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aus der Roederstein Broschüre von 1966 - ein Artikel von Carl Friedrich Schuh

Vor 3 Jahren hätte man die Frage nach einer Konkurrenz zwischen diesen Gebieten noch unbedingt bejaht. Heute dagegen sieht es wesentlich anders aus.

Die integrierten Schaltungen stehen kurz vor Ihrer Einführung in grösserem Umfange; IBM hat mit seinem Rechner 360 die Verwendbarkeit von Schichtelektronik - absichtlich sei nicht von Dünn- oder Dickschicht gesprochen - im Großen gezeigt.

Man kennt die Vor- und Nachteile der Technologien ganz genau, deshalb besteht eine Konkurrenz auch nicht mehr und nicht weniger als zum Beispiel zwischen Glimmer-, Styroflex- und Keramik-Kondensatoren.

Natürlich gibt es Überschneidungen, aber es wird niemandem einfallen, einen Keramik-Kondensator durch einen Glimmer-Kondensator oder umgekehrt zu ersetzen, wenn nicht eine gewisse technische Notwendigkeit dazu geführt und das Gegeneinanderabwägen von Preis und elektrischen Eigenschaften die Anwendung bestimmt hat.

Genauso verhält es sich bei den verschiedenen Gebieten der integrierten Elektronik: Sie entwickeln sich ständig weiter. Der im folgenden durchgeführte Vergleich bezieht sich auf den gegenwärtigen Stand der Technik; er würde nicht mehr stimmen, würde ein allgemein verwendbarer Dünnschicht-Transistor entwickelt.

Die 3 miteinander zu vergleichenden Gebiete werden noch einmal kurz definiert und umrissen.

1. Klassische Bauelemente
Hierbei handelt es sich um die seit langer Zeit bekannten klassischen Bauelemente, die unter Ausnutzung neuer Techniken und Materialien so verkleinert werden konnten, daß Miniatur-Geräte mit ihnen ohne weiteres aufgebaut werden können. Das vielleicht typische Beispiel ist der Tantal-Elektrolyt-Kondensator, ein Bauelement, welches bei verbesserten Eigenschaften die Abmessungen des früher üblichen Aluminium-Elektrolyt-Kondensators ganz wesentlich unterschreitet.

2. Integrierte Schaltkreise
Hierunter versteht man Schaltkreise, die aus Silizium-Monolythen aufgebaut sind. Dabei ist ohne Bedeutung, ob hybride Lösungen, das heißt
ein zusätzliches Anbringen von diskreten Bauelementen in Dünnschicht, oder anderen Techniken verwandt wurden. Weiterhin ist es gleich, ob die zusätzlichen Bauelemente durch Diffusion, durch Aufdampfung oder anders hergestellt wurden.

3. Schichtelektronik
Es ist gleichgültig, ob es sich um sogenannte dünne Schichten handelt, die durch Aufdampfen, Kathodenzerstäubung oder auf andere Weise hergestellt wurden, bzw. um dicke Schichten, die durch Siebdruck, Streich- oder andere chemische Verfahren aufgebracht wurden. Weiterhin sollen die zu diesem Gebiet gehörigen hybriden Lösungen, bei denen zusätzliche Halbleiter oder individuelle Bauelemente mit aufgeschweißt oder mit aufgelötet wurden, eingerechnet werden.
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Es ist also zu unterscheiden zwischen den zu integrierten Schaltkreisen gehörigen Hybriden und zwischen den zur Schichtelektronik zählenden Schaltkreisen.

Bei letzteren werden vornehmlich die Halbleiter, bei der ersteren die passiven Bauelemente individuell hinzugefügt.

Es kann im folgenden gezeigt werden, daß keines der erwähnten 3 Gebiete den anderen technisch so überlegen ist, daß man darauf verzichten kann.

Es kann weiterhin gezeigt werden, daß alle 3 Gebiete auch in Zukunft nebeneinander bestehen werden und sich sogar recht gut ergänzen; dies auch, wenn man die hybriden Lösungen nicht als Ergänzung ansieht.
Miniatur-Bauelemente
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Man kann sich fragen, welchen Sinn die Entwicklung von klassischen Miniatur-Bauelementen noch hat. So wenig richtig es wäre, heute einen Flugzeug-Miniatur-Rechner ganz mit klassischen Bauelementen auszurüsten, so scheint es zweifelsohne auch nicht richtig, hier Dünnschicht oder Dickschicht ausschließlich in Anwendung bringen zu wollen, denn die intregierten Schaltkreise der Siliziumtechnik sind im Hinblick auf Abmessung von keiner anderen Technologie zu unterbieten. Es wäre auch falsch zu untersuchen, etwa die Schaltung einer elektronischen Armbanduhr durch Silizium-Monolythen aufzubauen, hier sind klassische Bauelemente notwendig.

Sowohl bei der Schichtelektronik als auch bei den integrierten Schaltungen ist der Preis einer Schaltung mit vielen Bauelementen fast genau der gleiche wie mit wenigen, während sich bei den klassischen Bauelementen der Preis neben den reinen Konfektionsarbeiten aus der Addition der einzelnen Bauelemente zusammensetzt.

Dadurch ergibt sich, daß alle Schaltungen mit wenig Bauelementen und alle einzeln angewandte Bauelemente unbedingt nach dem klassischen Verfahren hergestellt werden sollten.

Auf der anderen Seite wird man auch ohne weiteres in eine Kette von integrierten Schaltkreisen einen klassischen Kondensator einlöten oder einschweißen, wenn er sich nicht oder nur schwer anderweitig herstellen läßt. Bekannt sind die keramischen Vielschichtkondensatoren, die bei allen mikroelektronischen Verfahren heute als Zusatzbauelemente angebracht werden. Sie haben deshalb in den USA den Namen „monolythische" Keramik-Kondensatoren bekommen.

Nicht sinnvoll wäre es weiterhin, eine Spule auf komplizierte Weise durch 20 bis 30 andere Bauelemente ersetzen zu wollen, während es heute ohne weiteres Subminiaturspulen gibt, die zusammen mit der Schichtelektronik oder mit integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden können.

Wenn man sich konsequent überlegt, welche klassischen Bauelemente unter Berücksichtigung des Gesagten noch in Zukunft bestehen bleiben müssen, so kommt es dahin, daß keines der heutigen Bauelemente innerhalb der nächsten 5-10 Jahre verschwinden wird.

Anmerkung : Hier irrt der Autor, es ging sogar noch schneller. Die Integration wurde duch das Moorsche Gesetz vorangetrieben und immer keinere Strukturen eröffneten ungeahnte Möglichkeiten.

Amerikanische Schätzungen über den Verbrauch der nächsten 5 Jahre haben ergeben, daß zunächst die Gebiete der integrierten Schaltkreise und der Schichtelektronik zusätzlich kommen, ohne daß ein Rückgang der klassischen Bauelemente zu erwarten ist.

Die Schätzungen sind in nebenstehender Tabelle 1 (Quelle „Electronics") angegeben, wobei 1963 endgültige Zahlen sind, 1964 vorläufige und ab 1965 geschätzte.

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Diesen Zahlen kann man entnehmen, daß die durch die Mikroelektronik am meisten betroffenen Bauelemente zunächst die Widerstände sind, daß aber für viele Bauelemente in den USA erst gegen 1970 ein Rückgang erwartet wird. Manche Bauelemente, wie zum Beispiel Elektrolyt-Kondensatoren, Potentiometer und andere, lassen sich nach heutigen Kenntnissen (also 1966/67) durch mikroelektronische Verfahren überhaubt nicht herstellen.

• Anmerkung : Der analoge elektronische Lautstärkersteller (als integrierter Baustein) kam erstaunlich schnell, sogar mit logarithmischer Kennlinie.

Bei einigen Anwendungsgebieten, wie Rundfunk, Fernsehen, Tonband und die Meßgeräteindustrie, sind die Vorteile der Mikroelektronik für die nachsten 10 Jahre nicht deutlich ersichtlich, und dies gilt bedingt auch für die Nachrichtentechnik. Dagegen ist für die Elektronenrechner, für alle digital lösbaren elektronischen Aufgaben, durch die Mikroelektronik ein besonderer Aufschwung zu erwarten.
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Wie wir bereits anhand von Tabelle 1 gesehen haben, wird bei den integrierten Schaltkreisen in den nächsten Jahren die größte Steigerung zu erwarten sein. Der Grund hierfür liegt weniger in den guten Eigenschaften als in den erzielbaren günstigen Preisen und der hohen Zuverlässigkeit bei dieser Technologie. Ihre besonderen Vor- und Nachteile sind in der Tabelle 2 dargestellt.

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Bei der Schichtelektronik unterscheidet man, wie schon eingangs gesagt, zwischen Dickschicht und Dünnschicht, wobei

die Technologie der Schichten darstellt, bei denen die Schichtdicke bis etwa 1um beträgt. Die Schichten werden durch Hochvakuumverdampfung bzw. Kathodenzerstäubung hergestellt. Die Bedeutung dieses vor 1 oder 2 Jahren noch sehr wichtigen Gebietes scheint zurückzugehen, wenn man davon absieht, daß Dünnschicht-Elemente in integrierten Schaltkreisen als zusätzliche passive Bauelemente gebraucht werden. Zahlreiche Firmen haben dieses Gebiet zugunsten der integrierten Schaltkreise aus Si aufgegeben.

Man hat die Technik der Dünnschichten sehr weit entwickelt. Heute dampft oder stellt man durch Kathodenzerstäubung Widerstände mit einer Genauigkeit von 0,1% Toleranz im Bereich von 10 Ohm bis 250 kOhm her, wobei die zeitliche Konstanz 1000 Stunden 85°C bei 0,5% liegt, und dies bei einem TK von <100 ppm.

Die Herstellung derartiger Dünnschicht-Schalteinheiten ist aber sehr schwierig und extrem teuer. Dadurch ergibt sich, daß sie nur begrenzte Anwendung finden.

Außerdem gelang es bisher nicht, einen allgemein verwendbaren Dünnschicht-Transistor herzustellen. Man ist gezwungen, immer Dünnschicht-Hybride aufzubauen unter Verwendung von sogenannten Silizium-Chip-Transistoren (nichtumhüllte Silizium-Transistorelemente).

Hierbei handelt es sich um die Schichten > 1um. Sie werden gewöhnlich durch Siebdruck oder chemisch-mechanische Verfahren aufgetragen. Man verwendet vorwiegend Palladium-Oxydschichten für Widerstände und verschiedene Materalien für Kondensatoren. Für diese Technologie werden auch verschiedene, zum Teil Firmennamen, verwendet, zum Beispiel:

• CERMET,
• GLAZE-Widerstände,
• SLT-Technology, usw.

Wegen des wesentlich günstigeren Preises wird bei den in Tabelle 3 aufgeführten Vor- und Nachteilen der Schichtelektronik aber nur die Dickschicht-Technologie zugrunde gelegt.

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In Tabelle 4 sind die Eigenschaften der passiven Bauelemente, wie sie sich bei verschiedenen Verfahren ergeben, miteinander verglichen.
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(*1) Größere Werte können erreicht werden, wenn, wie bei den Halbleitern, individuelle Miniatur-Bauelemente auf die Trägerplatte aufgelötet bzw. aufgeschweißt werden.

So sind mit keramischen Vielschichtkondensatoren Kapazitäten bis über 0,1uF in ein Dickschichtmodul einzubringen. Erschienen in „Elektronik-Zeitung"

Zusammenfassend führt der Vergleich der verschiedenen Technologien dazu, daß man die Schichtelektronik vorwiegend für R-, RC-Kombinationen und für höhere Genauigkeit verwendet, während die integrierten Schaltkreise aus Silizium das Massenbauelement für alle digitalen Schaltungen darstellen. Heute sind schon Geräte bekannt, bei denen integrierte Schaltkreise, Dickschichteinheiten und klassische Bauelemente nebeneinander verwendet werden. In Zukunft wird sich dies immer weiter ausbreiten.