En vedette - Les puces embarquées sur le marché pour des dispositifs intelligents
Démontez un ordinateur, un téléphone ou une télévision et la première chose que vous trouverez seront des micropuces installées à l'intérieur de boîtiers plastiques avec des branches métalliques de chaque côté. Les boîtiers de puces installés à la surface des circuits, qui ressemblent à des scarabées, forment depuis longtemps les bases de l'industrie des semi-conducteurs. Mais plus pour très longtemps. Une nouvelle technique dans laquelle les puces sont embarquées à l'intérieur et non sur le circuit imprimé (PCB, de l'anglais printed circuit board) offre de nombreux avantages, et pas uniquement en terme de taille. Les puces embarquées sont déjà produites dans le commerce à petite échelle, et elles devraient être utilisées à plus grande échelle d'ici peu. La recherche sur les puces embarquées a commencé il y a plus de dix ans et a fait de grands progrès ces dernières années, notamment grâce à des projets de recherche financés par l'UE. L'initiative «Hiding Dies» financée au titre du sixième programme-cadre (6e PC) a mené des activités de R&D (recherche et développement) fondamentale nécessaires pour produire un prototype de puces embarquées de 50 micromètres, environ la taille d'un cheveu humain. Le projet HERMES («High density integration by embedding chips for reduced size modules and electronic systems»), un projet de suivi de l'initiative Hiding Dies, s'est appuyé sur ces recherches et a amélioré la conception des puces embarquées puis les a mené vers une production industrielle à grande échelle. «Les puces embarquées présentent de nombreux avantages par rapport aux dispositifs installés en surface (SMD), La principale étant la taille; en effet, les puces embarquées ont une empreinte plus petite et sont également bien plus fines. En outre, sur ces PCB embarqués, on peut également assembler des éléments sur le dispositif, ce qui veut dire que l'on peut installer un second niveau de composants dans un espace réduit, ce que l'on ne peut pas faire avec un boîtier de puces moulé», explique Johannes Stahr, coordinateur du projet HERMES. En plaçant les composants sur les couches supérieures, on crée plus d'espace sur les couches extérieures; ainsi, les composants actifs et passifs tels que les transistors et les condensateurs peuvent être placés sur la même empreinte. Ceci ouvre aussi la porte à des systèmes dans un boîtier en 3D dans lesquels les puces et autres composants peuvent être empilés les uns sur les autres afin de fournir une meilleure fonctionnalité dans moins d'espace. Tous les composants peuvent être placés très près les uns des autres, aussi les faibles interconnexions entre eux réduisent les distorsions de signaux et améliorent la performance thermique. Cela permet également d'obtenir des modules bien plus solides et fiables car il n'est question ni de soudure ni de collage. Les composants étant situés entre les couches de conducteur du circuit et non pas dessus, les contacts se font de chaque côté, ce qui permet une plus grande flexibilité de conception pour diverses applications. Pile ou face? «Hiding Dies portait principalement sur un processus 'face' (vers le haut) pour les puces embarquées, dans lequel la puce est collée à un matériau principal, puis un matériau spécial (une feuille de cuivre recouverte de résine) est plastifié sur le noyau assemblé. Cependant, cette démarche entraîne un processus de décollement relativement complexe car la résine doit être assouplie et le décollement doit avoir lieu en une seule fois de manière à ne pas casser les puces», explique Stahr, également responsable de technologie de groupe à AT&S, le plus grand fabricant de circuits imprimés d'Europe dont le siège se trouve en Autriche. Ce processus fonctionne bien en laboratoire mais ne constitue pas la solution optimale pour la fabrication de puce à l'échelle industrielle. Dans le cadre d'HERMES, les chercheurs ont donc décidé d'adopter une approche différente. «Nous nous sommes tournés vers une approche 'pile': nous imprimons un composant diélectrique sur une feuille de cuivre et assemblons ensuite les composants tournés vers le bas sur l'adhésif», explique Stahr. L'avantage de ce processus est qu'il permet une meilleure manipulation des composants embarqués de toutes tailles (de 1 mm x 0,5 mm pour des composants passifs à 8 x 8 mm pour des teintures de silicium) et des composants externes peuvent ensuite être assemblés sur la face supérieure du PCB afin de créer des modules de très haute densité. Le composant étant visible pour la caméra de la machine de montage, contrairement au processus «face», les composants sont assemblés avec davantage de précision. Ceci est important pour la production à grande échelle, car le moindre défaut peut coûter des millions d'euros en ajustements. Les travaux de l'équipe d'HERMES ont été reconnus l'année dernière lors de l'exposition ICP APEX à Las Vegas, dans le Nevada (États-Unis), où le projet a reçu le prix de «Meilleur document de séance international» pour un article portant sur les options techniques pour les puces embarquées et leur fiabilité. Grâce aux techniques développées dans le cadre du projet, l'équipe d'HERMES a développé des centaines de démonstrateurs de puces pour trois partenaires constitués d'utilisateurs finaux. «Nous n'avons pas développé une chaîne de production prototype mais plutôt une chaîne de production à l'échelle industrielle pour une production en volume réel», explique Stahr. Plus petit, plus intelligent et plus solide Pour le partenaire du projet Bosch, le plus grand fabricant de pièces automobiles au monde, l'équipe développe une unité de contrôle du moteur complète pour la carte-mère des voitures et camions diesel contenant un processeur embarqué de 8 x 8 mm doté d'une mémoire et d'autres composants passifs. Les voitures, étant donné leur taille, ne sembleraient pas répondre aux mêmes contraintes en terme d'espace et donc à l'importance de la miniaturisation que des téléphones portables; et pourtant, Bosch et d'autres fabricants automobiles ont de bonnes raisons de s'intéresser à cette technologie. «L'espace réservé à la carte-mère est limité. Grâce à ce module, les fabricants peuvent conserver une carte-mère simple tout en ayant une unité de contrôle du moteur complexe pour une meilleure performance», ajoute Stahr. Les puces étant plus solides, il y a également moins de risques de défauts notamment en raison de conditions extrêmes rencontrées par un véhicule en déplacement (des grandes fluctuations de température aux vibrations intenses). «AT&S a établi une comparaison entre les composants embarqués et les composants SMD et nous avons constaté l'excellente fiabilité des composants embarqués. Dans des essais de chocs, notre composant a résisté à 15000 chutes avant que les testeurs n'aient dû interrompre leurs tests; ils ne parvenaient simplement pas à le casser», explique Stahr. Pour Infineon, un autre partenaire du projet, l'équipe a produit des démonstrateurs fonctionnels de modules d'alimentation pouvant être placés dans toute une gamme de produits de consommation allant des climatiseurs aux lave-linge. Ces transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET) ont de meilleurs flux et conductivité thermique par rapport aux composants SMD car les contacts se font des deux côtés et les interconnexions sont plus courtes et reposent sur du microvia rempli de cuivre. Enfin, pour Thales, l'équipe a travaillé sur des modules complexes pour des communications sûres, et a installé près de 400 composants embarqués, dont 5 puces, dans une construction de 10 couches sur un seul PCB. «Les applications de cette technologie sont infinies et touchent de nombreux secteurs; nous nous trouvons aujourd'hui en première ligne pour le développement de puces embarquées à l'échelle commerciale et industrielle», ajoute Stahr. Le projet HERMES a reçu un financement de recherche au titre du septième programme-cadre (7e PC) de l'UE. Liens utiles: - projet «High density integration by embedding chips for reduced size modules and electronic systems» - Archives des données du projet HERMES sur CORDIS Articles connexes: - «Les téléphones du futur encore plus intelligents» - «Un projet financé par l'UE aide à exploiter la performance potentielle des dispositifs mobiles» - «L'Europe fonce à plein gaz vers les services électroniques»