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《Youtube》什麼是共面度？SMT工程師必懂的 Coplanarity 量測與影響
今天我們來聊聊幾乎每個 SMT 工程師都會碰到、卻常常被誤解的議題—共面度，也就是 Coplanarity。
相信很多第一次聽到這個名詞的人，應該都搞不太清楚什麼是「共面度(Coplanarity)」；而稍微有點經驗的人，聽到這個名詞，第一反應就是「零件腳不平會不會有空焊問題？」沒錯，今天就來跟大家聊聊什麼是共面度？共面度要怎麼量？有哪些零件需要管控共面度？網路上又有哪些常見的錯誤觀念？
什麼是共面度？
簡單來說，當你把一個多焊點的電子零件，例如 SOIC、QFP、BGA、CSP、LGA 等這類零件，放置在一個完全平整的大理石桌面上，自然而然的，就會有3個最低的焊點或是本體與大理石桌面接觸。此時量測其它未接觸到大理石桌面的焊點，其最大高度差，就是該零件的共面度數值。（這裡說的『最低的三個點』，指的是向下突出最多、會先碰到平台的三個焊點。）
可能有人會好奇，為什麼一定是三個點？2個點或4個點不行嗎？因為「三點成一面」，是基本的幾何概念，這裡就不多做解釋了，不過我可以給大家一個提示，為何四隻腳的桌子容易晃動，但三隻腳的桌子則很穩。
因此，共面度指的是電子元件的本體或焊點，無論是 IC 的引腳、BGA 的焊球，或其他多腳零件的焊腳，是否都落在同一個理想的共同平面上。
而共面度的數值，則是指零件上的所有焊點或本體，距離這個共平面的最大高度差。
這個共面度數值，對多腳表面貼焊零件尤為重要，它會直接影響回焊時，焊錫能否順利潤濕零件上的每一個焊腳。業界常見的規格是 最大不可以超過 0.10 mm，也就是所有焊腳或焊球的高度偏差不能超過 0.1 毫米。一旦超過這個範圍，回焊時就容易出現空焊或虛焊不良。
你也可以把共面度的影響想像成：有一群人坐在泳池邊，雙腳自然垂下。這時候泳池裡的水深是固定的（對應錫膏的厚度與熔化後的高度）。如果有人的腳比較長（焊腳向下突出較多），就能輕鬆踩到水面；如果有人的腳比較短、或腳尖往上翹的人（共面度不良），腳就會懸在水面上方，碰不到水。
我們可以把錫膏想成泳池的水面高度是固定的。焊腳向下突出較多的，就像腳比較長的人，能踩到水面；焊腳較短或往上翹的，就踩不到水，形成空焊。
共面度對產品有什麼影響？
共面度如果太差，也就是數值太高，最直接的影響就是焊接品質變差。
首先是開路風險。當同一顆零件上，有些焊腳或是錫球比較高，就會把零件撐高，使得某些比較低焊腳或錫球，在回焊(reflow)過程中碰不到錫膏，就會出現少錫、冷焊、空焊等不良，BGA、CSP、LGA 還可能出現大家最頭痛的 HIP (Head-in-Pillow) / HoP (Head-on-Pillow) 枕頭效應不良。
至於短路，其實發生的機率並沒有大家想的那麼高。雖然共面度差，也有機會使得零件傾斜，然後可能擠壓錫膏溢出焊墊，與鄰近焊點橋接短路，但實務上，BGA 短路問題，更多還是因為錫膏量印刷得太多或印得不均勻所致。
再來是電氣性能問題。
焊點如果只是互相虛靠著，表面看起來有導通，產線的測試也不一定可以測得出來。可是一旦遇到溫度變化或震動，就可能出現時通時斷，變成很難搞定的間歇性不良。
虛焊一旦出現在高頻、高速或 RF 訊號的路徑上，也會因為接觸阻抗的變高，而出現反射、抖動，甚至缺失訊號等問題。大電流的電源或接地，則可能產生壓降、發熱或雜訊。
製程端也會是受害者：零件可能會因此貼歪、良率下降、重工增加，進而增加生產的成本。而且有些虛焊用一般 AOI 還看不出來，得靠 X-ray 或電測，而且還不一定百分百抓得到。漏出去的產品，通常過不了多久，就會被客訴、退回，影響商譽。
少錫及虛焊的產品更沒有可靠性，其承受疲勞的壽命也會變短，外觀傾斜更是直接不合格。
哪些零件需要量測並管控共面度？
原則上，焊腳數量要有 4 根以上，包含4根，才有量測共面度的意義。
所以 BGA、CSP、LGA、QFP、SOP、多腳連接器、排阻這類零件都可以量。
連屏蔽罩、屏蔽框其實也能量。
但「可以量」不代表「一定要量」。實務上我們會依照經驗，對那些尺寸比較大的 BGA、LGA，或是過去常常出問題的 QFP 和多腳連接器列為重點管控對象。尤其是連接器，不同廠商的品質差異很大，需要特別留意。
網路上常見共面度觀念的誤解
這裡要特別澄清兩個常見錯誤。
第一，有人說片式電阻、電容也可以量測共面度。其實這多半是把「高度差」跟「共面度」搞混了。
高度差通常是以本體底部或治具當固定基準；共面度則是用三根最低的焊腳，組成一個「座平面」當基準。基準面不一樣，結果當然不同。
第二，有人把整個片式零件的底部拿去量高度差，以為那就是共面度。其實那叫 flatness（真平度、平面度、平坦度），而不是共面度。
記住一個簡單原則：兩點成一線，三點成一面，共面度則至少要有四個點或以上才能量測。
那LGA及QFN零件可以量測共面度嗎？
答案是可以，而且 LGA 還蠻有必要量共面度的。
LGA 底部是一排排獨立的金屬 land，只要找到最低的三點，就能擬合出一個共平面，然後算出共面度。因為 LGA 尺寸通常比較大，基板只要有一點點翹曲，不同位置的 land 高度差就會很明顯。JEDEC 的相關規範（像 MO-303、MO-224）也確實有規定共面度公差，常見最大值為 0.10 mm。
QFN 理論上也可以比照LGA辦理，但實務上比較少人特別去管，因為 QFN 尺寸通常比較小，嚴重翹曲的機會相對也比較低，也就比較沒有共面度的問題。
怎麼量測共面度？
常見有三種方法：
第一種最陽春，用高度規搭配厚薄規。把零件放在超平整的大理石平台上，用厚薄規(feeler gage)或塞規(pin gage)去塞懸空的引腳，或直接用高度規來量測。最低的兩到三根腳會先碰到平台，形成基準，最高腳的懸空距離就是共面度的值。缺點是人為誤差大，而且沒辦法量 BGA、LGA 這種底部陣列的零件。
第二種是 2D 側面投影儀。用平行光從側面打，看引腳或焊球的影子來計算高度差。操作直觀，也不會傷到零件，但只能看到最外圈，內圈焊球看不見。
第三種最精準，也是現在主流——3D 光學或鐳射掃描。用鐳射或結構光把整個底部掃一遍，設備自動算出每一點的高度差，還能產出完整的偏差對應圖。這樣量測出來的共面度，精度高、非接觸，適合進料檢驗和研發分析，唯一缺點就是設備比較貴。
這裡有個小提醒：測試時要記得：零件表面要保持乾淨、不要用力壓變形，環境溫濕度也盡量控制穩定。
共面度到底怎麼計算？
業界最常用的是「座平面法」，也就是 Seating Plane。
步驟很簡單：
- 找出零件底部最低的三個點，這三個點會最先碰到 PCB，用它們擬合出一個虛擬基準平面。這個虛擬基準面就是零件實際坐在 PCB 上的支撐平面
- 計算其他所有引腳或焊球，到這個平面的垂直距離。
- 其中數字最大的那個距離，就是這顆零件的共面度值。
一般 SMT 規範會要求不能超過 0.10 mm，有些規格會放到 0.12 mm。超過這個範圍，回焊後出現空焊的機率就會明顯上升。
結尾
好了，這次我們從共面度的定義、影響、適用零件、常見誤解，一路講到量測方法與計算原則。
希望能幫助大家把這個看似簡單、卻常常被搞混的觀念一次釐清。
如果你在實際生產中有遇過什麼特別棘手的共面度案例，歡迎在留言區告訴我們！
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尷尬的是 Coplanarity 在圖學上沒有特定的符號，所以Connector廠常用 Flatness(真平度) 或 Profile of a Surface(曲面輪廓度)來標