[논문]머신비전에 의한 LED Chip Package 형광물질 토출형상 측정

하석재; 김종수; 조명우; 최종명

doi:10.5762/kais.2013.14.5.2113

머신비전에 의한 LED Chip Package 형광물질 토출형상 측정
Measurement System for Phosphor Dispensing Shape of LED Chip Package Using Machine Vision 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.5, 2013년, pp.2113 - 2120

하석재 (인하대학교 기계공학과) , 김종수 (인하대학교 기계공학과) , 조명우 (인하대학교 기계공학부) , 최종명 ((주)프로텍)

초록
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본 연구는, LED 칩 패키지에 있는 토출된 형광체 수지의 모양을 인라인 측정을 통해 개발된 검사 시스템을 기초로 한 효율적인 머신 비전에 관한 연구이다. 형광체의 반투명 특성 때문에 조사된 빛이 칩의 표면뿐만 아니라 하단 부에서도 반사된다. 이러한 현상이 LED 칩 검사의 신뢰성을 저하시키기 때문에 적절한 조명 광학계를 결정하기 위해 백색광 LED 와 635nm의 레이저 슬릿 빛을 이용하여 검사하였다. 또한, 광 삼각측정법을 이용해 정반사와 분산반사법으로 검사를 수행하였다. 실험 결과 백색 슬릿 광과 정반사 반사법의 조합이 가장 좋은 검사 결과를 낸다는 것을 확인할 수 있었다. Catmull-Rom 스플라인 보간법을 이용하여 측정된 데이터를 부드러운 표면 형상으로 나타내었다. 측정 결과를 통해 개발된 시스템이 LED 칩 패키징 공정에 인라인 검사에 성공적으로 적용될 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an efficient machine vision based inspection system is developed for the in-line measurement of phosphor resin dispensing shapes on LED chip package. Since the phosphor resin (target material) has semitransparent characteristics, illuminated light beam is reflected from the bottom of the chip as well as from the surface. Since such phenomenon can deteriorate inspection reliability, a white LED and a 635nm laser slit beams are experimentally tested to decide suitable illumination optics. Also, specular and diffuse reflection methods are tested to decide suitable optical triangulation. As a result, it can be known that the combination of a white slit beam source and specular reflection method show the best inspection results. The Catmull-Rom spline interpolation is applied to the obtained data to form smoother surface. From the results, it can be conclude that the developed system can be sucessfully applied to the in-line inspection of LED chip packaging process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 백색광 슬릿 빔을 이용하여 측정 및 검사를 위한 머신비전 시스템(Machine Vision System)을 개발하였으며, 카메라로 LED chip의 영상을 획득한 후 이로부터 LED chip package에 토출된 형광체 수지의 양과 형상을 측정하는 실험을 수행하여 그 효율성을 분석하였다.
본 연구에서는 LED 칩 패키지의 cavity에 토출된 형광체 수지 용액으로 형성된 표면의 3차원 데이터를 추출하여 LED 칩 검사의 중요 부분인 표면 프로파일의 높이와 연관된 체적을 측정하기 위하여 머신비전에 의한 검사 시스템을 개발하였다. 반투명체인 형광체 수지의 특성에 적합한 검사방식을 결정하기 위하여 슬릿 빔 광원으로 백색광과 635㎚ 레이저와 백색광이 검토되었으며, 정반사 방식과 확산반사 방식이 함께 검토되었다.
이 4점은 1∼32 Pixel까지 지정이 가능하도록 하였으며, 이로부터 32×32 면적의 높이 평균값을 갖는 4점에 대한 데이터를 이용하여 3차원 기울기를 구할 수 있었다. 이렇게 계산된 기울기는 실제 LED chip이 장착된 리드 프레임의 특정 방향으로의 쏠림에 따른 용액 측정 데이터의 오차를 보정하기 위하여 적용하였다. 또한 이 지점의 데이터로부터 스플라인 곡선들로 구성되는 부드러운 곡면을 구하여 이를 기준으로 토출 된 형광체의 높이와 체적값을 계산하도록 하였다.

제안 방법

그러나 실제 높이를 정확하게 계산하기 위해서는 실제 카메라와 광원의 각도와 좌표가 이론적인 값과 정확히 일치하여야하나, 이는 실제 상황에서는 매우 어려운 일이며, 본 연구에서는 블록 게이지를 이용하여 단차의 편차와 픽셀간의 편차를 구하고 이로부터 정확한 분해능을 구하여 계산에 적용하였다.
본 논문에 사용된 3차원 LED chip package 검사 시스템은 크게 3D 카메라 및 광 센서부와 X-Y 정밀 이송 스테이지, 그리고 제어용 컴퓨터로 구성되었다. 기본적인 측정 순서는 광원에서 슬릿 빔을 발생시켜 검사용 스테이지 위에 놓여있는 LED chip package에 주사하고, 이송시키면서 3D 카메라로 획득된 영상을 컴퓨터에서 이미지 처리하여 3차원 데이터를 구한 후 측정 및 검사 결과를 화면에 표시하도록 개발하였다. 머신비전을 이용한 측정 및 검사시스템은 필요한 특성의 빛을 대상물에 조사하는 광원과 반사되는 빛을 받아들이는 카메라로 구성되어 있으며, 이를 광삼각법에(Optical Triangulation)의해 형상 정보를 계산하는 방법을 적용하였다.
LED chip package의 cavity에 토출된 형광체는 반투명체 특성을 가지고 있어 용액 표면에서의 반사와 더불어 용액하부에서도 반사 및 굴절이 발생하여 적합한 측정 및 검사 시스템의 구성이 용이하지 않다. 따라서 본 논문에서 사용된 광원은 백색광과 635nm 레이저 슬릿 빔 2가지로, 측정 이미지를 획득하기 위한 카메라와 광원의 위치를 정반사와 확산반사 구조의 2가지로 하여 실험을 통해 그 결과를 비교하여 최적의 LED chip package 검사 시스템을 개발하였다.
이렇게 계산된 기울기는 실제 LED chip이 장착된 리드 프레임의 특정 방향으로의 쏠림에 따른 용액 측정 데이터의 오차를 보정하기 위하여 적용하였다. 또한 이 지점의 데이터로부터 스플라인 곡선들로 구성되는 부드러운 곡면을 구하여 이를 기준으로 토출 된 형광체의 높이와 체적값을 계산하도록 하였다. 다음의 수식은 LED chip package의 기준 점을 계산하기 위한 수식이다.
기본적인 측정 순서는 광원에서 슬릿 빔을 발생시켜 검사용 스테이지 위에 놓여있는 LED chip package에 주사하고, 이송시키면서 3D 카메라로 획득된 영상을 컴퓨터에서 이미지 처리하여 3차원 데이터를 구한 후 측정 및 검사 결과를 화면에 표시하도록 개발하였다. 머신비전을 이용한 측정 및 검사시스템은 필요한 특성의 빛을 대상물에 조사하는 광원과 반사되는 빛을 받아들이는 카메라로 구성되어 있으며, 이를 광삼각법에(Optical Triangulation)의해 형상 정보를 계산하는 방법을 적용하였다. 물체에서 빛이 반사되는 형식은 크게 정반사와 확산반사로 구분되며, Fig.
본 연구에서는 LED 칩 패키지의 cavity에 토출된 형광체 수지 용액으로 형성된 표면의 3차원 데이터를 추출하여 LED 칩 검사의 중요 부분인 표면 프로파일의 높이와 연관된 체적을 측정하기 위하여 머신비전에 의한 검사 시스템을 개발하였다. 반투명체인 형광체 수지의 특성에 적합한 검사방식을 결정하기 위하여 슬릿 빔 광원으로 백색광과 635㎚ 레이저와 백색광이 검토되었으며, 정반사 방식과 확산반사 방식이 함께 검토되었다. 일련의 기초실험을 통하여 최적의 시스템이 결정되었다.
5(b)는 획득된 영상 프로파일을 나타내고 있으며, 그림의 굵은 붉은 선 형태로 표면이 측정되어야 바람직하지만, 실제로는 LED chip 하부의 바닥 면 프로파일이 획득된 것을 알 수 있다. 본 논문에서는 이러한 사유로 635nm 레이저 보다는 백색광을 슬릿 빔으로 확산반사 방식보다는 정반사 방식을 이용하여 형광체 용액 중심의 평균 높이를 측정하는 방법을 사용하여 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 2가지 모델의 LED chip package 샘플에 대하여 각각 정밀하게 측정된 형광체 수지를 5.5mg부터 5.8mg까지 변화시켜 토출한 후, 개발된 머신비전 시스템을 이용하여 LED 칩 높이를 측정하였다. 각 모델 당 20개의 LED 칩에 대해 정밀하게 측정된 형광체 수지를 토출시킨 후 각 시편에 대해 측정 실험을 수행하고 평균값을 계산하여 그 결과를 비교하였으며, 이를 Fig.
LED chip package 측정대상 항목에 있어 가장 중요한 형광체의 높이 및 체적의 정확한 측정을 위하여 특정 기준점을 정하여야 하며, 리드 프레임 상에 존재하는 복잡한 패턴들이 포함되지 않은 지점들에 기준점이 존재하도록 설정하여야 한다. 본 연구에서는 측정 기준점을 Fig.8에 나타낸 것처럼 LED chip package 상부의 편평한 면을 기준으로 각 LED unit 주변 4점의 높이의 평균값을 기준점으로 설정하였다. 이 4점은 1∼32 Pixel까지 지정이 가능하도록 하였으며, 이로부터 32×32 면적의 높이 평균값을 갖는 4점에 대한 데이터를 이용하여 3차원 기울기를 구할 수 있었다.
산출한 게이지 R&R 결과는 Moritex 1.0X 렌즈를 적용하여 검사한 것이다.
일련의 기초실험을 통하여 최적의 시스템이 결정되었다. 특히 측정 데이터에 Catmull-Rom Spline 보간법을 적용하여 LED 칩 패키지의 cavity에 토출된 형광체의 표면형상 프로파일을 생성하였고, 이를 기반으로 형광체 수지 토출 후의 높이와 토출량을 근사적으로 계산하는 방법을 제시 하였다. 본 연구에서 개발한 시스템은 LED 칩 패키지의 형광체 수지 토출 공정에서 가장 중요한 토출량의 변화에 대한 측정과 검사에 효율적으로 적용될 수 있으며, 형광체 특성에 따른 난반사 현상이 상대적으로 적은 LCD 및 OLED의 결함 검사에 보다 효용성이 높을 것으로 기대된다.

대상 데이터

모든 측정 값은 3D 카메라에서 획득된 영상 데이터로부터 추출되며, 광삼각 측정 방식을 기초로 라인 스캔 카메라 사용과 동일한 방법으로 LED chip package 전체를 스캔하여 데이터를 획득한다. 삼각 측정원리를 통한 카메라와 라인 빔의 위치와 CCD에 맺힌 물체의 높이의 변화에 대한 관계식은 Fig.
본 논문에 사용된 3차원 LED chip package 검사 시스템은 크게 3D 카메라 및 광 센서부와 X-Y 정밀 이송 스테이지, 그리고 제어용 컴퓨터로 구성되었다. 기본적인 측정 순서는 광원에서 슬릿 빔을 발생시켜 검사용 스테이지 위에 놓여있는 LED chip package에 주사하고, 이송시키면서 3D 카메라로 획득된 영상을 컴퓨터에서 이미지 처리하여 3차원 데이터를 구한 후 측정 및 검사 결과를 화면에 표시하도록 개발하였다.
3) 표시한 중심점을 기준으로 등고선의 높이 편차를 고려하여 스플라인 좌표를 계산하다. 본 연구에서 중심점에서 외곽 엣지까지를 2차원으로 등고선화 하는데 사용한 샘플링 개수는 10개이며, 형상 프로파일을 복원하는데 사용되는 샘플링 개수는 LED 형광체의 특성과 토출 형상 등에 따라 조정이 가능하다.

데이터처리

8mg까지 변화시켜 토출한 후, 개발된 머신비전 시스템을 이용하여 LED 칩 높이를 측정하였다. 각 모델 당 20개의 LED 칩에 대해 정밀하게 측정된 형광체 수지를 토출시킨 후 각 시편에 대해 측정 실험을 수행하고 평균값을 계산하여 그 결과를 비교하였으며, 이를 Fig. 10에 나타내었다. 또한 토출량에 대한 형광체의 측정 높이의 변화를 Fig.

이론/모형

투명체의 제한적인 표면반사로 인한 전 영역에서 프로파일이 획득되지 않던 문제를 용액의 중심과 cavity 면의 기울기를 이용하여 2차원으로 등고선화 시킨 후, Catmull-Rom Spline 보간법을 적용하였다[6]. 그 다음 단계에서 각 벡터별 표면을 근사화하여 전체적인 높이와 체적 형상을 구하였으며 그 결과를 Fig.

성능/효과

[7] 개발한 머신비전 시스템으로 토출된 형광체 수지의 높이를 측정하고 그 데이터에 대하여 MiniTab 해석을 통한 게이지 R&R 측정 결과는 반복성 7.41%, 구별되는 범주의 수 18로 나타났다.
개발된 머신비전 시스템을 이용하여 실험한 결과, 0.74X 렌즈로 적용 시의 성능은 FOV 20mm, 반복성 ±3㎛의 수준으로 파악되었다.
4(b)에서 보는 바와 같이 레이저를 사용하는 경우는 특징 면에서의 난반사가 매우 커져 측정이 불가능한 상황까지 도달하였다. 기초실험 결과 투명체의 측정을 위하여 표면반사를 위한 정반사 방식의 측정방법에서는 레이저 대신 백색광 슬릿 빔을 선택하는 것이 적절하다고 판단되었다. 그러나 정반사 방식은 입사각과 반사각이 동일하여 대상물의 표면 일부에서 반사가 되지 않는 영역이 발생할 수 있는 단점이 있으며, 이는 샘플의 형상에 따라 매우 많은 면적일 수도, 적은 면적일 수도 있다.
이때 측정 평균 값에 대한 편차는 3㎛ 이하이며, 본 결과를 통해 얻은 데이터 값과 같이 LED chip package에 토출 된 형광체 수지량과 확실한 연관성이 있음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 머신비전 시스템에 의한 측정 및 검사 방식을 적용하면 LED chip package에 토출 된 형광체 수지 양의 검출이 가능함을 알 수 있다.
또한, 도시한 바와 같이 LED 형광체 수지의 토출량이 적을수록 그 높이 단차(h1, h2,…hn)는 점점 커진다는 것을 알 수 있었다.
그러나 정반사 방식은 입사각과 반사각이 동일하여 대상물의 표면 일부에서 반사가 되지 않는 영역이 발생할 수 있는 단점이 있으며, 이는 샘플의 형상에 따라 매우 많은 면적일 수도, 적은 면적일 수도 있다. 본 연구의 기초실험에서 용액의 표면이 매우 깊은 U자 형태로 토출된 경우에는 정반사 되는 빛의 양이 극히 적어지는 경우도 발생하였다.

후속연구

6(b)와 같이 형광체 수지가 적게 주입된 형태의 샘플에서는 상대적으로 적은 정반사 광을 얻을 수 있었다. 결과적으로 사용된 정반사 방식의 측정방법은 샘플 중심의 평균 높이를 얻을 수는 있으나, 형광체 수지 전체의 프로파일을 획득하는데 한계가 있는 방법으로 추정된다.
특히 측정 데이터에 Catmull-Rom Spline 보간법을 적용하여 LED 칩 패키지의 cavity에 토출된 형광체의 표면형상 프로파일을 생성하였고, 이를 기반으로 형광체 수지 토출 후의 높이와 토출량을 근사적으로 계산하는 방법을 제시 하였다. 본 연구에서 개발한 시스템은 LED 칩 패키지의 형광체 수지 토출 공정에서 가장 중요한 토출량의 변화에 대한 측정과 검사에 효율적으로 적용될 수 있으며, 형광체 특성에 따른 난반사 현상이 상대적으로 적은 LCD 및 OLED의 결함 검사에 보다 효용성이 높을 것으로 기대된다.
0X 렌즈를 적용하여 검사한 것이다. 향후 머신비전 시스템에 설치한 카메라 축에 발생하는 미 진동 억제, 적용 자재의 수평도 개선, 카메라 각도 및 광원 각도의 정확한 고정 및 동일 각 설정 등을 적용하면 보다 개선된 결과를 얻을 수 있으리라 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED의 적용분야는 어떻게 확대되었는가?	LED(Light Emitting Diode)는 반영구적 수명과 더불어 낮은 소비전력, 제품의 소형 경량화 가능이라는 다양한 장점으로 최근 많은 관심을 받고 있으며, 그 수요와 응용분야는 급속히 증가하고 있다[1]. 특히 LED의 적용분야가 기존의 조명분야에서 FPD(Flat Panel Display)에 적용되는 BLU(Back Light Unit)등으로 확대되고 있으며, LED TV에 대한 시장수요의 증가에 따라 요구되는 기술 또한 단위소자의 성능향상뿐만 아니라 대량생산과 고성능 및 고출력화 추세로 이행하고 있다[2]. 따라서 LED의 제품원가 절감과 대량 생산을 가능하게 하기 위해서는 LED 제품검사 기술이 중요하게 될 수밖에 없으며, 빠르고 정확하게 검사를 얼마나 효율적으로 진행하느냐가 관련 산업체의 경쟁력 확보에 매우 중요한 관건이 되고 있다.
	LED 패키지의 토출(Dispensing)공정에서 형광층을 성형하는 과정은?	LED 패키지의 토출(Dispensing)공정은 일반적으로 리드 프레임에 LED 칩을 실장하고, 홈형의 반사 홈을 갖는 패키지 몸체가 다수로 이루어진 배열(Array)구조를 갖는다. 이반사 홈에 형광체가 혼합된 액상수지를 정밀하게 토출한 후에 몰딩(Molding)과 경화(Curing)공정을 거쳐서 형광층을 성형한다. 이러한 종래의 LED chip package의 토출 공정에 있어 형광층은 점도가 있는 수지(Resin)에 분말형태의 형광물질을 혼합하여 제조한다.
	LED는 어떠한 장점이 있는가?	LED(Light Emitting Diode)는 반영구적 수명과 더불어 낮은 소비전력, 제품의 소형 경량화 가능이라는 다양한 장점으로 최근 많은 관심을 받고 있으며, 그 수요와 응용분야는 급속히 증가하고 있다[1]. 특히 LED의 적용분야가 기존의 조명분야에서 FPD(Flat Panel Display)에 적용되는 BLU(Back Light Unit)등으로 확대되고 있으며, LED TV에 대한 시장수요의 증가에 따라 요구되는 기술 또한 단위소자의 성능향상뿐만 아니라 대량생산과 고성능 및 고출력화 추세로 이행하고 있다[2].

참고문헌 (7)

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원문보기 상세보기
S. W. Lee, D. J. Choi, C. K. Song, and M. G. Chun, "LED Inspection System of Post-Molding Process using Image Processing", Journal of Korean Institute of Information Technology, Vol. 10, No. 5, pp.17-27, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2012.13.6.17

원문보기 상세보기
D. H. Cho, and J. Y. Lee, "The Enhanced LED Dispensing Processing System", The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 45, No. 4, pp.42-46, 2008
K. Kooijman, and J. Horijon, "Video rate laser scanner: Considerations on triangulation optics, detector and processing circuits", Proceedings of SPIE, Vol. 2065, pp.251-263, 1994 DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.169370
E. Catmull, and R. Rom, "A class of local interoilating splines", Computer Aided Geometric Design, Academic Press, San Francisco, 1974
S. J. Ha, Y. K. Cho, M. W. Cho, K. C. Lee, and W. H. Choi, "Process Capability Optimization of a LED Die Bonding Using Response Surface Analysis", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 10, pp.4378-4384, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.10.4378

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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