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문제 정의
- SMT(surface mount technology) 공정에 의해 FPCB에 실장된 전자 부품은 부품 자체의 불량과 부품의 오삽, 미삽과 역삽 등으로 인해 불량이 발생한다. 따라서 FPCB을 검사하여 SMT 공정에서 발생할 수 있는 부품이나 회로의 결함을 확인하고 그 원인을 분석하여 생산 제품의 고품질화와 기업의 생산성을 향상시키기 위한 노력을 기울여왔다.[1,2]
- 본 논문에서는 SMT 공정 후 전자 부품이 실장된 FPCB에 대한 전기적 검사를 위해 패턴의 재배치가 가능한 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용한 인 서킷 검사시스템을 제안한다. 검사신호 입출력을 위해 FPCB 테스트 모델들의 입출력 단자인 OLB(outer lead bonding) 패드와 ILB(interface lead bonding) 패드의 구조적인 공통 특성을 파악하고, 입출력 단자를 통한 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용하여 수동소자 검사를 위한 알고리즘을 기술한다.
- 본 논문에서는 연성회로기판에 실장된 부품의 불량 여부를 판별하기 위해 핀 드라이버를 이용한 접지 가딩 기법을 제안하였고, 이를 적용한 인 서킷 검사 시스템을 개발하였다. 모바일 단말기용 연성회로기판에 대해 검사신호의 종류와 입/출력을 위한 구조적인 공통 특성을 분석하였으며, 회로도를 기초로 실장된 부품들에 대해 핀 맵을 작성하고 검사신호를 생성하였다.
가설 설정
- 그림 3(a)에서 Rx를 측정하기 위하여 노드 V1, V2, V3를 접지로 연결하는 접지 가딩 기법을 적용하면, R1, R2, R3, R4, R5, R6는 노드 V1으로 인가되는 입력신호에 대해 영향을 미치지 못하며, 출력신호는 Rx에 의한 영향만 포함한다. 따라서 그림 3(a)의 회로는 접지 가딩 기법을 적용할 경우, 그림 3(b)의 등가회로로 간략화 할 수 있다.
제안 방법
- 검사 대상 FPCB를 검사 시스템의 안착 지그에 장착한다. 검사 대상 FPCB의 OLB 패드에 메인 컨트롤러의 검사 입출력 신호를 연결하기 위해 OLB 패드와 동일한 구조를 가지는 면접촉 FPCB를 접촉한다. 이미지 센서를 통해 획득한 영상을 보면서 면접촉 FPCB의 패드와 측정 대상 FPCB의 OLB 패드가 정렬되도록 면 접촉 위치 조절기를 조절한다.
- 실험용 FPCB 모델은 2가지를 선정하였으며, 대상 모델의 검사 항목은 표 2와 같다. 검사 대상 수동소자의 값은 BOM(bill of material)값, 멀티미터와 LC 미터를 이용한 계측기 측정값과 검사 시스템을 이용한 측정값으로 나타내었으며, 오차율은 식(10)에서 제조사 출고값을 회로도 상의 수동소자 값인 BOM으로 대체하여 계산하였다.
- 작업자가 검사 시작 버튼을 누르면 이를 감지하여 검사 항목에 대해 검사가 수행되며, 불량이 발생하면 검사 시스템의 디스플레이장치에 불량의 종류와 측정값이 표기된다. 검사 시스템은 검사를 진행 하는 동안 움직임을 최소화하기 위해 진공 발생장치와 실린더를 구동하여 검사 대상 FPCB OLB 패드와 면접촉 FPCB를 고정시킨다. 본 검사 시스템은 안착 지그를 모델별로 제작-교체하는 방식으로 여러 모델에 대한 검사가 가능하며, 다른 모델의 FPCB 검사는 안착지그를 교체하고 핀 드라이버를 해당 모델의 회로에 맞게 다시 맵핑함으로써 간단히 수행된다.
- 제안된 검사 알고리즘과 시스템 구성에 따라 마이크로프로세서를 기반으로 한 연성회로 기판 검사 시스템을 개발하였다. 검사 시스템을 이용하여 커넥터와 연결케이블의 영향이 없는 상태로 수동소자 각각에 대한 개별 테스트와 모바일용 연성회로기판 테스트 모델을 선정하여 검사 실험을 수행하였으며, 측정 오차율로 측정 정밀도를 나타내었다. 수동소자 각각에 대한 실험결과, 저항의 측정오차율은 최대 -2.
- 초기상태에서 모든 패드는 접지 가딩된 상태이다. 검사 시작 후, 저항 검사를 해야 하는 패드에 저항 검사 신호가 인가되도록 CPLD 및 FPGA에서 핀 맵 정보를 이용하여 핀 드라이버 회로를 구동한다. 저항 검사 완료 후, 동일한 방식으로 인덕터, 콘덴서 등의 해당 검사신호를 순차적으로 인가하여 각각의 항목에 대한 검사를 수행한다.
- 본 논문에서는 SMT 공정 후 전자 부품이 실장된 FPCB에 대한 전기적 검사를 위해 패턴의 재배치가 가능한 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용한 인 서킷 검사시스템을 제안한다. 검사신호 입출력을 위해 FPCB 테스트 모델들의 입출력 단자인 OLB(outer lead bonding) 패드와 ILB(interface lead bonding) 패드의 구조적인 공통 특성을 파악하고, 입출력 단자를 통한 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용하여 수동소자 검사를 위한 알고리즘을 기술한다. 실험에서는 FPCB 테스트 모델의 검사 기준을 제시하고, 제안된 FPCB 검사 시스템을 이용한 검사 결과를 제시한다.
- 수동소자의 값은 검사 대상 수동소자의 제조사 출고값과 본 논문에서 제안한 검사 시스템을 이용하여 측정한 검사기 측정값으로 나타내었으며, 측정값의 오차율은 제조사 출고값을 기준으로 식 (10)에 의해 계산하였다. 그리고 제조사 출고값과 오차범위를 기준으로 검사기 측정값과 비교하여 수동소자의 정상-불량을 판단하였다.
- 그리고 인덕터는 독립적으로는 측정이 불가능하고, 콘덴서와 병렬 또는 직렬로 연결함으로써 LC 공진회로를 구성하여 발생된 신호의 주기를 측정함으로써 그 값을 계산할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 그림 7의 탱크회로를 구성하여 인덕터(LT)의 측정과 그림 6의 발진회로로 측정이 불가능한 콘덴서(CT)의 측정을 수행한다. 콘덴서와 인덕터의 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는 탱크 회로의 C1과 L1의 교정을 수행해야 한다.
- 핀 드라이버는 핀 맵 에 따라 구동되며, 이를 통해 회로에서 측정 대상이 포함된 최소한의 노드 및 메시가 구성되도록 하였다. 또한 모바일용 디스플레이 연성회로 기판에 실장된 저항, 콘덴서와 인덕터를 검사하기 위한 회로 및 알고리즘을 제시하였다. 제안된 검사 알고리즘과 시스템 구성에 따라 마이크로프로세서를 기반으로 한 연성회로 기판 검사 시스템을 개발하였다.
- 본 논문에서는 연성회로기판에 실장된 부품의 불량 여부를 판별하기 위해 핀 드라이버를 이용한 접지 가딩 기법을 제안하였고, 이를 적용한 인 서킷 검사 시스템을 개발하였다. 모바일 단말기용 연성회로기판에 대해 검사신호의 종류와 입/출력을 위한 구조적인 공통 특성을 분석하였으며, 회로도를 기초로 실장된 부품들에 대해 핀 맵을 작성하고 검사신호를 생성하였다. 생성된 검사신호에 따라 실장된 부품의 전기적 검사를 위해 접지 가딩 기법을 사용하였으며, 이를 위해 핀 드라이버를 설계하였다.
- 모바일 디스플레이용 FPCB 모델에 대한 검사 실험을 수행하였다. 실험용 FPCB 모델은 2가지를 선정하였으며, 대상 모델의 검사 항목은 표 2와 같다.
- 검사 시스템은 검사를 진행 하는 동안 움직임을 최소화하기 위해 진공 발생장치와 실린더를 구동하여 검사 대상 FPCB OLB 패드와 면접촉 FPCB를 고정시킨다. 본 검사 시스템은 안착 지그를 모델별로 제작-교체하는 방식으로 여러 모델에 대한 검사가 가능하며, 다른 모델의 FPCB 검사는 안착지그를 교체하고 핀 드라이버를 해당 모델의 회로에 맞게 다시 맵핑함으로써 간단히 수행된다.
- 본 논문에서 제안된 수동소자 검사 알고리즘을 검증하기 위해 실장 되지 않은 단품상태에서 측정 실험을 수행하였다. 수동소자의 값은 검사 대상 수동소자의 제조사 출고값과 본 논문에서 제안한 검사 시스템을 이용하여 측정한 검사기 측정값으로 나타내었으며, 측정값의 오차율은 제조사 출고값을 기준으로 식 (10)에 의해 계산하였다.
- ,5)는 기준저항이다. 본 논문에서는 측정대상저항의 값의 측정 정밀도를 높이기 위해 기준저항은 5개로 구분하여 구성하였다.
- 모바일 단말기용 연성회로기판에 대해 검사신호의 종류와 입/출력을 위한 구조적인 공통 특성을 분석하였으며, 회로도를 기초로 실장된 부품들에 대해 핀 맵을 작성하고 검사신호를 생성하였다. 생성된 검사신호에 따라 실장된 부품의 전기적 검사를 위해 접지 가딩 기법을 사용하였으며, 이를 위해 핀 드라이버를 설계하였다. 핀 드라이버는 핀 맵 에 따라 구동되며, 이를 통해 회로에서 측정 대상이 포함된 최소한의 노드 및 메시가 구성되도록 하였다.
- 검사신호 입출력을 위해 FPCB 테스트 모델들의 입출력 단자인 OLB(outer lead bonding) 패드와 ILB(interface lead bonding) 패드의 구조적인 공통 특성을 파악하고, 입출력 단자를 통한 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용하여 수동소자 검사를 위한 알고리즘을 기술한다. 실험에서는 FPCB 테스트 모델의 검사 기준을 제시하고, 제안된 FPCB 검사 시스템을 이용한 검사 결과를 제시한다.
- 실험은 수동소자 각각에 대해 서로 다른 값 5종류를 10회 반복 측정하였으며, 검사시스템의 PCB에 있는 테스트 포인트(TP)에 직접 연결함으로써 케이블의 길이와 커넥터에 의한 영향은 없는 상태에서 진행하였다. 측정값과 식 (10)에 의해 오차율을 계산한 결과는 표 1과 같다.
- 따라서 FPCB의 OLB 패드와 ILB 패드 각각에 대해 적절한 기능 설정과 측정 대상의 종류에 따라 적절한 검사신호를 인가하는 방법이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 주어진 회로의 각 패드 정보를 이용하여 핀 맵(pin map)을 작성하고, 각각의 패드에 적절한 신호를 인가하기 위한 핀 드리이버(pin driver)를 구성하였다.
- 검사 시작 후, 저항 검사를 해야 하는 패드에 저항 검사 신호가 인가되도록 CPLD 및 FPGA에서 핀 맵 정보를 이용하여 핀 드라이버 회로를 구동한다. 저항 검사 완료 후, 동일한 방식으로 인덕터, 콘덴서 등의 해당 검사신호를 순차적으로 인가하여 각각의 항목에 대한 검사를 수행한다.
- 또한 모바일용 디스플레이 연성회로 기판에 실장된 저항, 콘덴서와 인덕터를 검사하기 위한 회로 및 알고리즘을 제시하였다. 제안된 검사 알고리즘과 시스템 구성에 따라 마이크로프로세서를 기반으로 한 연성회로 기판 검사 시스템을 개발하였다. 검사 시스템을 이용하여 커넥터와 연결케이블의 영향이 없는 상태로 수동소자 각각에 대한 개별 테스트와 모바일용 연성회로기판 테스트 모델을 선정하여 검사 실험을 수행하였으며, 측정 오차율로 측정 정밀도를 나타내었다.
- 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 적용한 ICT방식의 모바일 디스플레이용 FPCB 검사시스템에서 메인 컨트롤러의 구성도는 그림 8과 같다. 핀 드라이버는 CPLD를 사용하였으며, 모델마다 다른 핀 맵으로 재배치가 가능하도록 마이크로프로세서를 이용하여 제어하였다. 핀 드라이버와 접지 가딩 기법이 적용될 수 있는 채널은 총 320채널로 설계하였으며, 이를 통해 모바일 디스플레이용 연성회로기판의 모델이 변경되거나 회로의 변경 및 실장 부품이 변경되었을 경우, 변경된 핀 맵 정보에 따라 핀 드라이버에서 제어하여 OLB 패드 및 ILB 패드에 할당된 채널을 재배치하였다.
- 핀 드라이버는 CPLD를 사용하였으며, 모델마다 다른 핀 맵으로 재배치가 가능하도록 마이크로프로세서를 이용하여 제어하였다. 핀 드라이버와 접지 가딩 기법이 적용될 수 있는 채널은 총 320채널로 설계하였으며, 이를 통해 모바일 디스플레이용 연성회로기판의 모델이 변경되거나 회로의 변경 및 실장 부품이 변경되었을 경우, 변경된 핀 맵 정보에 따라 핀 드라이버에서 제어하여 OLB 패드 및 ILB 패드에 할당된 채널을 재배치하였다.
- 검사신호의 종류는 검사항목에 의해 결정되며, 검사항목은 저항, 인덕터, 콘덴서 그리고 오픈/쇼트이다. 회로도에 근거하여 각각의 패드를 통해 수행되어야 할 검사항목을 확인하여 핀 맵에 등록하고, 등록된 핀 맵 정보를 이용하여 특정 검사신호를 인가한다. 검사 신호 인가 방식은 다음과 같다.
대상 데이터
- 모바일 디스플레이용 FPCB 모델에 대한 검사 실험을 수행하였다. 실험용 FPCB 모델은 2가지를 선정하였으며, 대상 모델의 검사 항목은 표 2와 같다. 검사 대상 수동소자의 값은 BOM(bill of material)값, 멀티미터와 LC 미터를 이용한 계측기 측정값과 검사 시스템을 이용한 측정값으로 나타내었으며, 오차율은 식(10)에서 제조사 출고값을 회로도 상의 수동소자 값인 BOM으로 대체하여 계산하였다.
데이터처리
- 본 논문에서 제안된 수동소자 검사 알고리즘을 검증하기 위해 실장 되지 않은 단품상태에서 측정 실험을 수행하였다. 수동소자의 값은 검사 대상 수동소자의 제조사 출고값과 본 논문에서 제안한 검사 시스템을 이용하여 측정한 검사기 측정값으로 나타내었으며, 측정값의 오차율은 제조사 출고값을 기준으로 식 (10)에 의해 계산하였다. 그리고 제조사 출고값과 오차범위를 기준으로 검사기 측정값과 비교하여 수동소자의 정상-불량을 판단하였다.
이론/모형
- 기준저항이 선택되어 구성된 회로에 대해 옴의 법칙(Ohm’s Law)과 키르히호프의 전압법칙(KVL)을 적용한다.
- 인 서킷 검사시스템은 회로에서 각각의 소자 및 패턴 각각에 대한 검사를 수행하기 위해서 측정 대상이 아닌 부품이 측정 대상의 입출력 신호에 영향을 주지 못하게 분리하여야 정확한 측정이 가능하며, 이를 위해 측정 대상에 대해 최소의 노드 및 폐루프 메시가 구성되도록 등가회로로 변경해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 접지 가딩 기법을 사용한다.
- 각각의 수동소자 및 패턴을 검사하기 위해서 입력신호와 출력신호는 측정 대상에 의한 영향만 포함되어야 하므로, 회로에 존재하는 각각의 노드 및 메시를 분리하여 최소화해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 핀 드라이버와 접지 가딩 기법을 사용한다.
- 인 서킷 검사 시스템은 접지 가딩 기법(ground guarding method) 또는 절점 가딩 기법(node guarding method)을 사용한다. 절점 가딩 기법을 적용한 인 서킷 검사시스템은 회로를 구성하는 각각의 노드를 오픈 시키거나, 등전위를 형성하여 검사신호를 인가하는 방법으로, 매우 많은 검사 신호와 이를 특정 대상 위치에 입력하기 위한 많은 미세한 프로브(probe)들을 필요로 한다.
성능/효과
- 접지 가딩 기법의 인 서킷 검사시스템은 실장된 소자와 패드(pad)와 패드 사이의 패턴들을 회로에서 최소한의 메시를 구성하여 실장 부품의 전기적 특성을 측정하는 방식이다.[4] 두 방식의 인서킷 검사 시스템은 회로의 변경 및 검사대상이 변경되었을 때 패턴의 재배치가 불가능하여 특정 모델에만 사용이 가능하다.
- 표 3과 표 4는 검사 대상 FPCB 모델에 실장된 수동소자의 측정값과 오차율 계산 결과이다. 모델 1의 실험 결과, BOM에 표기된 값과 비교하여 저항 측정값의 오차율은 -1.08%와 3.0% 이었으며, 콘덴서의 측정 오차율은 -2.0%～18.0% 이었다.
- 모델 2는 저항이 포함되어 있지 않은 모델이며, 콘덴서의 경우 BOM에 표기된 값을 기준으로 측정 오차율은 2.0%～20% 범위에서 측정됨을 확인하였다. 앞서 실험한 수동소자 개별 측정 실험에서와 마찬가지로, 수동소자 각각의 허용오차 범위보다 훨씬 작은 측정 오차율이 나타나므로, 본 논문에서 제안된 수동소자 검사 알고리즘 및 검사 시스템의 효율성 및 측정 정밀성을 알 수 있다.
- 검사 시스템을 이용하여 커넥터와 연결케이블의 영향이 없는 상태로 수동소자 각각에 대한 개별 테스트와 모바일용 연성회로기판 테스트 모델을 선정하여 검사 실험을 수행하였으며, 측정 오차율로 측정 정밀도를 나타내었다. 수동소자 각각에 대한 실험결과, 저항의 측정오차율은 최대 -2.82%～3.80%이었으며, 콘덴서는 2.43%～13.80%, 인덕터는 -5.97%～-2.16%로 수동소자의 제조사 출고값의 허용오차보다 훨씬 작았다. 실제 사용되는 연성회로기판 테스트 모델에 대한 실험에서는 저항의 측정 오차율은 -1.
- 16%로 수동소자의 제조사 출고값의 허용오차보다 훨씬 작았다. 실제 사용되는 연성회로기판 테스트 모델에 대한 실험에서는 저항의 측정 오차율은 -1.08%와 3.0%, 콘덴서는 -2.0%～20.0%의 범위에서 측정 오차율을 보였으나, 이는 검사 시스템 기판 자체에서 발생하는 캐패시턴스 성분과 인덕턴스 성분에 의한 영향으로 판단된다. 실험결과를 통해 제안된 검사 시스템과 검사 알고리즘의 측정 정밀도를 확인할 수 있었다.
- 0%의 범위에서 측정 오차율을 보였으나, 이는 검사 시스템 기판 자체에서 발생하는 캐패시턴스 성분과 인덕턴스 성분에 의한 영향으로 판단된다. 실험결과를 통해 제안된 검사 시스템과 검사 알고리즘의 측정 정밀도를 확인할 수 있었다.
- 0%～20% 범위에서 측정됨을 확인하였다. 앞서 실험한 수동소자 개별 측정 실험에서와 마찬가지로, 수동소자 각각의 허용오차 범위보다 훨씬 작은 측정 오차율이 나타나므로, 본 논문에서 제안된 수동소자 검사 알고리즘 및 검사 시스템의 효율성 및 측정 정밀성을 알 수 있다.
- 측정 결과 저항의 측정 오차율 평균은 -2.82%～3.80%이며, 제조사 출고값의 허용오차 범위 ±5%보다 작았다.
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