[논문]LED 광을 이용한 그림자 무아레 방법의 감도 향상 및 모바일 전자 기판의 변형 측정

양희주; 주진원

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.141

초록
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모바일 기기로 사용되는 전자기판은 여러 가지 다양한 재료로 구성되어 있으며, 제조시나 사용 환경에서 온도가 변하면 각 재료의 열팽창 계수의 차이로 인하여 변형과 응력집중이 발생하게 된다. 그림자 무아레 방법은 비접촉으로 전체 영역에 걸친 면외변위를 측정하는 광학적 방법이지만 고감도 적용을 위해서는 탈봇 현상의 극복이 필요하다. 본 논문에서는 그림자 무아레 기법에서 발생하는 탈봇 현상을 극복하기 위하여 다양한 파장의 LED 광원을 이용하고, 파장의 변화가 탈봇 거리에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 위상 이동법을 이용함으로써 10 ㎛/fringe 이내의 측정 감도를 확보할 수 있는 실험방법을 제안하고 이를 평가하였으며, 이 방법을 모바일 회로 기판의 열변형 측정에 적용하였다. 백색광을 사용한 경우에서는 탈봇 현상으로 인하여 측정이 불가능한 영역이 여러 군데 존재하였으나, 파란색 LED 광을 사용한 경우에는 대부분의 영역에서 감도 6.25 ㎛/fringe의 정밀한 무아레 무늬를 얻어낼 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic substrates used in a mobile device is composed of various materials, and when the temperature is changed during manufacturing or operating, thermal deformation and stress concentration occur due to the difference in thermal expansion coefficient of each material. The shadow moiré t...

Electronic substrates used in a mobile device is composed of various materials, and when the temperature is changed during manufacturing or operating, thermal deformation and stress concentration occur due to the difference in thermal expansion coefficient of each material. The shadow moiré technique is a non-contact optical method that measures shape or out-of-plane displacement over the entire area, but it is necessary to overcome the Talbot effect for high sensitivity applications. In this paper, LED light sources of various wavelengths was used to overcome the Talbot effect caused in the shadow moiré technique. By using the phase shift method, an experimental method to retain the measurement sensitivity within 10 ㎛/fringe was proposed and evaluated, and this method is applied to the thermal deformation measurement of the mobile electronic substrate. In the case of using white light, there were several areas that could not be measured due to the Talbot effect, but in the case of using blue LED light, it was shown that a precise moiré pattern with a sensitivity of 6.25 ㎛/fringe could be obtained in most areas.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Gray scale distribution representing Talbot effect and Talbot distance.
그림 Fig. 2. Moiré sensitivity and half Talbot distance according to the pitch of reference grating.
그림 Fig. 3. Intensity distribution of a halogen light and LED lights.
그림 Fig. 4. Configuration of shadow moiré system for enhanced sensitivity.
그림 Fig. 5. Shadow moiré patterns for determining Talbot distance.
표 Table 1. Wavelength of the halogen lamp and several LED lights
표 Table 2. Half Talbot distance measured from moiré patterns by LED lights
그림 Fig. 6. Moiré patterns by phase shift method (N=2) using (a) halogen lamp and (b) blue LED light (at g = 100 μm α=63.4°, Γ=25 μm/fringe).
그림 Fig. 7. Main board of a cell phone.
그림 Fig. 8. Phase shifted moiré fringe patterns and multiplicated fringe pattern of a cell phone main board (at g = 100 μm α=63.4°, Γ=12.5 μm/fringe).
그림 Fig. 9. Phase shifted carrier fringe patterns and multiplicated fringe pattern of a cell phone main board (at g = 100 μm α=63.4°).

AI 본문요약
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문제 정의

탈봇 현상은 Talbot⁸⁾이 처음 발견한 이후에 이론 정립을 위한 연구^9-11)가 계속 수행되었다. 본 논문에서는 그림자 무아레 기법에서 발생하는 탈봇 현상을 극복하기 위하여 다양한 파장의 LED 광원을 이용하고, 파장의 변화가 탈봇 거리에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 위상 이동법을 이용함으로써 10 μm/fringe 이내의 측정 감도를 확보할 수 있는 실험방법을 제안하고 이를 평가하였으며, 이 방법을 모바일 회로 기판의 열변형 측정에 적용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 그림자 무아레 기법에서 발생하는 탈봇 현상을 극복하기 위하여 다양한 파장의 LED 광원을 이용하고, 파장의 변화가 탈봇 거리에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 위상 이동법을 이용함으로써 10 μm/fringe 이내의 측정 감도를 확보할 수 있는 실험방법을 제안하고 이를 평가하였으며, 이 방법을 모바일 회로 기판의 열변형 측정에 적용하였다.

데이터처리

파란색 LED 광은 기존 백색광에 비해 같은 조건에서 탈봇 거리가 더 길며, 무아레 무늬 영상의 밝기와 대비를 고려한 가시도도 우수하다는 것을 무아레 무늬 영상을 통해 확인하였다. 본 논문에서는 파란색 LED를 실제 측정에 적용하기 위하여 백색광을 이용한 기존의 측정결과와 비교하였다.

성능/효과

(1) 백색광과 세가지 LED 광을 사용하여 기울어진 광학 평판(optical flat)의 탈봇 거리를 측정한 결과, 파장이 짧은 파란색, 초록색, 빨간색 LED 순으로 탈봇 거리가 길게 측정되었다. 특히 파란색 LED를 이용하면 기존 백색광을 이용했을 때보다 약 30% 정도 탈봇 거리가 증가된 것을 확인할 수 있었다.
(2) 위상 이동법에 의한 그림자 무아레 기법을 평면 시편에 적용한 결과 할로겐 램프의 백색광을 사용하는 것보다 파란색 LED 광을 사용했을 때 탈봇 현상에 의한 영상의 뭉게짐 없이 측정이 가능한 영역이 확장된다는 것을 확인하였다.
(3) 그림자 무아레 방법을 모바일 회로 기판의 변형 측정에 적용한 결과 백색광을 사용한 경우에서는 탈봇 현상으로 인하여 측정이 불가능한 영역이 여러 군데 존재하였으나, 파란색 LED 광을 사용한 경우에는 대부분의 영역에서 감도 6.25 μm/fringe의 정밀한 무아레 무늬를 얻어낼 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변형과 응력집중이 발생하는 이유는?	모바일 기기로 사용되는 전자기판은 여러 가지 다양한 재료로 구성되어 있으며, 제조시나 사용 환경에서 온도가 변하면 각 재료의 열팽창 계수의 차이로 인하여 변형과 응력집중이 발생하게 된다. 그림자 무아레 방법은 비접촉으로 전체 영역에 걸친 면외변위를 측정하는 광학적 방법이지만 고감도 적용을 위해서는 탈봇 현상의 극복이 필요하다.
	그림자 무아레기법의 장점은 무엇인가?	그림자 무아레(shadow moiré) 기법1)은 물체의 형상이나 변형을 측정하는 비접촉식 측정법 중 하나로, 기준격자와 기준격자를 통과한 그림자 격자의 간섭으로 생기는 무아레 무늬를 해석하는 광학적 측정방법이다. 이러한 측정법은 주변 환경에 민감하지 않아 넓은 분야에 적용 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그림자 무아레 기법은 빛이 무아레 격자를 통과하여야 한다는 제한 때문에 감도100 μm/fringe 이상의 일상생활에 관련된 형상측정에 주로 이용되어 왔다.
	그림자 무아레기법은 무엇인가?	그림자 무아레(shadow moiré) 기법1)은 물체의 형상이나 변형을 측정하는 비접촉식 측정법 중 하나로, 기준격자와 기준격자를 통과한 그림자 격자의 간섭으로 생기는 무아레 무늬를 해석하는 광학적 측정방법이다. 이러한 측정법은 주변 환경에 민감하지 않아 넓은 분야에 적용 가능하다는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (11)

D. post, B. Han, and P. Ifju, "High Sensitivity moire: Experimental Analysis for Mechanics and Materials", Springer Science & Business Media, pp.119-130, New York (1994).
H. Takasaki, "Moire Topography", Applied Optics, 9, 1467 (1970).

상세보기
Y. J. Kang, W. J. Ryu, and Y. K. Kwon, A Study on the Improvement of Accurasy of Surface Measurement in the Phase-Shifting Shadow Moire Method", J. of KSPE., 15(10), 96 (1998).
Y. Guo, "Applications of shadow moire method in determination of thermal deformations in electronic packaging", Proc. SEM Spring Conference on Experimental Mechanics, Grand Rapids, 702 (1995).
S. M. Lee, and Y. Y. Earmme, "A Study on the Measurement of PWB Warpage Using Shadow Moire", Proc. KSME 2002 Meeting for Material & Fracture, 146 (2002).
D. S. Lee, and J. W. Joo, "Sensitivity Enhancement of Shadow Moire Technique for Warpage Measurement of Electronic Packages", J. Microelectron. Packag. Soc., 22(3), 57 (2015).

원문보기 상세보기
H. G. Yang, and J. W. Joo, "Deformation Measurement of Electronic Components in Mobile Device Using High Sensitivity Shadow Moire Technique", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(1), 57 (2017).

원문보기 상세보기
H. Talbot, "On Facts Relating to Optical Science", Phil. Mag., 9, 401 (1836).
A. J. Durelli, and V. J. Parks, "Moire analysis of Strain", Prectice-Hall, Englewood Cliffs (1970).
E. Keren, and O. Kafri, "Diffraction Effects in Moire Deflectometry", J. Optical Society of America A, 2(2), 111 (1985).

상세보기
M. Testorf, J. Jahns, N. A. Khilo, and A. M. Goncharenko, "Talbot effect for oblique angle of light propagation", Optics Commutications, 129, 167 (1996).

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