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Integrierte Schaltungen (ICs)

Grundsätzlich bestehen integrierte Schaltungen aus einem kleinen Plättchen aus Halbleiter-Material, dem sogenannten „Substrat“, „Chip“ oder auch „Die“. In den meisten Fällen handelt es sich heute um Silizium, für spezielle Hochfrequenzanwendungen auch um andere Materialien. Alles Wissenswerte rund um ICs erfahren Sie hier in unserem Ratgeber.

Wissenswertes rund um Integrierte Schaltungen

Nachdem Ende der 1940er-Jahre der Transistor erfunden worden war, wurden elektronische Geräte immer kleiner. Dieses damals neuartigen aktiven Bauelement war vergleichsweise winzig und kam mit einem Bruchteil der zuvor üblichen Betriebsspannung aus. Bis Mitte der 1950er-Jahre waren Transistoren so weit entwickelt worden, dass sie in vielen Konsumprodukten wie z. B. Radios, TV-Empfängern, aber auch in industriellen Geräten wie Mess- und Regeltechnik oder Rechnern Verwendung finden konnten. Um eine elektronische Schaltung realisieren zu können, mussten die Transistoren mit anderen Bauelementen, wie Widerständen, Kondensatoren usw. verschaltet werden. Bei komplexen Geräten mit vielen Transistoren führt das zu umfangreichen Konstruktionen, die mit großem Aufwand produziert werden müssen.

So lag die Idee nahe, Transistoren zusammen mit passiven Komponenten in einem Bauelement zusammenzufassen, d. h. zu integrieren. 1958 gelang das dem bei Texas Instruments tätigen Ingenieur Jack Kilby. Auf einem kleinen Halbleiterplättchen aus Germanium vereinigte er zwei Transistorstrukturen mit einigen Widerständen, die dann zusammen als Flip-Flop-Oszillator funktionierten.

Im Prinzip sind integrierte Schaltkreise bzw. Schaltungen, auf Englisch „Integrated Circuits – ICs“, auch heute noch so ähnlich aufgebaut. Allerdings war es damals noch ein langer Weg der technologischen Entwicklung, bis heutige digitale und analoge ICs zu leistungsfähigen und preiswerten Massenprodukten wurden.

Wie werden ICs hergestellt?

Grundsätzlich bestehen integrierte Schaltungen aus einem kleinen Plättchen aus Halbleiter-Material, dem sogenannten „Substrat“, „Chip“ oder auch „Die“. In den meisten Fällen handelt es sich heute um Silizium, für spezielle Hochfrequenzanwendungen auch um andere Materialien. In die Oberfläche werden beim Herstellungsprozess verschiedene Fremdatome eingebracht, die dann zu unterschiedlichen Dotierungen (P oder N) des Materials führen. Damit lassen sich dann die Sperrschichten von z. B. Transistor- oder Dioden-Strukturen bilden. Auch Widerstände, die durch eine Sperrschicht von Substrat isoliert sind, können so realisiert werden. Zur Verbindung dienten aufgedampfte Metall-Bahnen. Zur Isolierung werden Silizium-Oxid-Schichten gebildet, insbesondere für die Isolierung der Gates von Feldeffekttransistoren.

Die Strukturen werden für eine große Zahl von gleichartigen integrierten Schaltungen über eine Maske auf eine große Siliziumscheibe, genannt „Wafer“ (Bild 1), übertragen. Dann folgen verschiedene Beschichtungs-, Ätz- und Dotierungsprozesse. In den letzten Jahrzehnten gelungen, die Strukturen immer kleiner zu machen. Zunächst benutze man für die Herstellung der Masken Fotolithografie, dann mit Röntgen- und Elektronenstrahllitografie. Heute lassen sich Strukturen erzeugen, die im Bereich von 10 nm liegen und in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind.

Wie werden ICs hergestellt?
Bild 1: Siziliumscheibe, auch genannt "Wafer".
Wie werden ICs hergestellt?
Bild 2: Blick in ein geöffnetes IC-Gehäuse. Die Anschlüsse auf dem Chip sind über feine Drähtchen mit den Anschlussstiften verbunden.

Wafer verschiedener Größen (2 - 8 Zoll). Zu erkennen sind die unterschiedlichen Strukturen auf den einzelnen Chips.

Das bedeutet, dass sich auf einer bestimmten Chip-Fläche immer mehr Elemente unterbringen lassen und dass wegen der kürzeren Wege zwischen den einzelnen Elemente auch die Laufzeiten sehr kurz sind. Das wiederum erlaubt höhere Taktfrequenzen der auf dem Chip integrierten Funktionseinheiten.

Nach der Fertigstellung des Wafers werden die Chips getestet, vereinzelt und in Gehäusen montiert. Dabei werden die Anschlüsse auf den Chips mit den Anschlussstiften der Gehäuse verbunden (Bild 2).

Welche ICs gibt es?

Zunächst unterscheiden sich die Anwendungsbereiche: Analog-, Digital- oder gemischt Analog-Digital-ICs. Zu den ersteren gehören z. B. Operationsverstärker, Spannungsregler, Leistungsverstärker, Empfängerschaltungen usw. Zu den digitalen ICs zählen z. B. Logik- und Peripherie-Bausteine, Mikroprozessoren, Speicher, digitale Signalprozessoren usw. Analoge und digitale Signale können Bausteine wie z. B. Modems, A/D- und D/A-Umsetzer, Sensor-ICs sowie die verschiedenen Spezial-ICs, die in Mobiltelefonen benötigt werden, gleichzeitig verarbeiten.

Dann unterscheiden sich ICs auf Grund ihrer Herstellungstechnologie: Bipolar oder MOS, d.h. „Metall-Oxid-Semiconductor“. Währen die meisten Analogschaltungen bipolare ICs sind, handelt es sich bei digitalen ICs vornehmlich um MOS-Typen. Weil bei bipolaren Schaltungen typischerweise pro Strukturelement ein höherer Leistungsumsatz erzeugt wird, findet diese Technologie meistens bei niedrig integrierte Analogschaltungen Verwendung. Hochintegrierte Bausteine wie z. B. Mikroprozessoren, Speicherbausteine usw. sind MOS-Schaltungen mit Millionen Transistorfunktionen auf wenigen Quadratzentimetern.

Welche Gehäuseformen haben ICs?

Am häufigsten sind niedrig integrierte Schaltungen in „DIL- oder DIP-Gehäusen“, d. h. „Dual Inline“ eingebaut. Das sind flache Kunststoffgehäuse, an denen seitliche Kontakte nach unten abgebogen sind. Es gibt verschiedene Polzahlen, z. B. 8, 14, 16, 24 und mehr. Die sind im Zehntel-Zoll-Raster (2,54 mm) angeordnet (Bild 3).

Welche Gehäuseformen haben ICs?
ICs im Dual-Inline-Gehäuse („DIL“ oder „DIP“).

Frühere Typen sind auch in runden TO-Metallgehäusen montiert, an deren unterem Ende sich mehrere Anschlussdrähte befinden. Leistungs-ICs wie Spannungsregler oder NF-Verstärker sind in Gehäusen eingebaut, wie sie auch bei Leistungstransistoren üblich sind. Diese haben ihre Anschlüsse auf einer Seite und auf der Rückseite eine große Metallfläche zur Montage an einen Kühlkörper.

Welche Gehäuseformen haben ICs?
Analoges Leistungs-IC, hier ein Motortreiber

Wenn die ICs nicht direkt in eine Schaltung eingelötet werden sollen, stehen entsprechende Fassungen zur Verfügung. Hochintegrierte Schaltungen wie Mikroprozessoren, CPUs usw. benötigen für ihren wesentlich größere Anzahl von Anschlüssen auch Spezialfassungen, die meisten auch noch mit dem erforderlichen Kühlkörper kombiniert sind.

Welche Gehäuseformen haben ICs?

Auf Grund der fortschreitenden Miniaturisierung der Elektronik werden heute ICs zunehmend auch in oberflächenmontierbaren Gehäusen eingebaut, sogenannten „SOT-Gehäusen“. Deren Anschlussstifte werden nicht wie bei beim „THT“-Verfahren „Through Hole Technology“ durch Löcher in der Platine gesteckt, sondern auf winzige „Kontaktpads“ auf der Platine gelötet.

Was ist beim Einbau von ICs zu beachten?

Was ist beim Einbau von ICs zu beachten?
Typische IC-Fassung für DIL-Gehäuse.

Die Halbleiterstrukturen des im Inneren des Gehäuses untergebrachten Chips dürfen auch beim Einbau bestimmte Temperaturen nicht überschreiten, sonst können sie bleibenden Schaden nehmen. Diese Temperatur liegt unter dem Schmelzpunkt von Lötzinn. Deshalb sollte der Lötvorgang möglichst schnell erfolgen. Gute Lötbarkeit der Kontaktstellen und Anschlussstifte spielen dabei eine wichtige Rolle. Falls erforderlich lässt sich an den Anschlussstiften des ICs auch die Wärme mit geeigneten Mitteln ableiten. Beim Einlöten wärmekritischer ICs empfiehlt sich die Verwendung von Fassungen. ICs mit vielen Anschlussstiften, z. B. CPUs, werden in der Regel in speziellen Fassungen eingebaut.

MOS-Bauelemente sind grundsätzlich sehr empfindlich gegen elektrostatische Aufladungen. Leitfähige Transportverpackungen und ESD-sichere Arbeitsplätze sind Voraussetzungen dafür, dass die Bauelemente bei der Montage keinen Schaden nehmen. ESD: „Electrostatic Discharge“ - elektrostatische Entladung.

Bei Reparaturen müssen gelegentlich auch ICs ausgetauscht werden. Hierfür stehen spezielle Werkzeuge zur Verfügung, mit denen sich die Anschlüsse entlöten lassen. Einfaches Erhitzen und Aushebeln eines ICs empfiehlt sich nicht, denn dabei kann die Platine stark beschädigt werden.

Was ist beim Betrieb von ICs zu beachten?

Was ist beim Betrieb von ICs zu beachten?
Integrierter Spannungsregler auf einem Kühlkörper montiert.

Integrierte Schaltungen sind, wie alle Halbleiterbauelemente, im Betrieb vor zu hohen Temperaturen und elektrischer Überlastung zu schützen. ICs mit hohem Leistungsumsatz, z. B. Spannungsregler oder NF-Leistungsverstärker sind mit ausreichend großen Kühlkörpern zu versehen, die auch bei den größten vorkommenden Umgebungstemperaturen dafür sorgen, dass die maximal zulässige Chiptemperatur nicht überschritten wird.

Gegen Überspannungen und -ströme lassen sich ICs mit geeigneten schaltungstechnischen Maßnahmen schützen. Die maximal zulässigen Grenzwerte für den Betrieb sind den jeweiligen Datenblättern zu entnehmen.

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