産業技術総合研究所(産総研)と東北大学は10月2日、半導体パッケージの封止材中のボイドなど、従来のX線非破壊検査法では見えなかった内部欠陥がX線タルボ干渉法により観測できることを実証したと発表した。

同成果は、産総研 生産計測技術研究センター プロセス計測チームの上原雅人主任研究員、東北大学 多元物質科学研究所の百生敦教授、矢代航准教授らによるもの。詳細は、「Journal of Applied Physics」にオンライン掲載される。

X線タルボ干渉法の装置の概略図。X線タルボ干渉法では、X線格子1の後ろに現れる回折像と、X線格子2の重ね合わせで作られるモアレ模様から、従来のX線吸収像とX線位相微分像、X線散乱像を同時に取得できる

X線は非破壊検査に広く用いられているが、従来の検査で得られるX線吸収像だけでは、電子部品内部の金属配線や電極を検査できても封止材の検査はできなかった。封止材の検査には、一般に超音波が利用されているが、試料を水に浸す必要があり全数検査には不向きである。そこで今回、医療用で研究・開発が先行しているX線タルボ干渉法を工業用非破壊検査法として応用する可能性を探るため、電子部品の撮影を試みたという。すると、X線タルボ干渉法で得られたX線位相微分像では、封止材内部の多数のボイドが観察できた。このようなボイドは封止材の保護力を弱めると考えられるため、品質管理上、問題となる。X線タルボ干渉法によって、非破壊検査の高度化が可能になると考えられるという。

ICパッケージの撮影実験結果。(a)従来のX線非破壊検査法によるX線吸収像、(b)X線位相微分像。封止材中のボイドは(a)では全く観察できないが、(b)では多数のボイドが明瞭に観察できる

次に、パワーモジュール模擬試料をX線タルボ干渉法によって撮影してみた。同試料は、アルミニウムの冷却板と窒化アルミニウムの絶縁板、シリコン基板を積層し、封止材で覆ったもので、あらかじめアルミニウムや封止材表面には傷を入れてある。これらの傷はX線吸収像では全く見えないが、X線位相微分像でははっきりと確認できた。また、試料内部のシリコン基板は、X線吸収像やX線位相微分像では全く確認できないが、X線散乱像では確認できた。窒化アルミニウム内にあらかじめ入れておいたクラックも同様で、X線散乱像では明瞭に見ることができた。

図2　パワーモジュール模擬試料の撮影結果。(a)従来のX線非破壊検査法であるX線吸収像、(b)X線位相微分像、(c)X線散乱像、(d)内部の概略図。(b)では表面の傷などが、(c)では内部のシリコン基板や窒化アルミニウムのクラックが見える。これらは従来のX線非破壊検査方法である(a)のX線吸収像では全く観測できない

X線タルボ干渉法によって電子部品を撮影した結果、これまでのX線吸収像による非破壊検査法では全く見えなかった封止材内部のボイドや表面の傷、セラミックス絶縁体内部のクラックなどが、X線位相微分像やX線散乱像では観察できることが分かった。X線タルボ干渉法は、X線位相微分像やX線散乱像を、従来のX線吸収像と同時に取得でき、小型のX線源でも撮影可能なので、生産現場でも使用できる工業用のX線装置として、非破壊検査の高度化に寄与することが期待される。今後は、厚みのある製品でも検査ができるように、X線のさらなる高エネルギー化とそれに対応できるX線格子の作製を行う予定。また、欠陥などの配置や形態を立体的に把握できるように、コンピュータ断層撮影(CT)のような立体画像の構築などの研究を進め、より生産現場のニーズに応えた装置を開発する計画としている。