L’under bump metal (UBM) désigne l’empilement de couches métalliques déposées entre le pad d’aluminium d’une puce et la bille de brasure qui assure la connexion électrique. Dans les procédés wafer-level, cet empilement remplit trois fonctions simultanées : adhérence au pad, barrière contre la diffusion intermétallique et surface mouillable pour la brasure. Un défaut sur l’une de ces couches compromet la fiabilité de l’ensemble du package.
Rôle de chaque couche dans un stack UBM wafer-level
Un stack UBM classique se compose de trois à quatre couches superposées, chacune avec une mission précise. La couche d’adhérence, souvent en titane (Ti) ou en chrome (Cr), assure le contact mécanique et électrique avec le pad d’aluminium du die.
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Au-dessus, une couche barrière de diffusion (généralement en titane-tungstène, TiW, ou en nickel) empêche les atomes d’étain de la brasure de migrer vers l’aluminium. Sans cette barrière, des composés intermétalliques fragiles se forment et fragilisent le joint.
La couche supérieure, en cuivre ou en nickel, sert de surface mouillable. C’est elle qui permet à la brasure SnAg de s’étaler correctement pendant le reflow. Une finition en or, très mince, protège cette surface de l’oxydation entre le dépôt et l’assemblage.
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- Couche d’adhérence (Ti, Cr, TiW) : ancrage sur le pad aluminium, épaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanomètres
- Couche barrière (Ni, TiW, Ni(P)) : bloque la diffusion intermétallique étain-aluminium
- Couche mouillable (Cu, Ni) : surface compatible avec les alliages de brasure SnAg
- Flash d’or optionnel : protection anti-oxydation avant reflow
Gravure UBM après bumping : une étape critique souvent sous-estimée
Une fois les bumps formés par électrodéposition ou sérigraphie, le stack UBM résiduel entre les pads doit être retiré. Cette étape de gravure (UBM etching) détermine l’isolation électrique entre bumps voisins. Si la gravure est incomplète, des ponts métalliques subsistent et provoquent des courts-circuits.
La difficulté tient au caractère multi-matériaux du stack. Chaque couche nécessite une chimie de gravure différente. Graver le cuivre sans attaquer le nickel sous-jacent, puis retirer le titane sans endommager la passivation, exige un séquençage rigoureux des bains et un contrôle précis des temps d’immersion.
Pour les pas fins (pitch inférieur à quelques dizaines de micromètres), le contrôle de la sous-gravure latérale devient le facteur limitant. Une attaque chimique trop agressive réduit la surface effective du pad sous le bump, ce qui augmente la résistance de contact et dégrade la tenue mécanique du joint de brasure.
Indicateurs à surveiller pendant la gravure
Le suivi de la rugosité de surface après gravure donne une indication directe de la qualité du procédé. Une rugosité excessive sur la couche mouillable favorise la formation de micro-vides (voiding) pendant le reflow.
La mesure de l’undercut, c’est-à-dire la distance de gravure latérale sous le masque de résine, doit rester reproductible d’un lot à l’autre. Un undercut variable signale une dérive du bain ou un problème de température.
Stack UBM pour WLCSP fine pitch : contraintes spécifiques
Les packages WLCSP (wafer-level chip scale package) à pas réduit imposent des ajustements significatifs par rapport aux stacks historiques. La réduction du pitch pousse à diminuer l’épaisseur de la couche barrière pour limiter les contraintes mécaniques sur des pads plus petits et plus rapprochés.
Les stacks intégrant du Ni(P) (nickel-phosphore) ou du Ni(Co) (nickel-cobalt) gagnent en pertinence dans ce contexte. Ces alliages offrent une meilleure résistance à l’électromigration que le nickel pur, un paramètre devenu déterminant quand la densité de courant par bump augmente avec la miniaturisation.
Dans les architectures 2.5D et 3D avec interposeur silicium, l’UBM cohabite avec des TSV (through-silicon vias) et des couches de redistribution (RDL) très fines. L’UBM doit alors s’adapter à des topographies plus complexes, avec des variations de planéité qui compliquent le dépôt par pulvérisation cathodique et exigent parfois un passage au dépôt électrochimique sélectif.
Impact des réglementations environnementales sur la chimie UBM
Les procédés de dépôt et de gravure UBM utilisent des bains électrolytiques contenant des agents tensio-actifs et des additifs organiques. Depuis quelques années, les restrictions liées à REACH et aux législations sur les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) obligent les fournisseurs de matériaux à reformuler ces produits chimiques.
Les PFOS et PFOA, longtemps utilisés comme agents mouillants dans les bains de placage, sont progressivement éliminés. Le remplacement de ces additifs modifie le comportement des bains : vitesse de dépôt, uniformité d’épaisseur et morphologie de grain peuvent varier, ce qui impose une requalification complète du procédé.
Les flux utilisés pour le reflow des bumps sont également concernés. Les formulations sans halogène et sans PFAS représentent désormais une part croissante du marché, mais leur compatibilité avec chaque type de stack UBM doit être validée individuellement. Un flux reformulé qui fonctionne sur un stack Ti/Cu/Ni peut générer du voiding sur un stack TiW/Ni(P).
Bonnes pratiques de qualification d’un stack UBM
Qualifier un stack UBM ne se limite pas à vérifier l’épaisseur de chaque couche. La séquence de tests doit couvrir l’ensemble du cycle de vie du bump, du dépôt jusqu’au vieillissement en conditions accélérées.
- Mesure d’adhérence par test de cisaillement (shear test) sur bumps individuels, avant et après cyclage thermique
- Coupe métallographique (cross-section) pour vérifier l’absence de composés intermétalliques excessifs à l’interface barrière/brasure
- Test d’électromigration sous courant continu à température élevée pour valider la tenue de la barrière de diffusion
- Contrôle de l’undercut post-gravure par microscopie électronique sur un échantillon statistique représentatif
- Validation de la compatibilité flux/stack par inspection aux rayons X du taux de voiding après reflow
La tentation de raccourcir cette séquence est fréquente quand les délais de mise sur le marché se resserrent. Un stack UBM non qualifié en électromigration expose à des défaillances terrain qui apparaissent après plusieurs mois d’utilisation, bien au-delà de la période de garantie du procédé de bumping.
Le choix du stack UBM conditionne la fiabilité du package autant que le design du die lui-même. Chaque évolution de pitch, de chimie de brasure ou de réglementation environnementale remet en question les empilements établis, et la requalification reste le seul filet de sécurité réel contre les défaillances latentes.
