반도체 및 PCB 패키징의 고속 BGA 검사
독자적인 이미지 전처리 알고리즘으로 정밀도를 보장합니다.
볼 그리드 어레이(BGA) 기술은 반도체 패키징 및 PCB 조립 공정에서 널리 사용되고 있으며, 컴팩트한 설치 공간에서 높은 I/O 밀도를 구현할 수 있습니다. 패키징 전에는 솔더 볼 자체의 품질을 검증하여 완전하고 둥글며 크기가 균일하고 어레이 내에서 정밀하게 정렬되었는지 확인하는 데 중점을 두고 BGA 검사를 진행합니다. 리플로우 후에는 솔더 조인트 품질과 배치 정확도를 검증하는 것으로 검사 방향을 전환하여 각 BGA가 PCB에 올바르게 배치되고 단단히 접착되었는지 확인합니다.

반도체 및 PCB 패키징 전반의 BGA 검사
집적회로(IC) 기술의 발전과 함께 패키징 기술도 초기 DIP(Dual In-line Package)에서 QFP(Quad Flat Package)와 QFN(Quad Flat Package)으로 진화했습니다. 칩이 더욱 복잡해지고 I/O 요구 사항이 계속 증가함에 따라 하단 볼 그리드 구조의 BGA 패키징이 주류 기술로 자리 잡았으며, 스마트폰, 태블릿, 메인보드, 디지털 카메라 등 다양한 소비자 전자 제품에 폭넓게 사용되고 있습니다. 기존 패키지에 비해 BGA 패키징은 동일한 기판 면적에서 더 많은 접점(연결 포인트)을 수용할 수 있으며, 짧은 전기 경로를 통해 신호 무결성과 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.

반도체 패키징 공정에서 BGA 솔더 볼은 출하 직전 단계에서 기판에 실장되며, 검사 과정에서는 솔더 볼 누락, 직경 편차, 코플래너리티(Coplanarity, 평탄도) 불량이 없는지 반드시 확인해야 합니다. 이러한 결함이 발생하면 PCB 조립(어셈블리) 수율이 저하될 위험이 있습니다.PCB 어셈블리(SMT) 단계에서는 BGA가 기판에 실장된 후 리플로(Reflow) 공정을 거치게 되며, 이때 검사의 초점은 패키지 하부에 숨겨진 접합부(Joint)로 이동합니다. 이 과정에서 발생할 수 있는 보이드(Void), 헤드 인 필로(Head-in-Pillow), 오픈(Open) 등의 결함은 현장에서의 잠재적인 불량 요인이 될 수 있습니다.
BGA 패키지는 소형 5 × 5 mm급부터 수천 개의 볼을 가진 대형 50 × 50 mm FC-BGA 기판까지 다양한 크기가 있습니다. 검사 과정에서는 수백 마이크론에서 많게는 수십 마이크론 수준까지 정밀하게 수행되어야 합니다.
BGA 검사에서의 4가지 주요 비전 요소
정확한 BGA 검사를 위해서는 여러 검사 기술의 조합이 필요합니다. 2D 검사(AOI)에서는 볼 피치의 균일성, 매트릭스의 설계 그리드 정렬 여부, 누락되거나 추가된 볼 없이 배열이 완전한지를 확인합니다. 3D AOI는 솔더 볼의 높이와 코플래너리티(평탄도)를 검사합니다. 또한 보이드, 헤드 인 필로우, 오픈과 같은 내부 결함을 검출하기 위해서는 X-ray 검사가 필요합니다.

솔더 볼 품질 검사
BGA 검사에서 첫 번째 과제는 각 솔더 볼이 양품인지 여부를 확인하는 것입니다. 일반적인 결함 유형으로는 볼 누락, 과대/과소 볼, 버(Burr), 오정렬 등이 있습니다. 초기의 검사 시스템에서는 0.3MP 해상도의 Basler 산업용 카메라만으로도 기본적인 검사가 가능했습니다. 하지만 최근에는 피치가 더욱 미세해지고 정밀도 요구가 높아지면서, 업계 전반이 0.3MP → 5MP → 20MP 이상으로 꾸준히 업그레이드하고 있습니다. 고해상도 카메라는 더 높은 감도와 낮은 오검출을 제공하여 검사 신뢰도를 높입니다.
BGA 이미지가 획득되면 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 피처 추출 및 분류 작업을 수행합니다. pylon vTools와 같은 툴은 볼의 형상(예: 원형도) 및 면적(과대 혹은 과소 솔더)을 추출할 수 있습니다. 그 후 임계값 분할을 적용하여 최종 품질 검사를 완료합니다.
일관된 이미지 품질과 안정적인 볼 정렬
BGA 검사에는 반사 조건에서 선명한 이미징과 솔더 볼의 정밀한 위치 파악이 모두 필요합니다. 볼 피치가 0.5mm 이하로 줄어들수록, 미세한 광학적 불안정이나 초점 변화만으로도 측정 정확도가 영향을 받을 수 있습니다. Basler 카메라와 프레임 그래버는 고급 기능을 통합하여 소스 단계에서부터 이미지 품질과 기하학적 정밀도를 최적화합니다. HDR 이미징, Blob 분석, 형상 중심점 검출 알고리즘, 포커스 스태킹과 같은 주요 기능은 대비를 향상시키고 정확한 특징 매핑을 보장하며 신뢰할 수 있는 측정 데이터를 제공하여 고속, 미세 피치 BGA 검사에 필수적인 성능을 보장합니다.
BGA inspection requires both clear imaging under reflective conditions and precise localization of solder balls. As ball pitch shrinks to 0.5 mm and below, even slight optical instability or focus variation can affect measurement accuracy. Basler cameras and frame grabbers integrate advanced to optimize image quality and geometric precision directly at the source. Key features such as HDR imaging, Blob Analysis, Shape Centroid Finder and Focus Stacking enhance contrast, ensure accurate feature mapping, and provide reliable measurement data - all essential for high-speed, fine-pitch BGA inspection.

3D 코플래너리티(평탄도) 및 높이 측정
개별 솔더 볼 검사 외에도, BGA 어레이 전체의 피치, 정렬, 완전성을 함께 검증해야 합니다. 2D AOI만으로는 들뜬 볼, 높이 편차, 기판 뒤틀림 등을 확인할 수 없으며, 이러한 요인들은 장기적인 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 때문에 최신 검사 시스템은 3D 검사 기술을 통합 적용하고 있습니다. 그 중에서도 구조광(Structured Light) 3D 검사, 즉 프린지 프로젝션 방식이 일반적으로 사용되며, 전체 어레이의 높이 맵을 빠르게 생성하여 미세한 편차를 식별합니다. 이 방식은 미세한 높이 차이와 공정 변동, 패키지 워페이지 등을 정밀하게 포착하며, 고급 알고리즘을 통한 빠른 3D 데이터 처리가 가능합니다. 이를 통해 허용 오차 밖의 솔더 볼을 정확히 검출하면서도 생산 라인의 택트 타임을 유지할 수 있습니다. 더 높은 정밀도가 요구되는 경우, 레이저 삼각 측정(Laser Triangulation) 방식이 주로 활용되고 있습니다.

안정적인 연결 및 처리 안정성
고속 BGA 검사는 장시간 안정적으로 동작할 수 있는 비전 시스템을 필요로 합니다. 생산 라인의 사이클 타임이 초 단위로 운영되는 환경에서, 데이터 전송 중단이나 처리 지연은 즉시 병목 현상을 초래할 수 있습니다.
Basler의 솔루션은 산업용 카메라 아키텍처와 견고한 통신 프로토콜을 적용하여 까다로운 환경에서도 안정적인 연속 운영을 보장합니다. 이 시스템은 CoaXPress 또는 GigE Vision 인터페이스와 FPGA 기반 전처리 기술을 통해 중단 없는 데이터 전송과 일정한 데이터 처리 속도를 확보합니다.
이러한 FPGA 수준의 전처리는 호스트 CPU 부하를 줄이고 통합을 간소화하는 동시에 연속 작동 환경에서도 일관된 이미지 품질과 측정 정밀도를 보장합니다. 안정적인 연결과 하드웨어 가속의 조합은 고속 반도체 및 PCB 패키징 라인에 요구되는 신뢰성을 제공합니다.
여러 BGA 검사 시스템을 다뤄오면서, 온보드 전처리가 시스템 안정성과 전체적인 성능에 얼마나 직접적인 영향을 미치는지 경험해왔습니다. 이 적용 사례에서 언급된 고급 기능뿐만 아니라, 실시간 FFC, 노이즈 제거, 사용자 정의 필터링과 같은 기능도 일상적인 시스템 통합 과정에서는 매우 중요합니다. 이러한 기능을 카메라나 프레임 그랩버에서 직접 구현하면 이미지 품질을 일정하게 유지하고 처리 부하를 예측 가능하게 만들어 시스템 튜닝 효율을 크게 높일 수 있습니다.

풀 스피드에서도 완벽한 BGA 구현
고해상도 이미징: 5-20 MP 이상의 카메라와 pylon vTools로 원활한 특징 추출과 정밀한 솔더 볼 측정 가능
탁월한 일관성: 배치 간 안정적인 이미징으로 알고리즘 신뢰성을 높이고 오검출률 감소
산업용 신뢰성: 견고한 인터페이스와 FPGA 기반 전처리로 끊김 없는 고속 동작 보장
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