Микросхемы против печатных плат: в чем разница и как они работают вместе.

Интегральная схема (ИС) — это крошечный полупроводниковый чип, содержащий от тысяч до миллиардов электронных компонентов в одном корпусе, а печатная плата (ПП) — это жесткая или гибкая плата, которая физически удерживает компоненты и соединяет их медными дорожками. Короче говоря, ИС выполняет вычисления или обработку сигналов; ПП — это платформа, которая питает, соединяет и поддерживает ИС и все, что с ней связано.

Микросхема против печатной платы: в чем разница?

Путаница между интегральной схемой и печатной платой понятна, поскольку редко можно увидеть одно без другого. Но они находятся на разных уровнях иерархии электроники. Интегральная схема — это единый компонент в корпусе. Печатная плата — это структура, которая содержит множество таких компонентов и соединяет их проводами в работающую схему.

Полезная аналогия — здание. Микросхемы — это приборы и механизмы, они выполняют основную работу. Печатная плата — это проводка, водопровод и каркас здания, которые подают питание на каждую машину и позволяют им взаимодействовать. Уберите приборы, и здание опустеет; уберите здание, и приборам не к чему будет подключаться.

Что такое интегральная схема?

Интегральная схема, часто называемая чипом или микрочипом, представляет собой компактный электронный блок, размещенный на небольшом полупроводниковом материале, почти всегда кремнии. Внутри корпуса микроскопические транзисторы, резисторы и конденсаторы изготавливаются и соединяются между собой для выполнения определенной функции. Термин «чип» (ic chip) сводится к следующему: это самодостаточная схема, миниатюризированная до одного компонента.

Микросхемы варьируются от простых логических элементов до процессоров типа «система на кристалле» с миллиардами транзисторов. Их объединяет то, что внутренняя схема заключена в корпус, а единственными точками доступа являются внешние контакты или площадки. Именно к этим контактам подключается печатная плата.

Общие категории интегральных схем

• Цифровые ИС: микроконтроллеры, микропроцессоры, память и логические устройства, работающие с двоичными сигналами.
• Аналоговые ИС: усилители, стабилизаторы напряжения и датчики, обрабатывающие непрерывные сигналы.
• Интегральные схемы смешанных сигналов: устройства, такие как преобразователи данных, которые соединяют аналоговый и цифровой миры.
• Микросхемы управления питанием: Регуляторы и драйверы, которые управляют током и напряжением для остальной части системы.

Что такое печатная плата и для чего она нужна?

Печатная плата представляет собой ламинат из изоляционного материала, обычно армированного стекловолокном эпоксидного компаунда (FR-4), с одним или несколькими слоями меди, вытравленными в виде проводящих дорожек. Эти дорожки заменяют пучки соединений, выполненных вручную, на которые полагались ранние электронные устройства, обеспечивая каждому изделию компактную, воспроизводимую и механически стабильную систему межсоединений.

Помимо соединения компонентов, печатная плата обеспечивает стабилизированное питание каждого устройства, отводит тепло, контролирует целостность сигнала благодаря своей структуре и обеспечивает жесткую или гибкую конструкцию, на которой строится вся сборка. Количество медных слоев может варьироваться от одного до шестидесяти и более, что позволяет сложным изделиям иметь тысячи соединений на небольшой площади.

Что обеспечивает печатная плата

• Электрические соединения: Медные дорожки, плоскости и переходные отверстия соединяют каждый компонент.
• Распределение электроэнергии и заземления: Специально выделенные плоскости подают чистое питание на интегральные схемы.
• Механическая поддержка: Компоненты закреплены и защищены.
• Управление сигналами и температурным режимом: контролируемое сопротивление и медь для рассеивания тепла.

Как ИС и печатные платы работают вместе

В реальном изделии интегральная схема и печатная плата являются партнерами. Печатная плата получает питание от разъема или батареи, регулирует его и направляет к каждой интегральной схеме. Сигналы, генерируемые или обрабатываемые одной интегральной схемой, передаются по медным дорожкам платы к другим интегральным схемам, разъемам и компонентам. Развязывающие конденсаторы, расположенные рядом с каждой микросхемой, стабилизируют ее питание, а заземляющая плоскость платы обеспечивает всем устройствам общий опорный сигнал.

Именно поэтому поисковый запрос «плата интегральной схемы» лучше всего понимать как собранную печатную плату: плату, на которой установлены микросхемы и вспомогательные компоненты. Плата без микросхем — это «голая» печатная плата; микросхемы без платы не могут функционировать. Этап сборки превращает их в работающую систему, и это суть того, что предлагает услуга по сборке печатных плат «под ключ».

Типы корпусов микросхем и их посадочные места на печатной плате.

Корпус интегральной схемы является связующим звеном между кремнием и платой, и он определяет способ монтажа, трассировки и контроля микросхемы. Поэтому выбор корпуса — это в равной степени решение, касающееся как печатной платы, так и схемы. Меньшие по размеру и более плотные корпуса экономят место на плате, но требуют более тонких дорожек, более жестких допусков, а также более совершенной сборки и контроля.

Поскольку соединения под QFN или BGA не видны, при их использовании платы часто требуют тщательной проверки технологичности и рентгеновского контроля в процессе изготовления. В случае устройств с плотным малым шагом выводов часто используется подход к изготовлению с применением микропереходов для расширения сигнальных каналов.

Проектирование и изготовление печатной платы для интегральных схем.

Превращение схемы, заполненной микросхемами, в надежный продукт зависит от правильного выполнения трех задач: выбора посадочного места, закупки компонентов и сборки. Несоответствие посадочного места данным в технической документации приводит к коротким замыканиям, обрывам или неправильной установке компонентов. Микросхема, которую трудно достать или которая снята с производства, может остановить весь процесс сборки. А корпус, который сборочная линия не может точно установить или проверить, снижает выход годных изделий.

Именно здесь производственный партнер вносит свой вклад еще до начала изготовления печатной платы. Для прототипов и небольших партий услуга мелкосерийной сборки позволяет дешево проверить габариты и найти необходимые комплектующие, а сложные многослойные конструкции выигрывают от возможности изготовления печатных плат с большим количеством слоев . В продуктах с требовательными к тепловым или силовым характеристикам микросхемами может использоваться сборка с металлическим сердечником , а встраиваемые системы управления, такие как в робототехнике и автоматизированных платах, часто объединяют несколько типов микросхем на одной сборке.

Контрольный список перед началом строительства

• Проверьте следы. В соответствии с техническими характеристиками микросхемы, включая контакт номер 1, полярность и теплоотводящие площадки.
• Подтвердите источник поставки. с указанием точных номеров деталей, статуса жизненного цикла и утвержденных альтернатив.
• Подберите метод сборки. для корпуса — оплавление припоем для поверхностного монтажа с малым шагом выводов, селективное или волновое оплавление для сквозных отверстий.
• Проверка плана Таким образом, скрытые соединения под BGA и QFN-чипами покрываются рентгеновским излучением.

Совместная обработка процессов изготовления и сборки — модель, лежащая в основе работы одного поставщика услуг по контрактному производству электроники (EMS) — обеспечивает синхронизацию платы и ее микросхем от проектных данных до окончательного тестирования, что является наиболее надежным способом поставки работоспособной интегральной микросхемы.

Примеры интегральных схем и печатных плат в повседневных устройствах.

Наиболее наглядный способ понять взаимосвязь между интегральными схемами и печатными платами — это взглянуть на продукты, которыми люди пользуются каждый день. В каждом из них интегральные схемы выполняют вычислительную или сигнальную работу, а печатная плата размещает их, соединяет и питает. Ни одна из частей сама по себе не является целым устройством.

Ключевые примеры из повседневной жизни

• Смартфон: Процессор и микросхемы памяти размещаются на компактной многослойной плате.
• Материнская плата ноутбука: На большой печатной плате размещаются центральный процессор, чипсет и микросхемы питания.
• Плата микроконтроллера: На небольшой недорогой плате работает один микроконтроллер.
• USB-адаптер питания: Контроллерная микросхема и пассивные компоненты размещены на одной крошечной плате.
• Светодиодный драйвер: Микросхема драйвера на алюминиевой плате устанавливает ток.
• Электронный блок управления автомобилем: На прочных платах управляющие микросхемы размещаются в герметичном модуле.

Производство любого из этих изделий подразумевает превращение проверенной конструкции в готовую плату, что является повседневной работой нашего завода в Китае , начиная с изготовления самой печатной платы и заканчивая полным размещением компонентов.

В повседневных устройствах эта взаимосвязь становится наглядной. Материнская плата смартфона представляет собой плотную многослойную печатную плату, на которой размещены десятки микросхем — процессор, память, управление питанием и радиочипы — все они соединены медными слоями. Простая плата драйвера светодиодов — это небольшая печатная плата с одной микросхемой драйвера и несколькими пассивными компонентами. Даже плата любительского микроконтроллера представляет собой микросхему, установленную на печатной плате, которая выводит свои выводы на разъемы. В каждом случае микросхема обеспечивает интеллектуальные функции, а печатная плата — соединения, питание и механическую поддержку.

Часто задаваемые вопросы

Микросхема — это то же самое, что и печатная плата?

Нет. Интегральная схема (ИС) — это отдельный полупроводниковый компонент в корпусе, выполняющий определенную функцию, тогда как печатная плата (ПП) — это плата, на которой размещается и электрически соединяется множество компонентов. На печатной плате могут размещаться десятки ИС, а также резисторы, конденсаторы и разъемы.

Что означает «интегральная печатная плата»?

Обычно это относится к печатной плате, на которой размещены интегральные схемы и другие компоненты — иными словами, к собранной печатной плате. Термин объединяет два понятия, но технически интегральная схема и плата — это отдельные элементы.

Может ли печатная плата работать без каких-либо микросхем?

Да, простые платы могут работать только с пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы, разъемы и светодиоды. Однако большинство современных электронных устройств используют как минимум одну интегральную схему для управления, обработки данных или управления питанием.

Почему тип корпуса микросхемы имеет значение для печатной платы?

Корпус определяет габариты, способ монтажа, плотность трассировки и требования к контролю качества. Например, для микрочипа BGA с малым шагом выводов могут потребоваться микропереходы, контролируемые допуски при изготовлении и рентгеновский контроль, чего не требуется для простого чипа с выводами для сквозного монтажа.

Микросхемы и печатные платы производятся на одном и том же заводе?

Обычно нет. Интегральные схемы производятся на полупроводниковых фабриках по совершенно другому процессу, в то время как печатные платы изготавливаются и собираются производителями плат. Фабрика по производству печатных плат закупает готовые интегральные схемы и монтирует их на плату.

Как убедиться, что микросхемы правильно установлены на плате?

Начните с проверенных посадочных мест и четких сборочных чертежей, на которых указаны первый контакт и полярность, используйте точные данные для установки компонентов и проверьте скрытые места соединений с помощью автоматического оптического контроля и рентгеновского излучения. Предварительная проверка технологичности изготовления позволяет выявить большинство проблем с посадочными местами и ориентацией на ранней стадии.

Может ли один поставщик одновременно заниматься и сборкой печатной платы, и сборкой микросхемы?

Да. Поставщик, работающий по принципу «под ключ», изготавливает саму печатную плату, закупает микросхемы и другие компоненты, собирает их и тестирует готовое изделие, что обеспечивает согласованность проектных данных на каждом этапе.

Может ли печатная плата работать без каких-либо микросхем?

Да. Многие простые платы содержат только пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, разъемы и светодиоды, без каких-либо интегральных схем. Интегральные схемы добавляют обработку или управление, но основная задача печатной платы — соединение компонентов — в них не нуждается.