Integrierter Schaltkreis. Das Chipgehäuse 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) ist eine auf kleinstem Raum auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat (Chip, engl. Die) untergebrachte (integrierte) elektronische Schaltung. Man nennt sie daher im Gegensatz zu gelöteten Leiterplatten und ähnlichem auch Festkörperschaltkreis oder monolithischer Schaltkreis.

Merkmal ist, dass auf oder in einem einkristallinen Substrat eine große Zahl an verschiedenartigen oder gleichen aktiven und passiven Halbleiterbauelementen, Widerständen und Kondensatoren sowie verbindenden Leiterzügen hergestellt werden.

Eine Zwischenstellung nehmen Dickschichtschaltkreise (Hybridschaltkreise) sowie Dünnschichtschaltungen ein - bei letzteren werden Bauteile durch Aufdampfen und Strukturieren einer dünnen Schicht auf einem Glassubstrat hergestellt.

Integrierte Schaltkreise werden als eigenständiges elektronisches Bauteil betrachtet. Die Größe des Substrats 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. Die Chipfläche wird dabei aus Kostengründen klein gehalten, während das Gehäuse anderen Anforderungen Rechnung trägt (Löttechnologie, Wärmeableitung, etc.) und je nach Marktanforderung auch verschiedene Ausprägungen zeigt.

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.

[Bearbeiten] Geschichte

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

IC-Belegungsbeispiel

Frühes IC im TO-Gehäuse (aufgesägt), die gebondeten Anschlussdrähte sind gut zu erkennen

Schon in der Zeit vor der Erfindung des Transistors gab es in Form der Mehrsystemröhre und der Verbundröhre elektronische Bauelemente, die mehrere Funktionen in einem Bauteil integrierten. Ein anderes Beispiel waren Duodioden und mehranodige Quecksilberdampfgleichrichter, die in einem Bauteil die Funktion mehrerer gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter (eine Kathode und mehrere Anoden) vereinten.

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 „monolitische“ (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-Bipolartransistor entwickelt hatte.^[1][3][4] Unter anderem basierend auf diesen Techniken wurden 1970/71 nahezu zeitgleich 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).

[Bearbeiten] Jacobi-Patent

Kaum bekannt ist der bereits 1949 von Werner Jacobi erfundene und patentierte „Halbleiterverstärker“^[5], 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.

Chips aus einem Rechner

Chips auf Keramikträger aus einem Rechner

Integrierte Schaltkreise im Plastikgehäuse

Bis in die 1950er Jahre standen Halbleiterbauelemente nur als diskrete Bauteile, d. h. einzelne Transistoren, Dioden, etc., zur Verfügung. In Größe und Lebensdauer war dies bereits ein wesentlicher Durchbruch gegenüber den damals konkurrierenden Elektronenröhren, insbesondere da sich inzwischen die Verwendung von Leiterplatten (Platinen) durchsetzte.

Die ersten integrierten Schaltkreise in Serienproduktion entstanden 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 Strukturen jedoch immer weiter verkleinert und auch passive Bauelemente (z. B. Widerstände) integriert, wobei die Anzahl der Transistoren aber weiterhin die wichtigste Kenngröße blieb. 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.

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 einher ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung (siehe Chipentwurf) des Designs und der zur Fertigung erforderlichen Fotomasken, ohne die die Entwicklung komplexer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle HighEnd-Prozessoren enthalten über 1 Milliarde Transistoren auf einer Fläche von nur wenig mehr als einem Quadratzentimeter. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von knapp zwei Milliarden Transistoren erreicht (Stand: Frühling 2008).

[Bearbeiten] Personen

• Jack Kilby, Robert Noyce, Jean Hoerni, Robert Widlar,
• Gordon Moore, G.W.A. Dummer
• Marcian Edward Hoff

[Bearbeiten] Miniaturisierung

Moderne integrierte Schaltkreise wie z. B. Speicherbausteine und Mikroprozessoren können mehrere Hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten. Der PentiumPro-Prozessor (1995) enthält z. B. 5,5 Millionen Transistoren, heutige Prozessoren und Speicherchips können aus über einer Milliarde Transistoren bestehen.

Das Bestreben, immer weitere und umfangreichere Funktionen auf einem einzigen Chip zu integrieren, hat folgende Gründe:

• effizientere Fertigung: Sämtliche Bauteile hunderter gleichartiger Chips werden simultan gefertigt und „verdrahtet“
• Miniaturisierung
  • bessere Handhabung (mobile Geräte)
  • miniaturisierte Anwendungen (Chips in Telefon-, SIM-, Geld- und Kreditkarten, RFID, Sensoren, CMOS-Kameras, u.a. in Mobiltelefonen)
  • Einsparung von Werkstoffen
• geringere Leistungsaufnahme: Kleinere Bauteile brauchen auch weniger Strom
• kürzere Leitungslängen und somit kürzere Signallaufzeiten: Schaltvorgänge können schneller ablaufen als in diskret aufgebauten Schaltungen
• höhere Zuverlässigkeit als bei konventionellen, gelöteten Schaltungen

[Bearbeiten] Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen

[Bearbeiten] Nach der Fertigungstechnologie

• 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.

• Dünnschicht-Schaltkreise sind Bauelemente, die durch Bedampfen auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Es handelt sich meist um Widerstands-Netzwerke oder -arrays. Sie können durch Elektronenstrahlabgleich auch in höchster Genauigkeit gefertigt werden. Sie sind durch Tauchlackierung geschützt.

• 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.

[Bearbeiten] 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, Mikrospiegelarrays, Hallsonden, Beschleunigungssensoren oder Schaltkreise zur Messung ihrer Temperatur, der Beleuchtungsstärke oder zum Empfang digitaler Infrarot-Signale

[Bearbeiten] Nach der Aufgabe

• Prozessoren: Rechen- und Steuereinheiten von Computern
• Halbleiterspeicher speichern digitale Daten.
• ASICs sind anwendungsspezifische Entwicklungen (z. B. in Brotröstern, KFZ, Waschmaschinen)
• 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 (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)
• sog. Power-ICs können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten (z. B. als komplette Leistungs-Verstärker oder in Netzteilen)

[Bearbeiten] Herstellung integrierter Schaltungen

Mit der Herstellung von integrierten Schaltungen beschäftigt sich die Halbleiterindustrie. Zur Technologie siehe Hauptartikel Halbleitertechnologie. Die Fertigung wird oft in zwei Zyklen eingeteilt:

Zyklus 1

• Fertigen mehrerer integrierter Schaltungen auf einem Wafer (einkristalline Halbleiterscheibe) mittles Fotolithografie, Epitaxie, Diffusion, CVD, Sputtern und/oder Bedampfen

Im Scheibenverbund erfolgt oft ein stichprobenartiges oder komplettes Prüfen der noch nicht vereinzelten Schaltkreise mit Nadeltestern zur Bestimmung der Ausbeute und als Feedback zu technologischen Parametern. Damit spart man sich das Verkappen des teilweise erhheblichen Ausschusses.

Zyklus2

• Vereinzeln der Schaltkreise (Sägen oder Ritzen und Brechen des Wafers) zu Dies (den sogenannten Chips)
• Chipbonden, d. h. Löten der Chips auf eine Unterlage, die auch der Wärmeableitung dient
• Draht-Bonden (Verbinden des Chips mit den Anschlüssen). Es werden Bonddrähte aus Gold oder auch aus Aluminium verwendet.
• Verkappen (Einhausen) zur hermetischen Versiegelung gegenüber Umwelteinflüssen sowie zur besseren Verwendbarkeit: entweder wird der Chip samt Bonddrähten in einem Hohlraum (Blech, Keramik, ggf. mit Fenster) eingeschlossen oder mit Kunstharz umhüllt (eingegossen). Für rein elektrische Schaltkreise muss das Gehäuse gas- und lichtdicht sein.
• Test: bei der Stückprüfung 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 Offsetspannung 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.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Mikrotechnik, Mikroelektronik
• Halbleiterhersteller
• Programmable Array Logic
• ROM, RAM
• EPROM, EEPROM
• DSP (digital signal processor)
• Integrierter optischer Schaltkreis
• Applikationsspezifische Standardprodukte (ASSP)
• FPAA (Field Programmable Analog Array)
• Mooresches Gesetz
• Surface Mounted Device (SMD)

[Bearbeiten] 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. ↑ W. Jacobi: Patent DE 833366 W. Jacobi/SIEMENS AG: „Halbleiterverstärker“ eingereicht am 15. April 1949

[Bearbeiten] Weblinks

 Commons: Integrierter Schaltkreis – Bilder, Videos und Audiodateien

• Pioniere der IC-Entwicklung
• Datenblätter verschiedener Mikrochips