SAT 超音波スキャン顕微鏡

SATのイメージングの基礎は、超音波が異なる材料間を伝播する際に生じる反射、散乱、透過量の変化に基づいています。その操作原理は以下の3つのコアメカニズムを含みます：

1. 超音波の伝播と音響インピーダンスの違い：SATの核心原理は「音響インピーダンス」の違いに基づいています。超音波が水の媒質から異なる材料、例えばシリコン、金属、樹脂、空気、ゴム、セラミックに伝わると、各材料の音響インピーダンスが異なるため、生成される反射強度も異なります。音響インピーダンスの違いが大きいほど（例えば：樹脂 vs. 空気）、反射が強くなるため、SATは「空洞、剥離、亀裂」に特に敏感です。
2. 深度層掃描（Depth Profiling）：超音波発射後、材料界面の密度と弾性に応じて異なるエコー信号が生成され、時間遅延（Time of Flight）、反射強度（Amplitude）、散乱パターン（Scattering Profile）を計算することで、パッケージ内部の異なる深さの界面を三次元画像として再構築することができます。連続的な深さスキャンを通じて、樹脂、結晶粒、はんだ、パッケージ構造間の接合状態を層ごとにチェックすることができます。
3. 高周波超音波と解像度：SATのプローブ周波数は一般に15–230 MHzをカバーしており、低周波はより強い透過力を持ち、厚いパッケージに適しています。高周波はより高い解像度を持ち、微小な界面異常を識別することができます。SATは厚さ4mmを超える封止モールドパッケージを検出できます。同時も先進的なパッケージ内の微細な剥離構造を識別でき、大型BGA、QFN、パワーモジュールに適しています。

SAT 超音波スキャン顕微鏡は、パッケージ内部の剥離、気泡、亀裂、崩壊、樹脂の不均一性、接合異常などのさまざまな隠れた欠陥を検出するために一般的に使用されます。特に、X線や光学的方法では捉えにくい界面の問題に対してです。ICパッケージがより薄く、大きなサイズ、多層スタッキング、複合材料の統合に向かって進化する中で、SATは封止品質、チップの接着、界面の完全性、および多層構造の信頼性を検証するための標準的な分析ツールとなっています。

パッケージ構造分析において、SATは高コントラストイメージングを用いてパッケージクラック、デラミネーション、ダイクラック、樹脂内部の空洞、フィル孔の接触不良、ダイアタッチの均一性の問題を明確に識別できます。その高感度は、極薄の誘電層内の気泡や金属フィル孔内の微小な空洞を示すのに十分であり、無鉛はんだボールのリフロー後の樹脂パッケージ内の界面状態を評価することができます。

パワーモジュール、電源部品、セラミック複合材パッケージにおいて、SATは金属/セラミック界面、熱伝導材料の接着層、銀ペースト接着の検査において、より代替不可能な存在となっています。超音波は樹脂、セラミック、複合材料を透過することができ、内部界面の変化を高感度で示し、プロセス改善、パッケージ最適化、信頼性分析の重要な根拠を提供します。

1.パッケージクラック（Package Crack）：モールドコンパウンド、エポキシ樹脂、またはパッケージ外周における熱応力や機械的応力によって生じる亀裂を検出し、亀裂の延伸方向と深さを追跡することができます。

2.層間剝離とデラミネーション（Delamination）：モールドと基板、DAFと結晶粒、アンダーフィルとRDLなどのインターフェースの局所剥離を識別できることは、パッケージの信頼性の失敗の重要な指標です。

3.樹脂内の空洞（Voids in Resin）：モールド封止、アンダーフィル充填、ダイアタッチにおいて気泡・湿気・材料の混合不良によって生じるボイドを評価でき、後続の熱サイクル信頼性に大きな影響を与えます。

4.ダイクラック：結晶粒のエッジや内部の応力によって生じるクラックを観察できることは、チップの信頼性分析において重要な項目の一つです。

5.ダイアタッチ（Die Attach）品質評価：銀膠（Ag epoxy）、DAF 膜、Solder Die Attachの展開と付着状況を判断できることは、パワーモジュールと高出力パッケージにとって不可欠な検証項目です。

6.メタルビア（Via / Plated Hole）接触不良：TSV、ReVia または PCB via の中の金属充填孔が不完全な状態、例えば孔内の空洞、混入物、または充填孔の密度が不均一であることを識別できます。

MA-tekはHitachi FS300IIとSonoscan GEN6の2つの高性能SAT装置を備えており、一般的なパッケージ、BGA、QFNから高出力モジュール、MEMS、先進材料の多層界面分析のニーズに応えています。

1. 高周波帯プローブ（15–230 MHz）:プローブの周波数は15–230 MHzをカバーしており、材料特性、パッケージの厚さ、構造の要件に応じて異なるプローブを選択することで、透過力と解像度の最適化を図ることができます。高周波プローブは非常に微細な界面欠陥を識別でき、低周波プローブは厚いパッケージや材料の積層が多い製品を検出することができ、イメージングは透過深度と解像度の間で最適なバランスを得ることができます。

   超音波周波数	特性	適用範囲
   15–30 MHz	透過力が強い	厚封装、树脂体、功率模块
   30–100 MHz	解像度と透過力のバランス	大多数 IC パッケージ / PCB
   100–230 MHz	高解像度、微細な欠陥を識別可能	WLP、MEMS、Microelectronics

2. 高速スキャン（最高1000 mm/s）：高速スキャン能力は大量の試料検査をサポートし、量産品の品質管理効率を向上させます。同時に、位置決め精度を維持し、パッケージ内部の欠陥の判読をより信頼性のあるものにします。
3. 高い深さ分解能（0.5 μm）：MA-tekのSATシステムは0.5μmの高解像度を持ち、DAF（Die Attach Film）の不均一な接着、Underfillの亀裂、封止樹脂内の微細な空洞など、近接する層間の界面の違いを正確に区別できます。
4. マルチモードイメージング能力：SATは多様なスキャンモードを持ち、同じサンプルを異なる角度から完全に解析することができます。マルチモードの統合により、エンジニアは欠陥の深さ、界面の異常位置、接合の品質状況を迅速に判断でき、問題の特定効率を大幅に向上させます。また、材料の特性や欠陥の種類に応じて、最適な測定方法を選択し、分析結果の正確性と信頼性を確保することができます。

   スキャンモード	特性
   A-scan（単点波形スキャン）	単一位置のエコー時間と強度を表示し、インターフェースの深さと反射特性のデータを提供します。
   B-scan（剖面スキャン）	直線方向に沿った側面断面を表示することで、Z軸の深さにおける欠陥の位置を明確に判断できます。
   C-scan（平面スキャン）	特定の深さでの2D欠陥分布を表示することは、パッケージ品質検査で最も一般的に使用されるモードです。
   S-image（多層画像重ね合わせ）	異なる深さの画像を統合し、パッケージ構造の多層界面の違いを分析するために使用します。
   T-scan（透射スキャン）	反対側から音波を受信し、全体の材料透過率と大面積の欠陥を検査するのに適しています。
   3Dアコースティックイメージング	多層スキャン結果を統合して三次元構造を作成し、クラックの方向、脱層の範囲、材料内部の幾何特性を視覚化するために使用します。