[논문]PMP 방식을 이용한 BGA 볼의 3차원 형상측정 시스템

김효준; 김준식; 주효남

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0128

PMP 방식을 이용한 BGA 볼의 3차원 형상측정 시스템
3-Dimensional Shape Measurement System for BGA Balls Using PMP Method 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.1, 2016년, pp.59 - 65

김효준 (호서대학교 전자공학과) , 김준식 (호서대학교 전자공학과) , 주효남 (호서대학교 디지털디스플레이공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As modern electronic devices get smaller and smaller, high-resolution, large Field-Of-View (FOV), fast, and cost-effective 3-dimensional (3-D) measurement is requested more and more. In particular, defect inspection machines using machine-vision technology nowadays require 3-D inspection as well as the conventional 2-D inspection. Phase Measuring Profilometry (PMP) is one of the fast non-contact 3-D shape measuring methods currently being extensively investigated in the electronic component manufacturing industry. The PMP system is well known and is successfully applied to measuring complex surface profiles with varying reflectance properties. However, for highly reflective surfaces, such as Ball Grid Arrays (BGAs), it has difficulty accurately measuring 3-D shapes. In this paper, we propose a new fast optical system that can eliminate the highly reflective saturated regions in BGA ball images. This is achieved by utilizing four Low Intensity Grating (LIG) images together with the conventional High Intensity Grating (HIG) images. Extensive experiments using BGA samples show a repeatability of under ${\pm}20um$ in standard deviation, which is suitable for most 3-D shape measurements of BGAs.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 3차원 측정법 중 위상 이동법을 적용한 PMP (Phase Measuring Profilometry) 방식을 사용하여 광학계를 구성 후 물리 격자를 이용한 BGA 볼의 높이측정 시위상을 구하지 못하는 부분을 없앨 수 있는 측정 방법을 제안하였다.
특히 4-bucket 알고리즘 적용 시식 (1)에서 tan-1() 계산이 불가능한 부분이 생기게 된다. 본 논문에서는 이와 같은 볼의 빛 포화를 제거할 수 있는 방법과 광학 시스템을 새롭게 제안하였다.
본 연구를 통해 BGA 볼의 빛 포화영역을 제거하는 측정시스템을 제안하였다. 제안 알고리즘은 8장의 영상을 사용하여 빛 포화된 영역을 제거하였고, 8장의 영상을 사용하기 때문에 영상 취득 시 속도가 느린 문제를 새로운 광학계를 제안하여 문제를 해결하였다.

제안 방법

일반적인 PMP 방식의 측정시스템을 구현하여 임의의 물체를 가지고 높이 측정 알고리즘을 검증하였고, 실제 BGA 패키지를 사용하여 제안 알고리즘의 성능을 입증하였다. 그리고 카메라, PZT를 구동할 수 있는 PZT controller, 조명제어 컨트롤러를 PC에서 제어하여 자동으로 측정 가능한 시스템을 구현하였다.
실험 결과에서 알 수 있듯이 제안한 광학계와 알고리즘으로 빛포화로 인해 계산될 수 없는 부분을 제거하였고, 실제 생산라인에서 요구되는 반복 정밀도 ±20wn 이내의 조건을 만족하는 시스템을 설계하였다.
실험에서 무아레 영상을 얻기 위해 BGA 볼 높이인 350wn 에 맞추어 격자의 入를 설계하여 투영하였고, 기준 면의 위상을 구할 4장의 영상을 촬상시에는 패키지 높이 (950um)만큼 z-stage를 보정하여 기준 면이 패키지의 윗면이 되게 하였다.
일반적인 4-bucket 알고리즘은 4장의 영상으로 물체의 위상 맵을 계산하는 반면, 제안된 알고리즘은 HIG (High Intensity Grating) 영상 4장과 LIG (Low Intensity Grating) 영상 4장에 대해 4-bucket 알고리즘을 각각 적용하여, 8장의 영상으로 물체의 위상맵을 계산하게 된다. 그래서 영상 촬상에서 시간이 두 배 이상 느려지게 되므로 일반적인 4-bucket 알고리즘과 비슷한 처리 속도를 가지기 위해 그림 13에 보여진 시스템에 동일한 카메라를 2대로 하는 광학계를 구성하면 시간적 문제는 해결 가능하다.
제안하였다. 제안 알고리즘은 8장의 영상을 사용하여 빛 포화된 영역을 제거하였고, 8장의 영상을 사용하기 때문에 영상 취득 시 속도가 느린 문제를 새로운 광학계를 제안하여 문제를 해결하였다. 일반적인 PMP 방식의 측정시스템을 구현하여 임의의 물체를 가지고 높이 측정 알고리즘을 검증하였고, 실제 BGA 패키지를 사용하여 제안 알고리즘의 성능을 입증하였다.
제안하는 방법은 HIG 영상과 LIG 영상을 이용하여 HIG에는 ball의 전반사적 특성이 일어나게 하였고, LIG에는 HIG영상에서 빛이 포화된 부분(ball의 정점 부분)에 격자가 나타나도록 카메라의 gain과 gamma 보정을 하였다.
제안하는 알고리즘이 기존의 알고리즘보다 느리기 때문에 이에 적합한 광학계를 제안하였다.

대상 데이터

그림 1에 보인 것처럼 광원에서 격자 패턴을 만들어 기준면과 물체에 영사하게 되는데 반사된 빛을 카메라로 받아 영상을 획득한다. PMP 시스템에서는 한 주기의 패턴(2 Q을 일정량 이동(仙ase shift)하며 영상을 획득하게 되는데 이를 N-Bucket이라 한다.
사용하는 광학계는 조명, 격자, PZT, 투영렌즈로 구성되어 있는 조명부와 카메라, telecentric 렌즈로 구성되어 있다. 다음은 본 논문에서 사용한 광학계의 블록도 이다.

데이터처리

표 3. 볼의 실제 높이에 대한 평균과표준편차.

이론/모형

영상 촬상시 8장의 영상(HIG 영상4장, LIG 영상 4장) 을 촬상하고, HIG 영상 4장에 4-bucket 알고리즘을 적용하여 화소값이 255가 하나라도 있으면 이러한 부분에 LIG 영상 4장으로 4-bucket 알고리즘을 적용하였다. 그림 17은gamma 변환된 HIG 영상 4장과 LIG 영상 4장을 보여주고 있다.

성능/효과

II 장에서는 PMP 방식을 설명하고 III 장에서는 가상으로 제안하는 광학계와 알고리즘, IV 장에서는 구성된 시스템으로 얻는 결과를 보여주며, V 장은 본 연구를 통해 얻은 결론이다.
그림 17의 HIG 영상은 각각의 ball 면에 빛이 포화된영역(255의 명암값을 가지는 영역)이 많이 포함된 반면, LIG 영상에서는 이러한 부분이 나타나지 않음을 볼 수 있다. 실험 과정에서 기존의 방법을 적용하여 위상값을 구할 경우 하나의 ball에 대해 조명의 조건에 따라 5-30% 정도의 빛포화 영역이 발생 하나, 제안한 방법을 적용할 경우 이러한 빛포화 영역이 존재하지 않는다.
제안 알고리즘은 8장의 영상을 사용하여 빛 포화된 영역을 제거하였고, 8장의 영상을 사용하기 때문에 영상 취득 시 속도가 느린 문제를 새로운 광학계를 제안하여 문제를 해결하였다. 일반적인 PMP 방식의 측정시스템을 구현하여 임의의 물체를 가지고 높이 측정 알고리즘을 검증하였고, 실제 BGA 패키지를 사용하여 제안 알고리즘의 성능을 입증하였다. 그리고 카메라, PZT를 구동할 수 있는 PZT controller, 조명제어 컨트롤러를 PC에서 제어하여 자동으로 측정 가능한 시스템을 구현하였다.

후속연구

제안 알고리즘으로 BGA 볼의 측정 가능 영역을 최대화할 수 있었으며, 반복 정밀도 ±20wm의 성능을 확인할 수 있었으며, 이를 실제 산업에서 BGA 볼의 3차원 측 정 시스템에 응용하여 사용할 수 있을 것이다.

참고문헌 (10)

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Y.-C. Park, et al., "A high-speed digital laser grating projection system for the measurement of 3-dimensional shapes," Journal of the Optical Society of Korea, vol. 13, no. 2, pp. 251-255, 2009.

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