JP2023008629A - 超音波検査装置及び超音波検査方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波による非破壊検査において、複数の検査界面がある多層構造を有する被検査体に対し、一回のプローブ走査により一括取得した超音波反射波から、各検査界面の欠陥の高感度検出を可能とする超音波検査装置を提供する。【解決手段】超音波検査装置は、抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングし(S107)、グループ毎に、基準となる正常部の反射強度である基準反射強度及び反射強度範囲を推定し(S108)、推定した反射強度範囲に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し(S109)、各グループ内の反射信号を前記像質変換テーブルに従って変換し(S110)、変換した反射強度を変換後の基準反射強度と比較して欠陥を抽出する(S111)。【選択図】図5
Description
本発明は、非破壊検査装置に関し、特に超音波を用いて、電子部品などの被検査体内部に存在する剥離などの欠陥の有無判定、及び内部状態の可視化を行う超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。
被検査体の画像から欠陥を検査する非破壊検査方法として、被検査体に超音波を照射してその反射波を検出して超音波画像を生成し、欠陥を特定する方法や、被検査体にX線を照射し試料を透過したX線を検出してX線画像を生成し、欠陥を特定する方法がある。
一般的に、多層構造を有する被検査体内に存在する欠陥を超音波で検出するには、音響インピーダンスの違いによる反射特性を利用する。超音波は液体や固体物質中を伝搬し、音響インピーダンスの異なる物質の境界面や空隙のところで、反射波(エコー)が生じる。ここで、剥離、ボイドといった欠陥からの反射波は、欠陥のないところからの反射波に比べて、その強度が高いため、被検査体の各層の接合面での反射強度を画像化することで、被検査体内に存在する欠陥が顕在化された画像を得ることができる。画像上で欠陥部をより強調し、高感度な検査を可能とするためには、超音波を被検査体へ照射し、その反射波を受信する超音波プローブの高さを被検査体に対して上下させ、超音波ビームが検査する接合界面(以下、検査界面と記載)で最も集束するようにフォーカス位置を合わせる必要がある(以下、フォーカスのあった位置を合焦位置と記載する)。
一方、被検査体の代表である電子部品は、近年、複数のチップを縦に積み上げていく積層化に伴い、チップとチップの接合部といった検査を行うべき箇所も増加している。このため、高感度な検査を行うためには、前記の通り、フォーカス位置を合わせ、プローブを走査して反射波を得て画像を生成するという作業を検査界面の数だけ行う必要があり、検査時間が増大することが課題となっている。このため、検査界面と検査界面の間に合焦させ、上面、下面の両検査界面の画像を一回のプローブ走査で一括取得して、検査を行うことで、処理時間を低減することが多いが、欠陥検出感度の低下が懸念される。また、検査スループットと検査感度を両立するために、非合焦位置で得られた画像の像質を変換し、視認性が高い画像を生成し、検査感度を向上する必要がある。
これに対応する従来技術として、特許文献1に記載の方法がある。超音波により生成される超音波画像に対し、小領域毎に評価加重を設定し、小領域に得られるヒストグラムを、評価加重に基づいて重み付けをし、それらを統合したヒストグラムから画像全体の画質を調整するためのゲインとダイナミックレンジを求める。そして、ゲイン調整とダイナミックレンジ調整を行うことで、画質を向上するものである。
特許文献1に記載された方法は、医療用の超音波診断画像を対象としており、あらかじめ、注目領域が既知であるため、事前に評価加重を設定することが可能であるが、電子部品のように、注目領域が事前に特定できない場合には設定ができない。また、生成後の画像の輝度のヒストグラムに基づいて画質の調整を行うため、超音波の反射強度が微弱で、画像に変換する段階でノイズに埋没しているような微小な信号は強調ができない可能性がある。
そこで、本発明の目的は、超音波による非破壊検査において、複数の検査界面がある多層構造を有する被検査体に対し、一回のプローブ走査により一括取得した超音波反射波から、各検査界面の欠陥の高感度検出を可能とする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。
前記課題を解決するために、本発明の超音波検査装置は、超音波探触子で被検査体の表面を走査し、前記超音波探触子から被検査体に向けて超音波を出射し、前記被検査体から戻る反射波を受信し、前記受信した反射波に基づき前記被検査体の内部状態を検査する超音波検査装置であって、前記超音波検査装置の処理部は、ユーザが設定する第1の受信時間領域である第1のゲートと第2の受信時間領域である第2のゲートを受け付け、前記超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、前記第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い、受信時間補正後の反射信号より、前記第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出し、抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングし、グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し、前記推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し、各グループ内の反射信号を前記像質変換テーブルに従って変換し、前記変換した反射強度を変換後の前記基準反射強度と比較して欠陥を抽出し、前記各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し、前記抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力することを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
本発明によれば、超音波による非破壊検査において、複数の検査界面がある多層構造を有する被検査体に対し、一回のプローブ走査により一括取得した超音波反射波から、各検査界面の欠陥の高感度検出できる。
本実施形態は、ICチップなどの多層構造から成る電子部品を主な検査対象とするものである。本実施形態は、内部に微細な機械部品や回路パターンを含む、深さの異なる複数の接合界面をもつ検査対象に対して、一回のプローブ走査で超音波を照射し、一括取得した各接合界面からの超音波反射波より、全領域にわたり、視認性のよい検査界面画像を生成し、各界面の微小な欠陥を検出可能とする超音波検査装置、超音波検査方法及びプログラムに関する。
すなわち、本実施形態では、被検査体の測定領域より得られた全超音波反射波について、受信時間を補正して時間方向に整列させる。時間方向に整列後の各反射波を、受信時間方向と方位方向の両者で近接した反射波でグルーピングし、グループ毎に像質変換テーブル(例えば、図11C参照)を生成し、像質変換テーブルに基づき、グループ内の反射強度からグループ内の画像が生成される。さらに、各グループ内画像が統合されて、検査界面の画像が生成される。本実施形態は、微細かつ多層構造を有する被検査体の超音波による高速、高感度な非破壊検査に特に有効である。
本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、説明の簡易化のため、2.5次元、3次元半導体パッケージング製品といった複数の電子デバイスが積層されて形成された多層構造を有する被検査体を例として説明する。ただし、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
なお、説明の簡易化のため、2.5次元、3次元半導体パッケージング製品といった複数の電子デバイスが積層されて形成された多層構造を有する被検査体を例として説明する。ただし、本発明は以下に示す実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
まず、超音波が被検査体の表面に向けて照射されると、超音波の特性として、被検査体内部を超音波が伝搬し、材料特性(音響インピーダンス)が変わる境界面があると、超音波の一部が反射する。特に、空隙があると大部分が反射する。このため、所望する異種接合界面(以下、検査界面と記載)からの反射波を捉え、その強度を画像化することで、ボイドや剥離などの欠陥が顕在化された超音波検査画像を生成することができる。なお、以降、「境界面」を「界面」と称することがある。また、「位置」を「箇所」と呼ぶことがある。以下、多層構造品の異種接合界面における欠陥を検出対象として説明する。
<<第1実施形態>>
図1は、第1実施形態に係る超音波検査装置100の構成を示すブロック図である。超音波検査装置100は、検出部1、A/D変換器6、処理部20(信号処理部7、全体制御部8)、スキャナ13、メカニカルコントローラ16、ユーザインターフェース部17、記憶部19などを備えている。
図1は、第1実施形態に係る超音波検査装置100の構成を示すブロック図である。超音波検査装置100は、検出部1、A/D変換器6、処理部20(信号処理部7、全体制御部8)、スキャナ13、メカニカルコントローラ16、ユーザインターフェース部17、記憶部19などを備えている。
検出部1は、超音波プローブ2(超音波探触子)及び探傷器3を備えて構成される。探傷器3は超音波プローブ2にパルス信号31を与えることで、超音波プローブ2を駆動する。探傷器3で駆動された超音波プローブ2は超音波U1を発生させ、水を媒介にして被検査体(試料5)に送信する。送信された超音波U1が多層構造を有する試料5に入射すると、試料5の表面、あるいは異種接合界面から反射波U2が発生する。なお、本明細書では、被検査体と試料とは同じ意味である。説明の便宜上、超音波プローブ2が発生する超音波を「送信波」、超音波プローブ2が受信する超音波を「反射波」と称す。また、反射波は適宜「超音波反射波」と称することがある。
探傷器3は、前記したように、超音波プローブ2にパルス信号31を送り、超音波プローブ2はパルス信号31を超音波に変換して試料5に入射する。試料5からの反射波U2を超音波プローブ2が受信し、探傷器3へと送る。探傷器3は、反射波32をRF(Radio Frequency)信号33に変換し、A/D変換器6を介して処理部20(制御部)へ送る。
処理部20は、超音波プローブ2を用いて試料5の適宜部位を走査させるために、メカニカルコントローラ16へ制御信号を送り、機構コントロールを実現する。処理部20→メカニカルコントローラ16→スキャナ13(図2参照)→超音波プローブ2→探傷器3の系統によって超音波プローブ2の自動制御(走査)がなされる。
前記したように、反射波U2は超音波プローブ2で受信され、探傷器3は、反射波32として受信し、必要な処理が施され、反射強度信号に変換される。次に、この反射強度信号はA/D変換器6にてデジタル波形データに変換され、信号処理部7に入力される。この超音波の送信、受信を試料5上の検査領域内で逐次走査して行う。
信号処理部7は、A/D変換器6でA/D変換された反射強度信号を処理して試料5の内部欠陥を検出する処理部である。信号処理部7は、画像生成部71、欠陥検出部72、データ出力部73、パラメータ設定部74などを有して構成される。
画像生成部71は、A/D変換器6から信号処理部7に入力された波形データに対し、後述する信号処理を行う。この処理によって、画像生成部71は、デジタル波形データから試料5の各接合界面の検査画像(検査界面画像)を生成する。欠陥検出部72は、画像生成部71で生成された検査界面の画像内で、後述する処理を行い、剥離、ボイドなどの欠陥を検出する。また、データ出力部73は、欠陥検出部72で検出された欠陥個々の情報や断面の観察用画像といった検査結果として出力するデータを生成し、全体制御部8に出力する。
図2は、超音波検査装置100の検出部1の構成を示す説明図である。図2において、座標系10はXYZの直交3軸の座標系を示している。検出部1は、スキャナ台11、スキャナ台11の上に設けられた水槽12を有する。また、検出部1は、スキャナ台11上で水槽12を跨ぐように設けられたXYZ方向の移動が可能なスキャナ13を有する。スキャナ台11は、ほぼ水平(XY平面に平行な面)に設置された基台である。Z軸は重力方向に沿った軸である。水槽12には水14が実線で示す高さまで注入されており、水槽12の底部(水中)に試料5が置かれている。試料5は、前述の通り、半導体パッケージ製品を主とする、内部に多層構造などを含む電子部品である。水14は、超音波プローブ2から出射された超音波を、試料5の内部に効率的に伝搬せるために必要な媒体である。
試料5に対して、超音波プローブ2は、下端の超音波出射部から超音波を送信し、試料5から戻ってきた反射波を受信する。超音波プローブ2は、ホルダ15に取り付けられており、メカニカルコントローラ16で駆動されるスキャナ13によってXYZ方向に自在に移動可能となっている。これにより、超音波プローブ2はX方向、Y方向に移動しながら試料5の事前にユーザから受け付けされた(または信号処理部7が選択した)1つ以上の接合界面からの反射波を受信し、測定領域(XY平面)内の接合界面の二次元画像を得ることができ、欠陥を検出することができる。超音波プローブ2はケーブル22を介し、反射波を反射強度信号に変換する探傷器3と接続されている。なお、超音波検査装置100により得られる二次元画像は、深さZにおけるXY平面に平行な断面画像である。以後の説明では「aaa平面に沿った断面」であることを断面[aaa]と略記することがある。例えばXY平面に沿った断面は「断面[XY]」となる。
図1、図2を参照して、信号処理部7の内容をさらに説明する。画像生成部71は、A/D変換器6から得られるデジタルデータから画像を生成する。デジタルデータは、ユーザから受け付けた試料5の測定領域[XY]において表面、及び、各接合界面などから戻ってきて超音波プローブ2で受信された反射波をA/D変換器6でA/D変換したものである。欠陥検出部72は、画像生成部71で生成した画像を処理して内部欠陥を顕在化、もしくは検出する。データ出力部73は、欠陥検出部72で内部欠陥を顕在化もしくは検出した検査結果を出力する。パラメータ設定部74は、外部(例えばユーザインターフェース部17を操作するユーザ)から入力される測定条件などのパラメータを受け付け、画像生成部71、欠陥検出部72へセットする。そして、信号処理部7において例えばパラメータ設定部74の設定情報は、記憶部19に記憶されている。
全体制御部8は、ユーザからのパラメータ(後術する条件に相当)などを受け付ける。また、全体制御部8は、ユーザインターフェース部17、記憶部19と接続されている。ユーザインターフェース部17は、信号処理部7で検出された欠陥箇所を検査界面画像上に強調表示し、欠陥数、欠陥個々の座標や寸法などの情報を表示する。記憶部19は、信号処理部7で検出された欠陥の特徴量や画像などを記憶する。メカニカルコントローラ16は、全体制御部8からの制御指令に基づいてスキャナ13を駆動する。なお、信号処理部7、探傷器3なども全体制御部8からの指令により駆動される。
信号処理部7、全体制御部8、およびメカニカルコントローラ16のハードウェア構成は、図12を用いて後程説明する。なお、信号処理部7、全体制御部8、メカニカルコントローラ16は、図1の通り、別々なハードウェアであってもよく、共通のハードウェアに統合されていてもよい。または、メカニカルコントローラ16を統合せずに、信号処理部7と全体制御部8とが共通のハードウェアに統合されていてもよい。以後の説明では、統合の有無にかかわらず、信号処理部7、全体制御部8、およびメカニカルコントローラ16の少なくとも一つが含まれる、または統合されたハードウェアを、単に「コントローラ」と呼ぶことがある。
<試料>
図3は、第1実施形態に係る被検査体の一例である多層構造体をもつ半導体パッケージの縦構造を示す模式図である。図3は、試料5の一例である被検査体400を示す。被検査体400は、主な検査対象となる多層構造を有する電子部品であり、本図では電子部品の縦構造を模式的に示している。座標系401はXYZの直交3軸の座標系を示している。座標系401は、図3の座標系10と同様の座標系である。
図3は、第1実施形態に係る被検査体の一例である多層構造体をもつ半導体パッケージの縦構造を示す模式図である。図3は、試料5の一例である被検査体400を示す。被検査体400は、主な検査対象となる多層構造を有する電子部品であり、本図では電子部品の縦構造を模式的に示している。座標系401はXYZの直交3軸の座標系を示している。座標系401は、図3の座標系10と同様の座標系である。
被検査体400は最下層のプリント配線基板40の上にはんだボール41を介して半導体デバイス42が接合されたものである。半導体デバイス42は、その内部に複数チップ(ここでは43,45の2つ)が積層され、チップ間は、TSV(Through Silicon Via)である接合部44で接合されている。また、チップとインターポーザ基板46とは、マイクロバンプであるバンプ層47を介して接合されて生成されている。マイクロバンプの周辺は、液状封止材(アンダーフィル、図中の黒い部分)で封止する、モールドアンダフィリングが行われ、全体を樹脂48(図中の網掛け部)で封止するオーバモールドが行われ、外部から保護されている。各接合部で剥離やボイド、クラックなどの不良があると正常に作動しないため、接合部44、バンプ層47などで欠陥の有無の高感度な検査が必要とされている。被検査体400の表面側(図中の上方)から超音波49が入射されると超音波49は被検査体400の内部へと伝搬する。超音波49は、樹脂48の表面、及び各チップ43,45との接合部44やバンプ層47などの音響インピーダンスの違いのある箇所で反射し、これらが1つの反射波として超音波プローブ2で受信される。
図4は、第1実施形態に係る検査対象である複数の接合界面をもつ被検査体からフォーカス位置の違いにより得られる反射信号の例を示す図である。図4を参照して、多層構造を有し、高感度な検査が必要な接合界面が複数ある被検査体に対する超音波による検査の課題を示す。なお、以下、主語を省略している場合は、信号処理部7が処理主体である。
図4の接合界面50,51は、図3に示した被検査体400の接合部44、バンプ層47を概略化したものである。また、超音波ビーム52,53は、超音波プローブ2(図1参照)より被検査体に向けて出射された超音波ビームを示す。
超音波ビーム52は、接合界面50にフォーカス位置を合わせたとき、すなわち、接合界面50の位置で超音波ビームが最も集束(図4の左図の→←)するように超音波プローブ2のZ位置を調整した状態である。超音波ビーム53は、超音波プローブ2をZ方向に下げ(プローブ移動)、接合界面50と接合界面51の間にフォーカス位置を合わせた状態(図4の右図の→←)である。
反射波54,55がそれぞれのフォーカス位置の状態の超音波ビーム52,53で、接合界面50より得られた反射波である。反射波55の反射強度は反射波54の反射強度に比べ小さくなっており、反射強度を基に生成される検査界面の画像も低コントラスト化することを示す。
従って、各接合界面において、鮮明な検査画像を得て、高感度な検査を行うためには、接各界面にフォーカス位置を合わせ、プローブを走査して検査界面の画像を生成する作業を検査界面の数だけ行う必要があり、検査に要する時間が増大することになる。近年、多層構造化は一層進み、各検査界面の高感度検査と高速検査の両立が課題となっている。
以下に示す本実施形態における方式では、このような複数の検査界面をもつ被検査体に対し、少ないプローブ走査による複数の検査界面画像の一括生成と、生成された各検査界面画像から微小な欠陥を高感度に検出することで、画像取得時間の短縮と高感度検査の両立が可能となる。
<本実施形態の処理>
図5は、第1実施形態に係る超音波検査方法の処理手順を示すフローチャートである。適宜、図1を参照する。
図5は、第1実施形態に係る超音波検査方法の処理手順を示すフローチャートである。適宜、図1を参照する。
まず、処理部20は、検出部1が被検査体(試料5)へ超音波を照射しその反射波である第一参照波を取得する(S101)。第一参照波は、測定領域内の任意の位置から取得する。なお、第一参照波は、測定領域におけるXY平面のうち、少なくとも一カ所から取得されればよい。取得された第一参照波は、ユーザインターフェース部17(表示部)に表示される。処理部20は、第一参照波に基づき、後述の検査界面画像を生成する設定条件を受け付ける(S120)。当該受け付けは、第一参照波を視認したユーザが、設定条件をユーザインターフェース部17に入力することで行われる(S121)。設定条件には、例えば、第1のゲートであるSゲート(時間範囲、強度しきい値)、及び後述の検査界面画像を生成するための第2のゲートであるFゲート(時間範囲)、そこに含まれる接合界面数、及び画像を生成するための反射波の極性などがある。なお、設定条件は前述のパラメータの一例である。
図6は、第1実施形態に係る欠陥の発生深さとフォーカス位置の違いによる反射信号の挙動の例を示す図である。図6を参照してS120で受け付ける条件の例を説明する。反射信号波形60~65は二つ接合界面からなる試料5より得られた反射波である。図6の上段と中段と下段にそれぞれ左右並んで示された図のうち、上段の反射信号波形60,61はフォーカス位置を上方の接合界面(界面F1という)に、下段の反射信号波形64,65はフォーカス位置を下方の接合界面(界面F2という)に、中段の反射信号波形62,63はフォーカス位置を二つの接合界面(界面F1,界面F2)の中間に、それぞれ合せて取得した欠陥からの反射波である。また、左列の反射信号波形60,62,64は界面F1に存在する欠陥、右列の反射信号波形61,63,65は界面F2に存在する欠陥である。また、反射信号波形60における実線の矩形67aは、界面F1の欠陥からの反射波の受信時間、破線の矩形68aは界面F2の欠陥からの反射波の受信時間である。界面F1にフォーカスを合せたとき、界面F1にある欠陥は最も大きな反射波を得ることができ、フォーカス位置からはずれるほど強度は小さくなり、検出が難しくなる。逆に、界面F2にある欠陥は、フォーカス位置が界面F2に近づくほど検出しやすくなる。
本実施形態では、中段の反射信号波形62,63のような状態にフォーカス位置を設定し、第一参照波を取得、表示し、ユーザからの設定条件を受け付ける。反射信号波形62、もしくは反射信号波形63におけるゲート66bが表面からの反射波を検出するためのSゲートであり、ゲート67bが接合界面からの反射波を検出し、検査界面の画像を生成するためのFゲートである。また、本例ではユーザにより接合界面数は「2」、極性は「-」が設定される。本例では、Fゲートは、界面F1と界面F2の両方の反射波の受信時間を網羅するように広い時間幅のFゲートを1つ、設定しているが、矩形67a,68aのように、接合界面毎にFゲートを設定することも可能である。
図5に戻り、処理部20は、S120で受け付けた条件に基づき、測定領域内を走査しながら各測定点より超音波反射波を取得し(S102)、Sゲート内で、最初にSゲートの高さを超えた反射波を表面からの反射波(以下、表面エコーと記載)を検出する(S103)。
次に、処理部20は、検出した表面エコーの受信時間をもとに、反射波の時間調整を行う(S104)。すなわち、処理部20は、第一参照波における表面エコーに、各反射波の表面エコーが時間軸上で一致するように各反射波を整列させ、Fゲートにより設定された時間幅の反射波(界面エコー)を抽出する(S105)。
図7は、第1実施形態に係る界面からの反射信号の受信時間ずれの補正の例を示す図である。図7はその反射信号波形の一例を示す。反射信号波形70は4か所の測定点より得られた反射波の界面エコー(Fゲート内の反射波を切出したの)であり、時間方向にばらつきがある。反射信号波形70Aは表面エコーの受信時間ずれをもとに調整した反射波より抽出した界面エコーである。受信時間の調整は、表面エコーをもとに調整したものだが、Fゲート内の特定の局所ピークを基準に時間調整を行うことも可能ある。
図5に戻り、処理部20は、測定領域内の全反射波の処理が終了したか否かを判定し(S106)、終了していない場合(S106→Nо)はS102に戻り、終了している場合(S106→Yes)はS107に進む。
S107において、処理部20は、得られた全測定領域の界面エコーを時間領域・空間領域に応じてグループに分割する(グルーピング)。
図8は、第1実施形態に係る反射波のグルーピングと強度の正常範囲設定の例を示す図である。図8にそのグルーピングの一例を示す。構造80は試料5の構造の概要を示す。内部に深さ(Z方向)の異なる2つの接合界面80a,80bがある。また、方位方向の空間(XY平面)には、二種の構造物XY1,XY2があることを示す。本実施形態では、時間領域は、接合界面80a,80bの二つに、空間領域は、構造物XY1,XY2、それ以外の三つに界面エコーをグループ分けする。反射信号波形81は構造物XY1の領域を時間領域Z1,Z2にグループ分けした例(グループ81a,81b)、同様に、反射信号波形82は構造物XY2の領域を時間領域Z1,Z2にグループ分けした例(グループ82a,82b)を示す。時間領域の分割数は、S120(図5参照)で受け付けた条件の接合界面数に応じたものとする。
図5に戻り、次に、処理部20は、各グループにおいて、正常部の反射波(欠陥箇所の反射波ではない)と正常ばらつきを推定する(S108)。グループ内の反射波には、欠陥からの反射波も含めている可能性があるため、正常部は、グループ内の反射波の平均や中央値を採用してもよいし、最大強度のヒストグラムからその最大頻度をとる値としてもよい。また、そのばらつきは、最大強度ヒストグラムの標準偏差を元に求める。前記した図8のα1,α2,β1、β2は算出された正常部のばらつきを示す。
そして、処理部20は、α1,α2,β1、β2を元に、画質を向上し、欠陥を顕在化するための像質変換テーブルを算出する(S109)。像質変換テーブルは、反射強度を非線形に変換するテーブルである。
図9は、第1実施形態に係るグループ内の像質変換と欠陥判定処理の概要の一例を示す図である。図9において、グループ81a,81b,82a,82bぞれぞれの像質変換テーブルにセットされる係数を上下の矢印(↑↓)で示す。ここでは、各グループ内の反射強度をゲインにより引き伸ばす係数がセットされる例を示しているが対数や指数特性をもつ係数であってもよい。
図5に戻り、次に、処理部20は、像質変換テーブルにセットされた係数により、全反射強度値の変換を行うことで、像質変換を行い(S110)、像質変換後の各測定点の反射波を、同様に像質変換した正常部反射波(推定値)と比較し、差があらかじめ設定したしきい値より大きい箇所を欠陥として抽出する(S111)。前記した図9の反射信号波形91,92はそれぞれ反射信号波形81,82の反射波を像質変換したあとの正常部反射波との差分である。一律のしきい値を設定し、界面F1,界面F2から欠陥が検出されることを示す。
また、処理部20は、像質変換により画質が改善された画像を生成するための代表値を各反射波から抽出する(S112)。代表値は、各測定点の反射波のFゲート内の最大強度値としてもよいし、Fゲート内の界面の数(ここでは、時間領域Z1、Z2の二つ)からそれぞれの最大強度を採用してもよい。
処理部20は、全グループが終了したか否かを判定し(S113)、終了していない場合(S113→Nо)はS108に戻り、終了している場合(S113→Yes)はS114に進む。S114において、処理部20は、抽出した代表値により像質変換した全測定領域の画像に再構成する(S114)。ここで、S112にて代表値を1つとした場合は、界面F1と界面F2が統合された画像が1枚生成され、代表値を各時間領域から生成した場合は、界面毎の画像が生成される。
最後に、処理部20は、再構成された像質変換後の測定領域の画像上に、S111で検出した欠陥を強調表示(色付けなど)した欠陥マップを生成する(S115)。ここでも、S112にて代表値を1つとし、最後に、S111にて検出した欠陥を再構成した像質変換後の画像に強調表示(色づけなど)する。再構成画像が1枚の場合は、欠陥は検出されたグループ(深さ)毎に色分けして表示する。Fゲート内の界面毎の画像に再構成した場合には、欠陥はぞれぞれの再構成画像上で強調表示する。
図13は、実施形態に係る欠陥検出結果と欠陥マップの出力例を示す図である。画像1300は、像質変換前の検査界面の反射強度を、推定した正常部反射強度と比較した結果、画像1301は、それぞれを像質変換し、比較した結果である。〇で囲む部分に深さの異なる欠陥が存在するが、像質変換することで欠陥が顕在化する。画像1302は、像質変換後の検査界面画像に、検出した欠陥を受信時間(すなわち、深さ)に応じてハッチパターンを変えて重ねて表示した欠陥マップである。欠陥を一目で確認することが可能となる。
以上の通り、本実施形態では、反射強度の空間領域に応じたグルーピングを、方位方向の空間(XY平面)における構造物の違いを基に行い、像質変換テーブルを生成する例を示したが、動的に像質変換テーブルを生成してもよい。
<<第2実施形態>>
図10は、第2実施形態に係る超音波検査方法の処理手順を示すフローチャートである。図10は、図5のS101、S120、S102~S105までの全測定領域の反射波からFゲートにより界面エコーを抽出する処理と同様である。同一処理については説明を省略する。
図10は、第2実施形態に係る超音波検査方法の処理手順を示すフローチャートである。図10は、図5のS101、S120、S102~S105までの全測定領域の反射波からFゲートにより界面エコーを抽出する処理と同様である。同一処理については説明を省略する。
第2実施形態では、処理部20は、界面エコーを抽出後(S105)、S112と同様に、代表値を抽出する(S206)。処理部20は、測定領域内の全反射波の処理が終了したか否かを判定し(S207)、終了していない場合(S207→Nо)はS102に戻り、終了している場合(S207→Yes)はS208に進む。
S208において、処理部20は、代表値を画像の輝度値とする検査界面画像を生成する。メモリに配列として残すのみでもよい。これは当然、像質変換前のFゲート内超音波の反射強度代表値による界面検査画像(データ配列)である。処理部20は、生成された検査画像上に、小ウィンドウを設定し(S209)、小ウィンドウ内の輝度値の分布に基づき、動的に像質変換テーブルを算出する(S210)。次に、処理部20は、算出された像質変換テーブルに基づき、小ウィンドウ内の各画素の輝度値を変換する(S211)。そして、処理部20は、小ウィンドウを検査画像上で移動し(S212)、像質変換された画像に対し、しきい値設定による欠陥検出処理を行う(S213)。
処理部20は、全画像内の処理が終了したか否かを判定し(S214)、全画像内の処理が終了していない場合(S214→Nо)はS209に戻り、終了している場合(S214→Yes)はS114に進む。
S114において、処理部20は、各小ウィンドウ内で変換された画像から全体の検査界面の画像を生成する(S114)。最後に、処理部20は、再構成された像質変換後の測定領域の画像上に、S213で検出した欠陥を強調表示(色付けなど)した欠陥マップを生成する(S115)。欠陥の強調表示は、S208で生成した像質変換前の検査界面の画像上に行う。
これまで、欠陥の強調表示は、像質変換前の画像、像質変換後の画像のいずれかに重ねて表示する例を述べたが、像質変換前の画像に、別の手法、例えば、超音波ビームの拡がりによる画像劣化の要因を取り除くデコンボリューション処理などに重ねて出力することも可能である。
図11Aは、第2実施形態に係る画像と小ウィンドウとの関係を示す図である。図11Bは、小ウィンドウ内の輝度のヒストグラムを示す図である。図11Cは、像質変換テーブルの一例を示す図である。図11A~図11Cを用いて第2実施形態に係る像質変換係数の算出方法の一例を示す。
図11Aに示す画像1100は、S208で生成された検査界面の画像である。小ウィンドウ1101は検査界面の画像1100に設定される小ウィンドウの例である。図11Bに示すヒストグラム1102は、画像1100の小ウィンドウ内の輝度のヒストグラムであり、横軸が輝度値、縦軸が小ウィンドウ内の各輝度値の画素数である。ここでは、ヒストグラムのピーク(最大頻度)をとる輝度値Mを含む輝度範囲Wを、標準偏差から決定する。図11Cに示す像質変換テーブル1103は、算出した像質変換テーブルの一例である。横軸が変換前の輝度値、縦軸が変換後の輝度値である。本実施形態では、選択した輝度範囲Wの外側は線形変換、輝度範囲W内では、1104と1105の変換が行われることを示す。すなわち、像質変換テーブルは、非線形に変換するテーブルである。2種類の変換係数により、2枚の像質変換画像を生成し、出力することも、1枚の画像に統合して出力することも可能である。
以上に説明した像質変換テーブルの入力と出力の輝度範囲(階調幅)は同じでも異なっていてもよい。例えば、8bitの範囲の値を8bitの範囲に特定階調を強調するように変換することも可能であるし、より大きい10bit~16bitの階調範囲をもつ輝度分解能の高い反射波から、その分解能を維持しつつ、階調のレンジを圧縮することも可能である。また、画像に設定される小ウィンドウは全測定領域と同じであってもよい。
一方、小ウィンドウを設定せずに、設計データ(レイアウトデータ)を活用してグルーピングしてもよい。ここで、像質変換テーブルは2つに限らず、複数種をもつことも可能である。
<ハードウェア構成>
図12は、超音波検査装置の処理部等のハードウェア構成を示す図である。
図12に示す計算機1200は、図1に示す処理部20(信号処理部7、全体制御部8)、ユーザインターフェース部17、記憶部19の実現形態の一つである。なお、各部は複数の計算機1200で実現してもよい。例えば、複数の計算機1200で並列計算を行ってもよい。また、ユーザインターフェース部17を備えるタブレット計算機を含めてもよい。
図12は、超音波検査装置の処理部等のハードウェア構成を示す図である。
図12に示す計算機1200は、図1に示す処理部20(信号処理部7、全体制御部8)、ユーザインターフェース部17、記憶部19の実現形態の一つである。なお、各部は複数の計算機1200で実現してもよい。例えば、複数の計算機1200で並列計算を行ってもよい。また、ユーザインターフェース部17を備えるタブレット計算機を含めてもよい。
計算機1200は、メモリ1201、プロセッサ1202、HD(Hard Disk)などの記憶装置1203、NIC(Network Interface Card)などの通信部1204、ユーザインターフェース部1205などを有する。なお、プロセッサの一例としてはCPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)が考えられるが、所定の処理を実行する主体であれば他の半導体デバイスでもよい。
そして、記憶装置1203に記憶されているプログラムがメモリ1201にロードされ、ロードされたプログラムがプロセッサ1202によって実行される。これによって、図1に示す画像生成部71、欠陥検出部72、データ出力部73、パラメータ設定部74、全体制御部8の各機能が具現化する。記憶装置1203は、図1の記憶部19に対応させることも可能である。また、図示は省略するが、計算機1200は、ユーザインターフェース部17として、ディスプレイ、タッチパネル、マウス、キーボードを有してもよい。
本実施形態の超音波検査装置100は、複雑、かつ多層構造を有する被検査体から得られる各測定点の超音波反射波について、一回のプローブ走査で一括取得した各測定点の超音波反射波を、受信時間方向、かつ方位方向に分割し、同じ受信時間領域、かつ同じ方位空間領域毎に、含まれる超音波反射強度から適応的に像質変換テーブルを算出し、像質変換テーブルに基づき、超音波反射強度を変換し画像を生成する手段を有する。また、受信時間領域、かつ方位空間領域毎に欠陥を特定し、生成した画像内に、受信時間領域毎に色分けして欠陥を表示する手段を有する。これにより、得られる超音波の反射強度が大小様々でダイナミックレンジが広い信号から、より狭いダイナミックレンジへ検査領域全体が高コントラスト化された検査画像を生成し、反射強度が微弱な微小欠陥の検出が可能となる。
従来、半導体電子部品を対象とした超音波検査において、内部構造の積層化により、検査界面の画像も増大している。検査界面毎にフォーカス位置の調整、プローブによる検査領域の走査を繰り返すことで高感度検査は実現できるが、データ取得時間が増大することが課題となっていた。本実施形態の超音波検査装置100によれば、複数の検査界面がある多層構造を有する被検査体に対し、一回のプローブ走査により一括取得した超音波反射波から、各検査界面の欠陥の高感度検出ができる。これにより、検査処理の高速化と検査の高感度化の両立を図ることができる。
以上説明した本実施形態の超音波検査装置は、次の特徴を有する。
超音波探触子(例えば、超音波プローブ2)で被検査体400の表面を走査し、超音波探触子から被検査体400に向けて超音波を出射し、被検査体400から戻る反射波を受信し、受信した反射波に基づき被検査体400の内部状態を検査する超音波検査装置100である。超音波検査装置100の処理部20は、ユーザが設定する第1の受信時間領域である第1のゲート(例えば、Sゲート)と第2の受信時間領域である第2のゲート(例えば、Fゲート)を受け付け(図5のS120)、超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い(図5のS104)、受信時間補正後の反射信号より、第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出する(S105)。
超音波探触子(例えば、超音波プローブ2)で被検査体400の表面を走査し、超音波探触子から被検査体400に向けて超音波を出射し、被検査体400から戻る反射波を受信し、受信した反射波に基づき被検査体400の内部状態を検査する超音波検査装置100である。超音波検査装置100の処理部20は、ユーザが設定する第1の受信時間領域である第1のゲート(例えば、Sゲート)と第2の受信時間領域である第2のゲート(例えば、Fゲート)を受け付け(図5のS120)、超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い(図5のS104)、受信時間補正後の反射信号より、第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出する(S105)。
処理部20は、抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングし(S107)、グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し(S108)、推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し(S109)、各グループ内の反射信号を像質変換テーブルに従って変換し(S110)、変換した反射強度を変換後の基準反射強度と比較して欠陥を抽出する(S111)。
各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し(S114)、抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力する(S115)ことができる。本実施形態の超音波検査装置によれば、複数の検査界面がある多層構造を有する被検査体に対し、一回のプローブ走査により一括取得した超音波反射波から、各検査界面の欠陥の高感度検出を可能である。
反射信号のグルーピングは、受信時間領域、及び方位空間領域のいずれか、または両方に基づいて行うことができる(図8、図9参照)。
第2のゲートは、複数の界面の反射波が含まれる1つの時間範囲である(図6参照)。
第2のゲートから生成される検査画像及び欠陥マップは1枚であり、欠陥は受信時間領域を基にグルーピングされたグループに応じて色分けされた欠陥マップである。図6において、広い時間幅のFゲートを1つの設定を受け付け、Fゲート内で検出した欠陥を、図13のように発生した深さに応じて表示方法を変えて、1つの欠陥マップ上に重ねて表示することで、ユーザがFゲート設定に要する時間の低減を可能とする。
例えば、接合界面が2つである場合、従来法では、ユーザは各界面からの反射波の発生時間を第一参照波から推定し、界面からの反射波を含み、かつ別の界面の反射波が含まれないように、Fゲートの開始時間と時間幅を設定する必要がある。そして、設定した2つのゲートに基づいて生成される界面F1と界面F2の画像を目視確認し、所望の画像が得られていない場合にはFゲートの再調整をするといった作業を繰り返す必要があった。
これに対し、本実施形態では、複数の界面の反射波を網羅するように大まかにゲートを設定するのみとなる。また、欠陥マップが1つであることで、時間領域と空間領域における欠陥の発生状況を同時に可視化するため、ユーザが欠陥検出結果の確認や解析に要する時間の低減も可能である。
検出された欠陥による欠陥マップは、強度変換前の検査界面の画像、強度変換後の検査界面の画像、別の手法で像質変換された検査界面の画像に重ねて強調表示される(図13参照)。
第2実施形態の超音波検査装置において、処理部20は、抽出した反射信号を方位方向の一定距離内の測定点より得られた複数の反射波毎にグルーピングし(図10のS209)、グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し(図11の輝度値M参照)、推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し(S210)、各グループ内の反射信号を像質変換テーブルに従って変換し(S211)、変換した反射強度を変換後の基準反射強度、もしくは事前に設定されたしきい値と比較して欠陥を抽出し(S213)、各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し(S114)、抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力する(S115)ことができる。
反射信号の像質変換テーブルは1つまたは複数種であり、得られる強度変換後の画像及び欠陥マップは1枚である。本実施形態によれば、欠陥マップが1つであることで、時間領域と空間領域における欠陥の発生状況を同時に可視化するため、ユーザが欠陥検出結果の確認や解析に要する時間の低減も可能である。
1 検出部
2 超音波プローブ(超音波探触子)
3 探傷器
4 反射波
5 試料
6 A/D変換器
7 信号処理部
8 全体制御部
11 スキャナ台
12 水槽
13 スキャナ
15 ホルダ
16 メカニカルコントローラ
17 ユーザインターフェース部
19 記憶部
20 処理部
44 接合部
47 バンプ層
50,51 接合界面
52,53 超音波ビーム
66b ゲート(第1のゲート、Sゲート)
67b ゲート(第2のゲート、Fゲート)
70,70A 反射信号波形
71 画像生成部
72 欠陥検出部
73 データ出力部
100 超音波検査装置
400 被検査体
1100 画像
1101 小ウィンドウ
1102 ヒストグラム
1103 像質変換テーブル
1300 画像(強度変換前の検査界面の画像)
1301 画像(強度変換後の検査界面の画像)
1302 画像(欠陥マップ)
F1,F2 界面
M 輝度値
W 輝度範囲
2 超音波プローブ(超音波探触子)
3 探傷器
4 反射波
5 試料
6 A/D変換器
7 信号処理部
8 全体制御部
11 スキャナ台
12 水槽
13 スキャナ
15 ホルダ
16 メカニカルコントローラ
17 ユーザインターフェース部
19 記憶部
20 処理部
44 接合部
47 バンプ層
50,51 接合界面
52,53 超音波ビーム
66b ゲート(第1のゲート、Sゲート)
67b ゲート(第2のゲート、Fゲート)
70,70A 反射信号波形
71 画像生成部
72 欠陥検出部
73 データ出力部
100 超音波検査装置
400 被検査体
1100 画像
1101 小ウィンドウ
1102 ヒストグラム
1103 像質変換テーブル
1300 画像(強度変換前の検査界面の画像)
1301 画像(強度変換後の検査界面の画像)
1302 画像(欠陥マップ)
F1,F2 界面
M 輝度値
W 輝度範囲
Claims (14)
- 超音波探触子で被検査体の表面を走査し、前記超音波探触子から被検査体に向けて超音波を出射し、前記被検査体から戻る反射波を受信し、前記受信した反射波に基づき前記被検査体の内部状態を検査する超音波検査装置であって、
前記超音波検査装置の処理部は、
ユーザが設定する第1の受信時間領域である第1のゲートと第2の受信時間領域である第2のゲートを受け付け、前記超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、前記第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い、受信時間補正後の反射信号より、前記第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出し、
抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングし、
グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し、前記推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し、各グループ内の反射信号を前記像質変換テーブルに従って変換し、前記変換した反射強度を変換後の前記基準反射強度と比較して欠陥を抽出し、
前記各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し、前記抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力する
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置において、
前記反射信号のグルーピングは、受信時間領域、及び方位空間領域のいずれか、または両方に基づいて行う
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置において、
前記第2のゲートは、複数の界面の反射波が含まれる1つの時間範囲である
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置において、
前記第2のゲートから生成される検査画像及び欠陥マップは1枚であり、欠陥は受信時間領域を基にグルーピングされたグループに応じて色分けされた欠陥マップである
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1に記載の超音波検査装置において、
前記検出された欠陥による欠陥マップは、強度変換前の検査界面の画像、強度変換後の検査界面の画像、別の手法で像質変換された検査界面の画像に重ねて強調表示される
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 超音波探触子で被検査体の表面を走査し、前記超音波探触子から被検査体に向けて超音波を出射し、前記被検査体から戻る反射波を受信し、前記受信した反射波に基づき前記被検査体の内部状態を検査する超音波検査装置であって、
前記超音波検査装置の処理部は、
ユーザが設定する第1受信時間領域である第1のゲートと第2の受信時間領域である第2のゲートを受け付け、前記超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、前記第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い、受信時間補正後の反射信号より、前記第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出し、
抽出した反射信号を方位方向の一定距離内の測定点より得られた複数の反射波毎にグルーピングし、
グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し、前記推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し、各グループ内の反射信号を前記像質変換テーブルに従って変換し、前記変換した反射強度を変換後の前記基準反射強度、もしくは事前に設定されたしきい値と比較して欠陥を抽出し、
前記各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し、前記抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力する
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超音波検査装置において、
前記反射信号の前記像質変換テーブルは1つまたは複数種であり、得られる強度変換後の画像及び欠陥マップは1枚である
ことを特徴とする超音波検査装置。 - 超音波探触子で被検査体の表面を走査し、前記超音波探触子から被検査体に向けて超音波を出射し、前記被検査体から戻る反射波を受信し、前記受信した反射波に基づき前記被検査体の内部状態を検査する超音波検査方法であって、
ユーザが設定する第1の受信時間領域である第1のゲートと第2の受信時間領域である第2のゲートを受け付け、前記超音波探触子を走査して被検査体の複数の測定点より得られる反射信号を、前記第1のゲートに基づき、受信時間軸方向の補正を行い、受信時間補正後の反射信号より、前記第2のゲートに基づき、検査界面からの反射信号を抽出するステップと、
抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングするステップと、
グループ毎に、正常部の反射強度を基準反射強度として推定し、前記推定した基準反射強度に基づいて反射強度を非線形に変換する像質変換テーブルを算出し、各グループ内の反射信号を前記像質変換テーブルに従って変換し、前記変換した反射強度を変換後の前記基準反射強度と比較して欠陥を抽出し、前記各グループ内で変換された反射強度から検査界面の画像を生成し、前記抽出した欠陥を検査界面の画像上に表示した欠陥マップを出力するステップと、を有する
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8に記載の超音波検査方法において、
前記反射信号のグルーピングは、受信時間領域、及び方位空間領域のいずれか、または両方に基づいて行う
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8に記載の超音波検査方法において、
前記第2のゲートは、複数の界面の反射波が含まれる1つの時間範囲である
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8に記載の超音波検査方法において、
前記第2のゲートから生成される検査画像及び欠陥マップは1枚であり、欠陥は受信時間領域を基にグルーピングされたグループに応じて色分けされた欠陥マップである
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8に記載の超音波検査方法において、
前記検出された欠陥による欠陥マップは、強度変換前の検査界面の画像、強度変換後の検査界面の画像、別の手法で像質変換された検査界面の画像に重ねて強調表示されることを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8に記載の超音波検査方法において、
前記抽出した反射信号を複数のグループにグルーピングするステップに代えて、
前記抽出した反射信号を方位方向の一定距離内の測定点より得られた複数の反射波毎にグルーピングする
ことを特徴とする超音波検査方法。 - 請求項8から請求項13のいずれか1項に記載の超音波検査方法において、
前記反射信号の前記像質変換テーブルは1つまたは複数種であり、得られる強度変換後の画像及び欠陥マップは1枚である
ことを特徴とする超音波検査方法。
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