翹曲度Warpage / 平面度 Flatness 量測方法及原理介紹

翹曲度Warpage定義

翹曲度也稱平面度 ( Flatness )、平坦度,是指材料或物體在加工或使用過程中出現的彎曲、變形,偏離其原始形狀或平坦度,另外根據產業應用別不同稱呼也不同:

  • 半導體業稱作晶圓翹曲 ( Wafer Warpage ) 或晶片翹曲 ( Chip Warpage )
  • 電子業稱作PCB翹曲 ( PCB Warpage ) 或共平面度量測,散熱材料Heat Sink平面度量測

PCB翹曲度類型

1.弓形翹曲 Bow Warpage:當PCB 材料在不同區域的性能有差異,例如:彈性模數或熱膨脹係數不一致或 PCB 焊接或冷卻過程中的溫度不均勻或製程不當都可能導致弓形翹曲。

2.扭曲翹曲 Twist Warpage:通常是因為 PCB 在印刷、鑽孔或切割等步驟中受到不均勻的機械應力或外力作用而導致的,另一個可能的原因是 PCB 的設計不當,例如:元件安裝位置不均勻或板材厚度不一致,都可能導致PCB表面在平面上呈現旋轉或扭曲的形狀,而非單純的平面彎曲。

在PCB印刷電路板製造中,Warpage 是一個關鍵性問題,因為它可能會導致元件安裝不良、焊接問題或甚至系統性能下降,因此,量測和控制 PCB 的 Warpage 至關重要。

翹曲度計算

將PCB板放置在一個平坦的水平表面上,選擇若干個測量點,使用高度測量工具測量這些點的高度,最後,計算各測量點的高度與參考平面的高度差的平均值,即為翹曲度。

Warpage公式= 拱起的高度 / PCB長邊長度*100%, 根據 IPS標準貼裝PCB的翹曲度應小於或等於0.75%,當翹曲度大於0.75%時,應判斷為翹板,或缺陷產品。

Warpage 量測原理及方法

Warpage量測 ( Warpage Measurement ) 是基於物體的幾何形狀和表面特徵,可分為光學量測及機械量測,前者是利用光學原理來捕捉和分析物體的形狀和表面輪廓,後者採用機械探針或感應器來測量物體的表面高度和變化,這些方法通常能夠提供高精度的翹曲度數據,以便進行進一步的分析和控制。

Warpage 量測設備

在選購樣品翹曲量測儀器可透過評估硬體及軟體來選擇。

  • 硬體評估:基本上載台移動範圍愈大、載台移動真直度越小、感測器精度愈高,則量測儀器價格愈高。
  • 軟體評估:除Warpage單一量測功能之外,是否還能量測輪廓度、波紋度、面粗度、微結構幾何形貌或是非球面評價等平面參數。

ISO 12781 Flatness定義

ISO 12781標準規範中對於樣品表面三維平面度Flatness定義量測參數說明如下:

  • FLTt 樣品表面峰對谷值之平面度偏差
  • FLTp 樣品峰值對參考平面度偏差
  • FLTv 樣品谷值對參考平面度偏差
  • FLTq 樣品均方根平面度偏差
  • ISO 12781 標準根據量測儀器獲得數據進行計算並定義出參數,計算時使用者可選擇截止值(cut-off λc) 的表面低通濾波器(S Filter)進行計算,然後透過最小二乘法( Least Squares Method, LS)或最小區域(Minimum Zone Method, MZ)進行平整方法。

注意:ISO 12781標準規範並沒有解釋使用哪一種平整方法當基準。 最小平方法 (Least Squares plane LSPL)是大多數從以前沿用到現在的使用方法。

另外注意事項:不要過濾或平整兩次,會造成數據失真。範例是12吋晶圓表面塗佈透明光阻後的3D平面度數據。

另外二維翹曲可參考ISO 12780標準規範, Straightness則是對樣品二維輪廓度,直線度,真直度定義參數說明如下:

  • STRt 峰谷直線度偏差
  • STRp 峰值與參考直線度偏差
  • STRv谷直與參考直線度偏差
  • STRq 均方根直線度偏差

ISO 12780 標準根據量測儀器獲得數據進行計算並定義出參數,計算時使用者,可選擇截止值( λc) 的輪廓低通濾波(S 濾波器),然後透過最小二乘法( least squares method LS)或最小區域(minimum zone method MZ)方法進行平整。

下圖是金屬樣品經過透明材料封膠後翹曲度數據。

因為樹脂材料固化收縮率與金屬材膨脹係數不同導致樣品內應力發生,如果樹脂固化後表面硬度不高,使用接觸針量測容易發生樹脂接觸後彈性變形,或是樹脂被接觸針量過產生刮痕問題,若您有此類技術問題尋求解決方法,歡迎與本公司聯絡。


適配產品