cảm biến IMU MPU-6050 đa năng đi kèm trong gói QFN tương đối nhỏ, với 24 chân tổng số ẩn ở cạnh dưới của IC.

Các gói mỏng (TQFN), rất mỏng (VQFN) và micro-chì (MLF) là các biến thể nhỏ hơn của gói QFN tiêu chuẩn. Thậm chí còn có các gói không chì kép (DFN) và không chì kép (TDFN), có các chân ở hai bên.

Nhiều bộ vi xử lý, cảm biến và các IC hiện đại khác có trong các gói QFP hoặc QFN. Bộ vi điều khiển ATmega328 phổ biến được cung cấp ở cả gói TQFP và dạng QFN (MLF), trong khi một gia tốc kế / con quay hồi chuyển nhỏ như MPU-6050 có dạng QFN rất nhỏ.

Mảng lưới bóng

Cuối cùng, đối với các IC thực sự tiên tiến, có các gói mảng bóng (BGA). Đây là những gói nhỏ phức tạp đáng kinh ngạc trong đó các quả bóng hàn nhỏ được sắp xếp trong một lưới 2 chiều ở dưới cùng của IC. Đôi khi các quả bóng hàn được gắn trực tiếp vào khuôn!

Các gói BGA thường được dành riêng cho các bộ vi xử lý tiên tiến, như các gói trên pcDuino hoặc Raspberry Pi .

Nếu bạn có thể hàn tay một IC đóng gói bằng BGA, hãy xem mình là người hàn chính. Thông thường, để đặt các gói này lên PCB đòi hỏi một quy trình tự động liên quan đến máy móc chọn và đặt lò phản xạ.

IC thông thường

Các mạch tích hợp phổ biến ở rất nhiều dạng trên các thiết bị điện tử, thật khó để bao quát mọi thứ. Dưới đây là một số IC phổ biến hơn mà bạn có thể gặp trong các thiết bị điện tử giáo dục.

Cổng logic, bộ đếm thời gian, thanh ghi thay đổi, v.v.

Các cổng logic, các khối xây dựng của nhiều IC hơn, có thể được đóng gói vào mạch tích hợp của riêng chúng. Một số IC cổng logic có thể chứa một số cổng trong một gói, như cổng AND bốn đầu vào này:

Các cổng logic có thể được kết nối bên trong một IC để tạo bộ định thời, bộ đếm, chốt, thanh ghi thay đổi và mạch logic cơ bản khác. Hầu hết các mạch đơn giản này có thể được tìm thấy trong các gói DIP, cũng như SOIC và SSOP.

Vi điều khiển, Vi xử lý, FPGA, v.v.

Bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý và đồ họa, tất cả đóng gói hàng ngàn, hàng triệu, thậm chí hàng tỷ bóng bán dẫn vào một con chip nhỏ, đều là các mạch tích hợp. Các thành phần này tồn tại trong một phạm vi rộng về chức năng, độ phức tạp và kích thước; từ một bộ vi điều khiển 8 bit như ATmega328 trong Arduino , đến một bộ vi xử lý đa lõi 64 bit, phức tạp trong máy tính của bạn.

Các thành phần này thường là IC lớn nhất trong một mạch. Các bộ vi điều khiển đơn giản có thể được tìm thấy trong các gói từ DIP đến QFN / QFP, với số lượng pin nằm ở đâu đó trong khoảng từ tám đến một trăm. Khi các thành phần này phát triển phức tạp, gói trở nên phức tạp như nhau. Các bộ vi xử lý và bộ vi xử lý phức tạp có thể có tới một nghìn chân và chỉ có sẵn trong các gói nâng cao như QFN, LGA hoặc BGA.

Cảm biến

Các cảm biến kỹ thuật số hiện đại, như cảm biến nhiệt độ, gia tốc kế và con quay đều được đóng gói thành một mạch tích hợp.

Các IC này thường nhỏ hơn các vi điều khiển hoặc các IC khác trên bảng mạch, với số lượng pin trong khoảng từ ba đến hai mươi. IC cảm biến nhúng đang trở nên hiếm, vì các thành phần hiện đại thường được tìm thấy trong các gói QFP, QFN, thậm chí là các gói BGA.

Tài nguyên và đi xa hơn

Mạch tích hợp có mặt chỉ trong mỗi mạch ngoài kia. Bây giờ bạn đã quen thuộc với IC, tại sao không xem một số hướng dẫn khái niệm liên quan sau:

Khái niệm cơ bản về PCB - IC phải được kết nối với một mạch bằng cách nào đó. Thông thường chúng tôi sẽ hàn IC vào bảng mạch in (PCB). Kiểm tra hướng dẫn này để tìm hiểu thêm về những bảng xanh nhỏ.
Giao tiếp nối tiếp , Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) và I 2 C - Tất cả ba trong số này là các giao thức truyền thông mà IC sử dụng để giao tiếp với nhau.

Hoặc, kiểm tra một số các hướng dẫn kỹ năng. Đây là những kỹ năng tiện dụng mà mọi hacker điện tử vừa chớm nở nên học!

Cách hàn - Trừ khi bạn đang sử dụng bảng mạch với IC của mình, có thể bạn sẽ cần phải hàn chúng.
Hướng dẫn kết nối bộ chuyển đổi SOIC sang chân 8 chân - Một ví dụ về việc hàn gói SOIC 8 chân vào bảng đột phá.
Hướng dẫn kết nối bộ chuyển đổi SSOP-16 sang DIP - Một ví dụ khác về việc hàn gói SOIC 16 chân vào bảng đột phá.
Thiết kế PCB - Hoặc, nếu bạn đã quen thuộc với PCB, tại sao không thử tạo một PCB! Hướng dẫn này giải thích cách sử dụng một phần mềm có sẵn miễn phí (Eagle) để thiết kế PCB.
Thiết kế dấu chân PCB - Hướng dẫn này hướng dẫn bạn qua các bước cần thiết để thiết kế dấu chân PCB cho IC, sử dụng Eagle CAD.
Tạo dấu chân tùy chỉnh trong EAGLE - Tạo dấu chân tùy chỉnh trong Eagle bằng hình ảnh.