什么是平整度、平面度、平行度、共面度、翘曲度

陶瓷基板的不同形位状态 陶瓷基板平不平，口说无凭。 衡量平不平的指标有不少，在工程实践中，平整度、平面度、平行度、共面度和翘曲度是常见的几何公差指标。 由于名称接近，概念相似，平整度、平面度、平行度、共面度和翘曲度这几个指标，经常出现概念不清、相互混淆的现象。实际上，除了平整度和平面度，其他几个指标在定义、测量方法和影响因素等方面是存在区别的。

1.平面度（Flatness）

平面度是指陶瓷基板表面与理想平面（评定基面）的偏差程度，通常用来描述材料表面的整体平坦性。比如说，一个陶瓷基板的表面是否平，有没有凹凸不平的地方。平面度，可用最大偏差值来表示。

参考GB/T 24630.1-2009，可采用均方根平面度误差（FLTq）来表征平面度指标。FLTq计算步骤如下：

第一步，常用最小二乘法来确定理想平面（评定基面）。

第二步，采集陶瓷表面上所有点与理想平面（评定基面）的垂直距离LFD，如下图所示，a1是某点的正局部平面度偏差值，a2是某点的负局部平面度偏差值。

待测表面与理想平面的垂直距离

第三步，计算均方根平面度误差（FLTq）。FLTq数值越小，说明平面度越好。

上式中，LFD为局部平面度偏差，A为平面度要素的表面积。

在电子封装中，如果陶瓷基板表面平面度不佳，可能会影响陶瓷基板表面焊接或者贴装元件的质量，从而导致接触不良或者出现散热不好的问题。

2.平整度（Smoothness/Flatness）

平整度是指陶瓷基板表面的平坦程度，通常用来描述材料表面的最大高度差。该术语在工程中常与“平面度”混用，但更侧重微观粗糙度或局部平整特性，而非整体平面形状。

参考GB/T 6621-2009的平整度的测量方法，采用总指示读数（Total indication reading，TIR）和焦平面偏差（Focal plane deviation，FPD）值表征平整度大小。

第一步，采用最小二乘法确定理想平面（参考面或焦平面）；

第二步，采集区域内任一点与理想平面（参考面或焦平面）的厚度差值f(x,y)；

第三步，计算TIR和FPD值。TIR和FPD数值越小，平面度越佳。

 

其实，从上述计算过程可以发现，平整度和平面度的表征指标有一定的程度的相似性。还有时候可能会有不同的行业习惯用法，比如，平面度是国际标准中的术语，而平整度可能是更口语化的说法。

3.平行度（Parallelism）

平行度，是指两个平面之间的平行程度。可用陶瓷基板上下表面之间的最大间隙距离，来表征两个平面之间的平行程度。

平行度可用千分表进行测量。将待测陶瓷基板固定到平台上，竖直移动陶瓷基板或高度尺规（千分表）进行测量，测量的最高测量值与最低测量值之差就是平行度。

千分表法测量平行度示意图（图源：基恩士）

上图中，a为待测陶瓷基板，b为平台，c (ΔH)是最高测量值与最低测量值之差，即为陶瓷基板的平行度数值。

如果陶瓷基板的上下表面不平行，可能在安装时产生倾斜，进而影响整体组装的精度或者机械稳定性。例如，在多层陶瓷基板中，平行度不好可能导致层间对位不准，影响电路性能。

4.共面度(Coplanarity)

共面度衡量的是多个表面或者多个点是否在同一个平面上。

表面贴装元件、连接器等电子部件的共面性表示PGA的引脚、BGA的焊球、连接器的连接器针脚等接触点的最高位置和最低位置之间的最大值。也称为“面均匀性”和“端子平坦度”。

例如，如果将完全平坦的陶瓷基板表面作为基准线，在上面放置表面贴装元件时，容许的共面性的值为陶瓷基板表面与引脚或焊球诸多接触点之间的最大高度差，定义为公差。

PGA（左右）和连接器（右）引脚相对陶瓷基板的共面度（图源：基恩士）

一个陶瓷基板可能有多个引脚或接触点，共面度就是这些点是否都处于同一平面上。如果共面度不好，安装时可能会有引脚悬空或者接触不良。例如，CPU插槽的引脚如果共面度差，可能导致接触问题，影响信号传输。

5.翘曲度（Warpage）

翘曲度,是指陶瓷基板在制造过程中由于应力或其他因素导致的整体弯曲或扭曲，类似于板材的翘曲，可用弯曲的高度或弧度来衡量。

测量步骤为：将陶瓷基板自由放置在平面上，测量四个角与中心的高度差，按下方公式计算翘曲度：

上式中，δmax和 δmin为最大/最小高度差，L 为基板对角线长度。

陶瓷基板的翘曲度通常要求≤0.1%~0.3%。

简单来说，平面度/平整度关注单一表面是否平；平行度关注两表面的相对平行关系；共面度确保多个表面共面；翘曲度表征陶瓷基板的整体变形。

参考文献

1.GB/T 24630.1-2009产品几何技术规范（GPS） 平面度

2.GB/T 6621-2009 硅片表面平整度测试方法

3.GB/T 1182-2018 产品几何技术规范（GPS） 几何公差 形状 方向 位置和跳动公差标注

4.GB-T 6620-2009 硅片翘曲度非接触式测试方法

5.IPC-TM-650