Kommentar Integrieren – aber richtig

Heinz Arnold, Chefredakteur Markt&Technik

Winzige Prozessstrukturen von 28 nm und darunter und hunderte von Millionen integrierter Transistoren erlauben es, ganze Systeme auf einen Chip zu gießen. Die Herstellungsprozesse sind sehr teuer – allein schon wegen der aufwändigen Lithografie – aber die hohen Stückzahlen in vielen Märkten rechtfertigen diesen Aufwand.

Doch alle Funktionen lassen sich nicht auf einen CMOS-IC integrieren. Das ist der Grund, warum sich die diskreten Halbleiter – Transistoren und Dioden – sowie passive Bauelemente immer noch eines munteren Lebens erfreuen und nicht etwa wegintegriert werden, sondern in weiter wachsen Stückzahlen Einsatz finden.

Um etwa ESD-Schutz zu bieten, müssen die Strukturen aus physikalischen Gründen über bestimmte Größen verfügen, die sich einfach nicht shrinken lassen. Deshalb wäre es wenig sinnvoll, solche Funktionen auf CMOS-ICs zu integrieren.

Nun gelten die diskreten Dioden und Transistoren als ein eher langweiliges Geschäft. Zwar fertigen Hersteller wie Infineon, NXP, STMicroelectronics und Texas Instruments sie in Milliarden Stückzahlen, doch technologisch scheinen sie auf den ersten Blick nicht viel Reiz zu bieten. Wer genauer hinschaut, sieht, dass dies nicht stimmt. Denn diese Bausteine können durchaus dazu beitragen, beispielsweise die Energieaufnahme eines Gerätes spürbar zu reduzieren. Allerdings sind nicht teure Lithografiegeräte erforderlich, um etwa den Einsachaltwiderstand der Transistoren zu verringern.

Worauf es wirklich ankommt, sind die ausgeklügelten Prozesstechniken. Wie kann man etwa den Prozess so abwandeln, dass einerseits hoher ESD-Schutz gewährt ist, den die immer empfindlicheren CMOS-ICs benötigen, andererseits aber doch die zu übertragenden Hochgeschwindigkeitssignale nicht gestört werden? Um solche Probleme zu lösen, müssen die Prozessingenieure ihre Maschinen genau kennen, sie teilweise sogar abwandeln. Die Entwicklung muss mit der Prozesstechnik Hand in Hand arbeiten, es kommt in beiden Fällen auf umfangreiche Erfahrung an. Der Lohn der Mühe: die Transistoren und Dioden lassen sich in sehr viel kleineren Gehäusen als bisher unterbringen.

Prozesstechnik und Erfahrung sind auch erforderlich, um künftig höher integrieren zu können. Denn gerade weil immer mehr Funktionen auf die System-ICs wandern, birgt die Integration von Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Spulen und Widerständen ein interessantes Innovationspotenzial.

Wer solche Integrationen durchführen kann, ermöglicht es den Systemherstellern, ihre Architektur zu optimieren. Wenn ein solcher Chip beispielsweise ESD-Schutz bietet und Spannungspegelumsetzungen durchführt, dann kann der Transmitter auf dem System-Chip integriert werden. Zum Aufbau der Kommunikationsschnittstelle sind dann nur noch der System-Chip und der Begleitchip erforderlich, um eine zuverlässige Schnittstelle aufzubauen. Damit lassen sich die Energieaufnahme und der auf der Leiterplatte beanspruchte Platz deutlich reduzieren, die Zuverlässigkeit erhöht sich. Deshalb sind auch die Hersteller der Systemchips durchaus daran interessiert, dass solche Begleit-Chips zur Verfügung stehen.

So wird die weiter voranschreitende Integration der System-Chips und der Trend, die Geräte mit den unterschiedlichsten Kommunikationsschnittstellen zu versehen, der Integration von passiven und diskreten Funktionen den schon länger prophezeiten Aufschwung verleihen.