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Erschienen in:
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2023 | OriginalPaper | Buchkapitel

1. Einführung

verfasst von : Jens Lienig, Jürgen Scheible

Erschienen in: Grundlagen des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen

Verlag: Springer International Publishing

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Zusammenfassung

Zur Einführung gibt dieses Kapitel eine Übersicht über die Technologien der Elektronik-Fertigung, zeigt Besonderheiten der Mikroelektronik und beschreibt die Aufgabenstellung des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen. In Abschn. 1.1 werden die wichtigsten Fertigungstechnologien für elektronische Systeme vorgestellt: die Leiterplatten-, die Hybrid- und die Halbleitertechnologie. In Abschn. 1.2 gehen wir auf die Bedeutung und die Besonderheiten der Mikroelektronik ein, ergänzt mit Hinweisen zur Halbleiterphysik und zur Halbleiterfertigung. In Abschn. 1.3 erläutern wir die primären Entwurfsschritte des Elektronikentwurfs und beschreiben die Aufgabenstellungen des Layoutentwurfs für integrierte Schaltungen und für Leiterplatten. Wir schließen das Einführungskapitel in Abschn. 1.4, in dem wir unsere Motivation für dieses Buch darlegen und die Organisation der folgenden Kapitel beschreiben.

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Nächstes Kapitel Halbleitertechnologie: Vom Silizium zum integrierten Schaltkreis
Fußnoten
1
Der Begriff „Technologie“ bedeutet allgemein „Lehre von der Technik“ (als eine Wissenschaft). Daneben kann „Technologie“ auch ein Produktionsverfahren bezeichnen, wobei die Gesamtheit der für die Fertigung eines Produkts notwendigen Arbeitsgänge und -techniken zu verstehen ist. Wir nutzen den Begriff in diesem Buch im Sinne dieser letzteren Bedeutung. Mit „Technologie“ sprechen wir also immer einen Fertigungsprozess oder auch eine Familie von Fertigungsprozessen (z. B. der Halbleiterfertigung) an.
 
2
Sputtern ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper durch Beschuss mit hochenergetischen Ionen herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen.
 
3
Während sich der Begriff „Front-end-of-line“ (FEOL) auf den ersten Teil der IC-Fertigung bezieht, in dem die einzelnen Bauelemente strukturiert werden, umfasst „Back-end-of-line“ (BEOL) die anschließende Herstellung der metallischen Verdrahtungsebenen. Beide werden in Kap. 2 behandelt.
 
4
Bipolartransistoren sind Bauelemente, deren Betrieb von beiden Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) abhängt. Wir behandeln Bipolartransistoren und ihre Funktionsweise ausführlich in Kap. 6.
 
5
Hinsicht der Zuverlässigkeit müssen wir hier erwähnen, dass das „Downscaling“ in der Halbleiterfertigung auf immer kleinere Strukturgrößen einen Punkt erreicht hat, an dem Alterungseffekte zunehmend kritisch werden. Eines der drängendsten Probleme ist beispielweise die Degradation von Leiterbahnen, hervorgerufen durch Migrationseffekte infolge zunehmender Stromdichten. Vorbeugende Maßnahmen gegen diese Effekte sind vor allem im Layoutentwurf erforderlich. Wir behandeln dieses Thema ausführlich in Kap. 7.
 
6
CMOS ist eine Abkürzung für „Complementary Metal Oxide Silicon“. Die CMOS-Technologie umfasst zwei komplementäre unipolare Transistoren vom n- und p-Typ. „MOS“ bezeichnet die in den ersten CMOS-Prozessen verwendete Schichtenfolge: Metall, Oxid, Silizium. Wir behandeln CMOS in Kap. 2 im Detail.
 
7
DMOS steht für „Double Diffused Metal Oxide Silicon“. Dies ist eine Fertigungstechnologie für unipolare Transistoren, die in der Leistungselektronik große Ströme schalten. Mit DMOS-Transistoren lassen sich extrem niedrige Durchlasswiderstände in der Größenordnung von wenigen mΩ realisieren.
 
8
Der Entwurf mit Standardzellen ist ein sehr effizienter und daher weit verbreiteter Entwurfsstil für integrierte Digitalschaltungen. Wir stellen Standardzellen und den zugehörigen Entwurfsablauf in Kap. 4 vor.
 
9
Die Spannungsfestigkeit eines ICs hängt von der Durchbruchspannung der beteiligten Bauelemente ab. Die Durchbruchspannung gibt die Spannungsdifferenz an, ab der eine Isolierschicht oder eine invers betriebene Diode einen plötzlichen starken Stromanstieg zeigt. Die Kap. 6 und 7 erläutern dies näher.
 
10
Diese Aussage gilt für CMOS-Technologien mit Strukturgrößen von mehr als etwa 20 nm. Darunter kommen unipolare Transistoren mit einem anderen inneren Aufbau, sog. „FinFETs“ zum Einsatz, deren Behandlung den Rahmen dieses Buches aber sprengen würde. Das Prinzip des Shrinkens ist aber auch bei FinFETs anwendbar.
 
11
Wir verwenden „Bauelemente/IC“ (Bauelemente pro Schaltkreis) und nicht, wie die meisten anderen Autoren, „Transistoren/IC“ als Maßeinheit, da in Mischprozessen neben Transistoren auch viele andere Arten von Bauelementen verwendet werden. Die Daten für „Transistoren/IC“ und „Bauelemente/IC“ sind für Logikchips jedoch fast identisch.
 
12
Eine Schlüsselrolle spielt hierbei das im analogen IC-Layout angewendete Prinzip des sog. Matchings. Diesem wichtigen Thema widmen wir uns ausführlich in Kap. 6.
 
Literatur
1.
J. Kilby, Patent No. US3138743: Miniaturized electronic circuits. Patent filed Feb. 6, 1959, published June 23, 1964
2.
R. N. Noyce, Patent No. US2981877: Semiconductor device and lead structure. Patent filed June 30, 1959, published April 25, 1961
3.
4.
5.
6.
Metadaten
Titel
Einführung
verfasst von
Jens Lienig
Jürgen Scheible
Copyright-Jahr
2023
Buch
Grundlagen des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen

Print ISBN: 978-3-031-15767-7

Electronic ISBN: 978-3-031-15768-4

Copyright-Jahr: 2023

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-15768-4_1

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    Bildnachweise