L’under bump metal (UBM) désigne l’empilement de couches métalliques déposé entre le pad d’aluminium d’une puce et la bille de soudure (bump) qui assure la connexion avec le substrat. Sans cette interface, la soudure n’adhère pas au pad, le courant ne passe pas de façon fiable et la chaleur s’accumule au point de contact. Chaque couche de l’UBM remplit une fonction distincte, et une erreur sur l’une d’elles compromet l’ensemble de l’interconnexion.
Contraintes thermiques et électriques liées aux architectures HBM et AI
Les puces destinées à l’intelligence artificielle et aux mémoires HBM3/HBM3E concentrent des densités de courant très élevées sur des micro-bumps dont le pitch descend sous les 40 micromètres. Cette miniaturisation change les règles du jeu pour l’UBM.
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Lors de l’IMAPS 2023, ASE et Samsung ont présenté des travaux montrant que les marges d’électromigration sur micro-bumps HBM3 imposent des barrières UBM plus épaisses et une limitation de la surface de cuivre exposée pour contenir les points chauds locaux. Plusieurs fondeurs et OSAT ont depuis durci leurs règles de conception UBM, en abaissant la densité de courant maximale autorisée et en exigeant des simulations thermo-électriques 3D avant validation.
Cette pression n’est pas anecdotique. Elle signifie que les empilements UBM conçus pour des applications classiques ne suffisent plus lorsque le packaging passe à l’échelle des accélérateurs AI ou des empilements HBM. La couche barrière, le choix du métal de mouillage et l’épaisseur de chaque strate doivent être recalculés en fonction du profil thermique réel du composant.
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Fonctions des couches dans un empilement UBM
Un empilement UBM typique comporte trois à quatre couches, chacune répondant à un besoin précis. L’ordre de dépôt suit une logique fonctionnelle stricte, du pad vers la soudure.
Couche d’adhérence
Déposée directement sur le pad d’aluminium (ou de cuivre dans les nœuds récents), cette couche assure la tenue mécanique de l’ensemble. Le titane et le chrome figurent parmi les métaux les plus utilisés. Sans adhérence correcte, le bump se décolle lors des cycles thermiques de refusion.
Couche barrière
La couche barrière empêche la diffusion de la soudure vers le pad et réciproquement. Le nickel (sous forme électrolytique ou déposé par pulvérisation) reste le matériau de référence. Si cette couche est sous-dimensionnée en épaisseur ou présente des défauts de continuité, des intermétalliques fragiles se forment et fragilisent le joint.
Couche de mouillage
Placée en surface de l’empilement, elle permet à la soudure de s’étaler uniformément lors du bumping. Le cuivre ou l’or sont couramment employés. La qualité du mouillage conditionne la forme finale du bump et, par conséquent, la résistance électrique et mécanique du contact.
Chaque couche interagit avec ses voisines. Un empilement mal équilibré, par exemple une barrière trop fine associée à une couche de mouillage trop épaisse, accélère la formation de composés intermétalliques indésirables au détriment de la fiabilité à long terme.
Méthodes de dépôt UBM et leurs compromis
Le choix du procédé de dépôt influence directement la qualité de l’empilement. Les deux grandes familles sont la pulvérisation cathodique (sputtering) et le dépôt électrolytique (electroplating), parfois combinées dans un même flux de fabrication.
- La pulvérisation cathodique produit des couches denses et uniformes, adaptées aux couches d’adhérence et de barrière. Elle offre un bon contrôle d’épaisseur mais reste plus lente et plus coûteuse à l’échelle industrielle.
- Le dépôt électrolytique convient aux couches épaisses, notamment la couche de mouillage en cuivre. Il est rapide et économique, mais le contrôle de l’uniformité à l’échelle du wafer demande une maîtrise fine des paramètres de bain.
- Certains flux hybrides utilisent le sputtering pour les premières couches puis l’electroplating pour la couche supérieure, combinant précision et productivité.
Le procédé de dépôt détermine la microstructure de chaque couche, ce qui affecte la vitesse de diffusion aux interfaces et donc la durée de vie du joint. Un dépôt électrolytique de nickel présentant une granulométrie grossière laissera passer les atomes d’étain plus rapidement qu’un dépôt par sputtering à grain fin.
UBM et packaging automobile : le problème du gauchissement
Les semiconducteurs de puissance destinés à l’automobile subissent des contraintes que les puces grand public ne connaissent pas. Les profils de refusion lead-free imposent des températures de pic élevées, et les écarts de coefficient de dilatation thermique entre les couches UBM, le silicium et le substrat organique provoquent un gauchissement (warpage) du package.
Depuis quelques années, des fabricants comme Infineon, NXP et Renesas documentent l’introduction d’empilements UBM optimisés pour réduire ce phénomène. Le choix des couches barrières et des métaux de redistribution limite le warpage lors des cycles thermiques répétés que subissent les composants automobiles en fonctionnement.
Ce point est rarement abordé dans la littérature centrée sur les applications numériques, alors qu’il conditionne la qualification des composants selon les normes automobiles (AEC-Q100 et équivalents). Un UBM qui fonctionne parfaitement sur un GPU peut provoquer des défaillances mécaniques sur un module IGBT soumis à des milliers de cycles thermiques en conditions réelles.
Soudures sans plomb et réactivité aux interfaces UBM
Le passage aux alliages sans plomb (lead-free), principalement à base d’étain-argent-cuivre (SAC), a modifié les interactions chimiques aux interfaces UBM. L’étain des alliages SAC réagit fortement avec le nickel et le cuivre des couches UBM pour former des intermétalliques (Ni3Sn4, Cu6Sn5) qui croissent avec le temps et la température.
La vitesse de croissance de ces intermétalliques dépend de l’épaisseur de la barrière, de la température de service et du nombre de refusions subies par le composant. Un dimensionnement correct de la couche barrière nickel retarde la consommation complète de cette couche, préservant la tenue mécanique du joint.
Les alliages SAC présentent aussi une rigidité supérieure aux anciennes soudures à base de plomb. Cette rigidité transmet davantage de contraintes mécaniques à l’interface UBM lors des cycles thermiques, ce qui renforce l’exigence de qualité sur l’adhérence et la continuité de chaque couche.
La fiabilité d’un bump ne se résume pas à la qualité de la soudure elle-même. L’UBM constitue le maillon technique qui conditionne la tenue de l’interconnexion sur toute la durée de vie du composant, que ce soit dans un data center refroidi ou sous le capot d’un véhicule électrique. Les architectures de packaging avancé, du HBM aux modules de puissance, imposent de traiter l’empilement UBM comme un paramètre de conception à part entière, pas comme un détail de fabrication.
