JP2008003014A - 超音波検査方法と超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熟練者でなくても超音波振動子の焦点位置を、迅速に目的の位置に設定できる超音波検査方法を提供することを目的とする。
【解決手段】検査対象２の下に配置した位置基準物８の上面を特定して、超音波振動子５の送受信の焦点を、検査対象２の内部の検査位置に一致させることができるので、超音波振動子５の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波による検査対象の内部の非破壊検査に関するものである。

図１３（ｂ）に示すように、基板１に実装済みの半導体集積回路素子２の内部を超音波検査する場合には、超音波伝達媒体３が入った媒体槽４に基板１をセットし、超音波振動子５から半導体集積回路素子２に向けて超音波を送信し、半導体集積回路素子２の内部で反射した反射波を超音波振動子５で受信し、超音波振動子５を水平走査（Ｘ軸方向）して各走査位置での受信信号から検査されている。６はスペーサである。

具体的には、半導体集積回路素子２の下層近くに位置しているダイボンディングの剥がれ等の検査に、この検査方法が使用されている。この場合、ダイボンディングが存在している層に超音波振動子５の焦点を正確に合わせて水平走査することが必要であるため、超音波振動子５を上下動（Ｚ軸方向）させて超音波振動子５の焦点設定が予め行われている。

この超音波振動子５の焦点設定は、図１３（ａ）に示すようにスペーサ７を介して半導体集積回路素子２を媒体槽４にセットする。スペーサ７の高さは、例えば、超音波振動子５の高さが図１３（ｂ）の基板１に実装された半導体集積回路素子２と同じにする高さである。

この状態で、超音波振動子５を半導体集積回路素子２に近づけながらその反射波を受信し、半導体集積回路素子２の既知の積層構造と照らし合わせながら、時々の超音波振動子５の焦点位置を推定し、半導体集積回路素子２の下面の位置に超音波振動子５の焦点位置を合わせる。そのときの超音波振動子５の高さをＶ１とする。ここで、半導体集積回路素子２の既知の積層構造から、半導体集積回路素子２の下面と検査したいダイボンディングが存在している層との距離をＶ２であった場合には、超音波振動子５を距離Ｖ２だけ引き上げて、超音波振動子５の高さを（Ｖ１−Ｖ２）に設定する。そして超音波振動子５を水平走査させてダイボンディング層を確認している。
特開平４−９５８７３号公報

しかし、上記のように半導体集積回路素子２の下面の位置に超音波振動子５の焦点位置を合わせる設定作業は、熟練を必要とする。経験不足の測定者の場合には、超音波振動子５の実際の焦点位置が半導体集積回路素子２の下面を通過していても、それに気づかずに半導体集積回路素子２の下面の検出を継続してしまうのが現状であって、検査の開始に長時間を必要としている。

本発明は、熟練者でなくても超音波振動子の焦点位置を、迅速に目的の位置に設定することができる超音波検査方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の超音波検査方法は、超音波振動子から検査対象に向けて超音波を送信し、検査対象の内部で反射した反射波を前記超音波振動子で受信して検査対象の内部を検査するに際し、隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なる平面パターンが記録された位置基準物の上に検査対象を配置し、前記超音波振動子から検査対象を介して前記位置基準物に向けて超音波を送信し、受信すると共に、前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査し、前記水平走査によって前記超音波振動子の受信信号が前記位置基準物の平面パターンか判別し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信するまで、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子と前記位置基準物の距離を変更して前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査することを繰り返し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信すると前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子の受信信号の変化から、前記超音波振動子の送受信の焦点が前記位置基準物の上面に一致した前記超音波振動子と前記位置基準物との相対位置を特定し、検査対象の内部の検査層と前記位置基準物の上面との既知の距離だけ前記特定した位置から、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて、前記超音波振動子の送受信の焦点を前記検査対象の内部の検査位置に一致させることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の超音波検査方法は、請求項１において、位置基準物は、隣接する区間とで前記超音波に対する音響インピーダンスが異なるよう凹凸が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３記載の超音波検査方法は、請求項１において、位置基準物は、隣接する区間とで前記超音波に対する音響インピーダンスが異なるよう弾性係数の異なる材料で形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４記載の超音波検査方法は、請求項２において、前記超音波振動子を水平走査した時々の位置での受信信号の遅れ時間差から前記平面パターンを検出することを特徴とする。

本発明の請求項５記載の超音波検査方法は、請求項３において、前記超音波振動子を水平走査した時々の位置での受信信号の強度差から前記平面パターンを検出することを特徴とする。

本発明の請求項６記載の超音波検査装置は、超音波振動子の送受信の焦点位置を検査対象の内部の特定位置に設定する超音波検査装置であって、隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なる平面パターンが記録され検査対象を介在して前記超音波振動子とは反対側に配設された位置基準物と、前記位置基準物の形状などの既知の情報がプログラムされ前記超音波振動子の送受信信号を入力信号とし前記超音波振動子の移動量を計算する制御装置と、前記制御装置の出力によって前記超音波振動子をＺ軸方向へ駆動する第１のアクチュエータと、前記制御装置の出力によって前記超音波振動子をＸ軸方向またはＹ方向へ駆動する第２のアクチュエータとを設け、前記制御装置を、前記超音波振動子から検査対象を介して前記位置基準物に向けて超音波を送信し、受信すると共に、前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査し、前記水平走査によって前記超音波振動子の受信信号が前記位置基準物の平面パターンか判別し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信するまで、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子と前記位置基準物の距離を変更して前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査することを繰り返し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信すると前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子の受信信号の変化から、前記超音波振動子の送受信の焦点が前記位置基準物の上面に一致した前記超音波振動子と前記位置基準物との相対位置を特定し、検査対象の内部の検査層と前記位置基準物の上面との既知の距離だけ前記特定した位置から、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて、前記超音波振動子の送受信の焦点を前記検査対象の内部の検査位置に一致させるよう構成したことを特徴とする。

この構成によると、検査対象の下に配置した位置基準物の上面を特定して、前記超音波振動子の送受信の焦点を、前記検査対象の内部の検査位置に一致させることができるので、超音波振動子の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図６は本発明の（実施の形態１）を示す。

図１（ａ）は、超音波振動子５の焦点を、検査対象としての半導体集積回路素子２の内部のダイボンディング層に設定する工程を示す。
先ず、超音波伝達媒体３が入った媒体槽４に位置基準物８をセットし、その上にスペーサ９を介して半導体集積回路素子２をセットする。この例では、半導体集積回路素子２の裏面にボール電極１０が設けられたＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージの場合を示している。超音波振動子５としては共振周波数が１００ＭＨｚのものを使用する。

位置基準物８は、図２に示すように隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なるよう凹部１１と凸部１２の平面パターンが記録されている。半導体集積回路素子２の平面形状が１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の場合に、ここでは０．５ｍｍピッチでＸ軸方向に凹部１１と凸部１２が繰り返される形状のものを使用した。

図３は、超音波振動子５の焦点をダイボンディング層に設定する際の工程を示す。
ステップＳ１では、超音波振動子５を半導体集積回路素子２に向けて規定した１単位（例えば、０．１ｍｍ）だけ降下させる。ステップＳ２では、超音波振動子５から超音波伝達媒体３を介して半導体集積回路素子２に向けて超音波を送信し、反射波を受信すると共に、超音波振動子５を水平方向（Ｘ軸方向）に、少なくとも２ｍｍ以上の距離を一定速度で走査しながら、前記超音波の送受信を繰り返す。

このときに、ステップＳ３では、受信信号の遅れ時間の変化が特定パターンか判定する。具体的には、超音波振動子５の焦点が位置基準物８に達するまでは、ステップＳ２で水平走査しても、その時の受信信号の遅れ時間の変化は半導体集積回路素子２の内部の構造によって変化し、前記特定パターンに一致する可能性は極めて少ない。そのため、ステップＳ１〜ステップＳ３のルーチンが繰り返し実行される。

超音波振動子５の焦点が位置基準物８に達すると、水平走査によって、受信信号の遅れ時間の変化は、走査速度を一定とした場合に、位置基準物８の凹部１１と凸部１２の平面パターンによって決まる特定パターンとなる。図４はこの例を示している。

位置基準物８の凸部１２で反射した超音波は、超音波振動子５へ遅れ時間Ｔ１で受信されるのに対して、位置基準物８の凹部１１の底で反射した超音波は、遅れ時間Ｔ１＋ｔで超音波振動子５に受信される。したがって、遅れ時間Ｔ１の区間と遅れ時間Ｔ１＋ｔの区間の長さが同じ場合に、特定パターンになったと判断して、ステップＳ１〜ステップＳ３のルーチンを抜けて、ステップＳ４を実行する。

なお、超音波の周波数が１００ＭＨｚ、超音波伝達媒体３が水の場合、超音波１パルスが１０ｎｓｅｃ程度の幅を持つため、凹部１１と凸部１２で時間差が１０ｎｓｅｃ以上であればよく、これに相当する凹部１１の深さとしては、０．７４０μｍ（水の音速を１４８０ｍ／ｓとしたとき）以上であればよい。

半導体集積回路素子２の既知の積層構造から、半導体集積回路素子２の下面と検査したいダイボンディングが存在している層との距離をＶ２であって、また、スペーサ９の高さがＶ３であった場合には、ステップＳ４では、超音波振動子５を距離（Ｖ２＋Ｖ３）だけ引き上げた高さに設定する。

なお、図３に示したフローチャートは、図６に示すように、位置基準物８の形状などの既知の情報がプログラムされたマイクロコンピュータを主要部とした制御装置１３を使用して、超音波振動子５の送受信信号１４を入力信号とし、超音波振動子５をＺ軸方向へ移動させる第１のアクチュエータ１５と、超音波振動子５をＸ軸方向へ移動させる第２のアクチュエータ１６とを運転制御することによって、超音波振動子５の高さの設定を自動制御できる。

このようにして超音波振動子５の高さを設定した後に、半導体集積回路素子２を実装した基板１を、図１（ｂ）に示すようにスペーサ１７の上にセットして、設定した高さで超音波振動子５をＸ軸方向とＹ軸方向に水平走査して、ダイボンディング層に剥がれがあるかどうかを検査する。スペーサ１７の高さは、基板１に実装された半導体集積回路素子２の高さが、図１（ａ）における半導体集積回路素子２と同じになる高さである。

このように、半導体集積回路素子２の下に配置した位置基準物８の上面を特定して、前記超音波振動子の送受信の焦点を半導体集積回路素子２の内部の検査位置に一致させることによって、経験不足の測定者であっても、超音波振動子５の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。

（実施の形態２）
図７は本発明の（実施の形態２）を示す。
（実施の形態１）では位置基準物８として、凹部１１と凸部１２がＸ軸方向に所定ピッチで繰り返し構成されていて、Ｙ軸方向には凹部１１または凸部１２が連続していたが、図７に示した位置基準物８は、Ｘ軸方向だけでなくＹ軸方向にも凹部と凸部が所定ピッチで繰り返しで記録されており、平面的には前記所定ピッチのＸ軸座標とＹ軸座標の各交点に縦横寸法が前記所定ピッチと同じ寸法の凹部１８が形成されている。その他は（実施の形態１）と同じである。

このように凹部１８がＸ軸方向とＹ軸方向に所定ピッチで形成された位置基準物８を使用することによって、図３におけるステップＳ２の水平走査は、符号１９で示すＸ方向または符号２０で示すＹ軸方向の何れでも、超音波振動子５の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。図３におけるステップＳ２においてＹ軸方向に水平走査する場合には、図６に示した第２のアクチュエータ１６によって超音波振動子５がＹ軸方向に駆動される。

（実施の形態３）
図８は本発明の（実施の形態３）を示す。
（実施の形態１）では位置基準物８として、凹部１１と凸部１２がＸ軸方向に所定ピッチで繰り返し構成されていて、Ｙ軸方向には凹部１１または凸部１２が連続していたが、図８に示した位置基準物８は、Ｘ軸方向だけでなくＹ軸方向にも凹部と凸部が所定ピッチで繰り返しで記録されており、さらに、各凹部１８のＸ軸方向両側とＹ軸方向両側には突部２１が位置するように、Ｘ軸方向ならびにＹ軸方向に隣接する凹凸の列は、位相が９０度異なるように形成されている。その他は（実施の形態１）と同じである。

このように形成された位置基準物８を使用することによって、図３におけるステップＳ２の水平走査は、符号１９で示すＸ方向または符号２０で示すＹ軸方向の何れでも、超音波振動子５の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。図３におけるステップＳ２においてＹ軸方向に水平走査する場合には、図６に示した第２のアクチュエータ１６によって超音波振動子５がＹ軸方向に駆動される。

（実施の形態４）
図９と図１０は本発明の（実施の形態４）を示す。
（実施の形態１）では位置基準物８として、凹部１１と凸部１２がＸ軸方向に所定ピッチで繰り返し構成されていて、凹部１１の形状は位置基準物８の上面から垂直に下方に延びる垂直の側壁と平らな底面とで形成されていたが、この図９に示した位置基準物８の凹部１１は、Ｙ軸方向に延びるＶ字状の溝で形成されている。

この位置基準物８を使用した場合には、図１０（ａ）に示すように位置基準物８の上面に衝突した超音波ＵＳ１は半導体集積回路素子２を介して超音波振動子５で受信されるが、Ｖ字状の凹部１１に入った超音波ＵＳ２の反射波は、凹部１１の傾斜辺で反射されて超音波振動子５の指向性の範囲の外へ進むため、その受信信号の信号レベルは、図１０（ｂ）に示すように超音波ＵＶ１の信号レベルＬＶ１に比べて極端に低レベルのＬＶ２になる。

（実施の形態１）のステップＳ３では、ステップＳ２で水平走査した際の受信信号の送れ時間の変化が特定パターンかどうかを判定したが、この（実施の形態４）ではステップＳ２で水平走査した際の受信信号の受信信号レベルの変化が特定パターンかどうかをステップＳ３において判定する。詳しくは、凹部１１と凸部１２とで構成される１ピッチ分１ＰをＸ軸方向に走査を進めるたびに、受信信号のレベルが高レベルＬＶ１と低レベルＬＶ２とが同じ周期で繰り返し発生するかをステップＳ３で判定している。その他は（実施の形態１）と同じである。

（実施の形態５）
図１１は本発明の（実施の形態５）を示す。
（実施の形態４）の位置基準物８では、Ｙ軸方向には凹部１１または凸部１２が連続していたが、図１１に示した位置基準物８は、Ｘ軸方向だけでなくＹ軸方向にも凹部と凸部が所定ピッチで繰り返しで記録されている。その他は（実施の形態４）と同じである。

このように形成された位置基準物８を使用することによって、図３におけるステップＳ２の水平走査は、符号１９で示すＸ方向または符号２０で示すＹ軸方向の何れでも、超音波振動子５の焦点位置を、迅速に目標位置に設定できる。図３におけるステップＳ２においてＹ軸方向に水平走査する場合には、図６に示した第２のアクチュエータ１６によって超音波振動子５がＹ軸方向に駆動される。

上記の各実施の形態の位置基準物８の材質としては、例えば、ＳＵＳ，アルミニウム，銅，ガラスなどの、前記超音波における音響インピーダンスが大きな材料を挙げることができる。

（実施の形態６）
図１２は本発明の（実施の形態６）を示す。
上記の各実施の形態における位置基準物８は、隣接する区間とで音響インピーダンスが異なるよう凹部１１と凸部１２が所定ピッチで形成されていたが、図１２に示した位置基準物８は表面がフラットで、隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なるように一定ピッチで弾性係数の異なる材料で上面が形成されている。

例えば、図２に示した凹部１１と凸部１２を有する音響インピーダンスが大きな材料のブロックを成形し、このブロックの凹部１１を音響インピーダンスが小さな材料の例えばシリコンゴム２２などで埋めて構成することができる。

この（実施の形態６）の位置基準物８を用いた場合は、（実施の形態４）の場合と同じように図３のステップＳ２で水平走査した際の受信信号の受信信号レベルの変化が特定パターンかどうかをステップＳ３において判定する。その他は（実施の形態１）と同じである。

図７または図８の凹部１８を同様に、超音波に対する音響インピーダンスが小さな材料の例えばシリコンゴムなどで埋めて位置基準物８を構成することもできる。
上記の各実施の形態では、位置基準物８を固定側にして、これに対して超音波振動子５をＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に駆動したが、超音波振動子５を固定側にして、これに対して位置基準物８をＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に駆動したり、超音波振動子５ と位置基準物８との間隔を小さくする場合に、位置基準物８を上昇させると共に超音波振動子５下降させたり、超音波振動子５ と位置基準物８との間隔を大きくする場合に、位置基準物８を下降させると共に超音波振動子５上昇させたり、水平走査する場合に、超音波振動子５ を位置基準物８とは反対方向に移動させたりして実施することもでき、何れの場合も超音波振動子５と位置基準物８をＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向に相対移動させて実行すると言える。

上記の各実施の形態では検査対象としての半導体集積回路素子２のパッケージが、ＢＧＡで、半導体集積回路素子２の裏面に設けられているボール電極１０の高さの誤差による影響を回避することを目的としてスペーサ９を使用したが、パッケージがＬＧＡ（Land Grid Array）等の場合には位置基準物８の上に直接に配置して実行しても同様に実施できる。

本発明によると、実装済みの配線基板の品質検査を迅速に実現でき、各種電子機器の品質の向上に寄与できる。

本発明の（実施の形態１）の超音波検査方法の工程図 同実施の形態で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 同実施の形態で使用する超音波検査装置における制御装置のフローチャート図 ステップＳ２とステップＳ３の説明図 ステップＳ４の説明図 超音波検査装置の構成図 本発明の（実施の形態２）で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 本発明の（実施の形態３）で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 本発明の（実施の形態４）で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 同実施の形態のステップＳ２とステップＳ３の説明図 本発明の（実施の形態５）で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 本発明の（実施の形態６）で使用する位置基準物の一部の拡大斜視図 従来の超音波検査方法の工程図

符号の説明

２ 半導体集積回路素子（検査対象）
３ 超音波伝達媒体
４ 媒体槽
５ 超音波振動子
８ 位置基準物
９ スペーサ
１１ 凹部
１２ 凸部
１３ 制御装置
１４ 超音波振動子５の送受信信号
１５ 第１のアクチュエータ
１６ 第２のアクチュエータ
１７ スペーサ
１８ 凹部
２１ 突部
２２ シリコンゴム（音響インピーダンスが小さな材料）

Claims (6)

1. 超音波振動子から検査対象に向けて超音波を送信し、検査対象の内部で反射した反射波を前記超音波振動子で受信して検査対象の内部を検査するに際し、
   隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なる平面パターンが記録された位置基準物の上に検査対象を配置し、
   前記超音波振動子から検査対象を介して前記位置基準物に向けて超音波を送信し、受信すると共に、前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査し、
   前記水平走査によって前記超音波振動子の受信信号が前記位置基準物の平面パターンか判別し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信するまで、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子と前記位置基準物の距離を変更して前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査することを繰り返し、
   前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信すると前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子の受信信号の変化から、前記超音波振動子の送受信の焦点が前記位置基準物の上面に一致した前記超音波振動子と前記位置基準物との相対位置を特定し、
   検査対象の内部の検査層と前記位置基準物の上面との既知の距離だけ前記特定した位置から、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて、前記超音波振動子の送受信の焦点を前記検査対象の内部の検査位置に一致させる
   超音波検査方法。
2. 位置基準物は、隣接する区間とで前記超音波に対する音響インピーダンスが異なるよう凹凸が形成されている
   請求項１記載の超音波検査方法。
3. 位置基準物は、隣接する区間とで前記超音波に対する音響インピーダンスが異なるよう弾性係数の異なる材料で形成されている
   請求項１記載の超音波検査方法。
4. 前記超音波振動子を水平走査した時々の位置での受信信号の遅れ時間差から前記平面パターンを検出する
   請求項２記載の超音波検査方法。
5. 前記超音波振動子を水平走査した時々の位置での受信信号の強度差から前記平面パターンを検出する
   請求項３記載の超音波検査方法。
6. 超音波振動子の送受信の焦点位置を検査対象の内部の特定位置に設定する超音波検査装置であって、
   隣接する区間とで超音波に対する音響インピーダンスが異なる平面パターンが記録され検査対象を介在して前記超音波振動子とは反対側に配設された位置基準物と、
   前記位置基準物の形状などの既知の情報がプログラムされ前記超音波振動子の送受信信号を入力信号とし前記超音波振動子の移動量を計算する制御装置と、
   前記制御装置の出力によって前記超音波振動子をＺ軸方向へ駆動する第１のアクチュエータと、
   前記制御装置の出力によって前記超音波振動子をＸ軸方向またはＹ方向へ駆動する第２のアクチュエータと
   を設け、前記制御装置を、
   前記超音波振動子から検査対象を介して前記位置基準物に向けて超音波を送信し、受信すると共に、前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査し、
   前記水平走査によって前記超音波振動子の受信信号が前記位置基準物の平面パターンか判別し、前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信するまで、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子と前記位置基準物の距離を変更して前記位置基準物における前記隣接する区間を通過する方向に超音波振動子を水平走査することを繰り返し、
   前記位置基準物の平面パターンからの反射信号を受信すると前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて前記超音波振動子の受信信号の変化から、前記超音波振動子の送受信の焦点が前記位置基準物の上面に一致した前記超音波振動子と前記位置基準物との相対位置を特定し、
   検査対象の内部の検査層と前記位置基準物の上面との既知の距離だけ前記特定した位置から、前記超音波振動子と前記位置基準物を相対移動させて、前記超音波振動子の送受信の焦点を前記検査対象の内部の検査位置に一致させるよう構成した
   超音波検査装置。

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