Integrierte Schaltung (IC)

Ein Spannungsregler mit drei Beinen, ein achtbeiniger Timer, ein Mikrocontroller mit 48 Anschlüssen: Auf fast jeder Platine sitzen schwarze Kunststoffgehäuse, in denen eine komplette Schaltung steckt. Solche Bauteile heißen integrierte Schaltungen, kurz IC (englisch integrated circuit), im Alltag einfach Chip. Statt dutzende Transistoren, Widerstände und Dioden einzeln zu verdrahten, setzt du einen Baustein ein, der genau eine Aufgabe erledigt – verstärken, regeln, zählen, rechnen. Dieser Artikel erklärt, was in einem IC steckt, wie du sein Datenblatt liest und worauf du beim Einsatz achten musst.

Aufbau: vom Wafer zum Gehäuse

Herz jedes ICs ist ein kleines Stück Silizium, der Die (sprich „Dai“), oft nur wenige Quadratmillimeter groß. Er entsteht zusammen mit hunderten oder tausenden Geschwistern auf einer runden Siliziumscheibe, dem Wafer. In vielen Belichtungs-, Ätz- und Dotierschritten entstehen dort Transistoren, Dioden, Widerstände und kleine Kondensatoren (wie Halbleiter gezielt verunreinigt werden, steht unter Dotierung). Darüber legen sich mehrere Metallschichten, die die Elemente untereinander verbinden. Weil alles auf einem einzigen Kristall entsteht, spricht man von einer monolithischen Schaltung. Die Grundidee stammt von Jack Kilby (1958) und Robert Noyce (1959); wie es dazu kam, erzählt die Geschichte der Halbleitertechnik.

Nach der Fertigung wird der Wafer zersägt, jeder Die auf einen metallenen Träger geklebt, den Leadframe. Hauchdünne Bonddrähte aus Gold oder Kupfer verbinden die Anschlussflächen am Rand des Dies mit den Beinchen des Leadframes. Zum Schluss wird alles in Epoxidharz eingegossen – das ist das schwarze Gehäuse, das du siehst. Bei großen Prozessoren sitzt der Die dagegen kopfüber auf winzigen Lotkugeln (Flip-Chip), und bei Hybridschaltungen sind mehrere Chips und passive Bauteile auf einem Keramikträger kombiniert.

Was sich auf dem Die schlecht herstellen lässt, bleibt außen: große Kondensatoren, Spulen, genaue oder leistungsstarke Widerstände. Deshalb braucht fast jedes IC ein paar externe Bauteile – ein Spannungsregler seine Kondensatoren, ein Timer seinen RC-Zeitgeber, ein Operationsverstärker seine Rückkopplungswiderstände.

Analog, digital, gemischt

Grob unterscheidet man drei Gruppen:

• Analoge ICs verarbeiten kontinuierliche Spannungen: Operationsverstärker, Spannungsregler, Spannungsreferenzen, Audio-Endstufen, Sensorverstärker.
• Digitale ICs kennen nur High und Low: Logikgatter, Zähler, Schieberegister, Speicher und Prozessoren.
• Mixed-Signal-ICs verbinden beide Welten. Ein Mikrocontroller mit eingebautem AD-Wandler gehört dazu, ebenso der Timer NE555, der innen Komparatoren und ein Flipflop kombiniert.

Wie viel auf einem Chip steckt, beschreibt der Integrationsgrad. Die Begriffe stammen aus der Frühzeit und sind nur grob abgegrenzt:

Heutige Grafikprozessoren tragen mehr als 90 Milliarden Transistoren – die Stufen jenseits von VLSI benennt kaum noch jemand.

Schaltzeichen

Für die meisten ICs gibt es kein eigenes Symbol. Nach IEC 60617 zeichnest du einen Rechteckkasten, an dem die Anschlüsse mit Nummer und Namen stehen: VCC, GND, IN, OUT, RESET und so weiter. Die Pins ordnet man nach Funktion, nicht nach ihrer Lage am Gehäuse – Eingänge links, Ausgänge rechts, Versorgung oben und unten. Daneben stehen Bauteilname (U1, IC1) und Typ. Einige Funktionen haben eigene Formen: Operationsverstärker und Komparatoren erscheinen als Dreieck, Logikgatter als Gattersymbole (siehe Digitale Schaltzeichen). In ICs mit mehreren gleichen Einheiten, etwa vier Gattern, zeichnet man jede Einheit einzeln und die Versorgungsanschlüsse in einem eigenen Teil. Mehr dazu unter Schaltzeichen und Referenzbezeichner.

Das Datenblatt lesen

Ein IC verrät seine Grenzen nur im Datenblatt. Drei Abschnitte solltest du immer kennen:

• Absolute Maximum Ratings: Grenzen, deren Überschreiten den Chip zerstören kann – auch nur kurz. Sie sind kein Arbeitsbereich. Schon der Betrieb in der Nähe darf die Lebensdauer verkürzen.
• Recommended Operating Conditions: der Bereich, in dem der Hersteller die Funktion garantiert – Versorgungsspannung, Temperatur, Eingangspegel.
• Electrical Characteristics: die eigentlichen Kennwerte mit min, typ und max. Rechne mit min und max, nicht mit typ: Typische Werte sind Durchschnitt, nicht Zusage.

Am Beispiel des Logikbausteins 74HC00 (vier NAND-Gatter) sieht das so aus:

Aus dem Datenblatt kommen auch die thermischen Werte. Jedes IC wandelt Leistung in Wärme um, und die Sperrschicht darf meist höchstens 125 °C oder 150 °C erreichen. Die Erwärmung rechnest du mit dem Wärmewiderstand R_thJA von der Sperrschicht zur Umgebung, wie unter Wärme und Kühlung erklärt:

Bauformen

ICs gibt es als Durchsteckbauteile mit zwei Reihen Beinchen (DIP), vor allem aber als SMD-Gehäuse: SOIC und TSSOP mit Beinchen an zwei Seiten, QFP an vier Seiten, QFN ohne Beinchen mit Lötflächen an der Unterseite, BGA mit Lotkugeln. Spannungsregler und Leistungsbausteine stecken oft in Transistorgehäusen wie TO-220, SOT-223 oder SOT-23. Der Gehäusename steht als Endung in der Bestellnummer – etwa „N“ für DIP oder „D“ für SOIC bei TI. Die Gehäuse im Detail mit Rastermaß und Pin-1-Markierung erklärt IC-Gehäuse, einen Überblick über die Oberflächenmontage gibt SMD-Bauelemente.

Pin 1 ist bei allen Gehäusen markiert, durch eine Kerbe an der Stirnseite, einen Punkt oder eine abgeschrägte Kante. Von oben gesehen zählst du von dort gegen den Uhrzeigersinn weiter.

Typische Beschaltung: der Abblockkondensator

Digitale ICs schalten ihre Ausgänge in wenigen Nanosekunden um. In diesem Moment zieht der Chip einen kurzen, steilen Stromstoß aus der Versorgung. Die Leiterbahn dorthin wirkt wie eine kleine Spule, und an ihr entsteht nach dem Induktionsgesetz eine Spannung U = L · Δi / Δt, die die Versorgung am Chip einbrechen lässt. Deshalb sitzt an jedem Versorgungspin ein Abblockkondensator von typisch 100 nF, so nah wie möglich zwischen VCC und GND. Er liefert den Stromstoß aus der Nähe; die lange Leitung muss nur noch den Mittelwert nachliefern. Warum ein Kondensator das kann, erklärt Kondensator im Gleichstromkreis.

Verwende dafür einen keramischen MLCC – Elkos sind für so kurze Impulse zu träge.

Auswahl und Praxistipps

Beim Auswählen eines ICs prüfst du zuerst die Funktion, dann den Versorgungsbereich, die Pegel der Ein- und Ausgänge, den Temperaturbereich (kommerziell 0 bis 70 °C, industriell −40 bis 85 °C, Automotive bis 125 °C) und das Gehäuse. Ein Blick auf Verfügbarkeit und Zweitquellen lohnt: Standardtypen wie LM358, NE555 oder 74HC00 bauen viele Hersteller pinkompatibel, Spezialchips oft nur einer.

Häufige Fehler:

• Versorgung verpolt oder vertauscht: Schon Sekunden mit vertauschtem VCC und GND zerstören die meisten ICs. Pinbelegung immer gegen das Datenblatt prüfen, nicht gegen ein ähnliches Bauteil.
• Kein Abblockkondensator: Die Schaltung läuft im Labor, stürzt aber sporadisch ab oder schwingt.
• Offene CMOS-Eingänge: Unbenutzte Eingänge floaten, das Gatter schaltet zufällig und zieht Querstrom. Lege sie auf VCC oder GND.
• Signal ohne Versorgung: Liegt an einem Eingang Spannung, während der Chip noch keine Versorgung hat, fließt Strom über die ESD-Schutzdioden in die Versorgungsleitung. Der Chip läuft halb an oder nimmt Schaden – ein Serienwiderstand begrenzt den Strom.
• Freiliegendes Pad nicht gelötet: Bei QFN- und PowerPAD-Gehäusen führt die Fläche an der Unterseite Wärme und oft auch GND. Ohne Lötverbindung wird der Chip heiß oder funktioniert gar nicht.
• Elektrostatik: ICs sind empfindlich gegen Entladungen. Wie du sie schützt, steht unter ESD.

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