Qu'est-ce qu'une micropuce ?

Une micropuce est un dispositif électronique constitué d'un petit morceau plat de matériau semi-conducteur modifié avec d'autres dopants, oxydes et métaux pour créer des composants électroniques, tels que des transistors, des diodes, des résistances et des condensateurs connectés dans un circuit.

Les micropuces sont également appelées :

• Circuits intégrés (CI)
• Puces informatiques
• Semi-conducteurs
• Puces

Les circuits intégrés ont remplacé les assemblages de composants discrets reliés par des fils ou des cartes de circuits imprimés (PCB). Ainsi, ils constituent des dispositifs d'un seul tenant beaucoup plus petits, bien moins gourmands en énergie et fabricables en série à un coût nettement inférieur.

Les matériaux semi-conducteurs ont été découverts en 1821 par Thomas Johann Seebeck, et les premiers transistors semi-conducteurs fonctionnels ont été créés par Willam Shockley en 1947. Les composants et toutes leurs interconnexions ont ensuite été combinés en un seul dispositif en 1959 par Robert Noyce. La clé de cette invention et de ses évolutions ultérieures était le procédé de fabrication planaire, qui utilisait la photolithographie pour déposer et enlever des matériaux une couche à la fois avec une grande précision.

Les circuits intégrés font partie intégrante de la vie moderne. Ils fournissent des composants électroniques pour toutes sortes d'appareils allant des jouets aux sondes envoyées dans l'espace. En 2023, le chiffre d'affaires mondial des ventes de micropuces s'élevait à 526,9 milliards de dollars. Cette année-là, les ventes ont également bénéficié d'une nouvelle croissance de l'utilisation des puces en dehors des ordinateurs : 32 % concernaient les communications, 17 % les applications automobiles, 14 % les appareils industriels, 11 % l'électronique grand public et seulement 25 % l'informatique.

Portée par la loi de Moore, qui stipule que le nombre de transistors dans un CI doublera tous les deux ans, la complexité croissante des circuits et la taille toujours plus réduite des composants rendent la conception et la fabrication des micropuces plus difficiles à chaque nouvelle génération.

La taille générale des éléments individuels sur une puce, appelée finesse de gravure (feature size), est mesurée en nanomètre (nm), soit un milliardième de mètre. Les fabricants actuels de semi-conducteurs utilisent des procédés 14 nm, 10 nm, 7 nm, 5 nm et 3 nm, avec bientôt des technologies 2 nm. Pour l'échelle, un grain de riz mesure 5 millions de nanomètres de long.

En 2023, les chercheurs ont créé un microprocesseur record contenant 1,2 billion de transistors. La gamme de processeurs Intel de 2024 comprend plus de 100 millions de transistors sur une seule puce.

Les circuits intégrés sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, généralement du silicium, empilés en couches superposées. Les éléments les plus courants dans une micropuce sont les suivants :

• Substrat silicium : la couche cristalline de silicium pur de base à partir de laquelle les autres couches sont construites par enlèvement ou dépôt d'autres matériaux ou dopage du matériau cristallin. 
  
  

• Couches : les circuits électroniques sont créés sur des couches individuelles. Les couches sont modifiées par photolithographie, gravure et dépôt pour produire les composants et interconnexions désirés. Certaines couches servent également d'isolants électriques.
• Vias : zone conductrice, généralement cylindrique, utilisée pour transmettre des signaux électriques entre les couches.

• Composants : les dispositifs électroniques qui composent le circuit souhaité. Dans la plupart des circuits intégrés, il s'agit de transistors, de condensateurs, de diodes, de résistances et parfois d'inducteurs.
• Interconnexions : les chemins métallisés sur une couche donnée qui conduisent l'électricité entre des composants ou vers des vias. 

• Boîtier : une fois terminé, le CI est placé à l'intérieur d'un assemblage appelé boîtier de semi-conducteur qui protège et isole la puce de silicium délicate, peut connecter de multiples puces, et fournit un moyen de connecter la puce ou les puces à un circuit électronique plus grand. 

La fabrication des micropuces comprend trois étapes. Chaque étape est hautement optimisée et automatisée pour minimiser les coûts, garantir la qualité et maximiser l'efficacité. Les ingénieurs qui conçoivent des circuits intégrés doivent avoir une bonne compréhension du processus de fabrication. En effet, chaque étape détermine la taille, la forme et l'espacement des composants.

Étape 1 : Production des wafers

La fabrication des plaquettes de silicium vierges (wafers) constitue la première étape de la fabrication de semi-conducteurs. Ce processus commence par la croissance d'un lingot cylindrique monocristallin de matériau semi-conducteur, appelé boule, généralement du silicium pur. La boule est ensuite découpée en minces plaquettes, usinées pour créer une surface plane, gravées chimiquement pour éliminer tout dommage résultant de l'usinage, et polies. Les plaquettes électroniques ont habituellement un diamètre de 100 à 450 mm. La taille la plus courante est de 300 mm de diamètre et 755 µm d'épaisseur.

Étape 2 : Fabrication

Le circuit, avec tous ses composants et interconnexions, est créé dans une usine de fabrication de semi-conducteurs, généralement appelée Fab. Chaque couche et la topologie du circuit sont créées au cours d'une série d'étapes strictement contrôlées. Des robots déplacent les plaquettes de machine en machine en clusters. La plupart des processus de fabrication de puces suivent les étapes suivantes pour chaque couche :

• Croissance d'une couche de dioxyde de silicium qui recouvrira complètement sa surface (on parle également de passivation).
• Ajout d'un revêtement photorésistant.
• Exposition de la couche photorésistante à la lumière ultraviolette suivant le motif de la géométrie que vous voulez créer. La couche photorésistante est ensuite développée, puis le matériau exposé à la lumière est retiré. C'est ce qu'on appelle la photolithographie.
• Utilisation de produits chimiques, généralement un acide fort, pour éliminer la couche d'oxyde d'où le matériau photorésistant a été enlevé. C'est ce que l'on appelle la gravure.
• Retrait du matériau photorésistant non développé.
• Si un dopage est nécessaire pour la couche, l'implantation ionique de contaminants dans la structure cristalline crée le comportement semi-conducteur souhaité pour les transistors et autres composants.
• Pour d'autres matériaux, diverses formes de dépôt chimique ou en phase vapeur sont utilisées pour créer des interconnexions, des vias et d'autres composants.

Étape 3 : Encapsulation

Une fois que chaque couche a été construite et que le wafer a été nettoyé et testé, il est découpé en puces individuelles appelées dies. Une ou plusieurs dies sont ensuite fixées à une structure par collage, et le circuit intégré est encapsulé dans différents matériaux, selon l'application. Certains boîtiers ne contiennent qu'une seule puce, mais la tendance actuelle est d'en combiner plusieurs. 

Les types et les utilisations de circuits intégrés sont un peu plus nombreux chaque année. Les premiers circuits intégrés remplissaient souvent une seule fonction. Mais à mesure que la technologie de fabrication et les outils de conception se sont améliorés, les puces sont devenues multifonctions.

Les smartphones sont un excellent exemple de la façon dont plusieurs types de puces peuvent être combinés dans un seul appareil pour différentes utilisations. Ils contiennent en effet des puces radiofréquence (RF) pour les signaux radio 5G et le GPS, des puces optoélectriques pour les caméras, des puces LED pour l'écran, des circuits intégrés numériques pour les unités de traitement, des puces à systèmes micro-électromécaniques (MEMS) pour l'accéléromètre, et une douzaine d'autres circuits intégrés pour détecter, contrôler et modifier un grand nombre d'utilisations.

Les différents types de puces peuvent être catégorisés selon les signaux qu'ils transmettent.

Circuits intégrés analogiques

Les signaux analogiques transportent la tension sur une plage de tension continue, pas seulement un signal de tension élevée ou basse. Ils servent à amplifier, filtrer par fréquence et mélanger les signaux. La fréquence et la puissance d'un CI analogique peuvent varier considérablement, et des fréquences et des puissances plus élevées représentent des défis de conception importants.

Les utilisations courantes des CI analogiques sont notamment :

• Les capteurs optiques, thermiques et audio
• Les circuits de gestion de l'alimentation
• Les amplificateurs opérationnels (op-amp)
• Le traitement de signaux audio et vidéo
• Les télécommunications, dont les radiocommunications et le traitement des signaux optiques
• Les circuits RF
• Le conditionnement du signal
• Les contrôleurs de machine

Circuits intégrés numériques

Les circuits intégrés numériques sont des dispositifs logiques qui contiennent des millions ou des milliards de portes logiques constituées de transistors. Un signal fonctionnant à une fréquence d'horloge fixe est modifié ou mesuré comme étant soit haut, soit bas, soit zéro, soit un. En combinant différents dispositifs logiques, des calculs très complexes peuvent être effectués en utilisant très peu de puissance.

Voici quelques-unes des utilisations les plus courantes des circuits intégrés numériques :

• Les CI logiques ou processeurs
  • Les microprocesseurs
  • Les microcontrôleurs
  • Les circuits intégrés spécifiques aux applications (ASIC)
• Les puces de mémoire
• Les réseaux logiques programmables (FPGA)
• Les dispositifs numériques de gestion de puissance
• Les dispositifs SoC (System-on-a-Chip)
• Les puces à dies multiples

Circuits intégrés à signaux mixtes

Certains circuits intégrés combinent des circuits pour traiter des signaux analogiques et numériques et convertissent entre les deux pour créer des circuits intégrés à signaux mixtes. Ils sont utilisés lorsqu'un signal analogique est détecté ou créé et que des opérations logiques sont nécessaires pour lire, créer ou modifier ce signal.

Voici quelques-unes des utilisations les plus courantes des CI à signaux mixtes :

• Dispositifs SoC
• Puces d'acquisition de données
• Circuits CMOS RF
• Circuits intégrés d'horloge/de temporisation
• Circuits à condensateur commuté
• Dispositifs électro-optiques
• Dispositifs MEMS

L'avenir des micropuces ressemble à leur passé : davantage de capacités dans des tailles plus petites, à des coûts toujours plus réduits. Les progrès de la fabrication créeront également de nouvelles opportunités pour de meilleures performances et de nouvelles applications.

Dans un avenir proche, la conception et la simulation en génie électrique seront portées par diverses tendances :

Passage au design fabless et aux fonderies

L'industrie a évolué au fil des ans vers un modèle où les entreprises peuvent concevoir leurs propres circuits intégrés, puis externaliser leur production auprès d'une entreprise qui fabrique simplement les puces. C'est ce qu'on appelle la conception fabless, et les fabricants sous contrat sont appelés fonderies. Cela permet à des entreprises comme Apple et Qualcomm de concevoir de nouveaux produits innovants sans avoir à investir dans la construction de leurs propres installations de fabrication. Les ingénieurs doivent concevoir les produits en fonction des processus de fabrication et des normes de la fonderie à laquelle ils les confieront.

Finesse de gravure réduite

La finesse de gravure continue de diminuer, créant des problèmes d'alimentation et d'intégrité du signal. Pour rester compétitifs, les ingénieurs électriques doivent intégrer ces nouvelles fonctionnalités à leur conception, en appliquant également de bonnes pratiques de simulation et de conception pour éviter les problèmes.

Complexité des appareils électroniques et fonctionnalité combinée

Au fil du temps, les concepteurs de dispositifs électroniques ont été de plus en plus nombreux à vouloir combiner plusieurs fonctionnalités en une seule puce. Les dispositifs de l'Internet des objets (IoT), les nouveaux SSD de stockage à long terme et les puces GPU sont des exemples de circuits intégrés qui non seulement ajouteront de nouvelles fonctionnalités et capacités dans une même puce, mais l'interaction entre ces fonctions sera également plus sophistiquée. Les ingénieurs ont besoin d'outils de conception et de simulation pour piloter des conceptions dans lesquelles l'industrie met la technologie à profit. L'électronique biomédicale, comme les micropuces implantables, sera un autre domaine dans lequel une même puce alliera de multiples capacités.

Fréquences et vitesses d'horloge plus élevées

Les exigences accrues en matière de performances et les progrès de la technologie RF augmentent les vitesses d'horloge des circuits intégrés numériques et les fréquences des puces analogiques et à signaux mixtes. Les deux créent des problèmes d'intégrité du signal et de gestion de l'alimentation.

Puissance informatique accrue avec une meilleure efficacité énergétique

La croissance des centres de données pour le calcul haute performance, destinée à accompagner des tendances telles que l'intelligence artificielle, l'extraction de crypto-monnaies et les applications IoT, stimule la demande de performances accrues pour les microprocesseurs. Ces applications poussent l'industrie à améliorer les FPGA, les disques durs SSD, la mémoire et les GPU, ainsi que les puces nécessaires pour tout connecter à des vitesses de transfert de données croissantes.

Davantage d'utilisations au-delà de l'informatique

La tendance à l'utilisation accrue des micropuces dans l'automobile, l'électronique grand public et les applications industrielles ne fera que s'accentuer. Presque tous les produits seront conçus comme des appareils intelligents avec une connectivité à large bande, des capteurs et une puissance de calcul — des fonctions nécessitant toutes des micropuces. 

La complexité et le coût de la fabrication des micropuces rendent les conceptions des prototypages physiques pratiquement irréalisables. En leur lieu et place, les ingénieurs utilisent le prototypage virtuel par simulation pour piloter leur conception, vérifier les performances, mais aussi identifier et résoudre les problèmes avant le début de la production. La simulation sert également à concevoir les boîtiers et optimiser les machines de fabrication de semi-conducteurs d'où sortent les puces.

La simulation des micropuces numériques commence par la vérification de la fonctionnalité logique de la conception numérique à un niveau abstrait avec la conception RTL. Cette phase comprend notamment un premier examen de la gestion de l'alimentation avec le logiciel Ansys PowerArtist™. Cet outil peut évaluer les besoins en énergie d'une conception dès le début du processus et aider à améliorer son efficacité énergétique.

Une fois la conception physique établie, les ingénieurs peuvent utiliser le logiciel Ansys RedHawk-SC™, leader de confiance incontesté dans l'industrie pour le bruit de puissance et la fiabilité des circuits intégrés numériques, afin d'évaluer la chute de tension et l'électromigration dans leurs conceptions.

Du côté des signaux analogiques et mixtes, le logiciel Ansys Totem™ peut être intégré au processus pour valider l'intégrité de l'alimentation et la fiabilité. Produit de référence N° 1 pour l'électromigration multiphysique, il est certifié par toutes les grandes fonderies jusqu'à 3 nm. En tandem avec le logiciel Ansys PathFinder-SC™, il calculera également les décharges électrostatiques.

Une fois la conception optimisée et vérifiée, les ingénieurs en encapsulation peuvent utiliser la simulation pour optimiser la puissance, l'intégrité du signal et la robustesse du boîtier de la micropuce. Le logiciel RedHawk-SC est conçu pour gérer de grandes configurations multi-puces, y compris les conceptions de SiP. L'encapsulation avancée des semi-conducteurs utilise des approches 2.5D et 3D-IC pour combiner et connecter plusieurs dies dans le même boîtier, et la simulation avec le logiciel RedHawk-SC est sans doute le meilleur moyen de vérifier et d'optimiser les conceptions.

Une fois que les aspects électriques de la conception sont résolus, les ingénieurs en encapsulation peuvent utiliser des outils tels que le logiciel Ansys Mechanical™ et Ansys Icepak® pour la fiabilité structurelle et la gestion thermique.

Ressources connexes