Was ist ein Microchip?

Ein Mikrochip ist ein elektronisches Gerät, das aus einem kleinen, flachen Stück Halbleitermaterial besteht, das mit anderen Dotierstoffen, Oxiden und Metallen modifiziert wurde, um elektronische Komponenten wie Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren zu erzeugen, die in einem Schaltkreis verbunden sind.

Mikrochips heißen auch:

• Integrierte Schaltkreise (ICs)
• Computerchips
• Halbleiter
• Chips

Integrierte Schaltkreise haben Baugruppen aus diskreten, durch Drähte oder Leiterplatten verbundene Komponenten ersetzt, da sie als einzelnes monolithisches Gerät viel kleiner sind, viel weniger Strom verbrauchen und zu deutlich geringeren Kosten in Massenproduktion hergestellt werden können.

Halbleitermaterialien wurden 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt. Die ersten funktionierenden Halbleitertransistoren wurden 1947 von Willam Shockley entwickelt. Die Komponenten und alle ihre Verbindungen wurden dann 1959 von Robert Noyce in einem einzigen Gerät kombiniert. Der Schlüssel zu dieser Erfindung und zu allem, was folgte, war das planare Herstellungsverfahren, bei dem mittels Fotolithographie Materialien schichtweise präzise abgeschieden und entfernt wurden.

Integrierte Schaltkreise sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Lebens und liefern Elektronik für alle möglichen Geräte, vom Spielzeug bis hin zu Sonden für die Erforschung des Weltraums. Im Jahr 2023 betrug der weltweite Umsatz mit Mikrochips 526,9 Mrd. US-Dollar. Der Umsatz in diesem Jahr verzeichnete auch einen weiteren Anstieg der Verwendung von Chips über Computer hinaus: 32 % entfielen auf Kommunikation, 17 % auf Anwendungen im Automobilbereich, 14 % auf Industriegeräte, 11 % auf Unterhaltungselektronik und lediglich 25 % auf Computeranwendungen.

Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre verdoppelt. Mit der zunehmenden Komplexität der Schaltkreise und der immer geringeren Größe der Komponenten werden Design und Herstellung von Mikrochips mit jeder neuen Chipgeneration schwieriger.

Die allgemeine Größe, auch Strukturgröße, einzelner Elemente auf einem Chip, wird in Nanometern (nm) oder einem Milliardstel Meter gemessen. Gegenwärtige Hersteller von Halbleitern setzen 14-nm-, 10-nm-, 7-nm-, 5-nm- und 3-nm-Prozesse ein, wobei 2-nm-Technologien in Kürze verfügbar sein werden. Zum Vergleich: Ein Reiskorn ist 5 Mio. Nanometer lang.

2023 entwickelten Forscher*innen einen Rekordprozessor mit 1,2 Billionen Transistoren. CPUs von Intel im Jahr 2024 umfassen mehr als 100 Millionen Transistoren auf einem einzigen Chip.

Integrierte Schaltkreise bestehen aus Halbleitermaterial, in der Regel Silizium, und sind in überlappenden Schichten gestapelt. Die häufigsten Elemente eines Mikrochips:

• Siliziumsubstrat: Die Grundschicht besteht aus reinem Siliziumkristall, aus dem die anderen Schichten durch Entfernen oder Abscheiden anderer Materialien oder Dotieren des Kristallmaterials aufgebaut werden. 
  
  

• Schichten: Elektronische Schaltkreise werden auf einzelnen Schichten erstellt. Die Schichten werden durch Fotolithographie, Ätzen und Abscheiden modifiziert, um die gewünschten Komponenten und Schaltungen herzustellen. Einige Schichten dienen auch der elektrischen Isolation.
• Durchkontaktierungen: Eine leitende Zone, meist zylindrisch, die zur Übertragung elektrischer Signale zwischen Schichten verwendet wird.

• Komponenten: Die elektronischen Geräte, aus denen der gewünschte Schaltkreis besteht. In den meisten ICs bestehen diese aus Transistoren, Kondensatoren, Dioden, Widerständen und manchmal auch Spulen.
• Schaltungen: Metallisierte Pfade auf einer bestimmten Schicht, die Elektrizität zwischen Komponenten oder zu Durchkontaktierungen leiten. 

• Gehäuse: Nach der Fertigstellung wird der IC in eine Baugruppe eingesetzt, die als Halbleitergehäuse bezeichnet wird. Dieses schützt und isoliert den empfindlichen Siliziumchip, kann mehrere Chips miteinander verbinden und bietet eine Möglichkeit, den Chip bzw. die Chips mit einem größeren elektronischen Schaltkreis zu verbinden. 

Die Herstellung von Mikrochips erfolgt in drei Schritten. Jeder Schritt ist hochgradig optimiert und automatisiert, um Kosten zu minimieren, Qualität zu gewährleisten und die Effizienz zu maximieren. Techniker*innen, die ICs konstruieren, müssen über ein gutes Verständnis des Fertigungsprozesses verfügen, da jeder Schritt die Größe, Form und den Abstand der Komponenten bestimmt.

Schritt 1: Waferproduktion

Die Herstellung blanker Siliziumwafer ist der erste Schritt bei der Halbleiterherstellung. Dieser Prozess beginnt mit dem Züchten eines monokristallinen zylindrischen Blocks, dem sogenannten Boule, aus Halbleitermaterial, meist aus reinem Silizium. Das Boule wird dann in dünne Wafer geschnitten, maschinell bearbeitet, um eine flache Oberfläche zu erzeugen, chemisch geätzt, um mögliche Bearbeitungsschäden zu entfernen, und poliert. Elektronische Wafer haben in der Regel einen Durchmesser von 100 bis 450 mm. Die gängigste Größe ist 300 mm breit und 755 µm dick.

Schritt 2: Herstellung

Die Schaltungen mit all ihren Komponenten und Verbindungen werden in einer Halbleiterfabrik hergestellt, die in der Regel als „Fab“ bezeichnet wird. Jede Schicht und die Topologie der Schaltkreise werden in einer Reihe streng kontrollierter Schritte erstellt. Roboter bewegen Wafer in Clustern von Maschine zu Maschine. Die meisten Chip-Herstellungsverfahren folgen diesen Schritten für jede Schicht:

• Eine Siliziumdioxidschicht wachsen lassen, um die Schicht vollständig zu bedecken (auch Passivierung genannt).
• Eine Fotolackschicht auftragen.
• Die Fotolackschicht mit ultraviolettem Licht in dem Muster der Geometrie belichten, die erstellt werden soll. Die Fotolackschicht anschließend entwickeln und das belichtete Material entfernen. Dieser Prozess wird Fotolithographie genannt.
• Mit Chemikalien, in der Regel einer starken Säure, die Oxidschicht dort entfernen, an der der Fotolack entfernt wurde. Dieser Prozess wird als Ätzen bezeichnet.
• Das unentwickelte Fotolackmaterial entfernen.
• Wenn für die Schicht eine Dotierung erforderlich ist, wird durch Ionenimplantation von Verunreinigungen in die Kristallstruktur das gewünschte Halbleiterverhalten für Transistoren und andere Komponenten erzeugt.
• Bei anderen Materialien werden verschiedene Formen der chemischen oder Dampfabscheidung verwendet, um Verbindungen, Durchkontaktierungen und andere Komponenten herzustellen.

Schritt 3: Packaging

Sobald jede Schicht konstruiert und der Wafer gereinigt und getestet wurde, wird er in einzelne Chips – Dies – geschnitten. Eine oder mehrere Dies werden dann mit einer Struktur verklebt und der integrierte Schaltkreis wird je nach Anwendung in unterschiedlichen Materialien eingekapselt. Einige Gehäuse enthalten einen einzelnen Chip, aber der aktuelle Trend besteht darin, mehrere Dies in einem einzigen Gehäuse zu kombinieren. 

Jedes Jahr kommen neue Arten und Einsatzmöglichkeiten für integrierte Schaltkreise hinzu. Anfangs hatten ICs oft nur eine einzige Funktion. Doch mit der Verbesserung der Fertigungstechnologie und der Designtools haben sich Chips zunehmend multifunktional entwickelt.

Smartphones sind ein gutes Beispiel dafür, wie mehrere Chips in einem Gerät für unterschiedliche Anwendungen kombiniert werden können. Sie enthalten Hochfrequenzchips (HF) für den 5G-Mobilfunk und GPS, optoelektronische Chips für die Kameras, LED-Chips für das Display, digitale integrierte Schaltkreise für die Prozessoren, MEMS-Chips (mikroelektromechanische Systeme) für den Beschleunigungssensor und ein Dutzend weiterer integrierter Schaltkreise zur Erfassung, Steuerung und Modifizierung einer Vielzahl von Anwendungen.

Je nach Signalübertragung lassen sich die Chiparten in verschiedene Kategorien einteilen.

Analoge integrierte Schaltkreise

Analoge Signale übertragen Spannung über einen kontinuierlichen Spannungsbereich, nicht nur ein Hoch- oder ein Niederspannungssignal. Die ICs werden zur Verstärkung, Frequenzfilterung und Mischung von Signalen eingesetzt. Frequenz und Leistung eines analogen ICs können stark variieren. Höhere Frequenzen und höhere Leistungen stellen erhebliche Designprobleme dar.

Zu den üblichen Anwendungen für analoge ICs gehören:

• Optische, thermische und Audiosensoren
• Energiemanagementschaltkreise
• Operationsverstärker (Operational Amplifiers, op-amps)
• Audio- und Videosignalverarbeitung
• Telekommunikation, einschließlich Funkkommunikation und optische Signalverarbeitung
• HF-Schaltkreise
• Signalaufbereitung
• Steuergeräte in Maschinen

Digitale integrierte Schaltungen

Digitale ICs sind Logikbausteine, die Millionen oder Milliarden von Logikgattern aus Transistoren enthalten. Ein Signal, das mit einer festen Taktfrequenz läuft, wird geändert oder als hoch oder niedrig, Null oder eins gemessen. Durch die Kombination verschiedener Logikbausteine können sehr komplexe Berechnungen mit sehr geringem Stromverbrauch durchgeführt werden.

Zu den häufigsten Anwendungen für digitale ICs gehören:

• Logik-ICs oder Prozessoren
  • Mikroprozessoren
  • Mikrocontroller
  • Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC)
• Speicherchips
• Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs)
• Digitale Energieverwaltungsgeräte
• System-on-a-Chip(SoC)-Geräte
• Multi-Matrizen-Chips

Mixed-Signal-Schaltkreise

Einige integrierte Schaltkreise kombinieren Schaltkreise, um analoge und digitale Signale zu verarbeiten. Sie wandeln zwischen beiden um, sodass integrierte Mixed-Signal-Schaltkreise entstehen. Sie kommen zum Einsatz, wenn ein analoges Signal erfasst oder erzeugt wird und logische Vorgänge erforderlich sind, um dieses Signal zu lesen, zu erzeugen oder zu verändern.

Einige der häufigsten Anwendungen für Mixed-Signal-ICs sind:

• SoC-Geräte
• Datenerfassungschips
• HF-CMOS-Schaltungen
• Takt-/Timing-ICs
• Geschaltete Kondensatorschaltkreise
• Elektrooptische Geräte
• MEMS-Geräte

Die Zukunft der Mikrochips gleicht der Vergangenheit: mehr Funktionen bei geringerer Größe, während die Kosten immer weiter sinken. Fortschritte in der Fertigung werden auch neue Möglichkeiten für bessere Leistung und neue Anwendungen eröffnen.

Zu den Trends, die in naher Zukunft die Konstruktion und Simulation der Elektrotechnik vorantreiben werden, gehören:

Wechsel zu „fabless“-Design und Foundries

Die Branche ist im Laufe der Jahre zu einem Modell übergegangen, bei dem Unternehmen ihre eigenen ICs designen und dann die Fertigung an ein Unternehmen auslagern, das nur Chips herstellt. Dies wird als „fabless“-Design bezeichnet. Die Vertragshersteller werden als Foundries bezeichnet. So können Unternehmen wie Apple und Qualcomm innovative neue Produkte entwerfen, ohne dass sie in den Bau eigener Produktionsstätten investieren müssen. Techniker*innen müssen beim Design die Fertigungsprozesse und Standards der jeweiligen Foundry berücksichtigen.

Kleinere Strukturgrößen

Die Strukturgrößen werden immer kleiner, was zu Problemen mit der Energie- und Signalintegrität führt. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Elektrotechniker*innen diese neuen Möglichkeiten beim Design nutzen, aber auch die Best Practices für Simulation und Design einsetzen, um Probleme zu vermeiden.

Komplexität elektronischer Geräte und kombinierte Funktionalität

Mit der Zeit suchen immer mehr Designer*innen elektronischer Geräte nach mehr Funktionalität in einem einzigen Chip. IoT-Geräte (Internet of Things), neue Solid-State-Langzeitspeicher und GPU-Chips sind Beispiele für integrierte Schaltkreise, in denen nicht nur neue Funktionen und Fähigkeiten auf demselben Chip hinzugefügt werden, sondern auch die Interaktion zwischen diesen Funktionen immer ausgefeilter wird. Techniker*innen benötigen Design- und Simulationstools, um Designs erstellen zu können, in denen die Branche die Technologie voranbringt. Biomedizinische Elektronik wie implantierte Mikrochips wird ein weiterer Bereich sein, in dem mehrere Funktionen auf einem einzigen Chip vereint werden müssen.

Höhere Taktraten und Frequenzen

Steigende Leistungsanforderungen und Fortschritte in der HF-Technologie erhöhen die Taktraten für digitale ICs und Frequenzen für analoge und Mixed-Signal-Chips. Beide verursachen Probleme mit der Signalintegrität und dem Energiemanagementsystem.

Höhere Rechenleistung mit höherer Energieeffizienz

Das Wachstum von Rechenzentren für High-Performance Computing zur Unterstützung von Trends wie künstliche Intelligenz, Kryptowährungs-Mining und IoT-Anwendungen erhöht die Nachfrage nach höherer Leistung für Mikroprozessoren. Diese Anwendungen zwingen die Branche zu Verbesserungen bei FPGAs, Solid-State-Festplatten, Arbeitsspeichern und GPUs sowie bei allen Chips, die benötigt werden, um alles mit steigenden Datenübertragungsgeschwindigkeiten zu verbinden.

Mehr Einsatz über die Computertechnik hinaus

Der Trend zur verstärkten Verwendung von Mikrochips in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik und in industriellen Anwendungen wird sich fortsetzen. Fast alle Produkte werden als intelligente Geräte mit Breitband-, Sensoren- und Rechenleistung designt, die alle Mikrochips benötigen. 

Die Komplexität und die Kosten der Mikrochip-Fertigung machen physische Prototypen unpraktisch. Stattdessen verwenden die Techniker*innen virtuelle Prototypen durch Simulation. So können sie ihr Design weiterentwickeln, die Leistung überprüfen und Probleme identifizieren und lösen, bevor die Produktion beginnt. Simulationen werden auch für das Design von Gehäusen und die Optimierung der Maschinen zur Herstellung von Halbleiterchips verwendet.

Der Einsatz einer Simulation für digitale Mikrochips beginnt mit der Überprüfung der logischen Funktionalität des digitalen Designs auf abstrakter Ebene mit RTL-Design. Dazu gehört auch ein erster Blick auf die Energieverwaltung mit der Ansys PowerArtist™ Software. Dieses Tool kann den Energiebedarf eines Designs bereits früh im Prozess bewerten und eine energieeffizientere Konstruktion ermöglichen.

Sobald das physische Design entworfen ist, können Techniker*innen mit der Ansys RedHawk-SC™-Software, dem bewährten Branchenführer für Leistungsrauschen und Zuverlässigkeit digitaler ICs, den Spannungsabfall und die Elektromigration in ihren Designs bewerten.

Auf der analogen und Mixed-Signal-Seite kann die Ansys Totem™-Software für die Energieintegrität und Zuverlässigkeitsfreigaben in den Prozess eingebunden werden. Sie ist der branchenweit anerkannte Goldstandard für die multiphysikalische Elektromigration und von allen großen Foundries bis zu 3 nm zertifiziert. Die Software arbeitet auch mit der Ansys PathFinder-SC™-Software zusammen, um elektrostatische Entladungen zu berechnen.

Sobald das Design optimiert und verifiziert ist, können Gehäusetechniker*innen mithilfe von Simulationen die Leistung, Signalintegrität und Stabilität des vollständigen Mikrochipgehäuses optimieren. Die RedHawk-SC-Software ist für große Multichipkonfigurationen ausgelegt, einschließlich System-in-Package-Designs. Bei modernen Halbleitergehäusen werden 2,5D- und 3D-IC-Ansätze verwendet, um mehrere Dies in einem Gehäuse zu kombinieren und zu verbinden. Die Simulation mit der RedHawk-SC-Software ist die primäre Methode zur Überprüfung und Optimierung des Designs.

Sobald die elektrischen Aspekte des Designs geklärt sind, können Verpackungstechniker*innen Tools wie die Ansys Mechanical™-Software und das Ansys Icepak®-Tool für strukturelle Zuverlässigkeit und thermales Management verwenden.

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