Circuit intégré

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.
Il existe une très grande variété de ces composants divisés en deux grandes catégories :analogiqueetnumérique.
En1958, l’AméricainJack Kilbyinvente le premier circuit intégré, 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. Le brevet est finalement accordé à Texas Instrument en 1964. 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.
Le programme demissiles balistiquesMinuteman IIa été essentiel au développement économique de l'industrie du circuit intégré. 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.
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.
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.
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.
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.
Bien d'autres types existent :
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.
L'échelle d'intégration (enanglais:scale integration) définit le nombre deportes logiquespar boîtier :
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.
La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se compliquer de plus en plus.
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.
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.
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.
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 :
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 :
Les vingt plus importants fabricants de circuits intégrés en 2011 et leur part de marché sont (fonderiesexclues):
Notes :
Les principales entreprises de production de circuits intégrés présentes en France sont :
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.