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Circuit intégré

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Pour les articles homonymes, voirCIetIntégration.

Circuit intégré
Type
Caractéristiques
Matériaux
Composé de
Die,Boîtier de circuit intégré(en)Voir et modifier les données sur Wikidata
Invention
Date

modifier-modifier le code-modifier WikidataDocumentation du modèle

Lecircuit intégré(CI), aussi appelépuce électronique,est uncomposant électronique,basé sur unsemi-conducteur,reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types decomposants électroniques de basedans un volume réduit (sur une petite plaque), rendant le circuit facile à mettre en œuvre[1].

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories:analogiqueetnumérique.

Historique

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En1958,l’AméricainJack Kilbyinvente le premier circuit intégré[2],jetant ainsi les bases dumatériel informatiquemoderne. Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que ses collègues profitaient de vacances organisées parTexas Instruments.À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différentstransistorsen les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade deprototypeà laproduction de massede puces ensiliciumcontenant plusieurs transistors. Ces ensembles de transistors interconnectés en circuitsmicroscopiquesdans un même bloc, permettaient la réalisation demémoires,ainsi que d'unités logiques et arithmétiques.Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume incroyablement réduit, un maximum defonctions logiques,auxquelles l'extérieur accédait à travers des connexions réparties à la périphérie du circuit[3].Le brevet est finalement accordé à Texas Instrument en 1964[4].Cette découverte a valu à Kilby leprix Nobel de physiqueen2000,alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de soixantebrevetsà son nom[5].

Premières utilisations

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Le programme demissiles balistiquesMinuteman IIa été essentiel au développement économique de l'industrie du circuit intégré[6].C'est le premier objet produit en série qui intégrait un ordinateur conçu à partir de ceux-ci (leD-37Cd'Autonetics), il a d'ailleurs été le seul consommateur de ce type d'ordinateur de 1962 à 1967. L'ordinateur comprenait des circuits fabriqués parTexas Instrumentsde typesDTLet DL. Le seul autre ordinateur qui a fait appel à cette technologie est celui destiné à contrôler lesmissions Apollo,ordinateur qui avait des contraintes semblables du point de vue de la masse et de la fiabilité.

Circuit intégré analogique

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Les circuits intégrésanalogiquesles plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages complexes pouvant réunir toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant[7].

Lesamplificateurs opérationnelssont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électroniquehautefréquenceet detélécommunication.De nombreuses applications analogiques sont à base d'amplificateurs opérationnels.

Circuit intégré numérique

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Lescircuits intégrés numériquesles plus simples sont desportes logiques(et,ouetnon), les plus complexes sont lesmicroprocesseurset les plus denses sont lesmémoires.On trouve de nombreuxcircuits intégrés dédiés à des applications spécifiques(ou ASIC pourApplication-specific integrated circuit), notamment pour letraitement du signal(traitement d'image,compression vidéo…) on parle alors deprocesseur de signal numérique(ou DSP pourDigital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA,CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d'intégration.

Composition

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Boîtier

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Circuits intégrés boîtierDIP.
UnmicrocontrôleurboîtierDIP.

Les circuits intégrés sont généralement protégés dans unboîtieren plastique (parfois céramique) rectangulaire, noirs. Les circuits intégrés « classiques » sont équipés sur deux côtés opposés de broches de connexion (appelées aussi « pattes » ou « pins ») permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du boîtier. Ces composants sontbrasésavec de l'étain,(« soudé » étant un terme impropre) sur uncircuit imprimé,ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux-mêmes brasés sur un circuit imprimé. Avec les besoins deminiaturisation,les broches ont été réduites à de simples surfaces de connexion à même le boîtier, permettant un montage en surface du circuit imprimé (boîtiersCMS).

Sur le boîtier peuvent être imprimés: le logo du fabricant, une référence qui permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions, la date de fabrication (quatre chiffres codés AASS: année et semaine). Les progrès de l'intégration sont tels que les circuits intégrés peuvent devenir très petits. Leur taille ne dépend plus guère que de la capacité du boîtier à dissiper la chaleur produite pareffet Jouleet, bien souvent du nombre, de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de leur espacement.

Différents types de boîtiers permettent d'adapter le circuit intégré à son environnement de destination.

  • Le format le plus ancien a pour nomDual Inline Package(DIP ou DIL) qui se traduit sommairement par « boîtier avec deux lignes ».
  • La miniaturisation aidant, les circuits dits de surface ont fait leur apparition: le formatSO.

Bien d'autres types existent:

Article détaillé:Boîtier de circuit intégré.

Die

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Undiede circuit intégréVLSI.

Ledieest la partie élémentaire, de forme rectangulaire, reproduite à l’identique à l’aide d’unematricesur unetranche de siliciumen cours de fabrication. Il correspond à un circuit intégré qui sera ensuite découpé et que l’on appellera unepuceavant qu’elle ne soit encapsulée pour donner uncircuit intégrécomplet, prêt à être monté sur une carte.

Ledied'un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement destransistors,desdiodes,desrésistances,descondensateurs,plus rarement desinductances,car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Article détaillé:Die (circuit intégré).

Échelle d'intégration

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L'échelle d'intégration (enanglais:scale integration) définit le nombre deportes logiquespar boîtier:

Nom Signification Année de sortie Nombre detransistors[8] Nombre de portes logiques
par boîtier[9]
SSI small-scale integration 1964 1 à 10 1 à 12
MSI medium-scale integration 1968 10 à 500 13 à 99
LSI large-scale integration 1971 500 à 20 000 100 à 9 999
VLSI very large-scale integration 1980 20 000 à 1 000 000 10 000 à 99 999
ULSI ultra large-scale integration 1984[10] 1 000 000 et plus 100 000 et plus

Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec lacroissance exponentielle des nombres de portes.Aujourd'hui, plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un nombrenormal(pour un microprocesseur ou uncircuit intégré graphiquehaut de gamme). Afin de parvenir à de tels niveaux d'intégrations, unflot de conceptioncomplexe est utilisé.

Technique de fabrication la plus courante

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Article détaillé:Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs.
Desmicroprocesseurssur la tranche de silicium (wafer) qui sert à leur fabrication.

La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.

  • Le motif de base est letransistor,ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.
  • L'aluminiumest souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi ducuivre,qui conduit mieux l’électricité et la chaleur.
  • On utilise parfois dusilicium polycristallin,également conducteur, notamment pour la grille du transistor.

Matière première

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La matière première de base habituellement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est lesilicium,néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme legermaniumou l'arséniure de gallium.

Le silicium est employé depuis la découverte de l'effettransistoren 1947 par les chercheurs desLaboratoires Bellqui reçoivent leprix Nobel de physiqueen 1956 pour cette découverte[4].

Le silicium est unsemi-conducteurdans sa forme monocristalline.Cematériaudoit être pur à 99,99 %.

On fabrique d'abord unbarreaucylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 100 à 800μmd'épaisseur et ayant jusqu'à 300mmde diamètre, appeléwafer(galette, en anglais). Unwaferva supporter de nombreux circuits intégrés.

Photolithogravure

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Article détaillé:Photolithographie.

La photolithographie, désigne l'ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'unsubstratsemi-conducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette desilicium.Les motifs deviendront par la suite les différentes zones actives des composants électroniques (exemples: contact, drain) ou les jonctions entre ces composants. Ce procédé est actuellement le plus répandu.

Étapes de fabrication

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Le circuit intégré d'une puceIntel8742.

Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a crû considérablement depuis vingt ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées. Toutefois, on retrouve à peu près toujours la même série d'étapes:

  • préparation de la couche: on expose lewaferà dudioxygènepur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, puis lewaferest recouvert d'un vernisphotosensible;
  • transfert: on transfère le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible à l'aide d'un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant auxultraviolets,(ou auxrayons X,pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissous grâce à un solvant spécifique;
  • gravure:l'oxyde de silicium est protégé par le vernis aux endroits exposés aux ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux endroits non protégés;
  • dopage:on dissout ensuite le vernis exposé avec un autre solvant, et des ions métalliques, appelésdopants,sont introduits dans le silicium exposé là où l'oxyde a été creusé, afin de le rendre conducteur;
  • couche suivante: l'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit intégré ou du microprocesseur (jusqu'à treize).

On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est possible de graver, en l'occurrence la largeur de la grille dutransistorMOS:

  • en 2004, les gravures les plus fines en production sont de 0,13μm(ou130 nm) et 90nm;
  • en 2006, les gravures les plus fines en production sont de 60 et 30nm;
  • en 2015, les gravures les plus fines en production sont de 14nm;
  • en 2018, les gravures les plus fines en production sont de 10 et 7nm[11];
  • IBM a affirmé pouvoir graver en5 nm,qui a pu être produit en 2019/2020.[réf. nécessaire]

Phases finales

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  • On dépose une pellicule métallique aux endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie.
  • Les circuits intégrés sont testés directement sur lewafer.Les puces défectueuses sont marquées (inking). Il s'agit de l’EWS.
  • Lewaferest finalement découpé au moyen d'une scie circulaire au diamant d'une épaisseur de 0,02mmou via un procédé de découpe laser pour obtenir desdie.
  • Les puces ainsi obtenues sont insérées dans unboîtierindividuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur.
  • Des tests de validation sévères et individuels sont alors entrepris pour qualifier les microprocesseurs, en fréquence et en température. Chaquetransistorpeut être testé sur une dizaine de paramètres différents (tensions, courants, résistances, gains, capacités, temps de commutation,etc.)[4].

Industrie

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Article détaillé:Liste des principaux fabricants de semi-conducteurs au fil des ans.

Les vingt plus importants fabricants de circuits intégrés en 2011 et leur part de marché sont (fonderiesexclues)[12]:

Rang
2011 		Rang
2010 		Entreprise Nationalité/localisation Chiffre
d'affaires
(millions
de $ USD) 		2011/2010 (%) Part de
marché (%)
1 1 Intel Corporation(1) Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 49 685 +23,0 15,9
2 2 Samsung Electronics Drapeau de la Corée du SudCorée du Sud 29 242 +3,0 9,3
3 4 Texas Instruments(2) Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 14 081 +8,4 4,5
4 3 Toshiba Semiconductors Drapeau du JaponJapon 13 362 +2,7 4,3
5 5 Renesas Technology Drapeau du JaponJapon 11 153 −6,2 3,6
6 9 Qualcomm(3) Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 10 080 +39,9 3,2
7 7 STMicroelectronics Drapeau de la FranceFranceDrapeau de l'ItalieItalie 9 792 −5,4 3,1
8 6 Hynix Drapeau de la Corée du SudCorée du Sud 8 911 −14,2 2,8
9 8 Micron Technology Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 7 344 −17,3 2,3
10 10 Broadcom Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 7 153 +7,0 2,3
11 12 Advanced Micro Devices Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 6 483 +2,2 2,1
12 13 Infineon Technologies Drapeau de l'AllemagneAllemagne 5 403 −14,5 1,7
13 14 Sony Drapeau du JaponJapon 5 153 −1,4 1,6
14 16 FreescaleSemiconductor Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 4 465 +2,5 1,4
15 11 Elpida Memory Drapeau du JaponJapon 3 854 −40,2 1,2
16 17 NXP Drapeau des Pays-BasPays-Bas 3 838 −4,7 1,2
17 20 NVIDIA Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 3 672 +14,9 1,2
18 18 Marvell Technology Group Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 3 448 −4,4 1,1
19 26 ON Semiconductor(4) Drapeau des États-UnisÉtats-Unis 3 423 +49,4 1,1
20 15 PanasonicCorporation Drapeau du JaponJapon 3 365 −32,0 1,1
Top 20 203 907 3,5 65,2
Toutes les autres entreprises 108 882 −1,1 34,8
Total 312 789 1,9 100,0

Notes:

Les principales entreprises de production de circuits intégrés présentes en France sont:

Écologie

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Il faut une quantité considérable de matière première pour fabriquer une puce électronique: lesac à dos écologique(qui représente la quantité de matières premières nécessaires à la fabrication du produit) d'une puce électronique de 0,09gest de 20kg[14].

Notes et références

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  1. ↑« integrated circuit (IC) »,surjedec.org.
  2. ↑(en)Personnel de rédaction, «The Chip that Jack Built»,Texas Instruments,(consulté le).
  3. ↑Jean-BaptisteWaldner,Nano-informatique et Intelligence Ambiante: Inventer l'Ordinateur duXXIesiècle,Londres, Hermes Science,,302p.(ISBN978-2-7462-1516-0),p.37.
  4. ↑abetcFrançois FrancisBus,L'époque où les puces font leurs lois: Histoire des semiconducteurs vécue de chez Texas Instruments,Books on Demand,(ISBN2-322-25685-4et978-2-322-25685-3,OCLC1225066813).
  5. ↑(en)«for basic work on information and communication technology […] for his part in the invention of the integrated circuit»in{{{auteur}}}, «The Nobel Prize in Physics 2000»,Fondation Nobel,2010. Consulté le 28 juin 2010.
  6. ↑Donald MacKenzie,Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Missile Guidance,MIT Press, 1993,p.156.
  7. ↑(en)JimWilliams,Analog circuit design: Art, Science, and Personalities,Newnes,,389p.(ISBN0-7506-9640-0,lire en ligne),p.238

    « Even within companies producing both analog and digital products… »

  8. ↑Marc Dalmau, «Les microprocesseurs»[PDF],surIUT de Bayonne.
  9. ↑Bulletin de la Société fribourgeoise des sciences naturelles,vol.62-63,(lire en ligne).
  10. ↑Lire en ligne,surieeexplore.ieee.org.
  11. ↑«10 nm, 7 nm, 5 nm: la finesse de gravure, enjeu du monde mobile», suriGeneration(consulté le).
  12. ↑IHS iSuppli 2011.
  13. ↑[1].
  14. ↑Marine Fabre et Wiebke Winkler, Les Amis de la Terre / CNIID,« L'obsolescence programmée, symbole de la société du gaspillage, le cas des produits électriques et électroniques », Rapport Septembre 2010,qui citent l'Institut de Wuppertal pour le climat, l'environnement et l'énergie:«Infobrief Forschungsgruppe nachhaltiges Produzieren und Konsumieren», 2008,p.4.

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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Numérique
Opto-électronique
Microélectronique MEMS
v·m
Domaines de l'informatique
Remarque: cette liste s'inspire dusystème de classification informatique de l'ACMédité en2012
Matériel
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