Circuit intégré

Caractéristiques
Type	Composant électronique, circuit électronique, miniaturized device (d), composant semiconducteur
Matériaux	Silicium, arséniure de gallium, dopant (en), aluminium, cuivre
Composé de	Die, Boîtier de circuit intégré (en)
Date	1958

Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant électronique, basé sur un semi-conducteur, reproduisant une ou plusieurs fonctions électroniques plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit (sur une petite plaque), rendant le circuit facile à mettre en œuvre^[1].

Faits en bref Type, Matériaux ...

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

En 1958, l’Américain Jack Kilby invente le premier circuit intégré^[2], jetant ainsi les bases du matériel informatique moderne. Jack Kilby, qui venait de rejoindre la compagnie, a fait cette découverte alors que 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. Ces ensembles de transistors interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc, permettaient la réalisation de mémoires, ainsi que d'unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume incroyablement réduit, un maximum de fonctions 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 le prix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire de Texas Instruments et détenait plus de soixante brevets à son nom^[5].

Premières utilisations

Le programme de missiles balistiques Minuteman II a 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 (le D-37C d'Autonetics), il a d'ailleurs été le seul consommateur de ce type d'ordinateur de 1962 à 1967. L'ordinateur comprenait des circuits fabriqués par Texas Instruments de types DTL et DL. Le seul autre ordinateur qui a fait appel à cette technologie est celui destiné à contrôler les missions Apollo, ordinateur qui avait des contraintes semblables du point de vue de la masse et de la fiabilité.

Circuit intégré analogique

Les circuits intégrés analogiques les 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].

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. De nombreuses applications analogiques sont à base d'amplificateurs opérationnels.

Circuit intégré numérique

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (et, ou et 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 (ou ASIC pour Application-specific integrated circuit), notamment pour le traitement du signal (traitement d'image, compression vidéo…) on parle alors de processeur de signal numérique (ou 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.

Boîtier

Les circuits intégrés sont généralement protégés dans un boîtier en 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 sont brasés avec de l'étain, (« soudé » étant un terme impropre) sur un circuit imprimé, ou enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux-mêmes brasés sur un circuit imprimé. Avec les besoins de miniaturisation, les broches ont été réduites à de simples surfaces de connexion à même le boîtier, permettant un montage en surface du circuit imprimé (boîtiers CMS).

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 par effet Joule et, 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 nom Dual 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 format SO.

Bien d'autres types existent :

Article détaillé : Boîtier de circuit intégré.

Die

Le die est la partie élémentaire, de forme rectangulaire, reproduite à l’identique à l’aide d’une matrice sur une tranche de silicium en cours de fabrication. Il correspond à un circuit intégré qui sera ensuite découpé et que l’on appellera une puce avant qu’elle ne soit encapsulée pour donner un circuit intégré complet, prêt à être monté sur une carte.

Le die d'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.

Article détaillé : Die (circuit intégré).

L'échelle d'intégration (en anglais : scale integration) définit le nombre de portes logiques par boîtier :

Davantage d’informations Nom, Signification ...

Nom	Signification	Année de sortie	Nombre de transistors^[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

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Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec la croissance exponentielle des nombres de portes. Aujourd'hui, plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un nombre 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.

Article détaillé : Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs.

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, 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, qui conduit mieux l’électricité et la chaleur.
On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la grille du transistor.

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 employé depuis la découverte de l'effet transistor en 1947 par les chercheurs des Laboratoires Bell qui reçoivent le prix Nobel de physique en 1956 pour cette découverte^[4].

Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme monocristalline. 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 100 à 800 μm d'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais). Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.

Photolithogravure

Article détaillé : Photolithographie.

La photolithographie, désigne l'ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semi-conducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette de silicium. 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

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 le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, puis 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 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, 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 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 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 et 30 nm ;
en 2015, les gravures les plus fines en production sont de 14 nm ;
en 2018, les gravures les plus fines en production sont de 10 et 7 nm^[11] ;
IBM a affirmé pouvoir graver en 5 nm, qui a pu être produit en 2019/2020^[12].

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 (inking). Il s'agit de l’EWS.
Le wafer est finalement découpé au moyen d'une scie circulaire au diamant d'une épaisseur de 0,02 mm ou via un procédé de découpe laser 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. Chaque transistor peut être testé sur une dizaine de paramètres différents (tensions, courants, résistances, gains, capacités, temps de commutation, etc.)^[4].

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 (fonderies exclues)^[13] :

Davantage d’informations Rang 2011, Rang 2010 ...

Rang 2011	Rang 2010	Entreprise	Nationalité/localisation	Chiffre d'affaires (millions de $ USD)	2011/2010 (%)	Part de marché (%)
1	1	Intel Corporation⁽¹⁾	États-Unis	49 685	+23,0	15,9
2	2	Samsung Electronics	Corée du Sud	29 242	+3,0	9,3
3	4	Texas Instruments⁽²⁾	États-Unis	14 081	+8,4	4,5
4	3	Toshiba Semiconductors	Japon	13 362	+2,7	4,3
5	5	Renesas Technology	Japon	11 153	−6,2	3,6
6	9	Qualcomm⁽³⁾	États-Unis	10 080	+39,9	3,2
7	7	STMicroelectronics	France Italie	9 792	−5,4	3,1
8	6	Hynix	Corée du Sud	8 911	−14,2	2,8
9	8	Micron Technology	États-Unis	7 344	−17,3	2,3
10	10	Broadcom	États-Unis	7 153	+7,0	2,3
11	12	Advanced Micro Devices	États-Unis	6 483	+2,2	2,1
12	13	Infineon Technologies	Allemagne	5 403	−14,5	1,7
13	14	Sony	Japon	5 153	−1,4	1,6
14	16	Freescale Semiconductor	États-Unis	4 465	+2,5	1,4
15	11	Elpida Memory	Japon	3 854	−40,2	1,2
16	17	NXP	Pays-Bas	3 838	−4,7	1,2
17	20	NVIDIA	États-Unis	3 672	+14,9	1,2
18	18	Marvell Technology Group	États-Unis	3 448	−4,4	1,1
19	26	ON Semiconductor⁽⁴⁾	États-Unis	3 423	+49,4	1,1
20	15	Panasonic Corporation	Japon	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

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Notes :

⁽¹⁾Intel Corporation : acquisition de la division sans fil de Infineon Technologies ;
⁽²⁾Texas Instruments : acquisition de National Semiconductor ;
⁽³⁾Qualcomm : acquisition de Atheros Communications ;
⁽⁴⁾ON Semiconductor : acquisition de Sanyo semiconductor division.

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

Altis Semiconductor (Corbeil-Essonnes) ;
Atmel (Saint-Quentin-en-Yvelines, Saint-Egrève) ;
Freescale (Toulouse, Paris) ;
Ipdia (Caen) ;
LFoundry (Rousset, ex-Atmel) ;
MHS Electronics (Nantes, ex-Atmel)^[14] ;
NXP (Rennes, Sophia-Antipolis, Le Mans) ;
ON Semiconductor (Toulouse) ;
STMicroelectronics (Grenoble, Crolles, Tours, Rousset, Rennes, Paris) ;
Soitec (Bernin). Soitec n'est pas à proprement parler une entreprise de composants, elle produit le substrat en SOI qui permet la fabrication de certains de ces composants.

Il faut une quantité considérable de matière première pour fabriquer une puce électronique : le sac à dos écologique (qui représente la quantité de matières premières nécessaires à la fabrication du produit) d'une puce électronique de 0,09 g est de 20 kg^[15].

[1]
« integrated circuit (IC) », sur jedec.org.
[2]
(en) Personnel de rédaction, « The Chip that Jack Built », Texas Instruments, 2010 (consulté le 29 juin 2010).
[3]
Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante : Inventer l'Ordinateur du XXI^e siècle, Londres, Hermes Science, 2007, 302 p. (ISBN 978-2-7462-1516-0), p. 37.
[4]
François Francis Bus, L'époque où les puces font leurs lois : Histoire des semiconducteurs vécue de chez Texas Instruments, Books on Demand, 2020 (ISBN 2-322-25685-4 et 978-2-322-25685-3, OCLC 1225066813).
[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) Jim Williams, Analog circuit design : Art, Science, and Personalities, Newnes, 1991, 389 p. (ISBN 0-7506-9640-0, lire en ligne), p. 238
« Even within companies producing both analog and digital products… »
[8]
Marc Dalmau, « Les microprocesseurs » [PDF], sur IUT de Bayonne.
[9]
Bulletin de la Société fribourgeoise des sciences naturelles, vol. 62-63, 1973 (lire en ligne).
[10]
Lire en ligne, sur ieeexplore.ieee.org.
[11]
« 10 nm, 7 nm, 5 nm : la finesse de gravure, enjeu du monde mobile », sur iGeneration (consulté le 8 septembre 2020).
[12]
Brice Louvet, expert espace et sciences, « IBM parvient à fabriquer des puces gravées en 5 nanomètres, divisant par 4 la consommation d'énergie », sur Sciencepost, 7 juin 2017 (consulté le 28 juillet 2024)
[13]
IHS iSuppli 2011.
[14]
.
[15]
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.

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Articles connexes

Liens externes

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Notices d'autorité :
- BnF (données)
- LCCN
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- Japon
- Israël
- Tchéquie

[1] [1]
« integrated circuit (IC) », sur jedec.org.

[2] [2]
(en) Personnel de rédaction, « The Chip that Jack Built », Texas Instruments, 2010 (consulté le 29 juin 2010).

[3] [3]
Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante : Inventer l'Ordinateur du XXI^e siècle, Londres, Hermes Science, 2007, 302 p. (ISBN 978-2-7462-1516-0), p. 37.

[:0-4] [4]
François Francis Bus, L'époque où les puces font leurs lois : Histoire des semiconducteurs vécue de chez Texas Instruments, Books on Demand, 2020 (ISBN 2-322-25685-4 et 978-2-322-25685-3, OCLC 1225066813).

[laureat_nobel_2000-5] [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] [6]
Donald MacKenzie, Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Missile Guidance, MIT Press, 1993, p. 156.

[7] [7]
(en) Jim Williams, Analog circuit design : Art, Science, and Personalities, Newnes, 1991, 389 p. (ISBN 0-7506-9640-0, lire en ligne), p. 238
« Even within companies producing both analog and digital products… »

[8] [8]
Marc Dalmau, « Les microprocesseurs » [PDF], sur IUT de Bayonne.

[9] [9]
Bulletin de la Société fribourgeoise des sciences naturelles, vol. 62-63, 1973 (lire en ligne).

[10] [10]
Lire en ligne, sur ieeexplore.ieee.org.

[11] [11]
« 10 nm, 7 nm, 5 nm : la finesse de gravure, enjeu du monde mobile », sur iGeneration (consulté le 8 septembre 2020).

[12] [12]
Brice Louvet, expert espace et sciences, « IBM parvient à fabriquer des puces gravées en 5 nanomètres, divisant par 4 la consommation d'énergie », sur Sciencepost, 7 juin 2017 (consulté le 28 juillet 2024)

[13] [13]
IHS iSuppli 2011.

[14] [14]
.

[15] [15]
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.

[1]

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