X-Ray 영상의 특성
1. Focal Spot Size
X-Ray 검사기술은 대상물의 내부 구조를 관찰하기 위하여 투시 영상을 획득하는 것으로부터 시작되는데, 일반 비전 기술과 구분되는 고유의 특성을 갖고 있다. 우선 획득한 X-Ray영상의 해상도에 관련된 내용을 설명한다.
X-Ray 영상의 해상도는 발생장치의 Focal Spot Size와 관련이 깊다. X-Ray 발생장치의 전자총에서 발생된 전자는 애노드와의 전위차에 의하여 Target 방향으로 가속되는데 Target으로 이동하며 경로 상에 위치한 집속 렌즈에 의해 중심 방향으로 모아진다. 집속된 전자가 Target에 충돌하는 지점을 Focal Spot이라 하며, 그 지름을 Focal Spot Size라 한다. 전자 빔이 가장 이상적으로 집속이 된다면 전자 하나 크기의 Focal Spot Size가 형성되나 현실적으로 불가능하다.
발생장치의 특성을 규정할 때 Focal Spot Size는 영상의 해상력을 판단하는 기준으로 사용되며, 크기가 작아지면 기하학적 불선명도가 줄고, 화면의 품질과 미세 관찰능력이 향상되므로 영상의 품질을 좌우하는 척도로 사용한다. 보통 튜브를 선정할 때 Focal Spot의 3~5배 정도 크기의 구조물 검사 능력을 보유한다고 인정한다. 예를 들어 반도체 제조 공정에서 BGA 칩에 포함된 30㎛ 크기 solder ball 내부에 형성된 5㎛이상 크기 void를 선별해서 불량으로 판정하고자 한다면 1~2㎛의 Focal Spot을 갖는 엑스레이 발생장치를 사용해야 한다.
다른 예로 TSV 공정이 기반이 되는 3차원 Packaging 공정에서, 상, 하부의 회로를 연결하기 위하여 직경 5㎛ 내외의 via hole을 형성하고 내부를 전도성 물질로 충전했을 때, 발생하는 1㎛ 미만의 void 결함을 검출하려면 나노 급의 spot size를 갖는 특별한 성능의 발생장치가 필요하다. 대부분 집속 능력이 뛰어난 투과 형 open tube를 탑재한 분석용 엑스레이 검사장비가 활용된다.
그림 1에 Focal Spot Size에 따른 영상 품질의 차이를 확인해주는 Image를 비교했다.
그림 1. Focal Spot Size에 따른 영상 품질의 차이
그림 1(a)는 bonding wire의 접합 상태를 각각 해상도를 달리해서 촬영한 영상으로 가장 윗부분이 10㎛, 중간 그림이 5㎛, 하단부가 1㎛의 spot size 튜브로 촬영한 내용이다. 또한 그림 1(b)는 각각 2㎛과 20㎛의 spot으로 획득한 BGA 영상이다.
spot이 작을수록 이미지의 경계가 명확하게 구분됨을 알 수 있다. 현재 실용화되어 산업 현장에서 활용되고 있는 가장 정밀한 X-Ray Source는 Focal Spot Size 200~400nm의 제품이다. 일본의 토켄, 하마마쯔, 독일의 Fein-focus, 영국의 Dage, 그리고 한국의 쎄크가 상용화하여 판매 중이거나 자사의 시스템에 적용 중에 있다. 쎄크와 토켄의 튜브가 해상력과 영상 획득 시간 측면에서 가장 뛰어난 제품으로 시장에서 평가받고 있다.
2. 기하학적 배율
엑스레이 영상의 특징 중 하나는 획득 과정에서 검사 대상물의 위치에 따라 수 천 배의 확대 영상을 얻을 수 있다는 점이다. 획득한 영상의 기하학적 배율은 X-Ray Source의 빔 방출지점과 시료의 위치, Detector의 위치에 의해 결정된다.
즉 기하학적 배율은 그림 2에서 보듯이 빔 방출지점에서 영상이 맺히는 디텍터까지의 거리(FDD, Focal spot to Detector Distance)를 빔 방출지점에서 시료까지의 거리(FOD, Focal spot to Object Distance)로 나누면 얻어진다.
그림 2. X-Ray 영상의 기하학적 배율
예를 들어 검사 장비를 구성할 때 엑스레이 발생장치의 Focal Spot에서 디텍터까지의 거리를 최대 1,000mm까지 조정이 가능하도록 만들었고, Open Tube를 사용하여 시료를 2mm까지 발생장치에 근접하도록 허용한 경우를 생각해 보자. 즉 FOD = 2mm, FDD = 1,000mm의 값을 갖게 되며, 기하학적 배율은 1,000/2 = 500배 까지 확대가 가능한 시스템이 되는 것이다.
FOD의 경우 open tube는 2mm보다 짧아 수 천 배의 확대가 가능하며, closed tube는 이보다 길어 수 십 배의 확대 영상을 확보하는데 활용된다. 확대 능력은 위 설명과 같고, 확대 영상의 해상도는 focal spot의 크기에 좌우됨을 알아보았다. 여러 가지 측면에서 open tube가 정밀 분석용으로 적합함을 알 수 있다.
3. FOV
한 가지 기억할 점은 FOV에 관한 내용인데, 그림 2에서 보듯이 빔이 조사되어 시료를 거처 Detector에 도달하는 영역을 FOV(Field Of View)라 한다. 즉 한 지점에서 한 번에 X-Ray를 조사해서 투시 영상을 획득할 수 있는 최대 영역을 의미한다. 시료가 Focal Spot에 근접하면 기하학적 배율이 높아져 더욱 큰 확대 영상을 획득할 수 있으나, FOV는 줄어든다. 반대로 시료가 Detector측에 근접하면 FOV가 커지고, 확대 배율은 줄어들며 디텍터에 밀착시키면 등배율의 투시 영상을 얻을 수 있다.
일반적으로 수 mm에서 수 십mm의 영역을 고속으로 검사해서 전장물의 soldering 불량을 검출하는 경우 자동검사 소프트웨어가 인식할 수 있는 최소의 배율을 확보하며, FOV를 키워 1회에 검사할 수 있는 영역을 최대화 시킨다.
이 경우 수명이 비교적 길고, 내구성이 좋은 closed tube를 활용하며, 반도체 부품 등 고 배율의 정밀 분석 작업이 필요한 경우 open tube를 사용하며 시료를 target의 focal spot에 최대한 밀착시키는데 FOV는 상대적으로 작아짐을 인지해야 한다.
X-Ray 검사장비의 구성
그림 3(b)는 산업용 X-Ray 검사장비의 외관이며, 그림 3(a)는 내부 주요 구성 부의 일례이다.
그림 3. 산업용 X-Ray 검사장비의 구조 및 외관
주요 구성 부를 설명하면, X-Ray를 발생시키는 X-Ray 발생장치가 장비의 하단부에 위치하며 그 위에 시료를 고정하고 원하는 부분을 원하는 각도에서 촬영할 수 있도록 이동시켜주는 Manipulator부, 시료를 통과한 X-Ray를 받아 가시광선으로 변경시켜주는 Detector부, Detector로부터 받아들인 가시광선을 아날로그 데이터로 변환시키는 CCD Camera부가 위치한다.
장비에 내장되는 컴퓨터에는 아날로그 Image 데이터를 디지털로 변환시키는 Vision Board, Image Processing 및 시스템 제어 기능을 수행하는 각종 H/W와 S/W가 포함되며, 검사 영상과 GUI를 Display할 수 있는 모니터의 기본 구성을 이룬다. 또한 모든 산업용 엑스레이 검사장비는 방사선이 외부에 누설되는 것을 방지하기 위하여 Shield Cabinet으로 차폐되어 있다.
1. X-Ray 발생장치
X-Ray 발생장치는 엑스레이 검사기술의 가장 핵심적인 요소 품이라 할 수 있다. 산업용 엑스레이 발생 장치 중에 450kV 대용량 발생장치를 제외한 대부분의 품목을 그림 4에 나타냈다.
그림 4. 산업용 X-Ray 발생장치
우측의 붉은 색 외관의 발생장치가 ‘micro focus closed tube’이다. 전자 빔 집속에 그 구조가 간단한 정전 렌즈를 사용하므로 매우 compact하고 중량이 작은 것이 특징이다.
단순한 구조 임에도 focal spot 5㎛의 집속 성능을 가지며, 수명이 1만~2만 시간으로 매우 길다. 인라인 검사용으로 주, 야간 연속 사용해도 2년 이상의 장기간 사용이 가능지만, 수명이 다 하면 튜브 전체를 교체해야 하므로 유지비 측면에서 부담이 큰 단점이 있다.
주로 SMT 공정에서의 Soldering검사, 2차 전지 제조라인의 내부 결함검사 등에 많이 사용한다. 나머지는 open tube의 외관이며, 크게 투과 형 및 반사 형으로 구분한다.
좌측부터 투과 형 마이크로 포커스 오픈 튜브, 이후 두 세트는 반사 형 오픈튜브이며, 가속전압, 전류 용량이 일반, 대용량으로 구분된다.
전자를 발생시키는 필라멘트가 열화되면 전자총의 수명이 다하는데, 이 경우 튜브를 개방시켜 필라멘트만 주기적으로 교환하면 반영구적으로 사용할 수 있다. 교체 주기는 200~500시간 내외이며, 빔의 집속 능력이 뛰어나 focal spot이 1㎛ 미만까지 가능하므로 반도체 공정이나 전자부품 개발 및 제조 공정의 분석용 장비로 많이 사용된다.
그림 4의 네 번째 튜브가 서브 미크론 급 검사 능력을 갖는 나노 튜브이다. 그림에서 설명한 튜브 외에도 160, 225kV급 open tube에서 focal spot은 5㎛ 이상으로 커지지만 전류 용량이 5~10mA로 대용량인 제품이 사용되고 있으며, 주물 부품의 수 십 ㎛ 이상의 비교적 큰 내부 결함을 선명한 영상으로 관찰하는 경우 유용하다.
closed tube로 focal spot은 0.4~5mm, 혹은 그 이상인 Mini 혹은 Large focus 튜브는 최대 450kV의 가속 전압, 1~30mA의 관 전류 성능을 보유하는 제품이 유통되며, 가스나 송유관의 용접결함 검사, 자동차 주물부품 검사 등의 용도로 활용된다.
컨테이너 내부 화물검사, 항공기 엔진 부품의 결함 검사 등 보다 큰 용량의 X-Ray 검사가 필요한 경우 선형 가속기를 활용하는데 이는 X-Ray를 발생시키는 방법이 위에서 소개한 발생장치와는 다르다.
2. X-Ray 영상획득 장치
X-Ray 영상획득 장치는 Detector라고 표현하며 눈에 보이지 않는 X-Ray를 눈으로 볼 수 있는 가시광선으로 변환한 뒤, 이를 다시 전기신호로 변환하는 방식의 센서장치이다. 즉 X-Ray를 전기적 신호로 만들어 내는 일종의 포토 센서 역할을 하며, X-Ray가 투시한 물체의 밀도 차를 흑, 백의 영상으로 표현해 준다.
과거에는 X-Ray가 조사되면 가시 광 파장의 형광을 발하는 Scintillator 뒤에 Film을 놓아 감광시키는 Film 형식의 영상획득 장치가 많이 사용되었으나, 2000년대를 지나며 의료부분에서 Digital Type Detector 기술이 개발되며 X-Ray 영상 기술의 대 변혁이 일어났다. 획득한 영상 데이터를 컴퓨터에 저장하고, 활용하는 부문에 여러 가지 다양한 기술에 접목되어 최근에는 산업부문에서 X-Ray 자동검사까지 가능하게 되었다.
Detector는 XRII(X-Ray Image Intensifier)에 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 조합한 형태 즉 증배 관 혹은 I.I Type의 Detector와 FPDX(Flat Panel X-Ray Detector) 즉 평판 Type의 Detector로 구분하여 사용한다.
2000년대 초반에는 그림 5(a)의 I.I Type Detector를 영상 획득 속도와 가격 면에서 장점이 있어 널리 사용하였으나 무게가 10kg이상이고 부피가 커서 시스템에 장착 시 부담이 되고, 영상에 왜곡이 발생하는 단점이 있어 최근에는 평판 Type Detector를 선호하는 경향이 있다.
그림 5. X-Ray 영상획득 장치
평판의 경우 과거에 치명적인 결함으로 작용했던 영상 획득속도가 최근 대폭 향상되었고, 가격도 I.I. Type에 근접한 수준으로 많이 저렴해 졌다.
3. Manipulator
Manipulator는 검사하고자 하는 대상물을 고정시켜주고, 검사 부위가 FOV에 포함될 수 있도록 자세를 유지시켜 주는 장치이다.
3축에서 7,8축까지의 제어 구동축이 탑재된 정밀 Stage로써 검사 대상물을 위치시키는 Table은 Carbon 등 경원소이며 강성을 유지할 수 있는 소재를 사용한다. 검사 대상 제품의 크기와 형태, 2차원 혹은 3차원 검사 여부, CT의 적용 알고리즘, 분석 장비 혹은 인라인 검사장비 여부에 따라 다양한 축 수와 형태로 구성하여 사용한다.
그림 6. X-Ray 검사장비의 Manipulator
4. 영상처리 및 시스템 제어장치
아날로그 이미지 데이터를 디지털로 변환시키는 Vision Board, Image Processing 및 시스템 제어 기능을 수행하는 각종 H/W와 S/W가 포함되며, 검사 영상과 GUI를 Display할 수 있는 모니터의 기본 구성을 이룬다.
3차원 영상을 고속으로 확보하기 위하여 GPU 기술이 적용되며, 영상 품질을 제고시키기 위한 다양한 Filter 기술이 융합되고 있다.
이상 X-Ray 검사장비의 개략적인 구성에 관하여 설명했다. 다음호에서는 발생장치에 관한 상세한 내용을 설명하고, 이어서 Detector, 3차원 검사기술에 관하여 기술할 예정이다.
전승원 _ 쎄크
