Quand deux puces sont empilées l’une sur l’autre, la soudure qui les relie peut migrer dans le pad en aluminium situé juste en dessous. Le contact électrique se dégrade, parfois après quelques centaines de cycles de chauffe seulement.
L’under bump metal, ou UBM, est la fine couche métallique intercalée entre le pad du circuit et la bille de brasure pour empêcher ce phénomène. Dans les architectures de puces 3D, où les connexions sont plus denses et les contraintes thermiques cumulées, cette couche est devenue un point de conception déterminant.
Contraintes thermomécaniques des puces 3D sur l’under bump metal
Dans un assemblage classique à plat, une puce est retournée et soudée sur un substrat par des billes (flip-chip). Les joints de soudure encaissent des efforts mécaniques, mais l’espacement entre connexions reste suffisant pour absorber les déformations.
En empilement 3D, la situation change radicalement. On superpose des couches actives dont les matériaux ne se dilatent pas au même rythme sous l’effet de la chaleur. Le pas entre les micro-billes de soudure diminue fortement. À chaque montée en température puis refroidissement, un effort de cisaillement s’exerce sur chaque joint.
Sans couche intermédiaire bien calibrée, l’étain de la brasure diffuse dans le pad et détruit la connexion. L’UBM sert précisément de tampon entre ces deux éléments. Et comme chaque puce empilée subit les cycles de brasure des couches ajoutées par-dessus, l’UBM d’un die situé en bas de l’empilement encaisse bien plus de contraintes que dans un montage plan.
Structure multi-couches de l’UBM : adhérence, barrière, mouillage
Que le packaging soit 2D ou 3D, l’UBM se compose de trois films superposés. Chacun remplit une fonction précise. Ce qui distingue un empilement 3D, c’est le niveau d’exigence sur chaque couche.
Film d’adhérence sur le pad
Le premier film se dépose directement sur le pad du circuit, en aluminium ou en cuivre. Son rôle est d’accrocher mécaniquement la suite de l’empilement. Le titane et le chrome sont les matériaux les plus répandus à cette étape. En 3D, où le pas entre connexions se réduit, un défaut d’adhérence local peut faire lâcher tout l’empilement.
Barrière de diffusion
Ce deuxième film empêche l’étain de la soudure de migrer vers le pad. Le nickel, déposé par pulvérisation sous vide ou par voie chimique, est le choix dominant. Dans un contexte 3D, la brasure fond à nouveau à chaque étape d’assemblage d’une couche supplémentaire. La barrière doit survivre à des reflows successifs sans se consumer entièrement.
Couche de mouillage en surface
Le dernier film, souvent en cuivre ou en or, permet à la soudure de s’étaler correctement lors de la fusion. Un mouillage insuffisant crée des poches de vide dans le joint. Ces vides augmentent la résistance électrique et thermique, deux paramètres particulièrement sensibles quand les interconnexions sont aussi serrées que dans un empilement 3D.
Procédés de dépôt UBM pour le packaging 3D
Deux grandes familles de procédés existent pour fabriquer l’UBM. Le choix entre elles dépend du niveau de précision requis, du budget et du volume de production.
- La voie sèche (pulvérisation cathodique sous vide, puis électrodéposition) permet un contrôle fin de l’épaisseur et de la composition de chaque film. C’est un atout pour les empilements 3D aux tolérances serrées, mais le débit reste limité et le coût par wafer élevé.
- La voie humide (dépôt chimique autocatalytique de type electroless nickel/or ou nickel/palladium/or) réduit le nombre d’étapes de lithographie. Elle s’adapte bien aux pads en cuivre et aux process à budget thermique contraint.
- Certains fabricants combinent les deux approches pour les pitchs les plus fins : pulvérisation pour l’adhérence et la barrière, electroless pour la finition de surface.
En production, le débit de la pulvérisation cathodique reste un goulet d’étranglement pour les wafers 3D à forte densité d’interconnexion. Ce point pèse autant que la performance technique dans le choix final du procédé.
Modes de défaillance UBM dans les empilements 3D
Trois types de pannes reviennent régulièrement quand l’UBM est mal dimensionné pour un empilement 3D.
Le premier est la disparition complète de la barrière en nickel. Après plusieurs cycles de fusion, l’étain consomme progressivement le nickel. Une fois la barrière traversée, des composés intermétalliques fragiles se forment au contact direct du pad. Le joint casse sous la moindre contrainte mécanique.
Le deuxième concerne les vides de Kirkendall. Quand deux métaux en contact diffusent l’un dans l’autre à des vitesses différentes, de minuscules cavités apparaissent à l’interface. Ces micro-vides augmentent la résistance thermique locale, un effet d’autant plus pénalisant que l’empilement est dense.
Le troisième est le décollement du film d’adhérence. L’aluminium des pads s’oxyde en quelques secondes à l’air libre. Cet oxyde natif doit être retiré avant tout dépôt d’UBM, sinon l’accroche mécanique est compromise dès le départ.
UBM et évolution des interconnexions 3D
La tendance actuelle pousse vers des pas de bump toujours plus réduits et des empilements comportant davantage de niveaux de puces. Chaque réduction du pas augmente la densité de courant qui traverse chaque bump, ce qui accentue les phénomènes d’électromigration au sein de l’UBM.
Les technologies de collage hybride (hybrid bonding), qui remplacent la brasure par un contact cuivre-cuivre direct, contournent une partie de ces problèmes. Pour autant, la majorité des empilements 3D en production reposent encore sur des micro-bumps avec UBM. Le collage hybride exige des niveaux de planéité et de propreté de surface que toutes les lignes de fabrication ne maîtrisent pas à ce jour.
À chaque nouveau nœud de packaging, l’épaisseur de la barrière, le matériau d’adhérence et le procédé de dépôt sont recalculés en fonction du budget thermique total et du nombre de fusions prévues. L’UBM n’est pas un réglage figé : c’est un verrou technique qui se redéfinit à chaque génération de puce.
