Sur une ligne de production flip-chip destinée à des modules RF millimétriques, on a constaté qu’un empilement UBM classique (Ti/Cu épais/Ni) provoquait des pertes d’insertion mesurables dès que la fréquence dépassait quelques dizaines de gigahertz. Le problème ne venait ni du bump lui-même ni du substrat, mais de la métallisation sous le bump, dont la géométrie et l’épaisseur n’avaient jamais été pensées pour le comportement haute fréquence du signal.
L’under bump metal, longtemps dimensionné pour sa tenue mécanique et sa résistance à l’électromigration, devient un composant critique du chemin RF. Adapter cet empilement aux contraintes haute fréquence demande de revoir trois paramètres liés entre eux : l’épaisseur des couches barrière, la géométrie du pad et la continuité du retour de courant.
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Skin effect et current crowding dans l’empilement UBM
Quand on travaille en bande millimétrique, le courant ne circule plus dans tout le volume du conducteur. Il se concentre en périphérie sur une épaisseur qui diminue avec la fréquence. Ce phénomène de skin effect change radicalement le rôle de chaque couche de l’under bump metal.
Une couche barrière en titane ou en TiW, déposée par pulvérisation, présente une résistivité nettement plus élevée que le cuivre. En basse fréquence, cette résistivité a peu d’impact parce que le courant traverse toute l’épaisseur de l’empilement. En haute fréquence, le courant se concentre dans les premières centaines de nanomètres, là où se trouve justement cette barrière résistive.
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Le current crowding aggrave la situation. Aux bords du pad UBM, la densité de courant augmente de manière non uniforme. Sur un bump circulaire, la périphérie porte une fraction disproportionnée du signal RF. Ce déséquilibre génère des pertes ohmiques localisées et dégrade la qualité du signal transmis.
En pratique, on observe que réduire l’épaisseur de la barrière Ti limite les pertes RF sans compromettre l’adhérence, à condition de compenser par un contrôle plus strict de la propreté de surface avant dépôt. Les retours varient sur ce point selon les équipements de pulvérisation utilisés, mais la tendance est claire : les empilements « barrière-dominés » fins surpassent les couches épaisses génériques.
Géométrie du pad UBM et inductance parasite en haute fréquence
La forme et la taille du pad sous le bump influencent directement l’inductance parasite vue par le signal. Un pad trop large crée une surface de retour de courant mal définie. Un pad trop étroit concentre le courant et augmente la résistance série.
Dimensionnement du pad pour les applications RF
Pour les interconnexions flip-chip destinées aux fréquences millimétriques, on cherche un compromis entre trois contraintes :
- Un diamètre de pad suffisant pour assurer la mouillabilité du bump et la fiabilité mécanique après reflow
- Une surface minimale pour réduire la capacité parasite entre le pad UBM et le plan de masse du die
- Une géométrie qui favorise un retour de courant symétrique autour du bump, afin de limiter le rayonnement parasite
Ce compromis dépend du pitch entre bumps. À pitch serré, la proximité entre pads voisins crée un couplage capacitif supplémentaire. Réduire le diamètre du pad UBM de quelques microns peut diminuer significativement le couplage entre voies adjacentes sur un module RF multicanal.
Continuité du plan de masse sous le bump
Un point souvent négligé : la qualité du retour de courant RF au niveau de l’UBM. Si le plan de masse du substrat ou du die présente une discontinuité sous les bumps de signal, l’inductance de boucle augmente et la transmission se dégrade.
On gagne à placer des bumps de masse dédiés autour de chaque bump de signal, en configurant l’UBM de ces bumps de masse avec le même soin que celui des bumps de signal. Un bump de masse mal métallisé dégrade le signal autant qu’un bump de signal mal conçu.
Choix des matériaux UBM pour limiter les pertes d’insertion RF
Le choix de l’empilement métallique ne se limite pas à la compatibilité avec l’alliage de brasure. En haute fréquence, chaque couche contribue aux pertes.
La couche d’accroche en titane, la barrière de diffusion (Ni ou TiW) et la couche de mouillage (Cu ou NiV) ont chacune une résistivité et une perméabilité magnétique propres. Le nickel, par exemple, est ferromagnétique. À haute fréquence, cette propriété augmente les pertes par hystérésis magnétique dans la couche barrière.
- Remplacer le nickel par du cuivre comme couche de mouillage réduit les pertes magnétiques, mais impose une barrière de diffusion plus performante pour éviter la formation d’intermétalliques Cu-Sn fragiles
- Utiliser du TiW plutôt que du Ti pur comme barrière améliore la résistance à la diffusion, ce qui permet de réduire l’épaisseur totale de l’empilement
- Les approches récentes privilégient des empilements plus fins et mieux contrôlés, où la barrière mince remplace la couche épaisse générique pour limiter l’inductance série et la diffusion métallique simultanément
Validation RF de l’empilement UBM : ce qu’on mesure et comment
Adapter l’UBM aux contraintes haute fréquence ne sert à rien si on ne valide pas le résultat sur le chemin RF complet. Les mesures classiques de résistance de contact ou de force d’arrachement ne suffisent plus.
On utilise des structures de test dédiées, intégrées sur le wafer ou sur un véhicule de test, pour extraire les paramètres S de la transition die-bump-substrat. La perte d’insertion (S21) et le coefficient de réflexion (S11) à la fréquence cible donnent une image directe de l’impact de l’UBM sur la chaîne RF.
Mesurer les paramètres S sur une structure bump isolée permet de séparer la contribution de l’UBM de celle du substrat ou du redistribution layer. Sans cette séparation, on optimise à l’aveugle.
La reproductibilité de ces mesures dépend de la qualité des pointes RF et du calibrage. Sur des structures à pitch fin, le positionnement des pointes sur les pads de test devient critique. Un décalage de quelques microns suffit à fausser l’extraction des paramètres parasites.
L’adaptation de l’under bump metal aux contraintes haute fréquence touche à la fois le procédé de dépôt, le dessin du pad et le protocole de validation. Traiter ces trois aspects séparément conduit à des compromis sous-optimaux. Sur les lignes de production actuelles, les équipes packaging et les équipes RF gagnent à co-définir l’empilement UBM dès la phase de conception du module, pas après le premier lot de prototypes.
