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Circuits intégrés

Un circuit intégré (CI) est une puce semi-conductrice qui contient de nombreux petits composants tels que des condensateurs, des diodes, des transistors et des résistances.Ces minuscules composants sont utilisés pour calculer et stocker des données à l’aide de technologies numériques ou analogiques.Vous pouvez considérer un circuit intégré comme une petite puce pouvant être utilisée comme un circuit complet et fiable.Un circuit intégré peut être un compteur, un oscillateur, un amplificateur, une porte logique, une minuterie, une mémoire informatique ou même un microprocesseur.

Un circuit intégré est considéré comme un élément fondamental de tous les appareils électroniques actuels.Son nom suggère un système de multiples composants interconnectés intégrés dans un mince matériau semi-conducteur en silicium.

Histoire des circuits intégrés 

La technologie derrière les circuits intégrés a été initialement introduite en 1950 par Robert Noyce et Jack Kilby aux États-Unis d'Amérique.L'US Air Force fut la première consommatrice de cette nouvelle invention.Jack Kilby a également remporté le prix Nobel de physique en 2000 pour son invention des circuits intégrés miniaturisés.

Un an et demi après l'introduction du design de Kilby, Robert Noyce a présenté sa propre version du circuit intégré.Son modèle a résolu plusieurs problèmes pratiques liés au dispositif de Kilby.Noyce a également utilisé du silicium pour son modèle, tandis que Jack Kilby a utilisé du germanium. 

Robert Noyce et Jack Kilby ont tous deux obtenu des brevets américains pour leur contribution aux circuits intégrés.Ils ont été aux prises avec des problèmes juridiques pendant plusieurs années.Finalement, les sociétés Noyce et Kilby ont décidé d'accorder des licences croisées pour leurs inventions et de les présenter à un immense marché mondial.

Types de circuits intégrés

Il existe deux types de circuits intégrés.Ceux-ci sont:

1. CI analogiques

Les circuits intégrés analogiques ont une sortie constamment modifiable, en fonction du signal qu'ils reçoivent.En théorie, de tels CI peuvent atteindre un nombre illimité d’états.Dans ce type de circuit intégré, le niveau de sortie du mouvement est une fonction linéaire du niveau d'entrée du signal.

Les circuits intégrés linéaires peuvent fonctionner comme des amplificateurs radiofréquence (RF) et audiofréquence (AF).L'amplificateur opérationnel (ampli-op) est l'appareil normalement utilisé ici.De plus, un capteur de température est une autre application courante.Les circuits intégrés linéaires peuvent allumer et éteindre divers appareils une fois que le signal atteint une certaine valeur.Vous pouvez trouver cette technologie dans les fours, les radiateurs et les climatiseurs. 

2. CI numériques 

Ceux-ci sont différents des circuits intégrés analogiques.Ils ne fonctionnent pas sur une plage constante de niveaux de signal.Au lieu de cela, ils fonctionnent à quelques niveaux prédéfinis.Les circuits intégrés numériques fonctionnent essentiellement à l'aide de portes logiques.Les portes logiques utilisent des données binaires.Les signaux dans les données binaires n'ont que deux niveaux appelés bas (logique 0) et haut (logique 1).

Les circuits intégrés numériques sont utilisés dans un large éventail d'applications telles que les ordinateurs, les modems, etc.

Pourquoi les circuits intégrés sont-ils populaires ?

Bien qu’inventés il y a près de 30 ans, les circuits intégrés sont encore utilisés dans de nombreuses applications.Discutons de certains des éléments responsables de leur popularité : 

1.Évolutivité 

Il y a quelques années, les revenus de l'industrie des semi-conducteurs ont atteint le chiffre incroyable de 350 milliards de dollars.Intel a été le plus gros contributeur ici.Il y avait aussi d’autres acteurs, et la plupart appartenaient au marché numérique.Si vous regardez les chiffres, vous verrez que 80 % des ventes générées par l’industrie des semi-conducteurs provenaient de ce marché.

Les circuits intégrés ont joué un grand rôle dans ce succès.Vous voyez, les chercheurs de l'industrie des semi-conducteurs ont analysé le circuit intégré, ses applications et ses spécifications et l'ont mis à l'échelle.

Le premier circuit intégré jamais inventé ne comportait que quelques transistors – 5 pour être précis.Et maintenant, nous avons vu le Xeon 18 cœurs d'Intel avec un total de 5,5 milliards de transistors.De plus, le contrôleur de stockage d'IBM comptait 7,1 milliards de transistors avec 480 Mo de cache L4 en 2015.

Cette évolutivité a joué un rôle important dans la popularité des circuits intégrés.

2. Coût

Il y a eu plusieurs débats sur le coût d'un CI.Au fil des années, une idée fausse a également existé quant au prix réel d’un circuit intégré.La raison en est que les circuits intégrés ne sont plus un concept simple.La technologie évolue à une vitesse extrêmement rapide, et les concepteurs de puces doivent suivre ce rythme lorsqu'ils calculent le coût des circuits intégrés.

Il y a quelques années, le calcul du coût d'un circuit intégré reposait sur la puce en silicium.À cette époque, l’estimation du coût d’une puce pouvait facilement être déterminée par la taille de la puce.Même si le silicium reste un élément primordial dans leurs calculs, les experts doivent également prendre en compte d'autres composants lors du calcul du coût du circuit intégré.

Jusqu’à présent, les experts ont déduit une équation assez simple pour déterminer le coût final d’un CI :

Coût IC final = coût du colis + coût du test + coût de la matrice + frais d'expédition

Cette équation prend en compte tous les éléments nécessaires qui jouent un rôle important dans la fabrication de la puce.En plus de cela, d’autres facteurs peuvent être pris en compte.La chose la plus importante à garder à l’esprit lors de l’estimation des coûts des circuits intégrés est que le prix peut varier au cours du processus de production pour plusieurs raisons.

De plus, toute décision technique prise au cours du processus de fabrication peut avoir un impact significatif sur le coût du projet.

3. Fiabilité

La production de circuits intégrés est une tâche très sensible car elle nécessite que tous les systèmes fonctionnent en continu pendant des millions de cycles.Les champs électromagnétiques externes, les températures extrêmes et d'autres conditions de fonctionnement jouent tous un rôle important dans le fonctionnement des circuits intégrés.

Cependant, la plupart de ces problèmes sont éliminés grâce à l’utilisation de tests à haute contrainte correctement contrôlés.Il ne fournit aucun nouveau mécanisme de défaillance, augmentant ainsi la fiabilité des circuits intégrés.Nous pouvons également déterminer la distribution des défaillances dans un temps relativement court grâce à l’utilisation de contraintes plus élevées.

Tous ces aspects contribuent à garantir le bon fonctionnement d’un circuit intégré.

De plus, voici quelques caractéristiques pour déterminer le comportement des circuits intégrés :

Température

La température peut varier considérablement, ce qui rend la production de CI extrêmement difficile.

Tension.

Les appareils fonctionnent à une tension nominale qui peut varier légèrement.

Processus

Les variations de processus les plus vitales utilisées pour les appareils sont la tension de seuil et la longueur du canal.La variation du processus est classée comme :

• Beaucoup, beaucoup
• Plaquette à plaquette
• Mourir pour mourir

Paquets de circuits intégrés

Le boîtier enveloppe la puce d'un circuit intégré, ce qui nous permet de nous y connecter facilement.Chaque connexion externe de la puce est reliée par un petit morceau de fil d'or à une broche sur l'emballage.Les broches sont des bornes extrudées de couleur argentée.Ils traversent le circuit pour se connecter aux autres parties de la puce.Ceux-ci sont très essentiels car ils font le tour du circuit et se connectent aux fils et au reste des composants d’un circuit.

Il existe plusieurs types de packages différents qui peuvent être utilisés ici.Tous ont des types de montage, des dimensions et un nombre de broches uniques.Voyons comment cela fonctionne.

Comptage des broches

Tous les circuits intégrés sont polarisés et chaque broche est différente en termes de fonction et d'emplacement.Cela signifie que le package doit indiquer et séparer toutes les broches les unes des autres.La plupart des circuits intégrés utilisent un point ou une encoche pour afficher la première broche.

Une fois que vous avez identifié l'emplacement de la première broche, les autres numéros de broches augmentent dans une séquence à mesure que vous parcourez le circuit dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Montage

Le montage est l’une des caractéristiques uniques d’un type de package.Tous les packages peuvent être classés selon l'une des deux catégories de montage suivantes : montage en surface (SMD ou SMT) ou traversant (PTH).Il est beaucoup plus facile de travailler avec des packages Through-hole car ils sont plus gros.Ils sont conçus pour être fixés d’un côté d’un circuit et soudés à l’autre.

Les boîtiers à montage en surface sont disponibles en différentes tailles, du plus petit au plus minuscule.Ils sont fixés sur un côté du boîtier et sont soudés à la surface.Les broches de ce boîtier sont soit perpendiculaires à la puce, soit pressées sur le côté, soit parfois placées dans une matrice à la base de la puce.Les circuits intégrés sous forme de montage en surface nécessitent également des outils spéciaux pour être assemblés.

Double en ligne

Le package Dual In-line (DIP) est l’un des packages les plus courants.Il s'agit d'un type de boîtier IC traversant.Ces petites puces contiennent deux rangées parallèles de broches s'étendant verticalement à partir d'un boîtier rectangulaire en plastique noir.

Les broches ont un espacement d'environ 2,54 mm entre elles – un standard parfait pour s'adapter aux planches à pain et à quelques autres cartes de prototypage.En fonction du nombre de broches, les dimensions globales du boîtier DIP peuvent varier de 4 à 64.

La région entre chaque rangée de broches est espacée pour permettre aux circuits intégrés DIP de chevaucher la région centrale d'une maquette.Cela garantit que les broches ont leur propre rangée et ne sont pas courtes.

Petit contour

Les boîtiers de circuits intégrés à petit contour ou SOIC sont similaires à un montage en surface.Il est constitué en pliant toutes les broches sur un DIP et en les rétrécissant.Vous pouvez assembler ces paquets d'une main ferme et même d'un œil fermé – c'est aussi simple que cela !

Appartement Quad

Les packages Quad Flat évasent les broches dans les quatre directions.Le nombre total de broches dans un circuit intégré quad plat peut varier de huit broches sur un côté (32 au total) à soixante-dix broches sur un côté (plus de 300 au total).Ces broches ont un espace d'environ 0,4 mm à 1 mm entre elles.Les variantes plus petites du boîtier quad flat se composent de boîtiers low-profile (LQFP), fins (TQFP) et très fins (VQFP).

Réseaux de grilles à billes

Les Ball Grid Arrays ou BGA sont les packages IC les plus avancés du marché.Il s’agit de petits boîtiers incroyablement compliqués dans lesquels de minuscules billes de soudure sont disposées dans une grille bidimensionnelle à la base du circuit intégré.Parfois, les experts fixent les billes de soudure directement sur la matrice !

Les packages Ball Grid Arrays sont souvent utilisés pour les microprocesseurs avancés, comme le Raspberry Pi ou pcDuino.