Circuit intégré
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Dans l'électronique , un circuit intégré (aussi connu comme IC, microcircuit, puce, puce de silicium, ou puce) est un miniaturisé Circuit électronique (constitué principalement de dispositifs semi-conducteurs , ainsi que composants passifs) qui a été manufacturés dans la surface d'un substrat mince de semi-conducteurs matériau. Les circuits intégrés sont utilisés dans les équipements électroniques presque tous en usage aujourd'hui et ont révolutionné le monde de l'électronique.
Un Circuit intégré hybride est un circuit électronique miniaturisé de construction de dispositifs individuels à semi-conducteurs, ainsi que des composants passifs, liée à un substrat ou circuit imprimé.
Cet article est sur les circuits intégrés monolithiques.
Introduction
Les circuits intégrés ont été rendues possibles par les découvertes expérimentales qui montrent que dispositifs semi-conducteurs pourraient exercer les fonctions de tubes à vide, et par les progrès technologiques milieu du 20e siècle dans fabrication de semiconducteurs de l'appareil. L'intégration d'un grand nombre de minuscules transistors dans une petite puce a été une énorme amélioration par rapport à l'assemblage manuel des circuits utilisant discrète composants electroniques. De circuit intégré la capacité de production de masse, la fiabilité et approche modulaire pour la conception de circuits assuré l'adoption rapide de circuits intégrés standardisés en place de modèles utilisant des transistors discrets.
Il ya deux principaux avantages de circuits intégrés sur des circuits discrets: coût et de performance. Le coût est faible parce que les puces, avec toutes leurs composantes, sont imprimées comme une unité par photolithographie et pas construits un transistor à la fois. Les performances sont élevées, car les composants changent rapidement et consomment peu d'énergie, car les composants sont petites et rapprochées. En 2006, les zones de puces vont de quelques carrés à environ 350 mm mm², avec jusqu'à 1 million transistors par mm².
Invention
La naissance de l'IC
Le circuit intégré a été conçu par un scientifique de radar, Geoffrey Dummer WA (1909-2002), travaillant pour la Royal Radar Establishment de la Colombie- Ministère de la Défense, et publié au Symposium sur les progrès de la qualité des composants électroniques dans Washington, DC sur 7 mai 1952 . Il a donné de nombreux symposiums publiquement à propager ses idées.
Dummer a tenté en vain de construire un tel circuit en 1956.
Le circuit intégré a été indépendamment co-inventé par Jack Kilby de Texas Instruments et Robert Noyce de Fairchild Semiconductor près au même moment. Kilby a enregistré ses premières idées concernant le circuit intégré en Juillet 1958 et a démontré le premier circuit de travail intégré le 12 Septembre avec succès, 1958. Kilby a remporté le prix Nobel de physique 2000 pour sa partie de l'invention du circuit intégré. Robert Noyce est également venu avec sa propre idée de circuit intégré, une demi-année plus tard Kilby. La puce de Noyce avait résolu de nombreux problèmes pratiques que la micropuce développée par Kilby avait pas. La puce de Noyce, faite à Fairchild, a été faite de silicium , tandis que la puce de Kilby a été faite de germanium .
Les premiers développements du circuit intégré remontent à 1949, lorsque l'ingénieur allemand Werner Jacobi ( Siemens AG) a déposé un brevet pour un dispositif semi-conducteur à amplification de type circuit intégré montrant cinq transistors sur un substrat commun disposé dans un trois-étape amplificateur arrangement. Jacobi révèle petite et pas cher appareils auditifs applications industrielles typiques de son brevet. Une utilisation commerciale de son brevet n'a pas été signalée.
Une idée de précurseur de l'IC était de créer de petits carrés céramique (wafers), chacun contenant un seul composant miniaturisé. Composants pourraient ensuite être intégrés et câblés dans une grille bidimensionnelle ou tridimensionnelle compacte. Cette idée, qui avait l'air très prometteuse en 1957, a été proposé à l'armée américaine par Jack Kilby, et a mené au Programme Micromodule de courte durée (similaire à 1951 de Projet Tinkertoy). Cependant, comme le projet prenait de l'ampleur, Kilby est venu avec une nouvelle conception révolutionnaire: l'IC.
Le précité Noyce crédité Kurt Lehovec de Sprague Electric pour le principe de isolement de jonction pn provoquée par l'action d'une jonction pn polarisée (la diode) en tant que concept clé derrière l'IC.
Voir: D'autres variantes de tubes à vide pour des concepts de précurseurs tels que la Loewe 3NF.
Générations
SSI, MSI, LSI
Les premiers circuits intégrés ne contenait que quelques transistors. Intitulée «Intégration à petite échelle" (SSI), ils ont utilisé des circuits contenant des transistors de numérotation dans les dizaines.
Circuits SSI étaient cruciales pour projets aérospatiaux début, et vice-versa. Tant le Minuteman missiles et Programme Apollo nécessaire ordinateurs numériques légers pour leurs systèmes de guidage inertiels; la Apollo ordinateur de guidage dirigé et motivé la technologie de circuit intégré, tandis que le missile Minuteman forcé dans la production de masse.
Ces programmes achetés presque tous les circuits intégrés disponibles de 1960 à 1963, et presque seul à condition que la demande qui a financé les améliorations de la production pour obtenir les coûts de production de $ 1000 / circuit (en dollars de 1960) de 25 à seulement $ / circuit (en 1963 dollars) . Ils ont commencé à apparaître dans les produits de consommation au tournant de la décennie, une application typique étant FM inter-porteuses traitement du son en télévision récepteurs.
La prochaine étape dans le développement de circuits intégrés, prise dans les années 1960, a introduit des dispositifs qui contenaient des centaines de transistors sur chaque puce, appelée «intégration Moyen-Scale" (MSI).
Ils étaient économiquement intéressante parce que se ils coûtent un peu plus à produire que les dispositifs SSI, ils ont permis à des systèmes plus complexes pour être produites en utilisant de plus petites cartes de circuit, moins de travail d'assemblage (en raison de moins de composants séparés), et un certain nombre d'autres avantages.
Poursuite du développement, tirée par les mêmes facteurs économiques, a conduit à "l'intégration à grande échelle" (LSI) au milieu des années 1970, avec des dizaines de milliers de transistors par puce.
Les circuits intégrés tels que RAM 1K-bits, les puces de la calculatrice, et les premiers microprocesseurs, qui ont commencé à être fabriqué en quantités modérées dans les années 1970, avait sous 4000 transistors. Circuits LSI vrais, approchant 10 000 transistors, ont commencé à être produite aux alentours de 1974, pour les principales mémoires d'ordinateurs et les microprocesseurs de deuxième génération.
VLSI
La dernière étape dans le processus de développement, en commençant dans les années 1980 et continue à travers le présent, était "Very Large-Scale Integration" ( VLSI). Cela pourrait être dit de commencer avec des centaines de milliers de transistors au début des années 1980, et se poursuit au-delà de plusieurs milliards de transistors à partir de 2007.
Il n'y avait pas de percée unique qui a permis à cette augmentation de la complexité, si de nombreux facteurs ont contribué. Fabrication installe à petites règles et fabs propres, leur permettant de produire des puces avec plus de transistors ayant un rendement adéquat, comme le résume par le Feuille de route International Technology for Semiconductors (ITRS). Outils de conception assez améliorées pour rendre pratique pour terminer ces dessins dans un délai raisonnable. Le plus économes en énergie CMOS remplacé NMOS et PMOS, en évitant une augmentation prohibitive de la consommation d'énergie. Meilleurs textes tels que le manuel de repère par Mead et Conway a aidé les écoles éduquent plus de designers ...
En 1986, le premier un mégabit des puces de RAM ont été introduites, qui contiennent plus d'un million de transistors. puces microprocesseurs passé le cap du million de transistors en 1989 et le cap du milliard de transistors en 2005. La tendance se poursuit pratiquement sans discontinuer avec des puces introduites en 2007 contenant des dizaines de milliards de transistors de mémoire.
ULSI, WSI, SOC, 3D-IC
Pour tenir compte de la croissance de la complexité, le terme ULSI que signifie "Scale Integration Ultra-Large» a été proposé pour les puces de complexité de plus de 1 millions de transistors.
L'intégration Wafer-échelle (WSI) est un système de construction de très grands circuits intégrés qui utilise une plaquette de silicium ensemble pour produire un seul "super-chip". Grâce à une combinaison de grande taille et de la réduction des emballages, WSI pourrait conduire à une réduction considérable des coûts pour certains systèmes, notamment les supercalculateurs massivement parallèles. Le nom est tiré du terme Très-Large-Scale Integration, l'état actuel de l'art quand WSI a été mis au point.
Système sur une puce (SoC ou SOC) est un circuit intégré dans lequel tous les composants nécessaires pour un ordinateur ou un autre système sont enregistrés sur une seule puce. La conception d'un tel dispositif peut être complexe et coûteux, et la construction de composants disparates sur une seule pièce de silicium peut compromettre l'efficacité de certains éléments. Toutefois, ces inconvénients sont compensés par les coûts de fabrication et d'assemblage inférieurs et par un budget de puissance considérablement réduit: parce que les signaux entre les composants sont maintenus sur puce, beaucoup moins de puissance est nécessaire (voir l'emballage, ci-dessus).
Circuit intégré tridimensionnelle (3D-IC) qui comprend deux ou plusieurs couches de composants électroniques actifs qui sont intégrés à la fois verticalement et horizontalement en un seul circuit. La communication entre les couches utilise la signalisation sur puce, donc la consommation d'énergie est beaucoup plus faible que dans les circuits équivalentes. L'utilisation judicieuse des fils verticaux courts peut réduire considérablement la longueur totale de fil pour un fonctionnement plus rapide.
Les progrès dans les circuits intégrés
Parmi les circuits intégrés les plus avancés sont les microprocesseurs ou «noyaux», qui contrôlent tout, de ordinateurs de téléphones cellulaires au numérique fours à micro-ondes. Numérique puces de mémoire et ASIC sont des exemples d'autres familles de circuits intégrés qui sont importants pour la modernité société de l'information. Bien que le coût de conception et de développement d'un circuit intégré complexe est assez élevé, quand répartis sur typiquement millions d'unités de production le coût IC individu est réduit au minimum. La performance des circuits intégrés est élevé en raison de la petite taille permet traces courtes qui à son tour permet aux basses la logique de puissance (tel que CMOS) pour être utilisé à des vitesses de commutation rapides.
CI ont toujours migré vers de plus petites tailles de longs fil des ans, permettant plus de circuits à emballer sur chaque puce. Cette capacité accrue par unité de surface peut être utilisé pour diminuer les coûts et / ou accroître la fonctionnalité-voir la loi de Moore qui, dans son interprétation moderne, indique que le nombre de transistors dans un circuit intégré double tous les deux ans. En général, comme la taille de la fonction rétrécit, presque tout se améliore-le coût par unité et la consommation de puissance de commutation de descendre, et la vitesse augmente. Cependant, les circuits intégrés avec dispositifs à l'échelle nanométrique ne sont pas sans leurs problèmes, dont le principal est courant de fuite (voir une fuite sous le seuil pour une discussion de ce), même si ces problèmes ne sont pas insurmontables et sera probablement résolu ou au moins améliorée par l'introduction de diélectriques high-k. Depuis ces gains de vitesse et de consommation d'énergie sont évidentes pour l'utilisateur final, il ya une concurrence féroce entre les fabricants d'utiliser des géométries plus fines. Ce processus et les progrès attendus au cours des prochaines années, est bien décrite par le Feuille de route International Technology for Semiconductors (ITRS).
Popularité de circuits intégrés
Seul un demi-siècle après leur développement a été lancé, les circuits intégrés sont devenus omniprésents. Ordinateurs , téléphones cellulaires et autres numérique appareils font maintenant partie inextricables de la structure des sociétés modernes. Ce est, moderne informatique, communication , fabrication et de transport des systèmes, y compris l' Internet , tous dépendent de l'existence de circuits intégrés. En effet, beaucoup chercheurs pensent que la révolution numérique apporté par le sujet micropuce révolution était un des événements les plus importants dans le histoire de l'humanité .
Classification
Les circuits intégrés peuvent être classés en analogique, numérique et signal mixte (analogique et numérique sur la même puce).
Circuits intégrés numériques peuvent contenir ne importe quoi de quelques milliers à des millions de portes logiques, tongs, les multiplexeurs, et d'autres circuits à quelques millimètres carrés. La petite taille de ces circuits permet haute vitesse, faible dissipation d'énergie et une réduction des coûts de fabrication par rapport à l'intégration au niveau du conseil d'administration. Ces circuits intégrés numériques, typiquement microprocesseurs, DSP et microcontrôleurs travail en utilisant les mathématiques binaires pour traiter «un» et signaux "zéro".
CI analogiques, tels que des capteurs, des circuits de gestion de puissance, et amplificateurs opérationnels, travaillent en traitant des signaux continus. Ils remplissent des fonctions comme l'amplification , filtrage actif, démodulation, mélange, etc. circuits intégrés analogiques alléger le fardeau des concepteurs de circuits en ayant circuits analogiques conçus par des experts disponibles au lieu de concevoir un circuit analogique difficile à partir de zéro.
CI peuvent également combiner des circuits analogiques et numériques sur une seule puce pour créer des fonctions telles que Des convertisseurs A / N et Des convertisseurs N / A. Ces circuits offrent une plus petite taille et à moindre coût, mais doivent soigneusement tenir compte des interférences de signaux.
Fabrication
Fabrication
Les semi-conducteurs de la classification périodique des éléments chimiques ont été identifiés comme les matériaux les plus probables pour un état solide tube à vide par des chercheurs comme William Shockley, aux Bell Laboratories à partir des années 1930. À partir de oxyde de cuivre, de procéder à germanium , puis le silicium , les matériaux ont été systématiquement étudié dans les années 1940 et 1950. Aujourd'hui, le silicium monocristaux sont la principale substrat utilisé pour circuits intégrés (CI) bien que certains composés III-V du tableau périodique tels que arséniure de gallium sont utilisés pour des applications spécialisées comme LED, lasers , les cellules solaires et les circuits intégrés de la plus haute vitesse. Il a fallu des décennies à perfectionner des méthodes de création de cristaux sans défaut dans la structure cristalline du matériau semiconducteur.
Semi-conducteurs CI sont fabriqués dans un processus de couche qui comprend les étapes clés du processus:
- Imagerie
- Déposition
- Gravure
Les principales étapes du processus sont complétées par des mesures antidopage, nettoyage et de polarisation.
Mono-cristal de silicium plaquettes (ou pour des applications spéciales, silicium sur saphir ou galettes d'arséniure de gallium) sont utilisés comme substrat. La photolithographie est utilisé pour marquer les différentes zones du substrat d'être dopé ou d'avoir polysilicium, isolants ou de métal (généralement en aluminium ) pistes déposés sur eux.
- Les circuits intégrés sont constitués de plusieurs couches qui se chevauchent, chacune définie par photolithographie, et normalement représentés en différentes couleurs. Certaines couches marquent où plusieurs dopants sont diffusés dans le substrat (couches dites de diffusion), une partie définie où les ions complémentaires sont implantés (couches d'implant), certains définissent les conducteurs (silicium polycristallin ou en métal couches), et certains définissent des connexions entre les couches conductrices ( via ou couches de contact). Tous les composants sont construits à partir d'une combinaison spécifique de ces couches.
- Dans une auto-alignée Procédé CMOS, un transistor est formé là où la couche de grille (en polysilicium ou en métal) traverse une couche de diffusion.
- Structures résistives, rayures sinueuses de différentes longueurs, forment les charges sur le circuit. Le rapport de la longueur de la structure résistive à sa largeur, combinée avec sa résistivité de feuille détermine la résistance.
- Structures capacitives, sous une forme très peu comme les plaques d'un condensateur électrique traditionnel conductrices parallèles, sont formées en fonction de la zone des "plaques", d'un matériau isolant entre les plaques. En raison de limitations de taille, que de très petites capacités peuvent être créés sur un circuit intégré.
- Plus rarement, structures inductives peuvent être construits comme de minuscules bobines sur puce, ou simulés par gyrateurs.
Depuis un dispositif CMOS consomme du courant seulement sur la transition entre logique Etats, dispositifs CMOS consomment beaucoup moins de courant que des dispositifs bipolaires.
Un une mémoire à accès aléatoire est le type le plus régulier de circuit intégré; les dispositifs de densité les plus élevées sont donc souvenirs; mais même un microprocesseur devra mémoire sur la puce. (Voir la structure régulière du tableau au bas de la première image.) Bien que les structures sont complexes - avec des largeurs qui ont été en décroissance depuis des décennies - les couches restent beaucoup plus minces que les largeurs de périphériques. Les couches de matériau sont fabriqués à peu comme un processus photographique, bien que légers ondes dans le spectre visible ne peut pas être utilisé pour «exposer» une couche de matériau, comme ils le seraient trop grand pour les caractéristiques. Ainsi photons de fréquences plus élevées (typiquement ultraviolets ) sont utilisés pour créer les modèles pour chaque couche. Parce que chaque fonction est si petit, microscopes électroniques sont des outils essentiels pour une processus ingénieur qui pourrait être débogage d'un processus de fabrication.
Chaque dispositif est testé avant l'emballage en utilisant un équipement de test automatique (ATE), dans un processus connu sous le nom tests plaquette, ou sondage de la tranche. La plaquette est ensuite découpée en blocs rectangulaires, dont chacun est appelé un dé. Chaque bon die (dés pluriel, meurt, ou mourir) est ensuite connecté dans un paquet en utilisant l'aluminium (ou or ) fils qui sont soudés à des plots, on trouve habituellement sur le bord de la filière. Après emballage, les appareils passent par le test final sur le même ou similaire ATE utilisés pendant sondage de la tranche. coût de test peuvent représenter plus de 25% du coût de fabrication des produits à moindre coût, mais peut être négligeable à faible rendement, plus grande, et / ou des dispositifs de coûts plus élevés.
En 2005, une usine de fabrication (communément connu comme un semiconducteur fab) coûte plus d'un milliard de Dollars US pour construire, parce qu'une grande partie de l'opération est automatisée. Les procédés les plus avancés utilisent les techniques suivantes:
- Les plaquettes sont à 300 mm de diamètre (plus large que d'une assiette commune).
- L'utilisation de 65 nanomètres ou moins puce processus de fabrication. Intel , IBM , NEC, et AMD utilisent 45 nanomètres pour leurs CPU puces, et AMD et NEC ont commencé à utiliser un processus de 65 nanomètres. IBM et AMD sont dans le développement d'un processus de 45 nm à l'aide la lithographie par immersion.
- interconnexions de cuivre où le câblage de cuivre remplace l'aluminium pour les interconnexions.
- Low-K isolants diélectriques.
- Silicium sur isolant (SOI)
- Silicium contraint dans un processus utilisé par IBM connu sous le nom silicium contraint sur isolant directement (SSDOI)
Conditionnement
Les circuits intégrés ont été emballés dans des premiers paquets plats en céramique, qui ont continué à être utilisé par les militaires pour leur fiabilité et leur petite taille pour de nombreuses années. Emballage de circuit commercial rapidement déplacé vers le paquet double en ligne (DIP), d'abord en céramique et par la suite en plastique. Dans les années 1980 le nombre de broches de circuits VLSI dépassé la limite pratique pour l'emballage de DIP, conduisant à réseau de grille à broches (PGA) et leadless support de puce (LCC) paquets. Montage en surface emballage est apparu au début des années 1980 et est devenu populaire dans les années 1980, en utilisant pas de plomb plus fine avec des fils formés soit comme en aile de mouette ou J-plomb, comme en témoigne petite-outline circuit intégré - un support qui occupe une superficie d'environ 30 à 50% de moins que l'équivalent DIP, d'une épaisseur typique qui est 70% de moins. Ce paquet a "aile de mouette" conduit dépassant des deux côtés longs et un espacement de plomb de 0,050 pouces.
Petit circuit-outline intégré (SOIC) et forfaits PLCC. À la fin des années 1990, PQFP et forfaits TSOP est devenu le plus courant pour les appareils de comptage de broches élevé, si les paquets de la PGA sont encore souvent utilisés pour haut de gamme microprocesseurs. Intel et AMD passent actuellement de paquets de la PGA sur les microprocesseurs haut de gamme pour Matrice de pastilles (LGA) de paquets.
grid array Ball (BGA) paquets ont existé depuis les années 1970. Flip-chip Ball Grid Array paquets, qui permettent beaucoup plus élevé nombre de broches que les autres types de colis, ont été développés dans les années 1990. Dans un package FCBGA la filière est monté à l'envers (retourné) et se connecte à des balles de paquets via un substrat de paquet qui est similaire à une carte de circuit imprimé plutôt que par des fils. Paquets FCBGA permettent un éventail de signaux d'entrée-sortie (appelé Area-I / O) pour être distribuée sur toute la filière plutôt que d'être confiné à la périphérie de la filière.
Traces hors de la matrice, à travers l'emballage, et dans la carte de circuit imprimé ont très différentes propriétés électriques, par rapport à des signaux sur puce. Ils nécessitent des techniques de conception spéciales et doivent pouvoir beaucoup plus électrique que les signaux confinés à la puce elle-même.
Lorsque plusieurs matrices sont mis dans un seul paquet, il est appelé SiP, pour System in Package. Lorsque plusieurs matrices sont combinés sur un petit substrat, souvent en céramique, ça se appelle un MCM, ou Module à puces multiples. La frontière entre un grand et un petit MCM carte de circuit imprimé est parfois floue.
Autres développements
Dans les années 1980 circuits intégrés programmables ont été développés. Ces dispositifs contiennent des circuits dont la fonction logique et de connectivité peut être programmé par l'utilisateur, au lieu d'être fixée par le fabricant de circuit intégré. Cela permet à une seule puce pour être programmé pour mettre en œuvre des différentes fonctions de type LSI tels que portes logiques, additionneurs et registres. Dispositifs actuels nommés FPGA (Field Programmable Gate Arrays) peut maintenant mettre en œuvre des dizaines de milliers de circuits LSI en parallèle et fonctionner jusqu'à 550 MHz.
Les techniques mises au point par l'industrie des circuits intégrés au cours des trois dernières décennies ont été utilisés pour créer des machines microscopiques, connu sous le nom MEMS. Ces dispositifs sont utilisés dans une variété d'applications commerciales et militaires. Exemples des applications commerciales comprennent DLP projecteurs, imprimantes jet d'encre, et accéléromètres utilisés pour déployer automobile airbags.
Dans le passé, les radios ne pouvaient pas être fabriqués dans les mêmes processus à faible coût que les microprocesseurs. Mais depuis 1998, un grand nombre de puces radio ont été développés en utilisant des procédés CMOS. Les exemples incluent sans fil DECT téléphone de Intel, ou 802,11 carte de Atheros.
Les développements futurs semblent suivre le paradigme multi-microprocesseur, déjà utilisé par les processeurs dual-core Intel et AMD. Intel a récemment dévoilé un prototype, la puce "pas à vendre commercial" qui porte un stupéfiant 80 microprocesseurs. Chaque noyau est capable de gérer sa propre tâche indépendamment des autres. Il se agit en réponse à la limite thermique contre-vitesse qui est sur le point d'être atteinte en utilisant la technologie de transistor existant. Cette conception offre un nouveau défi à la programmation de la puce. X10 est le nouveau langage de programmation open-source conçu pour aider dans cette tâche.
Silicon graffitis
Depuis circuits intégrés ont été créés, certains concepteurs de puces ont utilisé la surface de silicium pour des images ou des mots subreptices, non-fonctionnels. Ceux-ci sont parfois appelées Chip Art, Silicon Art, Silicon Graffiti ou Silicon Doodling. Pour un aperçu de cette pratique, voir l'article L'art secret de Chip Graffiti, de la revue et de l'IEEE Spectrum Zoo silicium.
