集成电路

简介

集成电路是现代电子科学的重要基础。它们是绝大部分电路的心脏和大脑。它们是你能在大部分板子上找到的普遍存在的黑色芯片。除非是你另类疯狂的模拟电路鬼才,否则你最好在你的电路项目上准备至少一块集成电路,因此从内到外理解集成电路是非常重要的。

Example of ICs on a PCB

集成电路就是小块的黑色芯片,它们完全嵌入了电路中。

一个集成电路是多种电路元件的集合,通常包括电阻、晶体管、电容器等等,这些元件连接在一起为了完成共同的目的。它们具有各种各样的形式:单电路逻辑门、运算放大器、555定时器、电压控制器、舵机控制器、微控制器、微处理器、FPGA(现场可编程门阵列),诸如此类。

本导文所涉及的:

  • 集成电路的制造
  • 常用IC封装
  • 识别IC芯片
  • IC芯片的基本用途

建议阅读

集成电路的里面

当我们思考集成电路时,我们对这块小小的黑色芯片是什么产生了疑问。那么在这微型黑盒子里到底有什么呢?

Internal view of an IC

将芯片的顶部移除后,看到的集成电路的内容。

集成电路真正的“血肉”是布局复杂的半导体晶片、铜线以及其他金属,这些金属内部连接到晶体管、电阻或其他电路元件。这些晶元的切片和结合形式叫做裸片

Overview of internal IC

集成电路裸片概览

集成电路本来就很细小,组成它的半导体晶元以及铜线的布置是更加的细微。电路元件之间的连接是复杂精细的。下图是上面提及的裸片的一个镜头:

Microscopic view of an IC

一个集成芯片里面是尽可能小的电路形式,但也因为太小了而不能通过焊接来连接电路。为了让我们连接集成电路的工作变得简单,我们封装了裸片。封装集成电路就是让微小精妙的裸片放进我们熟悉的芯片里。

IC封装

所谓包装就是将集成电路裸片封装好并将它的功能线路伸展出来,这样我们就能更容易地连接它。管芯上的每个外部连接通过一小段导线连接到封装上的焊盘或引脚。引脚是芯片上导出来的电线,和电路中的其他部分连接。这对我们来说是至关重要的,因为它们是接下来要与电路中其余元件和电线相连的。
封装形式有许多种,每一种都有独特的风格、装配模式、引脚数量。

Package variety chart

两极标志和引脚序号

所有集成芯片都是具有两极的,所有引脚的位置和功能都是独一无二的。这意味着芯片的包装必须能用一些方法将不同芯片区别开来。大多数芯片用一个凹槽(Notch)或一个点(Dot)来表明哪个引脚是第一引脚。(有些两者都用,有些只用其中一者)

Package with notch/dot labeled

一旦你知道哪个是第一引脚,那么其余的引脚你按着逆时针的顺序就能给它们编号了。

DIP pin numbering

安装方式

一个检查封装类型的方法是知道芯片如何装配在电路板。所有封装大致可以分为两种装配形式:PTH(through-hole,打孔安装技术)或SMT(surface-mount,表面安装技术)。PTH封装的芯片通常大一点,而且比较容易操作。它们被设计成一侧卡在主板上,另一侧与主板焊接相连。SMT封装的芯片有大有小。它们全被设置成安放在主板的一侧,然后与主板表面焊接。SMD封装的芯片引脚会被引出,引出的引脚与芯片边沿垂直,或者在芯片的底部排成阵列。采用这种装配技术的芯片一点都不利于手工操作。它们通常需要在安装过程采用一些特别工具。

DIP(双列直插式封装)

DIP,“dual in-line package”的的缩写,在你最常遇见的采用打孔安装技术的芯片中,DIP是比较普遍的封装形式。这些长方形的黑色塑料芯片在两边引出了两行垂直的引脚。

DIP package example

28引脚的ATmega328是最流行的DIP封装的微控制器之一(感谢Arduino!)

DIP芯片上的每一个引脚都间隔2.54mm,这是标准而完美的间隔,可以很方便地安装面包板或其他测试板上。DIP芯片的复杂度取决于引脚的数量,引脚数量从4到64都有。

DIP芯片两行之间的宽度恰好让它横跨面板板的中间隔离带。每一只引脚都分配到了面包板的一行,并且可以保证的是引脚两两之间并不会短路。

DIP chips on a breadboard.

(箭头指向面包板的凹槽)

DIP芯片除了可以在面包板中使用,它们一样可以焊接PCB上。他们被插进板子的一侧,另一侧焊接在板子上。有时候,除了直接将芯片焊接在电路板上,将芯片插在插座上也是一个不错的主意。使用插座让DIP芯片易于安装和移除。

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标准的DIP插座(上),零插拔力插座(ZIF)(下)

SMD或SMT封装

如今有花样繁多的SMD封装类型。为了能使用一个SMD封装的芯片,你需要有一个为此芯片定制的印刷电路板(PCB)。PCB具有铜焊接的匹配图案。

Small-Outline (SOP)

小外形封装集成电路(SOIC)是DIP这种采用SMT技术的表亲。你将DIP芯片的引脚全部弯曲,并将它们缩小,就能得到SOIC。用稳定的手和敏锐的眼睛,这些封装是手工焊接中最简单的SMD部件之一。SOIC的引脚两两间隔1.27mm。

SSOP(shrink small-outline package,缩小型SOP)
SOIC的更小的版本。另外还有相似封装的芯片,包括TSOP(薄小外形封装)和TSSOP(微薄小外形封装)。

Example of SSOP mounted, quarter added for size-comparison

一个16通道的多路复用器,被封装成24引脚的SSOP。装配在板子的中间。(旁边的硬币用来对比大小)。

许多面向单任务的芯片都采用SOIC或SSOP形式,比如MAX232或多路复用器。

塑料方形扁平式封装(Quad Flat Package,QFP)

QFP在芯片的四个边沿上都引出引脚。QFP芯片一般每边都有8个引脚(共32个),有时会达到超过300个引脚。QFP的引脚间隔0.4mm到1mm。QFP其它更小的变形包括TQFP(thin QFP)、VQFP(very thin QFP)和LQFP(low-profile QFP)。

TQFP example package

TQFP封装的ATmega32U4芯片,共有44引脚,每边11个。

如果你将QFP芯片的引脚磨掉,你就会得到一个看起来像QFN(quad-flat no-leads,无引脚方形扁平式封装)的芯片。QFN芯片的连接靠那些芯片底部边沿暴露的薄薄的金属片。有时候它们暴露在芯片的底部和侧面,一些芯片仅仅在底部有这些金属片。

Example of QFN package

QFN封装的MPU-6050 IMU传感器,在底部的边缘有24个引脚。

Thin (TQFN), very thin (VQFN), and micro-lead (MLF) packages are smaller variations of the standard QFN package. There are even dual no-lead (DFN) and thin-dual no-lead (TDFN) packages, which have pins on just two of the sides.

TQFN、VQFN、MLF是标准QFN的小型分支。甚至还有DFN和TDFN,这些封装形式在底部只有两行有引脚。
许多微处理器、传感器以及其他现代集成电路都采用QFP和QFN的封装形式。受欢迎的ATmega328微处理器通常采用TQFP和QFN封装形式,而像MPU-6050这样的加速度计/陀螺仪采用更微小的QFN封装形式。

BGA(Ball Grid Array,球栅栏阵列封装)

真正高级的集成电路芯片都是采用BGA封装的。这种封装技术复杂精细到令人难以相信,焊珠在芯片底部排成二维网格阵列。有时候这些焊珠直接和裸片连接。

Example of BGA package

BGA封装技术通常被用于高级微处理器,就像pcDuino或Raspberry Pi。

如果你能够手工焊接一个BGA芯片,你大可以自认为是个老练的焊接师。通常,将BGA芯片装配在PCB板上需要一些自动化的程序。

常用集成电路芯片

集成电路在电学里非常流行,很难全方位讲解。下面是一些你在电子教育中会遇到的常见的集成电路芯片。

逻辑门,定时器,反转电阻等等

逻辑门,作为集成电路芯片的基石,通常本身就能封装成集成电路。一个封装好的逻辑门集成电路芯片通常含有一些门,比如这个四输入与门:

Logic gate pinout

逻辑门在集成电路里可以自由连接,形成定时器、计数器、锁存器、反转电阻、以及其他基础的逻辑电路。大多数这种简单的电路都以DIP、SOIC或SSOP封装。

微控制器,微处理器,FPGA等等

微控制器、微处理器以及FPGA(Fied Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)等等这些将成千上万甚至上亿的晶体管封装在一个芯片里的,都是集成电路。这些组件在功能性、复杂度以及大小上都有宽广的范围。从一个8位的微控制器(例如Arduino上的ATmega328)到复杂的在你电脑里组织活动的64位多核微处理器,都是集成电路芯片。

这些组件通常是一个电路里最大的集成电路。简单的微控制器从DIP到QFN封装的都有,引脚数量也在8到一百多之间。随着这些组件变得越来越复杂,封装技术也愈加复杂了。FPGA以及复杂的微处理器至多有上千个引脚,通常采用更高级的QFN、LGA或BGA封装技术。

传感器

现代数字传感器,就如温度传感器、加速度计以及陀螺仪控制器都封装成了集成电路。

这些集成电路芯片通常比微控制器小,至于在电路板上拥有3到20个引脚数量的此类芯片已经是稀有物,而现代化的部件通常爱用QFP、QFN甚至是BGA封装形式。

资源与深入学习

集成电路就是将每一个电路都集中起来。现在你已经熟悉了集成电路芯片,为什么不涉猎以下这些相关概念的文章呢:

  • PCB基础 -无论如何集成电路芯片都要连接到一个电路中。通常,我们会将集成电路焊接到PCB板上。仔细阅读这篇文章,你会了解大到更多关于这种绿色的小小的电路板。
  • 串口通信, SPI接口, 和 I2C – 所有这三者都是集成电路芯片之间的通信协议。

你也可以搜索这些技术文章。这些都是入门级电子爱好者应该学习的有用的技术
如何焊接-除非你在面包板上使用芯片,否则你很可能需要焊接它们。

  • 如何焊接 – 除非你在面包板上使用芯片,否则你很可能需要焊接它们。
  • 设计PCB板-如果你非常熟悉PCB板,为什么不尝试制造一个。这篇文章解释了如何使用一个免费的软件Eagle设计一个PCB板。
  • 设计PCB封装 – 本教程将引导您使用Eagle CAD为IC设计PCB封装的步骤。