磁場顕微鏡を用いた非破壊検査
Non-Destructive Inspection by Magnetic Field Microscopy

磁場顕微鏡は、試料を破壊せずに試料内部の電流から生じる外部磁場分布を測定し、数学的な処理を施して、電流経路を推測し可視化する技術です。
半導体や電子部品の不具合箇所の特定や、新素材の電流分布の測定に有効です。

原理

磁場顕微鏡の装置構成
磁場顕微鏡の装置構成

磁場分布
再構成

2次元磁場
分布データ

制御
コンピュータ

XYZステージ
コントローラ

磁気センサ

XYZステージ

走査

磁場

(Hz,Hx,Hy)

電流

測定対象

電流経路像
(明るい部分が電流経路)

原理図

電流が作り出す
磁場分布を
磁気センサ(TMR/MI)で測定

電流経路近傍の
磁場分布を再構成

磁場の変化が
大きい場所を電流経路と
推測して可視化

試料サイズ:最大 A4サイズ(297mm×210mm)×高さ80mm

TMR: Tunnel MagnetoResistance  MI: Magneto Impedance

磁場と電流の関係

電流が流れると、その周りには、右ねじの法則に従い磁場が発生します。磁気センサは決まった方向の磁場を検出するため、その方向および強度の情報から、電流経路や電流分布を推測することができます。

電流および磁気センサの向きと測定面での磁場強度の関係
電流および磁気センサの向きと測定面での磁場強度の関係

センサの向き
(z方向)

センサの向き
(x方向)

測定面

測定面

電流:I

電流:I

Hz

Hz

磁場強度

磁場強度

電流:I

電流:I

Hz磁場分布像

Hz磁場分布像

特徴

金属皮膜下の電流経路可視化可能
低抵抗のショート箇所特定可能

矢印

さまざまな製品の電流経路可視化に対応可能
・半導体チップ ・リチウムイオン電池

磁場電流の流れ
磁場:H={Hx(x,y,z), Hy(x,y,z), Hz(x,y,z)}

小型で低ノイズの
磁気センサ(TMR)を使用

矢印

電流経路を高分解能で
可視化可能

磁場電流の流れ

事例1 磁場顕微鏡と3次元X線顕微鏡による非破壊解析

磁場顕微鏡で特定したショートなどの異常箇所を3次元X線顕微鏡(X線CT)で観察することにより、非破壊で詳細な原因解析が可能になります。
また、非破壊解析により断面加工後の電子顕微鏡による高分解能観察や分析までにかかる時間を大幅に削減することができます。

解析フロー

解析フロー 磁場顕微鏡による異常検出のあと3次元X線顕微鏡による観察

Ball Grid Array(BGA)ショート箇所観察

磁場顕微鏡と3次元X線顕微鏡による非破壊解析事例

水色枠線内で磁場変化が大きく、
ショート箇所を流れる電流の
存在を推定

設計上、電流経路がない場所に
磁場があれば、その部分に
ショート不良があると判断できます

BGAの透過X線像(a)への
電流経路像(b)の重ね合わせ

3次元X線顕微鏡像

磁場顕微鏡により推測された電流経路像と3次元X線顕微鏡(X線CT)を組み合わせることで、これまで非破壊解析では困難であった低抵抗ショート不良の解析が可能になります。

3次元X線顕微鏡による非破壊解析画像
3次元X線顕微鏡像

事例2 電流経路の可視化

基板上のX、Y方向の磁場を測定し、磁場の変化が大きい箇所を電流経路と推測して可視化しました。

基板配線パターンの電流像

基板配線
パターン

磁場像

電流像

事例3 非破壊でのパワーデバイスの短絡箇所の絞り込み

パワーデバイスは、パッケージを開封すると電気特性が変動してしまい、不具合箇所の特定が困難になる場合があります。磁場顕微鏡を用いれば、パッケージを開封しない状態で試料内部の電流経路を推測・可視化でき、不具合箇所を絞り込めます。

電流経路像

推定短絡箇所

推定短絡箇所

推定短絡箇所

推定短絡箇所

Z方向磁場(Hz)を元に作成した
電流経路像 (明るい部分が電流経路)

重ね合わせ像
(電流経路像+超音波顕微鏡像)

過電圧により破壊したパワーデバイスの短絡箇所を、パッケージを開封せずに絞り込みました。

事例4 LEDの電流経路観察

LEDに電流を流し発光させた状態で電流経路を観察することができます。複数のLEDを並列接続して使用する際の素子のばらつき確認などに活用することができます。

LED: Light Emitting Diode (発光ダイオード)

LED電気的特性とLED発光状態


白色発光

LED電気的特性

LED発光状態

電流

X方向磁場像(Hx)

X方向磁場像(Hx)

3次元X線顕微鏡像(電流経路イメージ)
3次元X線顕微鏡像(電流経路イメージ)

事例5 CFRP内のカーボン繊維の観察

CFRP内のカーボン繊維に電流を流し、表面近傍の2次元磁場分布を観察することで、間接的に繊維の配向状態、断線の有無を確認できます。

CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics (カーボン繊維強化プラスティック)

CFRP板

測定エリア

X方向磁場像(Hx)

磁場像の明るい箇所と暗い箇所の境界(磁場分布の変化が大きい箇所)を抽出することで、電流経路(電流像)を確認できます。

Z方向磁場像(Hx)
Z方向磁場像(Hx)
電流像
電流像
重ね合わせ像(電流像+外観像)
重ね合わせ像
(電流像+外観像)

事例6 平面電極内の電流分布観察

パワーデバイスやリチウムイオン電池など、大電流を流すデバイスで平面電極は使用されます。平面電極に外部から電圧を印加し、電極表面近傍の2次元の磁場分布を観察することで、電極内を流れる電流の密度分布を確認できます。

平面電極内の電流分布観察


X方向磁場像(Hx)
※〇箇所:この領域では電流はX方向のみに流れるため、
磁場のx成分(Hx)=0となり、暗く見える。

電流密度分布像(Hx)

電圧を印加している端子間の距離が短い部分で、電流密度が大きくなっていることが分かります。

事例7 リチウムイオン電池内の短絡箇所の絞り込み

リチウムイオン電池に外部から電圧を印加し、電池表面近傍の2次元磁場分布を観察することで、電気的に短絡している箇所の絞り込みができます。

リチウムイオン電池外観

正極

負極

特異点

特異点

電流

正極

負極

短絡箇所(金属片)

電流

正極

負極

金属片を挟んで作りこんだ短絡箇所と2次元磁場分布上の特異点が一致しており、短絡箇所の絞り込みに有効な手法であると考えられます。

関連情報

[更新日:2018/01/31]

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