JP5650339B1 - 超音波検査装置 - Google Patents
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Abstract
Description
アレイ型プローブを備える超音波検査装置は、これら複数の超音波振動素子群を構成する各超音波振動素子に送波信号(励振信号)を与える。超音波検査装置は更に、各超音波振動子で受波信号(エコー波の受信信号)を受信する。超音波検査装置は、送波信号(励振信号)と受波信号(エコー波の受信信号)に所定の時間的ずれ(遅延パターン)を与え、いわゆるフェーズドアレイとして機能させる。これにより、超音波検査装置は、超音波ビームを集束させて、焦点を持った超音波エコーを得ることができる。各超音波振動素子の配列方向に直交する方向に曲率をつけることにより、配列方向に直交する方向についても超音波ビームを集束させて、焦点を持った超音波エコーを得ることができる。アレイ型プローブでは超音波パルスビームを送信する複数の超音波振動子群を電子的に走査することにより、高速測定が可能となる。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やシリコンウェハのような大きなワークを検査する場合には、スループットを高めるためにアレイ型プローブを用いることがある。
特許文献1に示した方式は、細い水柱を形成すればよいシングル型プローブには適用可能であるが、アレイ型プローブには、太い水柱を形成して広い面積で水圧分布を安定して均一に保つ必要があり、適用困難である。
図1は、第1の実施形態における超音波検査装置100を示す概略の構成図である。
図1に示すように、超音波検査装置100は、検査面を下に向けてワーク106(被検体)を保持するワークホルダ105(被検体保持機構)と、これを水平(X軸)方向に可動とするX軸方向走査手段104A,104B(水平走査手段)とを備える。超音波検査装置100は更に、アーム116と、このアーム116を固定するステージ103と、ステージ103を可動させるY軸方向走査手段101およびZ軸方向走査手段102を備える。
Z軸方向走査手段102は、ステージ103を高さ(Z軸)方向に可動させることにより、アーム116上の水槽109およびアレイ型プローブ107を高さ方向に可動させる。Z軸方向走査手段102は、ワーク106に対するアレイ型プローブ107および水槽109の相対的な高さを調整する高さ調整機構のひとつである。
検査面とアレイ型プローブ107との間を水で確実に満たすため、水槽109の外縁はアレイ型プローブ107の外縁よりも5mm以上広くするとよい。水槽109の側面には、給水口110と、給水口110に接続される給水チューブ111とが設けられている。給水チューブ111には、水槽109に水を供給するポンプ130が接続されている。このポンプ130は、水槽109に溜まった水117の液面が波立たない程度の水量を供給する。ポンプ130は、流量制御が可能である。しかし、これに限られず、所定流量を供給するポンプと流量制御を可能とするバルブおよびバイパス配管の組合せである流量制御機構により、水槽109の液面が波立たない程度の水量を供給してもよい。
アーム116をステージ103に固定する位置は、固定ネジ112A,112Bを止める長穴の位置を調整することにより調整可能である。よって、アレイ型プローブ107のあおり量を調整し、ワーク106の検査面との平行出しが可能である。すなわち、固定ネジ112A,112Bは、アレイ型プローブ107のあおり量を調整するあおり量調整機構である。
図1に示すように、検査者は先ず、ワークホルダ105に、検査面を下に向けたワーク106を載せる。この際、必要に応じてチャッキングを行う。第1実施形態のチャッキングの方法は、ワーク106を下で支えることにより、ワークホルダ105にワーク106を機械的に止めるものである。そのほかの方法として、ワーク106の上面を真空吸着して保持する方法や、ワーク106の側面から摩擦係数の高い材料を押し当てて保持する方法などが考えられる。
次に、ポンプ130により、給水チューブ111と給水口110とを通じて水槽109に水を供給し、水槽109の上縁から水117がオーバフローするまで待つ。これにより、水の表面張力により、液面を水槽109の上縁を超えさせることができる。ポンプ130による給水量は、水面が波立たず、ほぼ静水面と見なせる程度とする。アレイ型プローブ107から発生した超音波が、水面が波立って発生した気泡で反射されてしまうことを防止するためである。
図2に示すように、水117は、表面張力で水面が水槽109の上縁から高さhだけ高くなっている。
この状態でZ軸方向走査手段102を用いて水117の液面が検査面に触れるまでアレイ型プローブ107を持ち上げる。このとき、水槽109の上縁の位置が高すぎたり、傾いていてワーク106の検査面に当たるようであれば、調整ツマミ113A,113B,113Cを用いて傾きを調整する。これにより、水槽109の上縁の高さ調整および平行出しが可能である。
検査者は、信号ケーブル115に接続されたアレイ型プローブ107から超音波を発生させ、ワーク106の検査面に焦点を合わせる。ワーク106の検査面で反射されたエコー信号が戻ってくる時間がアレイ型プローブ107の長手方向で均一になるように固定ネジ112A,112Bを調整することで、ワーク106の検査面に対するアレイ型プローブ107の平行出しを行う。これにより、アレイ型プローブ107は、ワーク106の検査面と平行な面を超音波で探触可能である。
図2に示すように、水槽109の上縁に対するワーク106の検査面の高さHは、表面張力で水面が水槽109の上縁から盛り上がる高さh以下としている。これにより、水面を波立たせることなくほぼ静水面と見なせる状態で、水117の液面を検査面に接触させることができ、気泡の発生を抑止できる。ここで高さHは、0mmを超え、かつ2mm以下に設定している。ここまでの作業でアレイ型プローブ107および水槽109の調整は完了する。
なお、水槽109の上縁の検査面と相対する面は、表面張力で水面が水槽109の上縁から盛り上がる高さhを大きくするため、水に対する濡れ性の悪い材料または濡れ性が悪くなるように表面加工した材料を用いることが望ましい。
最初、X軸方向走査手段104A,104Bは、ワーク106をX方向に送ることにより、X方向に走査する。X軸方向走査手段104A,104B(水平走査手段)は、水槽109に蓄えた水の表面張力によってワーク106の検査面に液面が接触した状態で、ワーク106を水平(X軸)方向に走査する。
X方向の1ライン分の走査を終了したならば、Y軸方向走査手段101がアレイ型プローブ107の長手方向の長さ分だけ、このアレイ型プローブ107を送る。Y軸方向走査手段101は、(水平走査手段)は、水槽109に蓄えた水の表面張力によってワーク106の検査面に液面が接触した状態で、ワーク106を水平(Y軸)方向に送る。
次にX軸方向走査手段104A,104Bは、ワーク106を、直前のX方向の走査とは逆方向に送る。X軸方向走査手段104A,104B(水平走査手段)は、水槽109に蓄えた水の表面張力によってワーク106の検査面に液面が接触した状態で、ワーク106を水平方向に走査する。
超音波検査装置100は、これらの走査手順を繰り返して、検査領域を走査する。
第2の実施形態は、アレイ型プローブ107の走査方向の前後にシート状の気流発生装置を設け、水が接して濡れた検査面に気流を吹きつけて、乾燥させながら走査を行うものである。これにより、ワーク106が水に濡れることによる弊害を更に防止できる。
図3に示すように、第2の実施形態の超音波検査装置100Aは、第1の実施形態の超音波検査装置100と同様な構成に加えて、エアナイフ発生装置118A,118B(気流発生装置)を設けている。
エアナイフ発生装置118A,118B(気流発生装置)は、アレイ型プローブ107の短手方向の前後にアレイ型プローブ107と平行に設けられている。エアナイフ発生装置118A,118Bは、水槽109から遠ざかる方向にシート状の気流を発生させる。このシート状の気流は、エアナイフと呼ばれる場合がある。
エアナイフ発生装置118A,118Bには、乾燥空気や乾燥窒素など、0.1[MPa]以上の高圧ガスがガス配管により供給される。エアナイフ発生装置118A,118Bは、スリット上の隙間から高圧ガスをシート状に噴き出す。
図4に示した例は、ワーク106を図の左から右へ走査する場合であり、ワーク106の検査面上に残る水滴を、エアナイフ気流121Bによって吹き飛ばしている状態を示している。
なお、超音波検査装置100Aは、ワーク106の走査方向に応じて、エアナイフ発生装置118A,118Bを動作させてもよい。超音波検査装置100Aは、ワーク106を図の右から左へ走査する場合に、エアナイフ発生装置118Aを動作させてエアナイフ気流121Aを噴き出させる。超音波検査装置100Aは、ワーク106を図の左から右へ走査する場合に、エアナイフ発生装置118Bを動作させてエアナイフ気流121Bを噴き出させる。これにより、高圧ガスの消費量を削減できるとともに、水槽109の水面は、更に波立つことなく安定を保つことができる。
第3の実施形態の超音波検査装置100Bは、第1の実施形態とは異なり、ワーク106を固定させて、アレイ型プローブ107をXYZ軸で可動させる。第3の実施形態の超音波検査装置の利点は、ワーク106を固定させているため、超音波検査装置の設置スペースを小さくできることである。
給水チューブ111から供給された水は、水槽109からオーバフローして、パン240で受けられて排水245となる。排水245は、排水チューブ241を介して排出される。このような構造とすることで、X軸方向走査手段204・Y軸方向走査手段201・Z軸方向走査手段202は、水に濡れることがなくなる。
なお、排水チューブ241で排出した水は、ポンプ130に環流させて循環してもよい。これにより、水の使用量を削減可能である。
第3の実施形態の超音波検査装置100Bは、真空吸着機構250を備えている。真空吸着機構250は、Oリング251を備え、ワーク106の検査面の反対面からの真空吸着によりワーク106を止める。真空吸着方式は、ワーク106を機械的に止める方式に比べて、水槽109およびアレイ型プローブ107を更に検査面に近づけることができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
101,201 Y軸方向走査手段 (水平走査手段)
102,202 Z軸方向走査手段 (高さ調整機構)
103 ステージ (探触子保持機構)
104A、104B、204 X軸方向走査手段 (水平走査手段)
105 ワークホルダ (被検体保持機構)
106 ワーク (被検体)
107 アレイ型プローブ (アレイ型探触子)
108 筐体
109 水槽 (槽)
111 給水チューブ
112A,112B 固定ネジ (あおり量調整機構)
113A,113B,113C 調整ツマミ (水槽のあおり・高さ調整機構)
114 コネクタ
115 信号ケーブル
116 アーム (探触子保持機構)
117 水
118A,118B エアナイフ発生装置 (気流発生装置)
119A,119B 高圧ガス配管
120A,120B 高圧ガス供給口
121A,121B エアナイフ気流
130 ポンプ
131A,131B,131C 調整ネジ (水槽のあおり・高さ調整機構)
132A,132B,132C シール軸受け
205 2軸ゴニオステージ (探触子保持機構)
240 パン
241 排水チューブ
242 パン固定台
250 真空吸着機構
Claims (6)
- 平面状の検査面を下に向けて水平に被検体を保持する被検体保持機構と、
前記被検体を超音波で探触する列状のアレイ型探触子と、
超音波を伝播させる液体に前記アレイ型探触子を浸す槽と、
前記被検体の検査面の下方に前記アレイ型探触子を相対するように前記槽と共に保持する探触子保持機構と、
前記槽に蓄えた液体の表面張力によって前記被検体の検査面に液面が平行に接触した状態で、前記被検体および/または前記アレイ型探触子を水平に走査する水平走査手段と、
前記被検体に対する前記槽の相対的な高さおよび前記探触子保持機構の相対的な高さをそれぞれ調整する高さ調整機構と、
前記アレイ型探触子のあおり量を調整するあおり量調整機構と、
を備えることを特徴とする超音波検査装置。 - 前記アレイ型探触子と平行に設けられ、前記槽から遠ざかる方向にシート状の気流を発生させる気流発生装置、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。 - 前記被検体保持機構は、真空吸着により上側から前記被検体を保持する、
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。 - 前記被検体および/または前記アレイ型探触子を水平に走査するとき、前記被検体の検査面と前記槽の上縁との間隔は、0mmを超え、かつ2mm以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。 - 前記槽に液面が波立たない流量で液体を供給するポンプまたは流量制御機構、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。 - 前記水平走査手段は、前記被検体の検査面と前記アレイ型探触子との間に空気が入らないような速度で、前記被検体および/または前記アレイ型探触子を水平に走査する、
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波検査装置。
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