Integrierter Schaltkreis

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Integrierter Schaltkreis

Ein Integrierter Schaltkreis (engl. integrated circuit, abgekürzt IC) ist ein Halbleiterbauelement, das aus vielen Transistoren und anderen Bauteilen wie Kondensatoren und Widerständen besteht, die auf einem einzigen Substratmaterial zusammengefasst sind.

Ein Chip in Schrägbild

Als Substrat und gleichzeitig aktives Material wird bei der großen Mehrzahl (mehr als 90%) der integrierten Schaltkreise der Halbleiter Silizium (nicht Silikon!) benutzt. Für spezielle Anwendungen kommen auch andere Materialien zu dem Einsatz, wie Germanium oder Gallium-Arsenid. Für spezielle Anwendungen wird auch Silizium auf dem isolierenden Substrat Saphir benutzt (SOS = Silicon on Saphire).

Integrierte Schaltkreise werden industriell hergestellt. Die Herstellung erfolgt in speziellen Reinräumen, die stark gefilterte Luft mit extrem wenigen Staub-Partikeln enthält. Dies ist nötig, da selbst kleinste Staubpartikel (< 0.1µm = ungefähr halbe Größe eines AIDS-Virus) bereits den Ausfall eines kompletten Schaltkreises verursachen können.

Zunächst wird ein hochreines Silizium geschmolzen. Aus der Schmelze wird ein Kristall herausgezogen, so dass sich eine Stange (Ingot ) ergibt. Diese Stange aus einem einheitlichen Kristall wird in dünne Scheiben zersägt, so genannte Wafer. Diese sind typischerweise zwischen 6 und 12 Zoll groß und werden durch verschiedene Prozesse, darunter Säure-, Schleif- und Polierprozesse möglichst eben und glatt gemacht. Heute lassen sich 12-Zoll-Wafer mit Dicken um 650 Âµm und TTV-Werten unter 1 Âµm herstellen.

Auf diesen Wafern werden durch technische Prozesse (Aufbringen von Fotolack, Belichtung mit Licht sehr kleiner Wellenlänge, Ätzen, Dotieren, Aufbringen metallischer Verbindungen mittels sputtern) mit Hilfe von Masken (engl. reticles oder mask, siehe Maske (Chipentwicklung) ) die Strukturen der Schaltungen erzeugt. Anschließend werden die Wafer in kleine rechteckige Stücke, die sogenannten Dies, zersägt.

Ein integrierter Schaltkreis besteht aus mehreren Schichten dotierter Halbleiter (p- und n-Halbleiter) oder Isolationsschichten (z.B Oxid). Diese werden in vielen Einzelschritten nacheinander fotografisch belichtet und entwickelt, die freiliegenden Stellen des so genannten Substrats werden dann weggeätzt, dotiert, oxidiert oder mit einer Leiterschicht überzogen.

Nach der Diffusion (Dotierung, Aetzen, usw.) werden die ICs getestet. Dies geschiet mit einem speziellen Testautomat (ATE für Automatic Test Equipment). Dieser führt zwei verschiedene Arten von Tests durch, parametrische Tests und Strukturtests. Für einige Tests wird bei der Beschreibung des ICs zusaetzliche Testlogik eingebaut. Die Tests muessen diejenigen Dies finden, die wegen Fehlern in dem Diffusionsprozess in dem spaeteren Gebrauch ausfallen wuerden. (Fehler in der Spezifikation müssen vor der Herstellung durch Simulation der Schaltung beseitigt werden). Die guten und die schlechten Dies werden markiert. Danach werden die guten Dies in ein Gehäuse (engl. package) gepackt. Diesen Schritt bezeichnet man auf englisch assembly . Dies beinhaltet auch ein Verdrahten (Bonding) der äußeren Anschlüsse des ICs, der so genannten Pins.

Die gepackten Dies muessen einen zweiten Testteil (engl. sorting ) durchlaufen, um die Fehler zu erkennen, die von einer fehlerhaften Behandlung beim Packen herruehren.

Die gepackten und getesten ICs werden dann in ein Lager (engl warehouse) gebracht, im sie bis zur Versendung (engl. shipping) aufbewahrt werden. Kurz vor der Versendung werden die ICs getestet (in-warehouse tests), um Alterungsschaeden zu erkennen.

Anfang der 1960er bestanden die integrierten Schaltkreise aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren (Small-scale integration, SSI). Mit den Jahren wurden die Strukturen jedoch stets weiter verkleinert. 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 Die.

Nun war es erstmals möglich, ganze CPUs auf einem Chip zu integrieren, was auch 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 1 MiB (nicht 1 Megabyte, siehe unten) RAM erstellen konnte. Aktuelle Prozessoren bestehen aus vielen Millionen Transistoren auf einer wenige Quadratzentimeter großen Fläche.

Vor der Entwicklung der Mikrochips wurden bei Logikschaltungen die Transistoren auf Platinen angebracht und gelötet. Bei einem Mikrochip werden die Transistoren nicht mehr gelötet, statt dessen wird der komplette Bauplan auf das Substrat aufgebracht, und stellen damit die Logikschaltung dar. Dies führte zu einer erheblich kleineren Form der Logikschaltungen, so dass diese als "Mikrochips" genannt wurden (RTL, DTL, TTL, CMOS).

Häufig werden auch einfach die Plastikgehäuse der fertigen Schaltungen, die diese zu dem Schutz erhalten haben, als "Chips" genannt.

Aufgrund ihres Aufbaus ist die Speicherkapazität und damit der Adressbereich eines Chips stets eine Potenz zur Basis 2. Hieraus definiert sich der in der IT lange übliche Vorzeichen-Faktor 1024 (2¹⁰), wonach "1MB" = 1024*1024 Byte sind. Zwecks Vereinheitlichung wurde von der IEC inzwischen diese Benennung auf die üblichen SI-Präfixe (Vorzeichenfaktor 1000) angepasst. Um bei Speicherchips keine extrem krummen Zahlen zu bekommen ("1,048576MB"), wurden zusätzliche Vorzeichen mit Faktor 1024 definiert. Damit ist das Beispiel dann 1MiB (Mega-binary-Byte). Diese Nennung hat sich jedoch bisher noch nicht komplett durchgesetzt, so dass gerade bei Speicherchips häufig die "alte" Definition benutzt wird.:

Foto einiger integrierter Schaltkreise in dem Plastikgehäuse

Siehe auch: Mikrotechnik, Programmable Array Logic, RAM,ROM,EPROM, ASIC, Gehäusebauform elektronischer Bauelemente, Integrierter optischer Schaltkreis , Chipentwurf, Kundenspezifische Integrierte Schaltung(ASIC)