CD Automation représente une entreprise de référence pour les sociétés impliquées dans les multiples processus de régulation thermique industrielle. L’entreprise, active depuis 1987, produit des unités de puissance à thyristors de très haute qualité, avec le soutien, à l’échelle internationale, d’un réseau de filiales et de partenaires de premier plan dans le domaine multi-sectoriel de la régulation thermique.
Grâce à ces produits, CD Automation réduit la complexité et la consommation énergétique et améliore la Power Quality des processus thermiques, parmi lesquels certaines opérations de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs.
La valeur des partenariats
L’autorité de l’entreprise dans le domaine des technologies thermiques a facilité des partenariats avec d’autres acteurs de référence du secteur. Dans ce contexte, il est particulièrement intéressant d’examiner la portée de ces collaborations dans un domaine crucial pour le marché international: la production de dispositifs à semi-conducteurs.
Depuis l’apparition de la première diode, la température joue un rôle essentiel dans les processus de fabrication des semi-conducteurs. Les solutions développées par CD Automation pour ses partenaires reposent sur une compréhension approfondie des processus technologiques qui constituent les semi-conducteurs. En particulier, avec la réduction des dimensions de ces dispositifs, l’importance de la température en tant que variable critique du processus de production a fortement augmenté.
Qu’est-ce qu’un semi-conducteur?
La caractéristique fondamentale des semi-conducteurs est déjà inscrite dans leur nom: ce sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle des conducteurs métalliques et celle des isolants. Il s’agit d’une catégorie de substances assez vaste et hétérogène, fortement sensible à la lumière et caractérisée par un coefficient de température négatif de la résistivité électrique. Cela signifie que leur conductivité augmente avec la température, contrairement aux conducteurs métalliques.
La principale raison pour laquelle les semi-conducteurs sont si utiles est que leur conductivité peut être modifiée par l’ajout d’impuretés (dopage), par l’action d’un champ électrique ou par l’exposition à la lumière.
La crise des dispositifs à semi-conducteurs
Ces dernières années, le secteur des semi-conducteurs a traversé une période de forte instabilité, initialement liée aux difficultés d’approvisionnement apparues dans la période post-pandémique et ayant particulièrement touché l’électronique grand public et l’industrie automobile. Bien que la phase la plus critique de la “chip shortage” se soit progressivement atténuée, le marché reste caractérisé par des dynamiques complexes et une demande fortement inégale selon les secteurs d’application.
Aujourd’hui, la croissance portée par des domaines tels que l’intelligence artificielle et les centres de données influence fortement les stratégies de production des principaux acteurs mondiaux, avec des effets indirects sur la disponibilité de certaines catégories de composants électroniques. Dans ce contexte en constante évolution, le secteur des semi-conducteurs demeure stratégique et particulièrement sensible à l’équilibre entre demande, capacité de production et innovation technologique.
De ces considérations, il apparaît que le terme le plus approprié n’est pas simplement “chips”, mais “dispositifs à semi-conducteurs”, qui désigne l’ensemble des composants fondamentaux de l’électronique moderne (transistors, diodes et dispositifs de puissance) et qui constitue la base sur laquelle l’électronique industrielle s’est développée et continue d’évoluer.
Comment sont fabriqués les dispositifs à semi-conducteurs?
La fabrication de dispositifs à semi-conducteurs correspond au processus utilisé pour produire les puces et circuits intégrés présents dans la majorité des dispositifs électroniques actuels. Ce processus industriel se déroule en plusieurs étapes impliquant des technologies photolithographiques et physico-chimiques, au cours desquelles les circuits sont progressivement réalisés sur un substrat appelé wafer, constitué d’un cristal unique de matériau semi-conducteur de très haute pureté.
Pour la fabrication d’un circuit intégré, il est nécessaire d’obtenir un wafer extrêmement homogène, dépourvu de discontinuités qui compromettraient la qualité des composants. Le semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie est le silicium monocristallin (dont la structure cristalline est uniforme dans tout le matériau), obtenu par la méthode de Czochralski.
Le procédé de Czochralski
Ce procédé consiste à soulever verticalement et à faire tourner simultanément un germe monocristallin de silicium correctement orienté, introduit dans du silicium fondu à 1425°C au moyen d’une tige métallique, tandis que le creuset tourne en sens inverse.
Ainsi, une petite quantité de matière fondue en contact avec le germe se refroidit et se solidifie selon une structure cristalline identique à celle du germe. Au fur et à mesure que celui-ci est tiré vers le haut, davantage de matière se solidifie de la même manière, formant un lingot monocristallin.
La température du silicium dans le creuset est maintenue à quelques degrés au-dessus de son point de fusion et, en adhérant au germe monocristallin, il se solidifie très rapidement en conservant sa structure. Le contrôle strict de la température, de l’atmosphère, de la vitesse d’extraction et l’absence totale de vibrations permettent la production de lingots parfaitement cylindriques et d’une très grande pureté.
La méthode float zone
Cependant, la méthode précédente présente une limite: le silicium a tendance à réagir chimiquement avec les matériaux du creuset. Pour cette raison, il est préférable d’obtenir les monocristaux de silicium par la technique de la zone flottante (floating-zone).
Dans ce cas, le lingot est fixé en partie supérieure au mandrin supérieur, tandis que sa partie inférieure est mise en contact direct avec un germe monocristallin maintenu par le mandrin inférieur. L’opération commence par la création d’une zone fondue au niveau de la partie du lingot en contact avec le germe, puis cette zone est déplacée lentement vers le haut. Le silicium qui se solidifie au contact du germe reproduit fidèlement sa structure cristalline.
L’élimination des défauts
L’étape suivante consiste à découper le lingot à l’aide de fils diamantés afin d’obtenir des disques de quelques dixièmes de millimètre d’épaisseur: les wafers. Les tranches obtenues présentent des imperfections de surface qui sont éliminées par une série d’opérations (polissage et rodage).
Le traitement final consiste en une attaque chimique qui élimine les dernières imperfections de surface, permettant d’obtenir des wafers monocristallins prêts pour la fabrication des composants.
La photolithographie
À ce stade de la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs, il est nécessaire de miniaturiser des motifs complexes et de les imprimer sur le wafer grâce à un procédé appelé photolithographie.
Initialement, le wafer est recouvert de substances chimiques photosensibles (photoresist), qui durcissent lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Une lumière est ensuite projetée à travers un photomasque, créant une image lumineuse du circuit. Cette image est réduite à la bonne dimension à travers un système de lentilles, puis projetée sur le wafer.
La lumière réagit avec le photoresist, qui est ensuite éliminé, révélant une couche d’oxyde sous-jacente. Cette couche est ensuite attaquée chimiquement par un acide, exposant le silicium. Le silicium exposé est alors soumis à un processus de dopage, qui modifie ses propriétés électriques.
Ce procédé est répété plusieurs fois avec différentes combinaisons de produits chimiques et de masques, jusqu’à la construction complète des dispositifs, couche par couche.
L’attribution des propriétés
Certaines couches sont cuites, d’autres bombardées par plasma ionisé, d’autres encore plongées dans des métaux. Chaque traitement modifie les propriétés de la couche et contribue progressivement à l’assemblage du design des puces. Les wafers finis contiennent des milliards d’éléments de circuit et des milliers de microprocesseurs individuels.
Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs: un secteur en constante évolution
La compréhension approfondie de ces processus de fabrication est essentielle pour relever les nombreux défis d’un secteur en croissance continue et fortement impliqué dans l’évolution des technologies thermiques. C’est précisément dans cette optique que CD Automation met à disposition son savoir-faire et une famille de contrôleurs de puissance universels pour la production de dispositifs à semi-conducteurs.
Les caractéristiques de REVO C
REVO C, dans la gamme de 30 à 2100 A, est un régulateur de puissance haute performance pour le contrôle de la puissance, adaptable à toutes les applications SCR et doté d’un microprocesseur avancé qui le rend universel et entièrement configurable par logiciel. Il se présente également comme l’une des unités les plus complètes de la gamme grâce à:
- synchronisation des trois phases, diagnostic de rotation des phases, déclenchement en angle de phase, limitation de courant et haute précision des mesures;
- communication Profinet intégrée et temps d’intégration réduits grâce aux bibliothèques TIA Portal; communication Ethernet/IP avec bibliothèques dédiées pour simplifier l’intégration;
- certification SCCR 100 kA – 600 V (Short Circuit Current Rating), conforme à la norme UL508.
Le principal avantage du régulateur de puissance REVO C, qui le rend particulièrement adapté à la production de dispositifs à semi-conducteurs, est sa capacité à se connecter facilement au monde extérieur via Bluetooth et les protocoles Fieldbus industriels les plus répandus. Sa polyvalence permet de configurer les entrées, les modes de déclenchement et la logique de contrôle directement depuis un smartphone ou un ordinateur personnel.
Conçu et construit comme une unité compacte unique, REVO C permet non seulement de réduire l’encombrement et le temps nécessaire au montage et au câblage des fusibles séparés, mais garantit également une exécution correcte des phases de test et un accès simple aux circuits imprimés, aux fusibles et aux thyristors.
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