JP2008102071A - 超音波探傷方法および超音波映像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子の走査平面に被検体表面が平行でなく、かつ微小な凸凹があっても、ゲート位置を設定するトリガ区間の設定方法により高品質なＣスコープ像を得る。
【解決手段】被検体５表面に超音波探触子４の原点（ｚ０）から焦点を結ぶ超音波探触子４の高さｚ１に合わせる（ステップ１）。この高さｚ１にて、Ａスコープ像の表面エコーにトリガ位置，幅，レベル、および走査エリア，ピッチを設定し走査する。走査ピッチごとに超音波を送受信し、トリガ区間内で表面エコーがトリガレベルを超えた時刻を表面エコー発生時刻保存メモリに記録（ステップ２）。被検体５内部に超音波探触子４の焦点を合わせ、トリガ位置，幅，レベルと、ゲート位置，幅を設定（ステップ３）。表面エコーの発生時刻は、記録した表面エコー発生時刻と、超音波探触子４と被検体５表面までの距離の変化量から予測し、トリガ位置を変更、走査してＣスコープ像を得る（ステップ４）。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波解析方法に係り、詳しくは、表面が微小な凹凸である被検体であっても高品質な平面画像（Ｃスコープ像）を得られる超音波解析を行う超音波探傷方法および超音波映像装置に関するものである。

超音波探傷方法は、被検体に超音波を放射し、被検体表面および内部からの反射波を測定し、被検体内部の状態を可視化する方法である。この超音波探傷方法に用いる超音波探触子には、多数の圧電素子を一列に配列して構成したアレイ探触子や、超音波を集束させる構成とした集束型探触子がある。ＩＣ等の電子部品のように、被検体内部の欠陥サイズが小さい場合、被検体内部を高精度に検出するためには、１０ＭＨｚ以上の高周波の集束型探触子を用い、被検体を順次走査する方法が一般的である。被検体の一例としては、ＩＣ等の電子部品の場合、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ、検出最小サイズ０．５μｍ、で、周波数が１０ＭＨｚから５００ＭＨｚの超音波探触子が用いられる。

一般に超音波映像装置は、被検体の内部の状態を、ある深さの平面画像（Ｃスコープ像）として作成し、観察することが可能である。Ｃスコープ像は、超音波の送受信により得られる反射エコー像（Ａスコープ像）の一部に設定されたゲート区間内の超音波の強度を検出しながら、被検体全面を走査することにより作成する。図８は一般的な超音波映像装置の構成図であり、図９は、超音波探触子４から超音波を送受信したときに観測される反射エコーと、Ｃスコープ像を生成するためのトリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２，ゲート位置１３，ゲート幅１４の関係を示す説明図である。

図８に示すように被検体５は、溶媒槽６の溶媒７中に没入させて設置し、３軸駆動系１，２によって、超音波探触子４の平面方向の位置決めと、被検体５の全面について観察可能なように走査エリアおよび走査ピッチの設定を行う。その後、所望の深さのＣスコープ像を得るために、ディスプレイ８に表示されている被検体５からの反射エコーであるＡスコープ像を見ながら、３軸駆動系３によって超音波探触子４の焦点合わせと、トリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２，ゲート位置１３，ゲート幅１４等を操作部からの入力によって設定する。

設定後に、前記各設定値に基づき、Ｘ、Ｙ方向を走査しながら、超音波を送受信することでＣスコープ像を作成する。トリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２は、表面エコーの発生時刻を検出するために用いられ、トリガ位置１０，トリガ幅１１で規定されるトリガ区間内で、超音波探触子４で受信したエコー信号の強度レベルが、初めてトリガレベル１２を超えた時刻を、表面エコー発生時刻Ｔｓとして検出する。被検体５が超音波探触子４に対して傾いて設置された場合、トリガ幅１１の設定においては、被検体５までの距離が最大となる位置と最小となる位置での、表面エコー発生時刻の時間差以上の時間幅で設定する。

また、ゲート位置１３，ゲート幅１４は、被検体５内部の所定深さの超音波強度を検出するために用いられ、ゲート位置１３は表面エコー発生時刻Ｔｓからの時間差として設定される。このように各設定値を設定することによって、被検体５が超音波探触子４に対して傾いて設置された場合であっても、被検体５の表面から所定の深さのＣスコープ像を得ることができる。その設定においては、特許文献１に示されているとおり，超音波探触子４の焦点合わせを行う際に、トリガ位置１０，ゲート位置１３の設定値をＺ方向の移動量に比例した時間分調整し再設定する方法が開示されている。
特許第３００６９４５号公報

しかしながら、焦点型の超音波探触子を用いて、被検体５内部に焦点合わせを行う際に、超音波探触子４を被検体５に近づけることによって、収束していない状態の超音波が被検体５表面に当たることになる。このとき、被検体５表面の様々な場所からの反射エコーが時間差をもって超音波探触子４に返ってくることによって表面エコーの形状が変化する。さらには、検査対象として、例えばＩＣ等の電子部品を検査する場合には、ＩＣ等の電子部品の表面に用いられているモールド樹脂表面には微小な凹凸が存在するために、場所によって表面エコーの形状が全く異なってくる。

図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に実際の電子部品からの反射エコーを示す図である。この図１０（ａ），（ｂ）に示すように、一定のトリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２を用いたときに、ゲート位置１３の基準となる時刻がずれることにより、その場所では、本来解析したい高さと異なる高さのエコー情報を取得することとなる。また場所によっては、図１０（ｃ）に示すようにトリガ位置１０およびトリガ幅１１によって規定されるトリガ区間内で表面エコー信号の強度レベルが、トリガレベル１２を超えずにゲート位置１３が定義できず、その場所では、解析不能となり、欠損したＣスコープ像が得られることになる。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、特に、超音波探触子の走査平面に対し被検体表面が平行でなく、かつ微小な凸凹があっても、ゲート位置の設定を行うためのトリガ区間を設定する方法により高品質なＣスコープ像を得る超音波探傷方法および超音波映像装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した超音波探傷方法は、超音波探触子が被検体を超音波検査する超音波探傷方法において、被検体表面の傾きを調べるステップと、被検体内部を検査するステップとを有することを特徴とする。

また、請求項２に記載した超音波探傷方法は、請求項１の超音波探傷方法であって、被検体表面の傾きを調べるステップにおいて、超音波を送受信した被検体の位置ごとに、トリガ位置，トリガ幅により規定したトリガ区間内で表面エコーがトリガレベルを超える時刻を表面エコー発生時刻保存メモリに記録し、被検体内部を検査するステップにおいて、表面エコー発生時刻保存メモリに記録した表面エコー発生時刻を用いて、被検体の位置ごとにトリガ位置を調整することを特徴とする。

また、請求項３に記載した超音波探傷方法は、請求項２の超音波探傷方法であって、被検体内部を検査するステップにおいて、表面エコー発生時刻保存メモリに記録した表面エコー発生時刻を用いて、トリガ位置を調整したトリガ区間内で表面エコーがトリガレベルを超えない場合に、超音波探触子から被検体表面までの距離の変化量により予測した表面エコー発生時刻を用いて、ゲート位置を調整することを特徴とする。

また、請求項４に記載した超音波探傷方法は、請求項２，３の超音波探傷方法であって、被検体表面の傾きを調べるステップの超音波を送受信した位置とは異なる超音波探触子の位置で、被検体内部を検査するステップを実施するに際し、表面エコー発生時刻保存メモリに記録した表面エコー発生時刻より演算し、超音波探触子の位置における表面エコー発生時刻を予測し、予測した表面エコー発生時刻をもとにトリガ位置を調整することを特徴とする。

また、請求項５に記載した超音波探傷方法は、請求項４の超音波探傷方法であって、超音波探触子の各位置における表面エコー発生時刻の予測は、線形補間によって演算することを特徴とする。

また、請求項６に記載した超音波映像装置は、超音波探触子が被検体を超音波検査する超音波映像装置において、被検体表面の表面エコー発生時刻を保存する表面エコー発生時刻保存メモリと、各走査ピッチごとに表面エコーがトリガレベルを超える時刻を表面エコー発生時刻保存メモリに記録して被検体表面の傾きを調べる手段とを制御部に備えたことを特徴とする。

また、請求項７に記載した超音波映像装置は、請求項６の超音波映像装置であって、被検体の傾きを調べる手段と、この手段で求めた被検体の傾きを用いて平面画像を取得する被検体内部を検査する手段とを切り替える操作部を備えたことを特徴とする。

また、請求項８に記載した超音波映像装置は、請求項６，７の超音波映像装置であって、超音波探触子が被検体を超音波検査するに際し、被検体内部を検査する手段において、超音波を送受信する位置で表面エコー発生時刻より演算した表面エコー発生時刻を表示する表示部を備えたことを特徴とする。

また、請求項９に記載した超音波映像装置は、請求項６〜８の超音波映像装置であって、超音波探触子が被検体を超音波検査するに際し、被検体内部を検査する手段の解析条件を設定するとき、超音波探触子の超音波を送受信する位置における表面エコー発生時刻保存メモリに保存した表面エコー発生時刻と、超音波探触子から被検体表面までの距離の変化量によって、予測した表面エコー発生時刻を表示する表示部を備えたことを特徴とする。

また、請求項１０に記載した超音波映像装置は、請求項９の超音波映像装置であって、超音波探触子の超音波を送受信する位置における予測した表面エコー発生時刻と反射エコー像とを同時に表示する表示部を備えたことを特徴とする。

前記の方法または構成によれば、超音波探触子の走査平面に対し被検体表面が平行でなく、かつ微小な凸凹があっても、ゲート位置の設定を行うためのトリガ区間を設定することにより高品質な平面画像（Ｃスコープ像）を得ることができる。

本発明によれば、被検体の表面が超音波探触子の走査平面に対して平行でない場合で、かつ被検体の表面が微小な凸凹を有する場合であっても、高品質なＣスコープ像を得ることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における超音波探傷方法の処理を示すフローチャートである。超音波映像装置によって、被検体５表面に存在する微小な凸凹および被検体５の設置の際に生じる傾きがあっても、適正なトリガ区間を設定することにより高品質なＣスコープ像を得る手順を示したフローチャートであり、図２（ａ）〜（ｄ）は図１のフローチャートの各ステップにおける検査工程図であり、図３（ａ）はステップ１、（ｂ）はステップ３の反射エコーの波形を示し、図１のステップ３において、超音波探触子４の焦点合わせを行う際に、反射エコーがステップ１から変化をする様子を示した図である。

また、図４は、本実施の形態１における超音波映像装置の制御部を示すブロック図であり、（ａ）はステップ２、（ｂ）はステップ４の情報の流れを示す。図５は、図１のステップ３において各設定を調整する際、超音波映像装置の表示部のディスプレイ８に、超音波探触子４の現在位置におけるＡスコープ像上に予測した表面エコー発生時刻を重ねて表示した様子を示す図である。

図１，図２に示すように、まず、被検体５の表面に超音波探触子４の原点（ｚ０）から焦点を結ぶ位置に、超音波探触子４の高さｚ１を合わせる（ステップ１）。これは、オシロスコープ等のディスプレイ８に表示されるＡスコープ像を見ながら、表面エコーの強度が最大になる高さを探索することによって見つけることができる。

焦点を合わせた超音波探触子４の高さｚ１において、Ａスコープ像で確認される表面エコーにトリガ位置１０，トリガ幅１１を、表面エコーレベルが十分超えるようにトリガレベル１２を設定し、観察エリアに応じた走査エリア，走査ピッチを設定した上で走査する。このとき、表面エコー検出部２１で走査ピッチごとに超音波を送受信し、トリガ区間内で表面エコーがトリガレベル１２を超える時刻を表面エコー発生時刻保存メモリ２０に記録する（ステップ２）。この保存した時刻をＴｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）（Ｘｉ，Ｙｉは超音波を送受信した超音波探触子４の平面位置を表し、添え字ｉは、走査開始からの超音波の送受信した回数を表す）とする。

その後、操作部からの指示により従来の超音波探傷方法と同様に、被検体５内部に超音波探触子４の焦点合わせと、トリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２，ゲート位置１３，ゲート幅１４の設定を行う（ステップ３）。このとき、表面エコーの発生時刻は、超音波探触子４の焦点合わせを行う際に、超音波探触子４と被検体５の表面までの距離が変わることによって変化する。この表面エコー発生時刻の変化量は、被検体５の表面からの超音波探触子４の高さｚ２と、ステップ１での超音波探触子４の高さｚ１の差Ｚを２倍したものと溶媒７の音速Ｖを乗じた時間ΔＴｓは（数１）

で表される。

したがって、超音波探触子４の高さがｚ２のとき表面エコーの発生時刻は、Ｔｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓとして予測される。トリガ位置１０は、Ｔｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓからの時間差として設定する。その後、ステップ３での各設定に基づいて走査を行い、Ｃスコープ像を得る（ステップ４）。走査中における超音波の送受信においては、Ｔｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓで計算される時刻でトリガ位置１０をトリガ位置調整部２２により調整しながら、ゲート区間内の超音波の強度を検出する。

ステップ２において、表面エコー発生時刻保存メモリ２０に被検体５上の各位置における表面エコー発生時刻Ｔｓ（Ｘ，Ｙ）を保存することにより、被検体５の傾きを走査エリア全体にわたって得ることができる。これにより、従来のトリガ区間によって、被検体５の傾きを補正することが必要なくなるため、ステップ３において、従来のトリガ幅１１（１００ｎｓｅｃ程度）よりも５分の１程度の幅（２０ｎｓｅｃ程度）として設定することが可能となる。

このステップ３において、従来の幅より短いトリガ幅１１を設定することにより、ステップ２の走査時と、ステップ４での走査時の各走査位置の微小なずれや、溶媒７の温度が微小に変化することによって生じる、表面エコーの発生時刻のずれを吸収することができる。これにより、走査エリア全体にわたって、厳密にゲート位置１３が規定可能なため、高品質なＣスコープ像を得ることが可能となる。

また、ステップ３において、各設定項目を設定する際に、予測される表面エコー発生時刻の時刻Ｔｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓをディスプレイ８上に、Ａスコープ像に重ねて表示することにより、トリガ位置１０，トリガ幅１１，ゲート位置１３，ゲート幅１４の設定が容易になる。

さらにステップ４での走査中において、Ｔｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓで予測される表面エコー発生時刻によって調整されたトリガ区間内で、反射エコーがトリガレベル１２を超えない場合、このＴｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓの時刻を、表面エコー発生時刻として、ゲート位置１３を調整することにより、欠損がなくなりより高品質なＣスコープ像を得ることができる。

また、前記表面エコー発生時刻をＴｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓとして、ゲート位置１３を調整する代わりに、直前の超音波の送受信時、Ｔｓ（Ｘｉ−１，Ｙｉ−１）＋ΔＴｓと検出した表面エコーの発生時刻の差をＴｓ（Ｘｉ，Ｙｉ）＋ΔＴｓに加えた時刻を表面エコー発生時刻として、トリガ位置１０を調整すると、予測する際に用いた溶媒７の音速と、走査時の溶媒の音速の差を吸収することが可能となり、より高品質なＣスコープ像を得ることができる。

前記のステップは、超音波映像装置の制御部で制御しており、その操作は超音波映像装置の操作部で操作し、各種エコーの発生時刻やエコー発生位置、また、Ａスコープ像，Ｃスコープ像は、超音波映像装置の表示部で表示している。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における超音波映像装置によって、前記図１のステップ２での走査ピッチとは異なるステップ４における走査ピッチで解析する場合に、解析時の各位置における表面エコーの発生時刻を予測する方法を示す説明図であり、図７は本実施の形態２における超音波映像装置を示すブロック図である。

前記実施の形態１におけるステップ１，２の後、被検体５内部に超音波探触子４の焦点合わせと、トリガ位置１０，トリガ幅１１，トリガレベル１２，ゲート位置１３，ゲート幅１４の設定を行うステップ３において、各設定値を決定するために、超音波探触子４を被検体５上の様々な場所に移動させて決定することが多い。このとき、超音波探触子４を移動させた場所が、ステップ２において超音波を送受信した場所とは限らない。このとき、図６に示すように、この場所の近傍４点について表面エコー発生時刻保存メモリ２０に表面エコー発生時刻が保存されている場合、近傍４点の各位置における表面エコー発生時刻と、近傍４点までの距離を用いて、表面エコー発生時刻予測部２３の線形補間によって表面エコー発生時刻を予測し、ディスプレイ８上のＡスコープ像に重ねて表示することにより、トリガ位置１０，トリガ幅１１，ゲート位置１３，ゲート幅１４の設定がより容易になる。

さらに、ステップ４において、ステップ２における走査ピッチとは異なる走査ピッチを設定した場合など、ステップ２における超音波の送受信した位置とは異なる位置にて、超音波を送受信したとき、各超音波の送受信位置の近傍４点について表面エコー発生時刻保存メモリ２０に表面エコー発生時刻が保存されている場合には、同様に線形補間によって表面エコー発生時刻を予測し、トリガ位置１０を調整することにより、高品質なＣスコープ像を得ることができる。

前記の方法は、超音波映像装置の制御部で制御しており、その操作は超音波映像装置の操作部で操作し、各種エコーの発生時刻やエコー発生位置、また、Ａスコープ像，Ｃスコープ像は、超音波映像装置の表示部で表示している。

本発明に係る超音波探傷方法および超音波映像装置は、特にゲート位置を設定するためのトリガ区間を設定する方法により高品質なＣスコープ像を得る効果を有し、各種の半導体装置やこれらを実装した回路基板の検査用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波映像装置の処理を示すフローチャート 本実施の形態１における超音波映像装置の（ａ）〜（ｄ）は各ステップにおける検査工程図 反射エコーが超音波探触子を焦点合わせする際の（ａ）はステップ１、（ｂ）はステップ３の変化を示す図 本実施の形態１における超音波映像装置の制御部を示すブロック図 表面エコー発生時刻を反射エコーのＡスコープ像上に重ねた表示を示す図 本発明の実施の形態２における表面エコー発生時刻を予測する方法を示す図 本実施の形態２における超音波映像装置のブロック図 従来の超音波映像装置を示す構成図 従来例における反射エコーと各種設定値との関係を示す図 従来例の各場所（ａ）〜（ｃ）の反射エコーにおける課題を示す図

符号の説明

１，２，３ ３軸駆動系
４ 超音波探触子
５ 被検体
６ 溶媒槽
７ 溶媒
８ ディスプレイ
１０ トリガ位置
１１ トリガ幅
１２ トリガレベル
１３ ゲート位置
１４ ゲート幅
２０ 表面エコー発生時刻保存メモリ
２１ 表面エコー検出部
２２ トリガ位置調整部
２３ 表面エコー発生時刻予測部

Claims (10)

1. 超音波探触子が被検体を超音波検査する超音波探傷方法において、
   前記被検体表面の傾きを調べるステップと、前記被検体内部を検査するステップとを有することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記被検体表面の傾きを調べるステップにおいて、超音波を送受信した前記被検体の位置ごとに、トリガ位置，トリガ幅により規定したトリガ区間内で表面エコーがトリガレベルを超える時刻を表面エコー発生時刻保存メモリに記録し、
   前記被検体内部を検査するステップにおいて、前記表面エコー発生時刻保存メモリに記録した前記表面エコー発生時刻を用いて、前記被検体の位置ごとにトリガ位置を調整することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
3. 前記被検体内部を検査するステップにおいて、表面エコー発生時刻保存メモリに記録した表面エコー発生時刻を用いて、トリガ位置を調整したトリガ区間内で表面エコーがトリガレベルを超えない場合に、超音波探触子から前記被検体表面までの距離の変化量により予測した前記表面エコー発生時刻を用いて、ゲート位置を調整することを特徴とする請求項２記載の超音波探傷方法。
4. 前記被検体表面の傾きを調べるステップの超音波を送受信した位置とは異なる超音波探触子の位置で、前記被検体内部を検査するステップを実施するに際し、表面エコー発生時刻保存メモリに記録した表面エコー発生時刻より演算し、前記超音波探触子の位置における表面エコー発生時刻を予測し、前記予測した表面エコー発生時刻をもとにトリガ位置を調整することを特徴とする請求項２または３記載の超音波探傷方法。
5. 前記超音波探触子の各位置における表面エコー発生時刻の予測は、線形補間によって演算することを特徴とする請求項４記載の超音波探傷方法。
6. 超音波探触子が被検体を超音波検査する超音波映像装置において、
   前記被検体表面の表面エコー発生時刻を保存する表面エコー発生時刻保存メモリと、各走査ピッチごとに表面エコーがトリガレベルを超える時刻を前記表面エコー発生時刻保存メモリに記録して前記被検体表面の傾きを調べる手段とを制御部に備えたことを特徴とする超音波映像装置。
7. 前記被検体の傾きを調べる手段と、前記手段で求めた被検体の傾きを用いて平面画像を取得する前記被検体内部を検査する手段とを切り替える操作部を備えたことを特徴とする請求項６記載の超音波映像装置。
8. 前記超音波探触子が前記被検体を超音波検査するに際し、前記被検体内部を検査する手段において、超音波を送受信する位置で表面エコー発生時刻より演算した前記表面エコー発生時刻を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の超音波映像装置。
9. 前記超音波探触子が前記被検体を超音波検査するに際し、前記被検体内部を検査する手段の解析条件を設定するとき、前記超音波探触子の超音波を送受信する位置における表面エコー発生時刻保存メモリに保存した表面エコー発生時刻と、前記超音波探触子から前記被検体表面までの距離の変化量によって、予測した表面エコー発生時刻を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項６，７または８記載の超音波映像装置。
10. 前記超音波探触子の超音波を送受信する位置における予測した表面エコー発生時刻と反射エコー像とを同時に表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項９記載の超音波映像装置。

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