Die (Halbleitertechnik)

Ein Die ([daɪ], englisch für „Würfel“, „Plättchen“, dt. Plural i. A. „Dies“;[1] englischer Plural: dice oder dies [daɪs] und die [daɪ]) ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik die Bezeichnung eines einzelnen, ungehäusten Stücks eines Halbleiter-Wafers. Ein solches Die wird üblicherweise durch Sägen oder Brechen des fertig bearbeiteten Wafers in rechteckige Teile (dicing) gewonnen. In der Regel befindet sich auf einem Die ein Bauteil, z. B. ein Transistor, Leuchtdiode, oder eine komplexe Baugruppe, z. B. integrierter Schaltkreis, ein Mikrosystem. Um möglichst lange von der Parallelfertigung auf dem Wafer zu profitieren, findet das Zerteilen im normalen Produktionsprozess zuletzt statt, direkt vor dem Einbau in ein Gehäuse bzw. dem Aufbringen auf einen Schaltungsträger (vgl. Direktmontage). Solche Dies werden dann „Chip“ bzw. „Nacktchip“ genannt.[2] Auch wenn ein Wafer (geplantermaßen) vor der Fertigstellung des Bauteils bzw. der Baugruppe zerteilt wird (sogar noch unstrukturiert ist), werden die Teilstücke als Dies bezeichnet.

Die des NE555 mit Bonddrähten

Etymologie

Wafer von 2 Zoll bis 8 Zoll

Die Bezeichnung „die“ rührt vom Küchenenglisch her: „slice and dice“ bedeutet – etwa eine Gurke – „erst in Scheiben schneiden und dann würfeln“. Dementsprechend beginnt man bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen mit einem – gurkenähnlichen – Siliziumbarren, dieser wird dann „in Scheiben geschnitten“ – daraus entstehen die „wafer“ = „Waffeln“ – und dann „zerhackt“ – daraus entstehen dann die „dice“ = „Würfel“. Da die Wafer sehr dünn sind, sehen die „dice“ allerdings nicht würfelförmig aus, sondern entsprechen in ihrer Form sehr flachen Quadern.

„Bare Chip“

Mit „bare chip“ oder „bare die“ (deutsch „Nacktchip“) werden integrierte elektronische Bauelemente bezeichnet, die nicht herkömmlich in einem Plastik- oder Keramikgehäuse verbaut, sondern ohne Gehäuse weiterverarbeitet werden. Sie werden direkt auf einer Leiterplatte oder einem keramischen Substrat aufgebracht und mittels Drahtbonden elektrisch mit umliegenden Bauelementen verbunden.

Anwendung

Die eines AMD-Opteron-Six-Cores-Mikroprozessors

Im Zuge der fortschreitenden Integration werden immer mehr Baugruppen, die zuvor als einzelne Chips nebeneinander auf einer Platine angebracht wurden, auf einem gemeinsamen Chip vereint. Mittlerweile werden auf einem Die mit etwa einem Quadratzentimeter Fläche mehrere hundert Millionen Transistoren für CPUs, GPUs oder RAM untergebracht.

Beispiele aus der Industrie
ProduktDie-MaßeDie-Fläche (mm²)TechnologieknotenTransistor­zahl (Mio.)Kommentar/Bauteil
NE555[3]   00000,000024Timer-IC, erste Version aus 1971
Intel 4004[4]03 mm × 4 mm01210-µm-PMOS00000,0023Hauptprozessor, erster Mikroprozessor
Intel Itanium 2 (Tukwila)[5]21,5 mm × 32,5 mm698,7565-nm-Bulk-CMOS00221Mehrkern-Hauptprozessor
AMD Phenom II X634645 nm00750Mehrkern-Hauptprozessor
Nvidia Fermi GF110[6]52040 nm03000Grafikprozessor
AMD Cayman (RV970)[6]38940 nm02640Grafikprozessor
Intel Core i7-980X24832 nm01170Mehrkern-Hauptprozessor
AMD FX31532 nm01200Mehrkern-Hauptprozessor
Nvidia Kepler GK110 B53328 nm07100Grafikprozessor
AMD Tahiti (R1000)[6]36528 nm04310Grafikprozessor
Nvidia Pascal GP100[7]61016-nm-FinFET15300Grafikprozessor
NVIDIA Volta GV100-Chip[8]81512-nm-FinFET21100Grafikprozessor

Digitale und analoge Signalschaltungen können immer öfter mit leistungselektronischen Elementen auf einem Chip untergebracht werden (z. B. BiCMOS-Technologie).

Eine Kombination von zwei sich ergänzenden Baugruppen, wie etwa CPU und Cache, auf demselben Chip lässt sich mit dem Begriff „on-Die“ umschreiben: Die CPU hat den Cache „on-Die“, was höhere Taktraten und Busbreiten ermöglicht und damit den Datenaustausch deutlich beschleunigt.

Verarbeitung

Mit der Weiterverarbeitung der Dies – Gehäusung und Integration in die schaltungstechnische Umgebung – beschäftigt sich die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT, engl. packaging).

Als Known Good Die (KGD) bezeichnet man ein entsprechend den Vorgaben getestetes und als gut befundenes Halbleiterplättchen, welches je nach Produkt ein einzelnes Bauelement, zum Beispiel einen Transistor, oder auch eine komplexe Schaltung wie einen Mikroprozessor enthalten kann. Gute bzw. defekte Dies können hierzu noch im Wafer-Verbund durch elektrische Nadeltester ermittelt werden. Defekte Bauteile wurden früher durch einen Farbpunkt gekennzeichnet (geinkt) und werden vom nachfolgenden Prozess des Kontaktierens und Einhausens (Zyklus II, engl. Packaging) ausgeschlossen.

Das Verhältnis von brauchbaren zur Gesamtzahl aller auf einem Wafer vorhandenen Dies wird als Ausbeute (engl. yield) bezeichnet und ist eine wichtige Kennzahl zur Beurteilung des Fertigungsprozesses und der Wirtschaftlichkeit einer Produktionslinie.

Literatur

  • Graham Neil: Time is right for bare die. In: European Semiconductor, 27, Nr. 11, 2005, S. 11–12.

Weblinks

Commons: Integrated circuit dies – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Laut Google: "Halbleiterdice" - 6 Treffer; "Halbleiterdies" - 339 Treffer; Stand: 03/2018
  2. Yvonne Attiyate, Raymond Shah: Wörterbuch der Mikroelektronik und Mikrorechnertechnik mit Erläuterungen / Dictionary of Microelectronics and Microcomputer Technology with Definitions. Springer, 2013, ISBN 978-3-662-13444-3, S. 42 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Hans Camenzind: Designing Analog Chips. 2. Auflage. Virtualbookworm.com Publishing, College Station, Texas 2005, ISBN 1-58939-718-5, Kapitel 11: Timers and Oscillators, S. 11-2, 11–3 (englisch, designinganalogchips.com [PDF; 2,5 MB]).
  4. Guy De la Bédoyère: The First Computers. Evans Brothers, 2005, ISBN 0-237-52741-3, S. 36 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Lambert Schaelicke, Eric DeLano: Intel Itanium Quad-Core Architecture for the Enterprise. (PDF) 2010, S. 5, abgerufen am 12. Juli 2015 (Präsentationsfolien, Eighth Workshop on Explicitly Parallel Instruction Computing Architectures and Compiler Technology (EPIC-8)).
  6. a b c nVidia GK104: 3,54 Milliarden Transistoren auf nur 294mm² Chip-Fläche. 3DCenter.org, 13. März 2012, abgerufen am 21. Juni 2014.
  7. heise online: GTC 2016: Nvidia enthüllt Monster-Chip Pascal mit 16 GByte HBM2 und bis zu 3840 Kernen. In: heise online. Abgerufen am 23. August 2016.
  8. heise online: GTC 2017: Nvidia stellt Riesen-GPU Volta mit 5120 Kernen und 16 GByte HBM2 vor. In: heise online. Abgerufen am 15. Oktober 2018.

Auf dieser Seite verwendete Medien

AMD Opteron Six Cores.jpg

AMD Opteron Six Cores Istanbul die
Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll.jpg
Autor/Urheber: unknown, Lizenz: CC BY-SA 3.0