非破壊観察 受託分析サービス
非破壊観察 目 次 磁場顕微鏡 超音波顕微鏡(SAM) 3次元X線顕微鏡(X線CT) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 2 ～P 5 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 6 ～P 9 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ P 10 ～P17 略語 CT SAM SAT : 手法・装置名 : Computed Tomography (コンピュータ断層撮影) : Scanning Acoustic Microscope (超音波顕微鏡) : Scanning Acoustic Tomography (超音波映像装置) 1
非破壊観察 2 17-216a(6) 原理 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。 磁場顕微鏡 Magnetic Field Microscope TMR: Tunnel MagnetoResistance MI: Magneto Impedance 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 センサの向き (z方向) 電流：I H Hz 測定面 x z センサの向き (x方向) 測定面 x z Hx H 電流：I x Hx 磁場強度 電流：I 0 ＋ － x Hz 磁場強度 電流：I 0 ＋ － Hx磁場分布像 Hz磁場分布像 ＋ － 0 ＋ － 0 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 に再構成し分解能を向上 磁場の変化が大きい箇所を 電流経路と推測し可視化 電流経路像 磁場顕微鏡の構成 磁気センサ 磁場 ( Hz,Hx,Hy ) XYZステージ 走査 電流 測定 対象 制御 コンピュータ 2次元磁場 分布データ XYZ ステージ コントローラ 磁場分布 再構成 X Y Z 最大試料サイズ：A4サイズ(297mm×210mm)×高さ80mm 磁場と電流の関係
非破壊観察 事例1 プリント基板配線パターン内の電流経路観察 電子部品の相互接続に使用されるプリント基板において、配線パターンに流れる電流経路を可視化することは、 電気的なショート箇所の特定に役立ちます。 事例2 パワーデバイスのショート箇所の絞り込み 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、パッケージを開封せずに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。 推定ショート箇所 推定ショート箇所 重ね合わせ像(電流経路像+超音波顕微鏡像) 推定ショート箇所 推定ショート箇所 Z方向磁場(Hz) を基に作成した電流経路像 (明るい部分が電流経路) 過電圧により破壊したパワーデバイスのショート箇所を、パッケージ開封せずに絞り込みました。 3 17-216a(6) Ｚ方向磁場像(Hz) 推定電流像(方向) ↑：青、↓：赤 ←：青、→：赤 基板配線パターン 電流像 V X Y
非破壊観察 事例3 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できます。 X方向磁場像(Hx) 3次元X線顕微鏡像(電流経路イメージ) 電流 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 -4 -2 0 2 4 電圧(V) 電流(A) LED電気的特性 白色発光 LED発光状態 LED: Light Emitting Diode (発光ダイオード) 事例4 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) 電 極 電 極 100mm V CFRP板 測定エリア 重ね合わせ像(電流像+外観像) Z方向磁場像(Hz) 電流像 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。 4 17-216a(6)
非破壊観察 事例5 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。 パッドA Ｖ 0 -3 1 磁場(arb. unit) 26mm パッドB 20mm 15mm ※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 26mm X方向磁場像(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。 5 17-216a(6)
非破壊観察 6 17-216b(5) 原理 超音波は、異なる物質へ伝播した際に、一部が反射し、一部が透過します。 この反射波を検出し観察する手法 を反射法、透過波を検出し観察する手法を透過法といいます。観察対象に剥離箇所(空隙)があると強い反射波が 検出され、透過波は検出されません。この性質を利用して観察対象の異常を検出します。 超音波顕微鏡は、非破壊で、観察対象内部の剥離・クラック・ボイド・異物などの欠陥を観察する ことができる手法です。 超音波顕微鏡(SAM) Scanning Acoustic Microscope 観察対象 音響レンズ 平面 スキャン 剥離など ゲート内の強度のピーク値を 基に、カラーバーに合わせた 色付きで画像化することで、 観察対象内部の剥離などの 異常箇所を検出します。 平面スキャンで 画像化 水槽 (純水) 空隙 100％の強い反射 × 無信号(透過しない) 反射法 透過法 音響レンズ＋ レシーバー 音響レンズ＋ レシーバー 音響レンズ＋ レシーバー レシーバー レシーバー ： ： 送反 信射 波波 ：透過波 超音波反射波形の例 時間 密着箇所 水-材料1 界面の反射波 材料1-材料2 界面の反射波 強度 - + 0 ゲート 強ピ 度ークの 剥離箇所 時間 強度 - + 0 強ピ 度ークの ゲート
非破壊観察 装置ラインナップ 当社では、半導体全般および、各種材料の検査・解析用途の超音波顕微鏡(SAM)・超音波映像装置(SAT)に 加え、大量の試料を検査できる自動搬送型の超音波顕微鏡を所有しています。 この豊富なラインナップにより、目的や試料に応じた最適なサービスをご提供します。 超音波顕微鏡(SAM) 自動搬送型超音波顕微鏡 超音波映像装置(SAT) 試料サイズ 事例1 ウェーハ貼り合わせの密着性観察－反射法－ 光デバイス・高周波デバイス・MEMSデバイスなどで用いられるウェーハ接合において、貼り合わせ部の剥離、 気泡や異物のかみ込みは重大な欠陥になります。 反射像で白色に見えている箇所は、超音波の反射強度が強い 箇所を表しており、接合材のボイドを検出しています。 超音波反射像 接合剤のボイド(気泡) 密着箇所 強度 時間 ゲート 超音波反射波形 3インチウェーハ • 超音波顕微鏡・超音波映像装置 •自動搬送型超音波顕微鏡 ：最大 ：トレー搬送 × 300mm × 135.9mm (JEDEC規格標準サイズ) 300mm 322.6mm 7 17-216b(5)
非破壊観察 事例2 半導体パッケージ内部の剥がれ観察－反射法－ 試料に超音波を照射したときに得られる反射波の情報から、内部の異物・クラック・剥がれなどを識別すること ができます。反射波形を確認し、強い信号を検出した箇所が剥がれ箇所です。 Point1 Point2 超音波波形(反射波) 半導体パッケージ(故障品) の反射観察像 Point2 (剥離箇所) Point1 (密着箇所) 事例3 半導体パッケージ内部全体の観察－透過法－ 半導体パッケージは、さまざまな材料で構成されています。 近年、半導体パッケージは、チップを多段スタック することにより、高性能化と小型化が進んでいます。 多段スタックのように複数の界面が存在する場合、反射波で 下層部の観察行うと、各界面での音波の減衰や多重反射の影響で正確な情報が得られないことがあります。 透過法は、観察対象を透過する音波を検出して画像化するため、複数界面が存在する場合でも内部の異常を 観察することができます。 半導体パッケージ(故障品) の透過観察像 音波が透過しない領域 (内部に異常あり) 透過法の観察イメージ 透過する (内部に異常なし) 透過しない (内部に異常あり) クラック・剥離など (空隙) 超音波 8 17-216b(5)
非破壊観察 事例4 プリント配線基板の観察－反射法・透過法－ 電子機器で用いられるプリント配線基板内部の異常を観察することができます。 表層側の界面は反射観察で 精度良く確認でき、多層化し複数の材料界面が存在する基板内部は、透過観察で剥離を検出できます。 反射観察像 透過観察像 基板内部の剥離 事例5 CFRP内部の観察－反射法－ CFRPは、炭素繊維に樹脂を染み込ませシート状にしたものを積層することで、強い強度と軽さを併せもつ材料 として各分野で使用されています。 積層構造であることから、層間の剥がれが強度低下に結び付くことが懸念 されます。超音波顕微鏡は、問題になりそうな層間の剥がれを検出することができます。 CFRP表面の反射観察像 CFRP内部界面の反射観察像 表面に異常がない箇所で 内部の剥がれを検出 CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics (カーボン繊維強化プラスティック) 9 17-216b(5)
非破壊観察 10 3次元X線顕微鏡 3D X-ray Microscope 3次元X線顕微鏡(X線CT)は、対象物の内部を非破壊で観察する顕微鏡です。 一般的なX線 透視観察装置と異なり、試料を透過したX線を光に変換し、光学レンズにより拡大する特徴が あります。 そのため、内部の状態および構造・欠陥について高分解能・高コントラストな観察が 可能です。 また、CTにより3次元像の構築が可能であるため、各方向からの断層イメージを 非破壊で得ることができます。 原理 X線透過観察 X線は物質を透過する性質があります。 X線が試料を透過する際に一部は吸収されます。 吸収の割合は、材料 の密度が高く(原子番号が大きい)、厚さが厚いと大きくなるため、透過するX線強度が低くなります。 X線源 試料 I0 I I = I0 exp(-μD) I0 I μ D ：X線強度(試料透過前) ：X線強度(試料透過後) ：減衰係数 ：試料厚 検出器 X線強度( I ) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 強度低下 透過したX線強度を基に カラーバーに対応する 色付けを行い画像化 X線透過観察像 拡大方式 通常の方式では、透過したX線を投影して拡大するため、より高分解能で観察するには、試料をX線源に 近づける必要があり、拡大率は試料サイズによります。 X線CTは、投影拡大に加え、X線を光に変換して光学 レンズでさらに拡大するため、試料サイズに関わらず高分解能での観察が可能です。 X線源 試料 シンチレータ X線透過(投影拡大) 光学レンズ 光学拡大 X線CT装置内 X線源 試料 シンチレータ＋光学レンズ ※光学レンズの拡大率：4倍/20倍/40倍 17-218(9)
非破壊観察 11 原理 X線CT 観察対象のサンプルに対して360°のX線透過情報を基に、コンピュータで計算処理を行い試料の3次元データ を構築します。回転ピッチを狭くし、より多くの情報を得ることで、精度の高い3次元データを構築できます。 X線CT観察イメージ 試料 Ｘ 線 源 Ｘ 線 源 検 出 器 検 出 器 360°のX線 透過情報 X線透過像(2次元データ) 0° 45° 90° 3次元 断面位置 X線CT像(3次元データからの断面像) 360°ピッチ(2Ｄ-1枚) 90°ピッチ(2Ｄ-4枚) 45°ピッチ(2Ｄ-8枚) 0.2°ピッチ(2Ｄ-1600枚) 試料サイズ(最大) X線透過(目安) ：50mm×50mm×50mm 重量(最大)：15kg ：アルミ(～22mm)、銅(～2.5mm)、金(～0.1mm) 事例1 半導体製品の内部構造観察 半導体製品に求められる、より小型化、より高機能化に伴い、パッケージの内部は3次元化・複雑化しています。 そのため、故障解析を行う際には、できるだけ非破壊で内部情報を把握することが重要になります。 X線CTは、ワイヤ・フレームなどの金属材料に加え、チップ・接着剤・樹脂など、軽元素材料の状態を 3次元で観察することができるため、より確実な故障解析・構造解析などに有効です。 X線CT像(3次元像) 金ワイヤ X線CT像(任意断面) チップ 接着剤 樹脂 気泡 フレーム 100μm 17-218(9)
非破壊観察 12 事例2 MEMSデバイスの内部構造観察 MEMS構造体の一部を画像処理で透明にすることにより、各素子の立体的な位置関係を把握しながら、断面 構造を観察できます。 MEMS: Micro Electro Mechanical Systems X線透過像 MEMSチップ X線CT像(任意断面) ガラエポ基板 チップ MEMSチップ チップ 樹脂 X線CT像(3次元像) 空洞 MEMS構造体 X線CT像(一部を透明化) 空洞 MEMS構造体 一部を透明化 X線CT像(MEMSチップ拡大) 空洞 MEMS構造体の断面 事例3 LED蛍光体の粒度分布測定 LED内部の蛍光体を3次元的に可視化することができます。 また、3次元データのコントラスト差を基に蛍光体 の情報を抽出することで、粒子の体積・表面積など粒度分布を統計的に解析できます。 試料外観図 3.2mm 2.8mm X線CT像(任意断面) 蛍光体 200μm X線CT像(3次元像) 蛍光体を 抽出して 粒度分布 を測定 蛍光体の3次元分布像 蛍光体を体積別に 色分け表示 125μm3～ 1,125μm3～ 2,125μm3～ 3,125μm3～ 4,125μm3～ 粒度分布測定結果 測定項目 最小 最大 平均 体積 125μm3 39,819μm3 747μm3 表面積 25μm2 11,623μm2 400μm2 ※本データは5画素(25μm2、125μm3)以下をカットしています。 17-218(9)
非破壊観察 13 事例4 錠剤内部の構造観察 錠剤には、服用しやすさ、取り扱いの容易さ、においや苦味の抑制などの利便性に加え、適切な部位で適量が 作用するよう、溶ける箇所・時間などを調整する重要な役割があります。 X線CTは、コーティング層、粉薬の分布状態などの内部構造を確認でき、非破壊であるため、乾燥・ 湿潤などによる状態変化の確認にも活用できます。 X線CT像(3次元像) 2mm X線CT像(任意断面) コーティング層 362μm 500μm X線CT像(任意断面) 粉薬(白色部) 亀裂(黒色部) 幅4μm 200μm 事例5 錠剤内部の空隙の観察 錠剤はさまざまな形状があり、作製に当たって多くのプロセスパラメータを設計する高度な技術が必要と されます。 そのようにして作製された錠剤の中には、キャッピングなどのように打錠障害を有するものがあり、その原因を 特定し、設計技術に生かすことが重要です。 X線CTは、錠剤内部を3次元的に観察でき、キャッピング などの原因となり得る空隙を確認できます。 X線CT像(3次元像) 断面 X線CT像(任意断面) 空隙 X線CT像(3次元像：空隙を抽出) 空隙 17-218(9)
非破壊観察 14 事例6 カプレット錠内部の空隙率の算出 打錠条件によって、錠剤内部に空隙が残る場合や密度分布が変化する場合があります。 X線CTは、空隙の分布や密度の変化を3次元で観察して数値化でき、打錠条件の改善に 役立てることができます。 X線CTでカプレット錠内部の空隙を可視化 空隙 カプレット錠断面のX線CT像 空隙はX線吸収率が小さく 暗く表示される 内部空隙 0.14 mm3 0.04 % 事例7 錠剤内部の密度分布 打錠条件によって、錠剤内部に空隙が残る場合や密度 分布が変化する場合があります。 X線CTは、非破壊かつ3次元での観察により、空隙分布 や密度変化の数値化が可能で、打錠条件の改善に 役立てることができます。 各領域内の輝度のヒストグラムを作成 空 気 固体 空 気 固体 空隙率が小さい 空隙率が大きい 輝度 度数 空隙 固体 空気のX線吸収率はほぼゼロで輝度は小さくなります。 そのため、各領域内の固体の占める割合により輝度の ヒストグラムの歪み方が異なることから、これを歪度として 数値化することができます。 空隙率が大きいほうが歪度が 小さくなります。 三角錠のX線CT結果の3次元表示 1mm X線CT像の1断面 左図への歪度像の重ね合わせ 歪度が大きい場所を明るく、歪度が小さい場所を暗く表示して います。 中心部で歪度が小さいため、中心部は空隙率が大きく、 低密度であることが示唆されます。 17-218(9)
非破壊観察 15 事例8 プリント基板内の内部構造観察 プリント配線基板内のガラス繊維・樹脂・銅配線を3次元で明確に観察することができるため、プリント基板の 故障原因となる、異物や空気層の混入、基板クラックなどの確認に有効です。 プリント基板(ガラエポ基板) 外観 X線CT像(3次元像) 銅配線 ガラス繊維 X線CT像(任意断面) 銅配線 ガラス繊維 エポキシ樹脂 500μm 事例9 バイオマス炭化物の内部構造観察 バイオマス炭化物(木炭)などの軽元素材料でも、高コントラストで3次元構造観察を行うことができます。 明確なコントラスト差が得られることで、その後のデータ解析の精度も向上します。 X線CT像(3次元像) Y X Z X線CT像(任意断面) Z軸断面 500μm Y軸断面 500μm 試料ご提供元：東京工業大学大学院理工学研究科機械制御システム専攻渡部弘達様 17-218(9)
非破壊観察 16 事例10 リチウムイオン電池の内部構造観察 モバイル機器の発展により、リチウムイオン電池など二次電池の需要がますます増加しています。 X線CTは、電池内部の正極・負極材・TAB端子・封口板・保護回路基板などの内部構造を非破壊で 観察できます。 電池の繰り返し使用に伴う膨張や変形・切断破壊の様子を捉えることにより、劣化部位の特定が 可能です。 使用済み角筒型電池のX線CT像 3次元 膨れ 3次元 膨れ 断面 膨れ 1mm 円筒型電池のX線CT像 3次元 断面 3次元 断面 スマートフォン用アルミラミネート型電池のX線CT像 3次元 断面 2mm 17-218(9)
非破壊観察 17 事例11 CFRP内部の観察 CFRPは、炭素繊維に樹脂を染み込ませシート状にしたものを積層することで、強い強度と軽さを併せもつ材料 として各分野で使用されています。 X線CTは、強度に密接に関係する繊維の配向、密度や樹脂中の 空気層など、内部の情報を観察できます。 CFRP基板外観 X線CT像(3次元像) 炭素繊維 剥がれ(空気層) X線CT像(任意断面) 炭素繊維 剥がれ(空気層) 樹脂中の気泡 CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics (カーボン繊維強化プラスティック) 事例12 セラミックス内部構造観察 セラミックス製品は、耐熱性・耐食性・電気絶縁性に優れることから、さまざまな用途で使用されていますが、 内部の欠陥はそれらの特性に重要な影響を与えることが考えられます。 X線CTは、気泡や割れなどの内部欠陥の詳細を確認できます。 セラミックス基板外観 観察範囲 X線CT像(3次元像) 気泡 割れ 幅：3μm 深さ：580μm 内部欠陥抽出(3次元像) 気泡 割れ 17-218(9)
非破壊観察 受託分析サービスの流れ 1 お問い合わせ 分析・解析について当社へご相談ください。 専門の営業担当がご対応します。 • URL: https://www.nanoanalysis.co.jp/ •E-mail: support@nanoanalysis.co.jp • TEL: 045-770-3471 2 お見積り 分析・解析の内容により、費用のお見積りをします。 ※お見積り記載内容および約款をご確認ください。 •約款: https://www.nanoanalysis.co.jp/request/ 3 ご発注 お見積りの記載内容にご承諾いただける場合は、 営業担当にご一報ください。 必要な手続きなどお知らせいたします。 4 分析 分析・解析を実施します。 ご希望により、一次回答(速報)をします。 5 分析結果の ご報告 報告書をご提出します。 報告内容について、ご質問があれば説明します。 6 お支払い 報告書と同時に納品書・請求書をお送りします。 お支払いは、原則として銀行振り込みにてお願い します。
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