Integrierter Schaltkreis

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 elektrischen Verbindung zwischen IC und Gehäuse darstellen.

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 und elektronisches Bauteil betrachtet. Die Größe des Substrats beträgt dabei in der Regel nur wenige Quadratmillimeter und ist noch erheblich kleiner als das umgebende Gehäuse des ICs, welches 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 Anforderungen im Markt 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.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
- 1.1 Jacobi-Patent
2 Miniaturisierung
3 Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen
4 Herstellung integrierter Schaltungen
5 Geschichte der integrierten Schaltungen
- 5.1 Personen
6 Siehe auch
7 Weblinks

Geschichte

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

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 Verbundröhre elektronische Bauelemente, die mehrere Funktionen miteinander vereinten. Ein anderes Beispiel hierfür waren Duodioden und mehranodige Quecksilberdampfgleichrichter, welche in einem Bauteil die Funktion mehrerer gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter (eine Kathode und mehrere Anoden) vereinten.

Der erste integrierte Schaltkreis geht auf Jack Kilby in das Jahr 1958 zurück und umfasste etwa zehn Bauteile. Er wurde in Transistor-Transistor-Logik (TTL) entwickelt und war zunächst sehr preiswert herzustellen, hatte aber eine hohe Verlustleistung. Zu dieser Zeit waren 5-Volt-Netzteile, die 50 Ampere liefern konnten, durchaus üblich. Weiterentwicklungen erfolgten zunächst hinsichtlich einer kleineren Bauform.

Jacobi-Patent

Kaum bekannt ist das von Werner Jacobi am 15. April 1949 eingereichte deutsche Patent Nr. 833.366 mit dem Titel „Halbleiterverstärker“. Er erfindet darin einen aus fünf Transistoren bestehenden integrierten Schaltkreis, der eine dreistufige Verstärkerschaltung darstellt. Zwei Transistoren werden verkehrt geschaltet und integrieren damit die Impedanzwandlung zwischen den Transistorstufen. Jacobi hält fest, dass damit zum Beispiel Schwerhörigengeräte 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.

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 können aus über 350 Millionen Transistoren bestehen.

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

Miniaturisierung von Geräten und deren Steuerung
- zur besseren Handhabung (z. B. mobile Geräte).
- zur Einsparung von Werkstoffen.
effizientere Fertigung: Sämtliche Bauteile hunderter Chips werden simultan gefertigt und verdrahtet
geringere Leistungsaufnahme: Kleinere Bauteile erfordern auch weniger Strom
kürzere Leitungslängen und somit kürzere Signallaufzeiten: Die Schaltvorgänge können schneller ablaufen als in diskret aufgebauten Schaltungen
höhere Zuverlässigkeit als konventionelle, gelötete Schaltungen

Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen

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 Baulemente 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) gefertigt.

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

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

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 Funktionsbausteinen 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)

Herstellung integrierter Schaltungen

Mit der Herstellung von integrierten Schaltungen beschäftigt sich eine eigene Branche, die Halbleiterindustrie, welche sich mit der Mikroelektronik befasst. Hier wurde eine eigene Technologie entwickelt, die Halbleitertechnologie. Zum Bondieren werden Verbindungsdrähtchen zwischen Chips (Die) und ihren Gehäusebeinchen aus hochraffiniertem Feingold gefertigt, wobei sich beispielsweise ein Gramm des Edelmetalls problemlos zu einem Drähtchen von mehr als drei Kilometer Länge ausziehen lässt. Allerdings werden heute hierfür oft auch Aluminiumfäden verwendet.

Geschichte der integrierten Schaltungen

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, eine ganze CPU als Mikroprozessoren 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, ohne die die Entwicklung komplexer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle HighEnd-Prozessoren enthalten über 200 Millionen Transistoren auf einer Fläche von nur wenig mehr als einem Quadratzentimeter. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von einer Milliarde Transistoren erreicht (Stand: Herbst 2005).