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Diamètre et rendement des wafers

Miniaturisation des transistors et agrandissement des wafers : comprendre les enjeux technologiques
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Grossièrement, un wafer est une galette composée d’un matériau semi-conducteur sur laquelle sont fabriqués des transistors et autres composants qui formeront le circuit imprimé. Plus un wafer est grand, plus il est possible de graver de dies d’un seul coup, réduisant ainsi le temps et les ressources nécessaires pour la fabrication d’un nombre de puces données et ipso facto, les coûts de production.

De l’importance du rendement

Le coût d’un die est égal au coût d’un wafer divisé par le nombre de die net par wafer. Les fondeurs estiment que le coût d’un wafer équivaut au prix de la galette, mais aussi aux frais liés à la dépréciation des équipements, l’opération de l’usine, la main-d'oeuvre, l’achat de matériaux et aux processus de fabrication. Il faut aussi savoir que le coût d’un die est différent du coût d’une puce qui inclut, entre autres, les frais engendrés lors du packaging et des différents tests jugeant de la fiabilité des circuits. 

Le nombre brut de die par wafer (DPW) dépend du diamètre de la galette (d en millimètre) et de la surface d’un die (S en millimètre carré) tel que

Il faut néanmoins souligner que ce chiffre ne représente pas le nombre net de puces, certains dies étant inopérants en raison d’impuretés ou défauts de fabrication. De plus, les fondeurs se réservent toujours une section de la galette à des fins de tests et contrôle de qualité.

 C’est pour cela que l’on parle plus souvent de rendement (le terme anglais yield est aussi couramment utilisé) que du nombre de puces réalisables sur un wafer. Le rendement est le pourcentage de puces utilisables par rapport au nombre brut de puces gravées sur un wafer. Il n’y a donc jamais un yield de 100 %. 90 % pour des architectures complexes est atteignable un an après la livraison des premières puces. Une moyenne de 70 % lors de la fabrication des premières unités est considérée comme excellente et il arrive souvent que certaines familles de puces démarrent à 50 %.


De l’importance du diamètre


Comme on peut le voir sur la formule calculant le nombre brut de dies réalisables sur un wafer, le diamètre de la galette est l’un des éléments qui influent le plus directement les capacités de production. Cela explique pourquoi nous sommes passés de wafers de 50 mm (2 pouces) au milieu des années 1970 à des surfaces de 100 mm (4 pouces) au début des années 75, 150 mm (6 pouces) à la fin des années 80, 200 mm (8 pouces) au début des années 90 et 300 mm (12 pouces aussi nommés pizza-pie) en 2001.

Ces dates approximatives ne donnent pas le moment exact de la première utilisation desdites dimensions, mais permettent de voir que les fondeurs attendent entre 5 et 10 ans avant de passer à un modèle plus grand. Le passage du 200 mm au 300 mm fut l’un des plus longs. Comparativement, il fallut seulement 3 ans pour graver les premiers 100 millions de pouces carrés sur des wafers en 200 mm, contre 5 ans pour le 300 mm et le 450 mm (18 pouces) devrait demander encore plus de temps.

La taille d’un wafer n’est pas choisie par hasard, mais correspond au produit de l’ancien diamètre multiplié par 1,33 ou 1,5, ce qui offre une surface utilisable environ 1,8 fois ou 2,3 fois plus importante respectivement.