浅谈表面粗糙度Surface Roughness
一、表面粗糙度
表面粗糙度Surface Roughness之正确说法是“表面形貌Surface Texture” (或表面形纹)。后者桩具学术性且立论严谨考虑周详，但此含意甚广说法反到并不盛行。此术语在各种工业中又常俗称为“Surface Fllish”也就中文理念表达方式的“表面之完工情形”。但舆此词相近的Surface Finlshing,则在PCB业系板面焊垫最外表之可焊处理层；如喷锡、化镍浸金，有机保焊处理（OSP）或者浸踢或浸银等工序而言。
表面粗糙度用途最大的邻域是在光学工业与半导体工业，近年来与起的光电工业与微机电领域中，也都当成了重要的品管参敷。电路板业现行的高阶FC－BGA（如CPU之P－Ill舆P－IV等）其1-2mil细线的SAP精密制程，亦渐需对其数据进行量测舆管理。然而中外PCB传媒中对此学门着墨者甚少，本文将以抛砖引玉的心情整理介绍，尚盼高明者指正。
二、与电路板的关系
传统电路板制程与“表面粗糙度”有关者，多半强调于干膜光阻或湿膜光阻（含绿漆）涂布前的铜面“粗化处理”。因所贴着皮膜的附着力，舆其事前铜面上的形敲有着密切的关系。附着力不足者，则难免在后续制程或使用中发生浮离或脱皮现象；反之附着力太强者，则事后的除膜又成了十分恼人的困扰、加以近年来2mil以下的细线制作已有所需求，预见的未来甚至1mil或低于1mil的极细讯号线，均将会成为封装载板的主流。如FC－BGA的半加成式（Semi－Additive）的增层法（BuilduP）制程，在化学铜之前的干膜式介质层（如AJinomoto BOnding film; ABF）即必须先行粗化处理 如此经由化学铜与后续电镀层所制作的细线，方才具有更好的附着力。于是此种SAP中结构件之介质层（Dielectric Layer） 对其表面粗糙度的管控,比起早先光阻前的铜面粗糙度,在重要性方面将更上数层楼矣。
采用干膜介质层进行境层法之SAP制程者,须先将介质层(例如ABF)予以适当粗化后,再做上去的公演铜与电镀铜层才会有良好的附着力。
光阻或其它皮膜前的铜面粗糙度,不管是经由机械方式的产生（如刷磨或喷砂）或化学微蚀反应的获得,其截面棱线（Proflle or Waviness）的凹凸形式,在各种Surface Texture成文经典或规范中所论述者,堪称五花八门错综复杂,并还夹杂许多的微积分观念与公式,初学者很难深入了解。
至于传统电镀铜箔（E.D.FOil） 的毛面,刻意在高电流密度（1000ASF以上）中沉积出粗大柱状（Columnar） 结晶,并经层层堆积下获致了极为明的棱线、而且为了增加大面积还须特殊后制程而长出无数大小不等的铜瘤。在表面积增大以及香菇状的强力互抓连锁（Interlocking）下,使得传统基板上铜箔的抗撕强度（Peel Strength） 均可高达8 1b/in以上. 此种凹凸有致的铜箔棱线,其所踩压出的树脂表面,也当然呈现起伏随形的镜面效应、此等Surface Texture均可采用各种文献中的既有方式加以表达。
然而SAP制程中介质层之粗化者，则一律系自平坦表面向下挖深攻入，整体外表的起伏不算明显，与传统微观上的棱线情形并不完全相同·其坑洞是利用高锰酸钾槽液所咬蚀掉部分树脂所形成，实际上只呈现了常见粗糙棱线的下一半而已（即专用术语的RSk，详见后文）
另外业界也常讨论到 孔壁粗糙度 一词，甚至还言之凿凿沿用多年说什么允收上限的尺度是lmi等等。其实各种重要的国际规范中从未出现过此一名词，想必是某些业者想当然耳的自我认定，彼此以讹传讹久了反而积非成是成了一种“伧学”IPC-6012规范中只提到过因钻孔不良而造成镀铜孔壁的破洞（Void)而已。此种早期插孔焊接时代的孔铜破洞,常会引发"吹孔”（Blow Hole）之后患，以致造成焊点强度不足的可靠度问题，这才是规范重心之所在。不过若业者与客户间所专设之特别规定者，自然就要另当别论了。
三、基础智识与术语
由于表面粗糙度是精密机械工程的一种专门学问，一向在光学与晶圆领域中占有重要地位·电路板业界则从未涉及，近年来由于封装载板的精密布局与近距细线（已至lmil） 的到来,才仿效半导体业而将Surface Texture纳入制程管理, 经DOE探索F渐成为重要的参数。为了易于了解起见,以下将一些基础性的术语先行说明，以利进入情况。
3.1 驻观长度单位
光学或晶圆领域常用到一些微小的长度单位,再加上英制与公制的参杂混淆, 经常让人搅不渍彼此问之关系。例如近年来所流行的奈米（Nanometer）到底与PCB所熟悉的mil（正确说法是英丝,业界惯用的“条”则是积非成是的结果）其间的比例换算究竟为何, 还真的没有几个人能说清楚,下表即为一种实用的速儿对比。
3.3表面形貌Surface Textue
若以英制之微吋对某些常见事物之表达时, 可得到一些日常较少接触过的微观数字，例如：人发为2000－3000pin，蜘蛛丝直径100—200uin,可见光之波范围长16—30pin，氢原子直径0.04pin等。
3.2坐标系统
机械接触式量测，不管是利用表面微小钻石测头（Profile）之滑行拾取数扩,或利用雷射光侦测所得之粗糙度与落差,皆为长度X轴与高度Z轴之二维截面资料.然而整体之表面则还要将景深或跨幅的Y轴资料纳入,才能完成。维或三度空间的实体观念”
3.4积线（Profile）
注意此棱字应读做力A＊，许多有边读边的人经常面不改色的念成出一工＊；而将涮（尸X弓＊）羊肉直呼刷羊肉者则是另外一绝。所谓积线就是指X与Z所构成截面（Sectioning Plane）上的起伏贴化.另在电路板下游组装之热风连线焊接中，其不同时间点的温度变化曲线，也俗称为Profile·
3．5棱线起伏之峰与谷（Peakand Valley）
此二词从字面上就一目了然，几乎不必多费唇舌，下图中的Rp及RV亦为不言而喻的表达。至于Rt则为P与V的总合(t指Total).另外的L则是拾取数据所行走的x轴长度,也就是测头之有效取样长度。
四、测量方法
各种电子产品其工序中所制得的表面形貌或轮廓，对后续制程的好坏都具有很大的影响。精密电子工业中如晶圆（Wafer）制造，凸块（Bumping）制程,打线（Wire Bond）承垫，以及微机电制程（MENS），组装用的各种焊塾（含焊接与植球）等 甚至加成法（Additlve Process） 前基材表面的刻意粗化,均需采用精密仪器对其粗糙度的小心量测，以做为制程管理的重要参数。商用仪器中以WYKO及Alpha Step两种品牌最为知名，现将其等“探针量测”（Stylus Measurement）的方法说明如下:
1机械探针式量测法
利用直径极小的钻石探针（Diamond Stylus）与较大的参考面滑动测头（skid）,在施加微小力量下,沿着待测物取样长度中（约2.5mm）表面起伏,而产生微观的上下移动,再将其位移量经由磁性传感器取得数据,又经专业软件的处理后,即可得到各种所需的粗糙度数据（如Ra、Rz、Rq等）.现行的商用仪器在深度方面已精密到o.1-0.2nm,表面形纹的分辨率也可精密到0.05um－0.25um之范围·
但此法若探针半径太小时 即使很小的重力也将造成很大的压力强度,故原则上并不适于质地较软的待测物。不过最近已开发出005mg的低重探针, 将可量测的领域再次往微观世界推进。对于PCB而言 仳类仪器的精密度已经相当良好了。
2 光学探针量测法
可分为几何光学原理与物理光学原理两种,此等非接触式的量测法将使待测表面不致遭到刮伤.现分述于后：
2.几何光学一又有为共焦显微及离焦检测等两种方式
Z.l.l扫描式共焦显微镜（ScanningConfocalMicrocopy）检测方法，当探测器表面与被测表面两者共轭时，则探测器上像点最小·而所接收到的能量却最大：反之当两者偏离而像点变大时可接受到能量却最小, 量测时小心使两者重合而产生最大的输出,便可描绘出待测物的表面形貌。
2.1.2离焦法是利用离焦误差之检测原理，去量测表面粗糙情形.此类之方法约有四种即临界角法、像散法、偏心光束法、传科加法等，皆利用显微之物镜与待测表面的离焦量，以表达出表面之粗糙情形。此法的优点是光路简单与操作容易，其垂直分辨率可逵Inm：缺点是待测物表面之反射率和局部斜射率对测值的影响甚大,且可测之线性范园也很小。
2.2. 物理光学是利用光学干涉仪（Optlcal lnterferometer）之干涉原理，以测到的差异来表往表面的形貌。又分乌下列两种：
2.2.1外差干涉探针；是利用双光束之一做尢量测光束，经物镜将之聚焦在被测物表面：而另一光束则做为参考光束, 并维持其恒定不变的光程.此刻探针输出电子讯号中低频成分的位相，就会表达出条纹的位相差,可用以显示表面之粗糙情形。
2.1.2微分干涉光学探针；也是利用两个光柬在被测物表面聚焦，成为两个相近的光点,其高度差即决定了两干涉光的位相差，再利用其它方法去量测其位相差,即可得到表面形貌的资料。本方法抗干扰性很好，无需参考用的标准平面,但却会存在着累积的误差。
3 其它方法
除了上述较广用的各种“ 探针”（Profiling Stylus）量测方法外,其它尚有多光束式的三种“干涉显微量测法”（Interferometric Microcopic Topograply Methods）扫描式电子显微镜法（sEM），扫描式探针显微镜法（SPM），以及更精密的“原子力显微镜法”（Atomic Force Microscopy）等.均属不多见的高价专业仪器，将不再逐一介绍。
五、规范中之测项及定义
有关Surface Texture之各种定义与测量项目之规范极多,而以美国机械工程师协会（ASME）所出版之ASME B46.1995最为著名，并曾被冠以ASNI的字样.至于所用简示符码之表达方法,则另按ASME Y14.36M-1996之"Surface TeXtufe SymbolS、其它尚有日本工业标准的JIS B060ll982,德国工业标准DIN4768－1978等, 为了彼此沟通方便起见,国际标准组织（ISO）,亦曾发布过ISO4287等共17种相关规范。然而不但各规范彼此之问所采用之符号不同,目定义上也颇有出人,甚至连同一种规范之前后不同版本问，也都不尽相同，着实令业者莫衷一是不知所从.不过一般习惯上仍以ASME的B46.l基本依据·
各种规范中待量测的参数共分为高度（Height）,间距（Spacing）,混合参数（Hrbrid）以及统计分析等四大类别，总共各种细部参数共达34种之多，任谁都会眼花撩乱莫名其妙。以下将仅就有关PCB制程者，摘要说明如下。
5.1Ra,Roughness Average平均粗糙度
指在待测面取样长度(L）中 ,针对中线（mean line）所出现的棱线起伏,计算其绝对值的算术平均数，称为Ra；旧称为“中线平均“（CLA）或算术平均（AA），此值较容易理解并与RZ左PCB业界最常被引用。
不过Ra却无法完全表达表面形貌的所有内容,例如下二区的各三个表面粗糙图形，虽然其等Ra都彼此相同,但棱线或间距却完全你我有异，是故还需要其它参数协助共同表达，才能更接近真象。
5．ZRq；RootMean Square Roughness均方根粗糙度
指所拾取的各个原始数据,改采均方根方式求取更精确的表达,即将其平方和的平均值再开方而成者, 简写为rms。若就标准的正弦曲线而言（sine wave），其Rq对Ra的理论比值为L11。目前在金属加工的领域中, Ra已完全取代了Rq。但在光学领域中则Rq仍然很被重视着。
通常金属表面的加工方式不同时，其Rq/Ra的比值也不尽相同。例如放电加工者其比值为1.24－1.27，表面研磨为1.22－1.27,铜珠打击（Shot peering）为1.24－1.28, 车床切削为1.17—1.26等。
53Rz；Maximum Height of the Profile积线最顶峰的平均值
此值的定义最为混乱, 类似的符号也极多（如Ry、Rmax、Rzmax、Pt等）,仅在ASME与ISO之中就有四个不同内容的版本。若剔除掉早期ASME与ISO4287/-1997两种已少用的版本后,特此介绍较常用的两种定义如下
5.3.l lSO4287／l－1984版本（与JISB0601－1994相同）
此版本对Rz的定义是说：在所设定的取样长度（L）中，分别量取5个顶峰值与5个深谷值，将此10个数据的绝对值总和除以5后，所得到的数值称为RZ。换句话说就是5个峰谷最大落差数据的平均值，也可马马虎虎说成是深度的平均值。此词在业界较常被引用，并成为品管的重点之—。
5.3.2 ASME46.1-1995（与DIN4268／1-1974）相同）
说在5个取样的分段中（CUtoffS）,分别先测其峰谷之最大的落差值然后再取此5数据的平均值，即为其RZ值。不过此一定义反倒不如上述10个数据者更为流行。
5．4Rsk；SkewnessProfile不对称棱线粗糙度
当两个粗糙表面所量测计算后的Ra与Rz完全相同时 也并不表示其等表面形貌完全相同·其棱线很可能会出现不对称的现象，特称为“非对称性粗糙度（RSk）。此RSk若为负值者，是指谷值的变化要更大。更明显于峰值之变化：也就是原本较平坦的表面，经过特殊处理后呈现坑洞向下的粗糙表面。例如机械产品中的轴承（Bearing），其表面需要吸附滑油者即很强调此种负值的粗糙度。前文中SAP制程中ABF的粗化表面也属于这种RSK糙度，此词之符号也可写成Sk，不对称粗糙度（Skewness）常见机械加工中的压梼（Die Casting）或粉末冶金（Sintering）等工序也多半为负值的Rsk·
六、结论
表面粗糙度不但历史悠久理论繁多，且早已在其它精密工业中被广泛使用。电路板业封装用的精密载板类，最近也已开始加以重视，将来还会更加普遍、至于选用何种仪器去进行量测？制程之品管参数又该如何？则均属现场之实务领域，笔者经验并不多。一旦读者有所需要时，则可透过其它先进或实验计画法（DOE），找出可用的参数进行制程之管制。视行手机板上密装之BGA，如球脚跨距已拉近到0.5mm，微小焊垫直径亦逼紧到14mil以下者，若能加强铜面粗糙度的管理,对焊点强度的可靠相信必定会有所帮助。
