2D 콘트라스트로는 안 보이는 것: 3D 구조광 검사가 솔더 조인트 높이를 재는 법

같은 리플로우 라인을 통과한 두 개의 커넥터 리드가 2D 이미지에서는 색상도 밝기도 거의 동일하게 보이는 경우가 있습니다. 하나는 패드에 정상적으로 안착해 있고, 다른 하나는 리드가 살짝 들뜬(lifted lead) 상태인데도, 2D 카메라가 보는 것은 결국 반사광의 밝기와 색 분포일 뿐이라 두 상태를 구분하기 어렵습니다. 조명 각도를 아무리 정교하게 조정해도, 콘트라스트 기반 판정은 “밝기가 다르게 보이는 결함”에는 강하지만 “높이만 다르고 밝기는 비슷한 결함”에는 근본적으로 취약합니다.

이 상태를 방치하면 리드 들뜸이나 솔더 부족처럼 높이 정보로만 구분되는 불량이 검사 라인을 그대로 통과합니다. 후공정에서는 이런 결함이 접촉 불량이나 단선으로 이어질 때까지 드러나지 않는 경우가 많고, 클레임 단계에서야 원인이 리드 높이 편차였다는 사실이 밝혀지면 이미 유출 수량을 되돌릴 수 없습니다. 이 글에서는 콘트라스트가 아니라 실제 표면의 3차원 형상을 재구성하는 3D 구조광 검사가 어떻게 이 문제를 해결하는지, 그리고 솔더처럼 정반사가 강한 재질에서는 어떤 한계가 남는지를 정리합니다.

2D 콘트라스트가 높이 정보를 담지 못하는 이유

2D 머신 비전은 대상물에서 반사된 빛의 밝기·색상 분포를 2차원 평면 이미지로 기록합니다. 리드가 정상 높이에 있든 살짝 들떠 있든, 표면 재질과 조명 조건이 같다면 반사되는 빛의 양 자체는 크게 다르지 않을 수 있습니다. 즉 2D 이미지는 “그 지점에서 빛이 얼마나 반사됐는가”는 담아도 “그 지점이 기준면에서 얼마나 떨어져 있는가”는 직접 담지 못합니다. 높이 차이가 그림자나 하이라이트의 형태 변화로 간접적으로 드러나는 경우도 있지만, 이는 조명 각도·리드 형상·주변 부품 배치에 따라 일관성이 떨어져 오검출과 미검출을 동시에 늘리는 원인이 됩니다.

3D 구조광 검사는 이 문제를 다른 방식으로 접근합니다. 카메라 대신(혹은 카메라와 함께) 프로젝터가 알려진 패턴의 빛을 대상물에 투영하고, 그 패턴이 표면의 높이 차이에 따라 어떻게 휘거나 이동하는지를 역산해 실제 3차원 형상을 재구성합니다. CKD의 특허(US7245387B2, 공개번호 US20050254066A1)는 이 원리를 구체적으로 보여줍니다[특허 참고]. 서로 다른 위상을 가진 세 개의 정현파(sine wave) 패턴을 크림 솔더가 인쇄된 PCB 표면에 순차 투영하고, 각 패턴에서 얻은 이미지 데이터의 상대 위상(relative phase) 변화를 계산해 솔더 높이를 산출하는 위상천이(phase-shift)법입니다. 이 방식의 핵심은 밝기 자체가 아니라 “패턴이 얼마나 이동했는가”를 측정 대상으로 삼는다는 점으로, 밝기 편차에 취약한 콘트라스트 기반 검사의 근본 한계를 회피합니다.

무아레와 위상천이, 그리고 정반사라는 공통 난제

3D 구조광 검사에는 위상천이 외에도 무아레(moiré) 방식이 널리 쓰입니다. Koh Young Technology의 특허(US7400413B2)는 섀도 무아레(shadow moiré) 방식을 다루는데, 그레이팅(격자)과 빔 스플리터를 이용해 대상물에 반사된 격자 패턴을 촬영하고, 그레이팅을 이동시키며 얻은 여러 이미지에서 무아레 프린지의 변화를 계산해 3차원 형상을 산출합니다[특허 참고]. 이 특허에서 특히 주목할 부분은, 대상물의 형상에 따라 여러 조명부(illuminating part)를 선택적으로 켜고 끄도록 제어한다는 점입니다. 즉 정반사가 강한 부위와 확산 반사가 강한 부위가 한 화면에 섞여 있을 때, 모든 조명을 동시에 켜는 것이 아니라 대상 형상에 맞춰 조명 조합을 바꿔야 정확한 무아레 프린지를 얻을 수 있다는 것을 전제로 설계되어 있습니다.

이 지점은 09-02에서 다룬 교차 편광이나 09-03에서 다룬 HDR 멀티 노출과 본질적으로 같은 문제, 즉 니켈·주석 도금 커넥터 리드 같은 정반사 표면과 무광 레지스트·기판 같은 확산 반사 표면이 한 시야에 혼재할 때 발생하는 난제로 이어집니다. 다만 3D 구조광 검사에서는 이 문제가 “밝기가 안 보인다”가 아니라 “패턴이 왜곡되거나 소실된다”는 형태로 나타납니다. 정반사 영역에서는 투영된 그레이팅 패턴이 카메라 방향으로 정반사되지 않고 다른 방향으로 튕겨 나가버려, 그 지점의 위상 정보 자체를 얻지 못하는 경우가 생깁니다. Koh Young의 또 다른 특허(US8437533B2)는 이를 보완하기 위해 3차원 측정용 조명과 2차원 측정용 조명을 별도로 두고, 두 반사 이미지를 비교해 검사 영역의 왜곡을 정렬하는 구조를 제시합니다[특허 참고]. 3D 형상 측정만으로는 정반사 영역의 데이터 결손을 완전히 메우기 어렵기 때문에, 2D 반사 이미지를 보조 정보로 함께 활용하는 접근입니다.

2026년 3D AOI 도입 현황과 광학 셋업

업계 자료에 따르면 2026년 들어 3D AOI(Automated Optical Inspection)로의 전환이 뚜렷해지고 있으며, 구조광 투영·레이저 삼각측량·무아레 간섭계 방식을 통해 2D 시스템 대비 오검출(false-call) 비율을 60~80% 낮추고, 결함 검출 건수를 최대 약 30% 늘렸다는 보고가 있습니다[1][2]. 실제 상용 장비로는 다중 방향(4방향) 프로젝터로 무아레 라인을 기록하고 8단계 컬러 조명 시스템과 결합해 부품 형상·솔더 조인트 경사를 판정하는 3D AOI 시스템이 있으며, 15 MP 카메라와 10~15 μm 텔레센트릭 렌즈를 조합해 높이 방향 ±5 μm 수준의 정확도를 표기하고 있습니다[3](구체 스펙은 장비·대상별 재검증 필요). 코 영(Koh Young)은 2002년부터 이중 프로젝션 무아레 기반 3D 솔더 페이스트 검사(SPI)를 업계 최초로 상용화한 이력을 공개하고 있으며, 2026년에는 반도체·첨단 패키징 영역으로 측정 기술을 확장하고 있다고 밝히고 있습니다[4].

핵심 골격 매칭표

아래 표는 PCB 커넥터 리드 들뜸(lifted lead) 및 솔더 높이 결함을 3D 구조광 검사로 검출하는 예시 셋업입니다. 실제 파라미터는 대상 부품·솔더 재질·장비 사양에 따라 달라지므로, 사양 확정 전 반드시 확인이 필요합니다.

구분	항목	값 / 사양
① 최소 검출 불량 사이즈	리드 들뜸/솔더 높이 편차 기준	30 μm (예시 기준, 대상별 재검증 필요)
② 광학 셋업 — 조명(프로젝터)	구조광 방식	다중 방향(예: 4방향) 무아레 그레이팅 또는 위상천이 정현파 패턴 투영[특허 참고]
② 광학 셋업 — 조명 보조	정반사 보완	3D 측정용 조명과 별도의 2D 측정용 조명 병행 배치(정반사 영역 데이터 결손 보완)[특허 참고]
② 광학 셋업 — 카메라/렌즈	카메라 해상도 및 렌즈	15 MP급 카메라 + 10~15 μm 텔레센트릭 렌즈(예시)[3]
② 광학 셋업 — WD	작동 거리	다중 방향 프로젝터·카메라 배치 공간을 고려한 WD 확보 필수(장비별 상이, 확인 필요)
③ 알고리즘 파라미터	높이 산출 방식	위상천이(phase-shift, 정현파 3단계 이상) 또는 섀도 무아레 프린지 해석[특허 참고]
③ 알고리즘 파라미터	판정 기준	클래스별 코플래너리티(coplanarity)·리드 높이 임계값 개별 설정
③ 알고리즘 파라미터	목표 정확도	높이 방향 ±5 μm 수준(예시, 장비·대상별 재검증 필요)[3]

이 매칭표가 보여주는 시사점은, 3D 구조광 검사가 콘트라스트로는 구분되지 않던 높이 결함을 잡아내는 대신, 정반사 표면에서 패턴 자체가 소실되는 새로운 난제를 떠안는다는 점입니다. 결국 3D 측정 하나만으로 완결되지 않고, 2D 보조 조명·다중 방향 프로젝터·클래스별 임계값 설정이 함께 맞물려야 실효성을 확보할 수 있습니다.

비교 관점: 언제 2D로 충분하고, 언제 3D가 필요한가

모든 검사 대상에 3D 구조광 검사가 필요한 것은 아닙니다. 대상 부품이 평면 형상이고 결함이 색상·패턴 차이로 명확히 드러나는 인쇄 결함이나 이물 검출 위주라면, 처리 속도와 장비 비용 면에서 2D 검사가 여전히 유리한 조건일 수 있습니다. 반대로 리드 들뜸, 솔더 높이 부족, 부품 공면성(coplanarity)처럼 결함의 본질이 “높이 차이”인 경우에는 2D 콘트라스트만으로는 원리적으로 한계가 있어 3D 구조광 검사가 필요합니다. 다만 앞서 살펴본 것처럼 정반사가 매우 강한 재질·형상 조합에서는 구조광 패턴 자체가 소실되는 영역이 남을 수 있어, 이 경우의 실제 검출 가능 여부는 샘플 테스트 전 확언할 수 없습니다.

현장 체크포인트

• WD(작동 거리)가 다중 방향 프로젝터·카메라의 물리적 배치를 방해하지 않는 여유를 포함해 확보되어 있는지 확인합니다.
• 검사 대상의 표면 재질별 반사율(솔더의 정반사 vs 기판·레지스트의 확산 반사)을 사전에 파악하고, 정반사 영역에 대한 2D 보조 조명 또는 다중 방향 조명 전환 로직이 마련되어 있는지 점검합니다.
• 높이 임계값을 전체 대상물에 단일 기준으로 적용하지 말고, 리드·솔더·부품 케이스별로 코플래너리티 기준을 분리해 설정합니다.
• 신규 부품·솔더 재질을 도입할 때는 반드시 샘플 테스트를 통해 구조광 패턴 소실 여부를 재확인합니다.

참고자료

• [1] 3D AOI 산업 동향(2026), 구조광/레이저 삼각측량/무아레 간섭계 방식 오검출률 60~80% 저감·검출률 약 30% 향상 보고
• [2] JLCPCB, “3D AOI Inspection: Why It Beats 2D AOI in PCB Assembly”
• [3] MIRTEC MV-6 OMNI 3D Inline AOI 시스템 공개 사양(Blue DLP 무아레, 15 MP 카메라, 10~15 μm 텔레센트릭 렌즈, ±5 μm 높이 정확도)
• [4] Koh Young Technology, 2002년 이중 프로젝션 무아레 기반 3D SPI 상용화 이력 및 2026년 반도체·첨단 패키징 확장 발표
• [특허 참고] US7245387B2(공개 US20050254066A1) — CKD Corp, “Three-dimensional measuring instrument” (위상천이 3D 솔더 높이 측정)
• [특허 참고] US7400413B2 — Koh Young Technology Inc, “Three-dimensional shape measuring apparatus using shadow moire”
• [특허 참고] US8437533B2 — Koh Young Technology Inc, “Method of measuring a three-dimensional shape”

※ 위 내용 중 구체적 수치(불량 사이즈, 정확도, WD 등)는 예시 기준이며, 실제 적용 전 샘플 테스트를 통한 재검증이 필요합니다.