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TWI838769B - 陣列式超音波收發裝置 - Google Patents

陣列式超音波收發裝置 Download PDF

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TWI838769B
TWI838769B TW111122212A TW111122212A TWI838769B TW I838769 B TWI838769 B TW I838769B TW 111122212 A TW111122212 A TW 111122212A TW 111122212 A TW111122212 A TW 111122212A TW I838769 B TWI838769 B TW I838769B
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TW111122212A
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岸本卓弥
北見薫
郡司浩行
黛高明
宮部昇三
中嶋巖
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日商日立電力解決方案股份有限公司
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Abstract

本發明之目的在於提供一種縮短檢查時間之超音波收發裝置。 本發明之具備具有直線狀配置之複數個超音波振子之陣列探針4之陣列式超音波收發裝置1，係於被檢體上方之與被檢體平行之掃描平面中，將超音波振子之配置方向設為掃描平面之Y軸方向，將與配置方向垂直之方向設為掃描平面之X軸方向，且基於預設之掃描條件，使陣列探針不靜止地於X軸方向移動，陣列探針於X軸方向之移動期間，進行對被檢體之複數個照射點依序發送超音波光束並接收其反射波之電子掃描。

Description

陣列式超音波收發裝置
本發明係關於一種陣列式超音波收發裝置。
有對半導體等被檢體照射超音波，基於其之反射波產生被檢體內部之圖像資訊，而檢測被檢體內部之缺陷之超音波收發裝置。根據該超音波收發裝置，可進行非破壞之高分解能檢查，可確保電子零件之可靠性。
謀求縮短近年來伴隨半導體晶圓之高密度安裝化之檢查時間。為實現此，必須縮短超音波之收發處理。
因此，研究有由直線狀配置之複數個超音波振子構成，使用使該等超音波振子進行電子掃描(電子scan)之陣列探針之超音波檢查裝置(參考專利文獻1)。
於該超音波檢查裝置中，構成為於使陣列探針靜止之狀態下以一次電子掃描掃描特定寬度。詳細而言，單探針藉由一個超音波振子進行處理，相對於此，藉由構成陣列探針之複數個超音波振子進行電子掃描處理，由此實現高速處理。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開昭63-177056號公報
於上述先行技術中，揭示有於結束陣列探針靜止之狀態下之電子掃描處理後，移動至下一個檢查位置，再次使陣列探針靜止而進行電子掃描處理之方法。即，係一種於進行電子掃描時使陣列探針靜止之方法。
詳細而言，於某檢查位置發送超音波，直至於下一個檢查位置發送超音波所需之時間為電子掃描之時間與探針之移動時間之和之時間。
為縮短超音波收發裝置中之檢查時間，而需要進一步之高速處理。
本發明之目的在於提供一種縮短檢查時間之超音波收發裝置。
為解決上述問題，本發明之陣列式超音波收發裝置係具備具有直線狀配置之複數個超音波振子之陣列探針者；且於被檢體上方之與上述被檢體平行之掃描平面中，將上述超音波振子之配置方向設為上述掃描平面之Y軸方向，將與上述配置方向垂直之方向設為上述掃描平面之X軸方向；基於預設之掃描條件，使上述陣列探針不靜止地於X軸方向移動；上述陣 列探針於X軸方向之移動期間，進行對上述被檢體之複數個照射點依序發送超音波光束並接收其反射波之電子掃描；於該陣列式超音波收發裝置中，將上述被檢體照射超音波光束之最初之電子掃描開始時之上述陣列探針之位置設為上述陣列探針之掃描平面之原點；於Y軸方向上，將電子掃描之開始時之陣列探針之位置之Y座標設為Yl時，將移動之上述陣列探針之下一個Y軸方向之Y座標Yl+1設為對Yl加上電子掃描之掃描寬度之值之位置時，於朝離開上述原點之方向移動時，上述陣列探針之X座標自Xk移動至Xk+1之位置，於朝接近上述原點之方向移動時將上述陣列探針之X座標自Xk移動至Xk-1之位置；且交替重複正向移動掃描動作與反向移動掃描動作對上述掃描平面進行電子掃描，上述正向移動掃描動作包含一面進行電子掃描一面使陣列探針之X座標於X軸方向自Xk移動至Xk+1之動作、及於X軸方向之移動終端，使陣列探針之Y座標於Y軸方向以自Yl成為Yl+1之方式移動電子掃描之掃描寬度量之動作，上述反向移動掃描動作包含一面進行電子掃描一面使陣列探針之X座標於X軸方向自Xk移動至Xk-1之動作、及於X軸方向之移動終端，使陣列探針之Y座標於Y軸方向以自Yl成為Yl+1之方式移動電子掃描之掃描寬度量的動作。
根據本發明，可縮短超音波收發裝置之檢查時間。
1:超音波收發裝置
2:3軸掃描器
3:感測器
4:探針(陣列探針)
8:被檢體
10:控制裝置
11:機械控制部
12:收發指令部
14:振子動作信號產生部
15:反射波信號處理部
16:反射波圖像產生部
17:顯示部
18:控制部
21:X軸掃描器
22:Y軸掃描器
23:Z軸掃描器
24:保持器
42:鍔部
91:水槽
92:台
a~g:振子/照射點
Dm:移動距離
Vm:移動速度
X:方向
X0,Xk,Xk+1,Xk-1,Xn:座標
Y0,Yl,Yl+1,Ym:座標
Y:方向
Z:方向
圖1係顯示實施形態之超音波收發裝置之整體構成之圖。
圖2係說明超音波收發裝置中之探針之平面掃描之動作內容之圖。
圖3A係對探針之超音波光束之照射點進行說明之圖。
圖3B係顯示探針之平面掃描中之超音波光束之照射點之位置之圖。
圖4係說明掃描器控制部使探針進行平面掃描之座標系之圖。
以下，對本發明之實施形態，一面參考圖式一面詳細地進行說明。
圖1係顯示實施形態之超音波收發裝置之整體構成之圖。
超音波收發裝置1具備3軸掃描器2(掃描機構)、與超音波陣列探針(以下，記為探針)。該3軸掃描器2使探針4對平面狀之被檢體8以X軸方向與Y軸方向之二維進行掃描(平面掃描)。藉此，超音波收發裝置1可藉由超音波將平面狀之被檢體8影像化。
探針4為將多個振子短條狀排列之相控陣列超音波探針(超音波陣列探針)。詳細而言，藉由控制多個振子中之一部分之複數個振子(振子群)各者之振盪時序製作超音波收斂光束(超音波光束)，並對振子群進行電子切換，改變照射位置而照射超音波光束，對被檢體8進行一維掃描。於本說明書中，將相控陣列超音波探針之電子超音波光束之掃描記為電子掃描。
超音波光束之反射波之接收控制亦控制振子群而進行。
又，探針4可將由單一之振子產生之超音波以聲透鏡(acoustic lens)聚焦而照射至被檢體，並將複數個該振子構成為短條狀。於該構成中，亦 藉由對振子進行電子切換，而改變超音波光束之照射位置，進行被檢體8之電子掃描。
探針4配置為浸漬於注滿水槽91之水中，探針4之前端與被檢體8對向。探針4藉由保持器24安裝於3軸掃描器2。
水槽91載置於台92上。
該3軸掃描器2於使探針4二維掃描時，基於藉由內置之檢測位置變化之編碼器檢測出之直線位置或旋轉位置(角度位置)，檢測其之掃描位置。藉此，超音波收發裝置1可將被檢體8之各掃描位置(掃描點)與回波之關係二維影像化。
3軸掃描器2具備使探針4進行掃描之X軸掃描器21及Y軸掃描器22、可改變探針4與被檢體8之間隔之Z軸掃描器23、及固持探針4之保持器24。
又，探針4於檢查前藉由台92調整高度，且藉由Z軸掃描器23調整與被檢體8之間隔。
探針4於與複數個振子直線排設之方向垂直之方向(以下，將該方向稱為X軸方向)上，藉由3軸掃描器2之X軸掃描器21以特定速度連續移動(掃描動作)，即，使探針4不靜止地於X軸方向移動，其後，藉由3軸掃描器2之Y軸掃描器22，與複數個振子之排設方向並行地進行電子掃描之掃描寬度量之移動(移位動作)。
該保持器24支持設置於探針4之上部之鍔部42，於對該探針4施加朝上之力時順利地朝上方向移動。於保持器24設置有感測器3，檢測探針4朝上方向移動之情況。
控制裝置10具備控制部18、收發指令部12、振子動作信號產生部14、反射波信號處理部15、反射波圖像產生部16及顯示部17，且進行3軸掃描器2之控制、探針4之收發控制及來自被檢體8之回波之顯示控制。
機械控制部11為用以依據後述之掃描條件，基於X軸掃描器21及Y軸掃描器22內置之編碼器輸出，驅動X軸掃描器21及Y軸掃描器22，而使探針4於被檢體8上方之與被檢體8平行之掃描平面移動之控制部。
收發指令部12為指示振子動作信號產生部14產生振子動作信號，而開始探針4之電子掃描之控制部。
振子動作信號產生部14依據由收發指令部12選擇之振子群與掃描順序產生振子動作信號，並於每個掃描點，將其發送至探針4。
探針4根據振子動作信號產生部14之振子動作信號照射超音波光束。
反射波信號處理部15係於每個掃描點自探針4接收超音波光束之反射波之信號，設置與要測定之被檢體8之深度對應之閘極進行閘極處理，藉此求出反射波之位移(振幅)，並根據該位移算出信號強度。
反射波圖像產生部16例如將由反射波信號處理部15算出之每個掃描點之反射波之信號強度轉換為0~255之灰階度。於被檢體8與水槽91之水之邊界或被檢體8內部之材料邊界、剝離部、空隙部等聲阻抗(密度)變化之邊界面，產生超音波光束之反射波。反射波圖像產生部16將無超音波光束之反射波之點設為灰階度0，反射波之信號強度越大，灰階度越大。
顯示部17顯示由反射波圖像產生部16求出之超音波光束之反射波之信號強度，來作為被檢體8之平面掃描之濃淡圖像。具體而言，於灰階度為0之情形時顯示黑色，於灰階度為最大值之情形時顯示白色，於灰階度為中間值之情形時根據灰階度顯示灰色。
因此，超音波收發裝置1將經平面掃描之被檢體8之空洞(與周圍之密度差較大)，顯示為白色圖像。
控制部18控制機械控制部11，且與自機械控制部11通知之X軸掃描器21之編碼器輸出同步，控制收發指令部12。即，控制部18與探針4之掃描動作同步開始電子掃描。因此，藉由探針4之電子掃描所產生之被檢體8之X軸方向之掃描間距，與X軸掃描器21之編碼器輸出之間距相等。
接著，藉由圖2，說明超音波收發裝置1中之探針4之平面掃描之動作內容。
探針4係例如由192個振子直線設置而構成，但於圖2中，顯示探針4由振子a、b、c、d、e、f、g之7個振子構成之情形。
超音波收發裝置1將被檢體8被設定之位置設為掃描之原點(圖2之掃描區域之左上方)，指定掃描區域之大小，進行探針4之平面掃描。
首先，以探針4之電子掃描之開始點位於平面掃描之原點之方式，驅動3軸掃描器2，來移動探針4。詳細而言，由於電子掃描係於探針4之移動期間進行，故以探針4通過電子掃描之開始點時之移動速度成為特定值之方式，包含助跑部分而移動。
於平面掃描之原點，探針4利用振子a、b、c、d、e、f、g進行電子掃描，且藉由3軸掃描器2之X軸掃描器21，於與振子之排設方向垂直之方向移動。且，探針4與X軸掃描器21之編碼器輸出同步，進行下一個電子掃描。探針4係於掃描區域之寬度量(X軸方向之大小量)，重複上述動作。
探針4如上所述，一面不靜止地進行X軸方向之探針4之連續移動(掃描動作1)，一面重複電子掃描，對Y軸方向之長度為電子掃描之掃描寬度量、且X軸方向之長度為所設定之掃描區域之寬度量之帶狀之掃描區域照射超音波光束，檢測來自被檢體8之反射波。
此時，控制裝置10將以探針4之一次電子掃描檢測出之來自被檢體8之反射波，設為X軸方向之位置(掃描行)相同之超音波光束之反射波，算出反射波之信號強度，並顯示為濃淡圖像。
接著，探針4藉由3軸掃描器2之Y軸掃描器22，與複數個振子之排設 方向並行地進行電子掃描之掃描寬度量之移動(移位動作)。且，以探針4之電子掃描之開始點與上述掃描動作1之最後之電子掃描之開始點於X軸方向上成為相同之位置之方式，藉由X軸掃描器21移動探針4。
探針4利用振子a、b、c、d、e、f、g進行電子掃描，且藉由3軸掃描器2之X軸掃描器21，於與掃描動作1為相反方向之垂直於振子之排設方向之方向移動。且，探針4與X軸掃描器21之編碼器輸出同步，進行下一個電子掃描。探針4係於掃描區域之寬度量(X軸方向之大小量)，重複上述動作。
探針4如上所述，一面進行X軸方向之探針4之連續移動(掃描動作2)，一面重複電子掃描，而對Y軸方向之長度為電子掃描之掃描寬度量，且X軸方向之長度為設定之掃描區域之寬度量之帶狀之掃描區域照射超音波光束，檢測來自被檢體8之反射波。
控制裝置10係若可藉由上述探針4之掃描動作1與掃描動作2，覆蓋指定之掃描區域，則結束平面掃描，但於不足之情形時，使探針4進行電子掃描之掃描寬度量之移位動作而移動，並與進行電子掃描之同時進行與先前之動作同樣之掃描動作3、移位動作、掃描動作4。
控制裝置10重複上述動作直至覆蓋指定之掃描區域為止，進行被檢體8之平面掃描。
於本說明書中，將探針4之掃描動作1、掃描動作3……記為正向移動 掃描動作，將探針4之掃描動作2、掃描動作4……記為反向移動掃描動作。
由於探針4於上述掃描動作1、2、3、4中，一面連續移動，一面進行電子掃描，故詳細而言，因超音波光束之照射時序，超音波光束之照射點之X軸方向之位置產生偏移。接著，對超音波光束之照射時序與照射點之關係進行說明。
圖3A係對探針4之超音波光束之照射點進行說明之圖。
照射點a、b、c、d、e、f、g為探針4之振子a、b、c、d、e、f、g之電子掃描之超音波光束之照射點。尤其，照射點a為與掃描區域之原點對應之照射點，且為於掃描動作時，與X軸掃描器21之編碼器輸出同步之電子掃描之最初之超音波光束之照射點。
探針4之電子掃描於掃描動作之連續移動期間進行。圖3A之實線之矩形表示最初照射超音波光束時之探針4之位置，虛線之矩形表示最後照射超音波光束時之探針4之位置。
於探針4中，自照射點a向探針4另一端依序照射超音波光束。因此，照射點b、c、d、e、f、g成為於掃描方向上逐漸偏移之位置。
圖3B係顯示探針4之掃描動作1與掃描動作2之平面掃描中之超音波光束之照射點之位置的圖。
由於探針4之照射點a與X軸掃描器21之編碼器輸出同步進行電子掃 描，故X軸方向之位置於掃描動作1與掃描動作2中一致。但，照射點b、c、d、e、f、g成為根據掃描方向而逐漸偏移之位置。
接著，詳細地說明控制裝置10之探針4之平面掃描之處理。
圖4係說明控制裝置10使探針4進行平面掃描之控制座標系之圖。
機械控制部11規定座標系，該座標系將與探針4之超音波振子之配置方向垂直之方向設為掃描平面之X軸方向，將超音波振子之配置方向設為掃描平面之Y軸方向，將對被檢體8照射超音波光束之最初之電子掃描開始時之探針4之位置設為掃描平面之原點。
座標(Xk,Yl)係於探針4之每次電子掃描之照射點a(電子掃描之最初之照射點)照射超音波光束時之探針4之位置。以下，每次電子掃描之照射點a之位置，代表探針4之位置。
Xk座標之下標k為表示超音波光束之照射點之X軸方向之照射點之序號，為0至n之任一值。X0座標、Xn座標表示探針4之X軸方向之移動之端部位置，n+1表示掃描平面之X軸方向之照射點數。
Yl座標之下標l為表示超音波光束之照射點之Y軸方向之照射點之序號，為0至m之任一值。Y0座標、Ym座標表示探針4之Y軸方向之移動之端部位置，m+1表示掃描平面之Y軸方向之照射點數。
將進行平面掃描之區域(掃描區域)之X軸方向之長度，除以超音波收發裝置1之分解能之一半而求出n。即，n為將掃描區域之X軸方向之長 度，除以Xk座標間之距離即移動距離Dm而得之值。
又，將進行平面掃描之區域(掃描區域)之Y軸方向之長度，除以探針4之電子掃描之掃描寬度而求出m。
如上所述，機械控制部11係規定控制座標系，該控制座標系將對被檢體8照射超音波光束之最初之電子掃描開始時之探針4之位置，設為掃描平面之原點，於Y軸方向上，將電子掃描開始時之探針4之位置之Y座標設為Yl時，將移動之探針4之下一個Y軸方向之位置Yl+1設為對Yl加上電子掃描之掃描寬度之位置，於X軸方向上，將電子掃描開始時之探針4之位置之X座標設為Xk。
且，於進行圖2與圖3B所說明之掃描動作1或掃描動作3中之探針4之移動控制，即，朝離開原點之方向移動探針4時，機械控制部11藉由X軸掃描器21，將探針4自座標(Xk,Yl)連續移動至座標(Xk+1,Yl)(k為0至n)。又，於進行掃描動作2或掃描動作4中之探針4之移動控制，即，朝接近原點之方向移動探針4時，機械控制部11藉由X軸掃描器21，將探針4自座標(Xk,Yl)連續移動至座標(Xk-1,Yl)(k為n至0)。
將Xk座標間之距離即移動距離Dm，除以自座標(Xk,Yl)向座標(Xk+1,Yl)之移動時間Tm、或自座標(Xk,Yl)向座標(Xk-1,Yl)之移動時間Tm，來求出探針4之自座標(Xk,Yl)向座標(Xk+1,Yl)之移動速度Vm、及自座標(Xk,Yl)向座標(Xk-1,Yl)之移動速度Vm。
移動時間Tm係以可於探針4之X軸方向之移動期間進行1次之電子掃 描之方式，設定為與電子掃描之複數個照射點之收發時間之和即掃描時間Ts相等。
藉此，於本發明中，於Xk座標開始電子掃描，於該電子掃描結束而於下一個Xk+1座標開始電子掃描處理時，陣列探針之最初之振子已位於Xk+1座標。如周知技術般，於一個電子掃描結束後自Xk座標移動至Xk+1座標所需之時間為0。
又，於探針4移動時，有時會於浸漬之水中產生波動或氣泡，而對超音波光束及/或反射波之行進造成影響。因此，探針4之移動速度Vm必須為不產生水之波動或氣泡等外部干擾要因之範圍之最大速度(Vmax)以下。
具體而言，若將水中之音速設為1500m/秒，將探針4之振子至被檢體之檢查面之距離設為10mm，將探針4之振子數設為192，則每1次之電子掃描之掃描時間為0.0025536秒。於欲獲得擷取0.4mm之缺陷之解析度之情形時，將移動距離Dm設定為0.2mm，且根據移動距離Dm與移動時間Tm(=Ts)之關係，移動速度Vm為78.320802mm/秒。由於移動速度之最大值(Vmax)自目前為止之實驗結果來看為300mm/秒，移動速度Vm為Vmax以內，故不會產生水之波動或氣泡等外部干擾要因。
機械控制部11將該移動速度Vm記憶為掃描條件。且，機械控制部11藉由X軸掃描器21之編碼器輸出管理Xk座標，並以移動速度Vm移動探針4。
機械控制部11於X軸方向之移動終端，自座標(Xk+1,Yl)向座標(Xk+1,Yl+1)，或自座標(Xk-1,Yl)向座標(Xk-1,Yl+1)地驅動Y軸掃描器22，進行探針4之Y軸方向移動。
如上所述，超音波收發裝置1交替重複正向移動掃描動作與反向移動掃描動作對掃描平面進行電子掃描，上述正向移動掃描動作包含一面進行探針4之電子掃描一面使探針4之X座標於X軸方向上自Xk移動至Xk+1之動作、及於X軸方向之移動終端，使探針4之Y座標於Y軸方向上自Yl移動至Yl+1之動作，上述反向移動掃描動作包含一面進行電子掃描一面使探針4之X座標於X軸方向上自Xk移動至Xk-1之動作、與於X軸方向之移動終端，使探針4之Y座標於Y軸方向上自Yl移動至Yl+1之動作。
本發明並非限定於上述之實施例者，而包含各種變化例。上述實施形態係係為了易於理解地說明本發明而詳細說明者，並非限定於必須具備說明之所有構成者。
a,g:照射點
X:方向
Y:方向

Claims (4)

  1. 一種陣列式超音波收發裝置，其係包含陣列探針者，該陣列探針具有直線狀配置之複數個超音波振子；且 於被檢體上方之與上述被檢體平行之掃描平面中，將上述超音波振子之配置方向設為上述掃描平面之Y軸方向，將與上述配置方向垂直之方向設為上述掃描平面之X軸方向， 基於預設之掃描條件，使上述陣列探針不靜止地於X軸方向移動， 上述陣列探針於X軸方向之移動期間，進行對上述被檢體之複數個照射點依序發送超音波光束並接收其反射波之電子掃描，且該陣列式超音波收發裝置之特徵在於： 將對上述被檢體照射超音波光束之最初之電子掃描開始時之上述陣列探針之位置，設為上述陣列探針之掃描平面之原點， 於Y軸方向上，將電子掃描開始時之陣列探針之位置之Y座標設為Y l時，且將移動之上述陣列探針之下一個Y軸方向之Y座標Y l+1設為對Y l加上電子掃描之掃描寬度之值之位置時， 於朝離開上述原點之方向移動時，上述陣列探針之X座標自X k移動至X k+1之位置，於朝接近上述原點之方向移動時，上述陣列探針之X座標自X k移動至X k-1之位置，且 交替重複以下動作而對上述掃描平面進行電子掃描︰ 正向移動掃描動作，其包含一面進行電子掃描一面使陣列探針之X座標於X軸方向自X k移動至X k+1之動作、及於X軸方向之移動終端，使陣列探針之Y座標於Y軸方向以自Y l成為Y l+1之方式移動電子掃描之掃描寬度量的動作；及 反向移動掃描動作，其包含一面進行電子掃描一面使陣列探針之X座標於X軸方向自X k移動至X k-1之動作、及於X軸方向之移動終端，使陣列探針之Y座標於Y軸方向以自Y l成為Y l+1之方式移動電子掃描之掃描寬度量的動作。
  2. 如請求項1之陣列式超音波收發裝置，其中 於將上述電子掃描開始時之上述陣列探針之位置之X座標設為X k時， 將自上述X k到達下一個電子掃描開始時之上述陣列探針之位置之X座標即X k-1或X k+1之上述陣列探針的移動速度V m，設為上述掃描條件。
  3. 如請求項2之陣列式超音波收發裝置，其中 將自上述X k到達下一個電子掃描開始時之上述陣列探針之位置之X座標即X k-1或X k+1之移動時間T m，設定為與上述電子掃描之複數個照射點之收發時間之和即掃描時間T s相等， 根據上述移動時間T m、及上述X k至上述X k-1或X k+1之上述陣列探針之移動距離D m，求出上述移動速度V m。
  4. 如請求項2之陣列式超音波收發裝置，其中 上述移動速度V m係在上述陣列探針於上述X軸方向移動時，不會產生對上述超音波光束及/或上述反射波之行進造成影響之波動或氣泡之外部干擾要因之範圍內之最大速度(300 mm/秒)。
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