SAT技術
なぜSAT検査が必要なのか積層半導体時代の内部欠陥検査
半導体は、HBM（広帯域メモリ）のようにダイを何層にも積層する構造や、チップレットのように複数のダイを1つのパッケージにまとめる構造へと進んでいます。パワー半導体モジュールでは、チップと厚い金属・セラミック基板を接合します。これに伴い、歩留まりと信頼性を左右する欠陥は、表面から、目に見えない接合界面へと移りました。界面に生じるボイド・剥離（デラミネーション）・クラックは、厚さが1 µmに満たない薄い空気層であることが多くあります。こうした空気層を、試料を切断せずに明瞭に検出できる代表的な方法が超音波検査（SAT）です。SATはScanning Acoustic Tomographyの略称で、超音波顕微鏡（SAM）やC-SAMと同じ原理の技術です。このページでは、SATがオプションの検査ではなく、欠かせない工程検査になった理由を説明します。SATの用語・原理・周波数の選び方は「SAT技術ガイド」に、MIT Co., Ltd.（エムアイティ、韓国）の装置の特長は「SFSATの特長」にまとめています。
1. 表面から接合界面へ移った欠陥
平面構造の半導体では、不良の多くが表面に現れ、外観検査（AOI）と電気テスト（電気的特性検査）でほとんどを検出できました。積層と異種チップ集積（ヘテロジニアスインテグレーション）が標準になった現在は、状況が異なります。ダイとダイ、ダイとインターポーザ、チップと基板、基板とベースプレートの間で、接合界面の数が大きく増えました。これらの界面は熱膨張係数の異なる材料が接する場所であり、応力、湿気、工程のばらつきが集中します。欠陥が生じる場所が変わったのです。
| 構造 | 問題となる界面 | 代表的な欠陥 | 見逃した場合の影響 |
|---|---|---|---|
| HBM・積層メモリ | ダイ間のマイクロバンプ、ハイブリッドボンディングの接合界面 | 未接合（ノンウェット）、微細なボイド、アンダーフィル未充填 | ダイ1つの欠陥でスタック全体を廃棄、熱抵抗の上昇 |
| 2.5D/3D・チップレットパッケージ | ダイとインターポーザの間、インターポーザと基板の間、ダイとモールド樹脂の間 | 剥離、バンプのクラック、アンダーフィルのボイド | 信頼性試験後の不良、出荷後の市場不良 |
| ウェーハ接合（貼り合わせ、W2W・D2W） | 接合界面 | ボイド、パーティクルによる未接合 | ウェーハ薄化や後続工程でのチップ損失 |
| パワーモジュール | チップとDCB（DBC）基板・AMB基板の間のはんだ層・焼結層、基板とベースプレートの接合部 | ボイド、剥離、焼結層のクラック | 熱抵抗の上昇、過熱、寿命の短縮 |
| 基板、積層セラミックコンデンサ（MLCC）などの部品 | 層間の接合部 | 層間剥離、クラック | 湿気の侵入、電気的な不良 |
これらには共通点があります。欠陥は、シリコン、金属、モールド樹脂などの不透明な材料の下、数十µmから数mmの深さにあります。厚さはサブミクロンであることが多く、初めは電気的に正常に見えます。その後、温度サイクルや湿気にさらされるうちに進展し、不良になります。
2. ほかの検査方法だけでは十分でない理由
検査方法は、それぞれ異なる物理量を見ています。そのため、界面の欠陥に対する感度も異なります。
| 検査方法 | 見ているもの | 検出しやすいもの | 検出が難しいもの |
|---|---|---|---|
| 外観検査（AOI） | 表面の反射光 | 表面の異物・スクラッチ・バンプ形状 | 不透明な材料の下にある欠陥全般 |
| X線（2D・CT） | 密度差による透過量 | はんだボイド、配線・バンプ形状、ブリッジ | 薄い剥離（密度差がほとんどない）、同じ材料間の未接合 |
| 赤外線（IR） | シリコンを透過した光 | ウェーハ接合界面のボイド | 金属・モールド樹脂の裏側にある欠陥、金属層を含む構造 |
| 電気テスト | 電気特性 | オープン・ショート・機能不良 | 電気的にはまだ正常な潜在欠陥（部分的な剥離、ボイド） |
| 超音波検査（SAT） | 界面での音響インピーダンスの変化 | 剥離・ボイド・クラック・未接合、深さごとの位置 | 精密な形状・寸法の測定 |
重要なのは、剥離は厚さではなく、あるかないかで検出する必要があるという点です。X線検査は透過経路上の密度差を見るため、厚さがほとんどない剥離は画像に現れにくくなります。超音波は、固体と空気の境界でほぼすべて反射し、反射波（エコー）の位相が反転します。そのため、空気層がサブミクロンの厚さでも明瞭な信号になります。IPC/JEDEC J-STD-035は、樹脂封止部品の内部にある剥離・クラックを超音波顕微鏡で検査する手順を定めた規格です。MSL（湿度感度レベル）試験の前後に行う剥離の確認に使われます。
各検査方法は競合するものではなく、役割を分担する関係です。形状と配線はX線、表面はAOI、界面はSATが担当し、電気テストが最終的な機能を確認します。詳しい比較は「SAT技術ガイド」の第8節をご覧ください。
3. 超音波が界面の欠陥を検出しやすい物理的な理由
- パルス反射法（パルスエコー法）：集束型プローブ（探触子）が短いパルスを送り、各境界面から戻ってくる反射波を受信します。反射波の強さは、境界面の両側にある材料の音響インピーダンスの差で決まります。
- 空気との境界でほぼすべて反射：固体と空気の境界では、超音波がほぼ100%反射し、位相が反転します。ボイドと剥離は空気層そのものであるため、ほかのどの界面よりも強く、区別しやすい信号を返します。
- 深さの選択：反射波が戻るまでの時間は深さに比例します。そのため、時間ゲート（ゲート）を設定して、目的の界面だけを選んで画像（Cスキャン）にします。積層構造では層ごとに画像を得られるため、どの界面に問題があるかをすぐに確認できます。
- 非破壊：試料を切断しないため、検査した製品をそのまま次の工程に送れます。同じ試料を工程の前後で比較できます。
原理、画像モード、周波数の選び方は、「SAT技術ガイド」の第2〜3節にまとめています。
4. 抜き取り検査から全数検査へ：インライン自動SATが必要な理由
超音波顕微鏡は長い間、主に実験室で使われる装置でした。信頼性試験を終えた数個の試料を、専門のオペレーターがセットして画像を判定する用途でした。しかし、次の3つの変化により、検査は量産ラインの中へ、そして全数検査へと移ってきました。
- スタックの価値：HBMのようにダイを8段、12段、16段と積層すると、最後の界面1つの不良によって、すでに積層した複数の良品ダイも一緒に廃棄することになります。不良を発見する時点が遅くなるほど、損失は大きくなります。そのため、接合の直後に界面を確認する検査が経済的です。
- 信頼性は安全性に直結：パワーモジュールでは、はんだ層と焼結層のボイドが熱抵抗を高め、熱抵抗は寿命に直結します。車載・産業機器向けの顧客からは、抜き取り検査ではなく全数検査のデータを求められるケースが増えています。
- 工程へのフィードバック：界面の欠陥は、接合時の圧力、温度、フラックス、焼結プロファイルなどの工程条件の結果として生じます。欠陥の位置と分布を座標データとしてすぐに工程へ戻すと、歩留まり改善の速度が変わります。専門のオペレーターが判定した抜き取り検査の結果だけでは、この循環をつくることは困難です。
全数検査を量産ラインの中で行う場合、装置に求められる要件が変わります。まず、ウェーハ・トレイの自動搬送とアライメント、専門のオペレーターに頼らない判定と分類、スループット（処理能力）、同じ基準で繰り返される判定が必要です。さらに、工場システムとの連携（SECS/GEM）、水分に敏感な工程のための水の管理、薄い試料の反りへの対応も求められます。実験室型の装置と全自動インライン型の装置の違いは、「SAT技術ガイド」の第6節にまとめています。
| 工程 | 検査のタイミング | 確認する内容 |
|---|---|---|
| ウェーハ接合 | 接合の直後、ウェーハ薄化の前 | 接合界面のボイド・未接合 |
| 熱圧着接合（TCB）・ハイブリッドボンディングによるダイ積層 | ダイ積層の各段階、または積層完了後 | バンプの未接合、アンダーフィルのボイド |
| パッケージ組立 | モールド工程・リフローの後 | ダイとモールド樹脂の間およびダイと基板の間の剥離、クラック |
| パワーモジュール組立 | ダイアタッチ・基板接合の後 | はんだ層・焼結層のボイド、基板の剥離 |
| 信頼性試験 | MSL試験・温度サイクル試験の前後 | 剥離の発生・進展の有無（J-STD-035） |
5. 導入前に確認すること
SAT装置を検討する際は、以下の項目を試料の条件とあわせて確認すると、装置を公平に比較できます。
- 検査対象の深さと層構造：どの界面を見るかによって、プローブの周波数帯とゲートの設定が変わります。
- スループットの比較条件：スループットは、スキャンピッチ、プローブ数、検査ゾーン数によって変わります。そのため、同じピッチ、同じ試料で比較する必要があります。
- 反りへの対応範囲：薄いウェーハや基板には反りがあります。装置がリアルタイムで高さに追従するかを確認します。
- 水との接触方式：試料を水槽に沈める方式（全没水浸法）か、試料を水槽に沈めずに水との接触を最小限に抑える方式かを確認します。検査後の乾燥方法も確認します。
- 欠陥座標の精度：自動判定、レビュー、ビニング（等級ごとの仕分け）、工程へのフィードバックは、いずれも正確なx-y座標を前提としています。
- ライン連携と判定基準の管理：SECS/GEM連携、判定基準のバージョン管理、結果データの形式を確認します。
MITのSFSATシリーズがこれらの要件にどのように対応しているかは、製品ページのモデル別比較表と「SFSATの特長」でご確認いただけます。
よくあるご質問
- 剥離の検査は、なぜX線ではなく超音波検査（SAT）で行うのですか？
- X線検査は透過経路上の密度差を見るため、厚さがほとんどない剥離は画像に現れにくくなります。超音波は固体と空気の境界でほぼすべて反射し、位相が反転します。そのため、サブミクロンの厚さの空気層も明瞭に検出できます。IPC/JEDEC J-STD-035は、こうした剥離を超音波顕微鏡で検査する手順を定めた規格です。配線やバンプの形状の検査にはX線が適しており、2つの検査方法は互いに補い合う関係です。
- HBMなどの積層メモリに、超音波検査（SAT）は本当に必要ですか？
- 積層メモリの歩留まりを左右する欠陥は、ダイ間の接合界面に生じる未接合、微細なボイド、アンダーフィル未充填です。この界面はシリコンの下にあるため、外観検査（AOI）では見えません。超音波は、時間ゲートを使って層ごとに界面を画像化できるため、どの層に問題があるかを確認できます。ダイの積層数が増えるほど、1つの界面の不良がスタック全体の損失につながるため、接合直後に検査する価値が高くなります。
- パワー半導体モジュールは、なぜ超音波で検査するのですか？
- パワーモジュールでは、チップ、基板、ベースプレートの間のはんだ層と焼結層にボイドや剥離が生じると、熱抵抗が上がり、過熱や寿命の短縮につながります。この接合層は厚い金属やセラミックの下にあるため、超音波検査は接合面全体を非破壊で画像化できる実用的な方法です。DCB基板・AMB基板の段階からモジュール組立後まで、同じ原理で検査します。
- ウェーハ接合の検査に、赤外線（IR）ではなく超音波検査（SAT）を使う理由は何ですか？
- 赤外線（IR）はシリコンを透過するため、シリコン同士の接合界面にあるボイドをすばやく確認できます。ただし、金属層や不透明な材料が間にあると、観察が難しくなります。SATは、材料が光を通すかどうかに関係なく界面を画像化し、欠陥の深さも区別できます。そのため、金属接合、ハイブリッドボンディング、異種材料接合まで、同じ装置で検査できます。2つの方法を併用するラインも多くあります。
- 抜き取り検査では不十分ですか？なぜ全数検査が必要なのですか？
- 抜き取り検査は、工程が安定した後に統計的に管理する場合に有効です。一方、積層構造では、1つの界面の不良が複数のダイの損失に広がります。また、パワーモジュールのように信頼性が安全性に直結する製品では、顧客から全数検査のデータを求められることが多くあります。全数検査で得られる欠陥座標と分布のデータは、工程条件を見直すためのフィードバックにも使われます。そのため、検査はコストではなく、歩留まりを改善する手段になります。
- 超音波検査（SAT）は、どの工程で行いますか？
- 代表的な検査のタイミングは、ウェーハ接合の直後、ダイ積層の各段階または積層完了後、パッケージのモールド工程・リフローの後です。パワーモジュールでは、ダイアタッチと基板接合の後に検査します。MSL（湿度感度レベル）試験や温度サイクル試験などの信頼性試験の前後にも検査します。新しい界面ができる工程の直後が、検査のタイミングと考えてください。