Circuit intégré

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Le circuit intégré (CI) (ou la 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 réduit, rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories : analogique et numérique. Image:Integrated-circuit.jpg Image:Carte vitale anonyme.jpg

Sommaire

1 Invention
- 1.1 Circuit intégré analogique
- 1.2 Circuit intégré numérique
2 Apparence
3 Composants internes
4 Échelle d'intégration
5 La technique de fabrication la plus courante
- 5.1 Matière première
- 5.2 La photolithogravure
  - 5.2.1 Étapes de fabrication
  - 5.2.2 Phases finales
6 Technologies spécialisées
7 Voir aussi

[modifier] Invention

Jack Kilby est l'inventeur du circuit intégré. Il est mort à l'âge de 81 ans en juin 2005 suite à une longue maladie. En 1958, cet américain, alors employé par Texas Instruments, créait le tout premier circuit intégré, jetant ainsi les bases de l'informatique 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 organisées par Texas Instruments. À l'époque, Kilby avait tout simplement relié entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors. Cette découverte a valu à Kilby un prix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.

[modifier] 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 complexité de cette grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique haute fréquence et de télécommunication.

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

[modifier] Circuit intégré numérique

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques simples (et, ou, non), les plus compliqués 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 (traitement d'image, compression vidéo...) on parle alors de DSP (pour Digital 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.

[modifier] Apparence

Image:Three IC circuit chips.JPG Image:Atmel atmega32 mikrokontrolleri.jpg 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 qui permettent d'établir des connexions. Ces composants sont soudés, ou enfichés dans des supports à des fins de démontage, sur un circuit imprimé.

Sur le boîtier sont peint : un logo qui indique le nom du constructeur, 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 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 par effet joule et bien souvent du nombre et de la taille des broches de sortie du circuit ainsi que de l'espace entre ces broches.

Différent types de boitiers permettent d'adapter le circuit intégré à sont environnement de destination.

Le format le plus ancien à pour nom DIP.
La miniaturisation aidant les circuits dit de surfaces ont fait leur apparition : le format SO
Bien d'autre types existent : Un lien externe décrivant les types de boitiers.

[modifier] 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 miniaturisable.

[modifier] 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 leur utilité avec la croissance exponentiel du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme). Afin de parvenir a de tels niveaux d'intégrations, un flot de conception complexe est utilisé.

[modifier] La technique de fabrication la plus courante

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 est souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante permet l'emploi du cuivre.
On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille du transistor.

[modifier] Matière première

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

Néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de gallium.

Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme mono-cristalline. Ce matériau 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 500 µm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.t1

[modifier] La photolithogravure

Ce procédé est actuellement le plus répandu.

[modifier] Étapes de fabrication

Image:153056995 5ef8b01016 o.jpg

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 pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (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 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 verni 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 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.

[modifier] 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 ou via un procédé de découpe laser.
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.

[modifier] Technologies spécialisées

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

[modifier] Silicium sur isolant

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 d'énergie. Le silicium « à coté » des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).

[modifier] Silicium sur saphir

Dans certains cas, le substrat en silicium monocristallin est purement et simplement abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement des atomes 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.

[modifier] 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.

[modifier] Développements futurs

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 :