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Circuits intégrés

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Figure 1 : Les circuits intégrés sont disponibles dans de nombreux boîtiers avec des espacements de broches normalisés. Ils peuvent être montés sur une carte de circuit imprimé ou insérés dans des sockets IC (avec l'aimable autorisation de Mouser Electronics).

L'histoire, l'application et la maintenance de ces composants microélectroniques importants sont explorées.

Dans le continuum de la microélectronique, les circuits intégrés (CI) sont probablement proches de leur point médian de développement. Ils ont beaucoup progressé depuis leur création vers le milieu du siècle dernier, mais pour la théorie « plus petit c'est mieux », il n'y a pas de point final en vue. Pour commencer cette enquête, nous examinerons le passé pour voir comment la technologie des circuits intégrés a émergé d'un environnement de semi-conducteurs plus primitif. Naturellement, les dispositifs précurseurs les plus primitifs étaient les diodes (ELEVATOR WORLD, août 2014), car une seule jonction était impliquée.

Objectifs d'apprentissage

Après avoir lu cet article, vous devriez avoir appris :
L'émergence de la technologie IC
♦ Comment la loi de Moore affecte le développement des circuits intégrés
♦ Limites du développement de circuits intégrés
L'importance des amplificateurs différentiels dans les applications IC
Comment dépanner et réparer les circuits intégrés dans les contrôleurs d'ascenseur

L'appareil fonctionnait mieux que le tube à vide à diode de l'ancien monde, et à mesure que des méthodes de production de plus en plus raffinées sont apparues, le coût pour l'utilisateur final a fortement chuté. Simultanément, un dispositif à deux jonctions avec trois fils est apparu. Le transistor a rendu possibles les radios sans tube et les téléviseurs sont devenus beaucoup plus compacts et écoénergétiques. C'était la situation sous-jacente lorsque la technologie des circuits intégrés, très limitée et provisoire selon les normes d'aujourd'hui, est apparue pour la première fois.

En 1949, un ingénieur de Siemens, Werner Jacobi, a déposé un brevet pour un précurseur important des circuits intégrés : un amplificateur à trois étages, les cinq transistors occupant un substrat commun. L'objectif était de miniaturiser l'aide auditive auparavant maladroite. Le dispositif à courant continu, tel qu'il était conçu à l'époque, n'est pas entré en production, mais l'idée sous-jacente est devenue une partie du fondement intellectuel qui a rendu possible de nouveaux développements.

En 1952, Geoffrey Dummer, spécialiste des radars au Royal Radar Establishment du ministère britannique de la Défense, écrivit un article qui exposait l'idée de base de l'IC, mais il était incapable de construire l'appareil. Au milieu de 1958, une percée majeure a été réalisée par Jack Kirby, travaillant pour Texas Instruments. Il a proposé l'IC tel que nous le connaissons, et plus tard cette année-là, il en a construit le premier modèle fonctionnel. L'appareil de Kirby a été construit sur un substrat de germanium. Moins d'un an plus tard, Robert Royce a conçu une puce avec un substrat de silicium. Il a été produit par Fairchild Semiconductor et a représenté un pas en avant substantiel.

Le développement des circuits intégrés dans les années qui ont suivi a été caractérisé par la capacité de placer un nombre toujours croissant de transistors sur une seule puce. « Intégration à petite échelle » est le terme donné pour la première étape de cette progression. Il fait référence à la technologie qui prévalait dans les premières années, lorsque le nombre de transistors pouvant être intégrés sur un même substrat était inférieur à 100. Ces puces constituaient le cerveau électronique des programmes Minuteman Missile et Apollo, dans lesquels le poids était à un prime.

Les densités de puces successives étaient « intégration à moyenne échelle », « intégration à grande échelle », « intégration à très grande échelle » et « intégration à très grande échelle ». Les frontières entre ces niveaux n'ont pas de sens définitif, sauf pour suggérer ce qui ne peut être décrit que comme une explosion de notre capacité à créer un grand nombre de portes logiques numériques dans des boîtiers de plus en plus petits. Ce progrès est décrit par la loi de Moore, qui stipule que le nombre de transistors que nous pouvons placer dans une seule puce double tous les deux ans, ou, dans une autre version, tous les 18 mois. Bien qu'il s'agisse d'une description précise de l'état actuel de l'intégration, cette affirmation (qui est plus une observation qu'une loi réelle) est quelque peu fantaisiste, car elle suggère que d'ici peu, il y aura plus de dispositifs dans les micropuces les plus denses que de particules élémentaires dans notre univers.

Néanmoins, le niveau d'intégration qui a été atteint est stupéfiant. Actuellement, des circuits intégrés uniques sont fabriqués qui contiennent des dispositifs comptant des dizaines de milliards. Ce fait a été rendu possible par le développement de la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Cette technologie ne fait pas référence à un seul appareil, mais à un circuit composé, dans sa forme la plus basique, de deux transistors à effet de champ à semi-conducteur et à oxyde métallique (MOSFET), un type P et un type N, connectés en série par rapport à au biais appliqué (EW, octobre 2014). Comme l'un d'eux est éteint tandis que l'autre est allumé, il n'y a pas de passage de courant, sauf très brièvement lors des transitions. Par conséquent, il y a une génération de chaleur minimale, même dans les configurations denses en VLSI et au-delà. Sans CMOS, il n'y aurait pas de Station spatiale internationale telle que nous la connaissons.

Il existe d'autres « murs de briques » qui peuvent neutraliser la loi de Moore, entravant peut-être notre capacité à migrer au-delà de ce système solaire temporellement fini. D'une part, la miniaturisation ne peut aller que si loin avant d'en approcher les limites théoriques, pratiques et économiques. La dernière réflexion semble être que la loi de Moore évoluera. Il devient évident que des circuits de la taille de molécules uniques sont réalisables grâce à l'utilisation de nanomatériaux. Ce sont des métaux, des céramiques et des matériaux polymères qui ressemblent à des organismes vivants, car ils ont la capacité de se concevoir et de se répliquer.

L'intérêt de cette miniaturisation va bien au-delà de la simple idée de créer des appareils grand public de plus en plus compacts, même si c'est un avantage. Des puces plus petites avec une plus grande densité de circuit signifient que les pistes de support de connexion requises pour le câblage interne deviennent plus courtes et plus minces, augmentant considérablement la vitesse de l'appareil et réduisant les coûts. Un matériau théorique appelé stanène, composé d'une feuille d'étain d'une épaisseur d'un atome, pourrait agir un peu comme un supraconducteur à température ambiante.[1] Cette innovation et d'autres devraient ouvrir la voie à des circuits intégrés plus performants.

Comme la plupart des autres semi-conducteurs, les circuits intégrés sont construits à l'aide de processus planaires sur des plaquettes de silicium microcristallin. Les étapes essentielles sont les couches minces, la lithographie, la gravure et le dopage. Pour commencer, du SiO2 et des films polycristallins sont liés au substrat de silicium. La couche suivante est une couche photo-résistive ou photosensible exposée à la lumière à travers un masque. Le produit est ensuite placé dans un révélateur, provoquant la dissolution des zones qui avaient été exposées à la lumière. Cela laisse intactes les zones qui n'avaient pas été exposées à la lumière.

La lithographie consiste à dupliquer le motif du masque au niveau de la résine photosensible, qui devient le masque du processus de gravure. La couche de résine photosensible est ensuite éliminée par l'application de produits chimiques appropriés, préparant le matériau semi-conducteur au dopage. Dans ce processus, de très faibles quantités d'impuretés spécifiques sont ajoutées. Aux jonctions PN, des porteurs de charge, des électrons et des trous sont disponibles afin que la conduction puisse avoir lieu en cas de besoin et ne pas avoir lieu lorsqu'elle n'est pas nécessaire, en réponse à la quantité et à la polarité de la polarisation appliquée.

Le dopage est une entreprise subtile. Typiquement, un gaz est passé sur le substrat pendant une période de moins de 12 heures. Selon les propriétés électroniques souhaitées, le dopage sera léger ou lourd. Pour le dopage léger, la concentration est de l'ordre d'un atome de l'impureté pour 100 millions d'atomes du matériau de type P ou N, tandis que pour le dopage fort, le rapport est de 1:10,000 XNUMX. Ces très faibles concentrations transforment des plaques inintéressantes de sable de plage fondu en blocs de construction de machines intelligentes.

Le flux de travail décrit ci-dessus est répété au besoin pour construire le circuit intégré sur son substrat. Plus de 600 étapes peuvent être nécessaires pour fabriquer un circuit intégré typique. À n'importe quel stade, un grain de poussière ou une température, une synchronisation ou un alignement inexacts peuvent invalider l'ensemble du processus. Par conséquent, des tests approfondis sont nécessaires à chaque étape. Les tests peuvent représenter jusqu'à 25 % des coûts de production.

Parce que des milliards de transistors peuvent habiter une seule puce, il est évident qu'aucun individu (ni même un comité de travail) ne pourrait comprendre l'architecture dans toute sa complexité. Pour cette raison, la phase de conception de ces entités miraculeuses est devenue largement automatisée.

La théorie de la conception des circuits intégrés diffère selon que la puce est numérique ou analogique. Des exemples de composants numériques sont la mémoire vive, la mémoire morte, les mémoires flash d'ordinateur, les matrices de portes programmables sur site et toutes sortes de circuits intégrés spécifiques à l'application. Des exemples de circuits intégrés analogiques sont les amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels), les régulateurs linéaires, les boucles à verrouillage de phase, les oscillateurs et les filtres actifs. Étant donné que la fidélité du signal dans les circuits intégrés analogiques est l'objectif (contrairement aux numériques haut ou bas), les appareils analogiques sont généralement plus gros avec une densité de circuit moindre. En conséquence, les objectifs et les procédures de conception diffèrent fortement.

L'automatisation de la conception électronique (EDA) fait référence à de nombreux outils logiciels qui fonctionnent à la fois pour les cartes de circuits imprimés (PCB) et les circuits intégrés. L'objectif est de simuler et de tester en profondeur les circuits intégrés avant la fabrication. Alors que la technologie des semi-conducteurs a évolué à un point où un nombre immense de dispositifs sont emballés dans des circuits intégrés de plus en plus petits, l'EDA est devenu le seul moyen viable d'atteindre les objectifs de conception, qui sont nombreux. Une fois les circuits conçus, simulés, testés et vérifiés, les ingénieurs passent à la conception physique. Ici encore, les complexités abondent.

L'arrangement structurel brut est le premier à l'ordre du jour. L'analyse du niveau de transfert de registre (RTL) s'applique au flux de signaux entre les registres, qui sont affectés à des emplacements à l'intérieur du circuit intégré. Les cœurs et les matrices sont attribués et les broches d'entrée/sortie sont déterminées. Ensuite, une netlist (une liste de toutes les bornes de composants qui doivent être connectées électriquement pour que le circuit fonctionne) des portes requises est générée. Des horloges sont ajoutées pour chronométrer le flux de travail et le câblage est connecté. (Tout cela est à un niveau conceptuel, et le plan est de créer une conception finie qui fonctionne avant la mise en œuvre physique.) Après un achèvement et une vérification satisfaisants, il est nécessaire de prendre du recul et de vérifier si la puce, ainsi conçue, peut réellement être fabriqué. Les objectifs électriques, physiques et économiques doivent être pris en compte avant que le circuit intégré puisse entrer en production.

Le choix de l'emballage est critique pendant le processus de conception afin que la puce fonctionne correctement dans les contextes des divers types d'équipements électroniques envisagés. Une bonne connaissance de l'emballage IC est également importante pour les techniciens qui ont l'intention de dépanner et de réparer les machines.

Les boîtiers IC ont été en céramique ou en métal dans le passé, mais maintenant, le plastique prévaut. Chaque type de colis est désigné par une lettre ou une combinaison lettre/chiffre. Les emballages sont de différentes tailles et formes avec différents nombres et configurations de broches. À l'intérieur du boîtier se trouve la puce proprement dite, connue sous le nom de matrice, avec des terminaisons beaucoup trop petites pour être soudées à la main. (De plus, la chaleur ferait frire instantanément la puce sensible.) Des fils plaqués or sont attachés à la matrice qui sont, à leur tour, connectés aux broches conductrices à l'extérieur du boîtier. Ceux-ci peuvent être soudés, mais des précautions doivent être prises pour empêcher la chaleur ou l'électricité statique de pénétrer dans le matériau semi-conducteur. A moins d'être envahis par la curiosité, les techniciens n'auront pas l'occasion de casser ces emballages, la puce n'étant pas réparable.

Les broches servent à deux fins : monter physiquement la puce et la connecter électriquement au monde extérieur. Bien sûr, les broches doivent être installées correctement. De nombreux semi-conducteurs sont incinérés si la polarité de l'alimentation est inversée par inadvertance, bien qu'une diode de blocage ou un fusible de protection puisse parfois empêcher les dommages.

Les circuits intégrés ont généralement un point et/ou une encoche à un certain point le long de leur périmètre. Cela marque l'endroit où la numérotation des broches commence, en commençant par un et en procédant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en regardant vers le haut du circuit intégré. Les connexions des broches sont identifiées par un numéro dans la fiche technique du fabricant, disponible en téléchargement gratuit sur Internet. De plus, il existe des sites d'archives, sur lesquels on peut trouver des fiches techniques pour les circuits intégrés obsolètes ou hors production.

Ces puces sont disponibles en deux catégories, en fonction de leur montage sur le circuit imprimé. Les boîtiers traversants sont plus grands et plus conviviaux si l'appareil doit être remplacé ou retiré du circuit à des fins de test : insérez simplement les broches dans les trous de la carte, retournez-la et soudez à l'arrière, puis coupez l'excès. Les boîtiers montés en surface sont très petits et plus difficiles à remplacer ou à retirer pour les tests. Ils sont positionnés sur un côté de la carte et soudés en place. Des outils et des techniques spéciaux sont nécessaires.

Bien que le très basique 555 IC soit connu sous le nom de "minuterie", il est également capable d'effectuer d'autres fonctions. En plus de fournir des temporisations de différentes durées et intervalles (comprenant ensemble le cycle de service), le 555 peut fonctionner comme un oscillateur, un dispositif à bascule, faire un interrupteur à bouton-poussoir sans rebond et fonctionner comme un capteur, parmi de nombreuses autres applications, en moyen de circuits externes.

La plupart des équipements dotés d'une LED clignotante, tels que de nombreux téléphones et imprimantes, utilisent 555 circuits intégrés. Ces circuits, ainsi que les LED et les réseaux de résistance-condensateur (RC) qui les accompagnent, peuvent être récupérés à partir d'unités retirées, mais avec des 555 à moins de 1 $ US, cela en vaut à peine la peine.

Signetics (racheté plus tard par Philips) a introduit le 555 en 1971. Il est maintenant fabriqué par de nombreux fabricants avec quelques variations internes et des caractéristiques de fonctionnement et des numéros de pièce légèrement différents, mais des brochages identiques. Avec de petites variations, le 555 ne contient que 25 transistors, 15 résistances et deux diodes. Il est disponible dans un boîtier double en ligne à huit broches. Il existe d'autres versions, telles que la 556, qui consiste en une seule puce contenant deux 555 dans un boîtier double en ligne à 14 broches. Les autres variantes sont les 558 et 559, composées de boîtiers doubles en ligne à 16 broches contenant quatre 555. La technologie CMOS est invoquée pour créer le TLC 555 à faible consommation.

Le 555 standard à huit broches dans un boîtier double en ligne illustre la simplicité et les multiples fonctions de cet appareil remarquable. Comme toujours, les broches sont numérotées consécutivement à partir du point/encoche, en commençant par la broche 1 et en procédant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre :

  • Pin 1, GROUND : Fournit la référence de bas niveau
  • Broche 2, TRIGGER : Un intervalle de temps commence et la broche 3, OUT, passe au niveau haut lorsque cette entrée tombe en dessous de la moitié de la tension appliquée à la broche 5, CONTROL.
  • Broche 3, OUT : cette sortie passe à 1.7 V en dessous de la broche 1, TERRE, lorsqu'elle est déclenchée.
  • Broche 4, RESET : L'intervalle de temps est réinitialisé lorsque cette entrée est connectée à la broche 1, GROUND.
  • Broche 5, CONTROL : Varie la synchronisation du réseau RC
  • Broche 6, THRESHOLD : détecte les deux tiers de la tension du rail, rendant la SORTIE basse si la broche 6, TRIGGER, est élevée.
  • Broche 7, DÉCHARGE : devient faible lorsque la broche 6, SEUIL, voit les deux tiers de la tension du rail.
  • Broche 8, ALIMENTATION : doit être connectée à la tension d'alimentation positive pour que le circuit intégré fonctionne : la plage acceptable est de 4.5 à 15 VCC. Pour les applications numériques, utilisez +5 VDC.

Le 555 dispose de trois modes de fonctionnement : monostable, astable (fonctionnement libre) et bistable (déclenchement de Schmitt). En mode monostable, le 555 est un générateur d'impulsions monocoup. Lorsque la broche de déclenchement voit une tension inférieure à un tiers de la tension d'alimentation, l'impulsion commence. La durée dépend des valeurs de la résistance et du condensateur dans le réseau RC. Après cette impulsion unique, le circuit intégré reste en sommeil jusqu'à ce qu'il soit redéclenché.

En mode astable, le 555 devient un oscillateur. À basse vitesse, il peut faire clignoter une LED ou fonctionner comme une horloge logique. Il peut également être utilisé pour créer des tonalités audibles.

En mode bistable, le 555 devient une bascule. La broche 7, DÉCHARGE, n'est pas connectée et le condensateur externe n'est pas présent. Une application importante est le commutateur sans rebond, rendu possible par l'action de verrouillage du 555, fonctionnant dans son mode bistable.

En raison de sa simplicité, de sa tolérance à une large gamme de tensions d'alimentation, de sa multiplicité d'applications et de son faible coût, le 555 est une bonne introduction au monde des circuits intégrés. Avec un faible nombre de broches, l'équipement dans lequel il est utilisé est facile à dépanner et à réparer. Un peu plus d'expertise est nécessaire dans le traitement de l'ampli-op, mais en raison de son apparition fréquente, il devrait faire partie de la base de connaissances des techniciens.

Les premiers ordinateurs analogiques contenant des amplificateurs opérationnels consistaient en d'énormes réseaux de tubes à vide avec des alimentations haute tension. Il y avait beaucoup de chaleur à dissiper, et l'espace dédié pour ce faire était substantiel, de sorte que les machines étaient principalement vues dans les universités et les grandes installations de recherche. Aujourd'hui, avec l'électronique à semi-conducteurs et le circuit intégré omniprésent, les amplificateurs opérationnels sont suffisamment courants pour être trouvés dans presque tous les home. Ils figurent également en bonne place dans les équipements commerciaux et industriels lourds. En raison de leur large utilisation, ils méritent un examen attentif.

L'ampli-op est un (mais pas le seul) type d'amplificateur différentiel. Il ressemble à l'amplificateur entièrement différentiel, qui diffère en ayant deux sorties. L'ampli op a une sortie et deux entrées. Les entrées sont V+ et V-, donc l'une est l'inverse de l'autre. Le circuit intégré, en raison de circuits internes, amplifie uniquement la différence de tension entre les deux. Le degré d'amplification est conforme à cette formule :

VOUT = AOL (V+ - V-)

où VOUT est la tension de sortie, V+ est une entrée non inverseuse, V- est l'inversion de l'entrée, et AOL est le gain en boucle ouverte.

Le gain en boucle ouverte est pertinent dans les cas où il n'y a pas de connexion de retour entre la sortie et l'entrée. En raison de l'énorme gain d'un ampli op en mode boucle ouverte (souvent autour de 100,000 XNUMX), le degré d'amplification est phénoménal. Mais, le véritable avantage de ce circuit intégré est visible lorsqu'il fonctionne en mode boucle fermée. Ici, l'amplification est bien moindre, donnée par cette équation :

VOUT = VIN (1 + Rf/Rg)

où Rf Et Rg sont les valeurs indiquées sur la figure 4.

L'amplificateur opérationnel de ce circuit est beaucoup plus stable que l'amplificateur opérationnel à boucle ouverte ou les amplificateurs précédents sans rétroaction négative. L'ampli-op, ainsi configuré, a été conçu pour résoudre les problèmes de stabilité et de bruit qui existaient dans les premières années de la transmission radio et filaire. C'est pourquoi les interurbains n'ont pas besoin de crier pour s'entendre.

Le dépannage et la réparation d'équipements électroniques commerciaux et industriels à grande échelle, tels que les contrôleurs d'ascenseur, impliquent généralement d'analyser les symptômes et (à l'aide de la documentation et des schémas du fabricant) d'isoler la section, le circuit et le composant défectueux. Il n'est pas rare que le coupable soit un mauvais circuit intégré. Parfois, il aura un aspect brûlé ou déformé, ou il fera anormalement chaud. Plus probablement, il n'y aura aucune indication par l'apparence extérieure.

Si le coût n'est pas un facteur et que l'accent est mis sur la mise en service rapide de l'équipement, la réparation peut consister à remplacer une carte de circuit entière. Le problème avec cette solution est que les cartes individuelles peuvent être très coûteuses et qu'un inventaire de sauvegarde complet serait assez volumineux.            

Dans une certaine mesure, il est possible de tester un circuit intégré à l'aide d'un multimètre, surtout s'il dispose de la fonction « test de diode ». Cette procédure est utile mais pas définitive. Dans ce document, le technicien consulterait la fiche technique du fabricant et verrait où la continuité devrait et ne devrait pas être attendue. Si toutes les broches sont court-circuitées sur le substrat, le CI est défectueux. Il ne devrait jamais y avoir de court-circuit entre l'alimentation et la terre. Fréquemment, la fiche technique du fabricant contient un schéma d'un circuit de test qui peut être construit pour tester le circuit intégré sur une base aller-retour. Un bon plan serait de remplacer la carte de circuit imprimé défectueuse, puis de la rapporter au magasin et de remplacer le circuit intégré défectueux afin qu'une carte de rechange soit disponible pour une utilisation future.

Questions de renforcement de l'apprentissage

Utilisez les questions de renforcement de l'apprentissage ci-dessous pour étudier pour l'examen d'évaluation de la formation continue disponible en ligne sur www.elevatorbooks.com ou à la p. 149 de ce numéro.
Qui a construit le premier circuit intégré fonctionnel ?
♦ Qu'est-ce que l'intégration à petite échelle ?
Que dit la loi de Moore ?
♦ Que signifie « CMOS » ?
♦ Comment la lithographie est-elle utilisée dans la fabrication des circuits intégrés ?

Références
[1] Charles Q. Choi. « L'étain atomiquement mince pourrait-il transformer l'électronique ? » Scientific American, 4 décembre 2013 (www.scientificamerican.com/article/could-atomically-thin-tin-transform-electronics).
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David Herres est titulaire d'une licence de maître électricien du New Hampshire et a travaillé comme électricien dans le nord de cet État pendant de nombreuses années. Il s'est concentré sur l'écriture depuis 2006, ayant écrit pour des magazines tels que ELEVATOR WORLD, Electrical Construction and Maintenance, Cabling Business, Electrical Business, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeBâtiment Magazine et Engineering News.

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