Le choix d’un stack under bump metal (UBM) conditionne la fiabilité de la connexion entre la puce et le substrat, le coût de fabrication du wafer et la compatibilité avec les pas de bump de plus en plus fins. Ce comparatif classe quatre familles de métallisations, du stack le plus éprouvé aux pistes émergentes, en fonction de trois critères : mouillabilité et tenue mécanique du joint, coût du procédé, et adaptabilité aux pitches inférieurs à 100 µm.
| Stack UBM | Procédé principal | Mouillabilité soudure | Coût relatif | Pitch minimal typique |
|---|---|---|---|---|
| Ni/Au (ENIG ou électrolytique) | Electroless ou sputter + plating | Excellente | Élevé | 130 µm et au-delà |
| Cu (seed + pillar) | Sputter Ti/Cu + electroplating | Bonne (avec cap SnAg) | Modéré | 40 µm |
| SnAg (solder bump) | Electroplating sur Cu UBM | Intrinsèque | Modéré à faible | 60 µm |
| Alternatives (hybrid bonding, Ni/Sn sandwich, etc.) | Diélectrique-diélectrique, thermocompression | Non applicable | Variable | Inférieur à 10 µm |
1. Ni/Au : le stack UBM de référence pour le flip-chip classique
Le stack nickel/or reste le standard historique de l’under bump metallization. La couche de nickel, déposée par voie electroless (ENIG) ou par sputtering suivi d’un plating électrolytique, sert de barrière de diffusion entre le pad aluminium du die et la bille de soudure. La fine couche d’or en surface protège le nickel de l’oxydation et garantit une mouillabilité immédiate lors du reflow.
Cette architecture a fait ses preuves sur des générations de packages flip-chip à pitch supérieur à 130 µm. La robustesse de la barrière Ni limite la formation d’intermétalliques fragiles côté pad, ce qui se traduit par une bonne résistance aux cycles thermiques.
Le principal frein est économique. Le procédé sputter sous vide, combiné à l’utilisation d’or, augmente significativement le coût par wafer. La méthode electroless Ni/Au réduit la facture en supprimant l’étape de sputtering, mais introduit des contraintes de contrôle chimique du bain (concentration en phosphore, uniformité de dépôt). Les chimies electroless récentes, sans plomb ni cadmium, répondent aux exigences RoHS et aux seuils de substances restreintes qui se durcissent dans l’UE.
Pour les applications à pitch fin (inférieur à 100 µm), le stack Ni/Au montre ses limites : l’épaisseur du nickel et le collapse de la bille de soudure lors du reflow rendent difficile le contrôle du standoff entre die et substrat.
2. Cu : pilier cuivre et seed layer Ti/Cu pour les pitches fins
Le Cu pillar bump est devenu la solution dominante pour les interconnexions à pitch compris entre 40 et 80 µm. Le procédé repose sur un seed layer Ti/Cu déposé par sputtering, suivi d’un electroplating de cuivre formant un pilier de hauteur contrôlée, coiffé d’un cap de soudure SnAg.
La géométrie droite du pilier cuivre élimine le problème de collapse rencontré avec les bumps soudés classiques. Ce comportement prévisible pendant le reflow réduit le risque de bridging entre bumps adjacents, un avantage décisif lorsque le pitch descend sous 100 µm. La conductivité thermique et électrique du cuivre est nettement supérieure à celle du nickel, ce qui améliore la dissipation thermique et la capacité de transport de courant.
- Conductivité thermique du Cu environ quatre fois supérieure à celle du Ni, bénéfique pour les dies à forte densité de puissance
- Hauteur de pilier ajustable (typiquement entre 20 et 60 µm) pour adapter le standoff au design du package
- Cap SnAg fin (entre 10 et 30 µm) qui limite la quantité de soudure et donc la formation d’intermétalliques excessifs
En revanche, le cuivre s’oxyde rapidement à l’air, ce qui impose un traitement de surface ou un stockage sous atmosphère contrôlée entre l’étape de bumping et l’assemblage. Le coût du procédé reste modéré comparé au Ni/Au, principalement parce qu’il n’utilise pas d’or.
3. SnAg : la bille de soudure lead-free directement sur Cu UBM
Les bumps SnAg (ou SAC305 lorsqu’on ajoute du cuivre à l’alliage) constituent l’approche la plus directe pour le flip-chip lead-free à pitch moyen, entre 60 et 250 µm. L’alliage est déposé par electroplating sur un UBM cuivre, puis reflué pour former une bille sphérique.
Le point fort du SnAg réside dans sa simplicité de mise en oeuvre et sa compatibilité avec les lignes de reflow standard. La composition de l’alliage doit être contrôlée avec précision car un écart de ratio Sn/Ag modifie le point de fusion et la microstructure du joint.
L’impact sur la résistance en fatigue thermique est direct. Des outils de micro-XRF permettent de cartographier la distribution Sn/Ag à l’échelle du wafer pour détecter les dérives de bain avant qu’elles ne produisent des défauts.
La limite du bump SnAg apparaît aux pitches fins. En dessous de 150 µm environ, le volume de soudure fondue pendant le reflow provoque du bridging entre bumps voisins. C’est précisément cette contrainte qui a motivé le développement des structures Cu/SnAg double bump, où un pilier cuivre surmonté d’un cap SnAg combine le standoff rigide du cuivre et la soudabilité de l’alliage étain-argent.
4. Alternatives : hybrid bonding, sandwich Ni/Sn et nouvelles architectures sans soudure
Les architectures émergentes cherchent à supprimer totalement la bille de soudure pour atteindre des pitches inférieurs à 10 µm. Le hybrid bonding cuivre-diélectrique est la piste la plus avancée. Ce procédé aligne et colle deux surfaces : cuivre sur cuivre pour la connexion électrique, diélectrique sur diélectrique pour la tenue mécanique. Il n’y a ni standoff, ni collapse, ni problématique de mouillage.
Des travaux récents du CEA-Leti et d’imec ont démontré des hybrid bonds à température d’annealing autour de 100 °C avec des rendements supérieurs à 97 % et des résistances de liaison inférieures à 1 ohm. Ces résultats ouvrent la voie à l’intégration sur des substrats sensibles à la chaleur (verre, matériaux low-k, composés III-V) qui ne tolèrent pas les températures de reflow des stacks Ni/Au ou SnAg.
- Sandwich Cu/Sn/Cu : les couches latérales de cuivre réagissent avec l’étain pour former des intermétalliques à haut point de fusion (Cu6Sn5, Cu3Sn), créant un joint thermiquement stable. La résistance mécanique de ces joints est nettement supérieure à celle des sandwichs Ni/Sn/Ni, dont les intermétalliques (Ni3Sn4, Ni3Sn) sont plus fragiles
- Hybrid bonding : suppression complète de l’UBM métallique traditionnel, remplacement par un polissage CMP et un collage direct, ce qui réduit le nombre d’étapes de dépôt
- Thermocompression Cu-Cu : variante qui applique pression et température sans bille de soudure, adaptée aux micro-bumps à pitch très fin
Ces alternatives ne remplacent pas encore le Ni/Au ou le Cu pillar sur les lignes de production à haut volume pour des pitches standards. Leur adoption progresse surtout dans l’empilement 3D (HBM, SoIC) où la densité d’interconnexions exige des pitches que les bumps soudés ne peuvent plus atteindre. Le facteur de décision reste le rapport entre densité d’interconnexion requise et maturité industrielle du procédé.
