J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，33, 4 (2009) 163-168

テラヘルツ波を用いたイオンマイグレーションの検出
石 川 義 博*，水戸部 一 孝*,1，鈴 木 雅 史*，吉 村昇*（2009 年 3 月 19 日受付; 2009 年 5 月 19 日受理）

Detection of Ion Migration that Uses Terahertz Wave
Yoshihiro ISHIKAWA,* Kazutaka MITOBE,*,1 Masafumi SUZUKI* and Noboru YOSHIMURA*(Received March 19, 2009; Accepted May 19, 2009)

The detection of ion migration generated in Printed Wiring Board (PWB) was analyzed by using the terahertz (THz)imaging techniques. THz wave can transmit polymeric resin but it cannot transmit in metal. We have used thischaracteristic of THz wave in order to detect the dendrite in PWB. The validity of the THz imaging was comparedwith Multi soft X-ray TV inspection apparatus and microscopic images. As a result, the spatial resolution of THz
imaging is not high compared with X-ray images, but it is possible to find the dendrite by THz transmission imaging.
Again, we have calculated the copper density from comparing the measured data of X-ray images and THz
transmission image of dendrite. It is clear that the least density of detectable copper was about 17.8 μg/mm2 by ourTHz imaging system.

1.

分析等であり，前者はヒトに有害であり測定対象にもダメー

はじめに近年，電子回路の集積化・小型化に伴い，配線間の絶縁距ジを与え，後者は特殊な設備を使用する必要がある 1) ．

離が短縮され，イオンマイグレーションによるプリント配線

テラヘルツ（THz：1THz＝1012Hz）帯の電磁波（以後，テ板(printed-wiring board：PWB)の絶縁信頼性の低下が問題

ラヘルツ波と呼ぶ）は，その発生や検出が困難であり良質なとなっている．イオンマイグレーションが初めて顕在化する光源や検出器が存在しなかったことから，“未開拓領域の電磁のは多くの場合フィールドからのクレームによるものだが，波”と呼ばれていた．しかし，近年ではテラヘルツ波の発振故障時の現象は完全に絶縁破壊を起こすまでには至らず，絶や検出手法の改善により比較的容易に扱える技術基盤が整い，

1)

縁抵抗の減少によるシステムの動作不良の場合が多い ．イテラヘルツ領域での研究が盛んになってきた．特にテラヘルオンマイグレーションも絶縁材料やコートされた部品の内部ツ帯域の特徴を活かした分光やイメージングへの応用に関すで発生するため，外部からの確認は容易ではなく，故障の原る研究は世界的にも盛んであり，X 線に代わる新たな非破壊因がイオンマイグレーションであったと確認されることは非検査技術として大きな期待がもたれている 2)．例として，テ常に少ない 1)．

ラヘルツ波が生体構成分子や水による吸収が大きい特徴を利イオンマイグレーションの評価方法には外観や形状を観察用して，空港での危険物の検査 3,4)や壁画の解析 5)，断熱材なする光学顕微鏡観察，X 線顕微鏡観察，原子間力顕微鏡

どの欠陥解析6)，癌の検査7,8)，植物の葉の水分分布9)といった(Atomic Force Microscope：AFM）や，析出物の元素組織を評様々な応用方法が提案されている．

価する X 線光電分光法 (X-ray Photoelectron Spectroscopy：

本論文では，PWB 内部に発生するイオンマイグレーション

XPS)，オ－ジェ電子分光法 (Auger Electron Spectroscopy：AES)を検知するための基礎研究として，テラヘルツ波が高分子樹などの方法があるが，多層基板の層間を伸展するデンドライ

脂を透過しやすく金属を透過しないという特性を生かし，プト等の内部情報が得られるものはX 線顕微鏡または放射化学

リント基板の層間を伸展するデンドライト（dendrite）を検出できる可能性を検証した．

キーワード：イオンマイグレーション，デンドライト，テラ
ヘルツ波，Ｘ線透過画像，イメージング* 秋田大学工学資源学部電気電子工学科（010-8502 秋田市手形学園町 1-1）
Dept.of EEE/ Faculity of Engineering Resource Science / AKITA
UNIV, 1-1, Tegata Gakuencyo, AKITA 010-8502, Japan1
mitobe@ipc.akita-u.ac.jp

2.

試験用基板試料作製手順

本論文では多層基板の層間に伸展するデンドライトをテラヘルツ波により可視化できるかを調べるために，フレキシブ
ル基板を重ねることで多層基板を模擬した試験基板を作製し，層間において WDT (water drop test) 法によりイオン164(34)

静電気学会誌

第 33 巻

第 4 号（2009）
2㎜6㎜
1㎜6㎜

Anode

エポキシ系樹脂

20kΩ

8V

Cathode(a) 試験用基板(b) 劣化試験用回路

図 1 加速試験用回路と絶縁劣化用試験基板
Fig. 1 Circuit for acceleration test and examiation basal lamina of neural tube for insulation deterioration.

マイグレーションを発生させた．WDT 法は脱イオン水滴下加時間は 30 分，脱イオン水の滴下量を 50 μL と設定しデンド法と呼ばれ，電極および絶縁部分を脱イオン水で覆うため，ライトを発生させた．電圧印加中の絶縁劣化用試験基板の外湿度が 100%の結露した状態を模擬することができ，電極金観を図 1(c)に示す．印加後は層間の水分が完全に蒸発するま属の溶出，移行が加速され短時間でイオンマイグレーションで乾燥させ，これをテラヘルツイメージングに用いる劣化サを発生させることができる．イオンマイグレーション現象はンプルとした．また，試験基板に印加する電圧の極性を反転進行過程において水酸化銅が析出するため，デンドライトとさせること（極性効果）により，デンドライトの発生量を抑水酸化銅を発生させた絶縁劣化サンプルをそれぞれ作製した．

え，水酸化銅の発生量を増やすことができ，このようにして試験用基板の作製手順は下記の通りである．試験基板に脱イ絶縁劣化させた基板を水酸化銅サンプルとして利用した．

オン水を滴下し，水滴の上にフレキシブル基板（電極のないポリイミド部分：縦横 8 mm × 8 mm，以後，カバーフィル3.

ムと呼ぶ）を設置する．カバーフィルムは水滴の表面張力に3.1より試験基板上に固定され，フレキシブル基板とカバーフィ

本研究で使用するテラヘルツイメージングシステム

ルムの層間が脱イオン水で満たされた状態で試験基板に直流(TIS-200G テラヘルツ研究所）の構成を図 2 に示す．イメー電圧を印加し，イオンマイグレーションを発生させた．フレジングシステムはファンクションジェネレータ（DF1905

キシブル基板の電極部の銅の厚さは約 9m である．図 1(a)Digital Function Generator）により直流電源（KX-100H DCに試験基板の形状を示す．電極の形状は，アノード側が幅 1Power Supply）を繰り返し周波数 4 kHz で ON/OFF しており，mm の凸型電極，カソード側が平板電極である．電極形状は，この直流電源で 0.189 THz のテラヘルツ波を連続波として発電界を集中させることでデンドライトの発生箇所を制限でき振させることができる TUNNET (tunnel injection transit diode)ること，エッチングによる加工精度を考慮して決定された．

ダイオードを駆動している．放射されたテラヘルツ波は，テここでは，本装置で使用しているテラヘルツ波の理論的空間フロン製レンズを通過し，口径 1.0 mm のアパーチャを介し分解能が約2 mmであることから，電極間隔を2 mm とした．て測定用サンプルに入射する．サンプルを透過したテラヘル

なお，本装置ではテラヘルツ波を内径 1 mm のアパーチャをツ波は，ショットキーバリアダイオード(Schottky barrier

通すことで近接場効果により，0.3 mm の空間分解能を得ていdiode：SBD)で検出され，ファンクションジェネレータからの9)る ．また，通常 WDT 法では，ピペット等を用いて基板に定テラヘルツイメージング
実験装置

参照信号を基にロックインアンプ（SR810 DSP Lock-in

量した水滴を滴下しているが，電極と水滴の接触面積が異なると試験開始時の電極間抵抗値（初期抵抗）に大きなズレがFunction Generator生じる．そこで本論文では，エポキシ系樹脂を用いて図 1(a)Lock-in AMP

TUNNETTに示す枠を作製し，試験基板と水滴の接触面積（6 mm × 6mm）を一定にすることで試行ごとの電極間抵抗値の初期値の差違を抑制した．図 1(b)にイオンマイグレーションを発生させるための回路を示す．試験基板の電極には，電圧 8 V の定電圧直流電源（KENWOOD REGULATED DC POWER
SUPPLY PR36-1.2A），20 kΩ の保護抵抗を接続した．電圧印

Pulse

SBD

Generator
X-Y Stage ControllerPC

図 2 テラヘルツイメージングシステムのブロック図
Fig. 2 Block diagram of terahertz imaging system.

テラヘルツ波を用いたイオンマイグレーションの検出（石川義博ら）

165(35)

Amplifier）で同期検波される．ロックインアンプは PC に接出によるものである．テラヘルツイメージでは電極境界部分続されており，サンプルをラスタースキャンする X-Z ステーで回折が生じており，また空間分解能が約 0.3 mm 程度と低ジの位置情報を基に検出された信号成分が画像化される．まいことから，光学顕微鏡写真，X 線透過画像のような精細なた，テラヘルツ波による透過画像の妥当性を評価するために，電極形状の情報を得ることができない．しかしながら，電極

軟 X 線顕微鏡 (SFX-80，ソフテックス(株))による X 線透過画と非電極部分の識別は十分に可能なことがわかる．

像と，光学顕微鏡（IMT-2，OLYMPUS）による光学顕微鏡写

鏡写真，同図(c)にテラヘルツイメージを示す．電圧印加前後

真とを比較した．
3.2

図 4(a)に劣化サンプルの X 線透過画像，同図(b)に光学顕微

各種イメージング条件および方法の X 線透過画像（図 3(a), 図 4(a)）を比較すると，イオンマフレキシブル基板をエッチングしたときに生じる銅電極かイグレーションによるアノード電極から銅が溶出している様

らの溶出とイオンマイグレーション発生過程における銅電極子を確認できる．図 4(a)では電極が欠けたように見えるが，からの溶出とを区別するため，事前に軟 X 線顕微鏡と光学顕光学顕微鏡写真（図 4(b)）と比較すると，銅が溶出すること微鏡により全ての試験用基板の透過画像を撮影した．次ににより電極先端部分が薄くなっていることを確認できる．まWDT 法を用いてイオンマイグレーションを発生させ，劣化た，光学顕微鏡ではデンドライトが一様に同じコントラスト終了後に加えた水滴が完全に乾くまでサンプルを空気中で自で写っているが，X 線透過画像ではそのコントラストに差が然乾燥させた．透過画像の撮影は，はじめにテラヘルツイメ有ることを確認でき，デンドライトの厚さが部位によって異ージングシステムを用いてテラヘルツ透過画像を計測し，そなることがわかる．テラヘルツ透過画像（図 4(c)）には，電の後，光学顕微鏡写真および軟 X 線顕微鏡写真を撮影する．

極と電極間の左右 2 カ所にデンドライトの塊が高いコントラ各装置の設定値は下記の通りである．

ストで描画されている．電極部分は X 線透過画像と類似しており，テラヘルツ波を用いることで，ある程度電極金属の溶・テラヘルツ透過画像の計測条件
周波数：0.189 THz

ピッチ：50 m

出を検出できることがわかる．電極間に非透過部分が新たに生じたことや，デンドライト部分は銅金属であるためテラヘ時定数：3 ms スキャンインターバル：0.015 s

ルツ波が透過しないことを考慮すると，本実験で得られたテ

ロックインアンプ感度：500V/pA

ラヘルツ透過画像は妥当であり，デンドライトを検出可能で走査範囲：5,000 × 5,000 [m]あると考える．
図 5(a)に水酸化銅サンプルの X 線透過画像，同図(b)に光学・軟 X 線顕微鏡の計測条件

顕微鏡写真，同図(c)にテラヘルツイメージを示す．水酸化銅

イオンマイグレーションの場合発生前後の X 線透過画像（図 3(a), 図 5(a)）を比較すると電管電圧：32 kV

管電流：87A

極に大きな変化は見られない．また，光学顕微鏡写真では水

ゲイン：25.28

オフセット：28.02

酸化銅がはっきりと確認できるが，X 線透過画像(図 5(a))では倍率：40[倍]

うっすらと，テラヘルツイメージング(図 5(c))ではまったく確

水酸化銅の場合認できない．これは 0.189THz では水酸基による吸収が少な

管電圧：32 kV

管電流：86A

ゲイン：21.71

オフセット：29.67

倍率：40.3[倍]いことが原因と考える．
MATLAB を用い，得られたテラヘルツイメージからの電極間の領域を切り出すために，平板電極側下端（図面下方）から凸型電極側（図面上方）へ，透過量（SBD の電圧値）を比・光学顕微鏡の計測条件較していき，10-4 V を超えた位置を求めた．この位置を平板

倍率：40[倍]電極と電極間領域の境界とした．さらに，この位置から凸型

照射条件：透過光電極側（図面上方）へ 2 mm の領域（2 mm × 5 mm）を求め，この電極間範囲で電極を除外して 1.5 × 10-4 V 以下の値（デ3.3

各種透過画像の比較

イオンマイグレーション前（未劣化），イオンマイグレーシ
ョン後(劣化)および水酸化銅サンプルの一例を示す．

ンドライトによる吸収による減衰値）を示す総ピクセル数を計算した．この処理を 10 個のサンプルに対して実施し，テラヘルツ光の透過量が減少したピクセル数の平均値と標準偏差

図 3(a)に未劣化サンプルの X 線透過画像，同図(b)に光学顕を求めた．図 6 にイオンマイグレーション発生前後における微鏡写真，同図(c)にテラヘルツイメージを示す．図 3(a)およ

電極間を透過するテラヘルツ光が減少したピクセル数（以後，び同図(b)に見られる電極端の凹凸は，エッチング時の銅の溶析出ピクセル数と呼ぶ）を示す．イオンマイグレーション後

166(36)

静電気学会誌(a) X 線

第 33 巻

第 4 号（2009）(b) 光学顕微鏡(c) テラヘルツ

図 3 未劣化サンプルの各種透過画像
Fig. 3 Various transmission images of undegradation sampl(a) X 線(b) 光学顕微鏡(c) テラヘルツ

図 4 絶縁劣化後サンプルの各種透過画像
Fig. 4 Various transmission images of sample after insulation deterioration.
[V](a) X 線(b) 光学顕微鏡(c) テラヘルツ

図 5 水酸化銅析出サンプルの各種透過画像
Fig. 5 Various transmission images of copper hydroxide deposition sample.に析出ピクセル数が増加しており，独立二群の二標本 t 検定
により検定した結果，劣化サンプルと未劣化サンプルには析
p＜0.01

出量に差が見られ，危険率 p<0.01 の統計的な有意差を確認しこれらの結果から，テラヘルツ波イメージングによりイオンマイグレーションを検知可能であり，銅イオンの溶出によるアノード電極の形状変化も僅かに捉えられることを確認でpixel 数

た．

きた．
4.
4.1

X 線透過画像による銅の密度分布の評価
実験方法

一般に，銅金属の質量に比例して X 線透過量（透過輝度）

図 6 テラヘルツ透過画像における析出ピクセル数の差
Fig. 6 Differences of number of deposition pixels interahertz transmission image.

は減少する．本章では，既知の厚みを持つ銅箔を利用して軟X 線透過輝度と銅質量との関係式を求めることで，還元されあたりの銅金属の質量，つまり銅としての密度分布を求めるた銅金属の粒塊であるデンドライトの微小面積（ピクセル）ことができると考えた．軟 X 線透過輝度と銅質量との関係式

テラヘルツ波を用いたイオンマイグレーションの検出（石川義博ら）

167(37)を求める実験には，厚さ 2 m，純度 99.8％の銅箔を用いた．
この銅箔を 2 枚のポリイミド中に配置し，X 線透過画像の平均輝度と輝度の標準偏差を測定した．銅箔の厚さ 2 m ，4m ，6 m，8 m について測定し，1 ピクセル，高さ 1mあたりに含まれる銅の質量を計算により求め，輝度に対する銅密度の変化をグラフ化した．最小二乗法により輝度と析出量の変化を示す近似直線を求め，電極間に析出したデンドライトの銅密度イメージを作製し比較した．
試験は再現性，妥当性を高めるためイオンマイグレーション前後のサンプルをそれぞれ 10 個ずつ使用した．
4.2

図 7 銅の密度と透過輝度の関係
Fig. 7 Density of copper and dealingsof penetration luminance.

結果および考察

図 7 に任意の厚さの銅箔から算出した銅密度と軟 X 線透過輝度の関係を示す．銅密度と軟 X 線透過輝度の変化は線形性を示し，銅密度に比例して輝度が減少することを確認できる．
近似式より図 3(a), 図 4(a)の X 線透過画像を銅密度分布のグラフに変換したものを図 8 に示す．図 3(a)と図 8(a)を比較す
ると，X 線透過画像ではわかりにくかった X 線の照射範囲による輝度の差を確認できる．図 4(a)と図 8(b)を比較するとアノード電極付近にデンドライトが多く蓄積することを確認できる．過去の論文においてアノード電極側に多くの堆積物が(a) 劣化前の銅の密度分布得られることが明らかになっているが，この現象は反応式の関係から堆積物は水酸化銅であると考えられていた 10-12)．しかし，今回の測定において微量の水酸化銅は X 線が完全に透過してしまい検出できなかったことから，図 4(a)，図 8(b)に明るく表示されている部分はデンドライトであると考えざるを得ない．この場合，カソードで銅イオンが還元され蓄積されていく過程とは反する結果を示すものになる．これは進展(b) 劣化後の銅密度分布したデンドライトカソード電極の役割をするためデンドライ
ト先端で銅イオンが還元されやすく，アノードに近いデンド

図 8 銅の密度分布画像
Fig. 8 Density distribution image of copper.

ライト先端部に多く蓄積したのではないかと考えた．図 8(b)を図 4(c)と比較すると，テラヘルツイメージで非透過となった領域が軟X 線で銅密度の高いとされた領域を含んでいることがわかる．一方，図 8(b)からは判別しづらいが，テラヘルツイメージで透過となった領域にも微量の銅が分布していた．

ｐ＜0.001

ジに反映されているわけではなく，銅密度分布画像から約 1ng/pixel (17.8g/mm2)以上の銅密度がある場合，テラヘルツイメージに高いコントラストで現れると見積もられた．
軟 X 線画像には観察野周辺部に照射光量不足による照射

pixel 数 (×10 4)

このことから，析出したデンドライトが全てテラヘルツイメームラが発生していた．そこで，軟 X 線顕微鏡の照射ムラの影響を排除するために画像の両サイドの 100 列を削除し，中央部分のみを対象としてデンドライトの析出面積を求めた．未劣化および劣化の全銅密度分布画像を対象に，0＜ｘ≦2ng/pixel (0＜ｘ≦35.6g/mm2)の閾値を設定し，画像内の総ピクセル数の平均と標準偏差を示したグラフを図 9 に示す．イ

図 9 銅の密度分布画像における析出ピクセル数の差
Fig. 9 Differences of number of deposition pixels in densitydistribution image of copper.

168(38)

静電気学会誌

第 33 巻

第 4 号（2009）

オンマイグレーションの前後で銅密度が増加した領域を検出

レーションの簡易検査も可能になると期待できる．また，Xすることで，電極間に蓄積したデンドライトの析出面積を定線は人体への被爆のため遮蔽された環境でなければ利用でき量することを可能にした．なお，標準偏差は試行ごとの析出ないが，テラヘルツ帯での電磁波は人体に無害であるため，面積の変動を示しており，デンドライトなしにおける標準偏使用場所に制約がないとのメリットもある．一方，テラヘル差は本手法におけるノイズを示す．軟 X 線顕微鏡はテラヘルツイメージング技術の活用には，今後，テラヘルツ波発振器

ツ透過画像と比べて空間分解能が高いため，マイグレーショの出力向上と共に空間分解能向上の技術開発が不可欠と考えン前後における析出面積の有意差も大きく得られていること

る．

がわかる (p<0.001)．一方，図 9 と図 6 が同様の傾向を示していることから，テラヘルツ透過画像で定量されたデンドライ
トの析出面積の計測結果の妥当性を確認できる．
5.

おわりに

本研究ではイオンマイグレーション現象の非破壊検査へのテラヘルツイメージング技術の応用を目的とし，検出可能な条件を検討した．その結果，以下の知見が得られた．
電極間隔 2 mm の積層されたフレキシブル基板の層間にWDT 法により発生させたデンドライトの有無をテラヘルツイメージングで検知できることを確認し，空間分解能は劣るがテラヘルツ透過画像が軟X 線により定量した銅密度分布画像に近いことを明らかにした．また，銅密度分布画像から，アノードに近いデンドライト先端部により多くの銅金属が蓄積する現象を明らかにした．同時に，軟 X 線顕微鏡により定量したデンドライトの銅密度分布画像と比較することで，今回の試験条件では，銅の最小密度が約 17.8 g/mm2 以上存在すればテラヘルツにより検知できることを確認した．
一般に，テラヘルツ帯の電磁波は樹脂材料を透過しやすく，金属材料で反射するため，テラヘルツ透過・反射イメージン
グにより積層プリント配線板の内部に発生するイオンマイグ

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