Quand on empile deux dies en 3D et que la brasure entre les micro-bumps commence à diffuser dans le pad d’aluminium, le circuit lâche. Pas au bout de cinq ans, parfois au bout de quelques centaines de cycles thermiques. C’est exactement ce scénario que l’under bump metal (UBM) est censé bloquer, et c’est pour ça que sa conception est passée du détail de process au point critique de toute architecture d’empilement.
Contrainte thermomécanique des empilements 3D et rôle de l’UBM
Dans un packaging 2D classique, le flip-chip relie une puce à un substrat. Les bumps de soudure subissent des contraintes, mais l’épaisseur du die et la distance entre connexions laissent de la marge. En empilement 3D, on réduit drastiquement le pitch entre les micro-bumps et on superpose des couches actives avec des coefficients de dilatation thermique différents.
Le problème concret : chaque cycle de chauffe et refroidissement génère un cisaillement sur les joints de brasure. Sans couche intermédiaire correctement dimensionnée, la diffusion métallique entre la brasure et le pad détruit la connexion. L’UBM joue le rôle de tampon entre le pad du circuit intégré (généralement en aluminium ou en cuivre) et la bille de soudure.
On parle d’un empilement de films minces, chacun avec une fonction précise. En 3D, les tolérances se resserrent, les températures de reflow s’accumulent (chaque die empilé subit les cycles de brasure des couches suivantes), et l’UBM encaisse tout.
Structure multi-couches de l’under bump metal : ce qui change en 3D
La structure UBM se décompose en trois fonctions superposées, quel que soit le type de packaging. Ce qui change d’un packaging plan à un empilement 3D, c’est l’exigence sur chaque couche.
Couche d’adhérence
C’est le premier film déposé directement sur le pad. Il doit accrocher mécaniquement sur l’aluminium ou le cuivre du circuit. Le titane et le chrome sont les matériaux les plus courants à ce niveau. En 3D, cette couche subit davantage de contraintes mécaniques à cause de la réduction du pitch, donc un défaut d’adhérence local devient un point de rupture pour tout l’empilement.
Couche barrière
C’est la couche qui empêche la diffusion de l’étain (composant principal de la brasure) vers le pad. Le nickel est très utilisé ici, en dépôt par pulvérisation cathodique (sputtering) ou en voie chimique (electroless). Dans un contexte 3D, la brasure fond plusieurs fois au fil des étapes d’assemblage successives. La barrière de diffusion doit résister à des reflows multiples sans se consommer.
Couche de mouillage
Le dernier film, souvent en cuivre ou en or, permet à la soudure de s’étaler correctement lors du reflow. Un mauvais mouillage entraîne des vides dans le joint, ce qui augmente la résistance électrique et thermique, deux paramètres critiques quand les interconnexions sont aussi denses que dans un empilement 3D.
Procédés de dépôt UBM et arbitrages pour le packaging 3D
On a deux grandes familles de procédés pour déposer l’UBM : la voie sèche (sputtering sous vide suivi d’une électrodéposition) et la voie humide (dépôt chimique autocatalytique, dit electroless).
- Le sputtering offre un contrôle précis de l’épaisseur et de la composition de chaque couche, ce qui est un avantage en 3D où les tolérances sont serrées. Son coût et son débit restent des points de friction pour les volumes élevés.
- Le procédé electroless nickel/or (ou nickel/palladium/or) réduit le nombre d’étapes de photolithographie et le coût par wafer. Il convient bien quand les pads sont en cuivre et que le budget thermique du process est contraint.
- Pour les empilements avancés avec des pitchs très fins, certains fondeurs combinent les deux approches : sputtering pour la couche d’adhérence et la barrière, electroless pour la finition de surface.
Le choix du procédé n’est pas qu’une question de performance technique. En production, le débit du sputtering reste un goulet d’étranglement pour les wafers 3D à forte densité d’interconnexion. Les retours varient sur ce point selon les équipements et les volumes traités.
Défaillances UBM typiques dans les puces 3D
On observe trois modes de défaillance récurrents liés à l’UBM dans les architectures 3D.
Le premier est la consommation complète de la couche barrière en nickel par l’étain de la brasure après plusieurs reflows. Quand la barrière disparaît, des intermétalliques fragiles se forment directement au contact du pad, et le joint casse sous contrainte mécanique.
Le deuxième concerne les vides de Kirkendall, causés par la différence de vitesse de diffusion entre deux métaux en contact. Ces micro-cavités fragilisent l’interface et augmentent la résistance thermique locale, un problème amplifié par la densité des empilements 3D.
Le troisième est le décollement de la couche d’adhérence, souvent lié à une contamination de surface ou à un prétraitement insuffisant du pad aluminium (l’aluminium s’oxyde en quelques secondes à l’air libre, et cet oxyde natif doit être retiré avant tout dépôt UBM).
Under bump metal et roadmap des interconnexions 3D
La tendance actuelle en packaging 3D pousse vers des pitchs de bump toujours plus fins et des empilements à plusieurs niveaux de dies. Chaque réduction de pitch augmente la densité de courant par bump, ce qui accentue les phénomènes d’électromigration au niveau de l’UBM.
Les architectures hybrides (hybrid bonding), qui suppriment la brasure au profit d’un contact cuivre-cuivre direct, contournent certains problèmes d’UBM. Pour autant, la majorité des empilements 3D en production utilisent encore des micro-bumps avec UBM, parce que le hybrid bonding impose des contraintes de planéité et de propreté de surface que toutes les lignes de production ne maîtrisent pas encore.
L’UBM n’est pas un composant passif qu’on dimensionne une fois pour toutes. À chaque nouveau nœud de packaging, l’épaisseur de la barrière, le choix du matériau d’adhérence et le procédé de dépôt sont recalculés en fonction du budget thermique total et du nombre de reflows prévus. C’est ce qui en fait un verrou technologique plutôt qu’un simple empilement de couches métalliques.
