KR100559808B1 - 검사 장치 및 초음파 검사 장치 - Google Patents

검사 장치 및 초음파 검사 장치 Download PDF

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마사유키 나카모토
마코토 오치아이
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다이지 히라사와
다카히로 이케다
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Abstract

본 발명은 손쉽고 신속하게 검사할 수 있으며, 고해상도화 또는 고속 처리화가 가능한 초음파 검사 장치, 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치를 제공한다. 바늘 형상 구조를 갖는 복수의 접촉 단자와, 상기 접촉 단자에 접속되고, 상기 접촉 단자 중 임의의 것으로부터 구동 전압을 발생시키기 위한 구동부와, 상기 접촉 단자에 접속되고, 상기 발생된 구동 전압을 원인으로 하여 검사 대상으로부터 상기 접촉 단자에 회신되는 전기 신호를 상기 복수의 접촉 단자로부터 검출하는 검출부와, 상기 검출된 전기 신호와 상기 임의의 접촉 단자의 위치로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비한다.
초음파 검사 장치, 초음파 트랜스듀서, 커플랜트, 압전체층

Description

검사 장치 및 초음파 검사 장치{INSPECTION DEVICE AND ULTRASONOGRAPH}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도.
도 2는 도 1 중에 나타낸 압전 소자(41a) 등의 단면 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도.
도 7은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 초음파 화상화 장치에 의해 초음파 검사를 행하는 구성 예를 설명하는 도면.
도 8은 도 7 중에 나타낸 신호 처리부(270) 내의 구성을 더 상세하게 나타내는 도면.
도 9는 도 8 중에 나타낸 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i) 내에서 실행되는 처리를 설명하는 설명도.
도 10은 도 8 중에 나타낸 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i) 내에서 실행되는 처리의 다른 예를 설명하는 설명도.
도 11은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 초음파 검사 장치를 나타내는 모식도.
도 12는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 초음파 검사 장치를 나타내는 모식도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 신호 발생부 2 : 구동 소자 선택부
4 : 신호 검출 회로 7 : 신호 처리부
9 : 초음파 트랜스듀서 10 : 표시장치
11 : 반도체 칩 17 : 커플랜트
29 : 전극층 71 : 진동 변위 검출기
본 발명은 초음파를 이용하여 반도체 칩이나 금속, 세라믹 부품, 수지 등의 내부 결함이나 박리 등의 이상(異常)을 검사하는 초음파 검사 장치, 및 그를 위한 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치에 관한 것이며, 특히 손쉽고 신속하게, 보다 정밀하게 또는 보다 고속으로 이상을 검사하는데 적합한 초음파 검 사 장치, 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치에 관한 것이다.
초음파에 의한 반도체 칩(집적회로: IC) 등의 미세 내부 구조물의 검사는, 반도체 칩의 기능면과 배선 기판을 접합하는 땜납이나 그들의 틈에 충전된 충전재의 접합 상태를 검사하는 등의 목적에서 실행된다.
이러한 검사 방식의 하나로서, 단안(單眼)의 초음파 트랜스듀서를 수중(水中)에서 기계 주사하면서 트랜스듀서로부터 물을 통하여 초음파를 검사 대상에 조사하고, 검사 대상을 전파하여 에코로 되어 귀환하는 초음파를 상기 트랜스듀서에서 포착하며, 이것에 의해 얻어지는 신호를 처리하여 검사 대상의 상태를 판별하는 것이 있다.
이러한 검사 방법에서 현재 문제가 되고 있는 것은, 수침(水浸)에서의 기계 주사에 수고와 시간이 소요되고, 반도체 칩 등의 경우는 검사 후에 칩을 사용할 수 없으며, 검사 대상으로 되는 반도체 칩의 접속 단자의 면적 및 피치가 점점 좁아져, 현상(現狀)의 검사 정밀도에서는 이상 판별 능력이 부족할 가능성이 있는 것이다.
상기와 같은 초음파 트랜스듀서는 그 주요부를 산화아연 및 산화주석 등의 압전 재료를 막화(膜化)하여 제조할 수 있으나, 검출 감도 확보의 의미에서 어느 정도의 막 두께가 필요하다. 그러나, 실용상 막 두께를 두껍게 확보하면 발생시키는 초음파의 주파수 상한이 한정된다. 주파수는 대부분 해상도와 연동하고 있으며, 따라서, 이상 판별 능력의 부족으로 이어진다.
압전 재료로서 감도가 높은 것을 선택하면 막 두께를 보다 얇게 할 수도 있 고, 따라서, 구동 주파수를 높게 하여 해상도를 높일 수 있는 것은 이해되나, 균일하게 형성하는 것에는 일반적으로 어려움이 있다.
또한, 초음파 화상화 장치로서 단안 초음파 센서를 갖는 것에서는, 예를 들어, 수침법을 이용하여 초음파를 수직 방향으로 송신하고, 정면에 반사체가 있는 것을 전제로 하여 특정한 초점 심도(深度)의 화상화를 행한다. 이 경우, 표면이 곡면 형상인 검사 대상의 내부를 화상화할 경우에는 대응할 수 없고, 예를 들어, 초점이 흐트러지게 되어 고정밀한 화상화가 불가능하다는 결점이 있다.
또한, 매트릭스 형상 또는 일렬로 배치한 다수의 압전 소자로 구성되는 초음파 트랜스듀서를 갖는 초음파 화상화 장치에서는, 고정밀도화에는 일단 대응할 수 있지만, 검사 대상이 복수의 서로 다른 음향 특성을 가진 층 구조나 표면이 곡면 형상인 경우의 내부 결함, 보이드, 박리 등을 검사하여 가시화할 때의 처리의 방대함이 문제로 된다. 이러한 처리에는 매트릭스 형상으로 배치된 압전 소자 사이에서 송수신되는 다수의 초음파 전파의 굴절 계산을 2차원적 또는 3차원적으로 행하는 것이 필요하게 되어, 방대한 처리 시간이 발생한다.
그래서, 처리 시간을 감축하기 위해서는, 예를 들어, 검사 대상의 층 구조나 표면 형상을 특정할 수 있을 경우에는, 매트릭스 형상 또는 일렬로 배치한 다수의 압전 소자 사이에서 송수신되는 초음파 신호의 전파 시간을 굴절 등의 전파 경로를 따라 사전에 계산하여 테이블화하여 저장하여 두는 것을 이용할 수 있다. 이것에 의해 굴절 계산을 일일이 할 필요는 없어진다. 그러나, 이 경우에도, 또한, 압전 소자가 다수 있음으로써, 충분한 연산 속도는 달성되지 않는다.
또한, 수침법에서의 초음파 검사에서는, 압전 소자(초음파의 송신기 및 수신기) 및 피검체를 물 등의 액체 중에 침지(浸漬)하고, 압전 소자를 기계적으로 주사하면서 초음파를 송수신함으로써, 피검체 내부의 가시화가 실행된다(오구라(小倉), 「반도체 패키지의 비파괴 검사의 현상」, 비파괴 검사, 사단법인 일본비파괴검사협회, 평성13년 5월, 제50권, 제5호, P.291-292 참조).
그러나, 수침법에서는 압전 소자가 액체 중에 침지되기 때문에, 압전 소자 내에 액체가 침입하여 그 내구성이 저하되기 쉬워진다. 또한, 밀폐 용기의 내부에 배치된 피검체의 내부 검사를 외부로부터 행하는 것이 곤란했다.
본 발명은 상기한 상황을 고려하여 안출된 것으로서, 초음파를 이용하여 반도체 칩이나 복합재 등의 내부 접속 부분 등의 박리나 금속의 내부 결함 등의 이상을 검사하는 초음파 검사 장치, 및 그를 위한 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치에 있어서, 손쉽고 신속하게 검사할 수 있으며, 보다 고해상도화 또는 보다 고속 처리화가 가능한 초음파 검사 장치, 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 초음파 검사 장치는 기판과, 상기 기판 위에 형성된 공통 전극과, 상기 공통 전극 위에 매트릭스 형상으로 독립하여 복수 형성된 압전체층과, 상기 압전체층 위에 각각 형성된 복수의 상부 전극을 갖는 초음파 트랜스듀서와, 상기 상부 전극에 접속되고 상기 상부 전극으로부터 상기 압전체층 중 임의의 것을 구동할 수 있는 구동부와, 상기 상부 전극에 접속되고 상기 구동된 압전체층이 발하는 초음파에 의한 검사 대상으로부터의 반사 에코에 의해 상기 복수의 압전체층이 발생하는 전기 신호를 상기 복수의 상부 전극으로부터 검출하는 검출부와, 상기 검출된 전기 신호로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하며, 상기 초음파 트랜스듀서의 상기 압전체층은 티탄산바륨(BaTiO3) 또는 티탄산지르콘산납(PZT)을 갖고, 또한, 두께가 0.1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
즉, 압전체층 막의 재료로서 티탄산바륨 또는 티탄산지르콘산납을 사용한다. 이들 재료는 산화아연과 비교하여 전기 기계 결합 계수가 크고, 전기적인 에너지와 기계적인 진동 에너지 사이의 변환 효율이 높기 때문에, 초음파의 발생 및 검출에 적합하다. 또한, 산화아연과 비교하여 유전율이 크기 때문에, 이것을, 예를 들어, 펄스 구동할 때에, 전기 펄스 전원과의 전기적 정합성에도 우수하다.
막 두께로서는 상기 변환 효율의 높이를 활용하여 0.1㎛ 내지 1OO㎛로 형성한다. 이것에 의해, 압전체층이 발생하는 초음파의 주파수는, 예를 들어, 20㎒ 정도까지 높일 수 있게 되어, 충분한 고해상도화를 달성할 수 있다. 막 두께는 보다 실용적으로는 0.5㎛ 내지 30㎛ 정도로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 압전 재료로서 티탄산바륨을 사용할 경우에는, 퀴리 온도가 티탄산지르콘산납과 비교하여 약간 낮기(약 130℃) 때문에, 격자 정수의 부정합 왜곡을 이용하여 인위적으로 퀴리 온도를 상승시켜 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 티탄산바륨 및 티탄산지르콘산납의 압전체층을 형성하기 위한 퇴적 방법으로서는 스퍼터링법 등의 물리 증착법, 졸겔법 등의 용액 도포법, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등의 화학 증착법 등을 이용할 수 있다. 이들 압전체의 막은 다결정막일 수도 있고, 에피택셜 성장에 의한 막일 수도 있으나, 에피택셜 성장 등을 이용하여 결정의 방위를 정렬시킨 것이 보다 높은 압전 변환 특성이 얻어져 더 바람직하다. 또한, 다른 방법으로서, 압전체막을 상기 소정의 두께로 박막화하여 미리 형성할 수도 있고, 그것에는 연마나 절삭 가공의 방법을 이용할 수 있다. 이 경우에는, 연마 등에 의해 박막화한 압전체를 소정의 방법(후술)으로 공통 전극 위에 접착할 수 있다.
또한, 공통 전극 및 상부 전극의 재료로서는 Pt, Ir 등의 귀금속, 또는 SrRuO3 등의 도전성 산화물의 막 등을 들 수 있다. SrRuO3 등의 도전성 산화물은 귀금속류와 비교하여 전기 저항이 약간 높다는 결점이 있는 반면, 상기와 같은 압전체 막과의 계면(界面)의 정합성이 양호하고, 기계적으로도 박리되기 어렵다는 특징이 있다. 전극의 형성에는, 예를 들어, 스퍼터링을 이용할 수 있다.
또한, 압전체의 박막 형성 기술을 이용하여 매트릭스 형상으로 복수의 압전 소자를 제조하는 방법으로서는, 예를 들어, 스퍼터링 성막 시에 마스크를 이용하여 원하는 영역에만 압전체막을 퇴적시킬 수도 있고, 또는 전면(全面)에 막을 퇴적시킨 후에, 화학 에칭 등의 방법에 의해 불필요한 부분의 막을 제거할 수도 있다. 일반적으로, 화학 에칭을 이용하는 방법이 보다 미세하고 치수 정밀도가 높은 가공 이 가능하기 때문에 더 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 기판과, 상기 기판 위에 형성된 반도체 집적회로와, 상기 기판의 뒷면 측에 형성된 공통 전극과, 상기 공통 전극 위에 매트릭스 형상으로 독립하여 복수 형성된 압전체층과, 상기 압전체층 위에 각각 형성된 복수의 상부 전극을 구비하며, 상기 압전체층은 티탄산바륨 또는 티탄산지르콘산납을 갖고, 또한, 두께가 0.1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
이 초음파 트랜스듀서는 상기 초음파 검사 장치에서의 초음파 트랜스듀서의 구성을 기능면에 집적회로가 형성된 반도체 칩의 뒷면에 형성하는 것이다. 초음파 트랜스듀서로서는 대략 상기의 설명이 적합하다. 또한, 압전체의 면적을, 예를 들어, 500㎛×500㎛ 정도 이하로 설정하면, 이상 탐지해야 할 단자의 협소화에 충분히 대응할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 검사 장치는 바늘 형상 구조를 갖는 복수의 접촉 단자와, 상기 접촉 단자에 접속되고 상기 접촉 단자 중 임의의 것으로부터 구동 전압을 발생시키기 위한 구동부와, 상기 접촉 단자에 접속되고 상기 발생된 구동 전압을 원인으로 하여 검사 대상으로부터 상기 접촉 단자에 회신되는 전기 신호를 상기 복수의 접촉 단자로부터 검출하는 검출부와, 상기 검출된 전기 신호와 상기 임의의 접촉 단자의 위치로부터 상기 검사 대상의 내부 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 검사 장치는 상기 초음파 트랜스듀서와 조합시켜 초음파 검사를 행할 수 있는 것이다. 초음파 트랜스듀서의 상부 전극과 검사 장치의 신호 교환은 바늘 형 상 구조를 갖는 접촉 단자에 의해 실행된다. 따라서, 이러한 조합에 의해, 초음파 검사는 상기 설명과 동일하게 충분히 고해상도화를 달성할 수 있다.
또한, 접촉 단자에는, 예를 들어, 첨예한 전계 방출형 냉음극, 보다 바람직하게는 전사 몰드법 냉음극을 사용할 수 있다. 이들 전극에 의해, 좁은 면적의 상부 전극과의 충분한 전기적 접촉 상태를 실현할 수 있다. 상기 초음파 트랜스듀서와 조합시킬 경우에는, 접촉 단자들은 초음파 트랜스듀서의 상부 전극에 각각 대응하여 설치되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 검사 장치는 일면을 갖는 공통 전극과, 상기 공통 전극의 일면 위에 형성된 압전체층과, 상기 압전체층 위에 형성된 상부 전극을 갖는 초음파 트랜스듀서와, 상기 상부 전극에 접속되고 상기 상부 전극으로부터 상기 압전체층을 구동할 수 있는 구동부와, 상기 상부 전극에 접속되고 상기 구동된 압전체층이 발하는 초음파에 의한 검사 대상으로부터의 반사 에코에 의해 상기 압전체층이 발생하는 전기 신호를 상기 상부 전극으로부터 검출하는 검출부와, 상기 초음파 트랜스듀서를 상기 검사 대상과 상대적으로 주사 이동하는 주사 이동 기구와, 상기 검출된 전기 신호와 상기 주사 이동된 초음파 트랜스듀서의 위치로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하며, 상기 초음파 트랜스듀서의 상기 압전체층은 티탄산바륨 또는 티탄산지르콘산납을 갖고, 또한, 두께가 0.1㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
이 초음파 검사 장치는 초음파 트랜스듀서로서 매트릭스 형상의 압전체층을 형성한 것을 이용하지 않고, 초음파 트랜스듀서 자체의 기계적 주사를 행함으로써 검사 대상의 상태를 탐지한다. 초음파 트랜스듀서의 압전체층에 대한 특징 부분은 대략 이미 설명한 바와 같다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 검사 장치는 레이저 광을 간헐적으로 또는 강도 변조하여 발생하는 레이저 광원과, 상기 발생된 레이저 광을 스폿 형상으로 하여 검사 대상에 조사하는 광학 송신기와, 상기 광학 송신기를 상기 검사 대상과 상대적으로 주사 이동하는 주사 이동 기구와, 상기 조사된 레이저 광에 의해 발생된 상기 검사 대상 중의 초음파의 에코에 의한 상기 검사 대상 표면에서의 진동 변위를 레이저 광을 이용하는 변위 측정 방법에 의해 비접촉으로 검출하여 전기 신호로 변환하는 진동 변위 검출부와, 상기 변환된 전기 신호와 상기 주사 이동된 광학 송신기의 위치로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 초음파 검사 장치는 간헐적으로 또는 강도 변조하여 발생된 레이저 광을 스폿 형상으로 하여 검사 대상에 조사함으로써 고해상도화를 도모한다. 스폿 형상으로 함으로써 검사 대상 위의 정확한 위치에 상당히 작은 면적의 초음파 발생원을 만들 수 있다. 따라서, 그 에코를 포착함으로써 고해상의 탐지가 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 화상화 장치는 매트릭스 형상 또는 일렬 형상으로 각각 배치된 복수의 압전 소자를 갖는 초음파 트랜스듀서와, 상기 복수의 압전 소자에 접속되고 상기 복수의 압전 소자 중 임의의 하나를 구동할 수 있는 구동 소자 선택부와, 상기 복수의 압전 소자에 접속되고 상기 구동된 압전 소자가 발하는 초음파에 의한 음향 전파 매체를 통한 검사 대상으로부터의 반사 에코를 수신함 으로써 상기 복수의 압전 소자가 발생하는 전기 신호를 병렬적으로 검출하는 신호 검출 회로와, 상기 병렬적으로 검출된 전기 신호로부터 상기 검사 대상의 상태를 화상화하는 처리를 병렬 연산을 이용하여 행하는 신호 처리부와, 상기 처리되어 화상화된 결과를 표시하는 표시 장치를 구비하며, 상기 신호 처리부는 상기 검사 대상에서 화상화해야 할 영역을 메시(mesh)화하여 상기 메시화된 영역 각각에 대해서 상기 구동된 압전 소자로부터 상기 복수의 압전 소자 중 하나로의 초음파 전파 시간을 상기 구동된 압전 소자와 상기 복수의 압전 소자 중 상기 하나와의 조합마다 저장하는 저장부와, 상기 저장된 초음파 전파 시간을 이용하고, 상기 병렬적으로 검출된 전기 신호 중 하나의 시간 방향 데이터로부터 상기 메시화된 영역 각각에 대해서 반사 강도를 확정하는 처리를 상기 병렬적으로 검출된 전기 신호 각각에 대해서 서로 병렬적으로 행하는 복수의 처리부와, 상기 병렬로 처리되어 확정된 반사 강도를 상기 메시화된 영역마다 가산하는 가산부를 갖는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 초음파 화상화 장치는 매트릭스 형상 또는 일렬 형상으로 각각 배치된 복수의 압전 소자를 갖는 초음파 트랜스듀서를 초음파의 발생 및 검출에 이용하는 것을 전제로 하는 것이다. 복수의 압전 소자 중 임의의 것을 구동하고, 검사 대상으로부터의 반사 에코를 복수의 압전 소자에서 검지하여 전기 신호로 변환하며, 변환된 전기 신호를 신호 검출 회로에서 병렬적으로 검출하고, 다시 신호 처리부에서 병렬 연산하여 화상화 처리를 행한다.
병렬 연산에서는 상기 저장부, 복수의 처리부, 가산부가 이용된다. 저장부는 검사 대상에서 화상화해야 할 영역을 메시화하여 이 메시화된 영역 각각에 대해 서 구동된 압전 소자로부터 복수의 압전 소자 중 하나로의 초음파 전파 시간을 구동된 압전 소자와 복수의 압전 소자 중 상기 하나와의 조합마다 저장하고 있다.
복수의 처리부는 이 저장된 초음파 전파 시간을 이용하고, 병렬적으로 검출된 전기 신호 중 하나에 의거하여, 메시화된 영역 각각에 대해서 반사 강도를 확정하는 처리를 병렬적으로 검출된 전기 신호 각각에 대해서 서로 병렬적으로 행한다. 이러한 병렬적 처리에 의해 고속의 처리가 가능해진다. 처리된 결과는 가산 수단에 의해 메시화된 영역마다 가산된다. 이것에 의해 화상화 데이터를 얻을 수 있다.
또한, 저장부, 복수의 처리부, 및 가산부는, 예를 들어, 전용(專用) 또는 범용(汎用)의 계산기를 하드웨어로서 사용하고, 이 하드웨어와, 이 하드웨어 상에서 동작하는 기본 소프트웨어 및 응용 소프트웨어에 의해 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 검사 장치는 복수의 압전 소자를 갖는 압전부와, 상기 압전부와 음향적으로 접속된 평판(平板) 형상의 고체 음향 전파 매체와, 상기 압전부로부터 압전 소자를 선택하여 초음파를 발생시키는 구동부와, 상기 구동부에 의해 선택된 압전 소자로부터 송신된 초음파의 일부가 액체 음향 매체 중의 피검체로부터 반사되어 이루어진 반사 초음파에 의거하여, 상기 압전부의 압전 소자로부터 발생한 전기 신호를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 전기 신호에 의거하여, 상기 피검체의 내부 상태를 나타내는 화상을 생성하는 화상 생성부와, 상기 화상 생성부에서 생성된 화상을 표시하는 표시부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
복수 배치된 압전 소자를 전자적으로 선택하여 송수신함으로써, 기계 주사하지 않고 가시화를 행할 수 있다. 또한, 내부에 피검체를 수용하고, 또한, 액체 음향 매체를 축적하는 용기에 대하여 고체 음향 전파 매체를 관통시키거나, 또는 그 외면에 음향적으로 접속함으로써, 압전 소자를 용기 밖에 배치한 상태에서 용기 내의 피검체의 외형 및 내부 구조의 가시화를 행할 수 있다.
여기서, 「음향적으로 접속」은 서로 다른 음향 매체끼리에서의 음향 전달이 가능한 상태를 의미한다. 또한, 음향 매체 사이에 커플랜트(couplant)를 끼움으로써, 서로 다른 음향 매체 사이에서의 음향 전달 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
(실시예)
본 발명의 실시예에 의하면, 초음파 트랜스듀서의 구조적 및 재료적 특징 때문에 손쉽고 신속하게, 해상도가 높은 초음파 비파괴 검사를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 검사 대상의 표면에 상당히 작은 면적의 초음파 발생원을 만들 수 있으므로 초음파 검사의 고해상도화를 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예로서, 초음파 검사 장치는 액체를 수용할 수 있는 용기로서, 상기 수용된 액체 중에 상기 초음파 트랜스듀서와 상기 검사 대상을 침지할 수 있는 상기 용기를 더 구비한다. 초음파의 전파 특성이 기체보다 우수한, 예를 들어, 물을 음향 매질로서 사용하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예로서, 초음파 검사 장치의 상기 처리부는 음향 매질과 상기 검사 대상의 계면에서 발생하는 초음파의 굴절을 계산함으로써 상기 검사 대상 내에서의 초음파 경로를 특정한다. 음향 매질이 검사 대상(조사(照射) 대상) 과 상이한 물질인 경우에 대응하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예로서, 초음파 검사 장치는 상기 초음파 트랜스듀서의 상기 기판의 뒷면에 설치되고, 상기 검사 대상과의 사이에 끼워 유지될 수 있는 커플랜트를 더 구비한다. 이것에 의해, 기판과 검사 대상을 침지할 필요가 없어져 효율적으로 간편하게 초음파를 조사할 수 있다. 이 때, 커플랜트에 의해 검사 대상이나 기판을 오염시키거나 손상시키지 않고, 또한, 검사 대상으로부터 커플랜트를 용이하게 제거할 수 있다. 또한, 기판을 검사 대상과 동질의 재료(예를 들어, 실리콘, 에폭시, 세라믹, 금속 등)로 하면, 트랜스듀서와 검사 대상 사이에서의 굴절의 영향이 작고 신호 처리도 간단해진다.
커플랜트로서는 물이나 알코올 등의 액체, 물이나 알코올을 적신 섬유 형상의 메시 재료, 유연성이 있는 유기 재료, 세라믹, 금속 재료 등을 사용할 수 있다. 커플랜트의 두께는 검사에 이용하는 초음파의 파장보다 충분히 얇은 것을 사용하면, 검사에 주는 영향이 작아 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예로서, 초음파 트랜스듀서의 상기 공통 전극은 상기 형성된 압전체층과의 계면에 계면 화합물층을 갖는다. 이 계면 화합물층은 공통 전극과 압전체층의 접착층으로서 기능한다. 압전체를 연마나 절삭 가공에 의해 박막화하여 미리 형성한 경우에는, 나중의 공정에서 공통 전극과의 안정된 접착을 필요로 한다. 이 때문에, 계면 화합물층을 이용하는 것이다.
계면 화합물층을 형성하기 위해서는, 정전 접착법을 이용하고, 정전 접착층 으로서는, 예를 들어, 유리(바람직하게는 가동성 이온을 갖는 유리), 물유리, SiO2, A1, Ta, Ti, Ni, Si, Mo, Cr, Ge, Ga, As, 코바르(kovar), Fe, Mg, 베릴륨 등을 사용할 수 있다. 그 층의 두께는 1 내지 100 원자층의 두께로 하는 것이 바람직하다. 이것은 100 원자층을 초과하면 접착성이 포화되기 때문이다.
또한, 접착 시에 압전체의 표면 조도(粗度)는 그 두께(0.1㎛ 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 내지 30㎛)의 1% 이하로 설정하고, 더 나아가서는 계면 화합물층으로 되는 접착층의 표면 조도도 동일하게 설정하면 밀착성이 향상되어 안정된 접착으로 되므로 바람직하다.
또한, 정전 접착법을 이용하지 않고, 기판(공통 전극)과 분극 처리한 압전체층을 분극에 기인하는 정전 인력으로 접착시킬 수도 있으며, 이것에 의해 공통 전극과의 평탄한 접착 상태를 용이하게 얻을 수 있다. 이 경우, 압전체층 위에 스퍼터링법으로 형성한 금속층을 형성하면, 밀착성이 더 높아진다. 또한, 압전체를 공통 전극과 접착시킨 후에도, 압전체를 분극 상태로 후처리함으로써, 압전체 위에 상부 전극을 안정되게 형성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 이것에 의해 압전체층의 기복(起伏)이나 계면 화합물층의 두께 불균일에 기인하는 감도나 해상도의 저하도 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 병렬적 처리에 의해 고속의 처리가 가능해진다.
본 발명의 실시예로서, 초음파 화상화 장치의 상기 신호 처리부는, 상기 저 장부 대신에, 상기 검사 대상에서 화상화해야 할 영역을 메시화하여 상기 메시화된 영역 각각에 대해서 일정 압전 소자로부터의 송신측 초음파 전파 시간과 일정 압전 소자로의 수신측 초음파 전파 시간을 일반화하여 공통으로 저장하는 제 2 저장부를 갖고, 상기 복수의 처리부는 상기 저장된 초음파 전파 시간 대신에, 상기 저장된 송신측 초음파 전파 시간과 상기 저장된 수신측 초음파 전파 시간을 이용한다.
이러한 제 2 저장부를 가짐으로써, 필요한 기억 영역을 대폭으로 감축할 수 있게 된다. 예를 들면, 검사 대상이 평면적인 표면을 갖는 경우 등에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는, 상기 신호 처리부의 상기 저장부에서, 상기 화상화해야 할 영역이 상기 복수의 압전 소자에서의 초음파 발생 지향 특성을 고려하여 제한된 것이다. 이러한 제한을 마련함으로써, 처리에 불필요한 기억 영역을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는, 상기 신호 처리부의 상기 제 2 저장부에 있어서, 상기 화상화해야 할 영역이 상기 복수의 압전 소자에서의 초음파 발생 지향 특성을 고려하여 제한된 것이다. 이 경우도, 처리에 불필요한 기억 영역을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 검사 대상에서 화상화해야 할 영역을 메시화하여 상기 메시화된 영역 각각에 대해서 상기 구동된 압전 소자로부터 상기 복수의 압전 소자 중 하나로의 초음파 전파 강도 특성을 상기 구동된 압전 소자와 상기 복수의 압전 소자 중 상기 하나의 조합마다 저장하는 전파 강도 특성 저장부를 더 갖고, 상기 신호 처리부의 상기 복수의 처리부는 상기 반사 강도를 확정하는 처리에 상기 저장된 초음파 전파 강도 특성을 보정을 위해 이용한다.
구동된 압전 소자로부터 복수의 압전 소자 중 하나로의 초음파 전파 강도 특성은 압전 소자의 지향 특성에 따라 변화한다. 예를 들면, 사각(射角)을 이루어 발생되어 수신되는 초음파는 감도 저하가 발생한다. 그래서, 이러한 감도 저하분을 전파 강도 특성 저장부에 저장된 전파 강도 특성으로 보정함으로써, 화상화 결과를 고정밀도화한다. 또한, 전파 강도 특성 저장부는, 초음파 전파 시간의 저장부와 어드레스를 공통으로 이것에 부수적으로 설치해도 좋다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 검사 대상에서 화상화해야 할 영역을 메시화하여 상기 메시화된 영역 각각에 대해서 일정 압전 소자부터의 송신측 초음파 전파 강도 특성과 일정 압전 소자로의 수신측 초음파 전파 강도 특성을 일반화하여 공통으로 저장하는 전파 강도 특성 저장부를 더 갖고, 상기 신호 처리부의 상기 복수의 처리부는 상기 반사 강도를 확정하는 처리에 상기 저장된 송신측 초음파 전파 강도 특성 및 수신측 초음파 전파 강도 특성을 보정을 위해 이용한다.
이 경우도 감도 저하분을 전파 강도 특성 저장부에 저장된 전파 강도 특성으로 보정함으로써, 화상화 결과를 고정밀도화한다. 여기서, 전파 강도 특성 저장부는 필요한 기억 영역을 대폭으로 감축시킨 것으로 된다. 예를 들면, 검사 대상이 평면적인 표면을 갖는 경우 등에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 저장부에 초기값으로서의 초음파 전파 시간의 데이터를 부여하는 데이터 부여부와, 상기 검사 대상에 대하여 상기 부여된 초음파 전파 시간의 데이터를 이용하여 상기 복수의 처리부에 의해 처리하며, 상기 가산부에 의해 가산하여 얻어진 상기 메시화된 영역마다의 반사 강도로부터 상기 검사 대상의 불연속면 또는 불연속선을 검출하는 검출부와, 상기 검출된 불연속면 또는 불연속선에 의거하여 상기 저장 수단의 내용을 재설정하는 재설정부를 더 갖는다.
이러한 구성에 의하면, 예를 들어, 초기값로서의 초음파 전파 시간에 단일 층의 검사 대상을 가정하여 수치를 부여하면, 얻어진 반사 강도로부터 검사 대상의 불연속면 또는 불연속선을 검출할 수 있다. 즉, 참의 검사 대상(음향 전파 매체를 포함하지 않는 검사 대상)의 위치 변화를 알 수 있다. 이 위치 변화에 따라 초음파 전파 시간을 다시 저장하면, 정밀도가 높은 화상화를 행할 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예(제 6 실시예)의 사고를 설명하면 다음과 같다.
예를 들면, 개구 합성 처리에 의해 3D 화상 합성을 행하기 위해서는, 어느 2개의 압전 소자 사이에서 송수신된 초음파 에코 파형(시간 방향 데이터)을 거리 방향에 대응시키는 것이 필요하다. 구체적으로는, 초음파 에코 파형의 각 샘플링 데이터를 음속(音速)에 따라 거리 데이터로 고쳐 반사된 화상화 메시를 특정하고, 특정된 화상화 메시에 그 샘플링 데이터를 대응시킨다. 그리고, 3D 화상화 영역 내의 전체 메시 또는 지향각으로 제한된 영역의 전체 메시에 대해서 2개의 압전 소자의 전체 조합에 걸쳐 상기 샘플링 데이터(진폭값으로 표시된 강도)를 가산 처리함 으로써 3D 화상을 묘화(描畵)할 수 있다.
여기서, 검사를 행할 때에는, 물에 침지하거나 수지의 슈재(shoe member)로 이루어진 음향 전파 매체를 통하여 검사 대상에 초음파를 송수신하는 것이 일반적이다. 그 때문에, 초음파가 전파하는 경로 내에는 적어도 음향 전파 매체와 검사 대상이라는 서로 다른 음속의 영역이 존재하게 된다. 검사 대상이 서로 다른 음속으로 이루어진 복수 층으로 구성될 경우는, 전체적으로 3층 이상의 층 구성으로 된다.
복수의 층 구성의 경우, 각 층의 계면에서의 굴절을 고려하여 구한 왕복 거리에 따라 샘플링 데이터(진폭값)를 가산함으로써 3D 묘화를 행하는 것이 필요하게 된다. 그 때문에, 일반적으로는 각 메시마다 굴절 계산을 행하고, 그 결과에 의해 샘플링 데이터의 대응과 가산 처리를 행하기 때문에 처리량이 방대해져 표시할 때까지의 시간이 지나치게 소요되어 실용적인 성능을 달성하는 것이 곤란해진다.
그러나, 일정 형상의 슈재나 고정 조건에서의 수침 검사에서는, 각 메시마다 굴절 계산을 일일이 하지 않더라도 전파 시간 데이터를 테이블화하여 두면 이것을 이용할 수 있다. 테이블화에 의해, 굴절 계산에 상당하는 처리는 메모리 액세스 시간까지 감축할 수 있다. 또한, 수신측의 복수의 압전 소자에 대응하여 연산 회로를 병렬로 설치함으로써, 화상 합성 처리가 한층 더 고속화되는 것이다.
여기서, 상기 방법에 의하면, 예를 들어, 10×10개의 압전 소자를 평면적으로 매트릭스 배치한 경우이면, 100개 중 2개의 압전 소자(송신측, 수신측)의 전체 조합에 대응한 테이블 데이터를 준비하는 것이 필요하게 된다. 이 때문에, 상기 복수 층의 계면이 복잡한 형상일 경우에는, 미리 테이블 데이터를 작성할 경우의 계산 시간이나 데이터 용량이 방대해진다.
검사 대상의 계면에 대칭성이나 균일성이 있을 경우는, 테이블 데이터를 상기 조합에 의하지 않고 공통화하는 것이 계산 시간이나 데이터 용량의 경감에 매우 효과적이다. 예를 들면, 평면 형상이며 일정한 두께를 갖는 슈재로 평평한 검사 대상을 검사할 경우에는, 편도(片道)의 초음파 경로에 대응한 단일의 테이블 데이터만 있으면, 좌표 변환에서 임의의 압전 소자에 의한 송신과 수신의 전파 거리 계산이 가능하다. 이것에 의해, 병렬 연산 회로 내의 메모리 용량은 저감되고, 고속 액세스에 의해 처리가 한층 더 고속화된다.
또한, 초음파 전파 시간 테이블 데이터나 공통 테이블 데이터를 작성할 때에, 압전 소자의 지향 특성을 고려하여 테이블 데이터의 영역을 제한하면, 불필요한 화상화 데이터를 묘화하지 않고, 또한, 화상 합성 처리의 효율화를 도모할 수 있다.
또한, 초음파 전파 시간 테이블 데이터나 공통 테이블 데이터를 작성할 때에, 압전 소자의 지향 특성을 고려하여 테이블 데이터에 전파 시간과 더불어 지향성에 의한 감도 분포 데이터를 저장하면, 감도가 낮아지는 초음파의 사각 성분의 게인(gain)을 조정하고, 정밀도 향상에 효과적인 사각 성분의 에코 데이터를 효과적으로 사용할 수 있게 된다.
또한, 초음파 전파 시간 테이블 데이터나 공통 테이블 데이터를 작성할 때에, 검사 대상으로서 고체 또는 액체로 이루어진 음향 전파 매체의 단일 층을 가정 하여 이것에 테이블 데이터를 초기 설정하면, 그 결과의 화상화에 의해, 음향 전파 매체와 참의 검사 대상의 경계면 추출이 가능하다. 그리고, 이 처리 결과를 이용하여 재계산된 테이블 데이터에 의하면, 위치가 변화할 경우의 화상화에 대응할 수 있다. 또한, 참의 검사 대상의 형상이 복잡한 경우에 대비하여 미리 형상 데이터를 기억하고, 이 기억된 형상 데이터를 가미하여 초음파 전파 시간 테이블 데이터나 공통 테이블 데이터를 재설정할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의해, 압전 소자(초음파 트랜스듀서)를 액체에 침지하지 않으며, 밀폐 용기의 내부에 배치된 피검체의 상태를 외부로부터 검사할 수 있는 초음파 검사 장치를 제공할 수 있게 된다. 그 결과, 압전 소자가 액체 중에 침지되지 않기 때문에, 그 내구성이 향상된다.
본 발명의 실시예로서의 초음파 검사 장치는, 압전 소자가 매트릭스 형상 또는 일렬로 배치된 어레이 트랜스듀서가 슈재에 커플랜트를 통하여 밀착 고정되어 있다. 이 슈재는 액체 음향 매체를 내포한 검사 용기의 외측 표면에 접속되거나, 또는 개구부를 통하여 검사 용기를 관통하고 있다. 그 결과, 검사 용기 내에 마련한 피검체로부터의 반사 초음파 또는 투과 초음파의 전기 신호 수집을 행하고, 그 수집 데이터로부터 가시화 화상을 합성함으로써, 내부 검사를 행하는 것이 가능해진다.
여기서, 검사 용기 내에서의 피검체의 표면 위치, 즉, 압전 소자와 검사체의 표면(계면)이 알려져 있는 경우에, 압전 소자로부터 송신되어 이 계면으로부터 반사되어 압전 소자에 도달할 때까지의 반사 초음파의 전파 시간으로부터 검사 용기 내의 액체 음향 매체의 음속을 구하고, 화상 생성 처리 시의 보정용으로 사용하여, 화상 데이터의 정밀도 향상을 도모할 수 있다.
또한, 검사 용기 내에 초음파 송신 각도를 변경하기 위한 반사체를 설치함으로써, 피검체에 대하여 수평 방향으로부터의 계측 및 가시화를 행할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.
우선, 본 발명의 실시예를 반도체 칩의 검사를 예로 들어 설명 한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 검사 장치는 초음파 트랜스듀서(9), 신호 발생부(1), 구동 소자 선택부(2), 신호 검출 회로(4), 증폭기(5a, 5b, …, 5i), A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i), 신호 처리부(7), 표시 장치(10), 검사 용기(110)를 갖는다. 검사 용기(110) 내에는 물(15)이 수용되고, 이 물(15)에 침지되어 초음파 트랜스듀서(9)와 검사 대상(초음파의 검사 대상)으로서의 반도체 칩(11), 배선 기판(13), 접속 땜납(12)(이하에서는, 반도체 칩(11), 배선 기판(13), 접속 땜납(12)을 통합하여 「반도체 칩(11) 등」이라고 함)이 배치된다.
초음파 트랜스듀서(9)는 압전체를 포함하는 복수의 압전 소자(41a, 42a, 43a, …, 49a, 50a, 50b, …, 50h)를 매트릭스 형상으로 배치한 것이며, 그 각각의 압전 소자(41a) 등은 구동 소자 선택부(2)의 선택에 의해 구동되는 것이 결정되어 신호 발생부(1)로부터의 구동 신호가 도선(導線)에 의해 유도된다. 또한, 각각의 압전 소자(41a) 등이 발생하는 전기 신호는 도선에 의해 신호 검출 회로(4)에 유도 된다. 압전 소자(41a) 등이 전기 구동되면 압전체로서의 성질 때문에 초음파가 발생하고, 발생된 초음파는 물(15)을 통하여 반도체 칩(11)에 도달한다. 반도체 칩(11) 등에 의한 초음파의 반사 에코는 다시 물(15)을 통하여 압전 소자(41a) 등에 입력되고, 이것에 의해 각각의 압전 소자(41a) 등은 전기 신호를 발생한다.
신호 발생부(1)는 압전 소자(41a) 등이 초음파를 발생하기 위해 펄스 형상 또는 연속의 구동 신호를 발생하는 것이다. 발생된 구동 신호는 구동 소자 선택부(2)에 유도된다. 구동 소자 선택부(2)는 구동해야 할 1개 또는 복수의 압전 소자(41a) 등을 선택한 후, 신호 발생부(1)로부터 유도된 구동 신호를 선택된 압전 소자(41a) 등에 유도하는 것이다.
신호 검출 회로(4)는 압전 소자(41a) 등에서 발생하는 전기 신호를 검출하는 것이다. 검출된 전기 신호 중 검사에 필요한 복수의 것은 각각 증폭기(5a, 5b, …, 5i)에 유도된다.
증폭기(5a, 5b, …, 5i)는 유도된 전기 신호를 증폭하고, 이것을 A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i)에 공급하는 것이다. A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i)는 유도된 전기 신호를 A/D 변환하고, 이것을 신호 처리부(7)에 유도하는 것이다.
신호 처리부(7)는 A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i)로부터 유도된 디지털 신호를 처리하여 검사 대상의 상태를 가시화하는 정보를 생성하는 것이다. 생성된 정보는 표시 장치(10)에 유도된다. 표시 장치(10)는 유도된 정보를 표시하는 것이다.
검사 용기(110)는 검사 대상의 반도체 칩(11) 등과 초음파 트랜스듀서(9)를 물(15)에 침지하기 위한 용기이다.
도 2는 압전 소자(41a) 등의 단면 구조를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(41a) 등은 기판(121) 위에 아래로부터 접지 전극(122), 계면 화합물층(123), 압전체층(124), 상부 전극층(125)을 갖는다. 이 중에서 적어도 기판(121)과 접지 전극(122)은 모든 압전 소자(41a) 등에 공통으로 설치된다. 기판(121)에는, 예를 들어, 단결정이나 다결정의 실리콘, 에폭시, 세라믹, SUS 등의 금속을 사용할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같은 압전 소자(41a) 등의 형성은 상술한 방법을 적절히 선택하여 행할 수 있다.
도 1에 나타낸 초음파 검사 장치의 검사 동작에 대해서 설명한다. 압전 소자(41a) 등을 구동하기 위한 신호가 신호 발생부(1)에서 발생되고, 이것이 구동 소자 선택부(2)에서 선택된 압전 소자(도면에서는 압전 소자(46a))에 유도된다. 이것에 의해, 압전 소자(46a)는 초음파(U)를 발생하고, 발생된 초음파는 물(15)을 전파 매질로 하여 반도체 칩(11) 등에 조사된다.
반도체 칩(11) 등에 송신된 초음파(U)는 반도체 칩(11)의 표면에서 굴절되어 더 진행되고, 예를 들어, 결함(14)이 발생하고 있는 접속 땜납(12)에서 반사하여 에코로 되어 다시 반도체 칩(11) 및 물(15)을 통하여 압전 소자(46a) 등에 도달한다.
이것에 의해 압전 소자(41a) 등에서는 전기 신호를 발생한다. 발생된 전기 신호는 신호 검출 회로(4)에 유도되어 검출된다. 신호 검출 회로(4)에서는 검출된 것으로부터 검사에 필요한 전기 신호(도면에서는 압전 소자(41a, …, 50a)가 발생한 것)를 각각 증폭기(5a, …, 5i)에 유도한다. 증폭기(5a, …, 5i)는 각각 유도 된 신호를 증폭하고, 이것을 A/D 변환기(6a, …, 6i)에 공급한다. 또한, A/D 변환기(6a, …, 6i)에서 A/D 변환된 신호가 신호 처리부(7)에 수용된다.
신호 처리부(7)에서는, 구동 소자 선택부(2)와 신호 검출 회로(4)에 의한 전환이 실행될 때마다 A/D 변환기(6a, …, 6i)로부터 신호를 수용하고, 반도체 칩(11)과 접속 땜납(12)의 접합 계면으로부터의 반사 에코 강도의 분포 상태를 화상화하는 처리를 행한다. 그 결과는 표시 장치(10) 위에 표시된다. 또한, 접속 땜납(12)에 결함(땜납 박리 등)(14)이 있으면 초음파(U)의 반사 강도가 커지고, 이것에 의해 신호 처리부(7)의 처리 결과에서 그 위치와 정도를 알 수 있다.
이 실시예에서는 압전 소자(41a) 등의 구조적 및 재료적 특징 때문에 고주파 구동이 가능하고, 따라서, 고해상의 검사를 행할 수 있는 동시에, 압전 소자(41a) 등이 매트릭스화되어 있으므로, 압전 소자의 기계 주사와 비교하여 효율적으로 검사를 행할 수 있다.
또한, 이 실시예에서는 음향 매질이 물(15)이며 검사 대상인 반도체 칩(11) 등과 물질이 상이하다. 이것에 의해, 반도체 칩(11)의 표면에서는 초음파의 굴절이 발생한다. 그래서, 신호 처리부(7)에서는, 이 굴절을 감안하여 반도체 칩(11) 내에서의 초음파 경로를 특정한다.
(제 2 실시예)
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 도 3에 있어서, 상술한 구성요소에는 동일 번호를 첨부하여 그 구성 및 동작의 설명을 생략한다. 이 실시예는 상기 제 1 실시예와 달리, 검사 대상으 로의 초음파 조사를 물을 통하여 행하는 것이 아니라, 슈재를 사용하여 행하는 것이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 초음파 트랜스듀서(9)는 슈재(16)를 기판으로 하여 구성되어 있다. 그리고, 슈재(16)는 그 뒷면에 커플랜트(17)가 설치되고, 커플랜트(17)를 통하여 검사 대상으로서의 반도체 칩(11) 등에 눌린다. 슈재(16)는 반도체 칩(11)과 동일한 재질(예를 들어, 실리콘, 에폭시, 세라믹 등)로 되어 있다. 커플랜트(17)는 상술한 바와 같은 재질 및 두께로 할 수 있으나, 여기서는 일례로서 도시한 바와 같이 시트 형상의 것을 사용하고 있다.
커플랜트(17)에 의해 슈재(16)와 반도체 칩(11) 등은 평탄하게 접하는 상태로 되고, 이것에 의해, 음파 트랜스듀서(9)의 압전 소자(41a) 등이 발하는 초음파는 도시하는 바와 같이 반도체 칩(11)의 표면에서 대부분 굴절하지 않고 진행된다. 따라서, 굴절을 고려하여 신호 처리부(7)에서 처리할 필요가 없어져 보다 간단하게 처리할 수 있다.
또한, 물을 수용하는 검사 용기를 준비할 필요가 없고 검사 대상을 물에 침지하지 않기 때문에, 검사 후도 대상을 통상대로 사용할 수 있다. 따라서, 표본 검사뿐만 아니라, 손쉽게 공기 중에서의 이 초음파 검사를 이용할 수 있다.
또한, 이 실시예에서도 압전 소자(41a) 등의 구조적 및 재료적 특징 때문에 고주파 구동이 가능하고, 따라서, 고해상의 검사를 행할 수 있는 동시에, 압전 소자(41a) 등이 매트릭스화되어 있으므로, 압전 소자의 기계 주사와 비교하여 효율적으로 검사를 행할 수 있다.
(제 3 실시예)
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 도 4에 있어서, 상술한 구성요소에는 동일 번호를 첨부하여 그 구성 및 동작의 설명을 생략한다. 이 실시예에서는 검사 대상으로서의 반도체 칩(11a) 등의 뒷면(기능면의 반대측)에 직접 압전 소자를 형성하고, 그 상부 전극에 접촉 단자에 의해 접촉하여 구동 전압의 공급 및 발생 전압의 추출을 행하도록 한 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 반도체 칩(11a)의 뒷면에는, 예를 들어, 스퍼터링에 의해 공통 전극(58)이 형성되고, 공통 전극(58) 위에 압전체층(60a, 60b, 60c, 60d, …)이 매트릭스 형상으로 형성되어 있다. 압전체층(60a) 등 위에는 상부 전극(59a, 59b, 59c, 59d, …)이 각각 형성되어 있다. 압전체층(60a) 등은, 예를 들어, 마스크 패턴을 이용하여 스퍼터링에 의해 형성할 수 있다. 또한, 각각의 압전 소자의 배치 및 형성은 신호 처리를 보다 단순화하기 위해 접속 땜납(12)의 배치와 대응하도록 할 수도 있다.
상부 전극(59a)을 통한 구동 전압의 공급 및 발생 전압의 추출은 접촉 단자(61a, 61b, 61c)에 의해 행한다. 접촉 단자(61a) 등은 주사 이동 기구(8)에 의해 주사 이동할 수 있도록 되어 있다. 또한, 이 도면에서는 접촉 단자를 3개로 하고 있으나, 그 수는 적절히 설정할 수 있다. 또한, 접촉 단자(61a) 등은 구체적으로는 상술한 바와 같은 것을 사용할 수 있다.
신호 처리부(7a)에서는, 주사 이동 기구(8)가 접촉 단자(61a) 등에 부여하는 위치를 정보로서 얻고, 이것과 초음파(Ua, Ub, Uc) 등에 의한 검출 신호로부터의 정보에 의해 반도체 칩(11a)과 접속 땜납(12)의 접합 계면으로부터의 반사 에코 강도의 분포 상태를 화상화하는 처리를 행한다.
이 실시예에서도 물을 수용하는 검사 용기를 준비할 필요가 없고 검사 대상을 물에 침지하지 않기 때문에, 검사 후도 대상을 통상대로 사용할 수 있다. 따라서, 표본 검사뿐만 아니라, 손쉽게 공기 중에서의 이 초음파 검사를 이용할 수 있다.
또한, 마찬가지로 압전 소자의 구조적 및 재료적 특징 때문에 고주파 구동이 가능하고, 따라서, 고해상의 검사를 행할 수 있다. 또한, 여기서 설명한 접촉 단자(61a) 등에 의한 압전 소자와의 접촉을 이용하여 구동 전압의 공급 및 발생 전압의 추출을 행하는 방법은, 제 1 및 제 2 실시예에 있어서, 그 설명에서는 도선을 이용하고 있던 압전 소자(41a) 등과의 접속 대신에 이용할 수도 있다.
(제 4 실시예)
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 도 5에 있어서, 상술한 구성요소에는 동일 번호를 첨부하여 그 구성 및 동작의 설명을 생략한다. 이 실시예는 초음파 트랜스듀서를 기계적으로 주사하여 검사를 행하는 것이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 검사 장치는 초음파 트랜스듀서(9a), 신호 발생 회로(1a), 신호 검출 회로(4a), 증폭기(5a), A/D 변환기(6a), 신호 처리부(7b), 표시 장치(10), 검사 용기(110a)를 갖는다. 검사 용기(110a) 내에는 물 (15)이 수용되고, 이 물(15)에 침지되어 초음파 트랜스듀서(9a)와 검사 대상(초음파의 조사 대상)으로서의 반도체 칩(11) 등이 배치된다.
초음파 트랜스듀서(9a)는 오목형 형상의 기판 표면 위에 전극층(29), 압전체층(30), 상부 전극층(31)이 차례로 적층된 구조를 갖고, 이 적층 구조가 압전 소자로서 기능한다. 압전 소자에는 신호 발생 회로(1a)로부터의 구동 신호가 도선에 의해 유도된다. 또한, 압전 소자가 발생하는 전기 신호는 도선에 의해 신호 검출 회로(4a)에 유도된다. 압전 소자가 전기 구동되면 압전체로서의 성질 때문에 초음파(U)가 발생하고, 발생된 초음파는 물(15)을 통하여 반도체 칩(11)에 도달한다. 반도체 칩(11) 등에 의한 초음파의 에코는 다시 물(15)을 통하여 압전 소자에 입력되고, 이것에 의해 압전 소자는 전기 신호를 발생한다.
신호 발생 회로(1a)는 압전 소자가 초음파를 발생하도록 펄스 형상 또는 연속의 구동 신호를 발생하는 것이다. 신호 검출 회로(4a)는 압전 소자에서 발생하는 전기 신호를 검출하는 것이다. 검출된 전기 신호는 증폭기(5a)에 유도된다. 이후의 A/D 변환기(6a) 및 표시 장치(10)는 상술한 것과 동일하다.
신호 처리부(7b)는 A/D 변환기(6a)로부터 유도된 디지털 신호와 주사 이동 기구(8a)가 초음파 트랜스듀서(9a)에 부여하는 위치를 정보로서 얻어 처리하여 검사 대상의 상태를 가시화하는 정보를 생성하는 것이다. 생성된 정보는 표시 장치(10)에 유도된다.
주사 이동 기구(8a)는 초음파 트랜스듀서(9a)의 위치를 설정하는 기구로서 설치되고, 설정하는 위치의 정보는 신호 처리부(7b)로 유도된다. 검사 용기(11Oa) 는 검사 대상의 반도체 칩(11) 등과 초음파트랜스듀서(9a)를 물(15)에 침지하기 위한 용기이다.
초음파 트랜스듀서(9a)의 적층 구조에 대해서 더 설명하면, 전극층(29)은 정전 인력을 이용하는 접착층으로서도 기능시키도록 형성할 수 있다. 재질로서는 Cr, Ta, Si 등에서 선택할 수 있다. 압전체층(30)은 상술한 바와 같은 재질의 것을 연마에 의해, 예를 들어, 1O㎛ 정도로 박막화하여 접착하여 형성할 수 있다. 또한, 도면에서 전극층(29) 아래의 기판에 도전성의 것(예를 들어, 도핑된 Si 단결정, 그 표층만 도핑된 것일 수도 있음)을 사용할 경우에는, 전극층(29)을 형성하지 않을 수도 있다.
도 5에 나타낸 초음파 검사 장치의 검사 동작에 대해서 설명한다. 주사 이동 기구(8a)에 의해 초음파 트랜스듀서(9a)의 위치가 결정되고, 또한, 초음파 트랜스듀서(9a)를 구동하기 위한 신호가 신호 발생 회로(1a)에서 발생된다. 이것에 의해, 초음파트랜스듀서(9a)는 초음파(U)를 발생하고, 발생된 초음파는 물(15)을 전파 매질로 하여 반도체 칩(11) 등에 조사된다.
반도체 칩(11) 등에 조사된 초음파(U)는 반도체 칩(11)의 표면에서 굴절되어 더 진행되고, 예를 들어, 결함(14)이 발생하고 있는 접속 땜납(12)에서 반사하여 에코로 되어 다시 반도체 칩(11) 및 물(15)을 통하여 초음파 트랜스듀서(9a)에 도달한다.
이것에 의해 초음파 트랜스듀서(9a)에서는 전기 신호를 발생한다. 발생된 전기 신호는 신호 검출 회로(4a)에 유도되어 검출된다. 신호 검출 회로(4a)는 검 출된 전기 신호를 증폭기(5a)에 유도한다. 증폭기(5a)는 유도된 신호를 증폭하고, 이것을 A/D 변환기(6a)에 공급한다. 또한, A/D 변환기(6a)에서 A/D 변환된 신호가 신호 처리부(7b)에 수용된다.
신호 처리부(7b)에서는, A/D 변환기(6a)로부터 유도된 디지털 신호와 주사 이동 기구(8a)가 초음파 트랜스듀서(9a)에 부여하는 위치를 정보로서 얻어 처리하고, 반도체 칩(11)과 접속 땜납(12)의 접합 계면으로부터의 반사 에코 강도의 분포 상태를 화상화하는 처리를 행한다. 그 결과는 표시 장치(10) 위에 표시된다. 이러한 처리는 주사 이동 기구(8a)에 의해 초음파 트랜스듀서(9a)의 위치가 결정될 때마다 행할 수 있다.
이 실시예에서는 초음파트랜스듀서(9a)의 구조적 및 재료적 특징 때문에 고주파 구동이 가능하고, 따라서, 고해상의 검사를 행할 수 있다. 또한, 예를 들어, 정전력을 이용하는 접착에 의해 압전체층(30)을 보다 균일하게 기판 위에 형성할 수 있으므로, 균일성이 뒤떨어지는 것에 의한 감도나 해상도의 열화(劣化)를 방지할 수도 있다.
또한, 이 실시예에서도 음향 매질이 물(15)이며 검사 대상인 반도체 칩(11) 등과 물질이 상이하므로, 반도체 칩(11)의 표면에서는 초음파(U)의 굴절이 발생한다. 그래서, 신호 처리부(7b)에서는, 이 굴절을 감안하여 반도체 칩(11) 내에서의 초음파 경로를 특정한다.
(제 5 실시예)
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 구성도이다. 도 6에 있어서, 상술한 구성요소에는 동일 번호를 첨부하여 그 구성 및 동작의 설명을 생략한다. 이 실시예는 레이저 광을 이용하여 검사 대상에 초음파를 발생시키고, 그 에코를 검출 및 처리함으로써 검사 대상을 검사하는 것이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 검사 장치는 강도 변조 레이저 광원(101), 광학 송신기(102), 진동 변위 검출기(71), 증폭기(5a, 5b, …, 5i), A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i), 신호 처리부(7), 표시 장치(10), 주사 이동 기구(8b)를 갖는다. 주사 이동 기구(8b)에 의해 위치 결정된 광학 송신기(102)로부터의 레이저 광이 검사 대상으로서의 반도체 칩(11) 등에 조사된다.
강도 변조 레이저 광원(101)은 강도 변조된 레이저 광(강도 변조의 특수한 경우로서의 간헐적인 레이저 광일 수도 있음)을 발생하고, 발생된 레이저 광은 광학 송신기(102)에 유도된다. 광학 송신기(102)는 유도된 레이저 광을 스폿 형상으로 하여 검사 대상으로서의 반도체 칩(11)의 소정 위치에 조사한다. 소정 위치에 조사하기 위해, 광학 송신기(102)는 주사 이동 기구(8b)에 의해 주사 이동된다. 또한, 레이저 광의 조사에 의해 반도체 칩(11)에는 에너지의 변환이 발생하여 초음파가 발생한다.
진동 변위 검출기(71)는 반도체 칩(11)의 표면에 에코로서 귀환하는 각 부분의 초음파를 비접촉으로 검출하여 전기 신호로 변환하는 것이다. 검출의 원리는 반도체 칩(11)의 표면에 귀환하는 초음파에 의한 그 표면의 진동 변위를 진동 변위 검출기(71)로부터 조사하여 반사되는 레이저 광의 위상 변화에 의해 측정 및 검출하는 것이다. 검출된 전기 신호 중 검사에 필요한 복수의 것은 각각 증폭기(5a, 5b, …, 5i)에 유도된다. 그 이후의 구성인 A/D 변환기(6a, 6b, …, 6i), 신호 처리부(7), 표시 장치(10)에 대해서는 상술한 바와 같다.
주사 이동 기구(8b)는 광학 송신기(102)와 진동 변위 검출기(71)를 동기적으로 이동시키는 것이며, 동시에 광학 송신기(102)와 진동 변위 검출기(71)의 위치 정보를 신호 처리부(7a)에 공급한다.
도 6에 나타낸 초음파 검사 장치의 검사 동작에 대해서 설명한다. 강도 변조 레이저 광원(101)에서 발생된 레이저 광은 광학 송신기(102)에 유도되고, 광학 송신기(102)는 유도된 레이저 광을 스폿 형상으로 하여 검사 대상으로서의 반도체 칩(11)의 소정 위치에 조사한다. 또한, 그 위치는 주사 이동 기구(8b)에 의해 설정된다. 이것에 의해, 반도체 칩(11)의 상기 위치의 표면으로부터 초음파가 발생된다.
반도체 칩(11)의 표면에서 발생된 초음파는 반도체 칩(11) 중을 진행하고, 예를 들어, 결함(14)이 발생하고 있는 접속 땜납(12)에서 반사하여 에코(Ua, Ub, Uc)로 되어 다시 반도체 칩(11)의 표면에 도달한다.
이것에 의해, 진동 변위 검출기(71)는 상기 원리에 의해 반도체 칩(11)의 표면에 귀환한 각 부분의 초음파에 대응한 복수의 전기 신호를 발생한다. 발생된 전기 신호 중 검사에 필요한 전기 신호를 각각 증폭기(5a, …, 5i)에 유도한다. 증폭기(5a, …, 5i)는 각각 유도된 신호를 증폭하고, 이것을 A/D 변환기(6a, …, 6i)에 공급한다. 또한, A/D 변환기(6a, …, 6i)에서 A/D 변환된 신호가 신호 처리부(7a)에 수용된다.
신호 처리부(7a)에서는, 주사 이동 기구(8b)가 광학 송신기(102) 등에 부여하는 위치를 정보로서 얻고, 이것과 상기의 수용한 신호에 의해 반도체 칩(11)과 접속 땜납(12)의 접합 계면으로부터의 반사 에코 강도의 분포 상태를 화상화하는 처리를 행한다.
이 실시예에서는, 간헐적으로 또는 강도 변조하여 발생된 레이저 광을 스폿 형상으로 함으로써 검사 대상 위의 정확한 위치에 상당히 작은 면적의 초음파 발생원을 만들 수 있다. 이것에 의해, 그 에코를 포착함으로써 고해상의 탐지가 가능해진다.
또한, 물을 수용하는 검사 용기를 준비할 필요가 없고 검사 대상을 물에 침지하지 않기 때문에, 검사 후도 대상을 통상대로 사용할 수 있다. 따라서, 표본 검사뿐만 아니라, 손쉽게 공기 중에서의 이 초음파 검사를 이용할 수 있다.
(제 6 실시예)
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 화상화 장치를 도면을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 화상화 장치에 의해 초음파 검사를 행하는 구성 예를 설명하는 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 화상화 장치는 어레이 트랜스듀서(초음파 트랜스듀서)(209), 신호 발생부(201), 구동 소자 선택부(202), 신호 검출 회로(204), 증폭기(205a, 205b, …, 205i), 신호 처리부(270), 표시 장치(210)를 갖는다. 상기 신호 처리부(270)는 내부 구성으로서 A/D 변환기(206a, 206b, …, 206i), 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i), 통합 프로세서(208)를 갖는다. 어레이 트랜스듀서(209)의 앞면에는 음향 전파 매체(216)가 밀착되고, 음향 전파 매체(216)는 커플랜트(218)를 통하여 검사 대상(217)에 접촉된다. 검사 대상(217) 중에는 결함(214)이 존재할 수 있다.
어레이 트랜스듀서(209)는 압전 소자로 이루어진 복수의 압전 소자(221a, 222a, 223a, …, 229a, 230a, 230b, …, 230h)를 매트릭스 형상으로 배치한 것이며, 그 각각의 압전 소자(221a) 등은 구동 소자 선택부(202)의 선택에 의해 구동되는 것이 결정되어 신호 발생부(201)로부터의 구동 신호가 도선에 의해 유도된다. 또한, 각각의 압전 소자(221a) 등이 발생하는 전기 신호는 도선에 의해 신호 검출 회로(204)에 유도된다. 압전 소자(221a) 등이 전기 구동되면 압전체로서의 성질 때문에 초음파가 발생하고, 발생된 초음파는 음향 전파 매체(216)를 통하여 검사 대상(217) 내의 결함(214)에 도달한다. 결함(214)에 의한 초음파 에코는 다시 음향 전파 매체(216)를 통하여 압전 소자(221a) 등에 입력되고, 이것에 의해 각각의 압전 소자(221a) 등은 전기 신호를 발생한다.
신호 발생부(201)는 압전 소자(221a) 등이 초음파를 발생하도록 펄스 형상 또는 연속의 구동 신호를 발생하는 것이다. 발생된 구동 신호는 구동 소자 선택부(202)에 유도된다. 구동 소자 선택부(202)는 구동해야 할 1개 또는 복수의 압전 소자(221a) 등을 선택한 후, 신호 발생부(201)로부터 유도된 구동 신호를 선택된 압전 소자(221a) 등에 유도하는 것이다.
신호 검출 회로(204)는 압전 소자(221a) 등에서 발생하는 전기 신호를 검출하는 것이다. 검출된 전기 신호 중 검사에 필요한 복수의 것은 각각 증폭기(205a, 205b, …, 205i)에 유도된다.
증폭기(205a, 205b, …, 205i)는 유도된 전기 신호를 각각 증폭하고, 이것을 신호 처리부(270) 내의 A/D 변환기(206a, 206b, …, 206i)에 각각 공급하는 것이다. A/D 변환기(206a, 206b, …, 206i)는 유도된 전기 신호를 A/D 변환하고, 이것을 신호 처리부(270) 내의 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)에 각각 유도하는 것이다.
신호 처리부(270) 내의 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)는 A/D 변환기(206a, 206b, …, 206i)로부터 유도된 디지털 신호를 병렬적으로 처리하고, 각각 화상화 영역의 각 메시로부터의 반사 강도를 특정하는 것이다. 특정된 반사 강도는 통합 프로세서(208)에 의해 통합되어 화상화 정보로 되고, 다시 표시 장치(210)에 유도된다. 표시 장치(210)는 유도된 정보를 표시하는 것이다.
도 8은 신호 처리부(270) 내의 구성을 더 상세하게 나타내는 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)는 각각 내부 메모리(305a, 305b, …, 305i) 및 연산 회로(306a, 306b, …, 306i)를 갖는다. 또한, 통합 프로세서(208)는 화상 통합 처리부(208a), 경계 추출 처리부(208b), 형상 데이터 기억부(208c), 테이블 데이터 저장부(307)를 갖는다.
내부 메모리(305a, 305b, …, 305i)는 각각 A/D 변환기(206a, 206b, …, 206i)로부터 공급된 A/D 변환 신호와 테이블 데이터 저장부(307)로부터 얻은 전파 시간 데이터를 일시적으로 저장하는 것이다. 연산 회로(306a, 306b, …, 306i)는 각각 내부 메모리(305a, 305b, …, 305i)에 저장된 A/D 변환 신호와 전파 시간 데 이터로부터 화상화 영역의 각 메시로부터의 반사 강도를 특정하고, 각 메시와 반사 강도를 대응시키는 것이다. 대응된 반사 강도는 화상 통합 처리부(208a)에 공급된다.
화상 통합 처리부(208a)는 공급된 반사 강도를 각 메시마다 가산하여 화상화 정보를 생성하는 것이다. 생성된 화상화 정보는 표시 장치(210)에 유도된다.
경계 추출 처리부(208b)는, 화상 통합 처리부(208a)가 출력하는 결과로부터 검사 대상의 내부에 존재하는 경계를 추출하는 것이다. 추출된 경계에 관한 정보는 테이블 데이터 저장부(307)에 보내진다.
형상 데이터 기억부(208c)는 검사 대상(217)에 관한 표면 형상이나 층 구조에 관한 정보를 미리 기억하는 것이다. 기억된 정보는 필요에 따라 테이블 데이터 저장부(307)에 보내진다.
테이블 데이터 저장부(307)는 압전 소자(221a) 등 사이의 초음파 전파 시간(또는 등가적인 거리일 수도 있음. 이하 동일)을 테이블화하여 미리 저장하여 두는 것이다. 저장된 초음파 전파 시간은, 그 일부 또는 전부가 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)의 내부 메모리(305a, 305b, …, 305i)에 필요에 따라 전송된다. 또한, 테이블 데이터 저장부(307)에 저장된 초음파 전파 시간은, 경계 추출 처리부(208b)가 공급하는 검사 대상에서의 추출된 경계에 관한 정보나 형상 데이터 기억부(208c)가 공급하는 검사 대상(217)에 관한 표면 형상이나 층 구조에 관한 정보에 의해 재설정될 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8에 나타낸 구성에 의한 실제의 동작 및 처리 예를 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i) 내에서 실행되는 처리를 설명하는 설명도이다.
압전 소자(221a) 등을 구동하기 위한 신호가 신호 발생부(201)에서 발생되고, 이것이 구동 소자 선택부(202)에서 선택된 압전 소자(도면에서는 압전 소자(225a))에 유도된다. 이것에 의해, 압전 소자(225a)는 초음파(U)를 발생하고, 발생된 초음파는 음향 전파 매체(216) 및 커플랜트(218)를 통하여 검사 대상(217)에 조사된다.
검사 대상(217)에 조사된 초음파(U)는 그 표면에서 굴절되어 더 진행되고, 예를 들어, 결함(214) 등에서 반사하여 에코로 되어 다시 검사 대상(217)을 통하여 압전 소자(221a) 등에 도달한다.
이것에 의해, 압전 소자(221a) 등에서는 전기 신호를 발생한다. 발생된 전기 신호는 신호 검출 회로(204)에 유도되어 검출된다. 신호 검출 회로(204)에서는 검출된 것으로부터 검사에 필요한 전기 신호(도면에서는 압전 소자(221a, …, 229a)가 발생한 것)를 각각 증폭기(205a, …, 205i)에 유도한다. 증폭기(205a, …, 205i)는 각각 유도된 신호를 증폭하고, 이것을 신호 처리부(270) 내의 A/D 변환기(206a, …, 206i)에 공급한다. 또한, A/D 변환기(206a, …, 206i)에서 A/D 변환된 신호 각각이 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)에 공급된다.
병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)의 각각에서의 처리는 다음과 같이 실행된다. 도 9를 참조하면, 어레이 트랜스듀서(209) 위의 압전 소자(j)(231)가 도 7에서는 초음파를 발하고 있는(=송신측의) 압전 소자(225a)에 상당한다. 또한, 어 레이 트랜스듀서(209) 위의 압전 소자(k)(232)가 도 7에서의 각 압전 소자(221a, …, 229a)의 하나(수신측의 압전 소자)에 상당한다.
화상화 영역(240)은 도 7에서의 음향 전파 매체(216)와 검사 대상(217)에 상당하고, 그 중의 화상화 영역(240A)가 음향 전파 매체(216)에, 화상화 영역(240B)이 검사 대상(217)에 각각 상당한다. 화상화 영역(240A, 240B)은 도시하는 바와 같이 각각 3차원으로(또는 간단하게는 보이고 있는 단면의 2차원으로) 메시화되어 포착되고 있다.
또한, 화상화 영역(240A)과 어레이 트랜스듀서(209)는 도 7에 나타낸 바와 같이 면접촉하여 도시되어야 하나, 편의상 분리시켜 도시하고 있다.
압전 소자(k)(232)가 검출하여 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)의 하나에 입력되는 송수신 에코 강도(P)는, 시간 방향 데이터로서, 예를 들어, 도 9의 중간에 나타낸 바와 같은 시간 이산(離散) 신호이다. 이 시간 이산 신호에서의 샘플링된 강도의 각각은 화상화 영역(240)의 각 메시의 어딘가로부터 반사된 것에 유래한다.
이 대응을 위해, 전파 시간 테이블 데이터(407)를 이용한다. 이 전파 시간 테이블 데이터(407)는, 도 8에서의 테이블 데이터 저장부(307)에 저장되어 있던 것이다. 전파 시간 테이블 데이터(407)는 송신측의 압전 소자(j)(231)와 수신측의 압전 소자(k)의 조합(j, k)마다 만들어지고, 화상화 영역(240)의 각 메시에 대응하여 (j→i→k)의 전파 시간이 기록된 테이블이다. 도시하는 바와 같이, 여기서는 화상화 영역(240A)에 상당하는 테이블 데이터(271)와 화상화 영역(240B)에 상당하 는 테이블 데이터(272)로 되어 있다. 전파 시간 테이블 데이터(407)도 화상화 영역(240)에 대응하여 도시하는 바와 같이 3차원으로(또는 간단하게는 보이고 있는 단면의 2차원으로) 구조화된 것이다.
또한, 예를 들어, 화상화 메시(i)(251)로부터의 반사 강도를 송수신 에코 강도(P)의 데이터로부터 확정할 경우에는, 우선, 화상화 메시(i)(251)에 대응하는 전파 시간 테이블 데이터(407)의 저장 위치로부터 전파 시간(i)(261)을 추출한다. 그리고, 그 전파 시간(i)(261)에 상당하는 시간(t)의 송수신 에코 강도(P)의 샘플링 값을 특정한다. 그 샘플링 값이 화상화 메시(i)(251)로부터의 반사 강도로 된다.
동일하게 하여, 화상화 메시(i+1)(252), 화상화 메시(i+2)(253), 화상화 메시(i+3)(254), 화상화 메시(i+4)(255), …에 대해서도 전파 시간(i+1)(262), 전파 시간(i+2)(263), 전파 시간(i+3)(264), …을 이용하여 각각 반사 강도를 확정할 수 있다.
이상과 같은 각 메시에 대한 반사 강도의 확정은 신호 처리부(270) 내에서 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)마다 수신측의 압전 소자(k)(232)의 k 값을 바꾸어 병렬로 실행된다. 그리고, 이들의 결과는 화상 통합 처리부(208a)로 보내져 메시마다 가산된다. 즉, 상술한 처리에서는, 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i)에서 병렬 처리가 실행되므로, 매우 고속의 처리가 실현된다.
또한, 최종적인 화상은, 예를 들어, 송신측의 압전 소자(j)(231)와 수신측의 압전 소자(k)의 모든 조합에 대해서 상기 처리가 종료된 시점에서 얻어지게 된다. 간단화로서는, 예를 들어, 1열의 송신측의 압전 소자(j)(231)와 수신측의 압전 소자(k)의 모든 조합에 대해서 상기 처리를 종료한 시점으로 할 수도 있다. 이들의 결과는 표시 장치(210) 위에 표시된다. 즉, 결함(214)이 있으면 그 영역으로부터의 초음파(U)의 반사 강도가 커지므로, 화상화된 결과는 그 위치와 정도를 반영한다.
전파 시간 테이블 데이터(407)는, 미리 화상화 영역(240A, 240B)의 재질 차이를 고려하여 굴절 계산을 행하여 전파 경로를 특정함으로써 작성하여 둘 수 있다. 여기서는, 화상화 영역(240A)과 화상화 영역(240B)의 재질 차이에 의해 그 계면에서 도시하는 바와 같이 굴절이 발생하나, 이 굴절이 가미되어 (j→i→k)의 전파 시간을 구할 수 있다.
또한, 전파 시간 테이블 데이터(407)는, 초기적으로는 도 8에서의 테이블 데이터 저장부(307)에 저장되어 있으나, 실제의 처리에서는 내부 메모리(305a, 305b, …, 305i)에 필요 부분이 전송되어 이용된다. 전송하는 구성으로 함으로써, 내부 메모리(305a, 305b, …, 305i)로서 고속의 메모리를 사용하여 전체적으로 보다 고속의 처리에 기여할 수 있다.
다음으로, 도 7 및 도 8에 나타낸 구성에 의한 실제의 동작 및 처리의 다른 예를 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 각 병렬 프로세서(207a, 207b, …, 207i) 내에서 실행되는 처리의 다른 예를 설명하는 설명도이며, 도 9에서 설명한 부분에는 동일 부호가 첨부되어 있다. 이하 중복을 회피하여 설명한다.
이 처리 예에서는, 전파 시간 테이블 데이터(407) 대신에, 송신측의 압전 소 자(j)(231)와 수신측의 압전 소자(k)의 조합(j, k)에 의하지 않고 공통이며, 또한 편도의 전파 시간이 저장된 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)를 이용한다. 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)는 화상화 영역(240A)에 상당하는 테이블 데이터(296)와 화상화 영역(240B)에 상당하는 테이블 데이터(297)로 되어 있다.
이러한 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)일지라도, 검사 대상(217)에 형상적 대칭성이나 평면적인 표면성이 있을 경우에는 이용할 수 있다. 이것은 송신측이면, 차((j-i) 값에 의해, 즉, 개별의 j 값에 의하지 않고 일률적인 전파 시간을 상정할 수 있기 때문이다. 마찬가지로, 수신측이면, 차(i-k) 값에 의해, 즉, 개별의 k 값에 의하지 않고 일률적인 전파 시간을 상정할 수 있기 때문이다.
또한, 예를 들어, 화상화 메시(i)(251)로부터의 반사 강도를 송수신 에코 강도(P)의 데이터로부터 확정할 경우에는, 우선, 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)로부터 (j-i)을 인수(引數)로 송신측 전파 시간(j-i)(281)을 추출한다. 마찬가지로, 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)로부터 (i-k)를 인수로 수신측 전파 시간(i-k)(291)을 추출한다. 그리고, 송신측 전파 시간(j-i)(281)과 수신측 전파 시간(i-k)(291)을 가산하고, 가산값에 상당하는 시간(t)의 송수신 에코 강도(P)의 샘플링 값을 특정한다. 그 샘플링 값이 화상화 메시(i)(251)로부터의 반사 강도로 된다.
동일하게 하여, 화상화 메시(i+1)(252), 화상화 메시(i+2)(253), 화상화 메시(i+3)(254), 화상화 메시(i+4)(255), …에 대해서도 전파 시간(j-i+1)(282), 전파 시간(j-i+2)(283), …과, 전파 시간(i+1-k)(292), 전파 시간(i+2-k)293, …을 이용하여 각각 반사 강도를 확정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이 예에서는, 전파 시간 테이블 데이터(407) 대신에, 송신측의 압전 소자(j)(231)와 수신측의 압전 소자(k)의 조합(j, k)에 의하지 않고 공통이며, 또한 편도의 전파 시간이 저장된 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)를 이용하므로, 필요한 저장 영역을 각별하게 삭감할 수 있다.
또한, 이러한 저장 영역의 삭감은 다음의 방책을 강구함으로써 행할 수도 있다. 즉, 도 10에 도시된 기준 압전 소자(238)로부터 발생되는 초음파에는 지향성이 있기 때문에, 송수신 가능 범위(239)로부터 벗어난 범위에 상당하는 저장 영역을 준비하여 둘 필요는 없다. 이러한 범위에는 저장 영역을 부여하지 않도록 한다(또한, 도면에서 기준 압전 소자(238)를 왼쪽 상측에 있는 것으로 하여 상측 중앙으로 하지 않은 것은, 좌우의 대칭성을 이용하고 있기 때문이다).
다음으로, 도 7 및 도 8에 나타낸 구성에 의한 실제의 동작 및 처리 예에 대해서 몇 가지 보충한다.
전파 시간 테이블 데이터(407)나 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)를 작성할 때에는, 압전 소자(221a) 등의 지향 특성을 고려하여 이들 테이블 데이터에 전파 시간과 더불어 지향성에 의한 감도 분포 데이터를 저장하도록 할 수도 있다. 이렇게 하면, 감도가 낮아지는 초음파의 사각 성분의 게인을 보정하고, 정밀도 향상에 기여하도록 사각 성분의 에코 데이터를 사용할 수 있게 된다.
또한, 전파 시간 테이블 데이터(407)나 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)를 작성할 때에는, 검사 대상으로서 고체 또는 액체로 이루어진 음향 전파 매체의 단일 층을 가정하여 이것에 테이블 데이터를, 데이터 부여 수단으로서의 통합 프로세서(208)에서 초기 설정하도록 할 수도 있다(또한, 이를 위한 통합 프로세서(208) 내의 구성에 대해서는 도시 생략). 이 처리 설정에 의해 얻어진 결과를 화상화하면, 음향 전파 매체(216)와 참의 검사 대상(217)의 경계면(즉, 불연속면 또는 불연속선)의 추출 및 검출이 가능하다(처리는 경계 추출 처리부(208b)에서 행함). 이것은 가정과 실제의 결과가 경계면의 존재 위치에 따라 상이하기 때문에, 경계면의 존재 및 위치를 특정할 수 있기 때문이다.
그리고, 이 경계면의 특정에 의거하여 통합 프로세서(208)가 상기 각 테이블 데이터(407, 295)를 재설정하고(또한, 이를 위한 통합 프로세서(208) 내의 구성에 대해서는 도시 생략), 재설정된 각 테이블 데이터(407, 295)를 이용함으로써, 검사 대상(217)의 위치 및 형상이 변화할 경우의 화상화에 대응할 수 있다.
또한, 참의 검사 대상(217)의 형상이 복잡한 경우에 대비하여, 미리 형상 데이터를 형상 데이터 기억부(208c)에 기억하고, 이 기억된 형상 데이터를 가미하여 전파 시간 테이블 데이터(407)나 편도 전파 시간 테이블 데이터(295)를 재설정하도록 동작시킬 수도 있다.
(제 7 실시예)
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 검사 장치를 도면을 참조하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 모식도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 검사 장치는 매트릭스 형상 또 는 일렬로 배치한 다수의 압전 소자로 이루어진 초음파 트랜스듀서인 어레이 트랜스듀서(506), 송수신 전환 장치(508), 화상 합성 장치(509), 표시 장치(510)를 갖고, 용기(501) 내의 물(502)에 침지된 피검체(503) 내의 결함(504)을 가시화하여 나타낼 수 있다. 어레이 트랜스듀서(506)의 앞면에는 평판 형상의 슈재(505)가 커플랜트(507)를 통하여 밀착 고정되어 있다. 또한, 용기(501) 내에 반사체(513) 및 고정 스탠드(fixing stand)(515)가 설치되어 있다.
용기(501)는 물(502) 및 피검체(503)를 수용하는 용기이며, 물(502)에 침지한 상태에서 피검체(503)를 초음파에 의해 검사하기 위한 것이다.
물(502)은 초음파를 전파하는 액체의 음향 매체의 일종이다. 즉, 액체 음향 매체로서는 물(502) 이외의 액체, 예를 들어, 기름 등을 사용할 수 있다.
피검체(503)는 초음파에 의해 내부 상태를 검사하고, 결함(504)(예를 들어, 보이드, 결합의 박리 등)의 유무 등의 검사가 실행되는 검사 대상이다. 또한, 피검체(503)는 고정 스탠드(515)에 의해 용기(501) 내에서 위치 결정되어 고정된다.
슈재(505)는 평판 형상의 고체로 이루어진 음향 매체(고체 음향 매체)이며, 어레이 트랜스듀서(506)와 피검체(503) 사이에서의 초음파의 전파 경로의 일부가 되고, 예를 들어, 플라스틱, 금속 등 적절한 재료로 구성할 수 있다.
어레이 트랜스듀서(506)는 압전 소자로서 기능하는 것이며, 복수의 압전 소자(520)가 어레이 형상으로 배열되어 있다. 압전 소자(520)는 전기를 압력으로, 압력을 전기로 변환하는 변환 소자이며, 초음파를 발신하는 동시에, 피검체(503) 중의 결함(504) 등으로부터 반사되는 반사 초음파(X)를 수신할 수 있다.
반사체(513)는 반사부로서 기능하고, 소정의 압전 소자(520)로부터 송신된 초음파를 반사하여 그 전파 방향을 변화시키며, 피검체(503)의 측방으로부터 입사시킨다.
커플랜트(507)는 슈재(505)와 어레이 트랜스듀서(506) 사이의 음향적인 결합 상태를 향상시키기 위한 매개이며, 통상은 적당한 점성을 갖는 반유동체의 음향 매체, 일례로서 글리세린을 사용할 수 있다. 슈재(505)와 어레이 트랜스듀서(506) 사이에 커플랜트(507)를 개재시킴으로써, 슈재(505)와 어레이 트랜스듀서(506) 사이에서의 초음파 전달이 효율적으로 실행되고, 또한, 슈재(505) 및 어레이 트랜스듀서(506) 각각의 계면에서의 초음파 반사(일종의 잡음)가 저감된다.
송수신 전환 장치(508)는 어레이 트랜스듀서(506) 내의 복수의 압전 소자(520)로부터 초음파를 송신 및 수신하는 소자의 선택 등을 행하는 장치이며, 구동 소자 선택부(521), 신호 발생부(522), 신호 검출 회로(523), 증폭기(524)를 갖는다.
구동 소자 선택부(521)는 신호 발생 회로로서 기능하는 것이며, 신호 발생부(522)가 발생한 전기 신호를 입력시키고, 초음파를 발생시키는 압전 소자(520)를 선택하기 위한 선택 회로이다.
신호 발생부(522)는 압전 소자(520)에 초음파를 발생시키기 위한 전기 신호를 발생하기 위한 것이며, 통상적으로 발진 회로를 포함한다.
신호 검출 회로(523)는 검출부로서 기능하는 것이며, 초음파를 수신함으로써 압전 소자(520) 각각이 발생한 전기 신호를 검출하는 검출 회로이다. 이 검출 시 에, 압전 소자(520)를 적절히 선택할 수 있고, 선택된 압전 소자(520)에 대응하는 전기 신호가 증폭기(524)에 보내진다. 이 때, 복수의 압전 소자(520)의 선택을 가능하게 하여, 신호 처리의 병렬성 향상을 도모하고 있다.
증폭기(524)는 신호 검출 회로(523)에 의해 검출된 신호를 증폭하기 위한 것이며, 신호 검출 회로(523)로부터의 출력 수(선택된 압전 소자(520)의 수)에 대응하는 개수분의 증폭 소자가 존재한다.
즉, 송수신 전환 장치(508)는 압전 소자(520)로부터 반사 초음파(X)(초음파 에코(X))를 수신하는 수신 소자를 선택하고, 선택된 압전 소자(520)에서 발생한 전기 신호(E)를 증폭한 후에 화상 합성 장치(509)에 차례로 송신한다.
화상 합성 장치(509)는 화상을 생성하는 화상 생성부로서 기능하는 것이며, A/D 변환기(525) 및 병렬 프로세서(526)를 갖는다. A/D 변환기(525)는 신호 검출 회로(523)에서 수신한 전기 신호를 아날로그 디지털 변환한다.
병렬 프로세서(526)는 음속 보정부 및 화상 생성부로서 기능하는 것이며, A/D 변환기(525)에 의해 디지털화된 신호에 의거하여, 검사 대상의 상태를 가시화하기 위한 신호 처리를 행하는 신호 처리부이다.
표시 장치(510)는 화상 합성 장치(509)로부터 유도된 정보를 표시하는 표시 장치이며, 예를 들어, CRT 및 액정 표시 장치를 이용할 수 있다.
(초음파 검사 장치의 동작)
이하, 초음파 검사 장치의 동작을 설명한다.
(1) 신호 발생부(522)로부터 구동 소자 선택부(521)를 거쳐 압전 소자(520) 에 입력된 전기 신호에 의해 압전 소자(520)로부터 초음파가 송신된다. 압전 소자(520)로부터 송신된 초음파는 슈재(505) 및 물(502)을 통하여 피검체(503) 내의 결함(504)에 도달한다. 이 초음파는 결함(504)에 의해 반사되어 반사 초음파(X)로 되고, 다시 물(502)과 슈재(505)를 통하여 압전 소자(520)에 수신된다.
(2) 수신한 반사 초음파(X)에 의해 각각의 압전 소자(520)로부터 발생한 전기 신호가 신호 검출 회로(523), 증폭기(524), A/D 변환기(525)에 의해 검출, 증폭, 디지털 변환되고, 병렬 프로세서(526)에 의해 화상 합성 처리된다.
이 화상 합성 처리는 초음파의 송신으로부터 수신까지의 송수신 전파 시간(td) 및 반사 초음파(X)의 강도(진폭값)(Ad)를 이용한 개구 합성 처리에 의해 행할 수 있다.
즉, 초음파의 발신 위치와 수신 위치를 초점으로 하는 송수신 전파 시간(td)에 대응하는 거리가 일정한 타원면(등거리 전파면(512)) 위에 피검체(503)의 초음파 반사원(예를 들어, 결함(504))이 있기 때문에, 서로 다른 발신 위치 및 수신 위치에서의 타원면의 교차하는 위치가 반사원 위치로 되고, 다수의 발신 위치(압전 소자(520))와 수신 위치(압전 소자(520))의 조합에서의 타원면 중첩(가산)을, 예를 들어, 3차원 화상 메모리 상에서 행함으로써 피검체(503) 내부의 화상을 재구성할 수 있다.
구체적으로는, 송신측 및 수신측 각각에서 선택된 한 쌍의 압전 소자(520)마다 송수신 전파 시간(td)에 대응한 등거리 전파면(512)을 계산하고, 계산된 등거리 전파면(512) 위에 반사 초음파(X)의 진폭값(Ad)을 가산한다. 송신측 및 수신측 각 각에서 선택된 압전 소자(520)의 조합 각각에 대응하는 복수의 등거리 전파면(512)이 산출되고, 이들 복수의 등거리 전파면(512) 위에서의 반사 초음파(X)의 진폭값이 가산됨으로써, 피검체(503)의 화상을 그 내부의 결함(504) 등을 포함하여 생성할 수 있다.
송수신 전파 시간(td)은 초음파의 송신으로부터 반사 초음파(X)를 수신할 때까지 필요한 시간이며, 송신측의 압전 소자(520)로부터 초음파를 송신시킨 시각(t1)과 수신측의 압전 소자(520)가 초음파를 수신한 시각(t2)의 차(t2-t1)이다.
(3) 송수신 전파 시간(td)으로부터 등거리 전파면(512)을 계산할 때에, 「슈재(505)와 물(502)의 계면」과 「피검체(503)와 물(502)의 계면」의 양 계면에서의 굴절을 가미하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 다음 식 (1) 및 (2)에 표시되는 스넬 식을 고려하여, 등거리 전파면(512)이 보다 정밀하게 산출된다.
C5/sinθ52=C2/sinθ25 … 식 (1)
C2/sinθ23=C3/sinθ32 … 식 (2)
여기서, C5 : 슈재(505) 중에서의 초음파 속도
C2 : 물(502) 중에서의 초음파 속도
C3 : 피검체(503) 중에서의 초음파 속도
θ52 : 슈재(505)로부터 물(502)로의 초음파 입사(출사)각
θ25 : 슈재(505)로부터 물(502)로의 초음파 출사(입사)각
θ23 : 물(502)로부터 피검체(503)로의 초음파 입사(출사)각
θ32 : 물(502)로부터 피검체(503)로의 초음파 출사(입사)각
이다.
(4) 용기(501) 내에 고정시킨 반사체(513)에 의해, 압전 소자(520)로부터 송신한 초음파를 수평 방향으로 반사시켜, 피검체(503)의 측면에 수평 방향 계측용 초음파(Z)를 입사시킬 수 있다. 이 수평 방향 계측용 초음파(Z)는 피검체(503)의 측면이나 그 내부의 결함(504) 등에서 반사되어, 압전 소자(520)에서 수신되고, 병렬 프로세서(526)에서의 화상 합성 처리에 이용할 수 있다.
이와 같이, 수평 방향 계측용 초음파(Z)의 데이터를 수용함으로써, 피검체(503)의 측면이나 그 내부의 결함(504)의 수평 위치 계측, 또는 수평 방향으로부터의 화상화를 동시에 행할 수 있다.
또한, 이 수평 방향 계측용 초음파(Z)의 송신 및 수신을 행하는 압전 소자(520)를 반사 초음파(X)의 송신 및 수신을 행하는 압전 소자(520)와 구분하여 둠으로써, 반사 초음파(X)에 의한 피검체(503)의 정면 방향 화상과 수평 방향 계측용 초음파(Z)에 의한 피검체(503)의 측면 방향 화상을 구분하는 것이 용이해진다. 또한, 표시 장치(510)에서의 표시 시에, 이렇게 구분된 정면 화상 및 측면 화상을 서로 다른 표시 색으로 표시함으로써, 화상의 식별을 용이하게 행할 수 있다.
(5) 물(502) 중에서의 음속은 수온 등에 의해 변동하기 때문에, 초음속을 보정함으로써 보다 정밀한 화상을 생성할 수 있다.
이 보정은 물(502) 중에서의 초음속 값 자체를 화상 합성 장치(509)에 입력하여 기억시킴으로써 행할 수도 있으나, 피검체(503) 또는 고정 스탠드 표면으로부터의 반사 초음파(X)의 송수신 전파 시간(td)에 의거하여 행할 수도 있다.
슈재(505)의 두께(d5), 슈재(505)로부터 피검체(503) 표면까지의 거리(L), 및 슈재(505) 중에서의 음속(C5)을 이미 알고 있을 때에, 물(502) 중에서의 음속(C2)은 다음 식 (3)에 의해 산출할 수 있다.
td=2·(d5/C5)+2·(L/C2) … 식 (3)
여기서, 피검체(503)의 표면 형상의 특징(예를 들어, 평면 및 곡면)에 의거하여, 합성 화상의 화상 해석에 의해 피검체(503) 표면을 추출함으로써, 물(502) 중에서의 음속을 자동적으로 보정할 수 있게 된다. 구체적으로는, 합성 화상을 2치화 등 함으로써, 피검체(503)의 윤곽을 추출하고, 이 윤곽으로부터 압전 소자(520)에 가까운 점을 선택하며, 이 점에 대응하는 송수신 전파 시간(td)을 구하여, 물(502) 중에서의 음속(C2)의 보정을 행한다.
(제 8 실시예)
도 12는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 구성을 설명하는 모식도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 이 초음파 검사 장치는 어레이 트랜스듀서(506)를 수신 전용으로서 이용하는 동시에, 추가의 슈재(545)와 슈재(545)에 대하여 커플랜트(547)를 통하여 밀착 고정된 송신용 어레이 트랜스듀서(546)를 갖고 있다.
슈재(545)는 물(502) 내에서 슈재(505)에 대하여 피검체(503)를 사이에 끼운 위치에 슈재(505)의 표면과 평행하게 되도록 고정된 평판 구조의 고체 음향 매체이며, 슈재(505)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.
송신용 어레이 트랜스듀서(546)에는 복수의 압전 소자(540)가 어레이 형상으 로 배열되며, 어레이 트랜스듀서(506)와 동일한 구성이다.
커플랜트(547)는 슈재(545)와 어레이 트랜스듀서(546) 사이의 음향적인 결합 상태를 향상시키기 위한 매개이며, 커플랜트(507)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.
이하, 제 8 실시예에 따른 초음파 검사 장치의 동작을 설명한다.
송수신 전환 장치(508)에 의해, 어레이 트랜스듀서(546) 내의 복수의 압전 소자(540)로부터 특정한 압전 소자(540)가 선택 구동되고, 선택 구동된 압전 소자(540)로부터 투과 초음파(U)가 송신된다. 투과 초음파(U)는 슈재(545), 물(502), 피검체(503)의 내부를 투과하고, 다시 물(502)과 슈재(505)를 통하여 어레이 트랜스듀서(506)에서 수신된다. 복수의 압전 소자(520)가 발생하는 전기 신호(E)가 송수신 전환 장치(508)에 의해 선택적으로 검출된다. 화상 합성 장치(509)는 검출된 전기 신호(E)로부터 피검체(503)의 투과 화상을 합성하고, 표시 장치(510)는 합성된 투과 화상 합성 처리 결과를 표시한다.
그 결과, 용기(501) 외에 어레이 트랜스듀서(506)를 설치한 상태에서, 물(502) 내의 피검체(503) 내부의 가시화를 행할 수 있다.
화상 합성 장치(509)에서의 화상 합성 처리는 투과 초음파(U)의 송수신 전파 시간 및 진폭값에 의거하여 실행된다. 송신용 압전 소자(540)로부터 수신용 압전 소자(520)에 이르는 초음파의 경로 중에 물(502)과는 상이한 매체(예를 들어, 피검체(503) 자체나 결함(504) 등의 내부 구조)가 있으면, 그 계면(예를 들어, 피검체(503)나 결함(504) 등의 표면)에서 초음파가 반사되어 수신되는 투과 초음파(U)의 진폭이 감소된다. 또한, 매체 내부를 투과 초음파(U)가 통과함으로써 송수신 전파 시간이 변화한다. 이와 같이, 송신용 압전 소자(540)로부터 수신용 압전 소자(520)에 이르는 초음파의 경로(초음파 투과 경로)에 대응하여 투과 초음파(U)의 송수신 전파 시간 및 진폭값을 연산함으로써, 피검체(503) 내부의 결함(504)의 투과 화상을 합성할 수 있다.
초음파 투과 경로의 산출은 송신용 압전 소자(540)와 수신용 압전 소자(520) 사이의 위치 관계에 의거하여 실행된다. 초음파 투과 경로의 산출 시에, 「슈재(505)와 물(502)의 계면」과 「슈재(545)와 물(502)의 계면」의 굴절을 고려함으로써, 보다 정밀하게 초음파 투과 경로를 계산할 수 있다. 즉, 식 (1) 및 (2)의 스넬 식을 적절히 가미한다.
본 발명에 따른 초음파 검사 장치, 초음파 트랜스듀서, 검사 장치, 초음파 화상화 장치는 전자 디바이스 제조 산업, 전자 기기 제조 산업, 계측 기기 제조 산업 등에서 제조할 수 있고, 또한, 자동차 부품 제조 산업이나 각종 소재 제조 산업, 반도체 디바이스 제조 산업, 엔지니어링 산업 등에서 사용할 수 있다. 따라서, 산업상 이용성을 갖는다.

Claims (8)

  1. 바늘 형상 구조를 갖는 복수의 접촉 단자와,
    상기 접촉 단자에 접속되고, 상기 접촉 단자 중 임의의 것으로부터 구동 전압을 발생시키기 위한 구동부와,
    상기 복수의 접촉 단자에 각각 접촉할 수 있는 복수의 전극을 구비하고, 그 접촉에 의해 상기 구동부에서 발생한 상기 구동 전압이 공급되는 압전부와,
    상기 접촉 단자에 접속되고, 상기 구동 전압을 원인으로 하여 상기 압전부를 매개로 하여 검사 대상으로부터 상기 접촉 단자에 회신되는 전기 신호를 상기 복수의 접촉 단자로부터 검출하는 검출부와,
    상기 검출된 전기 신호와 상기 임의의 접촉 단자의 위치로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 검사 장치.
  2. 레이저 광을 간헐적으로 또는 강도 변조하여 발생하는 레이저 광원과,
    상기 발생된 레이저 광을 스폿 형상으로 하여 검사 대상에 조사하는 광학 송신기와,
    상기 광학 송신기를 상기 검사 대상과 상대적으로 주사 이동하는 주사 이동 기구와,
    상기 조사된 레이저 광에 의해 발생된 상기 검사 대상 중의 초음파의 에코에 의한 상기 검사 대상 표면에서의 진동 변위를 레이저 광을 이용하는 변위 측정 방법에 의해 비접촉으로 검출하여 전기 신호로 변환하는 진동 변위 검출부와,
    상기 변환된 전기 신호와 상기 주사 이동된 광학 송신기의 위치로부터 상기 검사 대상의 상태를 가시화하는 처리를 행하는 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  3. 복수의 압전 소자를 갖는 압전부와,
    상기 압전부와 음향적으로 접속된 평판(平板) 형상의 고체 음향 전파 매체와,
    상기 압전부로부터 압전 소자를 선택하여 초음파를 발생시키는 구동부와,
    상기 구동부에 의해 선택된 압전 소자로부터 송신된 초음파의 일부가 액체 음향 매체 중의 피검체로부터 반사되어 이루어진 반사 초음파에 의거하여, 상기 압전부의 압전 소자로부터 발생한 전기 신호를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 전기 신호에 의거하여, 상기 피검체의 내부 상태를 나타내는 화상을 생성하는 화상 생성부와,
    상기 화상 생성부에서 생성된 화상을 표시하는 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고체 음향 전파 매체가 관통하는 개구부를 갖고, 내부에 상기 피검체를 수용하는 동시에, 상기 액체 음향 매체를 축적하는 용기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 고체 음향 전파 매체와 외측 표면이 음향적으로 접속되고, 또한 내부에 상기 피검체를 수용하는 동시에, 상기 액체 음향 매체를 축적하는 용기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전부로부터 송신된 초음파가 상기 피검체의 표면에서 반사되어 상기 압전부에 수신될 때까지의 초음파 전파 시간에 의거하여, 상기 액체 음향 매체 중의 음속을 보정하는 음속 보정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전부로부터 송신된 초음파의 일부를 반사하여, 상기 피검체에 조사하는 반사부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  8. 복수의 압전 소자를 갖는 제 1 초음파 트랜스듀서와,
    상기 제 1 초음파 트랜스듀서와 음향적으로 접속된 제 1 고체 음향 전파 매체와,
    상기 제 1 초음파 트랜스듀서로부터 압전 소자를 선택하여 초음파를 발생시 키는 구동부와,
    상기 제 1 고체 음향 전파 매체와 대향하여 배치된 제 2 고체 음향 전파 매체와,
    상기 제 2 고체 음향 전파 매체와 음향적으로 접속되고, 복수의 압전 소자를 갖는 제 2 초음파 트랜스듀서와,
    상기 제 2 초음파 트랜스듀서에서 발생한 전기 신호를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 전기 신호에 의거하여 화상을 생성하는 화상 생성부와,
    상기 화상 생성부에서 생성된 화상을 표시하는 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
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