평면도를 순식간에 고정도로 측정하는 방법

물체의 표면이 얼마나 평평한지는 공업 제품을 제조하고 품질을 보증하는 데 매우 중요합니다. 요철의 허용범위는 평면도로 규정하여 공차 안에 들어오도록 관리할 필요가 있습니다. 다만 정확하고 정량적으로 측정할 수 없으면 형상 불량을 놓치고 품질의 유지가 어려워질 뿐만 아니라 다음 공정에 영향을 주거나 수율 저하로 이어질 수 있습니다.
이 페이지에서는 평면도·평탄도에 관한 기초 지식이나 기존 평면도에서의 과제 해결 뿐만 아니라 작업 효율과 정확성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 최신 측정 방법을 설명합니다.

면의 편평함을 규정하는 「평면도」란?
굴곡·비틀림 등에는 「평행도」도 중요
기존 평면도 측정의 과제
- 3차원 측정기를 이용한 평면도 측정의 과제
평면도 측정에서의 과제 해결 방법
요약: 정확한 측정이 어려운 평면도의 측정을 비약적으로 개선·효율화

면의 편평함을 규정하는 「평면도」란?

평면도(flatness)는 앞서 언급한 바와 같이 「평면 형상이 기하학적으로 올바른 평면의 격차 허용값」입니다. 대상 물체 표면의 이미지를 그림으로 나타냅니다.

만일 완전하게 평평한 두 평면에 대상 물체를 상하로 끼웠을 때 그 폭이 나타내는 값이 평면도입니다. 즉 대상 물체가 얼마나 평평한 면이어야 하는지 공차를 지정하고 가장 튀어나온 부분과 가장 함몰된 부분이 상하로 분리된 두 평면 사이의 일정 거리에 있어야 합니다.
아래 그림의 경우 0.1mm 이내의 거리는 공차로 정의됩니다.도면에서 아래 그림과 같이 기호와 숫자로 평면도를 지정합니다.

굴곡·비틀림 등에는 「평행도」도 중요

평면도가 공차를 벗어나는 원인은 다양합니다. 예를 들어 리플로우 공정에서의 기판 실장은 열에 의해 기판이 휘거나 금속판재의 프레스 가공(펀칭·드로잉 등)중 잔류 응력에 의해 의도하지 않는 휨이나 변형률, 요철 형상이 생기는 경우가 있습니다.

열팽창이나 수축, 잔류 응력, 재질이나 두께의 불균등 등이 원인이 되어 휨·굴곡·변형률·비틀림 등이 복합적으로 발생하는 경우가 있습니다. 즉 물체가 형태를 유지한 채로 휘어지지 않습니다. 물체는 3차원적으로 형상이 무너지는 것이 대부분이고 본래 평행해야 할 변이 평행한 상태를 유지하지 못합니다. 「평행도」는 이러한 상태를 규정하기 위해 중요합니다.

평행도는 「2개의 직선 또는 평면이 평행한 것」을 지정하는 기하공차입니다. 평행도가 앞서 소개한 평면도와 크게 다른 점은 「데이텀(기준이 되는 평면, 직선)」을 이용한다는 점입니다.

그림에서 지시선의 화살표가 나타내는 면은 데이텀 평면 A(실제 대상 물체에는 굴곡이나 변형률 등이 있었다고 해도 임시 정의한 평면)에 평행하고 지시선의 화살표 방향으로 0.05mm 정도 떨어진 두 평면 사이에 있어야 한다는 점을 지시하고 있습니다.
금속 플레이트 부자재나 수지제의 시트·필름, 프린트 기판, 스마트폰의 커버 유리 등 얇은 워크에서는 두께의 편차가 휨이나 굴곡, 비틀림, 변형률 등의 원인이 되는 경우가 있어 평면도나 평행도에 영향을 미칩니다.

기존 평면도 측정의 과제

재료를 가공할 때 스트레스(열이나 잔류 응력 등)에 의해 휨이나 굴곡, 변형률 등이 발생하는 케이스는 적지 않습니다. 또한 두께가 얇은 넓은 판 모양의 물체는 보관시의 온도와 열팽창률의 차이에 의해서도 평면도가 공차를 벗어날 수 있어 이는 형상 불량으로 후공정이나 수율에 영향을 미칩니다.

예를 들어 프린트 기판이 휘거나 굴곡진 경우 실장한 전자 부품의 리드 들뜸 등 접점 불량에도 연결됩니다. 또한 웨이퍼의 표면이 휘어지거나 굴곡진 경우 거기에 구축하는 칩의 품질에 영향을 미칩니다. 안정적인 제품 품질을 유지하기 위해서는 가공 전의 부품이나 가공 후의 제품 표면의 형상을 정확하게 측정하고 요구하는 평면도를 유지하고 있는지를 판별하는 것이 중요합니다.

3차원 측정기를 이용한 평면도 측정의 과제

일반적으로 3차원 측정기로 평면도를 측정하기 위해서는 대상 물체의 측정면의 복수 부위에 프로브 선단의 접촉자를 맞추어야 합니다.
측정 범위가 넓을 경우 측정 포인트를 늘려 더 많은 부분의 측정값을 얻어 측정 정도를 향상시킬 수 있습니다.

하지만 이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

점으로 접촉하여 측정해야 하므로 대상 물체 전체의 형상을 파악하는 것이 어렵습니다.
보다 많은 측정값을 얻기 위해서는 다점 측정이 필요하며 많은 공수가 필요합니다. 이와 같이 다점 측정을 하더라도 면 전체의 상세한 모양을 파악하기는 어렵습니다.

평면도 측정에서의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 3차원 측정기는 입체적인 대상 물체·측정 부분에 복수의 점을 접촉해 측정하기 때문에 측정 시간이 걸립니다. 또한 사람에 의한 편차 등 측정값의 신뢰성이 낮고 수치의 데이터화나 계산, 경향 분석 등의 후처리가 쉽지 않은 등의 과제가 있었습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최대 속도 1초 만에 3D 스캔함으로써 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득

「VR 시리즈」는 원 샷 최고 속도 1초만에 대상 물체의 3D 형상을 면(80만점의 데이터)으로 측정할 수 있기 때문에 지금까지 다점 측정에 걸렸던 시간을 비약적으로 단축합니다. 대상 물체 표면 전체의 최대·최소 요철을 순식간에 정확하게 측정해 설정해 놓은 공차로 평면도를 신속하게 평가할 수 있습니다.
또한 임의의 부분에 대한 프로파일 측정이 가능합니다. 측정 후에도 대상 물체를 다시 설정하지 않고 3D 스캔한 데이터에서 다른 부분의 프로파일 데이터를 취득할 수도 있습니다.

장점 2: 간단 설정·조작으로 정량적인 평면도 측정을 실현

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작으로 3D 형상의 측정을 실현했습니다. 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동적으로 위치 보정이 가능하기 때문에 엄격한 레벨링이나 위치 결정을 할 필요가 없습니다. 또 대상 물체의 크기를 판단해 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는「Smart Measurement 기능」을 업계 최초로 탑재해 측정 길이나 Z 범위 등을 하나하나 설정하는 수고를 할 필요가 없어졌습니다.

또한 풍부한 보조 툴을 활용하면 「평면도」 및 「평행도」 측정에 필요한 설정을 쉽게 완료할 수 있습니다.
초보자도 쉽게 조작할 수 있도록 설계되어 있어 전문 지식이나 기술이 필요 없습니다.
측정에 익숙하지 않은 사람도 최고 속도 1초만에 정확한 측정이 가능합니다. 이로 인해 시제품 등에 대한 테스트뿐만 아니라 제품의 측정・검사에 따른 다회차 검사도 문제없이 진행 할 수 있습니다.