JP5521224B2 - 超音波プローブ，それを用いた超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波プローブ，それを用いた超音波検査装置及び超音波検査方法に係り、特に、アニュラアレイタイプを用いるに好適な超音波プローブ，それを用いた超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。

半導体やＩＣなどの微細な構造物（検査対象）の内部のはく離やボイドなどの検査においては、従来、単一焦点型の超音波プローブをスキャナなどにより機械的に二次元走査する方法が実用化されている。

この方法では、単一焦点型の超音波プローブで検査対象内部の検査対象部位に焦点を結んで超音波を送・受信して、検査部位から超音波の反射波を受信して電気信号に変換した受信信号にゲート処理を行うことで、受信信号に含まれている反射波の強度を求める。この様なことをスキャナで超音波プローブを機械的に二次元方向に移動させて二次元方向の多点において実施し、求めた反射波の強度を二次元空間に並べるマッピングを行うに必要な画像データを作成し、その画像データに基づいて検査部位の検査画像を表示装置に表示して欠陥の有無を調べるものである（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

しかしながら、前記単一焦点型の超音波プローブを二次元方向に移動させて機械的に走査する方法では、検査対象部位の焦点位置を変更する場合には、超音波プローブを超音波伝搬方向（前記二次元方向に直交する方向）に機械走査する必要があった。

また、超音波伝搬方向に焦点を電子的に走査する超音波プローブにアニュラアレイ超音波プローブを用いることが知られている。アニュラアレイ超音波プローブは、同心円に環状配列された超音波振動素子を有している（例えば、非特許文献１の図３．６０参照）。

特開平５−２３２０９２号公報 特開平７−２４４０３０号公報

超音波便覧編集委員会編，「超音波便覧」，丸善株式会社，平成１１年８月３０日，ｐ．１２８

近年の検査対象である半導体やＩＣの構造は微細化の一途をたどっている。半導体の構造が微細化する一方で、複数の材質により構成され、検査体内部に検査必要部位が複数層ある場合が増加している。

しかしながら、特許文献１や特許文献２記載の超音波検査装置に、非特許文献１記載のアニュラアレイ超音波プローブを適用した場合、超音波伝搬方向に焦点位置を電子的に走査可能であるが、電子的に走査する焦点位置範囲での感度及び分解能のばらつきが大きく、特に検査層が深くなるほど収録データより得られる画像は鮮明さが劣化する。これは、環状配列された複数の超音波素子は、それぞれの面積が等しい等面積の構成となっているため、超音波プローブ全体としての開口径を大きくできないためである。

本発明の目的は、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できる超音波プローブ，それを用いた超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積に形成され、外周側は、径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できるものとなる。

（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側は径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、径方向の幅が等しい等幅であるとともに、内周側の幅よりも狭く形成された信号電極とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できるものとなる。

（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、円環状で、かつ、同心状に配置された複数の振動素子を有する超音波プローブと、該超音波プローブを用いて、検査対象に超音波を送信する送信部と、前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置であって、前記超音波プローブは、高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積か、径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、内周側よりも幅の狭い径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備え、前記制御部は、前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、複数の振動素子の内、使用する振動素子を選択する切替制御回路と、前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させる遅延制御回路と、前記走査手段による２次元走査を制御する走査制御回路とを備え、前記送信部は、前記切替制御回路からの指令により、使用する振動素子を選択し、また、前記遅延制御回路からの指令により、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、異なる複数の焦点位置に対する超音波の送信を行うようにしたものである。
かかる構成により、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できるものとなる。

（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、円環状で、かつ、同心状に配置された複数の振動素子を有する超音波プローブと、該超音波プローブを用いて、検査対象に超音波を送信する送信部と、前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、前記超音波プローブとして、高分子圧電膜と、該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積か、径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、内周側よりも幅の狭い径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備えたものを用い、前記制御部は、前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、複数の振動素子の内、使用する振動素子を選択し、前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させ、前記送信部は、使用する振動素子を選択し、また、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、異なる複数の焦点位置に対する超音波の送信を行い、前記走査手段により、２次元走査を行うようにしたものである。
かかる方法により、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できるものとなる。

本発明によれば、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに複数の検査層を検査して、各検査層の画像を鮮明に取得できる超音波プローブ，それを用いた超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。

本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の構成図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信側の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置の受信側の説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による３次元スキャンの説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査結果に関する説明図である。 本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の他の構成を示す平面図である。

以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。

検査対象１００は、例えば、半導体装置などである。検査対象１００が半導体装置の場合、検査対象１００は、例えば、配線基板１００Ａと、配線基板１００Ａの上に形成された第１の半導体層１００Ｂと、第1の半導体層１００Ｂの上に形成された第２の半導体層１００Ｃと、第１及び第２の半導体層１００Ｂ，１００Ｃを封止する絶縁性のパッケージ部材１００Ｄとからなる。

ここで、本実施形態による超音波検査装置は、検査対象１００の配線基板１００Ａと第１の半導体層１００Ｂとの間、第1の半導体層１００Ｂと第２の半導体層１００Ｃとの間、第２の半導体層１００Ｃとパッケージ部材１００Ｄとの間のはく離やボイドなどを検査するために用いられる。

本実施形態による超音波検査装置は、探傷部１０１と、送・受信部１０２と、制御部１０３と、表示部１０４とから構成される。

探傷部１０１は、検査対象１００に超音波を送・受信するアニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａと、超音波プローブ１０１Ａに備えられた圧電振動素子１０１Ｂと、超音波プローブ１０１Ａを走査する走査手段１０１Ｃとからなる。

圧電振動素子１０１Ｂは、図３を用いて後述するが、環状の超音波素子が同心円状に配置されたものである。圧電信号素子１０１Ｂは、Ｘ−Ｙ平面上に配置されている。圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、例えば、検査対象１００の配線基板１００Ａと第１の半導体層１００Ｂとの間に集束するように、送・受信部１０１によって制御される。この超音波が集束する位置は、Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に、電子的に変えることができる。すなわち、電子的にスキャンできる。

一方、Ｘ方向及びＹ方向については、超音波プローブ１０１Ａは、走査手段１０１Ｃによって機械的に走査できる。

送・受信部１０２は、パルサ１０２Ａと、レシーバ１０２Ｂとを備える。パルサ１０２Ａは、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａに遅延時間を与えて超音波を送信するために電圧を印加する。パルサ１０２Ａは、送信遅延回路１０２Ｃと、送信切替回路１０２Ｄと、送信増幅器１０２Ｅとを備えている。

レシーバ１０２Ｂは、超音波プローブ１０１Ａによって受信した超音波を、アナログ・デジタル変換して受信信号とするとともに受信の遅延時間を与える。レシーバ１０２Ｂは、受信切替回路１０２Ｉと、受信増幅器１０２Ｈと、Ａ／Ｄ変換器１０２Ｇと、遅延メモリ１０２Ｆとを備える。

制御部１０３は、走査制御回路１０３Ａと、切替制御回路１０３Ｂと、遅延制御回路１０３Ｃと、加算回路１０３Ｄと、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅと、記憶装置１０３Ｆとを備える。

走査制御回路１０３Ａは、走査手段１０１Ｃによるアニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａの走査を制御する。切替制御回路１０３Ｂは、超音波の送・受信に使用する素子を切り替える。遅延制御回路１０３Ｃは、送・受信時の遅延時間を制御する。加算回路１０３Ｄは、受信信号を加算する。制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、これらを制御し、受信した信号を収録するとともに処理を行う。記憶装置１０３Ｆは、切替制御回路１０３Ｂによる切替制御の情報や、遅延制御回路１０３Ｃによる遅延制御の際に用いる遅延時間の情報などを保持している。

表示部１０４は、受信信号及び検査画像を表示するものである。表示部１０４は、検査モード切替器１０４Ａを備えている。表示部１０４には、受信信号を表示する第１表示部１０４Ｂや、検査結果の画像を表示する第２表示部１０２Ｃがある。検査モード切替器１０４Ａは、受信信号を表示するか、画像を表示するかなど検査モードを切り替える。

次に、本実施形態のアニュラアレイ超音波プローブによる検査装置の動作について説明する。

まず、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、走査手段１０１Ｃを動作する際には走査制御回路１０３Ａへ制御信号を送信し、超音波を送・受信して検査対象からの反射信号を収録する際には切替制御回路１０３Ｂへ超音波を送・受信する圧電振動素子１０１Ｂの選択のための送・受信素子切替信号を送信するとともに遅延制御回路１０３Ｃを通じて超音波を集束して送・受信するための各圧電振動素子１０１Ｂへの遅延時間を与える。

送信信号と遅延時間を受取った送信遅延回路１０２Ｃは、与えられた遅延時間で送信信号を送信切替手段としての送信切替回路１０２Ｄに送る。送信切替回路１０２Ｄは、送信遅延回路１０２Ｃから遅延時間を付与して送信された送信信号を受け、切替制御回路１０３Ｂからの送信素子切替信号に基づき、送信素子を切替えて、送信信号を送信増幅器１０２Ｅへ送信する。送信増幅器１０２Ｅは送信信号を増幅してアニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａの各電圧振動素子に超音波を送信するための駆動電圧を印加する。この際に、送信切替回路１０２Ｄは、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａが持つ一部の圧電振動素子１０１Ｂに対して、個々にあるいは複数の圧電振動素子１０１Ｂに同時に送信信号を送ることが可能である。一般には送受信素子の切替にマルチプレクサ等の切替器を用いる。

次に、増幅された送信信号を受けた複数の圧電振動素子１０１Ｂは、圧電効果で超音波を送信するが、ここでは、複数の圧電振動素子１０１Ｂの超音波の送・受信について説明する。前述の説明のように、送信信号に遅延時間を与えて圧電振動素子１０１Ｂに電圧を印加すると、各圧電振動素子１０１Ｂは遅延時間に対応した時間遅れで超音波を送信する。超音波を集束する場合には、各圧電振動素子１０１Ｂから集束位置までの幾何学的な距離、つまり各媒質での超音波の音速と境界面での屈折を考慮した距離に対応した遅延時間で各電圧振動素子に電圧を印加する。例えば、検査対象が複数の材質により構成される場合には、式（１）で示されるスネルの法則で、各媒質間での屈折角度を求め、超音波の幾何学的な伝搬経路を計算し、圧電振動素子１０１Ｂの遅延時間を決定する。

ｓｉｎθ１／ν１＝ｓｉｎθ２／ν２ …（１）

ここで、θは超音波の入射角度及び屈折角度、ｖは音速、θ及びｖの添え字１、２は媒質番号である。このようにして、検査対象の所定の位置に超音波を集束して送信する。

一方、超音波を受信する際には、圧電振動素子１０１Ｂのそれぞれで受信した超音波に対応して、圧電効果により生じた受信信号を受信切替回路１０２Ｉで受信素子を個々あるいは複数切替えて受信する。更に、受信信号を受信増幅器１０２Ｈで増幅して、アナログ−デジタル変換器１０２Ｇでアナログであった受信信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された受信信号は、記憶装置である遅延メモリ１０２Ｉに記憶される。この際に、遅延メモリ１０２Ｆでは、超音波送信時と同様に超音波を焦点に集束して受信する際には、遅延制御回路１０３Ｃから送信された遅延時間を各素子からの受信信号に付与して、記憶される。更に、遅延時間を与えられた受信信号は、加算回路１０３Ｄで加算され、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅに送られる。

次に、図２を用いて、本実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部１０１の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる探傷部の構成を示す斜視図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、一般におけるアニュラアレイ超音波プローブを用いた超音波検査の走査方法を説明する。水槽２０１は水で満たされており、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａを水浸させて検査を行う。走査手段１０１Ｃにより、Ｘ方向及びＹ方向に機械的に移動させて、二次元方向を走査する。一方、アニュラアレイ超音波プローブ１０１Ａの圧電振動素子１０１Ｂへ送る送信信号の遅延時間を制御して、水面２０１Ａから水槽の底面２０１Ｂの方向に超音波を送信し集束させて焦点ｆを形成し、焦点深さ方向（Ｚ方向）に電子的に走査する。

次に、図３を用いて、本実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子１０１Ｂの構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の構成図である。図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ｂ）は断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図３（Ａ）に示すように、本実施形態の圧電振動素子１０１Ｂは、８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８から構成されている。振動素子Ｓ１の平面形状は円形である。振動素子Ｓ２，…，Ｓ８の平面形状は、円環状である。各振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８は、同心状に配置されている。また、各素子の間には、ギャップが設けられている。

ここで、内周部側に配置される４個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、その平面上の面積が等しい等面積素子である。また、これらの外周に配置される４個の振動素子Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、その径方向の幅が等しい等幅素子である。そして、ギャップの径方向の幅はいずれも等しくしている。

なお、振動素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を等面積素子とし、振動素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を等幅素子としてもよいものである。また、振動素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５を等面積素子とし、振動素子Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を等幅素子としてもよいものである。また、振動素子の数は、８個として例示しているが、一般的には、１６個や３２個の素子が用いられる。いずれにしても、円環状の振動素子が同心状に配置される圧電振動素子において、内周部側は等面積素子とし、外周側を等幅素子とする。

これにより圧電振動素子全体としての開口径を大きくできる。すなわち、従来、例えば、非特許文献１に記載のように、全ての素子を等面積素子とし、例えば、３２個の素子を同心状に配置した場合、外周側の素子は円環の半径が大きくなる分、幅が狭くなる。その結果、圧電素子全体としての開口径は大きくできず、ある程度の大きさに制限される。

また、内周側を等面積とすることで、内周側の振動素子Ｓ１，…，Ｓ４から送信する超音波の音圧を一定にすることができる。その結果、焦点位置における音圧を上げることができる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、圧電振動素子１０１Ｂは、バッキング材Ｂ１にＦＰＣ基板Ｂ２が接着されている。ＦＰＣ基板Ｂ２の表面には、予めアニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３がプリントされている。ＦＰＣ基板Ｂ２がアニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３がプリントされていない面が、バッキング材Ｂ１に接着されている。ＦＰＣ基板Ｂ２の、アニュラアレイ形状の信号電極がプリントされた面に圧電膜Ｂ４が接着されている。圧電膜Ｂ４の上には、接地電極Ｂ５が形成されている。

信号電極Ｂ３，圧電膜Ｂ４，接地電極Ｂ５からなる積層構造体において、信号電極Ｂ３のみが、図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８と同様に、円環状で、かつ、同心円状に形成されている。圧電膜Ｂ４及び接地電極Ｂ５は、８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８及びそれぞれの間のギャップを含めた形状となっている。アニュラアレイ形状の信号電極Ｂ３は、８個の円環状からなり、それぞれが、図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８に対応する。そして、例えば、最内周の信号電極Ｂ３と、圧電膜Ｂ４及び接地電極Ｂ５によって、一つの振動素子Ｓ１が構成される。

バッキング材Ｂ１としては、例えばポリテトラフルオロチレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート等の合成樹脂を用いる。圧電膜Ｂ４としては、例えばポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体等の高分子圧電膜を用いる。信号電極Ｂ３及び接地電極Ｂ５としては、例えば金、銀、銅、白金、アルミニウム等の金属を用いる。

図３（Ａ）に示した８個の振動素子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓ８において、振動素子Ｓ８の外径が例えば、１０ｍｍ程度の場合、個々の振動素子の間のギャップは、例えば、数十μｍ程度であり、最外周の振動素子Ｓ８の幅も数十μｍ程度である。ここで、圧電膜Ｂ４として、高分子圧電膜を用いた場合、数十μｍ程度の幅に加工したり、ギャップを数十μｍとするのが加工が難しいものである。それに対して、信号電極Ｂ３は、金等の金属であるため、エッチング等の手法により容易に数十μｍの線幅やギャップとできるため、本実施形態では、信号電極Ｂ３のみをアニュラー形状としている。なお、信号電極Ｂ３をアニュラー形状とする代わりに、接地電極Ｂ５としている側をアニュラー形状とすることもできる。この場合、信号電極側が接地電極として用いられる。

次に、図４〜図６を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査方法の原理について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の送信側の説明図である。図５は、本発明の一実施形態による超音波検査装置の受信側の説明図である。図６は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による３次元スキャンの説明図である。なお、図４〜図６において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

最初に、図４を用いて、送信時の検査原理について説明する。

本実施形態では、検査層の数と焦点位置等の検査条件を設定して制御・処理用コンピュータ１０３Ｅにより、例えば前述の遅延時間の計算法により各検査層の遅延時間を計算する。次に、各検査層の検査で使用する圧電振動素子１０１Ｂを選択する。これらの遅延時間及び使用する素子の情報は、記憶装置１０３Ｆに記憶されている。

送信遅延回路１０２Ｃは、図示のように、使用する素子及び遅延時間が設定される。例えば、遅延時間ＤＡは、図中の黒丸で示すように、使用する素子は、内周側の３素子とする。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３とする。そのときの遅延時間は、中央の素子Ｓ１の遅延時間が一番長く、外周に行くに従って、図示のように遅延時間が短くする。このような使用する素子及び遅延時間としたとき、図４の下の方に示すように、圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、検査対象１００の内部の焦点位置ｆＡに集束する。

また、遅延時間ＤＢは、図中の黒丸で示すように、使用する素子は、内周側の５素子とする。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，…，Ｓ５とする。そのときの遅延時間は、中央の素子Ｓ１の遅延時間が一番長く、しかも、遅延時間ＤＡの場合よりも長くする。また、外周に行くに従って、図示のように遅延時間が短くする。このような使用する素子及び遅延時間としたとき、図４の下の方に示すように、圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、検査対象１００の内部の焦点位置ｆＢに集束する。すなわち、遅延時間ＤＡとした場合よりも、頂点位置ｆＢが遠くなる。

また、遅延時間ＤＣは、図中の黒丸で示すように、使用する素子は、全ての８素子とする。例えば、図３（Ａ）の例では、素子Ｓ１，…，Ｓ８とする。そのときの遅延時間は、中央の素子Ｓ１の遅延時間が一番長く、しかも、遅延時間ＤＢの場合よりも長くする。また、外周に行くに従って、図示のように遅延時間が短くする。このような使用する素子及び遅延時間としたとき、図４の下の方に示すように、圧電振動素子１０１Ｂから送信された超音波は、検査対象１００の内部の焦点位置ｆＣに集束する。すなわち、遅延時間ＤＢとした場合よりも、頂点位置ｆＣが遠くなる。

ここで、焦点距離ｆＡの位置が、例えば、図１にて説明した第２の半導体層１００Ｃとパッケージ部材１００Ｄの位置である。また、焦点距離ｆＢの位置が、例えば、図１にて説明した第1の半導体層１００Ｂと第２の半導体層１００Ｃとの間の位置である。また、焦点距離ｆＣの位置が、例えば、図１にて説明した検査対象１００の配線基板１００Ａと第１の半導体層１００Ｂとの間の位置である。これらの各層の界面に超音波を集束して、これらの界面におけるはく離やボイドなどを検査する。

そこで、送信切替回路１０２Ｄにより選択した圧電振動素子１０１Ｂに計算した遅延時間Ｄの内、遅延時間ＤＡを与えた送信信号を送り、検査層で超音波を集束させ、検査層に焦点ｆＡを形成する。送信の際の圧電振動素子の選択は、例えば各検査層の焦点距離と選択する圧電振動素子の最外径の比において一定になるかまたはそのばらつき偏差が小さくなるように選択する。すなわち、図示の例において、ｆＡ／ｒＡ＝ｆＣ／ｒＣとなるようにする。但し、これらの比が正確に一致しない場合もあるので、そのときは、そのばらつき偏差が小さくなるようにする。

図４に示すように、圧電振動素子１０１Ｂを構成する複数の振動素子の内、使用する素子を、焦点位置に応じて選択するのは次の理由による。例えば、焦点距離ｆＡのように、焦点距離が短い場合、図３（Ａ）に示す最外周の素子Ｓ８から焦点位置（図４の焦点距離ｆＡの位置に示す白丸の位置）に超音波を送信しようとすると、素子Ｓ８から白丸の位置に向かう角度により、検査対象１００のパッケージ部材１００Ｄの表面（媒質である水と、パッケージ部材１００Ｄの界面）において、超音波が反射することとなる。従って、素子Ｓ８からの超音波は、諸焦点距離ｆＡの焦点位置には到達できないため、焦点位置ｆＡに超音波を送信する場合には、内周側の素子のみを使用することになる。

次に、受信時について説明する。図５に示すように、焦点ｆＡで反射した超音波を圧電振動素子１０１Ｂで受信して、受信信号を得る。受信の際の圧電振動素子は、受信切替回路１０２Ｉにより選択されるが、例えば送信の際に選択した圧電振動素子を選択する方法や全素子を選択し使用する方法等がある。図示の例では、全素子を選択している。受信信号は、遅延メモリ１０２Ｆにて、遅延時間ＤＡ’で遅延され、図１の加算回路１０３Ｄで加算され、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅに送られる。制御・処理用コンピュータ１０３Ｅでは、遅延時間の発信間隔時間により収録データを各検査層の範囲で分割処理する。

また、焦点ｆＢで反射した超音波や、焦点ｆＣで反射した超音波についても、同様に受信して、信号処理する。

次に、図６に示すように、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的にＸ−Ｙ平面内で、二次元方向に移動させる。例えば、圧電振動素子１０１Ｂは、原点の位置を（ｘ０，ｙ０）とし、最大移動された位置を（ｘｍ，ｙｎ）とすると、走査手段１０１Ｃは、Ｘ方向に（ｘｍ−ｘ０）だけ移動し、Ｙ方向に（ｙｎ−ｙ０）だけ移動する。

そして、例えば、位置（ｘ０，ｙ０）において、焦点位置を位置ｆＡ，位置ｆＢ，位置ｆＣのように、電子的にスキャンし、各焦点位置における超音波の反射波を検出する。それが終了すると、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的移動して、例えば、次の位置（ｘｉ，ｙｊ）において、焦点位置を位置ｆＡ，位置ｆＢ，位置ｆＣのように、電子的にスキャンし、各焦点位置における超音波の反射波を検出する。それが終了すると、走査手段１０１Ｃにより圧電振動素子１０１Ｂを、機械的移動して、例えば、最後の位置（ｘｍ，ｙｎ）において、焦点位置を位置ｆＡ，位置ｆＢ，位置ｆＣのように、電子的にスキャンし、各焦点位置における超音波の反射波を検出する。

これらの二次元方向の機械的走査と、Ｚ軸方向に焦点位置を電子的に変える電子的走査を繰り返して、各点の収録データを得る。

次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査内容について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、検査層の数及び焦点位置等の検査条件を設定し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ２０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、遅延時間を設定し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ３０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、各検査層の使用素子数を選択し、記憶装置１０３Ｆに記憶する。

次に、ステップＳ４０において、検査を実行するが、その際、遅延制御回路１０３Ｃは、ステップＳ２０にて記憶された送信遅延時間を送信遅延回路１０２Ｃや遅延メモリ１０２Ｆに設定する。また、切替制御回路１０３Ｂは、ステップＳ３０にて記憶された使用素子数を送信切替回路１０２Ｄや受信切替回路１０２Ｉに設定する。そして、超音波を圧電振動素子１０１Ｂを送信し、検査対象１００からの反射波を受信する。

次に、ステップＳ５０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、各層毎にデータを分割する。

そして、ステップＳ６０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、全検査涼気データの収録が収集したか否かを判定して、終了していなければ、以上の処理を、操作制御回路１０３Ａにより、走査手段１０１ＣをＸ−Ｙ面内で移動して繰り返し実行される。

そして、ステップＳ７０において、制御・処理用コンピュータ１０３Ｅは、表示部１０４に各層のデータを表示する。

なお、感度の小さい検査層があった場合には、使用素子数を変化させて再検査を行う。使用素子数の変化は、例えば感度の小さい検査層の使用素子数を増加させる方法等により行う。例えば予め各検査層の波高値のばらつき範囲を設定し、検査により得られる収録データのばらつきを照合する方法等により、検査の終了を判定する。

次に、図８を用いて、本実施形態による超音波検査装置による検査結果について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による超音波検査装置による検査結果に関する説明図である。

このようにして得られた収録データは、図８に示すように感度及び分解能の特性において、焦点距離依存性が少なくばらつきが小さい情報である。これらの収録データに基づいて画像を作成することで、超音波伝搬方向（Ｚ軸方向）の機械走査を行わずに検査層の深さに関わらず鮮明な画像が表示される。

次に、図９を用いて、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の他の構成について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による超音波検査装置に用いる圧電振動素子の他の構成を示す平面図である。

本例では、図３（Ａ）と同様に、圧電振動素子１０１Ｂ’は、８個の振動素子Ｓ１’，Ｓ２’，…，Ｓ８から構成されている。振動素子Ｓ１’の平面形状は円形である。振動素子Ｓ２’，…，Ｓ８の平面形状は、円環状である。各振動素子Ｓ１’，Ｓ２’，…，Ｓ８は、同心状に配置されている。また、各素子の間には、ギャップが設けられている。

ここで、内周部側に配置される４個の振動素子Ｓ１’，Ｓ２’，Ｓ３’，Ｓ４’は、その径方向の幅が等しい等幅素子である。また、これらの外周に配置される４個の振動素子Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、その径方向の幅が等しい等幅素子である。但し、外周側に配置される素子Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８の幅は、内周部側に配置される４個の振動素子Ｓ１’，Ｓ２’，Ｓ３’，Ｓ４’の幅よりも狭くしている。

圧電振動素子１０１Ｂ’の断面構成は、図３（Ｂ）に示したものと同様である。

本例においても、圧電振動素子全体としての開口径を大きくできる。但し内周側の素子の面積は、中心側が小さく、外周に行くに従って大きくなるため、音圧が一定にはできないものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、感度及び分解能の焦点距離に依存するばらつきを低減させることができるため、超音波伝搬方向の機械走査を行わずに検査層が深くなる場合の画像も鮮明に取得できる。更に、一度の二次元走査において、複数の検査層を検査可能であるため、検査時間が短縮できる。

１００…検査対象
１０１…探傷部
１０１Ａ…アニュラアレイ超音波プローブ
１０１Ｂ…圧電振動素子
１０１Ｃ…走査手段
１０２…送・受信部
１０２Ａ…パルサ
１０２Ｂ…レシーバ
１０２Ｃ…送信遅延回路
１０２Ｄ…送信切替回路
１０２Ｅ…送信増幅器
１０２Ｆ…受信切替回路
１０２Ｇ…受信増幅器
１０２Ｈ…アナログ−デジタル変換機
１０２Ｉ…遅延メモリ
１０３…制御部
１０３Ａ…走査制御回路
１０３Ｂ…切替制御回路
１０３Ｃ…遅延制御回路
１０３Ｄ…加算回路
１０３Ｅ…制御・処理用コンピュータ
１０３Ｆ…記憶装置
１０４…表示部
１０４Ａ…検査モード切替器

Claims (4)

1. 高分子圧電膜と、
   該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、
   該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積に形成され、外周側は、径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備えることを特徴とするアニュラアレイ超音波プローブ。
2. 高分子圧電膜と、
   該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、
   該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側は径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、径方向の幅が等しい等幅であるとともに、内周側の幅よりも狭く形成された信号電極とを備えることを特徴とするアニュラアレイ超音波プローブ。
3. 円環状で、かつ、同心状に配置された複数の振動素子を有する超音波プローブと、
   該超音波プローブを用いて、検査対象に超音波を送信する送信部と、
   前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、
   前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、
   前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置であって、
   前記超音波プローブは、
   高分子圧電膜と、
   該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、
   該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積か、径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、内周側よりも幅の狭い径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備え、
   前記制御部は、
   前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、複数の振動素子の内、使用する振動素子を選択する切替制御回路と、
   前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させる遅延制御回路と、
   前記走査手段による２次元走査を制御する走査制御回路とを備え、
   前記送信部は、前記切替制御回路からの指令により、使用する振動素子を選択し、また、前記遅延制御回路からの指令により、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、異なる複数の焦点位置に対する超音波の送信を行うことを特徴とする超音波検査装置。
4. 円環状で、かつ、同心状に配置された複数の振動素子を有する超音波プローブと、
   該超音波プローブを用いて、検査対象に超音波を送信する送信部と、
   前記検査対象からの超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記送信部及び前記受信部を制御する制御部と、
   前記受信部により受信された超音波信号に基づく前記検査対象の検査画像を表示する表示部と、
   前記超音波プローブをその超音波の送信方向に対して直交する平面上の２次元を機械的に走査する走査手段とを有する超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、
   前記超音波プローブとして、
   高分子圧電膜と、
   該高分子圧電膜の一方の面に設けられた接地電極と、
   該高分子圧電膜の他方の面に設けられるとともに、円環状で、かつ、同心円状に配置され、内周側はその面積が等しい等面積か、径方向の幅が等しい等幅に形成され、外周側は、内周側よりも幅の狭い径方向の幅が等しい等幅に形成された信号電極とを備えたものを用い、
   前記制御部は、
   前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、複数の振動素子の内、使用する振動素子を選択し、
   前記超音波プローブから送信される超音波が集束する焦点までの距離に応じて、使用する振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させ、
   前記送信部は、使用する振動素子を選択し、また、各振動素子から超音波を送信するタイミングを遅延させるとともに、異なる複数の焦点位置に対する超音波の送信を行い、
   前記走査手段により、２次元走査を行うことを特徴とする超音波検査方法。

Images