[논문]LVDT센서를 이용한 접촉식 두께자동측정기 개발

신기열; 황선

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.4.151

LVDT센서를 이용한 접촉식 두께자동측정기 개발
Development of Contact-Type Thickness Measurement Machine using LVDT Sensors 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.4, 2015년, pp.151 - 159

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed an automated contact-type thickness measurement machine that continuously and precisely measures the thickness of a PCB module product using multi-LVDT sensors. The system contains a measurement part to automatically measure the thickness in real time according to the set conditions with an alignment supply unit and unloading unit to separate OK and NG products. The sensors were calibrated before assembly in the measuring machine, and precision and accuracy performance tests were also performed to reduce uncertainty errors in the measurement machine. In the calibration test, the precision errors of the LVDT sensor were determined to be $1-3{\mu}m$ as 0.1% at the measuring range. A measurement error of 0.8 mm and 1.0 mm thickness test standards were found to be $1{\mu}m$ and $4{\mu}m$, and the standard deviations of two 1.0 mm products were measured as $14{\mu}m$ and $8{\mu}m$, respectively. In the measurement system analysis, the accuracies of test PCB standards were found to be $2{\mu}m$ and $3{\mu}m$, respectively. From the results of gage repeatability and reproducibility (R & R) crossed, we found that the machine is suitable for the measurement and process control in the mass production line as 7.92% of total gage R & R and in seven distinct categories. The maximum operating speed was limited at 13 pcs/min, showing a value good enough to measure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

양산공정에서 사용할 두께자동측정기의 성능은 측정정도와 함께 검사공정의 처리속도도 중요한 항목이다. 본 연구에서는 두께자동측정기의 운전성능을 종합적으로 살펴보고 최적의 운전조건을 제시하기 위하여 처리속도에 따른 검사성능을 함께 평가해 보았다. 고속으로 운전할수록 생산성은 높아지지만 신호처리속도의 한계와 진동 등 외란에 의한 측정정도가 감소할 수 있으므로 제품의 공급배출속도의 한계를 참고하여 최고속도를 분당 13매(13 pcs/min)로 설계하였다.
본 연구에서는 메모리 모듈용 PCB제품의 검사공정에서 사용될 고정도의 접촉식 두께자동측정기를 개발하였다. 측정장비의 개발을 위해 사용된 LVDT센서의 검교정, 측정장비의 설계와 제작 후 반복정밀도와 측정정확도를 확인하고 분산분석과 Gage R&R을 통해 측정시스템의 신뢰성을 분석하였다.
본 연구에서는 최근 반도체 및 컴퓨터 기술의 눈부신 발전을 통해 그 수요가 증가하고 있는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 양산공정에서 메모리모듈PCB 제품의 단자대 두께를 정밀측정하고 검사공정을 자동화하고자 한다. 이를 위해 다수의 LVDT센서를 이용한 접촉식 두께자동측정기를 개발하고 검교정후 측정된 결과는 통계적 공정관리기법으로 분석하여 측정정도를 확인하여 제품과 측정장비에 대한 보다 신뢰성 있는 품질관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 연구에서는 치수를 알고 있는 표준시편을 반복측정하여 최대두께와 최소두께의 편차(Deviation)을 두께자동측정기의 반복정밀도로 정의하고자 한다. 평가 절차는 두께가 일정한 표준시편(0.

제안 방법

Fig. 10과 Fig. 11은 샘플 PCB시편으로 선정한 제품을 반복측정한 결과를 기존에 수동측정한 시편의 각 위치별 두께값과 함께 표시하여 비교해 보았다. 개발장비에서 각 측정지점별로 측정값이 센서 검교정장비로 수동측정한 값의 변동량을 잘 측정하고 있는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 두께자동측정기의 운전성능을 종합적으로 살펴보고 최적의 운전조건을 제시하기 위하여 처리속도에 따른 검사성능을 함께 평가해 보았다. 고속으로 운전할수록 생산성은 높아지지만 신호처리속도의 한계와 진동 등 외란에 의한 측정정도가 감소할 수 있으므로 제품의 공급배출속도의 한계를 참고하여 최고속도를 분당 13매(13 pcs/min)로 설계하였다.
458 μm으로 나타나 센서의 정밀도(1 μm at the 1 mm) 이내에 있음을 이미 확인하였고 반복정밀도는 최대 4 μm의 오차범위를 가지는 것으로 확인하였다. 다음은 두께가 서로 다른 2개의 샘플 PCB시편을 반복측정하고 그 결과로 분석된 평균값과 편차 등을 통해 두께자동측정기의 PCB제품측정에 대한 정확도를 평가해 보았다.
92%로 매우 우수한 상태로 검사 및 품질관리를 위한 공정장비에 적합하다는 것을 확인하였다. 또한 생산성향상을 위해 운전속도의 한계인 13 pcs/min을 기준으로 속도변화에 따른 측정성능의 차이를 비교하여 나타내었다.
마이크로미터급의 고정도 측정장비의 개발을 위하여 먼저 측정의 핵심요소인 센서의 선형성 검정을 실시하였다 사용된 검교정용 계측기는 분해능 0.01 μm인 Mohr 828PC이며 검사 대상 센서는 국내 제조사의 최대 4 mm 길이측정용 LVDT센서로서 선형성(Linearity) 평가를 먼저 수행하였다.
본 연구에서는 최근 반도체 및 컴퓨터 기술의 눈부신 발전을 통해 그 수요가 증가하고 있는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 양산공정에서 메모리모듈PCB 제품의 단자대 두께를 정밀측정하고 검사공정을 자동화하고자 한다. 이를 위해 다수의 LVDT센서를 이용한 접촉식 두께자동측정기를 개발하고 검교정후 측정된 결과는 통계적 공정관리기법으로 분석하여 측정정도를 확인하여 제품과 측정장비에 대한 보다 신뢰성 있는 품질관리 시스템을 제공하고자 한다.
0 μm의 고정도 LVDT센서를 선정하여 사용하였다. 제품의 크기와 종류에 따라 다양한 지점의 측정이 가능하도록 다채널 마이크로미터를 이용하여 총 32개의 센서를 연결하는 측정시스템을 구성하였다.
측정장비의 개발을 위해 사용된 LVDT센서의 검교정, 측정장비의 설계와 제작 후 반복정밀도와 측정정확도를 확인하고 분산분석과 Gage R&R을 통해 측정시스템의 신뢰성을 분석하였다.
1 mm인 실제제품 (DDR2 So-DIMM_200Pin, HYNIX)을 샘플PCB시편 2개로 선정하여 사용하였다. 표준시편은 사용 전 센서의 검교정장비로 각각의 두께를 측정하여 표준시편의 측정 기준값으로 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 측정할 대상제품은 Fig. 1과 같은 컴퓨터용 메모리모듈PCB 제품이며 컴퓨터 메인보드에 조립할 때 접속부 단자대의 두께가 측정부위가 되며 품질관리의 주요대상이다 메모리의 용량이 증가하면서 고 다층의 PCB제품을 생산하는 과정에서 적층이나 도금공정에서 불량이 발생할 수 있으며 단자대의 두께가 제품설계 허용기준을 벗어나게 되면 메모리실장 후 단자대 조립불량 또는 접촉불량으로 사용할 수 없게 되므로 반드시 메모리 실장전에 전수검사를 통해 두께측정을 하도록 관리하고 있다.
본 연구에서는 두께 0.8 mm로 정밀 연마 가공된 철재 표준시편과 설계기준 두께 1.00±0.1 mm인 실제제품 (DDR2 So-DIMM_200Pin, HYNIX)을 샘플PCB시편 2개로 선정하여 사용하였다.
본 연구에서는 목표 정밀도를 보장하기 위하여 Table 1과 같이 1.0 μm의 고정도 LVDT센서를 선정하여 사용하였다.

데이터처리

개발된 측정기를 양산공정에 적용하기 전에 측정시스템의 정밀도와 변동성을 보다 객관적으로 평가할 필요가 있으며 이를 위해 두 가지 샘플 PCB시편을 세 명의 측정자가 각각 3회 반복측정하여 분산분석(ANOVA; Analysis of Variance)용 DATA를 획득하고 Minitab을 이용하여 Gage R&R을 연구해 보았다[10].
001 mm)으로 3회 이상 반복 측정하여 오차에 대한 보정값을 산출하여 장비의 측정연산에 반영한다. 그리고 보정한 장비로 동일한 시편을 반복측정한 결과를 측정값에 대한 반복정밀도(최대편차)로 평가하였다. 동일한 표준시편에 대한 120개의 측정값은 Fig.

성능/효과

PCB시편의 반복측정값에 대한 통계분석결과에서 시편의 평균두께는 1.029 mm와 1.013 mm로 나타났으며 수동측정에서 확인된 값과는 각각 2 μm와 3 μm의 측정오차를 각각 가지고 있어 4 μm의 반복정밀도 범위 내에 있음을 확인하였다.
11은 샘플 PCB시편으로 선정한 제품을 반복측정한 결과를 기존에 수동측정한 시편의 각 위치별 두께값과 함께 표시하여 비교해 보았다. 개발장비에서 각 측정지점별로 측정값이 센서 검교정장비로 수동측정한 값의 변동량을 잘 측정하고 있는 것을 확인할 수 있다. 측정값에 대한 통계분석결과에서 1번 PCB시편의 평균 두께는 1.
5 mm 간격으로 5회 반복 측정하여 최대, 최소값을 제외한 3개의 값을 Table 2에 나타내었다. 그 결과 센서의 측정영역 양 끝단에서 오차 범위가 상대적으로 크게 나타나는 것을 알 수 있으며 이는 차동변압기의 특성상 말단에서 코일의 자속밀도 변화가 증가하면서 나타난 현상으로 볼 수 있다. 하지만 ±2.
두께 0.8 mm 표준시편을 이용한 반복정밀도 평가에서 보정후 측정 평균값에 대한 치우침 오차(Bias Error)는 0.458 μm으로 나타나 센서의 정밀도(1 μm at the 1 mm) 이내에 있음을 이미 확인하였고 반복정밀도는 최대 4 μm의 오차범위를 가지는 것으로 확인하였다.
또한 분산분석에 의한 연구결과에서 대부분의 측정변동값이 제품간의 차이에 의한 것으로 확인되었으며 Total Gage R&R 값이 7.92%로 매우 우수한 상태로 검사 및 품질관리를 위한 공정장비에 적합하다는 것을 확인하였다.
반복정밀도와 정확도를 시험에 사용할 철재 표준시편의 평균두께는 0.8±0.001 mm로 측정되었으며 설계규격 1.0±0.1 mm 두께인 샘플 PCB시편 2개의 24개 측정점 평균두께값은 1.027 mm와 1.010 mm이며 표준편차는 각각 14 μm과 8 μm으로 나타났다.
보정 후 표준시편 측정값은 평균 0.800458 mm, 표준편차 약 0.8 μm을 갖는 정규분포를 가지고 있으며 평균값에 대한 치우침 오차(Bias Error)는 0.458 μm, 최대값 0.803 mm, 최소값 0.799 mm으로 나타나 최대오차 4 μm의 반복정밀도를 확인할 수 있다.
분산분석 결과에서 대부분의 측정변동값은 제품간의 차이에 의한 것으로 확인되었으며 Total Gage R&R 값은 7.92%로 매우 우수한 상태로 나타나 합부판정에 적합하며 구별범주의 수(Number of district categories)도 7로 나타나 양산공정에서 품질관리를 위한 공정관리장비로 사용이 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
(b)와 (c)의 결과는 샘플 PCB시편과 동일한 사양의 제품으로 운전속도를 변화하면서 두 가지 로트제품에 대한 두께를 자동측정한 값을 나타낸 것이다. 저속 운전조건에서 측정값이 낮은 분산과 편차를 가지면서 보다 정확한 값을 측정하고 있는 것을 확인할 수 있다. 하지만 최대속도를 포함한 세 가지 운전속도 모두 제품의 두께허용오차를 제품의 고유오차를 포함하여 ±50 μm 수준에서 검사하는데 충분한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
측정값에 대한 통계분석결과에서 1번 PCB시편의 평균 두께는 1.029 mm, 2번은 1.013 mm로 나타났으며 표준편차는 각각 14 μm과 8 μm으로 나타났다.
측정에 사용한 LVDT센서의 선형성 검정에서 양 끝단에서 오차가 크게 나타났으나 중앙부 측정 영역에서는 제조사가 제시한 오차범위에 있음을 확인하였다. 반복정밀도와 정확도를 시험에 사용할 철재 표준시편의 평균두께는 0.
표준시편을 이용한 반복정밀도 측정결과에서 보정후 표준편차 0.8 μm, 평균값에 대한 치우침 오차 0.458 μm, 측정값의 최대오차는 4 μm이내의 반복정밀도를 가짐을 확인할 수 있었다.
표준시편의 기준두께 측정결과에서 철재 표준시편은 0.8±0.001 mm의 균일한 두께로 잘 가공된 것을 확인할 수 있었으며 샘플 PCB시편의 경우 각 제품의 24개 지점의 측정값의 평균이 1번은 1.027 mm, 2번은 1.010 mm으로 나타났으며 표준편차는 각각 14 μm과 8 μm으로 나타났다.
하지만 ±2.0 mm Full scale에서 양 끝단을 제외한 중앙부(4~6 points)의 최대오차는 제조사가 제시한 범위(0.1% at the ±1.0 mm)와 유사하게 약 1~3 μm 이내로 나타남을 확인할 수 있다.
하지만 최대속도를 포함한 세 가지 운전속도 모두 제품의 두께허용오차를 제품의 고유오차를 포함하여 ±50 μm 수준에서 검사하는데 충분한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

후속연구

이상의 결과로 개발된 두께자동측정기는 측정시스템분석을 통해 측정값의 신뢰성을 보장하면서 모든 측정 를 실시간으로 저장 및 통계분석 DATA하여 처리함으로서 통계적 품질관리의 표준화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
하지만 최대속도를 포함한 세 가지 운전속도 모두 제품의 두께허용오차를 제품의 고유오차를 포함하여 ±50 μm 수준에서 검사하는데 충분한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다. 제조사나 모델마다 제품두께의 고유오차가 다르므로 두께자동측정시 이를 고려하여 허용오차범위와 운전속도를 적절히 설정하는 것이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	품질관리 항목 중에서 제품의 형상이나 치수를 측정하는 검사에는 어떠한 기술이 사용되는가?	기계 자동차 및 전자분야 제품의 대량생산공정에서 품질관리는 매우 중요한 요소이며 기존의 공정간 샘플검사에서 전수검사로 전환되면서 생산성과 품질의 향상을 위해 연속생산공정용 자동검사장비의 수요가 확대되고 있다 품질관리 항목 중에서 제품의 형상이나 치수를 측정하여 검사하는데에는 비전(Vision)이나 레이저(Laser)센서를 이용한 비접촉식 측정기술이 널리 사용되고 있다[1~3]. 하지만 차광이나 조명의 상태에 따라 측정값의 변동이 심하고 측정대상물의 표면상태에 따라 반사광 등에 의해 측정이 어려운 경우가 발생하는 등의 단점이 있다 또한 비용적인 측면에서도 마이크로미터(Micrometer), LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서 등 접촉식 측정기기에 비해 고가이다.
	비접촉식 측정기술의 단점은 무엇인가?	기계 자동차 및 전자분야 제품의 대량생산공정에서 품질관리는 매우 중요한 요소이며 기존의 공정간 샘플검사에서 전수검사로 전환되면서 생산성과 품질의 향상을 위해 연속생산공정용 자동검사장비의 수요가 확대되고 있다 품질관리 항목 중에서 제품의 형상이나 치수를 측정하여 검사하는데에는 비전(Vision)이나 레이저(Laser)센서를 이용한 비접촉식 측정기술이 널리 사용되고 있다[1~3]. 하지만 차광이나 조명의 상태에 따라 측정값의 변동이 심하고 측정대상물의 표면상태에 따라 반사광 등에 의해 측정이 어려운 경우가 발생하는 등의 단점이 있다 또한 비용적인 측면에서도 마이크로미터(Micrometer), LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서 등 접촉식 측정기기에 비해 고가이다. 제품의 표면에 직접 접촉측정이 가능한 경우 가격과 정밀도, 사용환경 등에 따라 두께자동측정용으로 LVDT센서와 같은 접촉식을 선택하는 경우가 많다[4~6].
	LVDT센서의 장점은 무엇인가?	제품의 표면에 직접 접촉측정이 가능한 경우 가격과 정밀도, 사용환경 등에 따라 두께자동측정용으로 LVDT센서와 같은 접촉식을 선택하는 경우가 많다[4~6]. 특히 LVDT센서는 제품의 종류와 접촉표면 상태 접촉부 탐침의 형상에 따라 수 μm에서 1 μm미만의 고정도 측정도 가능하며 다수의 센서를 이용하여 여러 개의 측정값을 동시에 처리할 수 있는 장점도 있다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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