AOI 시스템: 자동 광학 검사 시스템을 구축할 때 고려해야 할 가장 중요한 기준

인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 산업은 현대에 가장 중요한 산업 중 하나 - JAI

인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board) 산업은 현대에 가장 중요한 산업 중 하나입니다. 우리 생활의 거의 모든 영역에서 전자제품이 사용됨에 따라, 베어보드(조립되지 않은 인쇄 회로 기판)와 인쇄회로기판 조립품(Printed Circuit Board Assembly) 모두 PCB를 효율적으로 제조할 수 있는 방법에 대한 수요가 매년 증가하고 있습니다.

하지만 수천 개의 납땜 접합부로 구성된 복잡한 PCB를 사람이 일일이 수동으로 검사한다는 것은 거의 불가능에 가깝고, 가능하다 하더라도 매우 비효율적입니다. 따라서 제조 공정의 효율성을 높이기 위해 ‘자동 광학 검사(AOI) 시스템’을 사용하여 문제 및 결함을 식별하는 것입니다.

그렇다면 AOI 시스템이 무엇인지 알아보고, 시스템 설계자가 AOI 시스템을 구축할 때 고려해야 할 카메라 기준은 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

AOI 시스템이란?

AOI(Automated Optical Inspection) 시스템은 주로 인쇄 회로 기판 조립체(PCBA)의 결함을 테스트하는 데 사용되는 자동화된 육안 검사 방법입니다

AOI(Automated Optical Inspection) 시스템은 주로 인쇄 회로 기판 조립체(PCBA)의 결함을 테스트하는 데 사용되는 자동화된 육안 검사 방법입니다. AOI는 카메라를 사용하여 PCBA를 자동으로 스캔하여 다음 두 가지 유형의 고장을 감지합니다. 

• 치명적인 결함 - 부품 누락 등
• 품질 결함 - 일부 부품 상태의 불량 등으로 인해 전체 퀄리티가 저하되는 경우

AOI는 구현에 시간이 오래 걸리고 복잡하며, 특정 설계 또는 부품 구성에 맞게 설정해야 하기 때문에 볼륨이 매우 높고, 구성 부품의 가변성이 매우 낮은 생산 환경에서 가장 잘 작동합니다.

자동 광학 검사(AOI) 시스템이 중요한 이유

인쇄 회로 기판(PCB)이 오류 없이 올바르게 설계되었다고 가정했을 때, 올바른 부품을 올바른 위치에 조립하면 제품이 잘 작동할 것입니다. 이는 생산 과정에서 제조 결함을 탐지하고, 수정하는 ‘제조 결함 분석(Manufacturing Defects Analysis)’에 중점을 두는 것을 의미합니다.

하지만 PCB는 정밀하고, 엄격한 설계 요건을 갖춘 중요한 부품입니다. PCB의 크기가 점점 작아짐에 따라 더욱 복잡해집니다. 즉, 비교적 간단한 보드라도 수천 개의 납땜 접합부로 구성될 수 있습니다. 이러한 복잡한 PCB에서 아무리 작은 결함이라 할지라도 초기에 발견하지 못할 경우, 생산 라이프사이클 후반부에 급격한 수리 비용과 고장 등의 문제를 초래할 수 있습니다. 따라서 정확도, 소요 시간 및 인건비 등 여러 측면에서 사람이 수동으로 검사하는 방법으로는 실행이 어렵고, 비효율적입니다. 자동화 시스템을 통해 생산 프로세스에서 오류를 빨리 발견하여 수정함으로써 동일한 문제가 대규모로 발생하지 않도록 방지하는 것이 가장 쉽고, 비용 효율적인 방법입니다.

이 제조 공정의 효율성을 높이기 위한 핵심은 바로 ‘자동 광학 검사(AOI) 시스템’을 사용하는 것입니다. 머신 비전 기반의 AOI 시스템을 사용하면 누락되거나 오류가 있는 부품을 발견하고, 제조 초기 단계의 불량 납땜 품질과 같은 문제 및 결함을 쉽게 식별할 수 있습니다. 이러한 AOI 시스템은 비전 기반 시스템이므로 시스템에 사용되는 ‘카메라’는 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.

간단히 말해, AOI는 전체 생산 공정 흐름의 모든 전략적 지점에서 PCB 생산 품질을 측정 및 모니터링하고, 문제나 결함을 수정할 수 있는 중요한 검사 시스템입니다. 즉, PCB 품질 테스트에서의 통과 여부를 결정하는 관문이라고 할 수 있습니다. PCB 제조 사업을 하고 있다면, AOI 시스템은 필수적으로 갖추어야 할 요건이라고 할 수 있습니다.

시스템 설계자가 AOI 시스템을 구축할 때 고려해야 할 카메라 기준

시스템 설계자가 AOI 시스템을 구축할 때 고려해야 할 카메라 기준 - JAI

기준 #1 – 고해상도

매우 작은 구성 부품들이 촘촘하게 모여있는 밀도 높은 PCBA의 작은 세부 사항까지 명확하게 포착하려면 고해상도 카메라가 필수적이다.  © circuitassembly.com

구성 부품이 점점 더 작아지고, PCBA의 밀도가 높아짐에 따라 AOI 시스템이 문제를 정확하게 감지하는 동시에, 오류를 최소화할 수 있도록 작은 세부 사항을 명확하게 보는 것이 매우 중요합니다.

오늘날 가장 기본적인 AOI 시스템에도 최소 500만 화소 카메라가 포함되어 있는 경우가 많습니다. 선도적인 시스템은 최신 PCBA에서 볼 수 있는 밀도와 복잡성을 더 잘 처리할 수 있도록 최대 1200만 화소 해상도의 카메라를 자랑합니다.

차세대 AOI 시스템을 구축해야 하는 설계팀은 시스템의 광학 해상도를 더욱 높이는 것을 고려해 볼 필요가 있습니다. 2,500만 화소 이상의 해상도를 제공할 수 있는 카메라는 규칙 기반 AOI 시스템이 밀도 증가를 더 잘 처리하는 데 필요한 높은 수준의 세부 정보를 제공할 수 있습니다. 여기에 AI 기반 시스템을 활용해 올바른 샘플군을 교육하면, 이미지를 이와 비교하여 보다 지능적인 결론 도출에 사용할 수 있는 더 많은 데이터를 제공합니다. 또한, 많은 AOI 시스템이 특정 유형의 결점을 찾아 분석하기 위해 색상 정보를 활용함에 따라, 디베이어링(debayering) 과정에서 발생하는 이미지 디테일의 손실을 극복하기 위해서도 높은 해상도가 필수적입니다.

참고 | 디베이어링(debayering)

컬러 카메라의 경우, 이미지 데이터 판독 시 인접한 픽셀의 정보를 사용하여 각 픽셀의 색상을 결정하는 것

기준 #2 – 빠른 속도

속도가 AOI 시스템의 성공을 위한 핵심 - 고성능 산업용 카메라 솔루션 JAI

AOI 시스템의 카메라 해상도를 높이는 것을 고려하는 설계자라면 고해상도 카메라로 인해 시스템의 처리 속도가 느려지고, 결국엔 생산량을 희생하게 되는 것은 아닌지 우려할 수 있습니다. PCB 제조업체와 조립업체는 기판의 복잡성이 증가하고 있음에도 생산량을 증가시키거나, 최소 유지해야 한다는 것을 알고 있습니다. 그렇지 않으면 경쟁업체에 고객을 빼앗길 위험이 있기 때문이죠. 이는 곧 “속도”가 AOI 시스템의 성공을 위한 핵심이라는 의미입니다.

다행히 AOI 시스템 설계자들이 해상도와 속도 사이에서 원하는 균형을 찾도록 도울 수 있는 카메라 옵션이 있습니다. JAI의 SP-5000-CXP2와 SP-5000-CXP4는 다양한 고속 검사 애플리케이션, 이벤트 캡처 시스템 등에 적합한 속도와 해상도의 조합을 제공합니다.

• SP-5000-CXP2 (211fps)
• SP-5000-CXP4 (253fps)

2000만 화소 이상의 해상도를 제공하는 차세대 시스템에서 처리량 유지를 위해 프레임 속도가 빠른 적절한 카메라를 찾는 것은 어렵지만 불가능하지는 않습니다.

첨단 CMOS 이미지 및 고성능 인터페이스를 사용하여 오늘날의 1200만 화소 시스템의 속도 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라, 이러한 시스템을 한 차원 높은 해상도로 끌어올리기 위해 새로운 머신 비전 카메라가 개발되었습니다.

대표적인 예로, JAI의 2600만 화소 카메라 SP-25000-CXP4A는 최대 150fps(8비트)로 실행할 수 있으며, 5120 x 5120 픽셀을 제공하여 고해상도와 높은 처리량을 동시에 충족할 수 있습니다. 또한, 프레임 속도를 사용하여 현재 처리량을 유지하면서 PCBA당 여러 이미지를 활용하여 더 나은 결함 평가를 제공할 수 있는 고급 알고리즘을 지원합니다.

기준 #3 – 고성능 인터페이스

전술한 바와 같이, 속도와 해상도 두 가지 목표를 동시에 만족하려면 카메라에 두 가지가 필요합니다. 즉, ‘빠른 센서’와 생성되는 모든 이미지 데이터를 처리할 수 있는 ‘고대역폭 인터페이스’가 필요합니다. 즉, 고해상도의 이미지를 빠른 프레임 속도(fps)로 전송할 수 있는 고성능 인터페이스여야 합니다. 시스템의 해상도에 관계없이 처리량을 극대화하는 것이 경쟁력 있는 핵심 요건이라면 고성능 인터페이스를 갖춘 카메라를 찾고자 할 것입니다.

단일 인터페이스에서 4개의 병렬 레인으로 구성할 수 있는 CoaXPress 표준 인터페이스 최신 버전(v2.0) - JAI

예를 들어, CoaXPress 표준 인터페이스 최신 버전(v2.0)은 이제 케이블당 최대 12.5Gbps를 지원할 수 있으며, 단일 인터페이스에서 4개의 병렬 레인으로 구성할 수 있습니다. 결과적으로 50Gbps 대역폭은 2,600만 화소의 8비트 이미지를 카메라에서 프로세서로 최대 150fps로 전송할 수 있는 충분한 성능을 제공합니다.

반면, 일부 AOI 시스템은 전문화된 유형의 결함 감지에 중점을 둘 수 있으며 고객을 유치하기 위해 처리량을 지나치게 강조할 필요가 없을 수도 있습니다. 이러한 시스템의 경우 최대 6.8Gbps로 작동하는 카메라 링크 인터페이스로도 충분한 대역폭이 될 수 있습니다.

기준 #4 – 올바른 셔터 방식

AOI 시스템에서의 “높은 처리량”은 영상 시스템의 시야를 통해 빠르게 움직이는 보드의 이미지를 캡처하는 것을 의미합니다. 이를 위해 고려해야 할 두 가지 유형의 카메라 셔터 방식이 있습니다.

첫째, 글로벌 셔터 카메라입니다. 이러한 카메라는 피사체의 전체 장면을 동시에 노출하는 방식으로 이미지를 캡처합니다. 즉, 충분히 빠른 프레임 속도와 노출 설정(셔터 속도)만 있다면, 움직이는 물체를 흐릿함이나 왜곡 없이 빠르게 포착할 수 있습니다. 이는 수평이나 수직으로 빠르게 장면을 주사하여 상을 포착하는 롤링 셔터 카메라와는 대조적입니다.

두 번째 옵션은, 일부 롤링 셔터 카메라의 “글로벌 리셋” 모드입니다. 노출 시작 시간 동안 플래시를 사용하여 동작을 정지한 다음 나머지 노출 시간 동안 빛을 차단하는 글로벌 리셋 모드를 사용할 수 있다면, 롤링 셔터 카메라도 고속 AOI 시스템을 위한 옵션이 될 수 있습니다. 그러나 이 경우, 롤링 셔터 카메라가 위에서 언급한 고해상도, 빠른 프레임 속도 및 고성능 인터페이스와 같은 나머지 모든 요구 사항을 충족해야 하며, AOI 시스템이 시야에서 주변 조명을 제어할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항을 모두 충족하는 경우에만 롤링 셔터 카메라를 고려해볼 수 있습니다.

이제 자동 광학 검사 시스템을 구축할 때, 어떤 카메라를 선택해야 하는지 그 기준을 명확히 이해하셨을 것입니다. 하지만 최종 결정을 내리기 전에 니즈에 맞는 여러 모델을 비교해보고, JAI의 제품 엔지니어와 AOI 시스템용 카메라에 대해 자세한 상담을 받아보세요!