PCB 검출을 위한 3가지 기술

전자 산업은 산업 발전의 선두에 있지만 많은 어려운 시장 압력에 직면하고 있다. 가능한 최저 오류율을 유지하면서 신속하고 안정적이며 경제적으로 혁신해야 한다. 품질과 비용 효율성에 대한 시장의 요구 사항을 충족시키기 위해서는 첨단 기술의 기계와 생산 현장에 최첨단 센서를 장착해야 한다.
현재의 추세는 삶의 모든 영역에서 전자 제품의 중요성이 계속해서 증가하고 있다. 자동차의 다양한 추가 전자 부품은 자율 주행과 전기 이동성을 위한 기본적인 선행 조건이다. 세탁기에서 냉장고에 이르기까지 가정용 기기는 ‘스마트 홈’ 추세에 따라 더욱 지능화되고 있다. 그리고 Industry 4.0의 원동력으로 센서, 카메라, 서버 등 전자 기기의 중요성과 수가 늘어나고 있다.

전자 산업은 칩 생산에서부터 PCB생산, 컴퓨터, 스마트 폰 및 기타 모바일 장치를 위한 복잡한 탑재 및 검사 프로세스에 이르기까지 다양한 분야로 구성되어 있다. 거의 모든 전자 장치에는 PCB가 들어 있으며, 한 장치에 여러 개의 PCB가 필요한 경우도 많다. 전자 장치 제조과정에서 PCB는 조립되기 전에 여러 단계를 거친다. 이는 센서 솔루션에 따라 달라진다. 하지만 SMT구성 요소의 검사와 같은 매우 복잡한 2D또는 3D카메라 솔루션만 중요한 것이 아니다.
PCB기판이 아무것도 없는 맨 보드에서 부품이 완전히 채워지는 등 생산 과정을 거치는 만큼 검출과 위치 결정에 다양한 기술을 활용해야 한다. 적절한 기술을 적절한 목적으로 사용하면 프로세스와 기계 최적화를 위해 다양한 요구 사항을 충족시킬 수 있다. SICK가 제공한 이 글은 PCB검출을 위한 세 가지 센서 기술과 그 요구 사항, 장점 및 단점을 설명한다.

PCB 검출 과제
PCB생산의 모든 자동화된 공정 단계에서 PCB검출은 효과적인 품질 관리와 추가적인 공정 단계를 가능하게하기 위한 기본적인 전제 조건이다. 높은 생산 수율을 위해서는 모든 생산 단계를 동시에 활용하는 것이 중요하다. 특정 공정 단계에서는 PCB 키 검출뿐만 아니라 전체 생산 공정에서 정확한 위치 지정이 중요하다.
그러나 사용된 공정의 요구 사항은 매거진, 구리-모터 유닛, 솔더 페이스트 스크린 인쇄 중, SMD선택 및 배치 기계 또는 검사 중에 검출이 수행되는지에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들어 설치 공간이나 배경 또는 PCB 패널의 형태에 관한 다양한 상황에 따라 동일한 유형의 기계 내에 다른 해결책이 필요할 수도 있다.
PCB생산 기계에 설치되는 센서는 일반적으로 기계에 사용할 수 있는 설치 공간이 매우 적기 때문에 특히 공간을 절약하는 방식으로 통합해야 한다. 반대로, 제조업체는 회로 기판의 입구나 출구를 탐지하기 위한 센서를 부착할 때 더 많은 자유를 누리는 경우가 많다. 설치 공간이 줄어들어 사용자는 적절한 감지 거리를 가진 소형 센서 폼 팩터를 사용해야 한다.
그러나 가능한 작업 거리도 중요하다. PCB에 이미 구성 요소가 있는 경우 구성 요소와 센서 간의 충돌로 인한 손상을 방지하기 위해 최소 거리를 고려해야 한다. 필요한 구성 요소 간극은 일반적으로 최대 40㎜이다. 생산될 PCB에 따라 훨씬 더 낮을 수도 있다.
좁은 설치 공간의 부작용에는 주변의 반사현상 또는 배경 변화와 관련된 것 등이 있다. 센서는 PCB 생산을 위해 기계의 PCB 근처에 위치할 뿐만 아니라, 반사 기계 벽이나 움직이는 물체와 같은 배경도 바로 근처에 배치할 수 있다.
예를 들어 SMD에서는 배치 헤드가 배치를 위해 PCB로 바로 이동한다. PCB를 검출하여 잘못된 트리거를 방지하기 위해 센서 솔루션을 선택할 때 오버 헤드를 통과하는 반사 금속 시트 또는 배치 헤드를 고려해야 한다.
하지만 센서 솔루션을 선택할 때 고려해야 할 것은 기계 상태뿐만이 아이다. PCB는 신뢰성 있는 검출에 필요한 기술에도 영향을 미칠 수 있다. 인쇄 회로 기판에는 종종 모양과 크기가 다양한 구멍이 있다. 즉, 동일한 센서가 서로 다른 순간에 서로 다른 패널 레이아웃을 감지할 수 있어야 한다. 그렇지 않으면, 드릴로 뚫은 구멍과 잘라낸 구멍의 스위칭 오류로 인해 인쇄 회로 기판이 여러 번 감지된다. 센서 솔루션을 선택할 때 생산된 PCB의 설계가 자주 변경되는 것을 고려해야 한다. 이렇게 하면 포맷 변경 시 시스템 다운 타임이 단축되고 재시작 중에 오류가 발생하지 않는다.
올바른 센서 기술과 솔루션을 선택하는 것은 중요합니다. 생산 프로세스에서 이러한 PCB 감지 및 위치 확인 애플리케이션 문제가 이러한 라인의 처리량에 영향을 미치기 때문이다. 다음은 어떤 기술이 다양한 요구 사항을 가장 잘 충족시키는 지 설명해야한다.

PCB검출을 위한 3가지 기술
PCB검출 과제를 극복하기 위해 위에서 설명한 것과 같이 다음 기술을 비교한다.
-배경 억제 또는 특수 광원 기하학적 구조가 있거나 없는 광전 근접 센서
-정전 근접 센서
-초음파 센서

광전 센서와 같은 광학 센서는 다양한 산업과 응용 분야에 사용된다. 지능형 기능과 특수 광학 기술을 통해 가장 까다로운 애플리케이션 요구 사항도 충족할 수 있다. 까다로운 요구사항에는 반사, 배경 문제 또는 구멍이 있는 PCB와 같은 PCB 생산의 당면 과제가 포함된다.
이전 섹션에서 설명한 대로 배치 헤드 또는 기계 벽과 같은 물체는 PCB의 바로 근처에 위치할 수 있다. 예를 들어, 강력한 광전 근접 센서의 작동 원리로 인해 반사 표면은 스위칭 오류를 발생시킬 수 있다. 이 위험은 배경 억제 기능이 있는 광전 근접 센서의 사용으로 상당히 감소된다. 배경 억제 기능이 있는 광전 근접 센서는 송신 요소와 수신 요소 간의 기하학적 관계에 기초하여 작동한다.
센서는 감지 범위 평면에 놓여 있는 물체를 감지하도록 설정되어 있다. 설정된 감지 범위 평면 뒤에 있는 물체에서 잘못된 주행을 유발할 수 있는 반사는 무시된다.
많은 분야에서 점 모양의 광원이 있는 광전 근접 센서가 어려움을 극복하기에 충분하다. PCB를 검출할 때, PCB의 특수 구조 때문에 다른 광점 기하학이 필요한 경우가 많다. PCB의 절단면과 반사 표면으로 인해 검출이 더욱 어려워지고 전환 오류가 발생한다. 이는 비용이 많이 드는 결함과 제조업체의 생산 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 라인 모양의 광원은 PCB가 더 넓은 영역을 포괄하므로 잘못된 이동을 줄이고 기계 가용성을 높일 수 있기 때문에 PCB를 안정적으로 검출할 수 있다. 이는 스위칭 포인트의 최대 정밀도와 높은 반복성을 결합하여 갭, 홈 또는 개구부가 있더라도 스위칭 신호가 개체의 처리 시간 내내 일정하게 유지되도록 보장한다.
개별 PCB가 고객 사양에 따라 기계적으로 생산되는 경우 PCB 패널에 큰 구멍이 발생하는 경우가 많다. 어떤 경우에는 선형화된 광원을 가진 광학 센서도 한계에 도달할 수 있다. 해결책은 WTB4-3MultLine 근접 센서이다.
두 센서가 하나의 하우징에 통합되어 있으며, 센서의 로직 평가 프로세스는 현명하게 연결되어 있다. 이 센서는 두개의 병렬 광 라인을 사용하며, PCB의 이전 감지 후 두개의 광 라인이 더 이상 물체를 감지하지 못할 때까지 스위치가 꺼지지 않는다. 예를 들어 구멍으로 인해 물체가 통과하는 동안 하나의 조명 라인 신호만 손실되는 경우 출력은 설정된 상태로 유지된다. 이를 통해 안정적인 감지와 높은 기계 가용성이 보장된다.

정전 근접 센서

정전 근접 센서의 특징은 기본적으로 정전 근접 센서가 감지할 수 없는 것은 거의 없다는 점이다. 정전 기술에 기반을 둔 센서는 감지할 재료나 표면에 관계없이 사용할 수 있다.
정전 근접 센서는 다른 기술과 비교하여 하우징 크기에 비해 상대적으로 짧은 감지 범위를 갖는다. 전자 산업에서 기계의 설치 공간이 제한되어 있기 때문에 필요한 소형 하우징 크기의 정전 근접 센서는 몇 밀리미터의 감지 범위를 가지고 있다. 감지가 PCB에 매우 가깝게 수행될 수 있거나 근접 범위에서 수행되어야 하는 경우 주로 정전 근접 센서가 사용된다.
PCB를 생산할 때 전자 구성 요소가 조립되는 즉시, PCB 검출 센서는 충분한 구성 요소 간극과 작업 거리를 확보하여 구성 요소 손상을 방지해야 한다. 특히 PCB가 양쪽에 로드될 때, 정전 근접 센서 기술은 주로 언로드된 PCB의 첫 번째 프로세스 단계에서 사용된다. 이 시점에서 사각 지대가 없고 어떤 표면을 감지할 수 있는 능력 덕분에 근거리에서 감지할 수 있는 안정적인 공간 절약형 솔루션이다.

초음파 센서

초음파 센서는 PCB를 검출하고 위치를 결정하는 데도 유용할 수 있다. 초음파 센서는 감지되는 물체에 의해 반사되는 음향 펄스를 발산한다. 펄스가 센서에서 물체로 이동하여 다시 돌아오는 데 필요한 시간을 측정하고 평가하여 각 거리로 변환한다. 이러한 작동 원리로 인해 근거리 초음파 센서를 사용할 때는 반드시 블라인드 존을 고려해야 한다. 매우 가까운 물체 때문에 음향 펄스가 너무 빨리 반사되면 센서는 그 충격을 충분히 빠르게 감지할 수 없기 때문이다.
반면에, 초음파 센서는 더 큰 작동 범위에도 사용될 수 있다. 배경이나 반사 기계 부품에 있는 물체는 인쇄 회로 기판의 정밀하고 신뢰할 수 있는 가장자리 검출을 어렵게 하거나 사건을 방지할 수 있다. 그러나 SICK의 초음파 센서에 대한 정확한 배경 억제를 통해 배치 헤드가 PCB로부터 겨우 몇 밀리미터 떨어진 곳에 있거나 매거진의 여러 PCB가 서로 위에 놓여 있더라도 PCB만 감지할 수 있다. 초음파 센서를 사용할 때 배경 억제는 소리의 비행시간(time-of-flight) 측정에 의해 이루어진다.
초음파 센서는 또한 원뿔 모양의 더 큰 감지 영역을 가지고 있다. 또한 이 기능은 센서에서 무시하는 작은 간극 또는 구멍으로 인해 발생하는 잘못된 트리거를 방지하는 데 도움이 된다.

세 가지 기술-하나의 하우징

예를 들어 새로운 PCB 설계로 인해 PCB 생산에 대한 요구 사항이 변경될 경우 PCB 검출에 사용되는 기술을 수정해야 할 수도 있다. 이러한 제품 변경으로 인해 생산 라인이 다양하게 변경되어 이미 설치된 감지 솔루션도 변경해야 되는 경우도 있다.
SICK는 W4 제품군(MultiLine 제품군 포함)의 광전 센서, UC4 초음파 센서 및 CQ4 정전 근접 센서를 사용하여 작고 공간을 절약 할 수 있는 소형 하우징에 세 가지 기술을 적용했다. 그 결과 광범위한 적용 가능성과 완전한 기계적 호환성을 제공할 수 있게 되었다.
가장 제한된 공간과 쉬운 조작 및 시운전에서도 직선 및 공간 절약형 설치를 위한 컴팩트한 디자인은 세 가지 모두에 해당된다. 기술적으로 다양한 센서의 기계적 통합은 동일하다. 이를 통해 기술에서 사용된 응용 프로그램을 수정하거나 기계의 브래킷을 수정하지 않고 센서를 교환 할 수 있다.
또한 가장 어려운 산업적 주변 조건 또는 다양한 전환 출력 및 연결 유형에 직면했을 때 기계적 및 전자적 신뢰성도 동일하다. 따라서 1~250㎜의 감지 거리를 가진 모든 종류의 애플리케이션 가능성과 모든 감지 작업에 개방되어 있다.

IO-Link를 통한 PCB생산의 스마트 자동화
기계 제조업체에 대한 최종 고객의 요구 사항도 PCB 생산량 증가세를 지속시키고 있다. 고객은 우수한 품질과 수명을 제공하고 생산 및 제품 혼합의 유연성과 볼륨 규모 변경을 지원하는 기계를 기대하기 때문이다.
IO-Link 인터페이스를 갖춘 센서를 사용하면 혁신적인 기능을 통해 기계의 유연성과 신뢰성, 효율성을 높이고 관련 비용을 절감할 수 있다. 이러한 기능의 예로는 단순화된 장치 교환 또는 센서 설정의 유연한 조정을 들 수 있다. SICK의 스마트 센서 솔루션을 사용하면 자동화 시스템이 HMI에 오류가 발생한 정확한 위치를 표시할 수 있다. 장치가 교체되면 자동화 시스템은 새 센서가 연결되었음을 자동으로 인식한다. 애플리케이션별 매개 변수(예:기본 구성 설정)는 센서에 빠르고 안정적으로 기록된다. 그 결과 센서의 효율적이고 문서화된 실제 1:1교체가 가능하다.
PCB 레이아웃이 서로 다를 경우 센서 매개 변수를 수동으로 개입하지 않고 센서 또는 자동화 시스템에 저장할 수 있으며 레이아웃 변경 등이 발생할 때 자동으로 활성화할 수 있다.
이것이 센서가 특정 애플리케이션에 최적화된 매개 변수를 얻는 방법이다.
시간 측정이나 카운트 기능과 같은 훨씬 더 복잡한 기능이 가능하다. IO-Link는 PLC 대신 고성능 검출과 센서 계수를 가능하게 한다. 예를 들어, 지정된 PCB 처리량을 계산한다. 이 카운트 결과는 주기적으로 컨트롤로 전송되며, 필요한 경우 합계 값이 재설정된다. 이 외에도 많은 지능형 IO-Link 기능은 프로세스 관련 데이터의 제공으로 인해 기계와 프로세스 최적화에 기여한다.

자료제공 : SICK