3D검사로 인쇄 회로 기판(PCB) 품질 향상시키기
휴대용 및 차량용 디스플레이 등 적용 기대
자료제공 : 텍사스 인스트루먼트(TI)
지난 20년간 DLP 기술은 다양한 애플리케이션에 채택되어 많은 이점을 제공해 왔다. 이미 2D AOI(Automated Optical Inspection)에서 3D AOI로 전환되고 있는 인쇄 회로 기판 제조 및 검사에서도 예외는 아니다. 가전제품이 점차 소형화됨에 따라 3D AOI 방식처럼 향상된 검사 방법이 요구되고 있으며, 이는 생산 비용을 절감시켜 줄 수 있다. AOI 장비 설계자는 DLP 솔루션을 이용해 PCB 솔더 페이스트, 솔더 조인트 및 정확한 부품 장착을 검사하는 데 필요한 견고하고 빠른 고분해능, 고정밀 3D 이미징 시스템을 구현한다.
3D 검사의 필요성
3D AOI 및 솔더 페이스트 검사(SPI) 방법은 조립 공정초기에 불량을 검출하고, 최종 검사에서 보다 낮은 생산 비용으로 PCB 제조 공정에서의 품질과 신뢰성을 보장해 준다. 가전제품이 점점 소형화되는 시장의 흐름에 따라 부품 크기는 점점 줄어들고 PCB 랜드의 기하학적 밀도는 높아지고 있다. 이러한 특성은 최종적으로 제품의 품질을 보장하기 위해 추가적인 3D AOI 또는 SPI 기능을 필요로 한다.
3D AOI 및 SPI는 PCB 조립 공장의 여러 스테이션에서 다음과 같은 다양한 이점을 제공한다.
•솔더 페이스트 적용 후 인라인: 사전에 솔더 페이스트의 양과 형상을 검출하고 교정해 높은 비용이 발생한 이후의 재작업을 방지한다.
•부품 장착 후 인라인: 부품 설치 및 적절한 방향을 검사해 이후 재작업을 방지한다.
•최종 검사 시 인라인: 모든 부품의 적절한 설치, 부품의 이동 여부, 부품 리드의 리프팅 여부는 물론 모든 솔더 조인트의 솔더 양이 적합한지, 위킹에 브리지, 단락 또는 오픈이 없는지 검사한다.
•오프라인 검사: 재작업 되거나 수동 조립된 기판을 검사하는 독립형 유닛
3D AOI 작동 원리
많은 3D AOI 시스템은 DLP 기술을 사용해 대상 PCB에 작은 시야(FOV)로 최대 400개의 사전 결정된 패턴을 빠르게 투사한다. 사이드에 장착된 흑백 또는 컬러 카메라는 PCB 부품의 z축 표면의 차이에 의해 변형될 때, 각각의 투사각을 캡처한다. 그러면 기하학적 삼각 분석법을 통해 부품의 3D 형상을 유추한다. 그 결과는 3D 포인트 클라우드로 생성되며, 이를 프로세서가 ‘바람직한’ 물리적인 속성을 갖는 레퍼런스 모델과 비교한다. 프로세서는 어떤 FOV가 예상된 규칙을 벗어난 속성을 포함하는지를 결정하고, 불량 조건을 기록하며 사용자에게 불량 조건과 위치를 제공한다. 이와 같은 종류의 3D 구조형 광 기능은 유연하고 정밀한 3D 스캐닝을 제공해 빠른 인라인 검사를 수행하게 된다.
DLP 기술을 이용한 머신 비전 기술
TI DLPⓇ 칩셋을 사용하여 강력하고 유연하며 프로그래밍 가능한 조명 제어 솔루션을 만들 수 있다. DLP 고급 조명 제어 제품 포트폴리오는 업계를 선도하는 이 MEMS 디스플레이 기술을 자외선 및 적외선 파장까지 확장하며, 더 빠른 패턴 속도와 더 향상된 픽셀 제어가 가능하다. 완전한 레퍼런스 디자인과 사용이 쉬운 개발 툴을 통해 TI는 산업용 조명 제어 애플리케이션을 위한 혁신적이고 새로운 제품 개발을 가속화하고 있다.
- 3D 머신 비전
DLP 시스템은 프로그래머블 구조적 조명 패턴을 사용하여 실시간으로 비접촉, 고정밀 3D 데이터를 생성할 수 있다. 일련의 패턴을 물체에 프로젝팅하고 카메라나 센서로 빛의 왜곡을 캡처하여, 3D 점 클라우드를 만들 수 있다. 점 클라우드는 물체의 표면 영역, 부피 또는 특징 크기를 분석하는 데 바로 사용할 수 있다. 또한 다양한 CAD 모델링 형식으로 내보내는 것도 가능하다.
3D 머신 비전에 DLP 기술을 사용하는 이유는 시간과 온도 변화에 안정적이며 측정 대상을 변경하지 않는, 비접촉 3D 스캔이 가능하고 실시간 스캔 데이터, 적응형 패턴 세트를 사용하여 여러 물체와 환경에 최적화가 가능하기 때문이다. 또한 외부 트리거를 사용하여 외부 카메라 및 센서와 동기화가 가능하며 더 높은 정확도와 해상도를 지원하기 때문이다.
- 3D 프린팅
3D 프린팅은 한 번에 한 층씩 재료를 증착하여 물체를 제작하는데 이를 통해 설계자와 제조업체는 개발 주기의 속도를 높이고, 몰드와 프로토타입을 빠르게 조정하고, 매우 정교하며 맞춤화된 부품을 만들 수 있다. 광조형 3D 프린터는 액체 광 경화수지와 같은 감광성 물질을 양생하여 한 번에 한 층씩 물체를 제작한다. 물체의 CAD 모델을 먼저 각 인쇄 층에 해당되는 일련의 단면 조각으로 변환한다. DLP 기술을 사용하면 2D 조명 패턴을 만들어 전체 단면 조각을 하나의 샷으로 표현할 수도 있다. 이렇게 하면 하나하나 노출하는 시스템에 비해 제작 시간을 줄이고, 레이어의 복잡도에 관계없이 제작 속도를 높일 수 있다.
3D 프린팅에 DLP 기술을 사용하는 이유는 레이어의 복잡성에 관계없이 빠른 제작 시간을 위해 하나의 샷에 전체 인쇄 레이어 노출이 가능하고 안정적인 MEMS 기술이 적용되어 고가의 부품 교체가 필요하지 않기 때문이다.
- 디지털 리소그래피
디지털 리소그래피는 PCB 제조, 평판 디스플레이 수리, 레이저 마킹 및 기타 조명 노출 시스템에 사용된다. 디지털 리소그래피에서 DLP 기술은 접촉 마스크 없이 포토레지스트 필름과 기타 감광성 물질을 노출할 수 있는 고속, 고해상도 조명 패턴을 제공한다. 이를 통해 재료비용을 줄이고, 생산 속도를 높이고, 빠르게 패턴을 변경하고, 특히 정밀한 형상 크기에 더블 패터닝이 필요한 경우 이상적이다.
디지털 리소그래피에 DLP 기술을 사용하는 이유는 물리적 마스크나 인쇄판이 필요하지 않아 제조 처리량을 향상시킬 수 있다는 장점과 여러 마이크로 미러 크기 사용이 가능(7, 10, 13㎛) 하여 미크론 수준의 형상 크기 구현이 가능하다는 점이다.
- 분광학
모든 분자는 빛의 다른 파장에 대해 고유하게 반응하는데 분광학은 이러한 고유 반응을 사용하여 물질을 파악하고 특성을 규정하는 분석 기술이다. 분광계 디자인에서 TI DLP DMD(디지털 마이크로미러 디바이스)를 프로그래머블 파장 선택기로 사용할 수 있다. 광대역 조명은 광학 구멍을 통해 지나간다. 그런 다음 조명의 개별 파장이 회절격자 또는 프리즘을 사용하여 마이크로미러 어레이에 분산되어, 마이크로미러 어레이의 일부를 특정 파장에 매핑할 수 있게 된다. 이렇게 조명의 특정 파장은 단일 요소 감지기로 전환된다. 강력한 이 설계 아키텍처는 선형 어레이 감지기나 파장 범위에 대한 스펙트럼 스캔을 생성하는 모터가 필요하지 않으므로, 더 높은 성능과 더 작은 폼팩터, 더 낮은 비용으로 화학적 분석이 가능하다.
분광학에 DLP 기술을 사용하는 이유는 큰 하나의 요소 감지기를 사용하여 파장 분해능을 낮추지 않고도 선형 어레이 감지에 비해 더 많은 조명을 캡처할 수 있기 때문이다. 또한 다양한 고체와 액체 및 여러 조명을 위해 사용자 지정 가능한 단일 광학 엔진 사용이 가능하며, 스캔 매개 변수 조정을 통해 실시간 물질 분석을 위한 빠른 스펙트럼 스캔 생성이 가능하다.
DLP 기술을 이용한 3D AOI 솔루션
DLP 기술은 AOI 애플리케이션에 다양한 향상된 기능을 제공한다. 예를 들어 DLP6500 DMD(digital micromirror device)는 개별적으로 제어되는 미러의 1920×1080 어레이로 구성되며, 차세대 3D AOI 애플리케이션에 요구되는 높은 분해능, 빠른 패턴 속도, 프로그래밍 기능을 제공한다. 따라서 이들 디바이스는 DLPC900 컨트롤러와 결합해 다음과 같은 이점을 제공한다.
•초당 약 250개 패턴에 달하는 8bit 위상차 패턴 속도로 고속 데이터 캡처가 가능해 매우 빠른 PCB 3D AOI 스캔 시간을 제공한다.
•프로그래머블 패턴 선택 및 리오더링은 어느 FOV에서나 최대 정보를 추출하는 데 ‘적합한’ 패턴을 적용하도록 보장한다.
•DMD 다중 파장은 다중 컬러 AOI 시스템 구현을 지원하므로 반사율을 최적화하고 흑백 또는 컬러 카메라를 사용한다.
•프로그래머블 패턴 시간 설정을 통해 소프트웨어가 각각의 패턴에 대한 ‘온 시간’을 제어할 수 있어 대상으로부터 반사되는 빛의 양을 최적화한다.
•트리거 인/아웃은 DLPC900이 캡처하도록 카메라를 트리거하거나 카메라, 프로세서 또는 기타 하드웨어에 의해 트리거한다.
DLP 제품은 20여 년 이상의 탁월한 성과를 바탕으로 MEMS 기술 리더십을 입증해 왔다. 또한 여러 DMD 분해능과 크기로 제공돼 다양한 스캔 속도, 분해능, 가격에 맞춘 계층별 AOI 제품 포지셔닝을 지원한다. 이 밖에 TI의 DLP 디자인 네트워크는 제품 개발을 보다 쉽게 하고 설계 과정을 단축할 수 있도록 DLP 기술에 기반한 설계 및 생산 솔루션에 대한 전문 지식을 제공하고 있다.
