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Warum Chips altern und was man dagegen tun kann

An CPU, GPU und Speicherchips nagt der Zahn der Zeit und bei übermäßiger Belastung zeigen sie echte Ausfallerscheinungen. Entwickler müssen das berücksichtigen.

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Je weniger Bauteile, elektrische Verbindungen und Leiterplatten ein Gerät enthält, desto weniger können ausfallen. Zugleich senkt die immense Schaltkreis-Dichte aktueller Prozessoren die Kosten pro Funktion und den Platz- und Strombedarf der ICs. Aber: Mit der Integrationsdichte steigt der Verschleiß im Halbleiter selbst. So sorgt Elektronenmigration für Unterbrechung von Leiterbahnen im IC, auch Temperatureffekte wie Bias Temperature Instability (BTI) und Hot Carrier Injection (HCI) spielen bei hochintegrierten Chips eine immer größere Rolle.

Die Zuverlässigkeit, Robustheit und Langlebigkeit eines elektronischen Systems hängt von sehr vielen Faktoren ab, etwa von der Bauart der Platinen, vom Verfahren, mit dem die Bauelemente auf der Platine verbunden werden, und von den Eigenschaften der Bauelemente selbst – die Entwickler müssen das Zusammenspiel aller Komponenten im Blick behalten.

PC-Mainboard mit Prozessor im Flip-Chip Ball Grid Array-Gehäuse: Der Siliziumchip sitzt kopfüber (flipped, FC) auf einem Raster aus Lotkugeln (BGA), das ihn mit dem grünen Die Carrier verbindet.

Wurden Leiterplatte, Verbindungstechnik und Chipgehäuse optimal gestaltet, wird die Zuverlässigkeit der eigentlichen Halbleiterbauelemente wichtig. Hier gibt es einige Faustregeln: Je kleiner die Chipfläche ist, desto geringer wirken sich mechanische Kräfte durch Temperaturdifferenzen aus. Gröbere Strukturen sind tendenziell weniger anfällig gegen zufällige Störungen, etwa durch kosmische Strahlung oder schwankende Betriebsspannung. Teilweise wählt man bei Chips auch bewusst gröbere Strukturen und damit länger erprobte Fertigungsverfahren, weil sie etwas höhere Zuverlässigkeit versprechen.

Produkte wie Smartphones oder autonome Fahrzeuge verlangen jedoch die jeweils fortschrittlichste Chiptechnik: Die kleinsten Transistoren schalten potenziell schneller oder sparsamer als ihre Vorgänger und es lassen sich mehr davon auf ein Silizium-Die packen. Apple setzt in iPhones bereits millionenfach den A12 Bionic mit 7-Nanometer-Strukturen ein, auch Qualcomm, Huawei oder AMD liefern zumindest schon 7-nm-Prototypen.

Solche hochintegrierten Halbleiter-ICs entstehen auf großen Siliziumscheiben, den sogenannten Wafern. Sie durchlaufen in milliardenteuren Chipfabriken zahlreiche Bearbeitungsschritte, die Schichten aufbringen und strukturieren. So entstehen die einzelnen Transistoren und in darüberliegenden Lagen die metallischen Verbindungen zwischen den einzelnen Transistoren und zwischen ganzen Funktionsblöcken.

Wie sich ein physischer Funktionsblock eines Chips verhalten wird, lässt sich schon vor der Produktion simulieren. In der Realität treten jedoch deutliche Abweichungen von den simulierten Werten auf, unter anderem hervorgerufen durch Schwankungen bei der Fertigung und durch Umwelteinflüsse.

Der Materialtransport durch Elektromigration verursacht ein Loch im Bereich der Durchkontaktierung. Rechts zum Vergleich der Zustand ohne Loch.

(Bild: O. Aubel, Globalfoundries)

Die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen variieren aber nicht nur, sondern sie verändern sich auch durch die normale Nutzung und erst recht durch extreme Belastung, etwa durch Übertakten. Werden PC-Prozessoren, Grafikkarten und ihre Speicherchips jenseits der Spezifikation betrieben, erwärmen sich die Chips übermäßig. Man spricht von Alterung, Verschleiß oder Degradation.

Welche Alterungsmechanismen auf der Chip-Ebene auftreten und was die Entwickler dagegen unternehmen, beleuchtet c't in einem ausführlichen Report:

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