Collage hybride vs microbilles : pas, densité et planéité

Les deux techniques relient verticalement des puces entre elles, ou des puces à une plaquette, par un grand nombre de terminaux. Les microbilles assemblent en faisant fondre une petite quantité de brasure placée par exemple au sommet d'un pilier de cuivre : il faut un espacement pour que la brasure qui déborde ne touche pas les voisines, et le pas est de l'ordre de quelques dizaines de µm. Le collage hybride n'utilise pas de brasure et assemble directement des surfaces polies planes d'électrodes en cuivre et de film isolant, ce qui permet un pas inférieur à 10 µm et une densité de connexions plus élevée de plusieurs ordres de grandeur. En contrepartie, les surfaces à assembler doivent être planes et propres à l'échelle du nanomètre.

Critère	Collage hybride	Microbilles
Méthode d'assemblage	Les électrodes en cuivre entre elles et les films isolants entre eux sont assemblés directement, surface contre surface	Des billes de brasure placées notamment sur des piliers de cuivre sont assemblées par chauffage
Brasure	Non utilisée	Utilisée
Pas de connexion indicatif	Moins de 10 µm. Peut descendre à quelques µm	Quelques dizaines de µm. Au plus serré, environ 20 µm
Densité de connexions (par mm²)	Environ 10 000 (pas de 10 µm) à plus de 100 000 (pas de 3 µm)	Quelques centaines (pas de 40 µm) à quelques milliers (pas de 20 µm)
Planéité et propreté de surface	Planéité à l'échelle du nanomètre requise. Même une petite particule crée une cavité (void) non collée	La brasure absorbe les variations de hauteur ; exigences moins strictes
Entre les puces	Aucun interstice, pas besoin d'underfill	Un interstice se forme et est rempli d'underfill ou d'un film de résine
Étapes principales	Planarisation par CMP → nettoyage et activation par plasma → alignement et mise en contact → recuit (typiquement quelques centaines de °C) pour lier le cuivre au cuivre	Formation des billes par dépôt électrolytique → alignement → assemblage par thermocompression (TCB) ou refusion → underfill
Unité d'assemblage	Plaquette sur plaquette, ou puce sur plaquette	Principalement à l'échelle de la puce (puce sur plaquette, puce sur puce)
Caractéristiques électriques	Jonction extrêmement courte et faible capacité parasite. Faible énergie par bit transféré	Capacité parasite plus grande due aux billes ; désavantage par rapport au collage hybride
Usages principaux	Capteurs d'image empilés, SRAM de cache empilée sur un processeur, etc.	Empilement de DRAM dans la HBM, connexion de puces sur un interposeur, etc.

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Collage hybride: Lorsqu'on veut relier un très grand nombre de connexions entre puces, sur une courte distance et à faible puissance. Cas exigeant un pas inférieur à 10 µm, comme l'empilement pixels/logique ou processeur/mémoire.
Microbilles: Lorsqu'un pas de quelques dizaines de µm suffit. Cas où l'on veut empiler des puces ou les monter sur un interposeur avec un procédé éprouvé, sans gestion stricte de la planéité et de la propreté.
Tendance: Les applications qui exigent un pas plus fin et une bande passante plus élevée remplacent progressivement les microbilles par le collage hybride, mais pour des raisons de coût et de rendement, les deux techniques coexistent selon les usages.

Questions fréquentes

Pourquoi le collage hybride permet-il un pas bien plus fin ?

Parce qu'il n'utilise pas de brasure. Avec les microbilles, il faut un espacement pour que la brasure fondue ne touche pas la bille voisine, alors que le collage hybride assemble des surfaces planes où les électrodes en cuivre sont noyées dans le film isolant, ce qui supprime cette contrainte. Le nombre de connexions est inversement proportionnel au carré du pas : diviser le pas par 10 multiplie la densité par 100.

Pourquoi les surfaces à assembler doivent-elles être si planes et propres ?

Parce que les surfaces sont collées directement l'une contre l'autre : une aspérité ou une particule soulève la zone environnante et crée une cavité (void) non collée. Une seule petite particule peut empêcher le collage sur une zone bien plus étendue ; le CMP, le nettoyage et la maîtrise d'un environnement propre sont donc essentiels.

Que combine-t-on dans le terme « hybride » ?

Il désigne le fait de réaliser simultanément, dans la même étape, le collage isolant contre isolant et le collage électrode en cuivre contre électrode en cuivre. Les films isolants se collent d'abord ; lors du chauffage qui suit, le cuivre se dilate, les surfaces de cuivre entrent en contact étroit et ne forment plus qu'un par diffusion.

Les microbilles vont-elles disparaître ?

Pas dans l'immédiat. Les microbilles sont un procédé éprouvé, aux exigences de planéité et de propreté moins strictes, et de nombreuses applications se contentent d'un pas de quelques dizaines de µm. On choisit l'une ou l'autre selon le pas, la bande passante, le coût et le rendement requis.

Vérifier vos connaissances

Quelle définition du collage hybride (hybrid bonding) est correcte ?

AUne technique qui agrandit les bossages de brasure pour fiabiliser la connexion
BUne technique de connexion utilisant deux fils à la fois
CUne technique qui, sans bossages, colle directement les surfaces d'électrodes en cuivre et de film isolant pour obtenir des connexions à très haute densité

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Réponse : C. Une technique qui, sans bossages, colle directement les surfaces d'électrodes en cuivre et de film isolant pour obtenir des connexions à très haute densité

Le collage hybride consiste à aplanir par CMP la surface des puces ou des plaquettes, puis à coller directement et simultanément les électrodes en cuivre entre elles et les films isolants entre eux. Sans bossages de brasure, le pas de connexion peut descendre sous 10 µm, voire à quelques µm, ce qui multiplie le nombre de connexions par mm² de plusieurs ordres de grandeur. Il est industrialisé dans les capteurs d'image empilés, et son application à l'empilement processeur-cache et à la HBM progresse.

Comment appelle-t-on les bossages, beaucoup plus petits que les billes de brasure ordinaires, utilisés pour connecter des puces empilées par TSV ou une puce à un interposeur ?

AMicro-bossages
BBilles de brasure de BGA
CBroches

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Réponse : A. Micro-bossages

Les micro-bossages sont de très petits bossages de 10 à quelques dizaines de µm de diamètre, disposés à un pas de quelques dizaines de µm, utilisés pour les nombreuses connexions entre puces. Ils servent à l'empilement des puces DRAM de la HBM et à la connexion des puces sur interposeur, et sont souvent assemblés par thermocompression. Le pas des billes de brasure de BGA est d'environ 0,4 à 1 mm. Lorsqu'un pas encore plus fin est requis, on recourt au collage hybride.

Quelle condition est exigée des surfaces à assembler en collage hybride ?

ADes surfaces rendues rugueuses
BUne planéité et une propreté très élevées, au niveau nanométrique
CUn film d'huile épais en surface

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Réponse : B. Une planéité et une propreté très élevées, au niveau nanométrique

Le collage hybride assemblant directement, sans bossages, les surfaces d'électrodes en cuivre et de film isolant, les surfaces doivent présenter des aspérités inférieures au nanomètre et être exemptes de particules et de contamination. Une seule particule d'environ 100 nm peut créer autour d'elle une cavité non collée (vide) de plusieurs mm de diamètre. La CMP, les techniques de nettoyage et un environnement très propre sont donc essentiels. Une surface rugueuse ou un film d'huile empêchent le collage.

Questions d'entraînement sur Packaging avancé (3D et chiplets)

Termes clés expliqués

Collage hybride (hybrid bonding): Technique qui assemble directement les surfaces d'électrodes en cuivre et d'isolant, sans micro-billes (bumps). Elle permet un très grand nombre de connexions à pas extrêmement fin.
Micro-bump: Bump bien plus petit qu'une bille de soudure ordinaire, utilisé pour relier des puces empilées par TSV ou une puce et un interposeur. Son pas est de l'ordre de quelques dizaines de µm.
TSV (via traversant le silicium): Électrode qui traverse le substrat de silicium. Elle relie verticalement des puces empilées sur une courte distance.
CMP: Polissage mécano-chimique. Combine l'action chimique de la suspension (slurry) et le polissage mécanique du tampon pour planariser la surface de la plaquette.
HBM: Mémoire constituée de plusieurs puces de DRAM empilées et reliées par des TSV, offrant une bande passante élevée grâce à un bus très large.

Collage hybride vs microbilles : pas, densité et planéité

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Questions fréquentes

Pourquoi le collage hybride permet-il un pas bien plus fin ?

Pourquoi les surfaces à assembler doivent-elles être si planes et propres ?

Que combine-t-on dans le terme « hybride » ?

Les microbilles vont-elles disparaître ?

Vérifier vos connaissances

Quelle définition du collage hybride (hybrid bonding) est correcte ?

Comment appelle-t-on les bossages, beaucoup plus petits que les billes de brasure ordinaires, utilisés pour connecter des puces empilées par TSV ou une puce à un interposeur ?

Quelle condition est exigée des surfaces à assembler en collage hybride ?

Termes clés expliqués

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