본 고에서는 서브-마이크론 해상도에서 다양한 표면 및 재료 유형의 3D 특징을 특성화하기 위해 최근에 개발된 라인 컨포멀 기술(Line Confocal Technology)을 소개한다. 머신 비전 또는 레이저 삼각법(Laser Triangulation)과 같은 전통적인 방법으로는 스캔하기 어렵거나 불가능한 까다로운 대상의 자동 미세 지형 3D 이미징이 가능하다. 라인 컨포멀 기술에 적합한 애플리케이션의 예로는 금속계(커넥터 핀, 도체 트레이스, 솔더 범프 등), 폴리머계(접착제, 인클로저, 코팅 등), 세라믹계(부품, 기판 등) 그리고 유리계(디스플레이 패널 등)의 광택, 경면, 투명 및 다층 표면이 있다. 라인 컨포멀 기술은 고속으로 동작하여 실험실에서 고정 제품 샘플 뿐만 아니라 빠르게 이동 중인 표면을 스캔하는 데 사용할 수 있다. 라인 컨포멀 상식의 구동 원리와 장점 그리고 한계에 관해 설명한다. 

전자 제품 제조 산업에서 다음의 3가지 계측 애플리케이션용으로 검토되고 있다. ▶ 미세 에칭 구리 표면 거칠기 및 에칭 트레이스 / 패드의 단면 프로파일 및 너비를 위한 에칭 PCB의 3D 이미징. ▶ 프린팅 전자 애플리케이션에서 기판과 전도성 잉크 특징의 두께, 폭 및 표면 거칠기 측정. ▶ PCB와 생산 어셈블리 애플리케이션에서 접착제 도트 및 라인의 외형, 치수 및 볼륨에 대한 3D 이미징.

소개

 

라인 컨포멀 센서와 이를 기반으로 하는 스캐너는 개별 부품, 어셈블리, 웹 및 기타 연속 제품의 다양한 계측 및 검사 애플리케이션에서 표면, 투명 재료 및 다층 구조의 이미징화에 사용된다. 이미징 결과를 사용하여 제품의 형태, 표면 지형, 거칠기, 평탄도, 두께 및 3D 부피를 특성화할 수 있다. 또한 라인 컨포멀 방식에는 단층 촬영 기능이 있어 투명 레이어 하부의 3D 구조를 캡처할 수 있을 뿐만 아니라 전체 z 범위, 최대 5.50mm까지 센서의 전체 Z 범위를 덮는 넓은 DOF(depth of focus)로 단일 혹은 다중 표면에서 2D 그레이-스케일(강도) 이미지를 동시에 획득할 수 있다. 

 

그림 1에서는 현재 생산 중인 라인 컨포멀 센서 모델을 보여주고 있다. 각 센서에는 두 개의 전면 렌즈가 있다. 하나는 송신기 용이고 다른 하나는 수신기 용이다. 

그림 2는 센서의 구동 원리를 보여주고 있다. 송신기에는 모든 가시 파장이 포함된 백색광을 방출하는 광원이 있다. 광학 어셈블리는 빛을 파장으로 분리하고, 초점면을 형성한 센서와 다른 거리에서 각 색상의 수평선에 초점을 맞춘다(그림 3).

단면 내에서 이미지화 된 표면의 수직 위치에 따라 해당 파장은 2,048개의 측면 지점에서 센서의 수신기로 다시 반사된다. 수신기의 스펙트럼 카메라는 관련된 높이 프로파일과 그레이-스케일 라인을 형성하기 위해 각 지점에서 반사된 파장 및 강도 정보를 캡처한다. 

 

 

 

표면이 센서 앞쪽으로 이동할 때(그림 4) 라인별로 스캔된 영역 라인에서 3D 포인트 클라우드 및 2D 그레이 스케일 이미지가 생성된다. 결과 데이터는 다양한 3D 표면 분석과 이미지 처리 소프트웨어 패키지로 처리, 분석 및 보고될 수 있다. 

 

 

 

라인 컨포멀 센서 및 시스템은 서브-마이크론 해상도에서 까다로운 재료의 고속 이미징이 필요한 애플리케이션에서 잘 동작한다. 포인트 컨포멀 혹은 간섭계 기술과 같은 전통적인 3D 이미징 방식에 있어서 수십 분 또는 1시간이 필요한 영역을 몇 초 안에 스캔할 수 있다.

高 반사성과 경면성 표면의 투명한 재료와 생산품은 라인 컨포멀 방식에 이상적이다. 센서의 넓은 개구수(large numerical aperture)와 표면 각도에 대한 높은 허용 오차는 가파른 경사면과 광택이 있는 곡면을 이미징할 수 있게 한다. 이 방법은 스페클 노이즈(speckle noise)가 없다. 이를 통해 레이저 삼각 측량 센서보다 훨씬 높은 해상도로 표면 이미징이 가능하다. 

라인 컨포멀 센서에 의해 생성된 원시(raw) 이미지 데이터의 품질은 우수하며 필터링 또는 다른 종류의 조작이 거의 필요하지 않다. 센서가 2,048개의 측정 지점을 동시에 캡처하기 때문에 이미지 표면이나 센서 자체의 진동이 거의 발생하지 않는다. 측정 프로파일 라인 내의 상대적인 포인트 높이 위치는 영향을 받지 않는다. 

 

이미지 예에서는 상단에 미세한 라인이 있는 경성 PCB의 섹션(그림 5)을 스캔하여 도체 트레이스의 폭, 높이, 단면적 및 표면 거칠기를 특성화했다. 아래 스캔은 탁상용 스캐너로 수행되었다. 

생산 라인에 장착된 라인 컨포멀 센서는 자동 실시간 분석을 위해 움직이는 표면에서 유사한 3D 프로파일을 캡처할 수 있다. 

 

 

라인 컨포컬 방식은 프린팅 전자 제품군에서 일반적으로 사용되는 멀티-재질 高-대비 표면을 특성화하는 데 효과적이다. 싱글 패스 라인에서 동일한 파라미터 설정으로 불투명하고 무광택 전도성 잉크를 사용하여 높은 반사성 기판을 선명하게 이미징 할 수 있는 시스템의 기능으로 전체 제품의 스캔과 분석 속도가 빠르다. 

다음의 그림들에서는 다이가 있는 플렉시블 하이브리드 전자 회로에서 잉크 높이(두께)와 폭, 트레이스 간의 갭 너비, 기판 반경과 유전체 코팅의 두께/높이를 측정하는 순서를 보여주고 있다. 실버 트레이스는 깨끗하고 광택 있는 기판으로 보였다. 스캔한 표면에서의 2D 그레이-스케일 이미지와 추가 3D 스캔에서는 0.004인치 실버 라인이 보였고, 0402-크기의 부품용 프린팅 패드도 포함되어 있다. 

 

 

 

예시 3 : 접착제 및 기타 디스펜스된 재료의 3D 영상 

라인 컨포멀 방식은 투명, 반투명 및 불투명 구조와 감압 접착제, 실란트 그리고 서로 다른 액상 재료, 페이스트 및 고체 형태를 이미지화하는 데 사용할 수 있다. 접착제 도트의 모양, 크기, 단면적, 높이, 너비, 부피, 표면 거칠기와 위치 그리고 접착제 라인은 시스템 센서로 측정할 수 있다. 이 기술은 실란트 및 기타 디스펜스된 재료에서도 동일하게 동작한다. 실험실 및 생산 조건에서 실시간으로 시스템의 센서로 재료를 특성화할 수 있다. 

라인 컨포멀 기술은 투명하거나 경면의 투명한 접착제 도트를 이미징하는 등 까다로운 애플리케이션에서 잘 작동한다. 그림 26은 광택의 투명한 유리 기판에 있는 약 85㎛ 높이의 투명 시아노아크릴레이트 접착제의 3D 도면이다. 비드는 라인 컨포멀 센서로 스캔되었다. 그림 23은 자동 계산된 체적 및 높이 값을 가진 동일한 비드의 2D 평면도이다.