Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb. Dabei können insbesondere Ultraschallwellen mit sehr hohen Frequenzen emittiert und beispielsweise für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken oder Bauteilen genutzt werden. Bei einem erfindungsgemäßen System sind an einer Oberfläche eines elektrisch nicht leitfähigen oder halbleitenden Substrats (1) diskret zueinander angeordnete Elektroden (2), die als metallische Dünnschicht ausgebildet und jeweils einzeln mit Durchkontaktierungen (4,5) zur Substratrückseite hindurch geführt sind, vorhanden. An der Substratrückseite sind die Elektroden über eine Kontaktfläche (9,10) mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden. Auf der Oberfläche der Elektroden ist mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete aktive Schicht (3) ausgebildet, die mit mindestens einer weiteren Elektrode (8) und damit mit dem anderen Pol der Spannungsquelle oder dem Massepotential der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Ultraschallwandlersystem und Verfahren zu dessen Betrieb. Dabei können insbesondere Ultraschallwellen mit sehr hohen Frequenzen emittiert und beispielsweise für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken oder Bauteilen genutzt werden. Dadurch kann eine Auflösung im Bereich von 10 µm erreicht werden, so dass auch sehr kleine Reflektoren, wie z.B. Defekte, Risse, Lunker oder Delaminationen detektierbar sind.

[0002] Da mit der Erfindung auch sehr kleine Strukturen detektiert werden sollen, ist eine hohe Auflösung erforderlich, die nur durch Einsatz von Ultraschall mit sehr hohen Frequenzen möglich ist. Häufig wird auch ein Einsatz von Ultraschallwandlern gefordert, bei dem Strukturen ortsaufgelöst im Volumen von Körpern erkannt werden sollen und der Ultraschallwandler nicht auf die Oberfläche des Körpers aufgesetzt und über seine Oberfläche bewegt werden soll. Dies erfordert eine gezielte Beeinflussung der Richtung in der Schallwellen vom Ultraschallwandler emittiert werden sollen. Es ist seit jüngster Vergangenheit üblich, für solche Anwendungen Mehrelementultraschallwandler einzusetzen.

[0003] Da Ultraschall mit einer sehr hohen Frequenz eingesetzt werden sollen, ist eine Miniaturisierung erforderlich. Dabei ist es auch beachtsam, dass eine gezielte Emissionsrichtung von emittierten Schallwellen häufig gefordert wird. Bei den Frequenzen im mittleren bis oberen Megaherzbereich ist auch eine hohe Auflösung, also eine sehr kleine Fläche erforderlich, von der Ultraschallwellen emittiert werden müssen. Dies ist aber für die Führung der elektrischen Zuleitungen zu berücksichtigen.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen mit denen Ultraschallwellen mit erhöhter Frequenz und hoher Auflösung in unterschiedliche Richtungen emittiert und wieder detektiert werden können.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Ultraschallwandlersystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 9 betrieben werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

[0006] Ein erfindungsgemäßes Ultraschallwandlersystem ist dabei so ausgebildet, dass an einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden oder halbleitenden Substrats diskret zueinander ausgebildete Elektroden, als metallische Dünnschicht ausgebildet sind. Dabei ist jede Elektrode einzeln über eine elektrisch leitende durch das Substrat hindurch geführte Durchkontaktierung mit einer Spannungsquelle verbunden.

[0007] Auf der Oberfläche des Substrates an der diese Elektroden ausgebildet sind, ist mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material/Stoff gebildete aktive Schicht ausgebildet. Diese eine aktive oder mehrere aktive Schicht(en) ist/sind dann mit mindestens einer weiteren Elektrode und damit mit dem anderen Pol der Hochfrequenzspannungsquelle oder dem Massekontakt elektrisch leitend verbunden.

[0008] Dadurch kann mit den unmittelbar an der Oberfläche des Substrats vorhandenen Elektroden, die jeweils einzeln elektrisch ansteuerbar sind, eine der jeweiligen Elektrode zugeordnete aktive Schicht oder ein Flächenbereich einer aktiven Schicht angeregt werden, um von dieser Position Ultraschallwellen zu emittieren.

[0009] Dabei kann die Ansteuerung so erfolgen, dass ein Zeitversatz durch eine gezielte Phasenverschiebung, bei der über diese Elektroden elektrische Spannung an die aktive Schicht angelegt wird und dabei ein elektrischer Strom fließt, eine Beeinflussung der Richtung, mit der Ultraschallwellen von der jeweiligen Position emittiert werden, erreicht werden.

[0010] Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird das piezoelektrische aktive Material zu hochfrequenten mechanischen Schwingungen angeregt, die sich dann als Ultraschallwellen ggf. nach einer Einkopplung in einen Körper auf den das System aufgesetzt worden ist, ausbreiten. Dabei kann die Ansteuerung der einzelnen diskret zueinander angeordneten Elektroden so erfolgen, dass die jeweils von diesen Flächenbereichen, an denen die Elektroden angeordnet sind, emittierten Schallwellen gezielt beeinflusst werden können. Werden am äußeren Rand angeordnete Elektroden zeitlich versetzt vor den sukzessive weiter innen liegend angeordneten Elektroden angesteuert, ist eine fokussierte Schallemission möglich. Es besteht aber auch die Möglichkeit, durch eine zeitlich nachfolgende Ansteuerung von Elektroden eine in einem bestimmten Winkel, abweichend von 90° zur Oberfläche der aktiven Schicht(en), ausgerichtete Schallemission zu erreichen.

[0011] Durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der Elektroden kann auf die jeweilige Richtung der von dort emittierten Schallwellen Einfluss genommen werden, da sich die einzelnen im Flächenbereich von Elektroden emittierten Schallwellen zu einer resultierenden Wellenfront in einer bestimmten Richtung überlagern. Zur Emission von Schallwellen mit möglichst großen Winkeln, sollte der Mittenabstand von diskret nebeneinander angeordneten Elektroden kleiner als die halbe Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff oder Körper, in den die Schallwellen emittiert werden, sein. Die Wellenlänge ist dabei von der Schallgeschwindigkeit im Werkstoff und der Frequenz der Schallwellen abhängig. Die Wellenlänge verkleinert sich dabei mit größer werdender Frequenz. Dies erfordert auch eine Miniaturisierung der Ultraschallwandler, was mit einem erfindungsgemäßen System und die vorteilhafte elektrische Kontaktierung, auch mit konventionellen Verbindungstechniken, erreichbar ist.

[0012] Die auf der Oberfläche des Substrates angeordneten Elektroden können eine Reihen-, Linien-, Ring- oder Matrixanordnung bilden. Die jeweilige Anordnung grenzt die damit mögliche Schallemission räumlich ein. Bei einer Reihen- oder Linienanordnung kann beispielsweise die Beeinflussung der Schallemissionsrichtung nur in einer Raumebene erfolgen. Bei Matrix-oder Ringanordnungen kann eine dreidimensionale vollständige Beeinflussung erreicht werden.

[0013] Ultraschallwandler werden üblicherweise auch zu Prüfund Diagnosezwecken eingesetzt. Die emittierten Ultraschallwellen werden in einem angrenzenden Werkstoff oder Material an Defekten, Grenzflächen oder der Rückseite eines zu prüfenden Körpers reflektiert. Ein Teil der reflektierten Schallwellen trifft wieder auf den jeweiligen Ultraschallwandler auf. Der Schalldruck dieser reflektierten Schallwellen bewirkt mechanische Verformungen der piezoelektrischen Schicht, die von der Schicht in dementsprechend proportionale elektrische Spannungssignale umgewandelt werden. Über eine Auswertung der Amplituden und der Zeitverläufe der einzelnen so erfassten Messsignale, kann eine ortsaufgelöste Abbildung der inneren Struktur eines untersuchten Körpers durch Berechnung rekonstruiert werden.

[0014] Insbesondere wegen der erforderlichen Miniaturisierung, ist es vorteilhaft, die große Anzahl an elektrisch leitenden Verbindungen zu den Elektroden mittels Durchkontaktierungen (Via's) auszubilden. Diese können dabei, wie bereits erwähnt, durch das Substrat hindurchgeführt werden. Zusätzlich können aber weitere Durchkontaktierungen genutzt werden, die als elektrisch leitende Verbindungen durch eine oder mehrere elektrisch nicht leitende(n) Schicht(en) geführt sind. Diese Schicht(en) kann/können auf der Rückseite des Substrates, also auf der Seite, die der Seite auf der die Elektroden ausgebildet sind, gegenüberliegt, angeordnet sein. Zwischen oder auf diesen Schichten können elektrische Leiterbahnen, die zu einer Aufweitung von an der Rückseite angeordneten Kontaktflächen genutzt werden können, vorhanden sein. Auf der nach außen weisenden elektrisch nicht leitenden Schicht können die Kontaktflächen eine aufgeweitete Anschlussstruktur bilden, bei der diese Kontaktflächen auf einer Fläche verteilt angeordnet sind, die größer als die Fläche der aktiven Schicht(en) auf der Vorderseite des Substrates ist. Dadurch ist eine elektrische Kontaktierung mit konventionellen Verbindungstechniken, wie Löten, Drahtbonden oder Kleben möglich.

[0015] Für die Herstellung erfindungsgemäßer Systeme können verschiedene Werkstoffe für die Substrate eingesetzt werden. Dies können beispielsweise Halbleiterwerkstoffe (bevorzugt einkristallines Silicium), Keramiken, Glas oder Polymere sein.

[0016] Die Elektroden auf der Oberfläche des Substrates können als metallische Dünnschichten aufgebracht werden. Die Strukturierung kann mit bekannten Verfahren additiv (über Wechselmasken oder Haftmasken) oder subtraktiv (Ätzen) erfolgen. Geeignete Metalle sind Kupfer, Gold, Aluminium, Platin oder Mehrschichtsysteme, wie z.B. eine Cr-Au, Ni-Au oder Ti-Cu-Au. Es sollte eine gute Haftung am Substrat und der aktiven Schicht(en) gegeben sein.

[0017] Für die aktive(n) Schicht(en) können an sich beliebige piezoelektrische Materialien, wie AlN, ZnO oder PZT eingesetzt werden. Auch hier kann ein Auftrag mittels physikalischer Gasphasenabscheidung erfolgen. Für die Herstellung der Durchkontaktierungen durch ein Substrat können die Durchbrechungen durch reaktives Ionenätzen (DRIE), Plasmaätzen, nasschemisches Ätzen oder mittels Laserabtrag ausgebildet werden. Nach der Ausbildung der Durchbrechungen können deren Innenwände metallisiert und/oder mit einem elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden. Die Metallisierung kann durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden, die ggf. galvanisch verstärkt werden kann.

[0018] Ein Ausfüllen mit einem elektrisch leitenden Material kann ebenfalls mit einer solchen Gasphasenabscheidung, aber auch durch Siebdruck erfolgen. Dabei kann ein Metall oder auch ein elektrisch leitfähiges polymeres Material in Durchbrechungen eingebracht werden.

[0019] Die bereits erwähnten elektrisch nicht leitenden Schichten, können ebenfalls als Dünnschichten auf das Substrat aufgebracht werden. Dies können beispielsweise geeignete Oxid- bzw. Nitridschichten sein. In den elektrisch nicht leitenden Schichten können ebenfalls Durchkontaktierungen vorhanden sein, mit denen die Leiterbahnen in den unterschiedlichen Ebenen elektrisch leitend verbunden werden können. Es können dafür aber auch herkömmliche Mehrlagensubstrate (z.B. Leiterplatten, keramische Mehrlagenschaltungen) mit entsprechenden Leiterbahnstrukturen eingesetzt werden.

[0020] Bei einem erfindungsgemäßen System besteht die Möglichkeit, dass eine aktive Schicht alle auf der Oberfläche des Substrates ausgebildeten Elektroden überdeckt. In einer weiteren Alternative kann aber auch jeder Elektrode eine eigene aktive Schicht zugeordnet sein. Zumindest die Elektroden sollten so ausgebildet sein, dass kein elektrischer Stromfluss von einer Elektrode zu einer anderen Elektrode möglich ist.

[0021] Die Gesamtdicke des Substrates einschließlich der durchkontaktierten Verdrahtungsebenen dollte deutlich größer sein, als die Wellenlänge des Ultraschalls im Substrat. Da das piezoelektrische Material in beide Richtungen mechanisch schwingt, sollten die rückseitig emittierten Schallwellen im Substrat absorbiert werden. Mögliche Reflexionen im Substratwerkstoff sollen nicht wieder auf die piezoelektrische aktive Schicht treffen, um unerwünschte Störsignale zu vermeiden.

[0022] Die einzelnen auf der Substratoberfläche ausgebildeten Elektroden sollten je nach gewählter geometrischer Gestaltung eine Breite aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff, in den die Schallwellen emittiert werden, sein.

[0023] Die weitere(n) Elektrode(n) kann/können auf einer aktiven Schicht ausgebildet sein. Diese bildet dann zumindest bereichsweise die Oberfläche des Elements von der Ultraschallwellen emittiert werden.

[0024] Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems kann so vorgegangen werden, dass eine gepulste elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird. Bevorzugt erfolgt eine Einzelpulsung, die mit zeitlichen Unterbrechungen wiederholend durchgeführt werden kann. In Zeiträumen in denen keine Schallwellen emittiert werden, kann eine Detektion von zurück reflektierten Schallwellen erfolgen.

[0025] Mit der Erfindung kann Ultraschall mit Frequenzen von mindestens 30 MHz emittiert und detektiert werden.

[0026] Die elektrisch leitenden Verbindungen des Systems für den Anschluss an eine Spannungsquelle können an den Kontaktflächen in einer aufgeweiteten Anordnung an der Rückseite des Substrates mit bekannten Technologien realisiert werden. Dies kann z.B. durch Löten, Drahtbonden oder Kleben (z.B. mit elektrisch leitfähigem Klebstoff) erreicht werden.

[0027] Die erfindungsgemäßen Ultraschallwandlersysteme erreichen sowohl eine höhere laterale, wie auch eine tiefen Auflösung im Mikrometerbereich. Es können neue Anwendungsbereiche, wie beispielsweise eine effektive zerstörungsfreie Prüfung in der Elektronikfertigung, erschlossen werden.

[0028] Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.

[0029] Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels;

Figur 3 eine Linienanordnung von Elektroden und

Figur 4 eine Matrixanordnung von Elektroden.

[0030] Mit der Darstellung von Figur 1 wird deutlich, dass auf einer Oberfläche eines Substrates 1 Elektroden 2 (hier nur eine Elektrode 2 dargestellt) ausgebildet sind. Diese können über die durch das Substrat 1 an die Rückseite geführte Durchkontaktierung 4, mit einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle elektrisch kontaktiert werden. Dazu ist an der Rückseite mit einer Metallisierung eine elektrische Kontaktfläche 9 ausgebildet, die zum Löten oder Drahtbonden oder für eine anderweitige Verbindungsmöglichkeit genutzt werden kann.

[0031] Auf den Elektroden 2 ist eine aktive Schicht 3, hier aus Aluminiumnitrid aufgebracht, die wiederum von einer weiteren Elektrode 8 überdeckt ist. Die weitere Elektrode 8 dient dem Anschluss an das Massepotential. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 2 und 8 wird die aktive Schicht 3 in dem Flächenbereich der Elektroden 2 in Schwingung versetzt, die sich bei Berührung mit einem zu prüfenden Körper oder einem Koppelmedium als Ultraschallwelle ausbreiten. In Pausen, in denen keine elektrische Spannung zwischen Elektroden 2 und 8 anliegt, kann eine zeitaufgelöste Detektion von Messignalen zwischen Elektroden 2 und 8 in Folge von zurück reflektierten Schallwellen erfolgen.

[0032] Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel soll eine mögliche Aufweitung von elektrischen Anschlussstrukturen verdeutlicht werden.

[0033] Dabei sind auf einer Oberfläche des Substrates 1 wieder diskret und elektrisch isoliert zueinander Elektroden 2 ausgebildet. Auf den Elektroden 2 ist eine aktive Schicht 3 aus piezoelektrischem Werkstoff, die mit einer weiteren Elektrode 8 überdeckt ist, vorhanden.

[0034] Durch das Substrat 1 sind zu jeder einzelnen Elektrode 2 jeweils eine eigene Durchkontaktierung 4 bis zur Rückseite des Substrates 1 geführt. Auf dieser Rückseite sind bei diesem Beispiel sechs elektrisch nicht leitende Schichten 6.1 bis 6.6 als Mehrschichtaufbau ausgebildet. Auf den elektrisch isolierenden Schichten 6.1 bis 6.5 sind Leiterbahnen 7 ausgebildet, die mittels der Durchkontaktierungen 5 in den elektrisch nicht leitenden Schichten (6.1 bis 6.6) mit Kontaktflächen 10 elektrisch leitend verbunden sind. So wird erkennbar, dass bei einer kleinen für die Emittierung von Schallwellen nutzbaren Fläche, durch die Aufweitung eine viel größere Fläche für elektrische Anschlüsse an der Rückseite erhalten werden kann.

[0035] Mit den Figuren 3 und 4 sind Beispiele für Anordnungen und Gestaltungen von Elektroden 2 an einem erfindungsgemäßen System aufgezeigt.

[0036] Beim in Figur 3 gezeigten Beispiel sind auf der Oberfläche eines Substrats 1 streifenförmige Elektroden 2 in einer Reihenanordnung oder Linienanordnung ausgebildet. Der maximal mögliche Mittenabstand der Elemente bestimmt dabei die maximal mögliche Breite der einzelnen streifenförmigen Elektroden (2).

[0037] Bei der in Figur 4 gezeigten Matrixanordnung sind die Elektroden 2 mit einer quadratischen Fläche mit jeweils gleicher Flächengröße und gleichen Abständen zueinander ausgebildet. Der maximal mögliche Mittenabstand der Elektroden 2 bestimmt dabei die maximal möglichen Seitenlängen der einzelnen Elektroden (2).

[0038] Es können aber auch andere geometrische Elektrodenflächenformen als die hier gezeigten eingesetzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit die Größe und/oder die Abstände von Elektroden 2 in einer Reihen- oder Matrixanordnung zu variieren.

Ansprüche

1. Ultraschallwandlersystem, bei dem an einer Oberfläche eines elektrisch nicht leitfähigen oder halbleitenden Substrats (1) diskret zueinander angeordnete Elektroden (2), die als metallische Dünnschicht ausgebildet und jeweils einzeln mit Durchkontaktierungen (4) zur Substratrückseite hindurch geführt und an der Substratrückseite über eine Kontaktfläche (9) mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind; dabei auf der Oberfläche der Elektroden (2) mindestens eine aus einem piezoelektrischen Material gebildete aktive Schicht (3) ausgebildet ist, die mit mindestens einer weiteren Elektrode (8) und damit mit dem anderen Pol der Spannungsquelle oder dem Massepotential der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite des Substrates (1), die der Oberfläche, an der die Elektroden (2) ausgebildet sind, gegenüberliegt, mindestens eine elektrisch nicht leitende Schicht (6.1 bis 6.6) ausgebildet ist,
zwischen oder auf der/denen elektrische Leiterbahnen (7) vorhanden sind, die mittels weiterer Durchkontaktierungen (5), durch die elektrisch nicht leitende(n) Schicht(en) (6.1 bis 6.n) geführt sind, elektrisch leitend mit Kontaktflächen (10) auf der Rückseite des Substrates (1) verbunden sind und dabei die Kontaktflächen (10) auf einer Fläche verteilt sind, die größer als die Fläche der aktiven Schicht(en) (3) auf der Vorderseite des Substrates (1) ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) Reihenanordnung, eine Linienanordnung, Ringanordnung oder eine Matrixanordnung bilden.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Schicht (3) alle auf der Oberfläche des Substrates (1) ausgebildete Elektroden (2) überdeckt.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) eine Dicke aufweist, die größer als die Wellenlänge der emittierten Schallwellen im Substratwerkstoff ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) eine Breite aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen in einem Werkstoff, in den die Schallwellen emittiert werden, ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelnen Elektrode (2) eine gesonderte aktive Schicht (3) zugeordnet und auf dieser ausgebildet ist.

8. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere(n) Elektrode(n) (8) auf einer aktiven Schicht (3) ausgebildet ist/sind.

9. Verfahren zur Emittierung von Ultraschallwellen mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Ultraschallemissionsrichtung elektrische Spannung mit einem Zeitversatz an einzelne Elektroden (2) und Elektroden (8) angelegt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen mit einer Frequenz von mindestens 30 MHz emittiert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierte Ultraschallwellen zeitaufgelöst detektiert werden und mit den detektierten Messsignalen eine ortsaufgelöste Abbildung der inneren Struktur eines Körpers, in den Ultraschallwellen detektiert und von dort reflektiert worden sind, berechnet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Spannung als Einzelpuls angelegt wird.

Zeichnung