Introducción
Los circuitos integrados (CI) son una parte clave de la electrónica moderna. Son el corazón y el cerebro de la mayoría de los circuitos. Son pequeños “chips” de color negro que se pueden encontrar en casi todas las placas de circuitos. A no ser que seas un genio loco de la electrónica análoga, es probable que tengas al menos un circuito integrado en todos los proyectos electrónicos que construyas, por lo tanto es importante que los comprendas en su totalidad.
Los circuitos integrados son los pequeños “chips” negros que se encuentran en toda la electrónica empotrada.
Un circuito integrado es una colección de componentes electrónicos (resistencias, transistores, capacitores, etc.) todos metidos dentro de un pequeño chip, y están interconectados para lograr un objetivo común. Tienen diferentes funcionalidades, entre las que se pueden encontrar: compuertas lógicas de un circuito, amplificadores operativos, temporizadores 555, reguladores de voltaje, controladores de motor, micro controladores, microprocesadores, FPGAs…y la lista crece.
Temas de este Tutorial
- La construcción de un circuito integrado
- Encapsulados comunes de circuitos integrados
- Identificar circuitos integrados
- Circuitos integrados usados comúnmente
Lecturas Sugeridas
Los circuitos integrados son uno de los elementos más fundamentales de la electrónica. Si no estás familiarizado con estos temas, puedes considerar leer estos tutoriales primero.
- ¿Qué es un Circuito?
- Polaridad
- Resistencias
- Diodos
- Capacitores
- Transistores
Construcción del Circuito Integrado
Cuando pensamos en circuitos integrados, se nos vienen pequeños chips negros a la mente. Pero. ¿Qué hay dentro de esa pequeña caja negra?
El interior de un circuito integrado, visible después de remover la tapa.
La verdadera clave de un circuito integrado es una construcción compleja de capas de semiconductores, cobre y otros materiales, los cuales se interconectan para formar transistores, resistencias, y otros componentes en un circuito. La combinación cortada y formada de estos elementos se llama “Silicon Die”.
La vista panorámica de un “Silicon Die”de un circuito integrado.
Mientras un circuito integrado es pequeño, los semiconductores y las capas de cobre del cual esta formado son increíblemente delgadas. Las conexiones entre las capas son muy complejas. Aquí hay un acercamiento de una sección de la imagen anterior:
Un “Silicon Die” de circuito integrado es el circuito en su forma más pequeña posible, incluso muy pequeña como para poder soldar o conectar algo a este. Para hacer mas fácil el trabajo de conectar el circuito integrado, el Silicio se encapsula en un tamaño adecuado. El empaquetado de un circuito integrado convierte a este pequeño y delicado trozo de silicio en el chip negro, el cual todos conocemos.
Encapsulados de Circuitos Integrados
El encapsulado es lo que rodea el Silicio del circuito integrado y lo convierte en un dispositivo, el cual podemos conectar fácilmente. Cada conexión interna es conectada a través de un pequeño cable a un pin en el encapsulado. Los pines son los terminales plateados que salen de un circuito integrado, los cuales se conectan después a otras partes del circuito. Estos son los más importantes para nosotros, debido a que estos son los que se utilizan para conectar el resto de los componentes y cables del circuito.
Hay muchos tipos distintos de encapsulados, cada uno tiene dimensiones, tipos de montaje, y/o configuraciones de pines únicos.
Marca de Polaridad y Enumeración de Pin
Todos los circuitos integrados son polarizados y cada pin es único en término de ubicación y función. Esto significa que el encapsulado debe tener alguna forma para determinar a qué pin corresponde. La mayoría de los circuitos integrados ocupan una hendidura o un punto para indicar cuál es el primer pin.
Una vez que se sabe dónde se encuentra el primer pin, los números de pines restantes incrementan secuencialmente en sentido con las manijas del reloj alrededor del chip.
Estilo de Montaje
Una de las características del tipo de encapsulado que se puede utilizar para distinguir es la forma en que se monta a la placa de nuestro circuito PCB. Todos los encapsulados se pueden clasificar en dos tipos de montaje: agujeros pasantes o montaje en superficie. Los encapsulados de agujeros pasantes generalmente son más grandes y más fáciles para trabajar. Son diseñados para ser puestos en un lado de la placa PCB y atravesarla para ser soldada al otro lado de la placa.
Los encapsulados de montaje en superficie vienen en rangos de tamaños pequeños a minúsculos. Son diseñados para ponerlas en un lado de la placa de circuitos y ser soldada a la misma superficie. Los pines de un encapsulado de montaje en superficie salen hacia el lado, perpendicular al chip, o a veces, están puestos en una matriz por debajo del chip. Los circuitos integrados en este formato no son muy amigables para el ensamblaje manual. Generalmente requieren herramientas para asistir en el proceso.
DIP (Dual in-line packages en inglés, Encapsulados de doble línea)
DIP, abreviación de “dual in-line package”, es el circuito integrado más común que vas a poder encontrar y es del tipo agujeros pasantes. Estos pequeños chips tienen dos filas paralelas de pines que se extienden perpendicularmente de una caja rectangular, negra y plástica.
El ATmega328de 28 pines es uno de los microcontroladores de encapsulado DIP más común (¡Gracias Arduino!).
Cada uno de los pines en un circuito integrado DIP están separados por 0.1″ (2.54mm), lo cual es una separación estándar y es perfecta para poder montarlos en protoboards. Las dimensiones totales de una encapsulado DIP dependen de la cantidad de pines que tenga, los cuales pueden ser desde 4 hasta 64.
El área entre cada fila de pines está perfectamente distanciada para permitir que un circuito integrado del tipo DIP se monte en el área central de un protoboard. Esto permite que cada uno de los pines tenga su propia fila en el protoboard, y se asegura que estos no hagan cortocircuito el uno con el otro.
Aparte de ser usados en protoboards, los circuitos integrados del tipo DIP pueden ser soldados en placas PCB. Se insertan a un lado de la placa y son soldados al otro lado. A veces, en vez de soldarlo directamente al circuito integrado, es buena idea poner un zócalo. Esto permitirá que un circuito integrado del tipo DIP se pueda sacar y ser intercambiado si llega a quemarse.
Un zócalo DIP regular (arriba) y un zócalo ZIF (con y sin un circuito integrado).
Encapsulados de Montaje en Superficie (SMD/SMT)
Hoy en día hay una gran variedad de encapsulados de montaje en superficie. Para poder trabajar con circuitos integrados de encapsulado de montaje en superficie, generalmente se requiere una placa PCB personalizada hecha especialmente para ellos, la cual tiene un patrón de cobre donde se soldán estos circuitos integrados.
Aquí hay algunos de los tipos de paquetes de montaje en superficie más comunes, que varían en la facilidad de soldar a mano desde “posible” a “posible, pero solo con herramientas especiales” a “posible, solo con herramientas muy especiales, generalmente automatizadas”.
Contorno Pequeño (SOP= Small Outline Package en inglés)
Los circuitos integrados de contorno pequeño (SOIC) son los primos del DIP en el mundo del montaje en superficie. Es lo que se obtendría si uno dolara hacia afuera todos los pines de un DIP, y lo achicara en tamaño. Con una mano firme, y buena vista, estos encapsulados son las piezas de montaje en superficie más fáciles para soldar a mano. En los circuitos integrados de contorno pequeño, cada pin es separado aproximadamente 0.05″ (1.27mm) del otro.
El SSOP (encapsulado de contorno pequeño encogido; “shrink small-outline package” en inglés) es una versión aún más pequeña de la encapsulado SOIC. Otros encapsulados de circuitos integrados similares incluyen TSOP (encapsulado de contorno pequeño delgado “thin small-outline package en ingles”) and TSSOP (encapsulado de contorno pequeño encogido-delgado “thin-shrink small-outline package en ingles”).
Un multiplexor de 16 canales (CD74HC4067) en un encapsulado SSOP de 24 pines. Montado en el centro de una placa (Se agrega la moneda para comparar el tamaño).
Muchos de los circuitos integrados más simples, están orientados a tareas únicas, como el MAX232 o los multiplexores vienen en formatos SOIC o SSOP.
Encapsulado Cuadrado Plano (“Quad Flat Packages” en inglés)
Si extiendes los pines por los cuatro lados del circuito integrado, puede obtener algo parecido a un encapsulado cuadrado plano (QFP). Los circuitos integrados pueden tener desde ocho pines por lado (en total 32 pines) hasta setenta pines por lado (más de 300 en total). Los circuitos integrados QFP generalmente tienen espacios que varían entre 0.4mm hasta 1mm entre un pin y el otro. Variantes más pequeñas del encapsulado QFP incluyen encapsulados delgados (TQFP), muy delgados (VQFP), y de bajo perfil (LQFP).
El ATmega32U4 en un encapsulado TQFP de 44 pines (11 por lado).
Si le sacara las patatitas a un circuito integrado QFP, podrías convertirlo en algo parecido a un encapsulado cuadrado plano sin conductor (QFN). Las conexiones de un encapsulado QFN son pequeñas almohadillas expuestas en los bordes del circuito integrado. A veces se envuelven alrededor y están expuestas por el lado y por debajo, otros encapsulados solo tienen expuestos las almohadillas por debajo del chip.
El sensor IMU polifacético MPU-6050 viene en un encapsulado QFN relativamente pequeño, con un total de 24 pines que se esconden por debajo del circuito integrado.
Los encapsulados delgados (TQFN), muy delgados (VQFN), y de micro (MLF) son variaciones más pequeñas del encapsulado QFN estándar. Incluso hay encapsulados DFN y TDFN que solo tienen pines en dos de sus lados.
Muchos microprocesadores, sensores, y otros circuitos integrados vienen en encapsulados QFP o QFN. El microcontrolador ATmega328 se ofrece en encapsulados TQFP y QFN, mientras un acelerómetro/giroscopio pequeño como el MPU-6050 viene en un formato QFN.
Ball Grid Array (BGA)
Finalmente, para los circuitos integrados realmente avanzados, existen los encapsulados BGA. Estos son pequeños encapsulados que son sorprendentemente complejos, donde pequeñas pelotas de soldadura son dispuestas en una rejilla 2-D por debajo del circuito integrado. ¡A veces, estas pelotas de soldadura son conectadas directamente al Silicon Die!
Los encapsulados BGA generalmente son reservados para los microprocesadores avanzados, como los que se encuentran en el pcDuino o el Raspberry Pi.
Si puedes soldar a mano un circuito integrado de encapsulado BGA, considérate un maestro en la soldadura. Generalmente para colocar estos encapsulados en un PCB se requiere un procedimiento automatizado que involucra máquinas de “Pick and place”, y hornos de reflujo.
Circuitos Integrados Comunes
Aquí hay algunos de los circuitos integrados más comunes que podrás encontrar en la electrónica educacional.
Compuertas Lógicas, Temporizadores, Registro de Desplazamiento, Etc.
Las compuertas lógicas, los componentes básicos de muchos otros circuitos integrados, pueden ser encapsuladas en su propio circuito integrado. Algunos de los circuitos integrados de compuertas lógicas pueden contener varias compuertas en un solo encapsulado, como esta compuerta AND de cuatro entradas.
Las compuertas lógicas pueden estar conectadas dentro de un circuito integrado para crear temporizadores, contadores, latches, registro de desplazamiento, y otros circuitos lógicos básicos. La mayoría de estos circuitos simples se pueden encontrar en encapsulados DIP, SOIC y SSOP.
Microcontroladores, Microprocesadores, FPGAs, Etc.
Los microcontroladores, microprocesadores y FGPAs, son circuitos integrados que contienen miles, millones e incluso billones de transistores en un pequeño chip. Estos componentes existen en una gran variedad de funcionamiento, complejidad y tamaño; desde un microcontrolador de 8-bit como el ATmega328 en un Arduino, hasta un microprocesador multi-core de 64-bit que organiza la actividad en su computador.
Estos componentes son generalmente los circuitos integrados más grandes en un circuito. Los microcontroladores simples se pueden encontrar en encapsulados DIP, QFN y QFP, con una cantidad de pines desde ocho hasta cien. A medida que estos componentes son más complejos, el encapsulado se vuelve más complejo. Los FGPA y los microprocesadores complejos tienen una cantidad de pines en el orden de los miles y solo están disponibles en encapsulados más avanzados como los QFN, LGA, o BGA.
Sensores
Los sensores digitales modernos, como los sensores de temperatura, acelerómetros, y giroscopios todos vienen encapsulados en circuitos integrados.
Estos circuitos integrados generalmente son más pequeños que los microcontroladores u otros circuitos integrados en una placa, con una cantidad de pines que van desde tres hasta veinte. Los circuitos integrados de sensores con encapsulados DIP cada vez se vuelven más escasos, ya que los componentes modernos generalmente se encuentran en encapsulados QFP, QFN e incluso BGA.