[논문]초음파 서모그라피를 이용한 빠른 PCB 결함 검출

조재완; 서용칠; 정승호; 김승호; 정현규

[국내논문] 초음파 서모그라피를 이용한 빠른 PCB 결함 검출
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전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. D / D, 시스템 및 제어부문, v.55 no.2, 2006년, pp.68 - 71

조재완 (한국원자력연구소) , 서용칠 (한국원자력연구소) , 정승호 (한국원자력연구소) , 김승호 (한국원자력연구소) , 정현규 (한국원자력연구소)

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Active thermography has been used for several years in the field of remote non-destructive testing. It provides thermal images for remote detection and imaging of damages. Also, it is based on propagation and reflection of thermal waves which are launched from the surface into the inspected component by absorption of modulated radiation. For energy deposition, it use external heat sources (e.g., halogen lamp or convective heating) or internal heat generation (e.g., microwaves, eddy current, or elastic wave). Among the external heat sources, the ultrasound is generally used for energy deposition because of defect selective heating up. The heat source generating a thermal wave is provided by the defect itself due to the attenuation of amplitude modulated ultrasound. A defect causes locally enhanced losses and consequently selective heating up. Therefore amplitude modulation of the injected ultrasonic wave turns a defect into a thermal wave transmitter whose signal is detected at the surface by thermal infrared camera. This way ultrasound thermography(UT) allows for selective defect detection which enhances the probability of defect detection in the presence of complicated intact structures. In this paper the applicability of UT for fast defect detection is described. Examples are presented showing the detection of defects in PCB material. Measurements are performed on various kinds of typical defects in PCB materials (both Cu metal and non-metal epoxy). The obtained thermal image reveals area of defect in row of thick epoxy material and PCB.

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문제 정의

본 논문에서는 초음파 서모그라피롤 이용하여 복합 재료인 PCB 기판의 결함 검출에 대해 기술한다. PCB는 에폭시 (epoxy) 기판에 동판을 식각하여 회로를 구성하는 전자 부품이다.
본 논문에서는 초음파 서모그라피를 이용하여 복합 재료인 PCB 기판의 결함 검출에 대해 기술하였다. PCB는 에폭시(epoxy) 기판에 동판을 식각하여 회로를 구성하는 전자 부품이다.

대상 데이터

적외선, 열영상 카메라는 Stirling Cooling 방식의미 쯔비 시 . IRM-500을 사용하였다. IRM-500은 3~5μm 파장대의 스펙트럼 특성을 보이고 있으며, 열상 센서는 쇼트키 배리어 방식의 FPA(focal plane array) PtSi(platinum silicide) 소자이며 512X512 크기의 픽셀 수를 갖고 있다.
여기 주파수는 15kHz~40kHz 범위에 이르며 일반적으로 20kHz 대역이 널리 사용된다. 본 논문에서 사용한 초음파 트랜스듀서는 ULSSO HIGHTECH 사의 용착기용 진동자 ULW6520B 모델을 사용하였다[7]. ULW6520B 모델은 압전 세라믹 6개가 적층으로 되어 있으며 ±전극이 교대로 열결되어 있고 20KHz 의 진동주파수를 가진다.
열 영상 렌즈는 f#L2의 밝은 50mm 적외선 렌즈를 사용하였다. 실험 시편은 그림 5 에 나타낸바와 같이 1.8mm 두께의 PCB 기판에 가로 X 세로 X 높이로 3 X 12 X 1.7mm 크기의 홈을 인위적으로 생성하였다.
8㎛이다. 열 영상 렌즈는 f#L2의 밝은 50mm 적외선 렌즈를 사용하였다. 실험 시편은 그림 5 에 나타낸바와 같이 1.
PCB는 에폭시 (epoxy) 기판에 동판을 식각하여 회로를 구성하는 전자 부품이다. 절연체언 에폭시와 전도체인 구리의 복합재료이다. 초음파가 PCB 에 입사되면 회로를 구성하는 에폭시와 구리선 (회로 라인)의 경계면에서 발열현상이 일어난다.
PCB는 에폭시(epoxy) 기판에 동판을 식각하여 회로를 구성하는 전자 부품이다. 절연체인 에폭시와 전도체인 구리의 복합재료이다. 초음파가 PCB 에 입사되면 회로도면을 지지하는 에폭시와 구리선(회로 라인)의 경계면에서 발열현상이' 일어난다.

성능/효과

동선과 에폭시 기판의 명확한 열특성 차이를 열영상 카메라로 관측하면 PCB 설계, 제작상의 에러를 실시간으로 검출할 수 있다. PCB 기판에 임의로 결함을 내어 실험한 결과 초음파 에너지를 PCB 기판에 입사시킴과 동시에 PCB 의결함을 실시간으로 검출할 수 있었다.
이는 6번째 프레임에서 결함 부위와 건전 부위와의 온도차이가 가장 큼을 의미한다. 본 실험 결과로부터 PCB 기판의 결함부위에서 발생하는 발열 특성을 열영상으로 관측하고, 이를 PCB 설계도면과 비교함으로써 PCB 제작상의 결함을 실시간으로 검출할 수 있음을 확인하였다.
에폭시와 구리의 열물성 특성(전도도, 비열, 방사율)이 다르기 때문에 초음파에너지가 입사된 후 일정 시간이 경과되면, 에폭시기판과 동선의 온도 특성이 명확하게 구분된다’ 동선과 에폭시 기판의 명확한 열특성 차이를 열영상 카메라로 관측하면 PCB 설계, 제작상의 에러를 실시간으로 검출할 수 있다. 실험 결과로부터 초음파 에너지가 전달된 후의 결함 PCB 의 발열 특성은 22 프레임(660ms) 동안 관측되으며, 최초로 결함부위의 발열 특성이 관측된 시점에서 6 번째 프레임(200ms)이 경과한 때에 관측 열영상의 콘트라스트가 가장 우수하였음을 확인하였다.
초음파 에너지가 전달된 후의 결함 PCB 의 발열 특성은 22 프레임 (660ms) 동안 관측되었다. 최초로 결함부위의 발열 특성이 관측된 시점에서 6 번째 프레임(200ms)이 경과한 때에 관측 열 영상의 콘트라스트가 가장 우수하였고 시간이 경과 하면서 콘트라스트가 미약하여졌다. 이는 6번째 프레임에서 결함 부위와 건전 부위와의 온도차이가 가장 큼을 의미한다.

참고문헌 (7)

A. Dillenz, T. Zweschper, G. Riegert, and G. Busse, 'Progress in phase angle thermography', Review of Scientific Instruments, Vol. 74, No. 1, p. 417, 2003

상세보기
G. Busse, 'Optoacoustic phase angle measurement for probing a metal', Appl. Phys. Lett. Vol. 35, p. 759, 1979

상세보기
D. Wu, A. Salerno, U. Malter, and G. Busse, 'Inspection of aircraft structural components usinglock-in thermography', Quantitative Infrared Thermography, p. 251, 1997
Th. Zweschper, A. Dillenz, and G. Busse, 'Inspection of aerospace structures with ultrasound lock-in-Thermography', http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn312/
G. Lutz, 'Inspection of copper canisters for spent nuclear fuel by means of ultrasound', Technical Reports TR-04-03, 2004
A. Dillenz, G. Busse, and D. Wu, 'Ultrasound lockin thermography: feasibilities and limitations', Proc. SPIE Vol. 3827, p. 10, 1999
http://ulsso.com/index1.html

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