CT 기술이란
그림 1. 다층기판의 납땜 검사 영상 (자료 : teradyne)
산업용 엑스레이 검사 장비에 CT(Computerized Tomography) 기술이 본격적으로 활용되기 시작한 것은 10년도 채 되지 않았다.
단면 기판은 문제가 없지만 양면이나 다층 기판의 제품을 SMT 공정에서 생산하고 불량을 검사할 경우, 땜납 불량과 반대쪽 면 접합 부품의 중첩 영상이 잘 구분이 되지 않아 엑스레이 검사에 한계가 있었다.
그림 1의 2D 이미지는 양면 기판의 부품 중첩 영상을 나타낸 것이다. 일정한 간격으로 배열된 칩 하단 BGA 단자 주변에 불규칙하게 형성되어 있는 부위가 땜납인지, 이면의 칩 부품인지 구별할 수 없다.
이 경우 3차원 CT 기술을 적용하면 원하는 깊이나 지점의 단면 영상을 획득하여 그 형상을 판독할 수 있다. 그림 1의 오른쪽에 표시한 3D 슬라이스 이미지가 그 솔루션이며, 필요한 부분의 단면 형상만 얻을 수 있다.
칩 하단에 형성된 볼 형태의 단자와 PCB 표면 사이에 땜납이 완전히 용융되어 이상적인 형태로 접합이 이루어져야 하는데, 그 형상을 정확하게 확인할 수 있는 방법이 그림 2에 나타나 있다.
정밀한 절단 작업으로 접합부 단면을 확보해 현미경이나 SEM으로 접합 상태를 확인하는 방법이 전통적으로 시행되던 방식으로, 양품과 불량품의 차이를 시각적으로 잘 나타내 준다. 이 경우 정확한 검사는 가능하지만 시료를 절단하고 현미경으로 관찰할 수 있는 형태로 가공해야 한다는 번거로움이 있다.
그림 2. BGA 칩의 납땜 정밀 검사 영상 (자료 : teradyne)
그림 2의 상단에 있는 현미경 영상에서 불량은 Non-melting이라고 표기된 부분이고 땜납 분말이 완전하게 용융되지 않아 미세 알갱이 형태를 취하고 있으며, 냉 납 혹은 디웨트(Dewet)라고 부른다. Good이라고 표기된 왼쪽 그림은 완전 용융되어 매끄럽고 유려한 접합부 형상과 표면을 형성한다는 것을 알 수 있다.
생산 제품을 Jig Fixture로 프레싱해 회로가 정상적으로 동작하는지 검사하는 전기적인 회로 검사 방식을 사용하면 냉 납 현상이 발생해도 양품으로 판정될 확률이 높다. 또한 비전 검사 방식으로는 칩 하단부의 밀폐된 부위를 더욱 더 검사할 수 없다.
이러한 이력을 지닌 제품이 출고되면, 시장에서 온도 변화나 충격에 의한 피로가 누적되어 땜납부에 크랙이 발생하고 성장하는 현상이 나타나며 이로 인해 고장, 오동작 등 진행성 불량이 유발될 확률이 높아진다.
생산 공정에서 선별되지 못한 불량이 시장에서 문제로 나타났을 경우, 이 문제를 해결하기 위한 관리 비용이 눈덩이처럼 커진다는 것은 우리 모두가 알고 있는 불편한 진실이다. 때문에 업계에서는 많은 시간과 비용을 투자하여 해결책을 찾아 왔다.
3D CT 기술은 다양한 각도에서 여러 장의 2차원 엑스레이 영상을 촬영한 후 이를 수학적으로 합성하여 3차원 영상으로 구성해 내는 기술이다. 3차원 영상은 3차원 볼륨 데이터(Volume Data)로 구성되는데, 이를 활용하면 컴퓨터상에서 우리가 잘 인식할 수 있도록 가시화할 수 있다.
이렇게 하면, 의료용 CT 사진에서 봤던 뇌의 내부 상태 영상을 원하는 방향으로 진행하면서 특정 깊이로 절단해 단면 영상으로 관찰하거나, 내시경을 삽입해 외피를 열고 인간의 눈으로 내부를 정밀하게 관찰하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있도록 기능을 부여할 수 있다.
그림 2의 아래쪽에 있는 사진 두 장은 각각 CT 촬영 후의 검사 부위 단면 영상과 입체적인 영상(Stereoscopic Image), 즉 사람의 눈으로 관찰할 수 있는 영상 형태로 나타낸 것이다. 영상을 보면 납 부위가 완전하게 용융됐는지 확인할 수 있으며, 양품과 불량품을 명확하게 구분할 수 있다는 것을 알 수 있다.
국내외 유물을 발굴하고 보존하는 전담 기관에서는 최근 필수 장비로 CT 촬영이 가능한 엑스레이 검사 장비를 보유하기 시작했다.
그림 3. 고대 이집트 미이라의 3D CT 분석 영상 (Volume Graphics)
그림 3은 미이라를 발굴한 후 촬영한 CT 영상이다. 발굴 즉시 대형 CT 장비로 촬영이 진행되며, 유물에 손상을 주지 않도록 보존하게 된다.
컴퓨터상에서 촬영한 2차원 영상을 재구성하고, 가시화 소프트웨어를 사용하여 3차원 볼륨 데이터로 변환시킨 결과물을 그림 3과 같이 확인할 수 있다.
즉 미이라를 파손시키지 않고도 내부 구조를 상세히 살필 수 있다. 발굴된 미이라의 성별, 나이, 신체상의 질병 여부 등을 알아내기 위해 가장 관찰이 용이한 방향에서, 가장 잘 보이는 배율로 시각화하고 분석할 수 있을 뿐 아니라 3차원 볼륨 데이터를 3D 프린팅 장비 등과 연동시키면 그 형상을 정확하게 재현해서 만들어 낼 수도 있다.
최근에는 이탈리아 폼페이 유적지에서 발견되는 화석화된 시신들을 CT로 촬영해서 당시 인류의 체형이나 질병 등을 연구한다는 발표도 있었다.
이처럼 CT 기술을 활용하면 유물을 손상시키지 않고 정밀하게 분석할 수 있으며, 발굴된 유물을 실물 보존과 병행해 3D 데이터로 보관한다면 언제든지 필요한 시기에 재현 및 분석이 가능해진다.
CT 기술 발전의 역사
그림 4. CT 장비의 발전 … 1, 2, 3, 4세대, Spiral, MDCT
CT는 기존의 X선 촬영 기법으로 피사체를 다각도에서 촬영하고 그 슬라이스 이미지들을 컴퓨터로 재구성해 3차원 영상으로 만듦에 따라 원하는 방향의 단층 영상을 볼 수 있는 기술이다. 1917년, 라돈(Radon)에 의해 피사체의 여러 방향에서 얻은 투영 데이터로 2차원 영상을 재구성할 수 있다는 이론이 증명되면서 CT 기술이 싹트기 시작했다.
1세대 방식은 1972년 EMI사에서 개발된 방식으로, 펜슬 빔(Pencil Beam) 형태의 X선 빔이 여러 번 트랜스레이션(Translation) 구동 후 일정 각도로 X선 튜브와 검출기를 회전시키고, 다시 트랜스레이션 구동하는 방식이다.
2세대 및 3세대 방식은 약 10도 각도의 좁은 부채꼴 선속(Narrow Fan Beam) 형태, 넓은 부채꼴 선속(Wide Fan Beam)으로 대체하여 스캔 시간을 더욱 더 단축했다. 4세대 방식은 검출기 무게가 늘어나면서 회전속도가 느려진 문제를 해결하기 위해, 수천 개의 검출기를 360° 돌아가며 겐트리에 고정한 방식이다.
1987년 지멘스와 도시바에서는 슬립 링 기술을 도입, 한 방향으로 연속해서 회전하며 스캔할 수 있는 스파이럴(Spiral) CT 장비를 개발했다. MDCT는 스파이럴 CT와 기계적 운동이 동일하며, 검출기를 다수 연결해서 배열한 형태이다.
최근에 사용하기 시작한 Cone Beam CT (CBCT)는 원추형으로 발산하는 엑스레이에서 얻은 2차원 투시 영상에서 복수의 단층 영상을 한꺼번에 복원할 수 있는 방법인데, 1회전의 투사영상 측정만으로도 복수의 수평 단층 영상을 계산할 수 있어 피측정물의 3차원 구조를 고속으로 복원할 수 있다.
즉, 소스와 검출기 사이에 위치한 물체를 360° 회전시키며 보통 0.9° 간격으로 400장의 2차원 영상을 촬영하고 이를 재구성한다.
스캔 시간의 경우, 과거에는 스텝 촬영 방식으로 5∼6분 소요됐지만, 최근 연속 스캔 기술이 적용되면서 3초 이내의 고속 스캔도 가능해졌다.
그림 5. CBCT를 위한 프로젝션 영상 획득과 복원 개념도
그림 5는 CBCT를 위한 투사(Projection) 영상 획득의 개념과 CBCT 계산 결과로 복원된 단층 영상의 3D 슬라이스 구조를 나타낸 것이다.
CBCT는 FBP(Filtered Back Projection) 방법으로 각각의 단층 영상과 각 슬라이스 복셀(voxel ; 2차원 픽셀 개념에 대응하는 3차원 개념)값들을 계산한다. 3차원 구조 복셀값을 계산해야 하므로 관련 수식이 훨씬 복잡하며 알고리즘 연산시간도 많이 요구되기 때문에 최고의 컴퓨터 계산 능력이 필요하다.
CT 기술의 개념과 원리
CT 기술의 핵심 개념은 여러 2차원 슬라이스 이미지를 재구성하여 3차원 볼륨 이미지(Volume Image)로 만드는 것이다.
이 과정을 재구성(Reconstruction)이라고 하며, 기본적인 재구성의 원리를 살펴보면, 그림 6과 같이 4개의 복셀로 촬영할 수 있는 오브젝트가 있다고 가정할 때, 칸 안의 숫자는 X선 흡수량 혹은 그에 따른 검출 시의 명도를 의미한다. 4방향에서 촬영해 10개의 데이터를 얻었고, 이 데이터를 토대로 연립방정식을 풀면 칸 안의 미지수 4개는 충분히 구할 수 있다.
그림 6. 정지 및 고속 회전 상태에서 촬영한 BGA 칩의 영상
재구성 알고리즘으로는 ART(Algebraic Reconstruction Technique), SART(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique), DART(Directional Algebraic Reconstruction Technique), EM(Expectation Maximization), FBP, FDK(Feldkamp-Davis-Kress), Back Projection 등 여러 가지가 있으며 그 중에서 널리 사용되는 것은 Back Projection, FBP, FDK 등이다.
그림 7. BGA 칩의 3D CT 검사 화면 (쎄크, X-eye 6300)
CT 기술의 활용
그림 8. 인 라인 3D AXI 시스템
CT 기술은 병렬 연산 처리장치, 즉 Parallel Core GPU의 연산 속도 개선과 비전(Vision) 검사 기술, 그리고 정밀한 확대 영상을 획득할 수 있도록 개선된 나노 엑스레이 소스 기술의 융합에 의해 최근 비약적으로 발전했다.
현재는 볼 사이즈 300∼500㎛ 크기의 BGA 칩에 대한 소납/과납, Open/Shot, 냉 납 등의 검사가 가능하며 볼 내부 보이드(Void) 검사까지 인라인으로 실행할 수 있는 장비가 출현한 상태이다.
부품별, 특히 볼 사이즈에 따라 차이가 있지만 통상적으로 14×14mm에서 40×40mm 크기의 BGA 칩을 3초 이내에 CT 스캔하고, 3차원 영상화시켜 양품, 불량품을 판독할 수 있는 인 라인 AXI 장비가 시장에 나와 있다.
한국의 쎄크, 일본 오므론의 장비와 함께 완전한 3차원 CT 검사는 아니지만 독일 매트릭스(Matrix)의 장비가 시장에 출시돼 있으며 쎄크는 자사의 튜브를 적용했고, 다른 회사들은 일본의 하마마츠 등 타사의 소스를 도입해 시스템을 완성한 것으로 알려져 있다.
장비를 선정할 때는 영상을 정밀하게 획득해 검사가 진행되는지, 소스의 초점을 포함한 영상 품질을 확인해야 하며, 주기적으로 유지보수가 필요하므로 튜브 수명 혹은 필라멘트 교체 주기를 체크해야 한다.
또한 생산성을 좌우하는 스캔 시간, 검사 시간, 한 번에 검사할 수 있는 FOV 크기와 판독 가능한 볼 사이즈도 검토하면 좋다. 현재 장비당 5억원 내외의 다소 부담되는 가격으로 판매가가 형성돼 있으나, 비전 검사장비의 경우와 유사하게 보급이 확대된다면 적정한 수준으로 조정될 것으로 전망된다.
지금은 신뢰성 확보에 가장 민감한 자동차용 전장부품, 휴대폰용 PBA 라인을 중심으로 그 수요가 확대되고 있다.
전승원 _ 쎄크
