Spis treści:
- 1 Integrierte Schaltkreise, die uns umgeben
- 2 Am Anfang war der Transistor
- 3 Die verräterische Acht und der erste integrierte Schaltkreis
- 4 Sauberkeit ist der Schlüssel!
- 5 Verbindungen in integrierten Schaltungen
- 6 Integrierte Schaltungen - vom Entwurf bis zum fertigen Produkt
- 7 Integrierte Schaltkreise - Gehäuse
- 8 Identifizierung von integrierten Schaltkreisen
- 9 Arten von integrierten Schaltkreisen
Es gibt mehrere hundert Arten von ihnen und wir finden sie fast überall – lernen Sie integrierte Schaltungen kennen!
Integrierte Schaltkreise, die uns umgeben
Dieser Artikel bietet einen geschichtlichen Überblick über die Entwicklung und einige Beispiele für integrierte Schaltungen, die in der modernen Elektronik verwendet werden.
Am Anfang war der Transistor
Bevor Silizium die Welt der Elektronik eroberte, war die Vakuumelektronik, d. h. die Elektronenröhre, die Königin. Jede Elektronenröhre wurde von Hand gefertigt, was ein hohes Maß an Sorgfalt erforderte. Der Durchbruch gelang Ende 1947 in Murray Hill, New Jersey, USA – ein Team von Entwicklern der Bell Telephone Laboratories, bestehend aus William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, schuf einen Prototyp eines Halbleiterbauelements auf Germaniumbasis, den Spitzentransistor. Einige Jahre später wurde er durch den von Shockley entwickelten bipolaren Transistor abgelöst. Die Erfinder des Transistors wurden 1956 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Dieses kleine Bauteil löste eine echte Revolution in der weltweiten Industrie aus – die Verwendung von Elektronenröhren in Produktionslinien war Geschichte.
Es überrascht nicht, dass die Transistoren im Gegensatz zu ihren Vakuum-Gegenstücken viel weniger Energie verbrauchten. 1955 verließ William Shockley die Bell Telephone Laboratories und wechselte an die Stanford University in Stanford, Kalifornien. Die besten Wissenschaftler dieser Universität, angeführt von Shockley, werden in die Industrie geschickt – das Silicon Valley ist geboren. Die Arbeit am Bipolartransistor geht weiter. Leider hatte der Transistor auf Germaniumbasis einen schwerwiegenden Nachteil – bei Temperaturen in der Größenordnung von Tee in einem Glas würde er nicht mehr funktionieren, und bekanntlich reicht die Temperaturskala sowohl an der Kriegsfront als auch im Weltraum, wo ebenfalls Elektronik eingesetzt wird, unvergleichlich weiter. So wurde die Elektronikindustrie von Silizium erobert, einem chemischen Element mit weitaus besseren Temperatureigenschaften als Germanium.
Die verräterische Acht und der erste integrierte Schaltkreis
Zwei Jahre später, 1957, verließen Shockleys Untergebene Stanford (die so genannten “Treacherous Eight”) und zogen nach San Jose, Kalifornien, wo sie die Fairchild Semiconductor Corporation gründeten. Einer der Mitbegründer dieses Unternehmens war Robert Noyce. Ihm wird die Idee zugeschrieben, mehrere Transistoren in einem Gehäuse zu vereinen – so entstand 1959 der erste integrierte Schaltkreis auf der Basis von bipolaren Siliziumtransistoren. Parallel dazu entwickelte Jack Kilby, der als Designer bei Texas Instruments arbeitete, einen integrierten Schaltkreis auf der Basis von Germanium-Transistoren, der Gegenstand eines Patentstreits wurde.
Infolgedessen sind sowohl Robert Noyce als auch Jack Kilby heute rechtlich als Erfinder der ersten integrierten Schaltkreise anerkannt. Ebenfalls 1959 entwickelten Mohamed Atalla und Dawon Kahng, damals Mitarbeiter der Bell Telephone Laboratories, den MOSFET-Feldeffekttransistor, der bis heute der Grundbaustein integrierter Schaltkreise ist, einschließlich der x86-Familie von Computerprozessoren, bei denen das von Robert Noyce mitgegründete Unternehmen Intel eine Vorreiterrolle spielt.
Sauberkeit ist der Schlüssel!
Der Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise ist sehr komplex und erfordert eine Präzision, die mehr als chirurgisch ist. Darüber hinaus sind die Räume, in denen die Produktion stattfindet, die saubersten der Welt – selbst im Vergleich zu den Operationssälen der besten Krankenhäuser. Das kleinste Staubkorn ist der größte Feind des Halbleiters. Das Vorhandensein von Staub in den Produktionsräumen könnte den Produktionsprozess für Monate zum Stillstand bringen, was zu ungeheuer großen wirtschaftlichen Verlusten führen würde. Aus diesem Grund tragen die Arbeiter in den Chipfabriken entsprechende Anzüge, und die Produktionsräume sind durch spezielle Schleusen getrennt, in denen das Vorhandensein von Staub kontrolliert und von den Anzügen der Arbeiter entfernt wird.
Verbindungen in integrierten Schaltungen
Kurz zusammengefasst – Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise werden auf einer gemeinsamen Scheibe aus dielektrischem Material elektrisch isolierte Widerstandsschichten und leitende Schichten aufgebracht. Diese Schichten bilden Transistoren, die über ein Metallnetz miteinander verbunden sind. Die entsprechenden Verbindungen zwischen den Halbleiterschichten werden wie vorgesehen außerhalb des Gehäuses der integrierten Schaltung angebracht. Im Laufe mehrerer Jahrzehnte hat sich die Zahl der Transistoren, die in ein einziges Gehäuse gepackt werden konnten, linear erhöht – dies gilt insbesondere für Mikroprozessorchips: Der erste kommerzielle Prozessor, der Intel 4004 (1971), enthielt 2.300 Transistoren, während die heutigen Prozessoren aus mehreren Milliarden Transistoren bestehen.
Integrierte Schaltungen - vom Entwurf bis zum fertigen Produkt
Der Entwurf integrierter Schaltungen erfolgt mit Hilfe von Computern, wobei die Verbindungsstruktur innerhalb der integrierten Schaltung mit der entsprechenden Entwurfssoftware erstellt wird. Das Schaltungsnetz wird natürlich in zehntausend- oder millionenfacher Vergrößerung entworfen. Nach dem Entwurf wird die unter Vergrößerung auf dem Computerbildschirm sichtbare Struktur auf die Zielgröße verkleinert, von der dann ein Foto des Chips erstellt wird. Alle Matrizenbahnen werden zweimal mit einem Roboter gezeichnet, um das Risiko von Produktionsfehlern auszuschließen. Das so erstellte Muster ermöglicht die Herstellung der eigentlichen Struktur auf der Oberfläche des Siliziumwafers mittels eines Fotolithografieverfahrens, bei dem der Siliziumwafer in eine fotografische Emulsion getaucht und das reflektierte Bild anschließend unter starkem UV-Licht gehärtet wird. Im nächsten Schritt werden die Siliziumscheiben in eine Lösung getaucht, in der die nicht von der Master-Schablone bedeckte Siliziumschicht entfernt wird. Sobald die Lösung entfernt ist, werden das Zielmuster der Transistorstruktur und die Verbindungen zwischen ihnen gebildet. Anschließend werden weitere Schichten gebildet, die miteinander verklebt und dotiert werden. Im nächsten Schritt wird eine Isolierschicht aufgebracht und mit flüssigem Kupfer gefüllt. In dieser Form ist der integrierte Schaltkreis bereit, präzise zugeschnitten, geerdet und in ein Gehäuse mit Anschlüssen eingesetzt zu werden.
Integrierte Schaltkreise - Gehäuse
Es gibt viele Arten von Gehäusen für integrierte Schaltungen. Das Gehäuse ist so konzipiert, dass es die interne Struktur des ICs schützt und an Ort und Stelle hält. Durch die Unterbringung in einem Gehäuse können wir den IC sicher mit den Fingern oder mit speziellen Greifern anfassen, ohne eine Beschädigung befürchten zu müssen, obwohl der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) beachtet werden muss, insbesondere bei CMOS-Chips, die in dieser Hinsicht empfindlich sind. Das Gehäuse ermöglicht auch die Wärmeableitung – auch beim Löten des integrierten Schaltkreises auf die Leiterplatte. ICs sind sowohl in THT-Gehäusen (through-hole-transistor), z. B. DIL14 (zweireihiges Gehäuse, sieben Anschlüsse pro Reihe) oder SIL8 (einreihiges Gehäuse, acht Anschlüsse pro Reihe), als auch in SMD-Gehäusen (surface-mount), z. B. SO8 oder TSSOP24, erhältlich. Aufwändigere ICs, z. B. 32-Bit-Mikrocontroller und Mikroprozessoren, können in quadratischen Gehäusen mit Pinbelegungen auf jeder Seite untergebracht werden, z. B. TQFP64 oder QFN16 – letzterer Typ zeichnet sich durch seine Pinbelegungen auf der Unterseite des Gehäuses aus. Sehr oft wird ein IC-Typ in mehreren Gehäusetypen hergestellt, so dass wir das gewünschte Bauteil entsprechend den Abmessungen der Leiterplatte unseres elektronischen Geräts auswählen können. Aus Gründen der Platzersparnis und der Komplexität werden häufig ICs in SMD-Ausführung gewählt, deren Abmessungen viel kleiner sind als die ihrer Gegenstücke in THT-Ausführung. Dennoch haben SMD-ICs einen wichtigen praktischen Vorteil für das Prototyping und Testen – sie lassen sich leicht in die Sockel einer Kontaktplatine einsetzen. Wenn unser Projekt für ein elektronisches Gerät hingegen vollständig in THT-Technologie ausgeführt wird und der für unser Projekt benötigte integrierte Schaltkreis nur in SMD-Ausführung erhältlich ist, können wir einen speziellen Adapter kaufen, d. h. eine Leiterplatte, auf die wir den SMD-Chip löten – seine Anschlüsse sind mit Lötösen für das Goldpin-Löten verbunden.
Identifizierung von integrierten Schaltkreisen
Auf dem Gehäuse jedes integrierten Schaltkreises ist ein spezieller Identifikationscode aufgedruckt. Anhand dieses Codes können wir im Internet suchen und uns über die Dokumentation des integrierten Schaltkreises informieren, an dem wir interessiert sind. Viele Arten von integrierten Schaltkreisen bilden Familien, zu denen sie eine Basiskodierung haben, z. B. CD4011 oder CD4051 sind CMOS-Logik-Chips, während SN74HC595 ein TTL-Logik-Chip ist. Neben der Grundkodierung ist auf dem IC-Gehäuse auch ein Code zu sehen, der die Seriennummer der Produktionscharge und das Logo des Herstellers angibt. Auch die Pinbelegung ist wichtig – normalerweise ist ein Punkt auf Pin 1 eingraviert oder eine Kerbe im Gehäuse, auf deren linker Seite (von oben gesehen) die erste Pinbelegung platziert wurde. Einige Hersteller elektronischer Geräte verwischen absichtlich die Markierungen auf dem Gehäuse des integrierten Schaltkreises, um den rechtlichen Schutz ihres geistigen Eigentums zu erhöhen, so dass autorisierte Stellen Probleme mit dem Nachbau des Geräts haben.
Arten von integrierten Schaltkreisen
Seit der Erfindung des ersten integrierten Schaltkreises in den späten 1950er Jahren wurden Hunderte von Typen integrierter Schaltkreise entwickelt, die sich u. a. in der Herstellungstechnologie und der Endanwendung unterscheiden. Einige Typen von integrierten Schaltkreisen sind so vielseitig, dass sie eine gewisse Standardisierung erfahren haben, z. B. in Bezug auf die Pinbelegung, die für die Stromversorgung des Schaltkreises zuständig ist. Hinsichtlich der Art der verarbeiteten Signale kann man unterscheiden:
- Analoge integrierte Schaltkreise – solche Schaltkreise arbeiten mit Strom- und Spannungssignalen, die sich kontinuierlich über die Zeit verändern. Ein besonders verbreiteter analoger IC-Typ ist ein Operationsverstärker, wie der LM358, TL072 oder NE5532. Auf der Grundlage eines solchen Verstärkers lassen sich unter anderem ein Audio-Vorverstärker, ein aktiver Tiefpassfilter sowie Messgeräte bauen.
- Digitale integrierte Schaltungen – diese Gruppe umfasst elektronische Schaltungen, die mit diskreten Signalen arbeiten, d. h. mit Signalen, die sich im Zeitbereich schrittweise oder impulsartig ändern, wobei die Spannungen, mit denen sie arbeiten, entsprechende logische Zustände darstellen – niedrig und hoch, und in einigen Schaltungen zusätzlich den Zustand hoher Impedanz (Hi-Z). Beispiele für digitale Schaltungen sind Logikgatter, Flip-Flops, Zähler, Mikrocontroller, Mikroprozessoren und FPGAs.
- Gemischte Integrierte Schaltungen – das sind integrierte Schaltungen, die eine Kombination aus analogen und digitalen Schaltungen sind. Dazu gehören Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler sowie DCO-Generatoren, Klangprozessoren oder Phasensynchronisationsschleifen (PLLs).
