LSI

Large Scale Integration bezeichnet Halbleiterbausteine mit 1.000 bis 100.000 Transistoren auf einem einzelnen Siliziumchip. Der Begriff entstand in den 1970er Jahren, um eine eigenständige Technologiegeneration zu beschreiben, die zwischen Medium Scale Integration (MSI) mit Hunderten von Transistoren und Very Large Scale Integration (VLSI) mit Millionen und mehr liegt. Ein LSI-Chip misst typischerweise 5 bis 10 Millimeter pro Seite, die inneren Strukturen liegen im Bereich von 5 bis 10 Mikrometern.

Die LSI-Fertigung erfordert Photolithografie mit Masken mittlerer Komplexität und Yield-Management-Verfahren, die sich in der Industrie Mitte der 1970er Jahre als Standard durchsetzten. Speicherbausteine, insbesondere DRAM und EPROM, stellten die wichtigsten LSI-Anwendungen dar. Rechnerchips, Mikroprozessoren im 4-Bit- und frühen 8-Bit-Bereich sowie Logic Arrays fielen ebenfalls in diese Kategorie. Die Herstellung dieser Bausteine erforderte sauberere Fertigungsumgebungen als die MSI-Fertigung, benötigte aber noch nicht das Ultrahochvakuum und die Submicrometer-Genauigkeit, die später VLSI forderte.

Die historische Bedeutung von LSI lag in seiner Rolle als erste Generation, die echte Kostenvorteile durch Volumen-Integration statt Montage erreichte. Einzelne Transistoren oder sogar MSI-Bausteine konnten durch einen einzigen LSI-Chip mit weniger externen Anschlüssen, geringerem Stromverbrauch in vielen Anwendungen und dramatisch reduziertem Montageaufwand ersetzt werden. Diese Verschiebung machte digitale Elektronik für Konsumgüter erschwinglich: digitale Uhren, frühe Videospiele und Taschenrechner nutzten alle die wirtschaftlichen Vorteile von LSI.

Zuverlässigkeit war die Hauptherausforderung in der LSI-Fertigung. Mit steigender Transistordichte stieg die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers auf dem Chip dramatisch an. Die Ausbeuten in der frühen LSI-Produktion blieben oft unter 50 Prozent. Wafer-Prüfung und Chip-Level-Tests wurden zu kritischen Schritten; Burn-in-Verfahren kamen zum Einsatz, um Frühefehlausfälle durch Fertigungsfehler zu beseitigen. Thermische Wechselbelastung und elektrische Belastungsprüfung halfen mit, doch statistisch gesteuerte Prozessregelung und Design for Manufacturability wurden allmählich wichtiger als reine Selektion.

Heute wird der Begriff LSI auf aktuelle Bausteine fast nie mehr angewandt. Moderne Chips enthalten Milliarden von Transistoren und werden regelmäßig als VLSI oder Ultra Large Scale Integration (ULSI) bezeichnet. Dennoch ist die Integrationsdichte, die LSI definierte, in vielen eingebetteten Kontrollsystemen und industriellen Elektronikgeräten vorhanden, die vor Jahrzehnten entwickelt wurden und noch immer im Einsatz sind. Das Verständnis von LSI-Merkmalen, Layout-Konventionen und thermischem Verhalten bleibt für jeden relevant, der ältere Geräte wartet oder rückentwickelt.