Integrierte Schaltung einfach erklärt

Eine integrierte Schaltung, kurz IC (englisch integrated circuit), ist eine elektronische Schaltung. Sie ist auf ein dünnes Plättchen aus Halbleiter-Material aufgebracht. Das Plättchen ist meist einige Millimeter groß.

Bis Ende der 1950er Jahre baute man Schaltungen mit diskreten Bauteilen. Das heißt: Einzelne Transistoren, Dioden und andere Teile wurden auf einer Leiterplatte zu einer Schaltung zusammengefügt. Ein IC enthält dagegen typischerweise viele miteinander verbundene Bauelemente wie Transistoren und Dioden auf dem Plättchen.

Integrierte Schaltkreise können heutzutage Schaltungen mit vielen Milliarden Bauelementen umfassen. Erst durch die Integration ist es möglich, viele Funktionen auf kleinstem Raum bereitzustellen.

Das dünne Plättchen mit der Schaltung heißt Chip, englisch Die. Ein Die ist ein einzelnes, ungehäustes Stück eines Halbleiter-Wafers. Ein Wafer ist eine meist weniger als ein Millimeter dünne Scheibe aus einem Halbleiter-Einkristall (meist Silizium). Das Die wird üblicherweise durch Sägen oder Brechen des fertigen Wafers gewonnen.

Das Gehäuse (englisch Package) ist die Ummantelung des Dies samt den Anschlussstellen, den Pins. Das Die ist in der Regel nur wenige Quadratmillimeter groß und erheblich kleiner als das Gehäuse. Das Gehäuse hat die Pins in einer Größe, die man gut verlöten kann.

Wozu dient das Gehäuse? Es befestigt den Chip auf einer Leiterplatte und verbindet die Schaltung mit den Bauteilen dort. Hauptgründe sind der Schutz des Dies gegen Beschädigung und das Überbrücken der unterschiedlichen Abstände der Anschlüsse auf Die und Leiterplatte. Aus Kostengründen wird heute fast ausschließlich Kunststoff als Hülle benutzt.

Umgangssprachlich sagt man oft „Chip“ und meint den ganzen IC. Der Chip ist aber nur das „Innenleben“ des Schaltkreises.

Man kann ICs danach einteilen, welche Signale sie verarbeiten. Ein Digitalsignal wird durch diskrete Werte dargestellt, also durch einzelne, getrennte Werte. Digitale Werte sind üblicherweise als Binärzahlen kodiert. Ein Analogsignal hat dagegen einen stufenlosen Verlauf und kann theoretisch unendlich viele Werte annehmen. Ein Beispiel ist der Schalldruck in einem analogen Audiosignal.

Digitale ICs verarbeiten oder speichern Signale, die in Form von wenigen diskreten Pegeln vorliegen. Analoge ICs verarbeiten Signale mit beliebigen Zwischenwerten. Mixed-Signal-ICs (Mischsignal-ICs) haben sowohl analoge als auch digitale Schaltungsteile.

Ein Anwendungsbeispiel für Mixed-Signal ist der Analog-Digital-Umsetzer. Solche Wandler wandeln analoge in digitale Werte, umgekehrt macht es der Digital-Analog-Umsetzer.

Ein Mikroprozessor ist ein Computerprozessor, der als integrierter Schaltkreis ausgeführt ist. Alle Funktionen eines Computerprozessors sind auf einem Silicium-Mikrochip vereinigt. Typische Beispiele sind die Hauptprozessoren (englisch CPU) moderner Computer. Sie werden mitunter mit dem Begriff Mikroprozessor gleichgesetzt.

In der Vergangenheit brauchte eine röhrenbasierte Rechenmaschine meist einen ganzen Raum. Ein Mikroprozessor kommt dagegen als Baustein auf einer Hauptplatine unter.

Der Intel 4004 wird als erster Hauptprozessor (CPU) auf einem Chip angesehen. Er hatte 1971 sein Debüt auf dem Markt. Texas Instruments stellte im selben Jahr den TMS1000 vor, vermarktete ihn aber erst ab dem Jahr 1974 als eigenständiges Produkt. Deshalb gilt der 4004 als der erste.

Für einen kompletten Computer braucht man zusätzlich Speicher und Ein-/Ausgabe-Funktionen. Diese kommen als weitere externe Chips dazu.

ICs werden in eigenen Fabriken in staubfreien Reinräumen hergestellt. Selbst kleinste Partikel (unter 0,1 µm) können den Ausfall eines kompletten Schaltkreises verursachen. Auf einem Wafer entstehen viele meist identische ICs parallel. Das senkt unter anderem die Herstellungskosten. Die Fertigung hat drei Abschnitte, die nacheinander kommen.

Erstens die Substratherstellung (Substrat heißt hier das Grundmaterial). Das Material wird aufgereinigt, und aus einer hochreinen Siliciumschmelze wird ein einkristalliner Zylinder (Ingot) gezogen. Die Ingots werden in 0,5 bis 1,5 mm dünne Scheiben zersägt, die Wafer.

Zweitens das Front-End. Dazu zählen alle Arbeitsschritte vor dem Zerteilen des Wafers. Zuerst entstehen die Bauelemente wie Transistoren auf dem Wafer (Front-End-of-Line). Danach werden sie durch dünne Metall-Leitungen verbunden (Back-End-of-Line, auch Metallisierung genannt).

Drittens das Back-End. Hier werden die Wafer in die Einzelchips zerteilt, meist durch Sägen. Die Chips werden in der Regel in ein Gehäuse eingebracht. Als letzter Schritt wird das Gehäuse mit Informationen des Herstellers bedruckt. Achtung: Das Back-End ist nicht dasselbe wie das Back-End-of-Line.