آیسی IC یا مدار مجتمع چیست؟ + انواع پکیج ها

آیسی ها سنگ بنای الکترونیک در دنیای مدرن هستند؛ قلب تپنده و مغز فرمان‌دهنده اغلب مدارهای الکترونیکی. اما اگر می‌پرسید که منظور از آیسی کدام قطعات هستند؟ همان تراشه(چیپ)‌های کوچک مشکی رنگ که به وفور بر روی تمام بورد های الکترونیکی یافت می‌شوند و تنها در صورتی که یا دیوانه باشید یا در ساخت مدارها جادوگری بلد باشید ممکن است مداری بسازید و در آن حداقل از یک آیسی استفاده نکنید. با این اوصاف مهم است که در مورد این کوچک‌های پرکاربرد بیشتر بدانید؛ داخل آن‌ها چه خبر است و بیرون‌شان چگونه قابل استفاده است.

زیرنویس عکس: آیسی‌ها چیپ‌های کوچک مشکی رنگی هستند که بر روی تمام بوردهای الترونیکی وجود دارند.

یک آیسی IC مجموعه‌ای از قطعات شناخته‌شده‌ی الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور، خازن و … است که همگی در یک تراشه کوچک جای داده شده‌ و به هم متصل‌اند تا در مجموع یک هدف مشترک را دنبال کنند. چه اهدافی؟ مثلا فرض کنید یک گیت منطقی، یک آپ امپ، یک تایمر 555 ، رگولاتور ولتاژ، کنترلر موتور، میکروکنترلر، میکروپروسسور، FPGA و … این لیست را می‎توان تا صبح فردا همین‌طور ادامه داد!

سرفصل‌ها

• ساختار داخلی یک IC
• پکیج (بسته‌بندی) متداول برای آیسی‌ها
• طبقه‌بندی و تشخیص آیسی‌ها
• پرکاربردترین آیسی‌ها

دنیای درون یک آیسی IC

وقتی به یک مدارمجتمع یا همان آیسی فکر می‌کنیم، اولین چیزی که به ذهن می‌رسد همان تراشه‌های کوچک با بسته‌بندی مشکی هستند. اما آیا از این‌که درون آن‌ها چه خبر است هم چیزی در ذهن داریم؟

زیرنویس عکس: محتویات داخلی یک آیسی بعد از برداشته شدن رویه‌ی سطحی آن

اما جان اصلی یک تراشه‌ی آیسی شبکه‌بندی‌ پیچیده‌ای تشکیل شده از ویفر‌های نیمه‌رسانا، اتصالات مسی و برخی موارد دیگر است که اتصالات میان ‌آن‌ها به نحوی ست که ترانزیستورها، مقاومت‌ها و سایر قطعات داخلی یک مدار را داشته باشیم. به چند لایه‌ی روی هم قرار گرفته و فرم داده شده از این ویفرها، دای(die) گفته می‌شود.

زیرنویس عکس: نمای بالا از دای در یک آی‌سی

حتما دارید به این فکر می‌کنید که خود آی‌سی‌ها که این‌ همه کوچک و باریک هستند پس این ویفرهای نیمه‌رسانا و اتصالاتشان چقدر باید ظریف باشند! بله دقیقا درست است، هم ویفرها به شکل خارق‌العاده‌ای باریک هستند و هم اتصالات مسی میان‌شان بشدت ظریف و پیچیده. تصویر زیر را ببینید که برشی با بزرگنمایی بالا از یک die است.

و در واقع دای‌ها چیزی نیستند به جز مدارهای الکترونیکی در فشرده ترین حالت ممکن. آنقدر فشرده و ظریف که نمی‌توان برای اتصال دادن بخش‌های مختلف این مدارها به مدارهای دیگر، بدون واسطه و از سیم‌های معمولی استفاده کرد. اما این تراشه ها که به تنهایی کاربردی ندارند و کاربرد آن‌ها در مدارها و در اتصال با سایر تراشه‌ها معنا پیدا می‌کند. پس چه باید کرد؟ پاسخ استفاده از پکیج هاست. در واقع بسته‌بندی‌ها یک نوع مبدل ارتباطی هستند که دسترسی به اتصالات ظریف و بعضا غیرقابل تشخیصِ درونی آی‌سی‌ها را ممکن و میسر می‌سازند. همان بسته‌بندی‌های مشکی رنگ و مرتبی که دارای پایه‌های قابل تشخیص و تفکیک هستند و بارها با آن‌ها کار کرده‌ایم.

انواع پکیج یا بسته بندی IC ‌ها

گفتیم که هدف پکیج ها اولا ممکن ساختن ارتباط خارجی با یک مدار مجتمع است و ثانیا محافظت از dieها در برابر آسیب‌‌های احتمالی. به این ترتیب هر اتصال خارجی که نیاز باشد به بخشی از مدار آی‌سی متصل شود، به پایه یا پین یا پد مربوط به آن بخش که از قبل در دیتاشیت مشخص می‌شود، اتصال می‌یابد. و منظور از پین‌ها همان پایه‌های فلزی نقره‌ای رنگی هستند که از پکیج بیرون آمده اند و قابل نصب در مدارها هستند. اهمیت پایه‌ها برای ما در این نکته نهفته است که واسط‌های ارتباطی با قسمت‌ها مختلف مدار درونی این بسته‌ی مشکی رنگ جذاب هستند. انواع مختلفی از پکیج‌ها وجود دارد که هریک ابعاد و ویژگی‌های مخصوص به خود را دارند، برخی بسته‌بندی‌ها به صورت SMD قابل استفاده هستند و برخی دیگر دارای پین‌های قابل اتصال‌اند.

علائم پلاریته و شماره پین‌ها

تمام آی‌سی‌ها دارای پلاریته هستند و هر پایه‌ای جا و عملکرد منحصربه فرد خود را دارد. معنای این حرف آن است که پیکج باید به گونه‌ای باشد که بتوان از روی آن محل هر پایه را از سایرین تشخیص داد. تمام IC ها از علامت Notch یا Dot استفاده می‌کنند که محل پایه شماره یک را نشان دهند. ( در برخی IC ها از هردوی این علائم استفاده می‌شود.)

با مشخص شدن پین شماره 1، بقیه پین ها به ترتیب در جهت پادساعت گرد شماره‌گذاری می‌شوند. تصویر زیر را ببینید تا دقیق‌تر متوجه شوید.

تقسیم‌بندی IC ها براساس شیوه نصب در مدار

یکی از ویژگی‌های مهم در تمایز انواع پکیج‌ها، شیوه‌ای است که برای نصب آن‌ها در یک مدار در نظر گرفته شده است. در واقع دو شیوه یا دو سبک وجود دارد :

• PTH (تکنولوژی آبکاری حفره‌ها یا پرچ توخالی یا پایه‌دار مثل DIPها)
• SMD/SMT (تکنولوژی نصب سطحی)

پکیج‌هایی که از تکنولوژی PTH استفاده می‌کنند معمولا بزرگ‌تر هستند و کارکردن با آن‌ها سادهتر است. طراحی آن‌ها به گونه‌ای است که می‌توان از یک طرف آن‌ها را روی بورد قرار داد و از طرف دیگر بورد پایه‌ها را لحیم کرد.

اما در نوع SMD یا SMT ابعاد معمولا کوچک یا خیلی کوچک است و طراحی آن‌ها به گونه‌ای است که روی بورد قرار گرفته و در همان‌جا( بر روی سطح) لحیم می‌شوند. پین‌های این نوع یا به صورت عمود بر تراشه از آن خارج می‌شوند و یا در سطح زیر آن قرار دارند. کار کردن دستی با تراشه‌هایی که دارای این نوع بسته‌بندی هستند خیلی کار راحتی نیست و معمولا برای نصب آن‌ها در مدار ها به ابزارهای مخصوصی نیاز داریم.

تکنولوژی DIP یا پایه‌ی دو ردیفه

DIP ، خلاصه شده‌ی عبارت dual in-line package، شایع‌ترین نوع بسته‌بندی PHT است. شما احتمالا بارها با تراشه‌های با این تکنولوژی کار کرده‌اید بدون آن‌که نام آن را بدانید. فرم ظاهری آن‌ها از این قرار است که دارای بدنه‌ی پلاستیکی مشکی رنگ و دو ردیف موازی پین‌های بیرون آمده از آن هستند که به صورت عمود بر بدنه ادامه پیدا می‌کنند.

زیرنویس عکس: ATmega328، دارای 28 عدد پین، یکی از میکروکنترلر های پرکاربرد که در بسته‌بندی آن از تکنولوژی DIP استفاده شده است.

 

در روش DIP ، فاصله استاندارد میان پایه‌ها 0.1 اینچ (معادل 2.54 mm) در نظر گرفته می‌شود که برای قرار گرفتن بر روی برد بورد یا بوردهای سوراخ‌دار نیز قابل استفاده است. ابعاد کلی یک قطعه‌ی DIP  بسته به تعداد پایه‌های آن متغییر است. تعداد پایه‌ها می‌تواند از 4 تا 64 عدد باشد. عرض این تراشه‌ها ( فاصله میان دو ردیف پایه‌ی موازی) نیز به گونه‌ای در نظر گرفته می‌شود که آی‌سی قابل سوار شدن در قسمت میانی برد بورد باشد. قرار دادن آی‌سی در این قسمت برد بورد باعث می‌شود هر پین، یک ردیف سوراخ متناظر داشته باشد که قابلیت اتصال چند سیم را فراهم می‌کند و از طرفی احتمال وقوع اتصال کوتاه میان پایه‌های مختلف نیز از بین می‌رود.

و علاوه بر قابلیت نصب بر روی برد بورد، چیپ‌هایی با این نوع بسته‌بندی، به خوبی در PCB ها نیز قابل استفاده هستند. به این شکل که روی بورد قرار داده شده و از سمت دیگر لحیم می‌شوند. و گاهی اوقات نیز به جای لحیم کردن مستقیم خود آی‌سی، از سوکت‌ها به عنوان واسطه استفاده می‌شود. این کار کمک می‌کند که بتوانید بارها وبارها و به راحتی تراشه را در مدار قرار دهید یا آن را از مدار جدا کنید. مخصوصا اگر قطعه‌ای باشد که احتمالا سوختن آن وجود دارد!

زیر نویس عکس: دو نوع از انواع سوکت‌ها در حال قرار گرفتن آی‌سی و بدون آن!

روش بسته‌بندی با قابلیت نصب سطحی (SMT  یا SMD )

کاربرد این نوع آی‌سی امروزه بسیار گسترده و متنوع است. برای استفاده از آن‌ها نیاز به PCB هایی دارید که دقیقا مختص آن قطعات خاص طراحی شده باشند و اتصالات مسی چاپ‌شده بر روی آن‌ها متناظر با اتصالات این تراشه‌ها باشد. در این بخش مهم‌ترین و پرکاربردترین انواع این نوع آیسی ها را با هم بررسی می‌کنیم.این انواع از نظر قابلیت نصب شدن با دست به سه دسته تقسیم می‌شوند :

• قابل نصب با دست
• قابل نصب اما با کمک ابزارهایی مخصوص
• غیر قابل نصب با دست و قابل نصب تنها با ابزارهای خیلی مخصوص!

آیسی‌ های (SOP (Small-Outline

آیسی‌های دارای بسته‎یندی small-outline (SOIC) در دسته‌ی SMD ها،  به نوعی برادرناتنی نوع DIP در دسته‌ی PTH ها محسوب می‌شوند! به عبارتی اگر پایه‌های یک آیسی  از نوع DIP  را بگیرید و به سمت بیرون صاف کنید، و مقداری هم ابعاد آن را کاهش دهید، یک آی‌سی از نوع SOP خواهید داشت. اگر چشمان تیزبینی داشته‌باشید و نیز دستانی که نلرزند، این نوع از آیسی های SMD را می‌توان به راحتی با دست و بدون کمک گرفتن از ابزارهای خاص، بر روی مدارها لحیم کرد. فاصله پایه‌ها در SOIC ها در حدود 0.05  اینچ (معادل 1.27mm ) است.

• یک زیرمجموعه از این دسته ، آیسی‌های SSOP هستند که ابعاد آن ها باز هم کوچک‌تر شده است. (shrink small-outline package)
• همچنین TSOPها نیز زیرمجموعه دیگری هستند که نسبت به SOPها باریک‌تر شده‌اند. (thin small-outline package)
• و نیز TSSOP ها که ترکیب دو دسته قبلی اند یعنی SOPهایی که هم کوچک‌تر اند و هم باریک‌تر. (thin-shrink small-outline package)

زیرنویس عکس: یک مالتیپلکسر 16 کاناله (CD74HC4067) دارای 24 پین، که بسته بندی SSOP  دارد و در وسط یک بورد به صورت SMD نصب شده است. سکه برای مقایسه‌ی ابعاد در کنار بورد و آی‌سی قرار گرفته است.

جالب است بدانید بسیاری از IC های ساده و پرکاربرد با همین نوع بسته بندی SOIC   و SSOP ارائه می‌شوند. به عنوان مثال MAX232 یا همین مالتیپلکسری که در تصویر بالا مثال زدیم.

آیسی‌ های  (QFP (Quad Flat Packages

آیسی‌هایی که دارای بسته‌بندی یا پکیجینگ از این نوع هستند، به شکل تراشه‌هایی چهارگوشه‌اند که از تمام اضلاع آن‌ها پین‌ها خارج می‌شوند. QFP IC‌ها می‌توانند از 32 پایه داشته باشند (در هر ضلع 8 پایه) تا بالغ بر 300 پایه (هر ضلع چیزی در حدود 70 پایه یا قدری بیشتر). فاصله میان این پایه‌ها می‌تواند از 0.4mm باشد تا 1mm . از زیرمجموعه‌های کوچک‌تر یا باریک‌تر این دسته از بسته‌بندی‌ها می‌توان به TQFP‌ها ، VQFPها و LQFPها اشاره کرد که به ترتیب انواع باریک، خیلی باریک و low-profile هستند.

زینویس عکس: میکرو ATmega32U4 دارای 44 پایه و پکیچ TQFP

حالا فرض کنید که یک آیسی از نوع QFP داشته باشیم و پایه‌های آن را قدری سمباده بکشیم تا ظریف و کوتاه‌تر شوند! در این صورت به نوعی از QFP ها می‌رسیم که اصطلاحا به آن‌ها QFN گفته می‌شود( مخفف عبارت quad-flat no-leads) . در QFN  ها پایه ها آنقدر ظریف و کوتاه هستند که دیگر نمی‌توان به آن‌ها پایه خطاب کرد و بهتر است از لفظ زبانه‌های اتصال استفاده کنیم. این زبانه ‌ها همان‌طور که در شکل زیر مشخص است، در خارجی‌ترین قسمت ظلع‌ها در سطح زیرین آیسی قرار دارند. البته گاهی اوقات هم این زبانه‌ها اصطلاحا دور پکیج پیچیده می‌شوند و از سطح رویی آیسی نیز قابل دسترسی هستند نه فقط از سطح زیرین.

زیرنویس عکس: سنسور MPU-6050 که بسته‌‌بندی QFN دارد. دارای 24 پین یا زبانه اتصال است که در سطح زیرین آیسی ( پشت پکیج) قرار گرفته ‌اند.

QFNها نیز خود دارای انواعی هستند از جمله:

• TQFN : QFN باریک
• VQFN : QFN فوق باریک
• MLF : نوع micro-lead
• DFN : تنها دو ظلع دارای زبانه‌های اتصال هستند.
• TDFN : نوع باریک مورد قبلی.

بسیاری از میکروپروسسورها، سنسورها و IC های مدرن، بسته بندی QFP یا QFN دارند. مثلا میکروکنترلر محبوب ATmega328 در هر دو نوع بسته‌بندی TQFP و MLF ارائه می‌شود. یا مثلا همین سنسور شتاب‌سنج/ژیروسکوپ MPU-6050 که در تصویر قبلی مثال زدیم و دارای بسته بندی QFN  است.

آیسی‌ های (BGA (Ball Grid Arrays packaging

این نوع آیسی ها دارای پکیج‌هایی هستند که اتصالات یا اصطلاحا پایه‌های آن‌ها به شکل شبکه‌ای از گوی‌های برجسته است. البته لازم است همینجا این نکته را ذکر کنیم که این نوع بسته بندی مختص IC  های فوق پیشرفته است و در IC های معمولی از آن‌ها استفاده نمی‌شود. ساختار این پکیج ها واقعا جذاب و پیچیده است! شما با شبکه‌ای دو بعدی از گوی‌های لحیم‌کاری شده روبه رو هستید که در سطح زیرین آی‌سی قرار گرفته اند.گاهی اوقات این گوی‌های فلزی کوچک مستقیما به خود die وصل هستند.

از پکیج‌های BGA همان‌طور که گفتیم تنها در ICهای پیشرفته مانند میکروپروسسورهایی که در  pcDuino یا Raspberry Pi به کار رفته‌اند، استفاده می‌‌شود. و به عنوان نکته انتهایی این بخش باید بگوییم که اگر بتوانید IC هایی با پکیج BGA را تنها با دست و بدون دخالت هیچ ابزار کمکی دیگری بر روی مدار نصب کنید، احتمالا شما یک جادوگر لحیم‌کاری هستید! بله ! قرار دادن این قطعات در مدارهای PCB  به پروسه‌های خودکاری نیاز دارد که در آن‌ها از ابزارهایی مانند ماشین‌های pick-and-place و یا دستگاه های reflow oven استفاده می‌شود.

پرکاربردترین آیسی IC ها

همانطور که در ابتدای این آموزش هم خاطرنشان کردیم، آی‌سی ها را می‌توانید در فرم‌های مختلف و بسیار متنوعی در مدارهای الکترونیکی پیدا کنید و خیلی سخت است که بخواهیم تمام انواع آن‌ها را در اینجا معرفی کنیم. اما لااقل می‌توانیم به چند مورد از پرکاربردترین‌ها که ممکن است در دوره‌های آموزشی بیش از بقیه با آن‌ها سروکار داشته باشید ، بپردازیم.

گیت‌های منطقی، تایمرها، شیفت رجیسترها

گیت‌های منطقی که سنگ‌بنای بسیاری از ICهای دیگر هستند، خودشان نیز می‌توانند بصورت جداگانه و با بسته‌بندی مرتب ارائه شوند و کاربرد داشته باشند. برخی از این IC های منطقی ممکن است در درون خود شامل تعداد بدردبخوری گیت‌های منطقی باشند. مثلا آی‌سی زیر را ببینید که یک گیت AND چهار ورودی است.

از این IC های منطقی می‌توان در دل IC های دیگر استفاده کرد و به عنوان مثال تایمرها، کانترها، لچ‌ها ، شیفت رجیسترها و سایر مدارهای منطقی پایه‌ای را ساخت.

میکروکنترلرها، میکروپروسسورها، FPGA ها

IC های میکروکنترلر، میکروپروسسور و FPGA ، در درون خود هزارها، میلیون ها و حتی میلیاردها ترانزیستور دارند که همگی در درون یک تراشه باریک و به کمک تکنولوژی ساخت IC جای داده شده اند! از نظر کاربرد ، پیچیدگی مدار، ابعاد و … انواع بسیار مختلفی دارند . از میکروکنترلر 8 بیتی ATmega328 گرفته تا یک میکروپروسسور چندهسته‌ای 64 بیت که در کامپیوتر و لپتاپ‌های ما وجود دارد.

قطعات این دسته معمولا بزرگ‌ترین IC هایی هستند که در یک مدار قرار می‌گیرند. مثلا میکروکنترلرهای معمولی را می‌توان در بسته‌بندی های  DIP و یا QFN/QFP تهیه کرد در حالیکه تعداد پایه‌های آن‌ها از 8 تا 100 پایه متغییر باشد.

و هرچه مدار درونی پیچیده تر باشد، پکیج استفاده شده نیز به مراتب پیشرفته تر خواهد بود. مثلا FPGA  ها و میکروپروسسورهای پیشرفته را که ممکن است بعضا تا هزاران پایه داشته باشند، تنها در بسته‌بندی‌های QFN ، LGA و BGA می‌توان پیدا کرد.

سنسورها

سنسورهای دیجیتالی و مدرن، مانند سنسورهای تشخیص دما، شتاب‌سنج‌ها و زیروسکوپ‌ها، می‌توانند به صورت IC  ارائه شوند و معمولا سایز آن‌ها از سایز ICهای سایر گروه ها و میکروها کوچک‌تر است. تعداد پایه‌های آن‌ها از 3 پایه تا بعضا 20 پایه متغیر است. امروزه به ندرت می‌توان فرم DIP آن‌ها را یافت و بیشتر به صورت QFP ، QFN و BGA در دسترس هستند.

توصیه میکنم آموزش های مفاهیم پایه الکترونیک را مطالعه کنید تا دید عمیق تری نسبت به قطعات الکترونیک و نحوه ی کارکرد قطعات پیدا کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی