회로 기판 생산의 LDI 및 CCD 머신: 기술, 응용 분야 및 성능

정밀성을 중시하는 회로 기판 제조 분야에서 정확성과 효율성을 보장하는 데 중요한 역할을 하는 두 가지 기술이 있습니다. 바로 레이저 직접 이미징(LDI)과 전하 결합 소자(CCD) 검사 시스템입니다. LDI는 기존의 포토 리소그래피를 레이저 정밀도로 대체하여 PCB 패턴 공정에 혁신을 가져왔으며, CCD 기기는 성능을 저하시킬 수 있는 결함을 감지하는 중요한 품질 관리 검사 지점 역할을 합니다. 이 두 기술은 5G 라우터부터 자동차 센서에 이르기까지 모든 분야에서 사용되는 고밀도, 고신뢰성 보드를 제작할 수 있도록 하여 현대 PCB 생산의 중추를 형성합니다. 이 가이드에서는 LDI 및 CCD 기기의 작동 방식, 고유한 강점, 그리고 생산 워크플로우에서 서로를 보완하는 방법에 대해 자세히 설명합니다.

주요 내용
  1. LDI 기기는 UV 레이저를 사용하여 회로 패턴을 PCB에 직접 이미징하여 ±2μm의 정확도를 달성합니다. 이는 기존 포토마스크보다 5배나 우수하며, 50μm 트레이스를 가진 HDI PCB에 매우 중요합니다.
  2. 5~50MP 카메라를 갖춘 CCD 검사 시스템은 보드당 1~2분 만에 결함의 99%를 감지합니다(예: 단락, 누락된 트레이스). 이는 수동 검사(85% 감지율)보다 훨씬 뛰어납니다.
  3. LDI는 포토마스크 제작 및 취급을 제거하여 생산 시간을 30% 단축하며, CCD는 조기 결함 감지를 통해 재작업 비용을 60% 절감합니다.
  4. LDI와 CCD는 복잡한 PCB(10개 이상의 레이어, 0.4mm 피치 BGA)를 ppm당 100개 미만의 결함률로 대량 생산할 수 있도록 하여 엄격한 자동차 및 항공우주 표준을 충족합니다.

LDI 기기란 무엇이며 어떻게 작동합니까?
레이저 직접 이미징(LDI) 기기는 회로 패턴을 PCB로 전송하는 데 물리적 포토마스크를 사용하는 기존의 포토 리소그래피 공정을 대체합니다. 대신 LDI는 고출력 UV 레이저를 사용하여 PCB를 코팅하는 감광성 레지스트에 회로를 직접 '그립니다'.

LDI 공정: 단계별
  1. PCB 준비: 베어 PCB는 UV 광선에 노출되면 경화되는 감광성 레지스트(드라이 필름 또는 액체)로 코팅됩니다.
  2. 레이저 이미징: UV 레이저(355nm 파장)가 레지스트를 스캔하여 구리 트레이스가 될 영역을 노출시킵니다. 레이저는 CAD 데이터로 제어되어 PCB 레이어와 정확하게 정렬됩니다.
  3. 현상: 노출되지 않은 레지스트는 씻겨 나가 회로를 정의하는 보호 패턴을 남깁니다.
  4. 에칭: 노출된 구리가 에칭되어 제거되고 경화된 레지스트에 의해 보호되는 원하는 트레이스가 남습니다.

LDI의 주요 장점
  정밀도: 레이저는 ±2μm의 정렬 정확도를 달성합니다. 이는 포토마스크의 ±10μm에 비해 50μm 트레이스와 0.1mm 비아 직경을 가능하게 합니다.
  속도: 포토마스크 제작(24~48시간 소요)을 제거하고 패턴 전송 시간을 50% 단축합니다.
  유연성: 소프트웨어를 통해 회로 패턴을 쉽게 조정할 수 있어 프로토타입 제작 또는 소량 생산에 이상적입니다.
  비용 효율성: 저용량~중용량(100~10,000개)의 경우 LDI는 포토마스크 비용을 절감합니다((마스크 세트당 500~2,000달러).

CCD 기기란 무엇이며 PCB 생산에서 어떤 역할을 합니까?
전하 결합 소자(CCD) 기기는 고해상도 카메라를 사용하여 PCB 이미지를 캡처한 다음 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 결함을 분석하는 자동화된 검사 시스템입니다. 이들은 주요 단계에서 배치됩니다. 에칭 후(트레이스 무결성 확인), 부품 배치 후, 납땜 후.

CCD 검사 작동 방식
  1. 이미지 캡처: LED 조명(백색, RGB 또는 적외선)이 있는 여러 CCD 카메라(최대 8개)가 다양한 각도에서 PCB의 2D 또는 3D 이미지를 캡처합니다.
  2. 이미지 처리: 소프트웨어는 이미지를 '골든 템플릿'(결함이 없는 참조)과 비교하여 이상 현상을 식별합니다.
  3. 결함 분류: 단락, 개방 트레이스 또는 정렬 불량 부품과 같은 문제는 심각도(심각, 주요, 사소)별로 검토를 위해 플래그가 지정됩니다.
  4. 보고: 데이터는 추세 분석을 위해 기록되어 제조업체가 근본 원인을 해결하는 데 도움이 됩니다(예: 특정 PCB 영역에서 반복되는 단락은 LDI 보정 문제를 나타낼 수 있음).

CCD 검사 시스템 유형
  a. 2D CCD: 상향식 이미지를 사용하여 2D 결함(예: 트레이스 너비, 누락된 부품)을 확인합니다.
  b. 3D CCD: 구조화된 광선 또는 레이저 스캔을 사용하여 높이 관련 문제(예: 솔더 조인트 부피, 부품 공면성)를 감지합니다.
  c. 인라인 CCD: 생산 라인에 통합되어 분당 최대 60개의 PCB를 실시간으로 검사합니다.
  d. 오프라인 CCD: 자세한 샘플링 또는 고장 분석에 사용되며, 미세 피치 결함에 대한 더 높은 해상도(50MP)를 제공합니다.

LDI vs. CCD: PCB 생산에서 보완적인 역할
LDI와 CCD는 서로 다른 목적을 수행하지만 PCB 품질을 보장하는 데 밀접하게 연결되어 있습니다. 비교는 다음과 같습니다.

LDI와 CCD가 현대 PCB에 필수적인 이유
PCB가 10개 이상의 레이어, 50μm 트레이스 및 0.4mm 피치 부품으로 더욱 복잡해짐에 따라 기존 방법으로는 따라가기 어렵습니다. LDI와 CCD는 이러한 과제를 해결합니다.

1. 고밀도 상호 연결(HDI) PCB 활성화
   a. LDI의 역할: 일관된 정확도로 50μm 트레이스와 100μm 비아를 생성하여 HDI 설계(예: 5G 기지국 PCB)를 가능하게 합니다.
   b. CCD의 역할: 고속 회로에서 신호 손실을 유발하는 트레이스 얇아짐 또는 비아 정렬 불량과 같은 결함에 대해 이러한 작은 기능을 검사합니다.

2. 생산 비용 절감
   a. LDI 절감: 포토마스크 비용을 절감하고 정렬 불량 레이어에서 발생하는 스크랩을 줄입니다(대량 생산에서 70% 절감).
   b. CCD 절감: 조기에 결함을 감지하여(예: 에칭 후, 조립 후가 아닌) 재작업 비용을 60% 절감합니다. 단락 하나를 놓치면 조립 후 수정하는 데 50달러, 에칭 후 수정하는 데 5달러가 듭니다.

3. 엄격한 산업 표준 충족
   a. 자동차(IATF 16949): 결함률 요구 사항<100 ppm. LDI’s precision and CCD’s 99% detection rate ensure compliance.
   b. 항공우주(AS9100): 추적성을 요구합니다. LDI와 CCD는 모두 감사 추적을 위해 데이터(패턴 파일, 검사 보고서)를 기록합니다.
   c. 의료(ISO 13485): 치명적인 결함이 없어야 합니다. CCD의 3D 검사는 생명을 구하는 장치에서 솔더 공극과 같은 미묘한 문제를 감지합니다.

LDI 및 CCD 구현의 과제 및 솔루션
강력하지만 LDI 및 CCD 시스템은 성능을 극대화하기 위해 신중한 설정이 필요합니다.

1. LDI 과제
   a. 레이저 드리프트: 시간이 지남에 따라 레이저가 보정에서 벗어나 트레이스 너비 변화를 일으킬 수 있습니다.
솔루션: 참조 보드를 사용한 일일 보정 및 CCD 검사에서 실시간 피드백을 통해 레이저 정렬을 조정합니다.
   b. 레지스트 감도: 레지스트 두께의 변화는 노출에 영향을 미쳐 과다/과소 노출 영역을 유발합니다.
솔루션: 두께 모니터링(±1μm 공차)이 있는 자동화된 레지스트 코팅 시스템.
   c. 대량 생산량: LDI는 100,000개 이상의 유닛 실행에 대해 포토 리소그래피보다 느립니다.
솔루션: 여러 LDI 기기를 병렬로 배치하거나 하이브리드 시스템(대량 생산용 포토마스크, 프로토타입용 LDI)을 사용합니다.

2. CCD 과제
    a. 오탐: 먼지 또는 반사는 잘못된 결함 경고를 유발하여 생산 속도를 늦출 수 있습니다.
솔루션: 실제 문제와 노이즈를 구별하기 위해 수천 개의 결함 이미지로 훈련된 AI 기반 알고리즘.
    b. 3D 결함 감지: 기존 2D CCD는 높이 관련 문제(예: BGA의 불충분한 솔더)를 놓칩니다.
솔루션: ±5μm 정확도로 솔더 부피를 측정하는 레이저 프로파일링이 있는 3D CCD 시스템.
    c. 복잡한 PCB 형상: 강성-플렉스 PCB 또는 곡면은 표준 CCD 시스템을 혼동합니다.
솔루션: 접근하기 어려운 영역을 캡처하기 위한 다중 각도 카메라 및 조절 가능한 조명.

실제 사례 연구
1. HDI PCB 제조업체
5G 라우터용 12레이어 HDI PCB 제조업체는 포토 리소그래피를 LDI로 교체하고 3D CCD 검사를 추가했습니다.
   결과: 트레이스 너비 변화가 ±8μm에서 ±3μm로 감소했습니다. 결함률은 500ppm에서 80ppm으로 감소했습니다.
   ROI: 스크랩 및 재작업 감소를 통해 9개월 만에 LDI/CCD 투자를 회수했습니다.

2. 자동차 PCB 공급업체
자동차 부품 회사는 LDI 패턴 형성 후 인라인 CCD 검사를 통합했습니다.
  과제: ADAS 센서 PCB에서 0.1mm 단락을 감지(현장 고장을 방지하는 데 중요).
  솔루션: AI 알고리즘이 있는 50MP 2D CCD, 단락의 99.9% 감지.
  영향: 패턴 형성 결함과 관련된 현장 고장이 0으로 감소하여 IATF 16949 요구 사항을 충족했습니다.

3. 의료 기기 제조업체
심박 조율기 PCB 제조업체는 미세 피치(0.4mm) 패턴에 LDI를 사용하고 솔더 조인트 검사에 3D CCD를 사용했습니다.
  결과: 10,000개 이상의 유닛에서 결함 없이 FDA 규정을 100% 준수했습니다.
  주요 통찰력: CCD 데이터가 LDI 기기로 피드백되어 일관된 패턴 형성을 위해 레이저 설정을 최적화했습니다.

FAQ
Q: LDI가 포토 리소그래피를 완전히 대체할 수 있습니까?
A: 대부분의 응용 분야, 특히 HDI, 프로토타입 또는 저용량~중용량의 경우 그렇습니다. 대량(100k+ 유닛)의 단순한 PCB는 단위당 비용을 낮추기 위해 여전히 포토 리소그래피를 사용할 수 있습니다.

Q: CCD 기기는 반사 부품(예: 금도금 핀)을 어떻게 처리합니까?
A: 3D CCD 시스템은 편광 조명 또는 다중 노출 각도를 사용하여 눈부심을 줄입니다. 고급 알고리즘은 또한 반사를 필터링하여 잘못된 결함을 방지합니다.

Q: LDI가 안정적으로 생산할 수 있는 최소 기능 크기는 얼마입니까?
A: 최첨단 LDI 기기는 30μm 트레이스와 50μm 비아를 생성할 수 있지만, 50μm 트레이스가 비용 효율성을 위해 더 일반적입니다.

Q: LDI 및 CCD 기기는 얼마나 자주 유지 관리가 필요합니까?
A: LDI 레이저는 연간 서비스가 필요합니다. CCD 카메라는 매주(또는 먼지가 많은 환경에서는 매일) 렌즈 청소가 필요합니다. 보정 점검은 매일 수행됩니다.

Q: LDI 및 CCD는 강성-플렉스 PCB에 적합합니까?
A: 예. LDI는 소프트웨어 조정을 통해 유연한 기판에 적응하며, 곡면 스캔이 있는 CCD 시스템은 플렉스 영역을 처리합니다.

결론
LDI 및 CCD 기기는 현대 전자 제품에 필요한 정밀도와 품질을 가능하게 하여 PCB 생산을 변화시켰습니다. LDI의 레이저 구동 패턴 형성은 포토마스크의 제한을 제거하는 반면, CCD의 자동화된 검사는 결함이 조기에 감지되도록 보장합니다. 이 두 기술은 고밀도, 고신뢰성 PCB를 현실로 만듭니다. 5G, 자동차 및 의료 시장에서 경쟁하려는 제조업체에게 LDI 및 CCD에 대한 투자는 선택이 아닌 필수입니다. PCB의 복잡성이 계속 증가함에 따라 이러한 기술은 AI 및 3D 기능을 통해 회로 기판 생산에서 가능한 것의 경계를 더욱 넓혀갈 것입니다.