Die (Halbleitertechnik)

Grundbegriff und Herstellung

Ein Die (Aussprache [daɪ], englisch für „Würfel“ oder „Plättchen“; der deutsche Plural lautet meist „Dies“) ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik ein einzelnes, noch nicht mit einem Gehäuse versehenes Stück eines fertig bearbeiteten Halbleiter-Wafers. Ein Wafer ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial, meist Silizium, auf der viele gleiche Bauteile parallel hergestellt werden.

Ein Die entsteht normalerweise, wenn der Wafer am Ende der Fertigung durch Sägen oder Brechen in rechteckige Teilstücke zerlegt wird. Dieser Vorgang heißt Dicing. Auf einem solchen Teilstück kann sich ein einzelnes Bauteil befinden, etwa ein Transistor oder eine Leuchtdiode, aber auch eine komplexe Baugruppe wie ein integrierter Schaltkreis oder ein Mikrosystem. Die Teilstücke werden auch dann als Dies bezeichnet, wenn ein Wafer bereits vor der vollständigen Herstellung oder sogar noch im unstrukturierten Zustand zerteilt wird.

Das Zerteilen erfolgt möglichst spät, damit die Vorteile der parallelen Fertigung auf dem Wafer möglichst lange genutzt werden können. Anschließend wird das Die entweder in ein Gehäuse eingebaut oder direkt auf einen Schaltungsträger montiert. Ein ungehaustes Die wird als Chip beziehungsweise Nacktchip bezeichnet.

Nacktchip und direkte Montage

Als „bare chip“ oder „bare die“ bezeichnet man ein integriertes elektronisches Bauelement, das nicht in einem herkömmlichen Plastik- oder Keramikgehäuse steckt. Es wird ohne Gehäuse weiterverarbeitet.

Ein solcher Nacktchip kann direkt auf einer Leiterplatte oder auf einem keramischen Substrat angebracht werden. Die elektrische Verbindung zu den umliegenden Bauelementen erfolgt dabei durch Drahtbonden, also durch das Verbinden der Kontaktflächen mit dünnen Bonddrähten. Diese Bauweise unterscheidet sich von der üblichen Verarbeitung, bei der das Bauelement zunächst in ein Gehäuse eingebaut wird.

Anwendung und Integrationsgrad

Die Bedeutung von Dies wächst mit der fortschreitenden Integration. Baugruppen, die früher als einzelne Chips nebeneinander auf einer Platine angeordnet wurden, werden zunehmend auf einem gemeinsamen Die vereint. Auf einem Die mit etwa einem Quadratzentimeter Fläche können mehrere hundert Millionen Transistoren für CPUs, GPUs oder RAM untergebracht werden.

Digitale und analoge Signalschaltungen lassen sich immer häufiger gemeinsam mit leistungselektronischen Elementen auf einem Chip integrieren, beispielsweise mit der BiCMOS-Technologie. Werden zwei sich ergänzende Baugruppen wie CPU und Cache auf demselben Chip angeordnet, spricht man von „on-Die“. Ein Cache „on-Die“ kann höhere Taktraten und größere Busbreiten ermöglichen und dadurch den Datenaustausch deutlich beschleunigen.

Die in der Industrie erreichten Größen und Integrationszahlen zeigen eine große Spannweite: Der Intel 4004 besitzt ein Die von 3 mm × 4 mm, eine Fläche von 12 mm², nutzt 10-µm-PMOS-Technologie und enthält 0,0023 Millionen Transistoren. Der Intel Itanium 2 (Tukwila) erreicht bei 21,5 mm × 32,5 mm eine Die-Fläche von 698,75 mm² und 221 Millionen Transistoren in 65-nm-Bulk-CMOS-Technologie. Der AMD Phenom II X6 besitzt 346 mm² Fläche und 750 Millionen Transistoren bei 45 nm; der Nvidia Fermi GF110 520 mm² und 3 000 Millionen Transistoren bei 40 nm.

Weitere Beispiele sind der Intel Core i7-980X mit 248 mm², 32 nm und 1 170 Millionen Transistoren sowie der Nvidia Kepler GK110 B mit 533 mm², 28 nm und 7 100 Millionen Transistoren. Der Nvidia Pascal GP100 erreicht 610 mm² und 15 300 Millionen Transistoren bei 16-nm-FinFET, der NVIDIA Volta GV100-Chip 815 mm² und 21 100 Millionen Transistoren bei 12-nm-FinFET. Als weitere Bauteile werden der Timer-IC NE555, dessen erste Version aus dem Jahr 1971 stammt, der AMD Cayman (389 mm² und 2 640 Millionen Transistoren) und der AMD Tahiti (365 mm² und 4 310 Millionen Transistoren) genannt.

Prüfung, Gehäusung und Ausbeute

Die Weiterverarbeitung eines Dies, insbesondere seine Gehäusung und die Integration in die elektrische Umgebung, gehört zur Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), auf Englisch Packaging.

Ein Known Good Die (KGD) ist ein nach vorgegebenen Kriterien geprüftes und als funktionsfähig bewertetes Halbleiterplättchen. Es kann je nach Produkt ein einzelnes Bauelement wie ein Transistor oder eine komplexe Schaltung wie ein Mikroprozessor sein. Gute und defekte Dies können bereits im Wafer-Verbund mit elektrischen Nadeltestern ermittelt werden. Früher wurden defekte Bauteile durch einen Farbpunkt gekennzeichnet, also geinkt. Sie wurden anschließend vom Kontaktieren und Einhausen, dem sogenannten Zyklus II beziehungsweise Packaging, ausgeschlossen.

Das Verhältnis der brauchbaren Dies zur Gesamtzahl aller Dies auf einem Wafer heißt Ausbeute oder Yield. Diese Kennzahl ist wichtig, um die Qualität des Fertigungsprozesses und die Wirtschaftlichkeit einer Produktionslinie zu beurteilen. Eine höhere Ausbeute bedeutet, dass ein größerer Anteil der hergestellten Teilstücke verwendet werden kann.