Chip

Ein Chip ist ein einzelner Materialblock, üblicherweise aus Silizium oder Galliumarsenid, auf dem tausende bis milliarden Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und andere Komponenten in Schichten aufgebracht werden. Der fertige Chip, oft nur wenige Millimeter groß und unter einem Millimeter dick, wird in ein Gehäuse mit Anschlussdrähten oder Kontaktkugeln montiert, die ihn mit einer Platine verbinden. Der Begriff umfasst alles von einfachen Logikgattern bis zu komplexen Prozessoren, Speicherkomponenten und anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs).

Der Chip selbst ist das Produkt der Fotolithografie. Ein Siliziumwafer, oft 200 oder 300 Millimeter im Durchmesser, wird mit einem lichtempfindlichen Resist beschichtet. Eine Maske projiziert Schaltungsmuster auf den Resist, der dann entwickelt wird, um Teile des darunter liegenden Materials freizulegen. Durch wiederholte Zyklen von Oxidation, Dotierungseindiffusion, Abscheidung und Ätzen entsteht eine funktionsfähige 3D-Struktur. Moderne Verfahren arbeiten mit Strukturgrößen von 5 Nanometern oder kleiner, was bedeutet, dass einzelne Transistoren deutlich kleiner als eine menschliche Zelle sind.

Der fertige Wafer enthält dutzende oder hunderte identischer Chips in einem Raster angeordnet. Jeder Chip wird dann durch Sägen separiert, geprüft und in ein Gehäuse montiert: Kunststoff oder Keramik mit Metalldrähten, Ball Grid Arrays (BGAs) mit hunderten Lötperlen auf der Unterseite oder Flip Chips, die direkt auf einem Substrat gebondet werden. Das Gehäuse bietet mechanischen Schutz, Wärmemanagement und elektrische Verbindung zur Außenwelt.

Varianten und Ausfallmechanismen

Analoge Chips verstärken oder filtern Signale und sind empfindlich gegenüber Rauschen und Temperaturdrift. Digitale Chips schalten zwischen Spannungspegeln, die 0 und 1 darstellen, und sind robuster gegen Störungen, aber sehr empfindlich gegenüber Stromversorgungsausfällen. Speicherbausteile speichern Daten und erfordern präzise Spannung und Timing. Leistungsbausteile handhaben hohe Ströme und geben erhebliche Wärmemengen ab; Wärmemanagement durch Kühlkörper, thermische Vias und Substratge wird kritisch. Defekte während der Fertigung, mechanische Belastung beim Montieren, elektrostatische Entladung (ESD) beim Handhaben oder thermische Wechselbelastung während des Betriebs können einen Chip unbrauchbar machen oder zu vorzeitigem Ausfall führen.

Der Begriff Chip leitet sich davon ab, dass einzelne Dies wörtlich vom Wafer abgesprengt werden. In den frühen Tagen integrierter Schaltkreise in den 1960er Jahren unterschied der Begriff sie von diskreten Bauelementen (einzelne Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, die von Hand verlötet wurden). Heute werden Chip und integrierter Schaltkreis austauschbar verwendet, wobei Chip der umgangssprachliche Standard in der Branche ist.