選錯量測分析手法，可能讓你產品良率下滑、製程誤判、重工延宕，甚至導致整批報廢。隨著AI晶片、CoWoS、HPC等先進製程快速推進，每個關鍵工序都依賴高精度的表面形貌量測。問題是，不同樣品適用的分析手法差很大，你真的選對了嗎？
隨著AI晶片、高效能運算（HPC）、CoWoS等先進封裝技術蓬勃發展，對製程控制與量測精度的要求也愈加嚴格。從晶圓製造、蝕刻、鍍膜，到晶粒封裝與模組整合，每一道工序都仰賴表面形貌量測技術，協助掌握品質異常與製程穩定度。
什麼是「表面形貌量測」？簡單來說，就是測量樣品表面的微觀高低起伏、粗糙度、曲率、平整度等幾何特性。這些數據有助於了解材料或製程是否穩定、是否有異常，進而影響後續良率與產品可靠度。
若使用不適當的量測分析手法，不僅容易誤判缺陷來源、重工重測，更可能延遲時程、增加成本，甚至導致良率低落、產品可靠度下滑。在宜特實驗室協助眾多工程師的經驗中，「選錯分析手法」是常見的痛點之一。
依照產品應用的不同，本篇宜特小學堂將整合四大先進表面量測分析手法，逐一介紹其使用情境與限制，協助工程師找對方法，事半功倍。
在過去，工程師常仰賴光學顯微鏡、接觸式粗糙度儀等方法進行表面觀察與高度測量。但隨著產品結構微縮、封裝堆疊複雜化，這些傳統方式逐漸面臨解析度不足，無法呈現奈米級表面細節；接觸式探針可能對脆弱樣品造成損傷；需手動對焦，容易產生人為誤差，以及量測時間長，無法應付快速開發週期需求等挑戰。
因此，應運而生多項先進量測技術，如表面 3D 輪廓量測儀（Surface 3D Profiler）、白光干涉儀（WLI）和原子力顯微鏡(AFM) 等，導入 AI 智慧分析功能，以取代舊式方法，協助快速辨識異常、建立量測規則，提高準確性與效率。以下我們將就主要先進量測分析手法為您一一介紹。
一、表面3D輪廓量測儀(Surface 3D Profiler): 適合封裝、模組、PCB和高段差產品
表面3D輪廓量測儀，專為解決傳統量測效率低與人為誤差的痛點而設計，提供非接觸式，且可快速掃描大面積的3D量測服務。主要是利用光學投影的原理在樣品表面產生條紋投影光線，樣品的高低差會使條紋產生變化，再透過已知入射角度計算出對應的階差。
操作簡便，只需將樣品放上載物臺，即可自動完成面積、高度與表面曲率的精密掃描，提供多點的表面高度和面曲率、尺寸等，包含連續性和非連續性表面，且無須繁瑣的前處理。搭配內建自動定位與高解析度演算法，能大幅提升數據穩定性與重複性，有效消除人為干擾。
| 圖一 : 相較於傳統量測，表面3D輪廓量測儀可一鍵式完成表面形貌量測。 |
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宜特目前配備的表面3D輪廓量測儀，搭載 Fringe Projection 與 HDR 掃描技術，對於高反光（如 CoWoS、Wafer）、低反射（如黑色封裝材）樣品或透明樣品，具備內建補償功能設定，可以正常獲取數據之外，最大量測範圍可達 300×150×70 mm，資料點數高達 2,500 萬點，無論是小型晶粒還是大型模組皆可覆蓋。重複精度達 0.4 μm（高度）與 ±5 μm（寬度），廣泛應用於矽晶圓（Wafer）、裸晶（Bare die）、封裝、覆晶球柵陣列封裝（BGA）、電容元件（Capacitor）、IC晶片、被動元件、晶粒尺寸封裝（CSP）、印刷電路板（PCB）、組裝電路板（PCBA）、無引腳扁平封裝（QFN）、連接器（Connector）、測試插座（Socket）等多種樣品，適合試產件到量產線的全流程品管與製程監控。
| 圖二 : 宜特配備的表面3D輪廓量測儀，透過一次掃描階高塊(右圖)，透過分析操作即可獲取面上所有需求的階差、面尺寸。（圖片來源：宜特科技） |
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| 圖三 : 宜特配備的表面3D輪廓量測儀，可自動擷取出BGA錫球區域，並計算出每顆錫球的高度和整體共面性，有效協助確認元件含球區的翹曲形貌。（圖片來源：宜特科技） |
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二、白光干涉儀（WLI）：適用於大尺寸、非透光材料樣品
白光干涉儀（White Light Interferometer, WLI）是利用光學干涉的原理(圖四)，在建設性干涉條紋的間距等於固定波程差，即可應用於計算高度，以形成表面高低起伏的立體3D形貌(圖五)，並進而計算出粗糙度，能提供奈米級高度解析度的非接觸式量測。因為是採用光學顯微鏡，適合應用在較巨觀的樣品上，如待測物尺寸大於一百微米(100um)以上、甚至於數個毫米(mm)均可採用此方式量測。
WLI大多應用在金屬或線路，以及塑膠等不透光材料的表面形貌量測，透光材料如玻璃等就不適用。或是若待測物在表面無法進一步鍍金屬來進行WLI量測時，就必須考慮使用其他分析技術。
圖六為金屬表面經過酸洗後的表面粗糙度量測約三百微米(300um)見方的結果，平均粗糙度(Ra)在一微米(1um)以上。
| 圖六 : 2D/1D表面形貌與分析粗糙度Ra數值。（圖四~圖六來源：宜特科技） |
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三、原子力顯微鏡（AFM）：適用於晶圓及玻璃材料樣品
原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM），是使用奈米等級曲率半徑的矽探針，進行表面掃描以取得高低起伏的形貌，可針對極平坦的樣品或高分子軟性材料（如：光阻)，進行表面粗糙度量測，常應用於晶圓或玻璃清洗、鍍膜、蝕刻前後等表面數十微米範圍的微觀分析。
近年來更大量運用在積體電路上化學機械研磨(CMP)、線路重布(RDL)與凸塊下金屬化(UBM)製程，在蝕刻製程前、後相關的研究，均使用AFM做表面的量測監控，如果粗糙度異常將會導致後續覆蓋薄膜的剝落，甚至是可靠度的問題發生。
如圖七為高分子材料聚醯亞胺(PI)二微米(2um)見方的表面形貌，平均粗糙度(Ra)僅約八奈米(8nm)。為了進行實驗前後的比較，必須在不破壞晶圓片的狀態下做量測，因此AFM設備的規格除了能提供基本的特性量測外，樣品載臺尺寸還必須相容300mm以上的空間，方能滿足十二吋晶圓的量測需求。
| 圖七 : AFM量測表面形貌與分析平均粗糙度、SAD百分比、Rq和Ra等數值。（圖片來源：宜特科技） |
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四、陰影疊紋法（Shadow Moire）：適用於封裝載板或PCB的熱翹曲分析
陰影疊紋法（Shadow Moire）透過光柵與樣品表面形成的干涉條紋來進行樣品翹曲變形的量測，適用於封裝載板或PCB的熱變形與翹曲分析。由於近年異質材料結合與3D封裝的大量需求，熱效應導致不同材料間因熱膨脹係數差異而影響接合的品質，因此受熱製程前後的樣品整體高度變化分析變得極其重要。Shadow Moire適合大元件如CoWos、PCB的量測，其清楚的視覺化，加上快速的分析數據，對於PCB SMT製程的研發幫助極大。
| 圖八 : 透過IC與PCB表面量測數據的3D疊合分析（左），可視覺化觀察整體形貌匹配情況，清楚量化間隙變化。透過空間差異等高圖（右），快速掌握整體接合區的分布情形，顏色代表對應的高度差，有效辨識潛在不良對位或翹曲區域。（圖片來源：宜特科技） |
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上述主要先進表面形貌量測技術，可單獨使用亦可相互搭配運用。在多層異質整合結構（如CoWoS、Fan-Out）產品中，宜特實驗室也建議可結合WLI + AFM或3D Profiler + Shadow Moire，達到大面積+局部細節的雙重掌握。面對AI晶片、高速運算、高階封裝等日新月異的挑戰，選擇對的量測分析手法將直接影響開發效率與產品良率。
(本文作者張廷安任職於iST宜特科技可靠度工程處)
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