Semi-conducteurs : de l’importance d’en tester les composants électroniques

[CONTENU PARTENAIRE] Le semi-conducteur est la spécialité d’Alter Technology Tüv Nord France. Cette société de service bénéficie d’une haute expertise en matière de composants et d’équipements électroniques. Un savoir-faire mis au service des fabricants de semi-conducteurs, ainsi que des différents équipementiers fournisseurs de solutions électroniques à base de composants semi-conducteurs, en soumettant les composants à plusieurs types de tests électriques, environnementaux ou radiatifs. Explications avec Frédéric Tilhac, Directeur général d’Alter Technology France.

Quelle est la mission de votre entreprise ?

Notre entreprise s’appelait d’abord Hirex Engineering lorsqu’elle a vu le jour en 1993. Nous avons ensuite intégré Alter Technology Group, qui possédait trois autres entités, dont deux en Espagne et une en Écosse. L’entreprise a été rachetée en 2011 par le groupe de certification allemand Tüv Nord. Nous avons conservé le nom d’Hirex Engineering jusqu’en 2020, puis nous sommes devenus Alter Technology France.

Les profils techniques (ingénieurs ou techniciens) représentent environ 75 % de nos effectifs. Le reste est dédié à nos groupes support. Alter Technology France réalise des tests complémentaires adressés aux différents équipementiers, fournisseurs de solutions électroniques à base de composants semi-conducteurs. Nous testons les composants électroniques dans des environnements dits "durcis", en température extrême de -165°C jusqu’à +310°C, en radiation, en humidité, en environnement salin ou vide, en vibration, en choc et en accélération ou toutes combinaisons des précédentes conditions.

Ces tests s’effectuent dans le cadre d’un profil de mission donnée et pour différentes applications. Parmi tous les composants testés, 58 % sont destinés au domaine spatial, 25 % à l’aéronautique, 10 % à l’automobile (électrification) et 7 % sont appelés à être utilisés dans l’industrie ou le nucléaire.

À quoi aboutissent vos tests ? Pouvez-vous nous donner des exemples ?

Dans le domaine spatial, des essais de qualification des composants sont effectués par rapport à des missions particulières : durée de vie, altitude, voire inclinaison. Ce dernier critère d’altitude est aussi très important pour l’aviation et l’automobile, notamment pour les aspects radiations. Des tests en température sont nécessaires quand l’environnement présente des températures extrêmement basses ou hautes. C’est le cas d’un forage pétrolier, qui s’approche des 230 °C. Les composants électroniques doivent donc être testés pour s’assurer qu’ils sont capables de résister à une telle chaleur.

Comment s’effectuent vos différents tests ?

Tous nos tests sont réalisés avec des équipements spécifiques. Nous testons aussi bien des puces sur du wafer (plaque très fine de matériau semi-conducteur de différents diamètres) que des composants finis, encapsulés dans un boîtier plastique ou hermétique. Notre site compte d’ailleurs trois laboratoires :

• Le laboratoire d’analyse technologique des composants (LAT). Dans le cas d’une défaillance dans les essais, nous procédons à une analyse de défaillance. Nous observons aussi la construction du composant, pour vérifier s’il peut (ou non) être utilisé dans un environnement durci. Enfin, le LAT nous permet de faire du reverse engineering : nous étudions le composant pour en déterminer son fonctionnement interne et donc appréhender si la technologie peut être utilisée pour des environnements durcis ;
• Le laboratoire de test de composants et essais de fiabilité sur ces composants (LTE). Il s’agit de tests électriques, que le produit soit analogique, digital, passif, discret, de puissance et notamment les composants de puissance dits grand gap comme le GaN (Nitrure de Gallium) et le SiC (Carbure de Silicium). Nous y testons aussi des puces sur wafer, et nous effectuons des tests de fiabilité. Ce laboratoire nous permet également de réaliser des essais mécaniques de vibration, d’accélération et de choc. Ils sont utiles pour s’assurer, par exemple, qu’un composant électronique est bien adapté à une mission sur une fusée de type Ariane. Enfin, nous pouvons mener des essais environnementaux (cycle thermique, choc thermique, humidité, etc.) ;
• Le laboratoire de radiation (Single Event Effects, SEE). Il gère les tests de radiation. Ce sont tout d’abord des simulations pour visualiser quelle sera la dose de radiation reçue par le composant dans un environnement donné. Nous vérifions en amont s’il sera capable (ou non) d’y résister. Cette problématique touche aussi bien le spatial et l’aviation que le terrestre. Elle concerne en effet l’électronique présente dans les véhicules. Nous surveillons donc les radiations qui impactent directement les composants électroniques. Ensuite, les tests sont effectués en fonction de l’environnement à l’aide d’accélérateur d’ions lourds pour le spatial, et de protons et de neutrons pour l’aéronautique. Côté automobile, il faut noter qu’une nouvelle demande apparaît, car un neutron terrestre peut perturber le fonctionnement d’une voiture. D’où l’intérêt de ces tests, sachant que les équipementiers automobiles ainsi que les fabricants d’automobiles qualifient les voitures jusqu’à 4 000 m d’altitude.

Quelle réponse apportez-vous à la pénurie de composants électroniques ?

Nous effectuons des essais de contrefaçon. Face au manque de composants, le broker (l’intermédiaire entre le vendeur et l’acheteur) est devenu une seconde source d’approvisionnement. Aujourd’hui, de grosses entités y ont recours pour assurer malgré tout leur production, quitte à rajouter des tests complémentaires pour vérifier la provenance et la fiabilité du lot.

Tous nos outils (analyse technologique du composant, test électrique, test de fiabilité) déterminent si le lot reçu peut être (ou non) utilisé par nos clients. Nous faisons preuve de vigilance au niveau de la puce et de son numéro de série, comme sur son assemblage et encapsulation.

D’après vous, quels sont les plus grands défis qui vous attendent ?

La plus grosse problématique à venir est l’intégration des composants électroniques. Les nouvelles technologies intègrent de plus en plus de fonctions sur une même puce ou sur un même substrat de type silicium ou autres matériaux de type circuits imprimés. Or, il faudra bientôt trouver les équipements correspondant pour tester ces nouveaux types d’intégration. D’ordinaire, il existe deux types d’intégration des semi-conducteurs :

• Le System on Chip (SOC) : au niveau de la puce, avec une technologie adaptée et des fonctions intégrées dans la puce ;
• Le System in Package (SIP) : avec plusieurs puces montées sur un même substrat, puis encapsulées dans un boîtier en plastique classique ou appelé aussi Chiplet.

Face à l’évolution du secteur, nous allons nous retrouver avec un mix de plusieurs technologies au niveau d’un System in Package. L’intégration sera alors verticale 2.5D et 3D, avec toujours plus de fonctions. Il va être difficile de tester ce nouveau genre de produit. Cette complexité peut faire grimper les prix des équipements de test.

La vitesse est d’ailleurs une autre difficulté. Tout s’accélère. Nous le voyons déjà avec les composants de véhicules autonomes, qui fonctionnent à 77 Gigahertz, et les satellites avec les bandes KA et KU pour la télécommunication. De plus, les composants de satellite gagnent en complexité. Les données transmises à la Terre sont de plus en plus nombreuses. Il nous faut nous adapter et apporter rapidement des solutions de tests assez efficaces pour suivre ces industries. Enfin, la mixité entre la photonique (la lumière) et la RF (radiofréquence) représente une autre difficulté d’intégration pour réussir à transférer de l’information, autant pour le test que pour l’assemblage.

Pour conclure, quelle est votre vision du marché des semi-conducteurs ?

Il est temps de retrouver une souveraineté européenne en matière de semi-conducteurs. Les gouvernements estiment que nous sommes capables de produire du 5, voire du 7 nanomètres (un produit présent dans nos téléphones). Or, pour baisser le coût des semi-conducteurs, il faut avant tout du volume. Je ne suis pas certain qu’il existe un marché européen pour ces dimensions. Selon moi, nous avons d’abord besoin d’avoir toutes les autres technologies (14, 16, 22, 28 nanomètres, etc.), plus fréquemment utilisées en Europe en ce qui concerne les composants digitaux mais nous avons aussi besoin des autres technologies pour la puissance tels que le GaN et le SiC ainsi que des technologies pour la RF.

Nous avons également besoin d’expertise pour concurrencer directement le marché asiatique. Il est donc important de former les nouvelles générations d’ingénieurs à ces enjeux, et cela dès l’école.

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