JP5919884B2

JP5919884B2 - ドライ式超音波探傷検査装置とその方法

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Publication number: JP5919884B2
Application number: JP2012040833A
Authority: JP
Inventors: 匡彦江積
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013178101A

Description

本発明は、水に濡れることを嫌う電子部品等の超音波による探傷検査をいわゆるドライ環境で行うドライ式超音波探傷検査装置とその方法に関するものである。

非破壊検査法の一つとして古くから知られている水浸式超音波探傷検査方法に代わるドライ式超音波探傷検査装置が例えば特許文献１等にて提案されている。かかるドライ式超音波探傷検査装置は、例えば半導体装置における半導体素子の半田層の内部でのボイド（空隙）やクラックの有無の探傷検査に用いられている。

特許文献１に記載された技術では、検査対象物を液体に接触させないようにするため、検査対象物と水等の超音波伝達媒体（音響媒体）との間に固体薄膜を介在させ、それらの検査対象物と固体薄膜との間を減圧することで両者を密着させて、超音波探傷検査を行うこととしている。

特開２００７−２４６６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、例えば減圧中または減圧後において検査対象物と固体薄膜との間に気泡が混入しないように固体薄膜を検査対象物の表面の形状に倣うように変形させることとしているが、検査対象物と固体薄膜とが密着する際になおも気泡が混入する可能性があり、探傷検査の信頼性の面でなおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、検査対象物と固体薄膜との密着精度を高めつつ両者の間に気泡が混入しないようにし、もって探傷検査の精度および信頼性の向上を図った装置とその方法を提供するものである。

この目的のため本発明は、検査対象物と弾性を有する固体薄膜との間に所定の隙間を確保し、超音波プローブ側から固体薄膜に向けて液体の超音波伝達媒体を上向きに噴射し、噴射した超音波伝達媒体の圧力により検査対象物に対して固体薄膜を密着させながら、上記超音波プローブから検査対象物に向けて超音波を出射するとともに、その超音波の反射波を超音波プローブにて受波して検査対象物の探傷を行うようにしたものである。

本発明によれば、超音波伝達媒体の噴射圧により固体薄膜を検査対象物に密着させるため、その噴射圧による空気の追い出し効果のために検査対象物と固体薄膜との間に気泡が混入するのを防止でき、探傷検査の精度向上と検査結果の信頼性の向上が図れる。

本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置に供される検査対象物の一例として半導体装置の一例を示す断面説明図。本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置の第１の形態を示す断面説明図。図２に示したドライ式超音波探傷検査装置における探傷検査時の断面説明図。図３の要部を拡大した斜視図。本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置の第２の形態を示す断面説明図。本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置に供される検査対象物の一例として半導体装置の別の例を示す断面説明図。図６の半導体装置を検査対象物とする場合の図４と同等部位の斜視図。

図１〜４は本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置を実施するためのより具体的な第１の形態を示し、例えば図１に示すように、電極として機能する金属製で且つ平板状の基板２の上に半田層３を介して半導体素子４が接合された半導体装置１を検査対象物とする場合のドライ式超音波探傷検査装置の具体的構成例を図２〜４に示している。

そして、図１に示すように、基板２と半導体素子４の接合層である半田層３のなかにボイド（空隙）Ｑ１あるいはクラックＱ２等の内部欠陥が存在していると、半導体素子４本来の熱的性能を劣化させ、ひどい場合には半導体素子４の破壊を誘発するおそれがあることから、事前にこれらのボイドＱ１等の発見を目的としてドライ式超音波探傷検査が行われる。

図２は上記半導体装置１の探傷検査に供されるドライ式超音波探傷検査装置の構造を示し、検査対象物である上記半導体装置１がセットされた状態を示している。

図２に示すように、上面中央部が開放された架台としてのフレーム５の上に同じく中央部を開放するようにしてプレート状のスペーサ６が載置されていて、そのスペーサ６の上に半導体装置１がセットされる。また、フレーム５とスペーサ６との間には支持部材７ａを介して所定の弾性（可撓性）を有するシート状の固体薄膜７が配置されている。スペーサ６の中央部が開放されていることで、図２の状態では半導体装置１と固体薄膜７との間にスペーサ６の厚みに相当するわずかな隙間Ｇが確保されているとともに、その隙間Ｇを隔てて半導体装置１の基板２と固体薄膜７とが対向または対面している。

上記固体薄膜７の下方のフレーム５の内部には水槽８が配置されていて、この水槽８には超音波伝達媒体（音響媒体）である所定量の水Ｗが貯留されている。水槽８内には、後述する支持手段として機能するＸ−Ｙ駆動機構１４を介して、固体薄膜７に向けて超音波伝達媒体として水Ｗを噴射するための噴射筒状体としての噴射ヘッド９が直立姿勢にて配置されている。噴射ヘッド９の上面の開口部９ａは非接触にて固体薄膜７と対向または対面している。また、噴射ヘッド９内には探傷子としての円筒状の超音波プローブ１０が同心状に固定配置されている。

そして、後述するように、探傷検査に際しては、水槽８内の水Ｗがポンプ１１と圧力調整弁（減圧弁）１２および配管１３を介して噴射ヘッド９に供給され、噴射ヘッド９の上面の開口部９ａから固体薄膜７に向けて水Ｗが噴射され、図３に示すような所定の噴流Ｊが形成されることになる。同時に、図３に示すように、超音波プローブ１０から固体薄膜７側に向けて超音波Ｓ１が出射され、その反射波Ｓ２を再び超音波プローブ１０にて受波することになる。この超音波プローブ１０にて受波した反射波Ｓ２は、図３に示すように、例えばパーソナルコンピュータ等をもって構成された信号処理・解析装置１５に取り込まれることになる。

また、フレーム５側には水槽８内を横断するかたちでモータ等の駆動源を含むＸ−Ｙ駆動機構１４が配置されている。このＸ−Ｙ駆動機構１４は、直立姿勢の噴射ヘッド９を超音波プローブ１０とともに支持した上でそれらの噴射ヘッド９および超音波プローブ１０を固体薄膜７に沿った方向の任意に位置に移動させるためのもので、言い換えるならば固体薄膜７の下方において噴射ヘッド９を超音波プローブ１０とともにＸ方向およびＹ方向に走査させるべく、Ｘ−Ｙ二次元平面内の任意の位置に噴射ヘッド９を超音波プローブ１０とともに移動させる機能を有している。

なお、超音波プローブ１０は必ずしも噴射ヘッド９の内部においてこれと同心状に配置されている必要はなく、要は噴射ヘッド９の平面視においてその噴射ヘッド９の投影面積内に超音波プローブ１０が配置されていればよい。

ここで、固体薄膜７の材質および膜厚の選定に際しては、検査対象物である半導体装置１との密着性を事前に評価した上で最適な材質を決定し、検査に必要な超音波の周波数から最適な固体薄膜７の膜厚を決定するものとする。

上記固体薄膜７としては、例えば所定のゴム系薄膜材料および樹脂系薄膜材料のうち少なくともいずれか一つを用いた単層構造のもの、あるいは上記ゴム系薄膜材料および樹脂系薄膜材料のうち少なくとも二種類あるいはそれ以上を積層した複層構造のものとし、その膜厚は経験的に０．００１ｍｍ〜１ｍｍ程度のものとする。より具体的には、上記固体薄膜としては、例えばシリコーン、ウレタンゴム、ニトリルゴム、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン（登録商標）、ポリエチレンテレフタレート等のうちから単独でシート状にしたもの、あるいは上記材質のうち二種類またはそれ以上のものを組み合わせて積層した複層構造のものを用いることが望ましい。

また、図２において、隙間Ｇを隔てて半導体装置１の基板２と固体薄膜７とが対向しているのは、同図のような非作動状態において、検査対称物である半導体装置１と固体薄膜７とが予め接触してしまうのを回避するためである。すなわち、検査対称物である半導体装置１と固体薄膜７とが予め接触していると、探傷検査時に水Ｗの噴流Ｊ（図３参照）により固体薄膜７に皺が発生し、半導体装置１と固体薄膜７との間に気泡が混入して検査できない部位が発生してしまうことがあることから、かかる不具合を防ぐためである。

このようなドライ式超音波探傷検査装置において、超音波伝達媒体である水Ｗの噴流Ｊを形成しながら超音波探傷を行っている様子を図３に示している。

同図に示すように、超音波伝達媒体として水槽８に貯留されている水Ｗは、ポンプ１１により吸い上げられるとともに、圧力調整弁１２にて圧力調整された上で、配管１３を通って噴射ヘッド９へと供給され、その噴射ヘッド９の上部の開口部９ａから固体薄膜７へ向けて噴射される。これにより、固体薄膜７に対して所定の接触面積を有する噴流Ｊを形成することになる。この水Ｗの噴流Ｊを受けて固体薄膜７が上方に膨出するように押し上げられて、固体薄膜７は検査対象物である半導体装置１の下面の基板２に押し付けられるようにして密着するようになる。

なお、噴射ヘッド９から噴射されて噴流Ｊを形成した水Ｗは自重落下により水槽８に回収されて循環再使用される。そして、探傷検査中はこの水Ｗの流れが繰り返される。また、探傷検査中に検査対象物である半導体装置１が動かないように、必要に応じて、半導体装置１をスペーサ６に対して押し付ける加圧拘束手段を併用するものとする。

上記のような噴射ヘッド９による噴流Ｊの形成と並行して、その噴射ヘッド９内に収容されている超音波プローブ１０から所定周波数の超音波Ｓ１が出射されて、検査対象物である半導体装置１の探傷検査が行われる。より具体的は、図４は図３の要部を拡大した斜視図であり、噴射ヘッド９の上部の開口部９ａから固体薄膜７に向けて水Ｗを噴射して噴流Ｊを形成する。それと並行して、所定の周期で同じく固体薄膜７に向けて超音波プローブ１０から超音波Ｓ１を出射するとともに、半導体装置１からの反射波Ｓ２を同じく超音波プローブ１０にて受波しながら、噴射ヘッド９を超音波プローブ１０とともに検査対象面に沿ってＸ方向およびＹ方向にそれぞれ交互に走査・移動させる。なお、その噴射ヘッド９のいわゆるジグザグ状の移動軌跡を符号Ｍで示してある。また、図３および図４では、上向きの矢印Ｓ１が検査対象物である半導体装置１に向けて発射された超音波を示し、下向きの矢印Ｓ２が反射波を示している。

そして、超音波プローブ１０が受波した反射波Ｓ２は図３に示す信号処理・解析装置１５に取り込まれて、検査対象全面を走査し終えた時点で電気信号に変換することで、図１に示したボイドＱ１やクラックＱ２等の半田層３における内部欠陥の有無の判定または評価が行われることになる。

このように超音波伝達媒体である水Ｗの噴流Ｊをもって固体薄膜７を検査対象面である半導体装置１の基板２の下面に押し付ける一方で、超音波プローブ１０から超音波Ｓ１を固体薄膜７側に向けて出射しながらその反射波Ｓ２を受波することで、検査対象面と固体薄膜７との間の空気を追い出しながら両者を密着させることができるので、両者の間に気泡が混入することがなく、半導体装置１における探傷検査の精度向上とともに検査結果の信頼性が向上することになる。

また、先に述べたように、固体薄膜７として例えば所定のゴム系薄膜材料または樹脂系薄膜材料であって且つその膜厚が０．００１ｍｍ〜１ｍｍ程度のものを用いていることにより、検査対象物に対する固体薄膜７の十分な密着性が確保されて、超音波信号の損失が小さく抑えられるため、図１に示したような内部欠陥であるところのボイドＱ１やクラックＱ２と正常部位の判別が容易となる。

さらに、噴射ヘッド９と超音波プローブ１０とを同心状のものとして配置してあることにより、噴射ヘッド９からの噴流Ｊの中心と超音波プローブ１０との中心とが一致するので、検査対象物と固体薄膜７との間に気泡が入り込むのをより確実に防止することができ、探傷検査の精度が一段と向上することになる。

図５は本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置を実施するための第２の形態を示し、図２と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の形態では、底面中央部に固体薄膜１７を配置した矩形状のトレイ１６を用意し、このトレイ１６の上に図１に示した半導体装置１を載せて、トレイ１６ごとフレーム５の上に位置決めするようにしたものである。この第２の形態においても第１の形態と同様の手法で探傷検査を行うことができる。

図６，７は本発明に係るドライ式超音波探傷検査装置を実施するための第３の形態を示し、図６のような半導体装置２１を検査対象物とする場合のドライ式超音波探傷検査装置の具体的構成例を図７に示している。なお、図７において図４と共通する部分には同一符号を付してある。

図６は例えば電気自動車やハイブリッド車等の電動車用インバータに搭載される電力変換のための半導体装置２１の一例を示している。この半導体装置２１は、略偏平箱状に成形された樹脂製のケース２０に電極として機能する平板状をなす金属製の基板２２と複数の端子２３がそれぞれインサート成形等の手法により埋設されていて、基板２２の上にパワー素子等の図１と同様の複数の半導体素子４が半田接合（半田付け）されているとともに、各半導体素子４と端子２３とが金線あるいはアルミニウム線等のリード線２４にて接続されているものである。つまり、図６に示した半導体装置２１は、図１に示したような半導体素子４を単位要素として、ケース２０を母体として複数の半導体素子４を集約したものと理解することができる。

したがって、図６のような半導体装置２１を検査対象物とする場合には、図７に示すように、スペーサ６の上に当該半導体装置２１をセットして探傷検査を行えば良いことになる。

ここで、上記各実施の形態では、検査対象物である半導体装置１または２１に対して噴射ヘッド９を超音波プローブ１０とともに動かすようにした例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、噴射ヘッド９および超音波プローブ１０側を固定とし、これに対して検査対象物である半導体装置１または２１をＸ方向およびＹ方向の二次元方向に動かす（走査する）ようにしても良く、さらには超音波プローブ１０を含む噴射ヘッド９および検査対象物の双方を動かすようにしても良い。

さらに、同じく図２において、検査対象物である半導体装置１と超音波プローブ１０との間の距離を調整する必要がある場合には、Ｘ−Ｙ駆動機構１４に代えて、Ｘ軸およびＹ軸に加えてＺ軸を付加したＸ−Ｙ−Ｚの三次元の駆動機構を採用すれば良いことになる。

加えて、上記実施の形態では、基板に対する半導体素子の接合にろう材として半田を用いた半田付けの例を示しているが、他のろう材を用いたろう付け等のろう接技術にも本発明を適用することができる。

１…半導体装置（検査対象物）
２…基板
３…半田層
４…半導体素子
７…固体薄膜
８…水槽
９…噴射ヘッド（噴射筒状体）
９ａ…開口部
１０…超音波プローブ
１４…Ｘ−Ｙ駆動機構
１５…信号処理・解析装置
１７…固体薄膜
２１…半導体装置（検査対象物）
２２…基板
Ｇ…隙間
Ｑ１…ボイド（内部欠陥）
Ｑ２…クラック（内部欠陥）
Ｗ…水（超音波伝達媒体）

Claims

検査対象物とその下方に配置した超音波プローブとの間に弾性を有する固体薄膜を配置するとともに、上記検査対象物と固体薄膜との間に隙間を確保し、
上記超音波プローブ側から固体薄膜に向けて液体の超音波伝達媒体を上向きに噴射し、
この噴射した超音波伝達媒体の圧力により検査対象物に対して固体薄膜を密着させながら、上記超音波プローブから検査対象物に向けて超音波を出射するとともに、その超音波の反射波を超音波プローブにて受波し、
この超音波プローブにて受波した反射波に基づいて検査対象物の探傷を行うようにしたことを特徴とするドライ式超音波探傷検査装置。
上記超音波伝達媒体を噴射するための噴射筒状体の開口部を固体薄膜と対向させ、
その噴射筒状体から固体薄膜に向けて超音波伝達媒体を噴射させるようになっているとともに、
上記噴射筒状体の投影面積の中に超音波プローブを配置してあることを特徴とする請求項１に記載のドライ式超音波探傷検査装置。
上記噴射筒状体の内部に超音波プローブを配置してあることを特徴とする請求項２に記載のドライ式超音波探傷検査装置。
上記噴射筒状体と超音波プローブとを同心状に配置してあることを特徴とする請求項３に記載のドライ式超音波探傷検査装置。
上記固体薄膜はゴム系薄膜材料および樹脂系薄膜材料のうち少なくともいずれか一つを用いた単層構造のもの、またはゴム系薄膜材料および樹脂系薄膜材料のうち少なくとも二種類を積層した複層構造のものであって、その総厚み寸法が０．００１ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のドライ式超音波探傷検査装置。
上記検査対象物は板状の基板の一方の面に半導体素子をろう付けした半導体装置であって、
この半導体装置は上記基板の他方の面が固体薄膜と対向するように配置され、
上記基板と半導体素子との間に介在するろう材層での欠陥の有無を検査するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のドライ式超音波探傷検査装置。
検査対象物とその下方に配置した超音波プローブとの間に弾性を有する固体薄膜を配置するとともに、上記検査対象物と固体薄膜との間に隙間を確保し、
上記超音波プローブ側から固体薄膜に向けて液体の超音波伝達媒体を上向きに噴射し、
この噴射した超音波伝達媒体の圧力により検査対象物に対して固体薄膜を密着させながら、上記超音波プローブから検査対象物に向けて超音波を出射するとともに、その超音波の反射波を超音波プローブにて受波し、
この超音波プローブにて受波した反射波に基づいて検査対象物の探傷を行うことを特徴とするドライ式超音波探傷検査方法。