الدوائر المتكاملة (Integrated Circuits)

مقدمة

تعتبر الدوائر المتكاملة (ICs) عماد وأساس الإلكترونيات الحديثة، فهي المكون الأهم والأكثر فعالية في معظم الدوائر الإلكترونية. إنها الشرائح السوداء الصغيرة التي تراها حولك في كل مكان وفي كل لوحة إلكترونية. إذا لم تكن شخصاً مولعاً بالإلكترونيات التناظرية فبالتأكيد يحتوي كل مشروع من المشاريع التي تبنيها على دائرة متكاملة واحدة على الأقل؛ لذلك من المهم للغاية أن نفهم ما هي الدوائر المتكاملة من الداخل ومن الخارج.

الدوائر المتكاملة هي الشرائح السوداء الصغيرة الموجودة في جميع الإلكترونيات تقريباً.

الدائرة المتكاملة هي عبارة عن مجموعة من المكونات الإلكترونية (مقاومات (resistors)، ترانزستورات (transistors)، مكثفات (capacitors)، الخ) مرصوصة معاً على شريحة دقيقة، وموصلة معاً لتحقيق هدف مشترك. تأتي الدوائر المتكاملة بأشكل مختلفة: بوابات منطقية أحادية الدائرة (single-circuit logic gates)، مضخمات عملياتية (op amps)، مؤقتات 555 (555 timers)، منظمات جهد (voltage regulators)، أجهزة التحكم في المحركات (motor controllers)، المتحكمات الدقيقة (microcontrollers)، المعالجات الدقيقة (microprocessors)، مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs)… والقائمة تطول ولا يسعنا ذكر كل المكونات هنا.

محتويات الدرس

• بنية الدوائر المتكاملة
• حزم الدوائر المتكاملة الشائعة
• التعرف على الدوائر المتكاملة
• الدوائر المتكاملة شائعة الاستخدام

مواضيع مقترحة للقراءة

الدوائر المتكاملة هي أحد المفاهيم الأساسية في عالم الإلكترونيات، ولكنها مبنية على معرفة مسبقة ببعض المفاهيم الأخرى. إذا لم يكن لديك معرفة بأي من تلك المواضيع فيُفضل أن تقوم بقراءة الدرس الخاص به قبل أن تمضي في هذا الدرس.

• ما هي الدائرة الكهربية (Circuit)؟
• القطبية (polarity)
• المقاومات (resistors)
• الديودات (Diodes)
• المكثفات (capacitors)
• الترانزستورات (transistors) (قريباً)

داخل الدائرة المتكاملة

عندما تفكر بالدوائر المتكاملة فأول ما يخطر ببالك هي تلك الشرائح السوداء الصغيرة. لكن ما الذي يوجد بداخل تلك الشرائح؟

ما يوجد بداخل إحدى الدوائر المتكاملة بعد إزالة غطاءها

المكونات الأساسية بداخل الدوائر المتكاملة هي طبقات معقدة من أشباه الموصلات (semiconductors) والنحاس وبعض المواد الأخرى تتصل معاً لتكوين ترانزستورات أو مقاومات أو أي مكونات أخرى في الدائرة. ويطلق على مجموعة تلك الطبقات المُشكّلة  معاً اسم قالب (die).

نظرة عامة على قالب دائرة متكاملة

الدوائر المتكاملة تكون ذات حجم ضئيل، لكن شرائح شبه الموصل وطبقات النحاس التي تُكون الدائرة المتكاملة تكون أصغر بكثير جداً، والتوصيلات بين تلك الطبقات معقدة للغاية. في الصورة التالية نرى قطاع مُكبر من القالب الموجود بالأعلى:

قالب الدائرة المتكاملة هو أصغر شكل لها، وهو صغير للغاية لدرجة لا تسمح بلحامه أو توصيله بمكونات أخرى. لكي نجعل توصيل أو لحام الدوائر المتكاملة أمراً سهلاً يتم تغليف القالب. حزم الدوائر المتكاملة IC packages)) تحول القالب الحساس الضئيل إلى الرقاقة السوداء التي نراها في كل مكان.

حزم الدوائر المتكاملة (IC packages)

الحزمة هي الغلاف الذي يحتوي قالب الدائرة المتكاملة ويحوله إلى مكون يسهل توصيله بالأجهزة والمكونات الأخرى. يتم توصيل كل وصلة من الوصلات الخارجية للقالب بطرف (منفذ- سن) (pin) في الحزمة من خلال سلك دقيق من الذهب. المنافذ هي الأطراف الفضية البارزة من حزمة الدائرة المتكاملة، والتي تعمل على توصيل الدائرة المتكاملة بباقي المكونات والأسلاك في الدوائر الإلكترونية. هذه المنافذ تمثل أهمية قصوى لنا عند التعامل مع الدوائر المتكاملة لأنه من خلالها نستطيع توصيل الدائرة المتكاملة بباقي المكونات والأسلاك في الدوائر الإلكترونية.

هناك العديد من أنواع حزم الدوائر المتكاملة، تختلف فيما بينها في الأبعاد وطريقة التثبيت وعدد المنافذ (السنون).

القطبية (polarity) وترقيم المنافذ

جميع الدوائر المتكاملة مكونات مستقطبة (polarized)، وكل سن من السنون التي تبرز من الدائرة المتكاملة له وظيفة محددة وموضع معين. وهذا يعني أنه لا بد من وجود طريقة للتفريق بين تلك السنون وترقيمها. في معظم الدوائر المتكاملة يتم استخدام شق (notch) أو نقطة (dot) للإشارة إلى السن رقم 1. (أحيان يُستخدم كلاهما، وأحياناً يتم استخدام أحدهما فقط.)

بعد أن تقوم بتحديد السن رقم 1 يتم ترقيم باقي السنون بحيث يزداد رقمها تدريجياً مع الحركة عكس عقارب الساعة حول الحزمة. الصورة التالية توضح ذلك بالتفصيل:

طريقة التثبيت (mounting style)

أحد الخصائص المميزة لحزم الدوائر المتكاملة هي طريقة تثبيتها على ألواح الدوائر. جميع الحزم يتم تثبيتها بإحدى طريقتين: التثبيت عبر الثقوب (through-hole (PTH)) أو التثبيت السطحي (surface-mount (SMD)). الحزم التي يتم تثبيتها عبر الثقوب عادة ما تكون أكبر في الحجم وأسهل في الاستخدام. وهي مصممة لكي يتم تثبيتها على أحد جانبي اللوح (عن طريق إنفاذ سنونها خلال ثقوب معدة لذلك) ولحامها من الجانب الآخر.

الحزم السطحية يتراوح حجمها من الحزم الكبيرة إلى الحزم متناهية الصغر. وجميعها مصممة لكي يتم وضعها على أحد جانبي لوح الدائرة ولحامها على سطحه. السنون الخاصة بالحزم السطحية إما أن تكون بارزة من الجوانب عموديةً على الحزمة، وأحياناً تكون مرتبة على شكل مصفوفة أسفل الحزمة. الدوائر المتكاملة السطحية صعبة الاستخدام والتركيب يدوياً، وغالباً نحتاج لأدوات خاصة للتعامل معها وتثبيتها.

حزم DIP

حزم DIP هي أكثر حزم الدوائر المتكاملة التي يتم تثبيتها عبر الثقوب شيوعاً واستخداماً. هذه الشرائح الصغيرة تحتوي على صفين متوازيين من السنون تبرز بشكل عمودي من غلاف مستطيل أسود بلاستيكي.

متحكم دقيق ATmega328 ذو 28 سن هو أحد حزم DIP شائعة الاستخدام.

يفصل بين كل سنّين من سنون حزم الدوائر المتكاملة DIP 0.1 بوصة (2.54 ميليمتر) وهذه مسافة قياسية مناسبة لكي يتم تركيبها على ألواح التجارب (breadboards) وألواح عمل النماذج الأولية الأخرى. تعتمد الأبعاد الكلية لحزم DIP على عدد السنون التي تحتويها، والتي يمكن أن تتراوح من أربعة إلى 64 سن.

المسافة الفاصلة بين صفي السنون في حزم DIP مُعينة بدقة لكي تتناسب مع ألواح التجارب حيث يتم تثبيتها حول الأخدود الموجود في المنطقة المركزية من لوح التجارب. وهذا يعمل على الفصل بين سنون كل صف وعدم حدوث قصر (short).

بالإضافة إلى استخدامها مع ألواح التجارب، يمكن أيضاً لحام دوائر DIP المتكاملة في ألواح الدارات المطبوعة (PCBs)، حيث يتم إدخال سنون الحزمة من أحد جانبي اللوح ويتم لحامها على الجانب الآخر. في بعض الأحيان بدلاً من لحام الدائرة المتكاملة مباشرة في اللوح يتم عمل مقبس (socket) لها يمكن من خلاله إزاله حزم DIP أو استبدالها إذا كانت هناك حاجة لذلك. (أي يتم لحام المقبس بدلاً من الحزم ويتم توصيل الحزمة بالمقبس بطريقة تسمح بإزالتها.)

مقبس عادي لحزم DIP (بالأعلى)، ومقبس ZIF مع وبدون دائرة متكاملة.

الحزم السطحية (SMD Packages)

يوجد حالياً العديد من أنواع الحزم السطحية. لاستخدام حزمة سطحية من الدوائر المتكاملة تكون هناك حاجة لاستخدام لوحة دارات مطبوعة مصنوعة خصيصاً لتلك الحزمة، أي تحتوي على قالب نحاسي مناسب للحزمة حتى يتم لحامها وتثبيتها عليه.

والآن سنتعرف على بعض أنواع الحزم السطحية شائعة الاستخدام، والتي تتدرج من ناحية سهولة لحامها من “سهلة” إلى تلك التي “تتطلب بعض الأدوات الخاصة” إلى التي “تتطلب أدوات خاصة جداً تعمل عادة بشكل آلي”.

حزم SOIC

حزم SOIC السطحية هي المماثل السطحي لحزم DIP. فهي ما ستحصل عليه إذا قمت بثني جميع سنون حزمة DIP للخارج مع تصغير حجمها. هذه الحزم تُعتبر من أسهل أنواع الحزم السطحية في اللحام والتثبيت؛ فهي لا تحتاج سوى ليد ثابتة والنظر بتركيز عن قرب. يفصل بين كل سنين متتاليين من السنون الموجودة في حزم SOIC مسافة قدرها 0.05 بوصة (1.27mm).

حزم SSOP هي النسخة المصغرة من حزم SOIC، وهناك أيضاً حزم أخرى تشبهها مثل حزم TSOP وحزم TSSOP.

مضاعف إرسال (multiplexer) ذو 16 قناة (CD74HC4067) على شكل حزمة SSOP ذات24سن مثبتة في منتصف دائرة لوحة دوائر مطبوعة. (مقارنة مع حجم عملة معدنية)

الكثير من الدوائر المتكاملة البسيطة أحادية الوظيفة مثل مضاعفات الإرسال و MAX232 تأتي على شكل حزم SOIC أو SSOP.

الحزم الرباعية المسطحة (Quad Flat Packages (QFPs))

فلطحة سنون الدائرة المتكاملة في الأربعة اتجاهات ينتج عنه الحزم الرباعية المسطحة (QFPs). حزم الدوائر المتكاملة QFP يمكن أن تحتوي على سنون تتراوح من ثمانية لكل جانب (مجموعها 32) إلى ما يزيد عن سبعين سن لكل جانب (مجموعها قد يتجاوز 300). المساحة الفاصلة بين السنون في حزم QFP عادة ما تتراوح بين 0.4mm إلى 1mm. هناك أشكال أخرى من حزم QFP القياسية ولكنها أصغر في الحجم مثل الحزم النحيفة (TQFP) والحزم شديدة النحافة (VTQFP) وحزم LQFP.

المعالج الدقيق ATmega32U4 في حزمة TQFP تحتوي على 44 سن (11 في كل جانب)

إذا قمت بصقل السنون الخاصة بدائرة متكاملة QFP فستحصل على حزمة رباعية مسطحة بدون سنون (quad-flat no-leads (QFN)). الوصلات الموجودة بحزمة QFN هي عبارة عن مساند (pads) صغيرة مكشوفة على الحواف الجانبية السفلية من الدائرة المتكاملة، وأحياناً تكون على الجوانب وفي الأسفل، وفي حزم أخرى تكون المساند في أسفل الحزمة فقط.

مستشعر IMU MPU-6050 متعدد الاستخدامات يأتي على شكل حزمة QFN دقيقة تحتوي على 24 سن مصقول موجود على الحواف السفلية من الدائرة المتكاملة.

هناك أشكال أخرى مصغرة من حزم QFN القياسية مثل الحزم النحيفة (TQFN)، والحزم شديدة النحافة (VQFN) وحزم (MLF). وهناك أيضاً حزم ألواح متكاملة تحتوي على سنون على جانبين من جوانبها فقط مثل حزم DFN وحزم TDFN.

الكثير من المعالجات الدقيقة والمستشعرات والدوائر المتكاملة الحديثة تأتي على شكل حزم QFP أو QFN. على سبيل المثال المعالج الدقيق ATmega328 شائع الاستخدام يأتي على شكل حزمة TQFP أو MLF، بينما مقياس التسارع/جيرسكوب مثل MPU-6050 يأتي في حزمة QFN صغيرة الحجم.

شبكات الكرات المصفوفة (Ball Grid Arrays)

حزم شبكات الكرات المصفوفة (BGA) هي عبارة دوائر متكاملة متقدمة ومتطورة للغاية. فهي عبارة عن حزم صغيرة شديدة التعقيد تبرز من أسفلها كرات صغيرة من معدن لحامي مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد، وأحياناً تكون تلك الكرات متصلة مباشرة مع قالب الدائرة المتكاملة.

تعتبر حزم BGA مخصصة في الغالب للمعالجات الدقيقة المتطورة مثل تلك الموجودة في بطاقات بي سي دوينو (pcDuino) أو بطاقات راسبيري باي (Raspberry Pi).

إذا كان بإمكانك لحام حزم الدوائر المتكاملة BGA يدوياً فأنت إذن لديك مهارة فريدة. في الغالب يتطلب تثبيت تلك الحزم على لوحات الدوائر المطبوعة PCBs استخدام آلات خاصة مثل آلات تثبيت المكونات السطحية (pick-and-place machines) وأفران التدفق (reflow ovens).

الدوائر المتكاملة الشائعة

تنتشر الدوائر المتكاملة بأشكالها المختلفة في العديد والعديد من الإلكترونيات التي يصعب حصرها. ولكننا سنكتفي بذكر بعض أكثر أنواعها شيوعاً والتي ستقابلها أثناء دراستك للإلكترونيات.

البوابات المنطقية (Logic Gates)، المؤقتات (Timers)، مسجلات الإزاحة (Shift Registers)… الخ.

البوابات المنطقية (وهي أحد مكونات بناء الكثير من الدوائر المتكاملة ذاتها) يمكن أن تأتي على شكل حزم دوائر متكاملة مستقلة خاصة بها. حيث يمكن أن تحتوي الدوائر المتكاملة الخاصة بالبوابات المنطقية على مجموعة من البوابات في حزمة واحدة، مثل بوابة AND رباعية الدخل التالية:

يمكن أن يتم توصيل البوابات المنطقية بداخل الدوائر المتكاملة لإنشاء المؤقتات والعدادات (counters) والمساكات (latches) ومسجلات الإزاحة والعديد من الدوائر المنطقية الأخرى. معظم هذه الدوائر البسيطة تأتي على شكل حزم DIP أو SOIC أو SSOP.

المتحكمات الدقيقة (microcontrollers)، المعالجات الدقيقة (microprocessors)، مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs)… الخ

المتحكمات الدقيقة والمعالجات الدقيقة ومصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة جميعها تحتوي على ملايين أو مليارات الترانزستورات في رقاقة إلكترونية دقيقة بداخل الدوائر المدمجة. هذه المكونات لها مدى كبير من الوظائف والتعقيد والأحجام؛ تتدرج في مواصفاتها من المتحكم الدقيق بسعة 8 بت مثل ATmega328 الموجود في بطاقات أردوينو، إلى المعالجات الدقيقة متعددة الأنوية 64 بت المعقدة التي تستخدم في أجهزة الحاسب الآلي.

هذه المكونات عادة ما تكون هي أكبر دائرة متكاملة في الدائرة الإلكترونية. المتحكمات الدقيقة البسيطة تأتي في حزم DIP أو QFN أو QFP، ويتراوح عدد السنون في الحزمة بين 8 و 100. وكلما زاد تعقيد هذه المكونات زاد تعقيد الحزم أيضاً. مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة والمعالجات الدقيقة المعقدة يمكن أن تحتوي على ما يزيد عن ألف سن وتأتي على شكل حزم متطورة فقط مثل QFN أو LGA أو BGA.

المستشعرات (sensors)

المستشعرات الرقمية الحديثة مثل مستشعرات الحرارة ومقاييس التسارع والجيرسكوب غالبها تأتي على شكل حزم دوائر متكاملة.

هذه الدوائر المتكاملة عادة ما تكون أصغر من المتحكمات الدقيقة أو الدوائر المتكاملة الأخرى المثبتة على ألواح الدوائر المطبوعة، ويتراوح عد السنون بها من 3 إلى 20 سن. أصبح من النادر أن نرى مستشعر على شكل حزمة DIP، والغالبية العظمى حالياً حزم QFP أو QFN أو حتى BGA.

المصادر والمضي قدماً

لا تخلو دائرة إلكترونية تقريباً من الدوائر المتكاملة. وبما أنه قد أصبحت لديك الآن معرفة جيدة بالدوائر المتكاملة، لماذا لا تقرأ بعض من هذه الدروس المرتبطة بها (ملاحظة: معظم هذه الدروس غير موجودة الآن وسيتم نشرها تباعاً على الموقع بإذن الله):

• أساسيات ألواح الدوائر المطبوعة (PCB Basics): يجب أن يتم توصيل الدوائر المتكاملة بالدوائر الإلكترونية بطريقة ما، في الغالب نلجأ إلى لحامها على دائرة إلكترونية مطبوعة (PCB). اطلع على هذا الدرس لتتعرف على المزيد حول هذه الألواح الخضراء الصغيرة.
• الاتصال التسلسلي، الواجهة التسلسلية الطرفية، آي سكويرد سي (Serial Communication, Serial Peripheral Interface (SPI), and I²C): ثلاثة بروتوكولات اتصال يعتمد عليها الاتصال بين الدوائر المتكاملة المختلفة.

أو قم بقراءة بعض من هذه الدروس المتعلقة بالمهارات الإلكترونية التي عليك تعلمها لتصبح مميزاً في مجال الإلكترونيات:

• كيفية اللحام (How to Solder): إذا لم تكن تستخدم لوح تجارب عند التعامل مع الدوائر المتكاملة فستكون بحاجة لاستخدام اللحام كثيراً.
• تصميم ألواح الدوائر المطبوعة (Designing PCBs): إذا كانت لديك معرفة جيدة بألواح الدوائر المطبوعة، لم لا تقوم بصناعة إحداها بنفسك! هذا الدرس يشرح كيفية استخدام برنامج مجاني (Eagle) لتصميمها.
• تصميم ألواح الدوائر المطبوعة خطوة بخطوة (Designing PCB Footprints): هذا الدرس يسير بك بالتدريج خلال الخطوات اللازمة لتصميم PCB خاص بأي دائرة متكاملة باستخدام برنامج Eagle CAD.

تمّت ترجمة هذه المادّة من موقع sparkfun تحت تصريح كرييتف كومّونز 3 (Creative Commons 3.0)