Mikroschaltung
Englisch: microcircuit
Ein elektronisches Bauelement, meist durch Fotolithografie hergestellt, das sehr klein ist und mehrere Komponenten oder deren Äquivalente enthält; ein integrierter Schaltkreis.
Mikroschaltung: viele Transistoren auf einem winzigen Chip geätzt
Eine Mikroschaltung ist ein vollständiger elektronischer Schaltkreis, der auf einem einzelnen Substrat, typischerweise Silizium, verdichtet ist und nur wenige Millimeter groß ist. Sie enthält Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Verbindungsleitungen, die als einheitliche Struktur hergestellt werden, anstatt als separate verdrahtete Komponenten. Der Begriff umfasst das, was heute integrierter Schaltkreis (IC) genannt wird, wobei Mikroschaltung aber noch in älteren technischen Dokumenten und Militärspezifikationen verbreitet ist.
Die Herstellung basiert auf Photolithographie, einem Verfahren, das Licht nutzt, um Schaltmuster auf einen Siliziumwafer zu übertragen. Eine Fotolithografiemaske definiert die Geometrie; ultraviolettes Licht belichtet eine Fotolackschicht; chemisches Ätzen entfernt unerwünschtes Material. Dies wiederholt sich für mehrere Schichten und baut die Transistorstrukturen sowie Metallbahnen auf. Die Strukturgrößen sind von Zehnerpotenzen Mikrometern in den 1970er Jahren auf Nanometer heute geschrumpft, was Milliarden Transistoren auf einem einzelnen Chip ermöglicht.
Mikroschaltungen gibt es in verschiedenen funktionalen Klassen. Eine kleinflächige Integrations-(SSI-)Mikroschaltung enthält weniger als 100 Transistoren und führt einfache Logikoperationen aus. Mittel- und großflächige Integrationen (MSI, LSI) addieren Tausende oder Millionen hinzu. Moderne Mikroprozessoren und Speicherschaltungen sind sehr großflächige Integrationen (VLSI) mit Milliarden Bauelementen. Jede Klasse erfüllt unterschiedliche Aufgaben: SSI bei einfachem Schalten, Mikrocontroller in eingebetteten Systemen, Prozessoren bei Berechnungen.
Thermische und Zuverlässigkeitsbeschränkungen
Dichte bringt Herausforderungen. Die Wärmeableitung wird kritisch, wenn Millionen Transistoren gleichzeitig schalten und Leistungsverluste im Bereich von Watt pro Quadratmillimeter erzeugen. Thermische Verwaltung durch Kühlkörper, Wärmeleitpaste oder direkte Flüssigkeitskühlung ist für die Zuverlässigkeit unverzichtbar. Elektromigration, bei der Metallatome unter hoher Stromdichte entlang von Verbindungsleitungen wandern, verkürzt die Lebensdauer des Bauelements; Entwurfsregeln begrenzen die Stromdichte, um diesen Ausfallmodus zu verhindern.
Herstellungsfehler im Mikro- und Submikrometerbereich erfordern statistische Prozesskontrolle und Prüfungen in mehreren Stadien. Die Ausbeute, der Prozentsatz funktionsfähiger Chips von einem Wafer, wirkt sich direkt auf die Produktionskosten aus. Ein modernes Fertigungswerk verarbeitet gleichzeitig Hunderte von Wafern, von denen jeder Hunderte oder Tausende von Chips enthält. Die Investition in Fotolithographieausrüstung und Reinrauminfrastruktur macht Mikroschaltungsproduktion kapitalintensiv, weshalb sie sich in spezialisierten Foundries konzentriert, anstatt bei den Benutzern verteilt zu sein.