JP2008047971A - Array-type ultrasonic probe and flaw detecting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波の送受信を行うアレイ型の超音波探触子に関し、特に、３００℃以上の耐熱性を有するアレイ型の超音波探触子に関するものである。 The present invention relates to an array-type ultrasonic probe that transmits and receives ultrasonic waves, and particularly relates to an array-type ultrasonic probe having heat resistance of 300 ° C. or higher.
従来、発電プラントや化学プラントで使用している高温部材の健全性を評価する超音波検査は、そのプラントの定期検査期間中に検査対象部温度を検査可能温度に低下させるかあるいは低下するのを見はからって実施している。しかし、最近検査効率向上の観点から、プラント稼働時に高温環境下で随時検査したり、高温環境下に超音波センサを設置し長期に亘り連続して対象物の変化を監視（モニタリング）したいとの要望が高まっている。 Conventionally, ultrasonic inspection for evaluating the soundness of high-temperature components used in power plants and chemical plants is to reduce or decrease the temperature of the inspection target part to an inspectable temperature during the periodic inspection period of the plant. We are looking at it. However, recently, from the viewpoint of improving inspection efficiency, it is necessary to inspect at any time in a high temperature environment when the plant is operating, or to install an ultrasonic sensor in a high temperature environment to continuously monitor (monitor) changes in the object over a long period of time. The demand is growing.
常温で使用する単一型（素子が一枚）及びアレイ型（素子が複数）の超音波探触子の構造は、超音波振動子と該超音波振動子の超音波送信面に備える前面部材（保護板）とをエポキシ樹脂などで接着している。また、超音波振動子の背面（超音波送信面の反対側の面）には、超音波振動子の振動をできるだけ早く制動して波数を少なくするためのバッキング材が施されている。このバッキング材も前記と同様のエポキシ樹脂などに金属粉末を混合した物を使用し、超音波の減衰を高めている。特にアレイ型では、大きな面積の超音波振動子と該超音波振動子の超音波送信面に備える前面部材（保護板）とをエポキシ樹脂などで接着した後に、アレイ状（短冊状）に機械的に切断するか、あるいは電極のみをアレイ状にしている。 The structure of single-type (single element) and array-type (multiple elements) ultrasonic probes used at room temperature includes an ultrasonic transducer and a front member provided on the ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer (Protective plate) is bonded with epoxy resin. In addition, a backing material for reducing the wave number by braking the vibration of the ultrasonic transducer as soon as possible is provided on the back surface of the ultrasonic transducer (the surface opposite to the ultrasonic transmission surface). This backing material also uses a material obtained by mixing a metal powder in the same epoxy resin as described above to enhance the attenuation of ultrasonic waves. In particular, in the array type, an ultrasonic transducer having a large area and a front member (protection plate) provided on the ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer are bonded with an epoxy resin and then mechanically arranged in an array (strip shape). Or only the electrodes are arrayed.
前述した、常温で使用する単一型及びアレイ型超音波探触子の使用温度上限はせいぜい８０℃程度である。これは、振動子と前面部材との接着にエポキシ樹脂を使用しているためで、これ以上の温度では接着面が剥がれ超音波の送受信ができなくなる。 The upper limit of the use temperature of the above-described single-type and array-type ultrasonic probes used at room temperature is about 80 ° C. at most. This is because an epoxy resin is used for bonding between the vibrator and the front member, and at a temperature higher than this, the bonding surface peels off and ultrasonic waves cannot be transmitted / received.
そこで、高温環境下で使用可能な耐熱性の単一型超音波探触子が従来技術として提案されている（例えば、特許文献１，２，３を参照）。この耐熱型の超音波探触子においては、例えば、特許文献１によると、振動子と前面板とをロウ材で接合しており５００℃以上の耐熱性を有しているとしている。また、特許文献２によると、振動子と前面部材とをはんだで接合しており良好な感度を得ていて耐熱温度は２５０℃としている。さらに、引用文献３によると、Ｚｎ−Ａｌ系のはんだ合金を用いて振動子と前面部材を接合し、耐熱温度を３００℃以上としている。
Therefore, a heat-resistant single-type ultrasonic probe that can be used in a high-temperature environment has been proposed as a conventional technique (see, for example,
また、電子機器のモジュール実装に用いられる高温系はんだについてのはんだ接続の手法が、例えば、特許文献４に提案されている。これによると、ＣｕボールとＳｎボールを有するはんだを用いてＣｕボール同士が金属間化合物により結合されることが開示されている。
しかしながら、従来技術に示されたロウ材を用いて接合するアレイ型探触子では大きな面積の素子を接合し、その後に切断する必要があり、例えば、耐熱性のアレイ型探触子に使用する振動子を、接合した後に切断する製作法によると、接合時の温度を５００〜６００℃前後と高い温度で接合した場合には、超音波振動子と前面部材の材質によっては、その熱膨張係数の差により振動子が割れたり剥がれたりすることがあり、接合の歩留まりが低下することが考えられる。 However, in an array type probe that is bonded using a brazing material shown in the prior art, it is necessary to bond elements of a large area and then cut them. For example, it is used for a heat resistant array type probe. According to the manufacturing method in which the vibrator is cut after being joined, when the joining temperature is as high as about 500 to 600 ° C., the thermal expansion coefficient depends on the material of the ultrasonic vibrator and the front member. It is considered that the vibrator may be cracked or peeled off due to the difference in bonding, and the yield of bonding is reduced.
また、素子が割れずに接合されて、素子がアレイ状に切断できたとしても、各短冊状の素子に信号線を接続する場合に、この信号線接続部も耐熱性が必要であり、素子と前面部材を接合した方法で信号線を接合しようとすると、同じく高い温度に加熱する必要があり、先の素子と前面部材の接合の信頼性が損なわれることも考えられる。 In addition, even if the elements are joined without being broken and the elements can be cut into an array, when connecting a signal line to each strip-shaped element, the signal line connection portion also needs to have heat resistance. When the signal line is to be joined by the method of joining the front member and the front member, it is necessary to heat the same to a high temperature, and the reliability of joining the previous element and the front member may be impaired.
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、耐熱温度が３００℃以上で超音波振動子と前面部材との接合の歩留まりが良く、かつ信号線を安全に接続できる構成のアレイ型超音波探触子を提供することにある。 The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a structure in which the heat resistance is 300 ° C. or higher, the yield of bonding between the ultrasonic transducer and the front member is good, and the signal line can be safely connected. An object is to provide an array-type ultrasonic probe.
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
複数の超音波振動子を備えたアレイ型探触子において、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子の超音波送信面に設けられる前面部材との第一の接合と、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子にそれぞれ接続する信号線との第二の接合とをロウ材またははんだを用いて行い、前記第二の接合に用いるロウ材又ははんだは、前記第一の接合に用いるロウ材又ははんだよりも融点が低いはんだであるアレイ型超音波探触子。
In order to solve the above problems, the present invention mainly adopts the following configuration.
In an array-type probe including a plurality of ultrasonic transducers, a first joint between the plurality of ultrasonic transducers and a front member provided on an ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer; The second bonding of the ultrasonic transducer and the signal line connected to the ultrasonic transducer is performed using a brazing material or solder, and the brazing material or solder used for the second bonding is the first bonding An array type ultrasonic probe which is a solder having a melting point lower than that of a brazing material or solder used for bonding.
また、複数の超音波振動子を備えたアレイ型探触子において、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子の超音波送信面に設けられる前面部材との第一の接合と、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子にそれぞれ接続する信号線との第二の接合とを同一のロウ材またははんだを用いて行い、前記第二の接合は、前記第一の接合に対して経時的に処理されたものであるアレイ型超音波探触子。 Further, in an array-type probe including a plurality of ultrasonic transducers, a first joint between the plurality of ultrasonic transducers and a front member provided on an ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer, The second bonding of the plurality of ultrasonic transducers and the signal lines connected to the ultrasonic transducers is performed using the same brazing material or solder, and the second bonding is performed on the first bonding. In contrast, an array-type ultrasonic probe that has been processed over time.
また、前記アレイ型超音波探触子において、前記第一の接合に用いるロウ材又ははんだは、融点が３８２度のＺｎ−Ａｌ系はんだであり、前記第二の接合に用いるロウ材又ははんだは、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだより融点が低いＳｎ系の鉛フリーはんだに金属ボールを含むはんだであるアレイ型超音波探触子。 In the array-type ultrasonic probe, the brazing material or solder used for the first joining is a Zn-Al solder having a melting point of 382 degrees, and the brazing material or solder used for the second joining is An array-type ultrasonic probe, which is a Sn-based solder having a melting point lower than that of the Zn-Al solder, including a metal ball.
また、前記アレイ型超音波探触子において、前記複数の超音波振動子はニオブ酸リチウム素子のＸカット素子又はＹカット素子であり、前記超音波振動子の前記Ｘカット素子又は前記Ｙカット素子の一方の軸方向と前記一方の軸方向と直交する方向の軸方向のそれぞれの熱膨張係数のうちで熱膨張係数が大きい方向を短軸方向にし、熱膨張係数が小さい方向を長軸方向にして、前記矩形状又は前記短冊状の超音波振動子に切断し、前記切断した前記矩形状又は前記短冊状の超音波振動子を前記前面部材に接合するものであるアレイ型超音波探触子。 In the array-type ultrasonic probe, the plurality of ultrasonic transducers are X-cut elements or Y-cut elements of lithium niobate elements, and the X-cut elements or Y-cut elements of the ultrasonic transducers Of the thermal expansion coefficients in the axial direction of one axial direction and the direction perpendicular to the one axial direction, the direction with the larger thermal expansion coefficient is the minor axis direction, and the direction with the smaller thermal expansion coefficient is the major axis direction. An array-type ultrasonic probe that cuts into the rectangular or strip-like ultrasonic transducer and joins the cut rectangular or strip-like ultrasonic transducer to the front member. .
本発明によると、超音波振動子と前面部材との第一の接合と超音波振動子と信号線との第二の接合における接合部の耐熱性と信頼性を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to ensure the heat resistance and reliability of the joint in the first joint between the ultrasonic vibrator and the front member and the second joint between the ultrasonic vibrator and the signal line.
また、耐熱性と信頼性を確保すると同時に、接合時の熱歪みによる振動子の割れや剥離を防止し、接合の信頼性や歩留まりを向上することができる。 In addition, heat resistance and reliability can be ensured, and at the same time, the vibrator can be prevented from cracking or peeling due to thermal strain during bonding, and the reliability and yield of bonding can be improved.
本発明の実施形態に係るアレイ型超音波探触子について、図１〜図９を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係るアレイ型超音波探触子における超音波振動子と金属製前面部材との接合と超音波振動子と信号線との接合とを示す断面図である。図２は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子における超音波振動子と信号線の接合面に制動効果用のバッキング材を設けることを示す断面図である。図３は従来技術に関する超音波振動子と前面部材との接合状態を説明する図である。図４は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子における超音波振動子と金属製前面部材との接合手順の具体例を示す図である。図５は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子における超音波振動子と信号線との接合手順の具体例を示す図である。 An array-type ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing bonding of an ultrasonic transducer and a metal front member and bonding of an ultrasonic transducer and a signal line in an array-type ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing that a backing material for a braking effect is provided on the joint surface between the ultrasonic transducer and the signal line in the array-type ultrasonic probe according to the present embodiment. FIG. 3 is a view for explaining a joining state of the ultrasonic transducer and the front member relating to the conventional technology. FIG. 4 is a diagram showing a specific example of a joining procedure between the ultrasonic transducer and the metal front member in the array-type ultrasonic probe according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a specific example of a procedure for joining the ultrasonic transducer and the signal line in the array-type ultrasonic probe according to the present embodiment.
また、図６は本実施形態に関する超音波振動子と信号線との接合における、金属ボールとＳｎ系鉛フリーはんだボールによるはんだ溶融課程を説明する図である。図７は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子をケースに収納した状態を示す図である。図８は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子を斜角探傷に適するようにケースに収納した状態を示す図である。図９は本実施形態に係るアレイ型超音波探触子を高温部材の探傷に適用した探傷装置の全体構成を示す図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining a solder melting process using a metal ball and a Sn-based lead-free solder ball in the joining of the ultrasonic transducer and the signal line according to this embodiment. FIG. 7 is a view showing a state in which the array type ultrasonic probe according to the present embodiment is housed in a case. FIG. 8 is a view showing a state in which the array-type ultrasonic probe according to the present embodiment is housed in a case so as to be suitable for oblique flaw detection. FIG. 9 is a diagram showing an overall configuration of a flaw detection apparatus in which the array type ultrasonic probe according to the present embodiment is applied to flaw detection of a high temperature member.
図１において、超音波は超音波振動子１からＡ側（矢印）の方向に送受信される。板状のニオブ酸リチウム素子からなる超音波振動子１は両面に金属の電極６ａ，６ｂを備えている。また、超音波振動子１の電極６ｂとチタン材からなる前面部材２は、例えば、融点３８２℃のＺｎ−Ａｌ合金（組成Ｚｎ−９５％、Ａｌ−５％の共晶はんだ合金）３で接合している。さらに、各超音波振動子１の電極６ａには、信号線５が、融点が２３２℃のＳｎ系鉛フリーはんだ４で接合している。
In FIG. 1, ultrasonic waves are transmitted and received from the
接合は、まず、超音波振動子であるニオブ酸リチウム素子の３６Ｙカットを短冊状に切断する。ニオブ酸リチウム素子は単結晶で、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向の結晶軸を持ち、熱膨張係数は、Ｘ，Ｙ軸方向が１５×１０−６/℃、Ｚ軸方向が２〜７×１０−６/℃である。従って、３６Ｙカット素子は、３６度のＹ軸に垂直な面で切出しているので、３６Ｙカット素子の一方の軸（縦軸）がＺ軸方向であり、熱膨張係数は２〜７×１０−６/℃、また、３６Ｙカット素子の一方の軸と直交する方向の軸（横軸）はＸ軸方向であって熱膨張係数は１５×１０−６/℃となり、３６Ｙカット素子の一方の軸方向（縦方向）とこの一方の軸と直交する方向の軸方向（横方向）とで熱膨張係数は２〜３倍異なることになる。 For joining, first, a 36Y cut of a lithium niobate element, which is an ultrasonic transducer, is cut into strips. The lithium niobate element is a single crystal and has crystal axes in three directions of X, Y, and Z. The thermal expansion coefficient is 15 × 10 −6 / ° C. in the X and Y axis directions and 2 to 7 × in the Z axis direction. 10-6 / ° C. Therefore, since the 36Y cut element is cut out by a plane perpendicular to the Y-axis of 36 degrees, one axis (vertical axis) of the 36Y cut element is the Z-axis direction, and the thermal expansion coefficient is 2-7 × 10−. 6 / ° C., and the axis (horizontal axis) perpendicular to one axis of the 36Y cut element is the X axis direction, and the thermal expansion coefficient is 15 × 10 −6 / ° C., and one axis of the 36Y cut element The thermal expansion coefficient differs by 2 to 3 times between the direction (longitudinal direction) and the axial direction (lateral direction) perpendicular to the one axis.
次に、超音波振動子１と前面部材２とを、融点３８２℃のＺｎ−Ａｌ系のはんだ合金３で接合するのであるが、ここで、図３に示すような従来の常温用アレイ製作法のように大きな３６Ｙカットのニオブ酸リチウム素子１００を前面部材に接合してからアレイ状に切断しようとすると、接合の時点で前述した縦方向及び横方向の熱膨張係数の差により素子に割れ１０１が入る恐れがある。
Next, the
本発明の実施形態では、予め短冊状に素子を切断し、それを配列して接合する様にした。すなわち、図４に示す様に、前面部材２に融点３８２℃のＺｎ−Ａｌ系のはんだ合金３を載せる。その上に、複数の超音波振動子１を重ね、約数ｋｇ／ｃｍ２程度の重り８で加圧しながら全体を４００℃程度に加熱する。超音波振動子１と前面部材２の間のはんだが溶融後、加熱を停止し全体を冷却する。
In the embodiment of the present invention, the elements are cut into strips in advance, and are arranged and joined. That is, as shown in FIG. 4, a Zn—
次に、信号線５の取付作業を行う。信号線５は、図５に示すように、配列した超音波振動子の数とアース用信号線の本数を信号線固定治具９ａ，９ｂにネジ１０により挿み込み、各信号線の先端が超音波振動子１の上面に接する高さになる様に固定する。超音波振動子１と信号線５の接触部分１１に、銅ボールと鉛フリーはんだボール（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）をフラックスで混合したはんだ（ペースト状）を塗布し、これら全体をＳｎが溶融する温度の２３２℃以上に加熱する。この時、先に（以前に）接合した超音波振動子１と前面部材２のＺｎ−Ａｌ系のはんだ合金３の溶融温度は、Ｓｎ系鉛フリーはんだにＣｕボールを含むはんだよりも高い３８２℃で有るため、前面部材の接合部には全く影響を与えない。
Next, the
図６に銅ボールと鉛フリーはんだボールを混合したはんだの溶融時の挙動を示す（その詳細は前記の特許文献４に記載している通りである）。図６の（１）で、銅ボール２００と鉛フリーはんだボール２０１が加熱され、接合部の温度が２３２℃に達するとＳｎが溶融する。図６の（２）で、銅ボールの周囲は、溶融したＳｎが広がり、銅とＳｎとの金属間化合物２０２が形成される。図６の（３）で、金属間化合物２０２の形成が進み、これら金属間化合物２０２同士が互いに連結する。これにより、超音波振動子１と信号線５は結合される（信号線の表面にも金属間化合物が形成されてこの金属間化合物と混合はんだの金属間化合物とが互いに連結されることで信号線が結合されることとなる）。そして、金属間化合物の溶融温度は４００℃以上であり、一度結合すると４００℃までは結合が保持される。
FIG. 6 shows the behavior at the time of melting of the solder in which the copper ball and the lead-free solder ball are mixed (the details are as described in Patent Document 4). In FIG. 6 (1), when the
従って、信号線結合で用いられるはんだでは、別途、銅ボールと鉛フリーはんだボールを混合したはんだを用いて別の部位の接合作業を行う場合にも、先に銅ボールと鉛フリーはんだボールを混合したはんだで接合した部分に影響を与えることなく、新たな別の部品を接合する温度階層接合（全てを同時に接合せず、各素子と配線とを別々に（経時的に）接合すること）が可能である。また、Ｓｎ系鉛フリーはんだにＣｕボールを含むはんだを用いて、第一と第二の接合を行う際に、信号線配線を別々に（経時的に）ではなくて同時に接合する場合には、第二接合の信号線を先に接合し、その後、第一接合の前面部材を接合しても良い（第二接合における金属間化合物の溶融温度は４００℃であり、第一接合のＳｎ溶融は２３２℃であるから）。 Therefore, in the case of solder used for signal line connection, even when soldering a different part using a mixture of copper balls and lead-free solder balls, the copper balls and lead-free solder balls are mixed first. Temperature hierarchical joining (joining each element and wiring separately (over time) without joining them all at the same time) to join another new part without affecting the soldered part. Is possible. In addition, when the first and second bonding is performed using the Sn-based lead-free solder including the Cu ball, when the signal line wiring is bonded at the same time instead of separately (over time), The signal wire of the second bonding may be bonded first, and then the front member of the first bonding may be bonded (the melting temperature of the intermetallic compound in the second bonding is 400 ° C., the Sn melting of the first bonding is Because it is 232 ° C).
以上の説明で、第一と第二の接合において上述したようなはんだを用いることを記述したが、別のロウ材であっても良い。また、Ｓｎ系の鉛フリーはんだボールは、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのはんだボールであり、金属ボールは例えばＣｕ、Ａｇ、またはＮｉであってもよい（Ｓｎと金属ボールとが化学反応して図６の（３）に示すような金属間化合物ができる金属であればよい）。 In the above description, it has been described that the solder as described above is used in the first and second joining, but another brazing material may be used. In addition, the Sn-based lead-free solder ball is, for example, a solder ball of Sn, Sn—Ag, Sn—Cu, or Sn—Ag—Cu, and the metal ball may be, for example, Cu, Ag, or Ni. (As long as Sn and a metal ball chemically react to form an intermetallic compound as shown in FIG. 6 (3)).
図２は、信号線５を接続した超音波振動子１の面に、信号線５の固定と超音波振動子１の制動効果を得るためのバッキング材１２を備えた図である。バッキング材１２は、耐熱有機接着剤（例えば、商品名：Ｄｕｒａｌｃｏ ４７００ＨＴ、耐熱性：３４３℃、製造元：Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ＵＳＡ ）あるいは耐熱無機接着剤（例えば、商品名：セラマボンド、製造元：ＡＲＥＭＵＣＯ ＰＲＯＤＵＣＴＳ ＩＮＣ．、ＵＳＡ）にタングステンあるいは酸化タングステンなどの重密度金属粉を混合したもの等が有る。
FIG. 2 is a diagram in which a backing material 12 for securing the
図７は、超音波振動子１と前面部材２と信号線５から成るアレイユニットを金属製のケース１３に納め、上部の端子板１４を介して耐熱性ケーブル１５を接続した耐熱性のアレイ型探触子である。端子板１４は金属あるいはセラミックス等の耐熱材料であり、ケーブルもＭＩケーブル（例えば、銅導体を酸化マグネシウムと銅シースで被覆したもの）、耐熱性熱電対ケーブル（例えば、ガラス繊維被覆）、あるいは耐熱性同軸ケーブル（例えば、カプトン被覆）を用いる。
FIG. 7 shows a heat-resistant array type in which an array unit composed of an
また、図８に示すように前面部材１６は斜角探傷に好都合なクサビ状とすることもできる。金属製ケース１３は前面部材２と機械的、電気的に接続するが本実施形態ではネジ止め１８で接続している。また、金属製ケース１３から端子板１４を介して引き出したケーブル１５は、その環境がケーブル１５の耐熱温度３００℃程度以下になる所まで引き出され超音波送受信装置に接続する。
Further, as shown in FIG. 8, the
図９は、本発明のアレイ型探触子を用いて高温部材３０３を探傷している図である。アレイ型超音波探触子と、アレイ型探触子を駆動するとともに探傷した超音波信号を受信する超音波送受信部３００と、超音波の送受信の遅延時間を制御する遅延時間制御処理部３０１と、探傷のデータを表示・記録する探傷データ記録・表示部３０２とを備えている。
FIG. 9 is a view in which a high temperature member 303 is detected using the array type probe of the present invention. An array-type ultrasonic probe, an ultrasonic transmission /
以上説明したように、短冊状の超音波振動子と前面部材とをＺｎ−Ａｌはんだ合金（融点が３８２℃）で接合すれば、接合時の割れや剥離が発生しないため高温真空炉等の特別な装置を使用することなく、歩留まり良くしかも安価で容易に３００℃耐熱のアレイ型の超音波探触子を製作できる。また、短冊状の各超音波振動子に接続する信号線を銅ボールと鉛フリーはんだボールを混合したはんだで接合すれば、先に接合した超音波振動子と前面部材との接合部にダメージを与えることなく容易に接続ができる。また、本実施形態のアレイ型探触子を用いれば、３００℃の高温部材を容易に検査することができる。 As described above, if the strip-shaped ultrasonic vibrator and the front member are joined with a Zn—Al solder alloy (melting point is 382 ° C.), cracking and peeling at the time of joining do not occur. Without using a simple apparatus, it is possible to easily manufacture an array-type ultrasonic probe having a high heat resistance and a heat resistance of 300 ° C. without increasing the yield. In addition, if the signal line connected to each strip-shaped ultrasonic transducer is bonded with a mixture of copper balls and lead-free solder balls, damage will be caused to the bonded portion between the previously bonded ultrasonic transducer and the front member. Easy connection without giving. Moreover, if the array type probe of this embodiment is used, a 300 degreeC high temperature member can be test | inspected easily.
このように、本発明の実施形態では、アレイ型の超音波探触子の耐熱性を確保し接合の信頼性、歩留まりを向上するという目的を、ニオブ酸リチウム素子とチタン材（前面部材）との第一の接合をＺｎ−Ａｌ系のはんだ合金で接合し、超音波振動子とリード線との第二の接合を、第一の接合に用いたはんだより融点が低い金属ボールを含むＳｎ系鉛フリーはんだで接合することで実現することができる。また、短冊状のニオブ酸リチウム素子は、縦方向及び横方向のそれぞれの熱膨張係数のうち、熱膨張係数が大きい方向を短軸方向に、また、熱膨張係数が小さい方向を長軸方向にして予め短冊状に切断し、その後、前面部材と接合している。 As described above, in the embodiment of the present invention, the purpose of ensuring the heat resistance of the array-type ultrasonic probe and improving the reliability and yield of bonding is to use a lithium niobate element and a titanium material (front member). Sn-based solder alloys including a metal ball having a melting point lower than that of the solder used for the first bonding is bonded to the ultrasonic transducer and the lead wire. It can be realized by joining with lead-free solder. In addition, the strip-shaped lithium niobate element has a longitudinal direction and a lateral direction thermal expansion coefficient in which the direction with the larger thermal expansion coefficient is the minor axis direction, and the direction with the smaller thermal expansion coefficient is the major axis direction. Are cut into strips in advance, and then joined to the front member.
本実施形態に係るアレイ型超音波探触子は、常温から３００℃程度の高温環境下まで広く利用可能で、特に原子力、化学プラントなどに設置した高温部位の異常監視用アレイ型センサとして利用可能である。 The array-type ultrasonic probe according to the present embodiment can be widely used from a room temperature to a high-temperature environment of about 300 ° C., and can be used as an array-type sensor for monitoring abnormalities of a high-temperature site installed particularly in a nuclear power plant or a chemical plant. It is.
以上説明したように、本発明の実施形態に係るアレイ型超音波探触子は、次のような構成と作用効果を奏することを特徴とするものである。すなわち、超音波振動子と金属板との第一の接合をはんだ合金を介して接合し、その後、前記はんだより融点が低いはんだで第二の接合である超音波振動子とリード線を接合し、接合部の耐熱性と信頼性を得ている。また、前記はんだとして、融点が３８２度のＺｎ−Ａｌ系はんだと、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだより融点が低いＳｎ系の鉛フリーはんだに金属ボールを含むはんだの、２種類の内の後者のはんだか、または両方を用いて接合し、接合部の耐熱性と信頼性を得ている。 As described above, the array-type ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention is characterized by having the following configuration and operational effects. That is, the first joint between the ultrasonic vibrator and the metal plate is joined via a solder alloy, and then the ultrasonic vibrator and the lead wire, which are the second joint, are joined with a solder having a melting point lower than that of the solder. , Has obtained heat resistance and reliability of the joint. Further, as the solder, the latter of the two types of solders, that is, a Zn-Al solder having a melting point of 382 degrees and a Sn-based lead-free solder having a melting point lower than that of the Zn-Al solder and a solder containing metal balls. Or both are used to obtain the heat resistance and reliability of the joint.
また、複数の超音波振動子は、短冊状のニオブ酸リチウム素子のＸカット素子、もしくはＹカット素子であり、また、前面部材は金属であり、前記短冊状の超音波振動子の縦方向及び横方向のそれぞれの熱膨張係数のうち、熱膨張係数が大きい方向を短軸方向に、また熱膨張係数が小さい方向を長軸方向にして予め短冊状に切断し、その後前記前面部材と接合したことにより、耐熱性を確保すると同時に、接合時の熱歪みによる振動子の割れや剥離を防止し、接合の信頼性や歩留まりを向上している。また、Ｓｎ系の鉛フリーはんだはボール状であり、金属ボールは、前記Ｓｎ系の鉛フリーはんだより融点が高い金属であり、また、前面部材はチタン材を用いることにより、耐熱性を確保すると同時に、接合時の熱歪みによる振動子の割れや剥離を防止し、接合の信頼性や歩留まりを向上している。 Further, the plurality of ultrasonic vibrators are X-cut elements or Y-cut elements of a strip-shaped lithium niobate element, and the front member is metal, and the longitudinal direction of the strip-shaped ultrasonic vibrator and Of the respective thermal expansion coefficients in the lateral direction, a direction having a larger thermal expansion coefficient is set to a short axis direction, and a direction having a small thermal expansion coefficient is set to a long axis direction, and then cut into a strip shape, and then joined to the front member. As a result, heat resistance is ensured, and at the same time, the vibrator is prevented from cracking or peeling due to thermal strain during bonding, and the reliability and yield of bonding are improved. The Sn-based lead-free solder is ball-shaped, the metal ball is a metal having a melting point higher than that of the Sn-based lead-free solder, and the front member is made of a titanium material to ensure heat resistance. At the same time, the resonator is prevented from cracking and peeling due to thermal distortion during bonding, and the reliability and yield of bonding are improved.
また、Ｓｎ系の鉛フリーはんだボールは、例えばＳｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕのはんだボールであり、金属ボールは例えばＣｕ、Ａｇ、Ｎｉを用いることにより、耐熱性を確保すると同時に、接合時の熱歪みによる振動子の割れや剥離を防止し、接合の信頼性や歩留まりを向上している。 In addition, Sn-based lead-free solder balls are, for example, Sn, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu solder balls, and metal balls are made of heat resistance by using, for example, Cu, Ag, Ni. At the same time, it prevents cracking and peeling of the vibrator due to thermal distortion during bonding, improving the reliability and yield of bonding.
１ 超音波振動子
２ 前面部材
３ Ｚｎ−Ａｌはんだ合金
４ａ，４ｂ 金属ボールとＳｎ系鉛フリーはんだボールによるはんだ
５ 信号線
６ａ，６ｂ 電極
８ 重り
９ａ，９ｂ 固定治具
１０ 固定ネジ
１１ 信号線接合部
１２ バッキング材
１３ 金属製ケース
１４ 端子板
１５ ケーブル
１６ 斜角シュー
１７ 信号線中継部
１８ ケース固定ネジ
１００ 大面積の超音波振動子
１０１ 割れ
２００ 銅ボール
２０１ Ｓｎ系の鉛フリーはんだボール
２０２ 金属間化合物
３００ 超音波送受信部
３０１ 遅延時間制御処理部
３０２ 探傷データ記録・表示部
３０３ 高温部材
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子の超音波送信面に設けられる前面部材との第一の接合と、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子にそれぞれ接続する信号線との第二の接合とをロウ材またははんだを用いて行い、
前記第二の接合に用いるロウ材又ははんだは、前記第一の接合に用いるロウ材又ははんだよりも融点が低いはんだである
ことを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In an array type probe with multiple ultrasonic transducers,
A first joint between the plurality of ultrasonic transducers and a front member provided on an ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer, and signal lines connected to the plurality of ultrasonic transducers and the ultrasonic transducer, respectively. And the second joining with the soldering material or solder,
The brazing material or solder used for the second joining is a solder having a melting point lower than that of the brazing material or solder used for the first joining.
前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子の超音波送信面に設けられる前面部材との第一の接合と、前記複数の超音波振動子と前記超音波振動子にそれぞれ接続する信号線との第二の接合とを同一のロウ材またははんだを用いて行い、
前記第二の接合は、前記第一の接合に対して経時的に処理されたものである
ことを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In an array type probe with multiple ultrasonic transducers,
A first joint between the plurality of ultrasonic transducers and a front member provided on an ultrasonic transmission surface of the ultrasonic transducer, and signal lines connected to the plurality of ultrasonic transducers and the ultrasonic transducer, respectively. And the second bonding with the same brazing material or solder,
The array-type ultrasonic probe characterized in that the second bonding is processed over time with respect to the first bonding.
前記第一の接合に用いるロウ材又ははんだは、融点が３８２度のＺｎ−Ａｌ系はんだであり、
前記第二の接合に用いるロウ材又ははんだは、前記Ｚｎ−Ａｌ系はんだより融点が低いＳｎ系の鉛フリーはんだに金属ボールを含むはんだである
ことを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In claim 1,
The brazing material or solder used for the first bonding is a Zn-Al solder having a melting point of 382 degrees,
The array-type ultrasonic probe, wherein the brazing material or solder used for the second bonding is a solder containing a metal ball in Sn-based lead-free solder having a melting point lower than that of the Zn-Al solder.
前記第一と前記第二の接合に用いるロウ材又ははんだは、Ｓｎ系の鉛フリーはんだに金属ボールを含むはんだであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In claim 2,
The array-type ultrasonic probe according to claim 1, wherein the brazing material or solder used for the first and second joining is a solder containing a metal ball in Sn-based lead-free solder.
前記Ｓｎ系の鉛フリーはんだはボール状であり、前記金属ボールは前記Ｓｎ系の鉛フリーはんだより融点が高い金属であり、前記前面部材はチタン材である
ことを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In claim 3 or 4,
The Sn-based lead-free solder is ball-shaped, the metal ball is a metal having a melting point higher than that of the Sn-based lead-free solder, and the front member is a titanium material. Tentacles.
前記Ｓｎ系の鉛フリーはんだボールは、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのはんだボールであり、前記金属ボールはＣｕ、Ａｇ、又はＮｉであることを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In claim 5,
The Sn-based lead-free solder balls are Sn, Sn-Ag, Sn-Cu, or Sn-Ag-Cu solder balls, and the metal balls are Cu, Ag, or Ni. Type ultrasonic probe.
前記複数の超音波振動子はニオブ酸リチウム素子のＸカット素子又はＹカット素子であり、
前記超音波振動子の前記Ｘカット素子又は前記Ｙカット素子の一方の軸方向と前記一方の軸方向と直交する方向の軸方向のそれぞれの熱膨張係数のうちで熱膨張係数が大きい方向を短軸方向にし、熱膨張係数が小さい方向を長軸方向にして、前記矩形状又は前記短冊状の超音波振動子に切断し、前記切断した前記矩形状又は前記短冊状の超音波振動子を前記前面部材に接合するものである
ことを特徴とするアレイ型超音波探触子。 In claim 1 or 2,
The plurality of ultrasonic transducers are X-cut elements or Y-cut elements of a lithium niobate element,
Of the thermal expansion coefficients of the X-cut element or the Y-cut element of the ultrasonic transducer and the axial direction in the direction perpendicular to the one axial direction, the direction with the larger thermal expansion coefficient is short. An axial direction, a direction with a small coefficient of thermal expansion as a major axis direction, cut into the rectangular or strip-shaped ultrasonic transducer, and the cut rectangular or strip-shaped ultrasonic transducer An array type ultrasonic probe characterized by being bonded to a front member.
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