IC – Integroitu piiri

Julkaistu: lauantai 11.2.2017

IC-piiri eli integroitu piiri tai mikropiiri on elektroninen kytkentä, joka on tuotettu puolijohdemateriaaliin niin, että se muodostaa kokonaisen ja toimivan kytkennän. IC-piirit sisältävät tuhansia transistoreita ja ovat yleensä monimutkaisia kytkentöjä.

IC-piirit ovat elektroniikassa paljon hyödynnettyjä komponentteja ja käytännössä kaikki mahdollinen pyritään tekemään IC-piireillä. IC-piirien suosio ei ole tullut yllätyksenä, sillä ne säästävät suunnittelussa aikaa ja ovat valmiiksi testattuja ja toimiviksi todettuja kytkentöjä. Esimerkiksi logiikkapiirit ovat IC-piirejä ja niin ovat myös mikrokontrolleritkin. IC-piirin pystyy aina rakentamaan myös perinteisillä (diskreeteillä) komponenteilla ja logiikkaporteilla tai jopa transistoreilla, mutta tämä ei käytännössä koskaan ole järkevää.

IC-piirejä on olemassa monenlaista eri tyyppiä ja moneen eri käyttötarkoitukseen. Yleisesti ottaen IC-piirit on suunniteltu tiettyä käyttötarkoitusta varten ja useimmiten niille löytyykin monta eri käyttötarkoitusta. Hyvin monet IC-piirit ovat siis monikäyttöisiä. Esimerkiksi ULN2003 driveria (eli ajuripiiriä) voidaan käyttää releiden tai pienten sähkömoottoreiden ohjaamiseen, mutta yhtä hyvin sitä voi käyttää vaikkapa vastuslangan lämmittämiseen tai muuhun kuorman ohjaukseen tai jonkin kytkennän sähköjen ohjaamiseen.

IC-piireistä voidaan rakentaa hyvin monimutkaisia laitteita ja esimerkiksi PC koostuu lähinnä vain IC-piireistä. Myös tietokoneen prosessori (CPU) sekä mikrokontrollerit ovat IC-piirejä. IC-piirit sisältävät pääsääntöisesti suuren määrän transistoreita, mutta niissä voi olla myös diodeja ja vastuksia.

IC-piirien käyttö

IC-piirejä käytetään usein jonkin toiminnon tai ominaisuuden aikaan saamiseksi. Esimerkiksi kaupallisessa audiolaitteessa on vahvistin, joka mitä varmimmin on toteutettu jollakin IC-piirillä. Vahvistimen voi toteuttaa tietysti transistoreilla ja vastuksilla sekä kondensaattoreilla, mutta tällainen kytkentä vaatii aikaa ja säätämistä ja vie usein liian paljon tilaa. Lisäksi komponenttien väliset erot aiheuttaisivat ongelmia massatuotantoon menevissä laitteissa - ne eivät toimisi täysin oikein. Tottakai tällainen kytkentä on mahdollista tehdä, mutta aikaa ja rahaa säästävämpi keino on käyttää IC-piiriä, joka toimii audiovahvistimena. Lisäksi kytkentä on toimiva ja testattu.

IC-piirit ovatkin nykyelektroniikassa olennainen osa erilaisten laitteiden toiminnassa. Monesti tarvitaan erilaisia muunninpiirejä, puskuripiirejä, vahvistinpiirejä, ohjainpiirejä, kytkinpiirejä... lista jatkuisi hyvin pitkälle jos tätä jatkaisi, mutta ymmärtänet idean.

IC-piirien ohelle tarvitaan myös muita komponentteja, yleisin lienee niin sanottu By-Pass kondensaattori, joka kytketään lähelle IC-piirin käyttöjännitenastaa ja on yleisesti arvoltaan 100 nF. Esimerkiksi DC-DC muuntimissa tarvitaan IC-piirin lisäksi kela, kondensaattori, mahdollisesti diodi ja vastuksia. Lisäksi erilaisia suodatuskytkentöjä voidaan tarvita tulo- ja lähtöpuolelle tai muihin IC-piirin nastoihin.

Lisäkomponenttien käytön lisäksi IC-piirit tarvitsevat toimiakseen tietyn käyttöjännitteen, joka on mainittu kyseisen piirin datalehdessä. Tämän jännitteen on oltava sallituissa rajoissa, muuten piiri menee rikki tai ei toimi kunnolla. Jännitelähteen on kyettävä myös antamaan tarpeeksi paljon virtaa sekä IC-piirille, että muulle kytkennälle.

ESD:n, eli staattisen sähkön huomioon ottaminen on myös tärkeää IC-piirejä käsiteltäessä. IC-piirin saa huomaamatta tuhottua tai ainakin vahingoitettua sitä huolimattomalla käsittelyllä. Tämän vuoksi IC-piirit kannattaa aina säilyttää asianmukaisesti suojatussa tilassa, esimerkiksi ESD-pussissa tai vastaavassa.

IC-piirien kotelointi

Kotelolla tarkoitetaan sitä pakettia, mihin IC-piiri on tehty. Kotelotyyppejä on satoja erilaisia ja monet IC-piirien valmistajat käyttävät samannäköisistä koteloista eri nimityksiä. Huolimatta koteloinnista, IC-piiri voi sisältää minkälaisen kytkennän tahansa, joten pelkästään kotelotyypistä ei aina voi päätellä mikä piiri olisi kyseessä. Koteloista käytetään erilaisia lyhenteitä, joita tässä koitetaan hieman selventää.

Kotelotyypit voidaan jaotella suurinpiirtein kolmeen pääryhmään. Näitä pääryhmiä ovat DIP eli kaksiriviset (tai SOIC), QFP eli litteät tai muut neliön muotoiset ja BGA eli matriisijalkaiset kotelot. Edellämainitut suomennokset eivät ole virallisia, vaan yleensä puhuttaessa koteloista käytetään englanninkielisiä termejä ja vielä yleisemmin mainittuja lyhenteitä. Alla on esitelty muutama kotelointitapa. Piirien datasivuilta löytyy myös yleensä aina käytetyt kotelotyypit mittoineen.

DIP, PDIP, CerDIP tai SPDIP (Dual In-Line, Plastic Dual In-Line, Ceramic Dual In-Line ja Shrink Plastic Dual In-Line) koteloista esimerkkikuva on oikealla. Näitä käytetään yleensä protoiluun tai sellaisissa sovelluksissa joissa piiri on pystyttävä esimerkiksi vaihtamaan. Nämä ovat helppoja käsitellä ja soveltuvat harrastajille hyvin. Piirilevylle en näitä kuitenkaan laittaisi mikäli vaihtoehtoja on, sillä vievät aika paljon tilaa, mutta koekytkentäalustalle oikein mainio kotelo. CerDIPon keraaminen kotelo- ja SPDIP/PDIP on muovinen kotelotyyppi. Keraamisen ja muovisen kotelon välinen ero korostuu siinä, jos piiri tuottaa paljon lämpöä. Tällöin keraamisesta kotelosta lämpöä on hieman nopeampi siirtää pois esimerkiksi jäähdytyselementtiin.

SIP (Single In-Line Package) koteloita on myös kätevä käyttää koekytkentäalustalla. Kuten DIP kotelossa, näilläkin on jalkojen väli 2,54 mm. Toki voi olla pienempirasterisia, mutta tämä lienee yleisin koko DIP ja SIP koteloissa.

SOIC (Small Outline IC) kotelot ovat leveydeltään joko 3,8 mm tai 7,5 mm ja niiden jalkojen väli eli rasteri on yleensä 1,27 mm. Joissakin piireissä saattaa olla jopa 0,65 millimetriä tai pienempikin.

QSOP (Quarter Size Outline Package) kotelot ovat SOIC koteloiden tyyppisiä mutta rasteriväleiltään pienempiä. Niiden leveys on tyypillisesti 3,8 mm ja rasteri 0,635 mm. Nämä vaativat jo piirilevyn, mikäli näitä haluaa käyttää. (Vaikka tosiharrastajahan juottaa hyppylangat vaikka bondauksiin jos tarve tulee)

TSOP (Thin Small Outline Package) kotelot voivat olla leveydeltään ja pituudeltaan melkein mitä tahansa. Rasteriväli vaihtelee 0,5 - 1,27 millimetrin välillä. Näitä kotelotyyppejä löytyy usein muistipiireistä ja esimerkiksi SSD-levyjen sisällä nämä ovat tuttu näky.

VSOP (Very Small Outline Package) kotelot ovat myös pieniä. Rasteriväli on 0,5 - 0,65 mm ja koteloiden leveys vaihtelee 3 - 10 mm välillä. Joissakin koteloissa jalat voivat olla myös lyhyillä sivuilla.

LQFP (Low Profile Quad Flat Pack) koteloita on myös monen kokoisia. Pinnimäärät vaihtelevat 48 ja 216 välillä ja rasteri voi olla 0,4 tai 0,5 mm. Näissä koteloissa on esimerkiksi mikrokontrollereita, ASIC-piirejä, erilaisia ohjainpiirejä tai FPGA-piirejä ja toki myös muitakin piirejä. Näitä kotelotyyppejä (tai alla olevia TQFP:itä) löytyy lähes joka härvelin sisältä.

​TQFP (Thin Quad Flat Pack) koteloita käytetään myös yleisesti edellä mainituissa piireissä. Erona LQFP-koteloon on matalampi kotelo, jolloin nämä mahtuvat paremmin esimerkiksi ohuempiin laitteisiin. Rasteri vaihtelee 0,4 ja 0,8 mm välillä ja kotelot ovat neliön muotoisia, joten pituus on yhtä suuri kuin leveys.

QFN (Quad Flat No Leads) kotelot ovat lähes kuten edellä mainitut LQFP ja TQFP, mutta nämä kotelot eivät omista jalkoja. Jälleen koteloita löytyy 3 - 10 mm levyisinä ja 0,5 mm rasterilla varustettuna. Näitä suosittelisin käyttämään vain piirilevylle juotettuna ja ahtaissa paikoissa.

​BGA (Ball Grid Array) kotelot ovat myös jalattomia koteloita. Näiden koteloiden kontakteina toimivat johtavat tinapallukat. Tällaisia matriisimallisia koteloita on montaa eri tyyppiä myös ja kuvassa on esitetty TFBGA (Thin Profile Fine-Pitch Ball Grid Array) kotelo.

Lähteitä:
https://fi.wikipedia.org/wiki/Mikropiiri