ІС проти друкованої плати: у чому різниця та як вони працюють разом

Інтегральна схема (IC) — це крихітний напівпровідниковий чіп, який містить від тисяч до мільярдів електронних компонентів в одному корпусі, тоді як друкована плата (PCB) — це жорстка або гнучка плата, яка фізично утримує компоненти та з'єднує їх мідними доріжками. Коротше кажучи, ІС виконує обчислення або обробку сигналів; друкована плата — це платформа, яка живить, з'єднує та підтримує ІС та все навколо неї.

ІС проти друкованої плати: у чому різниця?

Плутанина між ІС та друкованою платою зрозуміла, оскільки рідко можна побачити одне без іншого. Але вони знаходяться на різних рівнях ієрархії електроніки. Інтегральна схема — це єдиний компонент у корпусі. Друкована плата — це структура, яка утримує багато таких компонентів та з'єднує їх разом у функціональну схему.

Корисною аналогією може бути будівля. Інтегральні схеми – це прилади та механізми, які виконують фактичну роботу. Друкована плата – це проводка, сантехніка та каркас будівлі, що подає живлення до кожної машини та дозволяє їм взаємодіяти. Якщо прибрати прилади, будівля спорожніє; якщо прибрати будівлю, приладам не буде до чого підключатися.

Що таке інтегральна схема?

Інтегральна схема, яку часто називають чіпом або мікрочіпом, розміщує цілу електронну схему на невеликому шматочку напівпровідникового матеріалу, майже завжди кремнію. Усередині корпусу виготовлені та з'єднані між собою мікроскопічні транзистори, резистори та конденсатори для виконання певної функції. «Значення інтегральної схеми», яке шукають люди, зводиться до наступного: автономна схема, мініатюризована в один компонент.

Інтегральні схеми варіюються від простих логічних вентилів до системних процесорів на кристалі з мільярдами транзисторів. Їх об'єднує те, що внутрішня схема герметично запечатана всередині корпусу, а єдиними точками доступу є зовнішні контакти або контактні площадки. Саме до цих контактів підключається друкована плата.

Загальні категорії інтегральних схем

• Цифрові ІС: мікроконтролери, мікропроцесори, пам'ять та логічні пристрої, що працюють з двійковими сигналами.
• Аналогові мікросхеми: підсилювачі, регулятори напруги та датчики, що обробляють безперервні сигнали.
• ІС зі змішаним сигналом: такі пристрої, як перетворювачі даних, що поєднують аналоговий та цифровий світи.
• ІС живлення: регулятори та драйвери, які керують струмом і напругою для решти системи.

Що таке друкована плата і для чого вона призначена?

Друкована плата — це ламінат з ізоляційного матеріалу, зазвичай епоксидної смоли, посиленої скловолокном (FR-4), з одним або кількома шарами міді, втравленими в провідні доріжки. Ці доріжки замінюють пучки ручних з'єднань, на які спиралася рання електроніка, надаючи кожному продукту компактну, повторювану та механічно стабільну систему взаємоз'єднань.

Окрім з'єднання деталей, друкована плата подає регульоване живлення на кожен пристрій, керує теплом, контролює цілісність сигналу через свою структуру та забезпечує жорстку або гнучку структуру, навколо якої побудована вся конструкція. Кількість мідних шарів може сягати від одного до шістдесяти або більше, що дозволяє складним продуктам прокладати тисячі з'єднань у невеликих розмірах.

Що забезпечує друкована плата

• Електричне з'єднання: Мідні доріжки, площини та перехідні отвори з'єднують кожен компонент.
• Розподіл живлення та заземлення: виділені площини подають чисту енергію до інтегральних схем.
• Механічна підтримка: компоненти закріплені та захищені.
• Управління сигналами та температурою: контрольований імпеданс та мідь для розподілу тепла.

Як працюють разом мікросхеми та друковані плати

У реальному виробі мікросхема та друкована плата є партнерами. Друкована плата отримує живлення від роз'єму або батареї, регулює його та направляє до кожної мікросхеми. Сигнали, що генеруються або обробляються однією мікросхемою, проходять через мідні доріжки плати до інших мікросхем, роз'ємів та компонентів. Роздільні конденсатори, розміщені поруч із кожною мікросхемою, стабілізують її живлення, а площина заземлення плати надає кожному пристрою спільний опорний сигнал.

Ось чому пошукову фразу «інтегральна плата» найкраще розуміти як заповнену друковану плату: плату, зібрану з її мікросхемами та допоміжними деталями. Плата без мікросхем — це гола друкована плата; мікросхеми без плати не можуть функціонувати. Етап складання — це те, що перетворює ці два елементи на робочу систему, і це основа того, що надає послуга складання друкованої плати «під ключ».

Типи корпусів ІС та їх розташування на друкованих платах

Корпус мікросхеми – це місток між кремнієм та платою, і він визначає, як мікросхема монтується, розгалужується та перевіряється. Тому вибір корпусу є таким самим рішенням, як і для друкованої плати, так і для схеми. Менші та щільніші корпуси економлять місце на платі, але вимагають точніших доріжок, жорсткіших допусків, а також складнішого складання та контролю.

Оскільки з'єднання під QFN або BGA не видно, плати, що їх використовують, часто покладаються на ретельну перевірку технологічності та рентгенівський контроль під час складання. Прилади з щільним дрібним кроком часто підштовхують конструкцію до підходу виготовлення HDI з мікровідверстиями для розподілу сигналів.

Проектування та складання друкованої плати для мікросхем

Перетворення схеми, повної мікросхем, на надійний продукт залежить від правильного вибору трьох речей: посадкового місця, постачання та складання. Посадкове місце, яке не відповідає опису, призводить до коротких замикань, розривів або неправильного підключення деталей. Мікросхема, яку важко знайти або термін служби якої закінчився, може зупинити всю складання. А корпус, який складальна лінія не може точно розмістити або перевірити, знижує продуктивність.

Саме тут виробничий партнер додає цінності ще до створення будь-якої плати. Для прототипів та невеликих серій послуга збірки з невеликим обсягом може дешево перевірити розміри та постачання, тоді як складні багатошарові конструкції виграють від можливості виготовлення плати з великою кількістю шарів . Вироби з вимогливими тепловими або силовими ІС можуть бути переведені на збірку з металевим осердям , а вбудовані системи керування, такі як ті, що використовуються в робототехніки та платах автоматизації, часто поєднують кілька типів ІС на одній збірці.

Контрольний список перед початком будівництва

• Перевірити сліди відповідно до технічного опису мікросхеми, включаючи контакт один, полярність та термопрокладки.
• Підтвердьте походження з точними номерами деталей, статусом життєвого циклу та затвердженими альтернативами.
• Зіставте спосіб складання до корпусу — оплавлення для дрібнокаліберного поверхневого монтажу, селективне або хвильове для наскрізного отвору.
• План перевірки тому приховані з'єднання під BGA та QFN покриваються рентгенівським випромінюванням.

Спільне виробництво та складання — модель, що лежить в основі єдиного постачальника EMS — забезпечує синхронізацію плати та її інтегральних схем від проектних даних до остаточного тестування, що є найнадійнішим способом постачати робочу інтегральну плату.

Приклади мікросхем та друкованих плат у повсякденних пристроях

Найчіткіший спосіб зрозуміти взаємозв'язок між інтегральною схемою та друкованою платою – це розглянути продукти, які люди використовують щодня. У кожному з них інтегральні схеми виконують обчислювальну або сигнальну роботу, тоді як друкована плата утримує їх, з'єднує та подає живлення. Жодна з частин не є цілим пристроєм сама по собі.

Ключові повсякденні приклади

• Смартфон: Процесор і мікросхеми пам'яті розташовані на компактній багатошаровій платі.
• Материнська плата ноутбука: Велика друкована плата містить процесор, чіпсет та мікросхеми живлення.
• Плата мікроконтролера: Один мікроконтролер працює на невеликій, недорогій платі.
• USB-адаптер живлення: Мікросхема контролера та пасивні компоненти розміщені на одній крихітній платі.
• Драйвер світлодіодів: ІС драйвера на алюмінієвій платі встановлює струм.
• Автомобільний ЕБУ: Міцні плати розміщують керуючі мікросхеми в герметичному модулі.

Виробництво будь-якого з них означає перетворення перевіреного дизайну на готову плату, що є щоденною роботою нашого заводу в Китаї , від голої друкованої плати до повного розміщення компонентів.

Повсякденні пристрої роблять цей зв'язок конкретним. Материнська плата смартфона — це щільна багатошарова друкована плата, на якій знаходяться десятки мікросхем — процесор, пам'ять, керування живленням та радіочіпи — всі вони з'єднані між собою мідними шарами. Проста плата драйвера світлодіода — це невелика друкована плата з однією мікросхемою драйвера та кількома пасивними елементами. Навіть плата мікроконтролера для хобі — це мікросхема, встановлена ​​на друкованій платі, яка розділяє свої контакти на роз'єми. У кожному випадку мікросхема забезпечує інтелектуальні дані, а друкована плата забезпечує з'єднання, живлення та механічну підтримку.

Поширені запитання

Чи є ІС тим самим, що й друкована плата?

Ні. ІС – це окремий напівпровідниковий компонент у корпусі, який виконує певну функцію, тоді як друкована плата (PCB) – це плата, яка містить та електрично з'єднує багато компонентів. Друкована плата може містити десятки ІС разом з резисторами, конденсаторами та роз'ємами.

Що означає термін «інтегральна плата»?

Зазвичай це стосується друкованої плати, на яку встановлені інтегральні схеми та інші компоненти — іншими словами, зібраної друкованої плати. Цей термін поєднує ці два поняття, але технічно мікросхема та плата є окремими елементами.

Чи може друкована плата працювати без будь-яких мікросхем?

Так, прості плати можуть працювати лише з пасивними компонентами, такими як резистори, конденсатори, роз'єми та світлодіоди. Однак більшість сучасної електроніки покладаються принаймні на одну мікросхему для забезпечення керування, обробки або керування живленням.

Чому корпус ІС має значення для друкованої плати?

Корпус визначає розміри посадкового місця, спосіб монтажу, щільність трасування та вимоги до контролю. Наприклад, BGA з дрібним кроком може вимагати мікровідкриттів, контрольованих виробничих допусків та рентгенівського контролю, чого не вимагає простий чіп з наскрізним отвором.

Чи виготовляються мікросхеми та друковані плати на одному заводі?

Зазвичай ні. ІС виробляються на фабриках напівпровідникових пластин за зовсім іншим процесом, тоді як друковані плати виготовляються та збираються виробниками плат. Завод з виробництва друкованих плат закуповує готові ІС та монтує їх на плату.

Як переконатися, що мої мікросхеми правильно розміщені на платі?

Почніть з перевірених посадкових місць та чітких складальних креслень, на яких позначено перший контакт та полярність, використовуйте точні дані для встановлення та перевірки за допомогою AOI та рентгенівського аналізу місць прихованих з'єднань. Передскладання технологічної перевірки виявляє більшість проблем зі посадковим місцем та орієнтацією на ранній стадії.

Чи може один постачальник обробляти як плату, так і складання мікросхеми?

Так. Постачальник послуг «під ключ» виготовляє чисту плату, закуповує мікросхеми та інші деталі, збирає їх та тестує готовий продукт, що забезпечує узгодженість проектних даних на кожному кроці.

Чи може друкована плата працювати без будь-яких мікросхем?

Так. Багато простих плат містять лише пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори, роз'єми та світлодіоди, без будь-яких інтегральних схем. Інтегральні схеми додають обробку або керування, але основна робота друкованої плати – з'єднання компонентів – не вимагає їх.