Circuit intégré

Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) et numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une...).

Une puce sur une carte Vitale.
Une puce sur une carte Vitale (La Carte Vitale est la carte d'assurance maladie de l'assurance maladie en France. Conçue par le groupement d'intérêt économique SESAM-Vitale, c'est une carte à puce au format carte de crédit...).

Invention

Jack Kilby (1923–2005) est l'inventeur du circuit intégré. En 1958, cet Américain, alors employé par Texas Instruments, créait le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premier circuit intégré, jetant ainsi les bases du matériel informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que...) moderne. Pour la petite histoire Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de vacances (Les vacances (au pluriel, du latin vacare, « être sans ») sont une période de temps (de quelques jours, semaines, voire mois) pendant laquelle une personne cesse son activité...) organisées par Texas Instruments. À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir et manipuler des...). Il ne faudra par la suite que quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) du stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de prototype à la production de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de puces en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des...) en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.

Circuit intégré analogique

Les composants les plus simples peuvent être de simples transistors en-capsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant.

Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie,...) de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) et de télécommunication.

Un exemple de circuit analogique : l'ampli op LM741 et une ribambelle de cousins.

Circuit intégré numérique

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (et, ou, non), les plus complexes sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques (ASIC pour Application Specific Integrated Circuit), notamment pour le traitement du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la...) (traitement d'image, compression vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un...)...) on parle alors de DSP (pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans une...) programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) d'intégration.

Apparence

Circuits intégrés boîtier DIP.
Circuits intégrés boîtier DIP.
Un microcontrôleur boîtier DIP.
Un microcontrôleur boîtier DIP.

Les circuits intégrés se présentent généralement sous la forme de boîtiers pleins rectangulaires, noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de broches/pattes/pins permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du boîtier. Ces composants sont brasés, (soudé, terme impropre) sur un circuit imprimé, ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux même brasés sur un circuit imprimé.

Sur le boîtier sont peints : le logo du fabricant, une référence permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions et la date de fabrication (4 chiffres codés AASS : année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) produite par effet joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs,...) et, bien souvent du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».), de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de leur espacement.

Différents types de boitiers permettent d'adapter le circuit intégré à son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) de destination.

  • Le format le plus ancien a pour nom DIP ou DIL pour Dual in line package qui se traduit sommairement par " Boîtier avec deux lignes ".
  • La miniaturisation aidant, les circuits dits de surface ont fait leur apparition : le format SO

Bien d'autres types existent :

 
 Un lien externe décrivant les types de boîtiers. 
 

Composants internes

Un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement des transistors, des diodes, des résistances, des condensateurs, plus rarement des inductances car elles sont plus difficilement miniaturisables.

Échelle d'intégration

L'échelle d'intégration définit le nombre de portes par boîtier :

  • SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12
  • MSI (medium) moyenne : 12 à 99
  • LSI (large) grande : 100 à 9999
  • VLSI (very large) très grande : 10 000 à 99 999
  • ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et plus

Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec la croissance exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications....) du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme). Afin de parvenir à de tels niveaux d'intégrations, un flot de conception complexe est utilisé.

La technique de fabrication la plus courante

Des microprocesseurs sur la tranche de silicium (wafer) qui sert à leur fabrication.
Des microprocesseurs sur 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 le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.
  • L'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) est souvent employé dans ce but, mais une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) plus performante permet l'emploi du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses...).
  • On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de...) du transistor.

Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) première

La matière première de base habituellement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est le silicium.

Néanmoins, d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium.

Le silicium est un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...) dans sa forme mono-cristalline. Ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) doit être pur à 99,99%.

On fabrique d'abord un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 100 à 800 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...), appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.t1

La photolithogravure

Ce procédé est actuellement le plus répandu.

Étapes de fabrication

Le circuit integré d'une puce Intel 8742
Le circuit integré d'une puce Intel 8742

Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a crû considérablement depuis 20 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 le wafer à du dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions...) pur après chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) pour fabriquer une couche d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un vernis photosensible.
  • 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 (Exposant peut signifier:) aux ultraviolets, (ou aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements est dissout grâce à un solvant spécifique.
  • Gravure : l'oxyde de silicium est donc 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, appelés dopants, 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 20).
  • On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est possible de graver, en l'occurrence la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie...) de la grille du transistor MOS.
    • En 2004, les gravures les plus fines en production sont de 0,13 µm (ou 130 nm) et 90 nm.
    • En 2006, les gravures les plus fines en production sont de 60 nm et 30 nm.

Phases finales

  • 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 le wafer. Les puces défectueuses sont marquées. Il s'agit de l'EWS
  • Le wafer est finalement découpé au diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le...) ou via un procédé de découpe laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme...) pour obtenir des die.
  • Les puces ainsi obtenues sont insérées dans un boîtier individuel 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...).

Technologies spécialisées

Certaines techniques sont aussi utilisées pour des circuits intégrés de type un peu spécialisé.

Silicium sur isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire...)

La technologie (silicon on insulator - SOI) consiste à introduire une couche isolante électriquement sous les transistors en profondeur du silicium. Cela réduit les pertes d'électrons dans le circuit, sources de consommation statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Le silicium " à coté " des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse (On distingue :) pour les portes CMOS complexes).

Silicium sur saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse)

Dans certains cas, le substrat en silicium monocristallin est purement et simplement abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) de silicium sur le substrat est naturellement plus régulier) peut alors être compensé pour des applications spécialisées. C'est ainsi que le silicium sur saphir (substrat en saphir cristallin) est utilisé dans les applications où le circuit intégré sera exploité dans un environnement spatial ou soumis à d'intenses radiations qui rendraient les substrats de silicium inutilisables.

Arséniure de gallium

On réalise également des semi-conducteurs à base d'arséniure de gallium. Même si ce matériau a eu l'antériorité sur le silicium, il avait quasiment disparu de l'industrie. Aujourd'hui les avantages intrinsèques de ce matériau en termes de vitesse de commutation lui redonnent une nouvelle jeunesse dans le domaine des hautes fréquences et l'on voit réapparaître une fabrication industrielle sur la base de cette technologie.

Développements futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.)

L'industrie des circuits intégrés est une de celles qui évoluent le plus rapidement de l'histoire des technologies. Elle explore continuellement de nouvelles technologies. Parmi celles qui semblent avoir un avenir prometteur il faut compter :

  • les substrats en diamant, dont on attend beaucoup en termes de refroidissement
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