Integrierte Schaltung

Integrierter Schaltkreis. Das Chip-Gehäuse wurde geöffnet und ermöglicht den Blick auf den eigentlichen Halbleiter. Die erkennbaren Strukturen im Zentrum sind die realisierte elektronische Schaltung. Im Außenbereich sind die goldenen Anschlussleitungen zu erkennen, welche die elektrische Verdrahtung zwischen IC und den Gehäusekontakten bildet.

Ein integrierter Schaltkreis (auch integrierte Schaltung, engl. integrated circuit, kurz IC, Mikrochip) ist eine auf einem einzelnen (Halbleiter-)substrat (Chip, engl. Die) untergebrachte elektronische Schaltung, d. h. elektronische Bauelemente mit Verdrahtung. Sie werden daher auch als Festkörperschaltkreis oder monolithischer Schaltkreis bezeichnet.

Geschichte

Integrierter Schaltkreis im DIP-Kunststoffgehäuse. Der integrierte Schaltkreis ist nicht sichtbar und befindet sich im Inneren des Kunststoffgehäuses.

Integrierter Schaltkreis im Zentrum, die gebondeten Anschlussdrähte sind gut zu erkennen

Vor der Entwicklung integrierter Schaltungen Ende der 1950er wurden elektrische Schaltungen mit diskreten Bauteilen aufgebaut, d. h. mit einzelnen Transistoren, Dioden, etc., welche auf einer Leiterplatte zu einer Schaltung zusammengefügt wurden. Dies war in Größe und Lebensdauer bereits ein wesentlicher Durchbruch gegenüber den damals konkurrierenden Elektronenröhren. Zwar gab es schon vor der Erfindung des Transistors elektronische Bauelemente, die mehrere Funktionen in einem Bauteil integrierten, beispielsweise in Form von Mehrsystemröhre, Verbundröhre, Duodioden oder auch mehranodigen Quecksilberdampfgleichrichtern, die in einem Bauteil die Funktion mehrerer gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter (eine Kathode und mehrere Anoden) vereinten. Doch die Vorteile durch den Einsatz von Transistoren und Leiterplatten (Platinen), wie Verkleinerung und geringere Leistungsaufnahme, verdrängten die Systeme aus Elektronenröhren zunehmend. Dieser Trend verstärkte sich mit der Entwicklung und dem massiven Einsatz von integrierten Schaltungen ab den 1960ern.

Der erste integrierte Schaltkreis (ein Flipflop) wurde im September 1958 von Jack Kilby entwickelt.^[1] Er bestand aus zwei Bipolartransistoren, welche auf einem Germanium-Substrat befestigt und durch Golddrähte verbunden wurden. Dieser Hybrid-Schaltkreis ist somit ein erstes Beispiel der Umsetzung der schon bekannten Transistor-Transistor-Logik (TTL) auf einen Schaltkreis. Sie war eine Vorstufe zur Weiterentwicklung der TTL-Schaltungen hin zu kleineren Bauformen.

Der erste „monolithische“, d. h. aus bzw. in einem einzigen einkristallinen Substrat gefertigt, integrierte Schaltkreis wurde von Robert Noyce im Juli 1959 zum Patent angemeldet.^[2] Das Entscheidende an Kilbys Erfindung war die komplette Fertigung der Bauelemente und Verdrahtung auf einem Substrat. Für die Herstellung wurden bereits fotolithografische Verfahren und Diffusionsprozesse genutzt, welche Fairchild Semiconductor kurz zuvor für die Herstellung des ersten modernen Diffusions-Bipolartransistors entwickelt hatte.^[1][3][4] Unter anderem basierend auf diesen Techniken wurden 1970/71 nahezu gleichzeitig die ersten Mikroprozessoren von drei Firmen vorgestellt, der Intel 4004, der Texas Instruments (TI) TMS 1000 und der Garrett AiResearch „Central Air Data Computer“ (CADC).

Die ersten integrierten Schaltkreise in Serienproduktion entstanden bereits Anfang der 1960er (v. a. auch bei Texas Instruments und Fairchild Semiconductor) und bestanden lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren (Small-scale integration, SSI). Mit den Jahren wurden die Bauelemente jedoch immer weiter verkleinert und auch passive Bauelemente wie Widerstände integriert sowie die Komplexität der integrierten Schaltkreise weiter erhöht. Damit erhöhte sich auch die Anzahl der Transistoren pro Chip beziehungsweise pro Chip-Fläche, dabei war die Anzahl der Transistoren die wichtigste Kenngröße von ICs.

Mit der medium-scale integration (MSI) fanden einige hundert Transistoren, bei der large-scale integration (LSI) Anfang der 1970er einige tausend Transistoren Platz auf einem Chip. Damit war es erstmals möglich, einen ganzen Hauptprozessor (CPU) als sogenannten Mikroprozessor auf einem Chip zu integrieren, was die Kosten für Computer extrem reduzierte. Anfang der 1980er folgte die very-large-scale integration (VLSI) mit einigen hunderttausend Transistoren, mittels derer man schon bald Speicherchips (RAM) mit einer Kapazität von 1 MByte herstellen konnte. Mit dieser Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung (siehe Chipentwurf) des Designs und der zur Fertigung erforderlichen Fotomasken einher, ohne die die Entwicklung komplexerer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle High-End-Prozessoren (Grafikprozessoren, GPUs) enthalten bis zu 1,4 Milliarden Transistoren auf einer Fläche von etwas weniger als sechs Quadratzentimetern.^[5] Bei Hauptprozessoren in Computern (CPUs) wird eine etwas höhere Dichte von bis zu etwa 400 Millionen Transistoren pro Quadratzentimeter erreicht (Intel Yorkfield). Die Fläche des Chips ist jedoch geringer und beträgt bei High-End-CPUs etwas mehr als einen Quadratzentimeter, wodurch auch insgesamt nur ca. 400 Millionen Transistoren erreicht werden. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von knapp zwei Milliarden Transistoren erreicht (Stand: Frühling 2008).

Chips aus einem Rechner

Chips auf Keramikträger aus einem Rechner

Integrierte Schaltkreise im Plastikgehäuse

Frühes IC im TO-Gehäuse (aufgesägt)

Jacobi-Patent

Kaum bekannt ist der bereits 1949 von Werner Jacobi erfundene und patentierte „Halbleiterverstärker“^[6], eine auf einem als Trägermaterial dienenden Halbleiter aus fünf Transistoren bestehende Schaltung. Diese bilden eine dreistufige Verstärkerschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises. Zwei Transistoren werden „über Kopf“ geschaltet und bewirken damit die Impedanzwandlung zwischen den Transistorstufen. Jacobi hält fest, dass damit zum Beispiel Hörgeräte klein, leicht und billig realisiert werden können.

Eine umgehende wirtschaftliche Nutzung seines Patentes ist nicht bekannt. Die Formulierung des Integrationsgedankens in der am 15. Mai 1952 bekannt gemachten Patentschrift lautet: „Halbleiterverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiter mehrere in verschiedenen Schalt- bzw. Verstärkerstufen wirkende Elektrodensysteme aufgesetzt werden.“ Damit geht zum Beispiel die Integration mehrerer Leuchtdioden in ein Gehäuse im Grundgedanken auf Jacobi zurück.

Arten und Anwendung integrierter Schaltungen

Integrierter Schaltkreis aus einem sowjetischen Taschenrechner.

Das Hauptmerkmal von integrierten Schaltungen ist eine große Zahl an verschiedenartigen oder gleichen aktiven und passiven Halbleiterbauelementen, Widerständen und Kondensatoren sowie verbindenden Leiterzügen auf oder in einem einkristallinen Substrat. Damit bilden sie den Gegensatz zu Schaltkreisen aus auf einer Leiterplatte gelöteten einzelnen (diskreten) Bauelementen. Eine Zwischenstellung nehmen Dickschicht- und Dünnschichtschaltungen – wobei Bauteile durch Aufdampfen und Strukturieren einer dünnen Schicht auf einem Glassubstrat hergestellt werden – sowie (Hybridschaltkreise) ein. Es gibt eine Reihe weiterer Unterscheidungen:

Nach der Fertigungstechnologie

• monolithische Schaltkreise: Es werden alle Bauelemente auf einem einzigen Stück (Substrat) einkristallinen Halbleitermaterials (Chip) hergestellt. Die Schaltkreise werden dabei meist durch Dotierung oder Epitaxie an der Oberfläche des Substratmaterials (Dioden, Transistoren, bis zu einigen Mikrometern ober- und unterhalb der ursprünglichen Oberfläche) oder durch Schichtauftrag (Widerstände, Leiterzüge, Kondensatoren, Isolationen, Gates von MOSFET, Epitaxie) gefertigt.

Technologie-Beispiele: TTL-, CMOS-, CCD-, BiCMOS-, DMOS-, BiFET-, Bipolar-Technologie.

• Dünnschicht-Schaltkreise sind Bauelemente, die durch Bedampfen auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Es handelt sich meist um Widerstands-Netzwerke. Sie können durch Elektronenstrahlabgleich auch in höchster Genauigkeit gefertigt werden. Sie sind durch Tauchlackierung geschützt. Ebenfalls in diese Gruppe gehören Schaltungen aus Dünnschichttransistoren (TFT), wie sie z. B. in Flachbildschirmen Anwendung finden.
• Dickschicht-Hybridschaltkreise vereinen mehrere monolithische Chips sowie gedruckte Leiterzüge und passive Bauteile (fast nur Widerstände) in Dickschicht-Technologie meist auf einem Keramikträger. Sie sind oft tauchlackiert.

Nach der Signalart

• Digitale ICs verarbeiten oder speichern Signale, die in Form von zwei diskreten Pegeln vorliegen
• Analoge ICs verarbeiten Signale mit beliebigen Zwischenwerten
• Mixed-Signal-ICs haben sowohl analoge als auch digitale Schaltungsteile

Sensor- und Aktor-ICs sind Wandler zwischen unterschiedlichen physikalischen Größen, die mit mikroelektronischen Technologien gefertigt werden. Beispiele sind ICs in CMOS-Kameras, Mikrospiegelaktoren, Hallsonden, Beschleunigungssensoren oder Schaltkreise zur Messung ihrer Temperatur, der Beleuchtungsstärke oder zum Empfang digitaler Infrarot-Signale

Nach der Aufgabe

• Prozessoren dienen als Rechen- und Steuereinheiten von Computern
• Halbleiterspeicher speichern digitale Daten
• Standard-Logik-ICs verschiedener Logikfamilien bieten anwendungsübergreifende Funktionen
• ASICs sind anwendungsspezifische Entwicklungen (z. B. in Brotröstern, KFZ, Waschmaschinen)
• ASSPs sind anwendungsspezifische Standardprodukte, die ähnlich wie ASICs Spezialanwendungen haben, aber vom Hersteller angeboten werden und nicht auf Wunsch des Kunden gebaut werden
• Sensor-ICs wandeln und verarbeiten nichtelektrische Größen (z. B. Beschleunigung, Licht, Magnetfelder)
• DSPs (digitale Signalprozessoren) verarbeiten digitale Signale oder analoge Signale in digitaler Form
• D/A- und A/D-Wandler wandeln digitale in analoge Werte oder umgekehrt
• FPGAs (engl. field programmable gate array) sind vom Kunden konfigurierbare digitale ICs, die aus einer Vielzahl von zusammenschaltbaren Funktionseinheiten bestehen
• Microcontroller (µC) enthalten alle Teile eines kleinen Computers (Programmspeicher, Rechenwerk, Arbeitsspeicher und Register)
• Leistungs-ICs können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten (z. B. als komplette Leistungs-Verstärker oder in Netzteilen)
• SoCs sind Systems on a Chip, das sind größere Systeme die auf einem Chip vereint werden

Herstellung integrierter Schaltungen

Hauptartikel Halbleitertechnologie

Mit der Herstellung von integrierten Schaltungen beschäftigt sich die Halbleiterindustrie. Die Fertigung wird oft in zwei Zyklen eingeteilt dem sogenannten Front-End und dem Back-End.

Schematischer Aufbau eines CMOS-Chips in den 2000ern (Ausschnitt)

Der erste Teilschritt, dem Front-End, beschäftigt sich mit der Herstellung der elektrisch aktiven Bauelemente (Transistoren, Kondensatoren, usw.), dem sogenannten Front-End-Of-Line, und deren Verdrahtung (Metallisierung), dem sogenannten Back-End-Of-Line. Die Herstellung erfolgt auf sogenannten Wafern (einkristalline Halbleiterscheibe), so dass mehrere integrierter Schaltungen parallel gefertigt werden können, was Kosten senkt. Zum Einsatz kommen hier verschiedenste Verfahren zum Schichtaufbau (Epitaxie, Sputterdeposition, Bedampfen, CVD usw.), Schichtabtrag, und Strukturierung (Fotolithografie). Des Weiteren werden Verfahren zur Änderung von Materialeigenschaften (z. B. Dotierung) eingesetzt. Nach der Metallisierung erfolgt heutzutage (2009) auch oft ein stichprobenartiges oder komplettes Prüfen der Schaltkreise mit Nadeltestern im Scheibenverbund, vor allem zur Bestimmung der Ausbeute und als Rückmeldung zu technologischen Parametern. Damit spart man sich das Verkappen des teilweise erheblichen Ausschusses. Für die Bestimmung von technologischen Parametern erfolgt die Prüfung (beispielsweise Schichtdickenprüfung) meist direkt nach dem jeweiligen Prozess, hier ist es mitunter wichtig auch die jeweiligen Anlagen mit zu erfassen, da auch baugleiche Anlagen mit denselben Parametern Abweichungen erzeugen, die außerhalb des Toleranzbereichs liegen können.

Im zweiten Teilschritt, dem Back-End, werden die ICs anschließend vereinzelt. Dies erfolgt im Allgemeinen durch Sägen (selten auch durch Ritzen und Brechen) des Wafers zu Dies (den sogenannten Chips) Beim nachfolgenden Verpacken (engl. packaging) werden die einzelnen ICs dann in ein Gehäuse eingebracht und kontaktiert, das sogenannte Bonden. Dabei kommen je nach Typ unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, beispielsweise Chipbonden oder Drahtbonden. Das Verkappen (Einhausen) dient zur hermetischen Versiegelung gegenüber Umwelteinflüssen – für rein elektrische Schaltkreise muss das Gehäuse gas- und lichtdicht sein – sowie zur besseren Verwendbarkeit: entweder wird der Chip samt Bonddrähten in einem Hohlraum (Blech, Keramik, ggf. mit Fenster) eingeschlossen oder mit Kunstharz umhüllt (eingegossen). Hochkomplexe Schaltkreise (meist für mobile Anwendungen) werden neuerdings (2009) auch ohne Sockelgehäuse eingesetzt und direkt auf die jeweiligen Platinen gelötet (vgl. Ball Grid Array). Zum Abschluss erfolgt nochmals ein Funktionstest, dabei werden zugesicherte Eigenschaften an allen Schaltkreisen geprüft. Die Typprüfung erfolgt stichprobenartig oder nur in der Entwicklungsphase. Die Stückprüfung dient dem Sortieren in Schaltkreise unterschiedlicher Güteklassen (zum Beispiel nach Offset-Spannung bei Operationsverstärkern) Prüfergebnisse und die Art der Verkappung bestimmen das Einsatzgebiet. So werden hohe Qualitäten für erweiterte Einsatztemperaturen und Umweltanforderungen gefertigt (sog. MIL-Standard für militärische und Raumfahrt-Anwendungen). Höhere Toleranzen und Plastik-Verkappung kommen für Massenanwendungen (Konsumgüter) in Frage.

Miniaturisierung

Integrierte Schaltkreise werden als eigenständiges elektronisches Bauteil betrachtet. Die Größe des IC-Substrats (englisch die) beträgt dabei in der Regel nur wenige Quadratmillimeter und ist erheblich kleiner als das umgebende Gehäuse, das die eigentlichen elektrischen Anschlüsse (Pins) in handhabbarer Größe zum Verlöten bereithält. Um die Produktionskosten der oft komplexen und herstellungsaufwendigen ICs möglichst gering zu halten, werden in der Mikroelektronik mehrere (hundert bis tausend) integrierte Schaltkreise parallel auf so genannten Wafern hergestellt, die dabei auftretenden Produktionstoleranzen und -fehler verhindern allerdings eine hundertprozentige Ausbeute.

Um die Produktionskosten in nachfolgenden Generationen komplexerer ICs möglichst konstant zu halten oder gar zu senken, werden in der Mikroelektronik zwei große Trends vollzogen. Zum einen wird die Chip-Fläche für den einzelnen ICs möglichst gering gehalten (Haupttrend) zum anderen werden möglichst viele ICs auf einem Wafer untergebracht, während das Gehäuse anderen Anforderungen Rechnung trägt (Löttechnologie, Wärmeableitung, etc.) und je nach Marktanforderung auch verschiedene Ausprägungen zeigt.

Die möglichst konstant gehaltene Chip-Fläche hat bei immer komplexer werdenden Schaltkreisen zur Folge – moderne integrierte Schaltkreise wie z. B. Speicherbausteine und Mikroprozessoren können mehrere hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten –, dass die einzelnen Bauelemente wie Transistoren verkleinert werden müssen, was ebenfalls eine höhere Taktung und eine verringerte Betriebsspannung und daher Leistungsaufnahme ermöglicht. Bei konstanter Chip-Fläche können aber kaum Kosten durch höhere Parallelität bei der Herstellung gespart werden. Daher wurde die Standard-Wafer-Größe in der Produktion von 2-Zoll-Wafern auf heute 12-Zoll-Wafern (wirklicher Durchmesser 300 mm) erhöht. Mit der steigenden Wafer-Größe ging auch eine effizientere Ausnutzung der Wafer-Fläche einher (weniger Verschnitt). Um allerdings die Produktionsqualität dabei nicht nur gleich zuhalten sondern zu verbessern – was aufgrund kleiner Bauelemente notwendig war – mussten große Herausforderungen in der Beschichtungstechnologie überwunden werden.

Im Allgemeinen werden also bei der Miniaturisierung der Schaltkreise folgende Ziele verwirklicht:

• Ein Ziel ist eine effizientere Fertigung, dies wird unter anderem durch parallele Fertigung auf einem Substrat (englisch wafer) und somit der Einsparung von Rohstoffen bei der Produktion und der Weiterverarbeitung erreicht.
• Weiterhin sollen die Bauelemente effizienter im Betrieb werden, so ermöglicht die Verkleinerung der Strukturen eine Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten, dies wird beispielsweise durch kürzere Leitungslängen und somit kürzere Signallaufzeiten sowie geringeren Latenzzeiten beim Umladen der Kapazitäten in den Bauelementen erreicht, und durch Verringerung der Leistungsaufnahme der ICs.
• Durch die Integration weiterer Funktionen können neue ICs oft die Funktionalität mehrerer vorher diskreter ICs in sich vereinen, damit kann auch die Zuverlässigkeit erhöht werden, was vor allem in der Anfangsphase der integrierten Schaltkreise ein wichtiger Vorteil gegenüber konventionellen, gelöteten Schaltungen darstellte.

Auf diese Weise sollen kleinere, leistungssparendere Bauelemente mit immer mehr Funktionen hergestellt werden, dies ist vor allem bei mobilen Geräten wichtig. Die integrierten Schaltungen und deren Miniaturisierung ermöglicht so Telefon-, SIM-, Geld- und Kreditkarten, RFID, intelligente Sensoren, kleinere und langlebigere Herzschrittmacher oder Hörgeräte sowie MP3-Abspielgeräte oder CMOS-Kameras, u. a. in Mobiltelefonen.

Anwendungsbereiche

Integrierte Schaltkreise bilden heute die Grundlage jeglicher komplexer Elektronik, insbesondere der Computertechnik. Erst durch die Integration ist es möglich, umfangreiche Funktionalität auf kleinem Raum zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus ermöglichen integrierte Schaltkreise in vielen Fällen überhaupt auch erst die technische Realisierung von Systemen, die sonst zu teuer, zu komplex, zu leistungsintensiv oder zu groß wären.

Siehe auch

• Halbleiterhersteller
• ROM, RAM
• Integrierter optischer Schaltkreis
• Applikationsspezifische Standardprodukte (ASSP)
• Mooresches Gesetz
• Common-centroid-Layout
• Robert Widlar, Gordon Moore, Marcian Edward Hoff

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Jack S. Kilby: Invention of the integrated circuit. In: IEEE Transactions on Electron Devices. 23, Nr. 7, 1976, S. 648–654. 
2. ↑ Robert N. Noyce: Semiconductor device and lead structure.US-Patent 2.981.877, angemeldet am 30. Juli 1959, angenommen am 25. April 1961.
3. ↑ I. M. Ross: The invention of the transistor. In: Proceedings of the IEEE. 86, Nr. 1, 1998, S. 7–28. 
4. ↑ R. G. Arns: The other transistor: early history of the metal-oxidesemiconductor field-effect transistor. In: Engineering Science and Education Journal. 7, Nr. 5, 1998, S. 233–240. 
5. ↑ Christian Hirsch: Nvidia kratzt mit neuen Grafik- und Compute-Prozessoren an der TFLOPS-Schallmauer. Nachrichtenbeitrag auf heise.de vom 16. Juni 2008
6. ↑ W. Jacobi: Patent DE 833366 W. Jacobi/SIEMENS AG: „Halbleiterverstärker“ eingereicht am 15. April 1949

Weblinks

• Pioniere der IC-Entwicklung
• Datenblätter verschiedener Mikrochips