„Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa“ - unter diesem Motto fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 400 Millionen Euro die Forschung und Innovation in der Mikroelektronik.
Vertrauenswürdigkeit
Mikroelektronik ist eine globale Industrie mit vielen hochspezialisierten Unternehmen. Bevor ein Mikrochip im Endprodukt eingebaut wird, hat er nicht selten mehrfach den ganzen Globus umrundet.
Viele europäische Unternehmen bauen fertige Chips in ihre Produkte ein. Um zuverlässige Produkte etwa für das autonome Fahren, für die Energieversorgung oder für die moderne Medizin entwickeln und fertigen zu können, müssen sich die Unternehmen unbedingt auf die Qualität und Vertrauenswürdigkeit der weitgereisten Elektronikkomponenten verlassen können.
Vertrauenswürdigkeit bedeutet, dass wir genau wissen, wie die einzelnen Komponenten funktionieren und deren Fertigung verstehen, und dass wir diese auch überprüfen und ihre Sicherheit kontrollieren können.
Das BMBF hat deshalb die Leitinitiative Vertrauenswürdige Elektronik auf den Weg gebracht. Wir fördern die Entwicklung von neuen Technologien, Standards und Normen, die den gesamten Entstehungsweg eines Chips umfassen. Damit schaffen wir die Grundlage für vertrauenswürdige und sichere Elektronikkomponenten und -systeme ˌˈMade in Germanyˈ und stärken die technologische Souveränität Deutschlands und Europas.
Mikroeleketronik
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3
Monate dauert die Herstellung eines Mikrochips.
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100
km Verdrahtung befinden sich auf einem modernen Mikrochip.
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115
Millionen Mikrochips pro Stunde wurden 2022 weltweit produziert.
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100
Milliarden Transistoren können schon heute in einem einzigen Mikrochip enthalten sein.
(Quellen: Semiconductors, Semi Report 2024, Elektronikpraxis, Semi Fun Facts)
Nachhaltigkeit
Die rasante Verbreitung der Elektronik ist sowohl Chance als auch Herausforderung. Einerseits können vielfach Ressourcen durch smarte digitale Lösungen eingespart werden. Mit digitalen Technologien kann der Ausstoß von Treibhausgasen reduziert werden, weil Stromnetze optimal geregelt werden. Andererseits braucht die Digitaltechnik selbst Ressourcen und Energie.
Mit dem Kompetenzzentrum GreenICT@FMD fördert das BMBF eine zentrale Anlaufstelle für nachhaltige digitale Technologien an der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Die Forschungsfabrik ist ein Zusammenschluss von 13 Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft.
Quiz
FrageFrage: 1von 6
Das menschliche Gehirn ist Vorbild für manche Mikrochips.
Design
Die Herstellung eines Chips beginnt mit dem Design. Ganz am Anfang eines jeden Chips liegt ein wesentlicher Teil des Know-hows. Das heißt: Je besser wir in Deutschland und Europa designen können, desto innovativer und wettbewerbsfähiger sind unsere Chips.
Das BMBF hat die Designinitiative Mikroelektronik gestartet: für mehr Kompetenzen im Chip-Design in Deutschland.
- Seit 2023 fördert das BMBF das bundesweite Netzwerk „Chipdesign Germany“.
- Eine Allianz von Hochschulen in dem Netzwerk kümmert sich um die Ausbildung der künftigen Chip-Designer.
- Mit der Initiative DE:Sign unterstützt das BMBF Open-Source Chip-Design – für ein offenes Ökosystem von Software für das Design von Chips.
- Wir arbeiten mit den Besten weltweit zusammen – zum Beispiel hat das BMBF eine Forschungs-Kooperation mit Taiwan aufgebaut, dem internationalen Top-Standort für Chips.
Fachkräfte
Mikroelektronik in Deutschland braucht gut qualifizierte Menschen. Das BMBF fördert daher eine Mikroelektronik-Akademie als zentrale Anlaufstelle für die praxisnahe Qualifizierung in der Mikroelektronik. Die Akademie wurde 2022 von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) gegründet. Forschungsinstitute und Hochschulen entwickeln gemeinsam mit der Industrie neue Qualifizierungsangebote für Technikerinnen und Techniker und Studierende.
In fünf Schritten zum Mikrochip
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Entwurf
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Am Anfang der Chipfertigung steht der Entwurfsprozess. Dabei wird mittels spezieller Software der integrierte Schaltkreis entwickelt. Der Prozess selbst besteht wiederum aus mehreren Schritten: Spezifikation, Architektur-, Verhaltens-, Logik-, Schaltungsentwurf, Layoutsynthese und -verifikation. Im Ergebnis liegt der Bauplan für die physikalischen Strukturen im Inneren des Chips vor.
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Frontend Fertigung
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Chips bestehen im Wesentlichen aus Millionen bis Milliarden miteinander verschalteten Transistoren. Als Grundlage dient ein Wafer aus Silizium. Im ersten Schritt der Fertigung, der sogenannten Frontend-Fertigung, werden die Transistorstrukturen schichtweise aufgebaut. Dazu werden auf Basis der Entwurfsdaten Masken erstellt, über die mit aufwändigen Belichtungsverfahren die Transistorstrukturen auf den Wafer übertragen werden. Anschließend werden die so markierten Strukturen eingeätzt. Durch zigfache Ausführung von Belichtung und Ätzen entstehen Schicht für Schicht die Transistorstrukturen.
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Backend Fertigung
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Bei der sogenannten Backend-Fertigung werden die Transistoren auf dem Wafer miteinander verschaltet. Hierfür werden mit Leiterbahnen aus Kupfer in bis zu 30 Verbindungslagen aufgebracht. Der Prozess ähnelt im Prinzip dem Aufbau der Transistoren. Allerdings kommen nun galvanische Prozesse zum Einsatz.
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Test
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Auf einem Wafer werden hunderte Chips realisiert - und dort auch getestet. Der Test ist sehr wichtig, denn aufgrund der sehr feinen Strukturen im Nanometerbereich können bereits kleinste Staubkörner zu einer Fehlfunktion des gerade gefertigten Chips führen. Darum nehmen Test und Verifikation bei komplexer Mikroelektronik bis zu 70 Prozent des Entwicklungsaufwands ein.
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Packaging
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Zum Schluss wird der Wafer mit einem Kreissägeblatt in einzelne sogenannte Dies zerteilt. Diese werden zum Abschluss des Fertigungsprozesses in ein Gehäuse verpackt und mit Kontakten versehen, mit denen die inneren Strukturen des Chips mit der Außenwelt verbunden werden. Damit ist der Chip fertig für den Einbau in das Endprodukt.
Redaktionsschluss dieses Textes: 01.11.2024