X 射線螢光分析 (X-ray Fluorescence Spectrometer , XRF) 屬於非破壞性分析，能提供產品即時的檢測資訊，使產品易於接續後面製程。其原理是使用高能量 X 光或伽瑪射線照射樣品，使樣品組成原子之內層軌域電子被激發成帶有能量的光電子，讓內層軌域產生一個空洞，外層電子便會填補內層空缺的電子位置，由於能階之間的能量差而發射出特性X光，稱為 X 光螢光。
XRF 適合用於元素分析和化學分析，特別是在研究金屬、玻璃、陶瓷和建築材料，以及地球化學研究、法醫學、電子產品進料品管 (EU RoHS) 和考古學等領域，是目前常見的非破壞性元素分析工具，透過下方實際分析案例介紹，就能一解其在不同領域皆深獲重用的原因了。
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PCB 成分分析 |
為了帶給人類更方便的生活，電子產品的開發不斷朝向輕薄短小的目標前進。其中，印刷電路板 (Printed circuit board, PCB) 是用來支撐電子元件的靈魂，不只使電子產品有效運作，更是通往未來 5G / 6G、AR / VR、元宇宙等的關鍵角色。
在 PCB 製造過程中，Sn-Ag-Cu 系無鉛銲錫方式常用於球柵陣列封裝上，利用 XRF 可檢測 PCB 表面指定區域的元素與濃度。下圖為 XRF 分析 PCB 表面錫球的光學影像 (圖一左)，可測到 Cr、Ni、Cu、Ag、Cd、Sn 和 Hg 濃度 (圖一下表)，掃描其中六顆錫球範圍得出錫元素影像 (圖一中) 與單顆錫球的 Sn Kα 能譜圖 (圖一右)。
圖一 印刷電路板的光學影像(左)、XRF Mapping(中)、XRF能譜圖(右) |
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金屬膜厚量測 |
PCB 板的金手指透過接觸卡槽的插接腳來導通達到對外連接的目的，金手指表面常用電鍍鎳金方式使其具有抗摩擦的性質。一般來說，金層的厚薄度會造成電子產品電性導通問題，圖二為使用 XRF 量測 PCB 板上金手指的五個不同位置之表面 Au 層與下層 Ni 層的個別厚度與平均值 (表二)。
圖二 PCB的金手指光學影像(下方) |
 表二 金、鎳層的膜厚度 |
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RoHs 危害物質檢測 |
有鑒於環保意識抬頭，電子產品須遵守歐盟 RoHS 的危害物質限用指令 (Restriction of the use of Hazardous Substance)，確保有害物質鎘 (Cd)、鉛 (Pb)、汞 (Hg)、六價鉻 (Cr6+)、多溴聯苯 (PBBs) 和多溴聯苯醚 (PBDEs) 在其規範濃度內。XRF 為國際電工技術委員會 (International Electrotechnical Commission, IEC) 所建議的 RoHS 檢測快篩儀器。
下圖分別為 PCB 板與 MEMS 元件的 RoHS 檢測結果，在 PCB 板所測到的六大有害元素皆合乎規範值 (圖三)，可判定為合格；在 MEMS 的金屬外殼，鉻元素明顯超過限值 (圖四)，判定為不合格。
圖三 PCB 的 ROHS 檢測結果 |
圖四 MEMS 的 ROHS 檢測結果 |
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古物鑑定 |
XRF 因具有不破壞樣品的特性，經常應用在考古學研究。以青花瓷的分析為例，由於青花瓷的製造工藝會使用鈷礦 (氧化鈷) 作為繪製顏料，再經過高溫燒製使瓷器呈現出圖紋，利用 XRF 分析瓷器上的圖紋位置 (圖五)，即可判別出含有的鐵、鈷成分 (圖六)。顏料的成份比例依照不同朝代有所演進，因此透過瓷器的元素成份與含量差異，就可以判斷其是否符合青花瓷出產的年代，鑑定古物真偽。
圖五 青花瓷的光學影像 |
 圖六 Fe、Co 元素 Mapping 圖 |
XRF 應用領域廣且具有可攜式儀器，對於昂貴或不易搬運的樣品，具備現場快速檢測的便利優勢。不只可運用於產品的真偽檢測、法規要求的材料規格檢驗等，在熱門的半導體產業中，XRF 能夠快速檢驗 IC 內部缺陷，進行金屬薄膜、鍍層厚度分析，是提高產品良率不可或缺的技術之一。
