Comment gérer les conséquences de la pénurie de composants sur les circuits imprimés ?

La pénurie de composants électroniques, en particulier de certaines catégories de semi-conducteurs et de puces, pose depuis quelque temps de nombreux problèmes à l’industrie électronique mondiale. Cette crise des composants, l’une des plus graves que nous ayons connues, ne semble pas encore avoir pris fin et tout porte à croire qu’elle pourra se poursuivre au moins jusqu’en 2023.

L’écart entre l’offre et la demande, notamment en ce qui concerne les composants à haute densité d’intégration (MCU, CPU et FPGA), s’est fortement accru en raison de la montée en puissance de certains secteurs tels que l’Internet des objets, la 5G et l’automobile (conception et production de véhicules électriques ).

La pénurie mondiale de composants électroniques a eu des répercussions sur de nombreux secteurs de la fabrication électronique, notamment les circuits imprimés. Cette situation a obligé les ingénieurs à réviser le processus de conception des circuits électroniques en tenant compte, dès le départ, de la difficulté de trouver certains composants ou des très longs délais d’approvisionnement.

Dans cet article, nous analysons les principales causes ayant mené à l’apparition de ce problème et les mesures que les fabricants et les concepteurs peuvent prendre afin de limiter ses effets sur le secteur des circuits imprimés.

Les causes des pénuries de composants

La pandémie de COVID-19, survenue en 2020, a constitué l’élément déclencheur de la pénurie mondiale de puces. Certaines lignes de production de plaquettes et de semi-conducteurs ont ainsi été fermées ou temporairement suspendues par mesure de précaution. Il en a résulté un effondrement de la demande de certaines matières premières utilisées dans la fabrication des composants électroniques et des circuits imprimés (en premier lieu, le cuivre).

Après le choc initial de la pandémie, l’ensemble du secteur de l’électronique a connu une forte reprise (suivant la fameuse courbe en « V ») avec un rebond de la demande mondiale de semi-conducteurs. Les activités intelligentes et la mobilité électrique ont fait augmenter très rapidement la demande de composants électroniques, ce qui a entraîné un allongement des délais de livraison et une hausse des coûts d’approvisionnement.

Les activités intelligentes, en particulier, ont accru la demande du marché pour les nouveaux appareils électroniques nécessaires aux personnes installées à leur domicile pour travailler et étudier. Le secteur des semi-conducteurs a dû accroître sa production afin de fournir rapidement des dispositifs tels que :

• Ordinateurs, réseaux et équipements de bureau à domicile

• Ordinateurs portables, tablettes et systèmes éducatifs destinés aux élèves et aux enseignants.

• Téléphones portables et systèmes de communication à distance (webcams et systèmes de téléconférence)

• Systèmes de divertissement à domicile (téléviseurs, consoles de jeux vidéo, etc.)

• Systèmes de domotique et de sécurité domestique.

C’est le premier maillon de la chaîne d’approvisionnement, c’est-à-dire les fonderies de plaquettes, qui a été le plus touché. Le nombre de fonderies actuellement en activité est limité, avec une concentration des sites de production, surtout dans la zone asiatique. La fonderie de silicium Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC), qui contrôle une grande partie de la production mondiale de plaquettes, n’est pas en mesure de répondre à l’énorme quantité de commandes reçues. Elle ne peut donc pas garantir des délais de livraison courts, du moins pour les prochains mois. Outre les plaquettes de semi-conducteurs (image 1), l’approvisionnement d’autres matériaux a subi des ralentissements importants. Il s’agit notamment des matériaux utilisés pour fabriquer les substrats des circuits imprimés (tels que le FR-4), le cuivre, les câbles, les connecteurs et les composants passifs. Les besoins en feuilles de cuivre ont augmenté en raison de la production accrue de circuits imprimés et de la forte utilisation de ce matériau dans la fabrication de batteries et de composants pour les véhicules électriques. Par ailleurs, les besoins en aluminium, matériau principalement utilisé dans les cartes de circuits imprimés à base de métal (MPCB), ont également augmenté, aggravant encore les problèmes d’approvisionnement. Le récent conflit entre la Russie et l’Ukraine a également entraîné une hausse significative des prix, ce qui a restreint l’approvisionnement en matières premières utilisées dans la production de semi-conducteurs.

Image 1 : Plaque de silicium de 12 pouces

Cet écart entre l’offre et la demande allonge de plus en plus les délais de livraison qui, pour différentes catégories de semi-conducteurs, peuvent même dépasser les cinquante semaines. L’allongement des délais de livraison a également entraîné une augmentation des prix. On retrouve ce phénomène dans toutes les étapes de la chaîne de développement des composants électroniques, en partant de la fabrication des tranches de silicium.

Incidence sur l’industrie des circuits imprimés

L’industrie automobile a été l’un des secteurs les plus touchés par cette crise. Compte tenu du grand nombre de dispositifs électroniques présents à bord des véhicules (image 2), le nombre de circuits imprimés et de composants électroniques nécessaires est très élevé. Le besoin en puces s’est accru ces dernières années en raison de la mise en place de nombreux systèmes électroniques visant à accroître la sécurité (tels que les systèmes ADAS), de la mise en œuvre des premiers niveaux de conduite autonome et de la connectivité entre les véhicules (V2V et V2X). Le manque de puces a conduit dans certains cas à la suspension ou à la réduction de la production de véhicules, entraînant ainsi une hausse du prix des voitures neuves.

Image 2 : Le nombre d’appareils électroniques installés dans les véhicules est en constante augmentation.

Parmi les autres secteurs touchés par la pénurie de puces, citons celui des appareils mobiles (notamment les smartphones de moyenne ou basse gamme) et le secteur de l’Internet des objets. La demande en puces et en modules pour l’Internet des objets est en effet en forte croissance, notamment parce que les dispositifs intelligents nécessitent davantage de connectivité et qu’ils prennent en charge les nouvelles technologies 5G. Compte tenu de la rareté des matières premières et des plaquettes de semi-conducteurs, la production de certains composants électroniques haut de gamme utilisés dans les applications automobiles a pris le pas sur la production de composants plus simples utilisés dans le secteur de l’Internet des objets qui a été davantage pénalisé.

Comment gérer la pénurie de puces ?

La pénurie de semi-conducteurs a révélé que la production actuelle de plaquettes, l’élément de base des composants électroniques, ne suffit pas à couvrir la demande mondiale et reste trop concentrée dans certaines zones géographiques. Certains fabricants et certaines fonderies réalisent d’importants investissements pour construire de nouvelles usines afin de renforcer la production de puces. Outre les pays asiatiques, ces investissements concernent les États-Unis et l’Europe. Tous les pays ont saisi le caractère stratégique du secteur des matériaux et composants électroniques dans leur économie. De toute évidence, il ne s’agit pas d’une solution à court terme. Les nouveaux sites de production atteindront leur pleine capacité au plus tôt à la fin de l’année 2023.

Outre les entreprises, les gouvernements interviennent également pour résoudre le problème de la pénurie de semi-conducteurs de sorte que cette situation ne se reproduise plus à l’avenir. Le gouvernement américain a par exemple approuvé à l’été 2022 la loi CHIPS qui prévoit de consacrer plusieurs dizaines de milliards de dollars à la recherche et à la production de semi-conducteurs sur le territoire national. L’objectif est de réduire la dépendance des États-Unis aux fabricants mondiaux de semi-conducteurs afin de pallier les problèmes d’approvisionnement qui pèsent sur les secteurs de l’électronique et des circuits imprimés.

Des initiatives similaires sont actuellement à l’étude au sein de l’Union européenne et d’autres pays dans différentes parties du monde. La Commission européenne a annoncé un investissement de plusieurs dizaines de milliards d’euros en faveur de l’industrie européenne des semi-conducteurs. La plupart des semi-conducteurs étant produits en Asie (notamment à Taïwan), cette mesure a été prise dans l’espoir de renforcer la présence de l’Europe sur ce marché. Bien que ces mesures ne résolvent pas le problème dans l’immédiat, elles permettent au continent de mieux se positionner pour l’approvisionnement futur en produits manufacturés.

Outre ces initiatives prises au niveau mondial, il existe certaines mesures que les fabricants et les concepteurs de circuits électroniques et de circuits imprimés peuvent prendre pour mieux gérer les problèmes liés à la pénurie de composants. Par exemple, la société Infineon Technologies a inauguré en septembre 2021 l’usine de Villach en Autriche, l’une des plus modernes au monde, destinée à la production de tranches de silicium de 300 mm (12 pouces).

Toutes les entreprises opérant dans la fabrication et l’assemblage de circuits imprimés peuvent appliquer les mesures suivantes pour réduire les effets de la pénurie de semi-conducteurs sur leurs activités :

• Coopération étroite avec les fournisseurs de matières premières et de composants électroniques. Vous pouvez ainsi rester en phase avec les plans d’investissement et les feuilles de route technologiques, tout en vous assurant à l’avance de la disponibilité du matériel en cas de besoin.

• Diversification des fournisseurs. La possibilité de faire appel à plusieurs fournisseurs, retenus selon des critères de fiabilité et de robustesse, permet de compenser l’indisponibilité temporaire d’un fournisseur en puisant dans les stocks d’un autre. De cette façon, vous pouvez également réduire les risques liés à la concentration des achats auprès d’un seul fournisseur.

• Si possible, planifiez la production bien à l’avance. Vous pouvez ainsi transmettre les commandes aux fournisseurs en temps opportun afin de leur permettre de gérer les achats avec une plus grande marge de sécurité.

• Stockage des composants les plus critiques. Certains composants, tels que les émetteurs-récepteurs Wi-Fi et Bluetooth essentiels à la réalisation des dispositifs d’Internet des objets, les écrans, les circuits intégrés non commerciaux, peuvent être stockés en entrepôt lorsqu’ils sont davantage disponibles. Vous pouvez ainsi pallier les éventuelles pénuries à venir.

• Privilégiez toujours les distributeurs officiels. La rareté des composants peut inciter les concepteurs et les fabricants à faire appel à des fournisseurs tiers, ce qui accroît le risque de se procurer des composants peu fiables, voire contrefaits.

• Prenez bien en compte, dès le début d’un projet, l’obsolescence éventuelle de certains composants. Les fabricants de semi-conducteurs indiquent à l’avance quand un composant est susceptible de devenir obsolète. Ce point est essentiel si l’on envisage de faire évoluer le circuit par la suite. Il en va de même pour les composants produits de manière discontinue. Pour éviter leur éventuelle pénurie, il est essentiel que le concepteur prévoie des composants de substitution comme deuxième ou troisième choix.

• Envisagez également la possibilité d’utiliser des solutions de substitution afin de ne pas bloquer la production et l’assemblage d’un circuit imprimé (l’image 3 montre une machine d’assemblage avec la technologie de montage en surface). Les solutions de substitution sont des composants qui peuvent remplacer des composants devenus indisponibles. Les pièces de rechange doivent nécessairement disposer du même type de brochage, de broche d’alimentation et de connexion à la terre.

• Il existe une option radicale pour créer des circuits imprimés de démonstration ou de prototype : la récupération de composants critiques sur des cartes de référence ou d’évaluation. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une solution définitive, cette approche permet de remédier temporairement à une pénurie de composants en attendant qu’ils soient à nouveau disponibles. En fait, il est fréquent que des cartes de développement et des kits d’évaluation contenant des composants non stockés soient encore largement disponibles.

Image 3 : équipement d’assemblage automatique de circuits imprimés avec la technologie de montage en surface

Conclusion

La pandémie de COVID-19 et le conflit entre la Russie et l’Ukraine ont eu des retombées négatives sur toute la chaîne d’approvisionnement mondiale en matériaux et en composants électroniques.

En l’absence de planification adéquate, la pénurie de composants et de matières premières risque d’entraver la conception et l’assemblage des circuits imprimés. Pour réduire l’impact des besoins inopinés en matière de conception de circuits imprimés, il est possible d’anticiper et d’optimiser le choix des fournisseurs et des composants.

Pour relever ce type de défis, tout en empêchant la survenue ultérieure de problèmes, il convient tout d’abord de disposer d’une plus grande capacité de production de tranches de silicium, l’élément de base des circuits électroniques. Les différents fabricants de circuits imprimés et de cartes électroniques peuvent alors prendre des mesures ciblées en vue d’anticiper et de limiter les risques d’une éventuelle pénurie de matières premières et de semi-conducteurs.

09.01.2023