A.O.I

AOI란?

AOI는 자동광학검사(Automated Optical Inspection)를 의미하며, PCB 및 PCBA 제조 공정에서 널리 사용되는 핵심 품질 관리 기술입니다. 고해상도 카메라, 광학 센서 및 머신 비전 알고리즘을 사용하여 물리적 접촉 없이 회로 기판상의 결함을 자동으로 검출합니다.

AOI 작동 원리: 검사 프로세스
자동 광학 검사(AOI)는 고해상도 이미징, 지능형 알고리즘 및 기준 비교를 통해 표면 결함을 탐지하는 비접촉식 시각 기반 품질 관리 시스템으로, PCB/PCBA 제조에 사용됩니다. 검사 프로세스는 네 가지 핵심적인 순차적 단계를 따르며 생산 라인 전반에 걸쳐 정밀성과 일관성을 보장합니다.

사전 검사 설정 및 보정
기판 스캔에 앞서, AOI 시스템은 특정 PCB/PCBA 설계에 맞게 구성이 필요합니다:
기준 데이터 로드: 대상 기판의 CAD 설계 파일을 가져오거나, 검증된 무결함 기판인 골든 샘플을 사용하여 검사 기준으로 삼습니다. 시스템은 부품 위치, 패드 크기, 납땜 조인트 형상, 트레이스 배치 등의 주요 매개변수를 매핑합니다.
광학 파라미터 보정: 조명 조건을 조정하여 다양한 결함 유형을 강조합니다. 예를 들어, 측면 조명은 납땜 접합부의 높이를 드러내며, 백라이팅은 배선 절단을 탐지합니다. 카메라의 초점과 해상도를 보정하여 고밀도 또는 소형화 부품의 미세한 세부 사항을 정확히 촬영할 수 있도록 합니다.
허용 오차 기준 설정: 부품 장착 위치, 납땜량, 극성에 대한 허용 편차 범위를 정의합니다. 이를 통해 중요 결함은 놓치지 않으면서도 오경보를 방지할 수 있습니다.

이미지 획득
AOI 장비가 PCB/PCBA 표면을 스캔하여 고품질의 시각 데이터를 수집합니다:
자동 컨베이어 벨트를 통해 기판이 검사 구역으로 이동되며, 안정적인 위치 고정이 보장됩니다.
고속 산업용 카메라가 보드를 여러 각도에서 촬영합니다 (AOI 모델에 따라 2D 또는 3D). 3D AOI는 레이저 스캐닝을 사용하여 높이를 측정하므로, 납땜 접합부의 부피 및 부품의 평면성 검출 정확도가 높아집니다.
시스템은 개별 이미지를 결합하여 보드 전체 표면의 완전한 고해상도 지도를 생성하고, 전 구역 검사를 수행합니다.

이미지 분석 및 결함 탐지

이 단계는 시스템이 지능적인 비교를 통해 이상 현상을 식별하는 핵심 과정입니다.
· 픽셀 단위 비교: 촬영된 보드 이미지를 사전에 로드된 기준 이미지와 비교합니다. 알고리즘은 픽셀 밀도, 형태, 위치 및 색상의 차이를 분석합니다.
· 결함 식별: 미리 설정된 허용 한계를 초과하는 모든 차이는 잠재적 결함으로 분류됩니다. 일반적으로 탐지되는 문제에는 다음이 포함됩니다.
· 부품 관련: 부품 누락, 극성 반전, 정렬 오류 또는 잘못된 부품 유형.
· 납땜 관련: 브리지 납땜, 납 부족, 냉납, 세로 기울기(tombstoning) 등.
· PCB 관련: 배선 긁힘, 패드 누락, 실크스크린 오류.
· 3D AOI 강화: 3D 시스템은 높이 측정 분석 기능을 추가하여, 2D AOI에서는 놓칠 수 있는 허용 가능한 납필기와 납 부족 또는 과다 납과 같은 결함을 구분합니다.

결함 보고 및 조치

분석 후, 시스템은 생산 팀이 즉시 조치할 수 있는 결과를 생성합니다:
· 결함 분류 및 플래그 지정: AOI는 결함을 심각도별로 분류하고 기판 맵 상의 정확한 위치에 표시합니다. 중대한 결함은 즉각적인 경보를 발생시킵니다.
· 데이터 기록 및 보고: 결함 유형, 위치, 발생 빈도를 포함한 상세한 검사 보고서가 저장됩니다. 이 데이터는 추적성을 지원하며 엔지니어가 반복 발생하는 문제를 식별하고 SMT 조립 공정을 최적화하는 데 도움을 줍니다.
· 검사 후 처리: 기판은 결함이 있는 경우 수리 스테이션으로 이동하여 수정되거나, 결함이 없는 경우 다음 생산 공정으로 진행됩니다.

PCBA 생산에서의 주요 적용 단계

AOI는 전 과정의 품질 관리를 보장하기 위해 여러 체크포인트에 배치됩니다:
· 리플로 전 AOI: 납땜 전 부품 장착 정확도, 극성 및 존재 여부를 검사하여 불량 부품이 리플로 오븐에 들어가는 것을 방지합니다.
· 리플로 후 AOI: 가장 일반적인 적용 사례로, 리플로 납땜 후 납 접합 품질과 부품의 무결성을 점검합니다.
· 조립 후 AOI: 출하 전 설계 사양 및 산업 표준 준수 여부를 보장하기 위해 완성된 PCBA의 최종 검사를 수행합니다.

AOI는 무엇을 점검합니까?
자동 광학 검사(AOI)는 PCB/PCBA 제조 시 표면 결함을 감지하기 위해 골든 샘플 또는 CAD 데이터와 기판 이미지를 비교하는 비접촉식 품질 관리 도구입니다. 이 검사는 다양한 생산 단계에 걸쳐 세 가지 핵심 범주를 포함합니다.

PCB 기판 결함

부품 조립 전, AOI는 베어 PCB의 구조적 무결성을 점검합니다.
· 배선 결함: 스크래치, 끊김(개방 회로), 단락, 또는 잘못된 배선 폭.
· 패드 문제: 누락된 패드, 패드 위치 미스, 패드 산화, 또는 고르지 않은 패드 표면.
· 표면 결함: 오염, 먼지 입자, 납 마스크 벗겨짐, 또는 잘못된 실크스크린 인쇄(예: 잘못된 부품 레이블).
· 홀 결함: 정렬이 어긋난 비아, 누락된 홀, 또는 드릴 구멍 크기가 너무 큼/작음.

부품 장착 결함

리플로우 이전 단계(부품 장착 후, 납땜 전)에서 AOI는 부품의 정확도를 검사합니다:
· 존재/누락: 기판상에 부품 누락 또는 추가(계획되지 않은) 부품 존재 여부.
· 위치 오류: 부품 정렬 불량, 위치 오프셋, 또는 허용 공차를 초과한 회전.
· 극성 문제: 부품 극성이 반대로 장착됨.
· 잘못된 부품: 잘못된 부품 유형, 잘못된 값, 또는 패키지 크기 불일치.
· 리드 결함: 리프트된 리드, 휘어진 리드, 또는 패드 위에 제대로 장착되지 않은 리드.

솔더 접합 결함

리플로우 이후 단계(납땜 후)에서 AOI는 납땜 품질에 중점을 두며, 이는 가장 일반적인 검사 대상입니다:
· 납 부족: 전기 접촉이 불량할 위험이 있는 약하고 불완전한 납 접합.
· 과다한 납: 단락 회로를 유발할 수 있는 덩치 큰 납 접합.
· 납 브리지: 인접한 패드/배선 사이에 형성된 원치 않은 납 연결.
· 콜드 납 접합: 리플로우 중 가열 부족으로 인해 생긴 광택 없고 입자질인 약한 접합.
· 무덤돌링(컴포넌트 기울기): 납의 불균형한 용융으로 인해 한쪽 끝이 패드에서 들려지는 현상.
· 납 볼: 고밀도 PCB에서 단락 회로를 유발할 수 있는 작은 잔여 납 입자.

조립 후 최종 점검

완전 조립된 PCBA의 경우, AOI는 종합적인 최종 검사를 수행합니다:
· 조립 전반의 완전성 및 설계 사양 준수 여부.
· 납착 또는 취급 중 발생한 부품 손상.
· 납땜 접합 및 부품 배치 품질에 대한 산업 표준 준수

AOI 검사는 빠르고 일관되며 추적 가능하며, 상세한 결함 보고서를 생성하여 제조업체가 생산 공정을 최적화하고 제품 고장률을 줄이는 데 도움을 줍니다.

AOI의 유형: 2D AOI 대 3D AOI
PCB/PCBA 품질 관리에서 자동광학검사(AOI)는 주로 이미징 및 측정 원리에 따라 2D AOI와 3D AOI로 나뉩니다. 두 기술 모두 불량 탐지에 사용되지만 정확도, 적용 사례 및 핵심 기능 면에서 상당한 차이를 보이며, 특히 고밀도화되고 소형화된 현대 회로기판의 경우 더욱 그렇습니다.

2D AOI
핵심 원리: 2D 평면 이미징 기술을 사용하며, 고해상도 산업용 카메라와 다중 각도 조명을 활용하여 PCB/PCBA 표면의 2D 이미지를 캡처합니다. 부품, 납땜 접합부, 배선 패턴의 평면 형태, 크기 및 색상을 기준 CAD 데이터나 골든 샘플과 비교함으로써 결함을 탐지합니다.
주요 특징
· 장점:
장비 비용이 낮고 유지보수가 쉬워 기본적인 검사 요구사항이 있는 중소규모 공장에 적합함
빠른 스캔 속도로 표준 PCB의 대량 생산 라인에 이상적입니다.
평면 결함 검출에 효과적입니다.
· 제한 사항:
표면 평면 정보만 캡처 가능하며, 높이와 부피를 측정할 수 없습니다. 3D 관련 결함을 잘못 판단하거나 누락하는 경우가 많습니다.
조명 각도 변화나 부품 색상 차이로 인해 오경보가 발생하기 쉽습니다.
마이크로 피치 부품 및 고밀도 PCB에는 효과가 떨어집니다.
· 일반적인 적용 사례
저밀도 PCB의 리플로우 전 검사 (부품 존재 여부, 극성, 위치 편차 확인).
소비자용 전자기기 PCB의 단순 납땜 접합 결함 검사.
기본적인 품질 요구사항을 갖춘 비용 민감한 생산 라인.

3D AOI
핵심 원리: 2D 평면 이미징과 3D 높이 측정 기술(일반적으로 레이저 삼각 측량 또는 구조광 스캐닝)을 결합합니다. 레이저 또는 구조광을 PCB/PCBA 표면에 투사하고, 빛의 반사 각도 및 변위를 분석하여 각 점의 3D 좌표를 계산하며, 기판의 완전한 3D 모델을 구성합니다. 결함 검사는 평면 위치와 높이/부피 데이터 모두를 기반으로 수행됩니다.
주요 특징
· 장점:
납땜 접합부의 높이, 부피 및 부품 평면성에 대한 정확한 측정이 가능하여 2D 평면 측정의 한계로 인한 오경보를 제거합니다. 납땜 부족, 과다 납땜, 탐스톤 현상(tombstoning), 리드 리프팅 등의 결함을 정밀하게 식별할 수 있습니다.
자동차 전자장치, 의료기기, 항공우주 PCB에서 흔히 사용되는 미세 피치 및 복잡한 부품에 대해 높은 검출 정확도를 제공합니다.
결함에 대한 정량적 분석을 지원하여 데이터 기반의 공정 최적화를 가능하게 합니다.
· 제한 사항:
2D AOI에 비해 장비 비용이 높고 스캔 시간이 더 깁니다.
보다 복잡한 캘리브레이션 및 유지보수로, 전문 기술자가 필요합니다.
· 일반적인 적용 사례
고밀도, 고정밀 PCB의 리플로우 후 검사.
복잡한 납땜 접합부(BGA, QFN) 및 소형 부품의 검사.
엄격한 품질 요건을 갖는 생산 라인.

PCB 및 SMT 공정에서의 AOI: 주요 적용 시나리오
자동광학검사(AOI)는 PCB 제조 및 SMT 어셈블리 전 과정에서 빠질 수 없는 품질 관리 도구입니다. 생산 공정의 핵심 체크포인트에 도입되어 조기 결함 탐지, 재작업 비용 감소 및 일관된 제품 품질 유지에 기여합니다. 아래는 생산 단계별로 구분한 주요 적용 시나리오입니다.

PCB 제조 공정에서의 AOI 적용 (무부품 기판 검사)
AOI는 부품 실장 전 베어 PCB의 구조적 무결성을 검증하기 위해 에칭, 드릴링 및 납땜 마스크 도포 과정에서 발생하는 결함을 대상으로 사용된다.

에칭 후 검사
· 목적: 전기적 연결성에 영향을 주는 배선 결함을 확인하는 것
· 검출 결함: 오픈 회로(끊어진 배선), 쇼트 회로(의도하지 않은 배선 연결), 배선 폭 편차, 에칭 부족/과도한 에칭, 반파드(anti-pad) 누락
· 가치: 부품 조립 후 고비용 재작업을 방지하기 위해 초기 단계에서 치명적인 전기 결함을 포착

납땜 마스크 및 실크스크린 인쇄 후 검사
· 목적: 납땜 마스크의 도포 정확도와 실크스크린 인쇄 정확도를 검증하는 것
· 검출 결함: 납땜 마스크 벗겨짐, 납땜 마스크 개구부 정렬 불량, 납땜 마스크 기포, 잘못된 실크스크린 레이블, 실크스크린 번짐
· 가치: 납땜 마스크가 배선의 산화를 방지하고, 실크스크린이 후속 부품 실장 및 고장 진단을 지원하도록 보장

드릴링/비아 후 검사
· 목적: 기계적 정확도를 위해 드릴 구멍 및 비아를 점검합니다.
· 검출된 결함: 정렬이 어긋난 구멍, 크기가 너무 큰/작은 비아, 막힌 비아(의도하지 않은 차단), 누락된 비아.
· 가치: 다층 PCB에서 신뢰할 수 있는 층간 연결을 보장합니다.

SMT 조립 공정에서의 AOI 응용
SMT는 PCBA 생산의 핵심이며, 부품 실장과 납땜 품질을 포괄하기 위해 세 가지 주요 단계에 AOI가 적용됩니다.

리플로우 전 AOI
· 시기: 피크앤플레이스 장비로 부품 실장 후, 리플로우 오븐 진입 전.
· 목적: 납땜 전 부품 실장 정확도를 확인하는 것으로, 결함을 수정하기 가장 비용 효율적인 체크포인트입니다.

검출된 결함:
부품 관련 문제: 부품 누락, 불필요한 부품 추가, 잘못된 부품 종류/값, 극성 반전.
부품 장착 문제: 부품 오프셋, 허용 범위 초과 회전, 리드 들림, 패드에 제대로 장착되지 않은 부품.
가치: 불량 기판이 리플로우 오븐에 들어가는 것을 방지하여 납 낭비와 재작업 노동력을 줄임.

리플로우 후 AOI
시점: 기판이 리플로우 오븐을 빠져나온 직후 (SMT에서 가장 널리 사용되는 AOI 시나리오).
목적: 납 접합 품질 및 납땜 후 부품의 무결성 점검.

검출된 결함:
납 접합 결함: 브릿지(패드 간 단락), 납 부족, 과다한 납, 콜드 납접(접착력 부족), 세운 형태(부품 기울기), 납 볼.
부품 손상: IC 본체 균열, 고온 리플로우로 인한 리드 휨, 위치 이탈된 부품.
가치: 납 접합부가 IPC 표준을 충족하고 최종 제품의 신뢰성 문제를 방지함.

조립 후 AOI
시점: 스루홀 부품 수동 삽입 후(해당되는 경우) 및 기능 테스트 후.
목적: 완전 조립된 PCBA에 대한 종합적인 최종 점검을 수행합니다.
검출된 결함: 스루홀 부품 누락, 잘못된 수동 납땜, 손상된 커넥터 및 기판 표면의 잔류 플럭스 또는 오염.
가치: 출하 전 최종 품질 게이트 역할을 하여 적격 제품만 고객에게 공급되도록 보장합니다.

고신뢰성 산업을 위한 특수 응용 시나리오

품질 요건이 엄격한 산업의 경우, AOI는 특정 요구사항에 맞게 맞춤화됩니다.

· 자동차 전자기기: 3D AOI는 엔진 제어 장치(ECU) 및 ADAS 시스템용 PCBA 검사에 사용되며, 고온 조건에서 납접합부의 평면성과 부품 신뢰성에 중점을 둡니다.
· 의료 기기: AOI는 심장박동기, 진단 장비 등의 PCBA를 검증하여 FDA 및 ISO 13485 표준 준수를 위해 결함 제로를 보장합니다.
· 항공우주 및 방위산업: 고정밀 3D AOI는 항공전자 장비용 소형화·고밀도 PCBA를 검사하며, 극한 환경에서 시스템 장애를 유발할 수 있는 미세 결함을 탐지합니다.