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什麼是共面度(Coplanarity)？量測方法、影響與常見誤解

什麼是 Coplanarity（共面度）？共面度、共面性（Coplanarity），在電子製造領域通常稱為「端子平坦度」或「引腳平整度」，是指電子元件的焊點（如 IC 封裝的引腳、BGA 的焊球、連接器的引腳或接觸端子等）是否位於同一個理想平面上的幾何公差或特性指標。

具體來說，當元件放置在完全平坦的基準面（如 PCB 表面）時，所有焊接點的最高點與最低點之間的最大高度差即為共面度值，這個數值通常被定義為公差（tolerance）。 例如，若規格要求 coplanarity ≤ 0.10 mm，則表示所有引腳或焊球的高度偏差不得超過 0.10 mm。

共面度（Coplanarity）對電子產品有何影響？

當電子產品出現有嚴重的共面度問題時，可能會造成下列品質問題：

1. 焊接品質與電氣連接可靠性

• 開路(Open Circuit)風險：
  若某些引腳或焊球因共面度太大而「浮起」，在回焊(reflow)過程中可能無法與PCB焊盤印刷的錫膏充分接觸，將導致少錫、冷焊(cold solder)或空焊，如果是 BGA、CSP、LGA 等零件，還可能形成 HIP (Head-in-Pillow) / HoP (Head-on-Pillow) 類焊錫不良。

• 短路( Solder Bridge)風險：
  相鄰端子高度不一致可能使得零件本體傾斜，尤其是BGA封裝，然後擠壓錫膏溢流出焊墊，導致與相鄰焊墊橋接短路。但這種情況並不多見，BGA發生短路，大多是因為錫膏印刷量過多或不均勻溢流導致。

2. 電氣性能問題

共面度不佳容易造成焊點接觸不良（如冷焊、假焊或 HIP/HoP），進而衍生以下電氣問題：

• 間歇性接觸不良(Intermittent Open)：
  焊點雖然表面看似導通，但實際上只是虛靠接觸。產線測試治具不一定能發現這類缺陷。一旦遇到溫度變化或震動，虛靠的焊點就可能分開，造成時通時斷的現象，使故障難以排查。
  

• 訊號完整性劣化：
  高頻、高速或 RF 訊號路徑的接觸阻抗可能升高，導致訊號傳遞延遲、反射、抖動或誤碼。

• 電源/地連接不穩：
  大電流路徑若接觸不良，可能引起壓降、局部發熱或電源噪聲增加。

3. 製程與生產問題

• 元件傾斜(Tilt)：共面性差的焊點可能會使零件貼裝後傾斜，影響後續元件的放置精度與外觀。

• 良率下降：尤其在細間距(0.5 mm 或 0.4mm pitch 以下）或高密度板上更明顯。

• 重工率上升：有不良品就得重工，不良率升高就表示不良品變多，會增加成本與交期遞延(leadtime delay)。

• 檢測困難：部分缺陷（如BGA的虛焊）用一般 AOI 不易發現，需依賴 X-ray 或電測，還不一定可以被完全檢測出來。

4. 其他潛在問題

• 應力集中：少數端子可能承受大部分重量與熱應力，加速疲勞失效。

• 外觀不良：元件明顯傾斜或翹起，不符合外觀規範。

• 後續製程影響：傾斜的元件可能影響點膠、底部填充膠（underfill）或蓋板安裝。

哪些電子零件可以且需要量測共面度（Coplanarity）？

原則上，只要電子零件的焊腳數 ≥ 4 根以上，才可以量測共面度。所以，BGA、CSP、LGA、QFP/SOP、4pin以上連接器、多腳被動元件(排阻、部分濾波器)都可以量測共面度。

另外，屏蔽罩(shielding can)及屏蔽框(shielding frame)也可以量測共面度。

只是，可以量測，不代表一定需要量測。一般我們都會依據經驗及實際操作需要，來列出需要管控共面度的零件，比如說尺寸較大的BGA及LGA通常都會被重點照顧，而某些容易出問題的QFP/OSP及多腳連接器也會被關照，尤其是連接器廠家的品質不一，須特別留意。

軟板(FPC)連接器的接觸彈片(contact spring)可以量測共面度（Coplanarity）嗎？

個人不建議管控FPC連接器接觸彈片(contact spring)的共面度(coplanarity)，因為連接器的接觸彈片是可以上下活動的機構，如果擔心彈片的品質造成軟板(FPC)接觸不良，個人比較建議管控下面幾項參數：

• 工作高度（working height / mating height）：FPC 完全插入連接器並鎖緊後，FPC 表面金手指（或某基準）到連接器本體某參考面的高度。

• 壓縮量（deflection / travel）：從 free height（未接觸 FPC）到 working height（FPC完全插入後）之間的位移量。

• 接觸力（contact force / normal force）：FPC 金手指與 contact spring 之間的正向壓力

• 必要時再加上 保持力（retention force）：FPC 插入並鎖緊後，需要多少軸向力才能把 FPC 拉出來。

網路上對共面度（Coplanarity）的誤解

• 網路上常看到有人說片式零件(small chip components)也可以量測共面度，這通常是把『高度差』與『共面度』混淆了。這兩者最大的差異是，取用的基準面(datum)不同，高度差通常以封裝本體底部或是治具平面作為固定基準面；而共面度則會取用 3 根最高的端子(焊腳)，以座平面(Seating Plane)法構成基準面。兩者基準面不同，量出來的結果也就不一樣。

• 也有人把片式零件的整個底部表面當作量測對象，以為這樣就可以量出共面度，其實那樣量出來的結果，叫做 flatness (真平度、平面度、平坦度)，而不是Coplanarity(共面度)。因為，2點成一線，3點成一面，4點以上才會有機會量測到共面度。

那LGA及QFN零件可以量測共面度嗎？

答案是可以。LGA (Land Grid Array) 封裝的底部端子是一排排獨立的金屬 land，只要取得最高的3點，就可以量測共面度。由於LGA封裝屬於無引腳封裝，再加上其尺寸通常比較大，基板只要稍有 warpage 風險，就會導致不同位置的 land 高度產生巨大差異。因此量測 LGA 的共面度並加以管控，確實有其必要性。在國際標準中，JEDEC 的 LGA package outline（例如 MO-303、MO-224 等）中也確實規定了 terminals 的 coplanarity 公差（常見最大值為 0.10 mm）。

QFN 也可以比照 LGA，只是比較少有人會針對 QFN 來管控共面度，原因是 QFN 的尺寸通常不大，本體發生嚴重翹曲的機會也不高。

如何量測共面度（Coplanarity）？

1. 高度規與厚薄規 (Feeler Gauge & Height Gauge)

一般比較簡單量測coplanarity的方法，將零件放置於極高平整度的花崗石大理石平台上，然後用厚薄規塞入懸空引腳下方，或以分厘卡高度規來量測。正常情況下，零件上最低的兩(零件本可能成為第3點)或三根引腳會與大理石平台接觸，形成基準平面，量測懸空最高的引腳底部距離大理石平面的距離，就是Coplanarity值。不過這樣量測的人為誤差比較大，而且這樣也通常只能做為GNG的判斷。此法無法量測BGA、LGA之類BTC零件。

2. 2D 側面投影 / 影樣測量 (Shadow Profiling / Optical Comparator)

透過平行光光源與側向鏡頭（或工具顯微鏡/投影儀），投射引腳或焊球側面影像，計算最底點與偏離點距離。如果是使用電子顯微放大鏡，要想辦法把零件直立起來檢查，或是訂做一個45度角的鏡子，利用鏡子反射來檢查。最好還得要有個大理石平臺搭配使用。此法操作相對直觀，無接觸傷害風險。只能量測外側一排引腳或邊緣焊球，內部陣列（如內圈 BGA）無法觀測。

透過平行光光源與側向鏡頭（或工具顯微鏡/投影儀），投射引腳或焊球側面影像，計算最底點與偏離點距離。如果是使用電子顯微放大鏡，要想辦法把零件直立起來檢查，或是訂做一個45度角的鏡子，利用鏡子反射來檢查。最好還得要有個大理石平臺搭配使用。此法操作相對直觀，無接觸傷害風險。只能量測外側一排引腳或邊緣焊球，內部陣列（如內圈 BGA）無法觀測。

3. 3D 光學/雷射掃描 (3D Optical / Laser Profile)

利用鐳射點/線鐳射或結構光（鐳射位移計、3D AOI）掃描零件底部，計算各點的高度差，並自動計算結果。此法高精度、非接觸式，可快速產出全域 Z 軸偏差地圖。但是設備成本高，適用於研發 FA 分析、進料檢驗（IQC）及線上自動化檢測。

量測時常見注意事項，例如：零件需清潔、避免人為施力變形、溫濕度影響等。

Coplanarity 基準面計算原則

計算 Coplanarity 時，業界通常採用座平面法（Seating Plane / 3-Point Plane）：

1. 定義 Seating Plane： 找到零件底部最低的 3 個點（最先接觸 PCB 焊墊的 3 個支點），以此三點擬合出一個虛擬的參考平面。

2. 計算最大偏差（Max Gap）： 計算所有其餘引腳/焊球距離該基準平面的垂直 Z 軸距離。

3. 判定標準： 最大距離即為該零件的 Coplanarity 值。一般 SMT 規範（如 JEDEC）通常要求 Coplanarity 不得超過 0.10 mm (4 mils) 或 0.12 mm，否則極易導致回焊後空焊。

如何解決電子零件Coplanarity過大問題？

請參考另一篇文章：如何解決電子零件 Coplanarity 過大問題？或如何克服 Coplanarity 過大問題？

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