X 射线荧光分析 (X-ray Fluorescence Spectrometer , XRF) 属于非破坏性分析，能提供产品实时的检测信息，使产品易于接续后面工艺。其原理是使用高能量 X 光或伽玛射线照射样品，使样品组成原子之内层轨域电子被激发成带有能量的光电子，让内层轨域产生一个空洞，外层电子便会填补内层空缺的电子位置，由于能阶之间的能量差而发射出特性 X 光，称为 X 光荧光。
XRF 适合用于元素分析和化学分析，特别是在研究金属、玻璃、陶瓷和建筑材料，以及地球化学研究、法医学、电子产品进料品管 (EU RoHS) 和考古学等领域，是目前常见的非破坏性元素分析工具，透过下方实际分析案例介绍，就能一解其在不同领域皆深获重用的原因了。
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PCB 成分分析 |
电子产品的开发不断朝向轻薄短小的目标前进，为了带给人类更方便的生活。其中，印刷电路板 (Printed circuit board, PCB) 是用来支撑电子组件的灵魂，不只使电子产品有效运作，更是通往未来 5G / 6G、AR / VR、元宇宙等的关键角色。
在 PCB 制造过程中，Sn-Ag-Cu 系无铅焊锡方式常用于球栅阵列封装上，利用 XRF 可检测 PCB 表面指定区域的元素与浓度。下图为 XRF 分析 PCB 表面锡球的光学影像 (图一左)，可测到 Cr、Ni、Cu、Ag、Cd、Sn 和 Hg 浓度 (图一下表)，扫描其中六颗锡球范围得出锡元素影像 (图一中) 与单颗锡球的 Sn Kα 能谱图 (图一右)。
图一 印刷电路板的光学影像 (左)、XRF Mapping (中)、XRF 能谱图 (右) |
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金属膜厚量测 |
PCB 板的金手指透过接触卡槽的插接脚来导通达到对外连接的目的，金手指表面常用电镀镍金方式使其具有抗摩擦的性质。一般来说，金层的厚薄度会造成电子产品电性导通问题，图二为使用 XRF 量测 PCB 板上金手指的五个不同位置之表面 Au 层与下层 Ni 层的个别厚度与平均值 (表二)。
图二 PCB的金手指光学影像(下方) |
 表二 金、镍层的膜厚度 |
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RoHs 危害物质检测 |
有鉴于环保意识抬头，电子产品须遵守欧盟RoHS的危害物质限用指令 (Restriction of the use of Hazardous Substance)，确保有害物质镉 (Cd)、铅 (Pb)、汞 (Hg)、六价铬 (Cr6+)、多溴联苯 (PBBs) 和多溴联苯醚 (PBDEs) 在其规范浓度内。XRF 为国际电工技术委员会 (International Electrotechnical Commission, IEC) 建议的 RoHS 检测的快筛仪器。
下图分别为 PCB 板与 MEMS 组件的 RoHS 检测结果，在 PCB 板所测到的六大有害元素皆合乎规范值 (图三)，可判定为合格；在 MEMS 的金属外壳，铬元素明显超过限值 (图四)，判定为不合格。
图三 PCB 的 ROHS 检测结果 |
图四 MEMS 的 ROHS 检测结果 |
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古物鉴定 |
XRF 因具有不破坏样品的特性，经常应用在考古学研究。以青花瓷的分析为例，由于青花瓷制造工艺会使用钴矿 (氧化钴) 作为绘制颜料，再经过高温烧制使瓷器呈现出图纹，利用 XRF 分析瓷器上的图纹位置 (图五)，即可判别出含有的铁、钴成分 (图六)。颜料的成份比例依照不同朝代有所演进，因此透过瓷器的元素成份与含量差异，就可以判断其是否符合青花瓷出产的年代，鉴定古物真伪。
图五 青花瓷的光学影像 |
 图六 Fe、Co 元素 Mapping 图 |
XRF 应用领域广且具有可携式仪器，对于昂贵或不易搬运的样品，具备现场快速检测的便利优势。不只可运用于产品的真伪检测、法规要求的材料规格检验等，在热门的半导体产业中，XRF 能够快速检验 IC 内部缺陷，进行金属薄膜、镀层厚度分析，是提高产品合格率不可或缺的技术之一。
