SPring-8 利用研究成果集
2016B1610
2013A1108

Section B

BL19B2BL14B2X 線回折法による半導体パッケージ用熱硬化性封止樹脂銅リード
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS 2
フレーム界面の残留応力解析および熱時応力変化その場解析
Measurement
In-situ Residual Stress Analysis
of Semiconductor Packages Comprising
Thermosetting Encapsulation Resins and Copper Lead Frame under
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
ThermalProcessSayaka
by X-ray
Diffraction.
Part 2Tetsuo Honma
Hironori Ofuchi,
Yosuke Taniguchi,
Hirayama,
Masafumi Takagaki,(公財)高輝度光科学研究センター
加々良剛志和泉篤士長島大
JASRI
Takeshi Kakara, Atsushi
Izumi, Dai Nagashima
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温
XAFS 測定を自住友ベークライト（株）
SUMITOMO BAKELITE CO., LTD.
動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
X 線回折法による半導体パッケージ用封止樹脂/銅リードフレーム界面の残留応力評価について検討した。これまでの検討より、リードフレームには銅結晶子の配向と深さ方向への応力勾配
キーワード： XAFS、低温、自動化が存在し、残留応力の評価精度が課題となっていた。そこで今回はリードフレーム表面にめっき
背景と研究目的：処理を施し、上記課題を解決する試料を作製し評価を行った。また光学系をソーラースリットか
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目らダブルスリットに変更することで、リードフレームを用いた実パッケージ試料の残留応力評価的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための精度を改善することに成功した。
試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低キーワード：半導体パッケージ、界面残留応力、リードフレーム、めっき、ダブルスリット
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ
背景と研究目的：
れにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動近年の半導体高性能化に伴い、封止樹脂にも更なる耐熱性、電気絶縁性、熱伝導性、耐湿性な径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
どの特性が求められ、これらは半導体パッケージの長期信頼性にも影響する重要因子である。弊
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、社においても、次世代パワー半導体用の高耐熱性封止樹脂の研究開発を行っている。この研究にBL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料おける最も重要な課題は、半導体パッケージにおける封止樹脂と金属（配線および基板）界面のホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時密着性である。半導体パッケージ製造工程では、封止樹脂の成形および熱硬化、半田リフローな間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
ど様々な加熱工程を経る。半導体パッケージは主に樹脂と金属の複合材料であり、構成材料間のよりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
弾性率や線膨張率が異なるため、加熱処理を含む製造工程において材料界面に熱応力が発生する。
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
これら複数の加熱冷却処理による熱履歴によって、封止樹脂と金属に様々な熱応力が発生し、そ調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的との応力が封止樹脂と金属界面に蓄積されたものが残留応力となり、パッケージの歪みや反りの要する。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間因となる。これらは、界面の剥離という半導体パッケージにおける致命的な不良につながる。そを簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにこで半導体パッケージ製造工程において発生する熱応力のその場観察によって、応力発生メカニ
より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
ズムを解明できれば、プロセス改善による残留応力制御および界面密着性向上が期待される。これまでに我々はsin2Ψ 法[1–4]による封止樹脂／銅界面の残留応力評価を、銅箔を用いたモデル材料
実験：にて実施してきた。更にこれらの評価技術を実際に製品化されているリードフレーム（以下
本実験では、図 [5–7]
1 のような低温
XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
LF、チップを保持し内部配線として用いられる銅基板）を有する半導体パッケージ（実パッケー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いジ）にも応用展開すべく、採択ビームタイム内にて検討を行ってきた。
これまでに我々が SPring-8て、低温雰囲気下での自動XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた15での評価によって確立した封止樹脂/銅箔界面残留応力評価技術を実パッケージに応用展開する
個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
ことは、高性能材料開発のためには必須である。そして、半導体パッケージの残留応力評価をモ
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
デル材料系から脱却し、より実際の製品に近い材料形態での評価を可能とすることで、実パッケ
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個のージでの剥離発生メカニズムの解明や高信頼性材料開発の加速化が期待できる。
試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
課題番号 2016A1775
では、
実パッケージに生じる封止樹脂/銅板界面の残留応力評価技術の確立
ードセンサー(Lake
Shore
社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下を目指し、これまでに我々が確立した
2 次元検出器を用いた
sin2Ψ 法による高速評価技術の特徴
部側面に取付け、温度コントローラ(Lake
Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度をPID[8]を活かしたフラットパネル検出器（浜松ホトニクス社製
C7942CA-02)での評価を実施した。し制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe
を
2O4、Co 箔、Co3O4、CoO
かしながら、フラットパネル検出器のノイズや空気散乱等によりバックグラウンドが高くなった用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温ことから、目的の回折環を精度よく検出することが出来なかった。また、シンチレーションカウ
度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間のンターで評価を行ったところ、LF 内部の結晶子の配向と、深さ方向への応力勾配が存在すること
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3K、近接 15秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっが示唆され、実パッケージでは誤差が大きい評価結果しか得られなかった。そこで今回は配向やた時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。
深さ方向の影響を低減するために、LF にめっき処理を施した試料を作製し評価を実施した。また、－282－

SPring-8 利用研究成果集
残留応力を精度よく評価するために、測定条件の検討も行った。
2013A1108

Section B

BL14B2

実験：
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
半導体パッケージ試料として、LF(50 mm × 50 mm × 350 μm)に Cu めっき処理を施し、厚さ 25 μm
Application of Automatic System for Low Temperature XAFSのめっき層を形成した。めっきの厚みは、25.0 keV の X 線が入射角(θ) 17.4°で照射された場合のMeasurement
侵入深さを計算し、LF 層にまで X 線が透過しないように設定した。めっき処理した LF 上に半導体パッケージ用封止樹脂(820 μm)を成形し、175°C で熱硬化させた。X 線回折測定は BL19B2 ビー
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
ムラインの
HUBER
社製多軸回折計を用いて行い、入射線エネルギーは
keV、ビームサイ
Hironori
Ofuchi,
Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama,XMasafumi
Takagaki,25.0
TetsuoHonmaズ（スリット形状）は縦 0.2 mm x 幅 6 mm に設定した。課題番号 2016A1775 の検討より、フラットパネル検出器での評価は解析精度が低くなることが判明しているため、本検討では検出器に(公財)高輝度光科学研究センター
シンチレーションカウンターを用いた。検出器前にはソーラースリット（長さ300 mm、ブレー
JASRI
ド間隔 0.5 mm、発散角 0.13°、ブレード厚み 0.05 mm)を設置した。解析は sin2Ψ 法の側傾法によ2
低温雰囲気下における
XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温
XAFS 測定を自り行い、sinΨ 法におけるオフセット角(Ψ)は、0.0,
13.6, 24.1, 31.8, 38.6, 41.8, 45.0°とした。残留応動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で10点、試料数が最大で力計算に用いる銅板の弾性率(E)とポアソン比(ν)は E = 130.0 GPa, ν = 0.343 とした[9]。
15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
結果および考察：
XAFS、低温、自動化
キーワード：(1)
Cu めっき処理
LF の結晶子配向状態の確認
 LF 単体を用い、めっきによる Cu 結晶子の配向状態を確認するために検出器アーム角(tth)を 25.0
背景と研究目的：
keV における無歪の Cu(331)面の回折角である 34.8°に設定し、それぞれの Ψ において試料面法線
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目を軸とした面内回転(Φ)をさせながら、Cu(331)面の回折強度を測定した結果を図 1 に示す。めっ的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のためのき未処理 LF は回折強度の Φ 依存性が確認されたのに対し（図 1(a)）
、めっき処理 LF では Φ 依存試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低性は確認されなかった（図 1(b)）。このことから、めっき処理により入射 X 線が LF 層まで侵入す
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測ることを防ぎ、めっき層のCu因子を減衰させることができ、結晶子の回折のみを得ていること、まためっき層のCu 結晶子は配定を行うことで Debye-Waller
EXAFS 振動の減衰が抑えられる。
こ
向しておらず、無配向膜を形成できていることが確認された。
れにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動(2)
実パッケージの残留応力測定条件検討
径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
 めっき処理
LF に樹脂を成形した試料について sin2Ψ 法による残留応力評価を行った。残留応力
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
値は回折プロフィールから得られる
2θ-sin2Ψ 線図の近似直線の傾きより計算できるため、その推BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料定値の精度は近似直線の傾きの精度を反映する。測定の結果、予想に反してめっき処理試料ではホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
2[1]2θ-sinΨ 線図の直線性が低く、応力値は引張方向に29.0 ± 39.9 MPa （相対標準偏差 138%）と算間のロスを減らせるように改善した。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来出され、誤差の大きな結果となった（図2(a)）
。また、めっき未処理試料では結晶子が配向していよりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS
測定初心者の多いるため、試料に対する X 線の入射方向により異なる応力値を示すが、めっき処理試料では X 線の産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
入射方向によらず同様の応力値を示した。このことからも、めっき処理試料は配向の影響を低減
調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とできている一方で、誤差を大きくする他の要因の存在が示唆された。
この要因を調査するために、する。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間
めっき処理試料の回折プロフィールを観察すると、ピークトップが周期的に複数に割れる形状をを簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにしていることが判明した（図3 (ソーラースリット)）。更に、このピークトップの分裂挙動を詳細
より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
解析すると、試料種や Ψ によらず、2θ = 34.70, 34.75, 34.80, 34.85°の検出位置での強度低下によっ実験：て生じるものであることが明らかとなった。この要因としてソーラースリットのブレードの影に本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントローよる影響が考えられた。すなわち、回折X 線（縦幅 0.2 mm）の検出強度は、回折 X 線の全てがラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い
ブレード-ブレード間（幅0.5 mm）を通過したときと比較して、一部がブレード（厚さ 0.05 mm）て、低温雰囲気下での自動 XAFS
測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15により遮られた場合に最大75%まで検出強度低下が生じることより、ピークトップの分裂はブレ個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰ードにより回折線が遮られておこる可能性が考えられた（図 4）。そこでソーラースリットを外し、り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で
Quick
XAFS
測定を行うことが可能である。低温
受光スリット(RS)と散乱スリット(SS)のダブルスリット光学系の仕様へ変更し、RS と SS の開口
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図2 のように 3 行×5 列の計 15 個のサイズをそれぞれ
6 mm から 1.5 mm に狭めて測定を行った。その結果、ピークトップの分裂は抑試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
制され（図3 (ダブルスリット)）、2θ-sin2Ψ 線図の直線性が改善し、圧縮方向に 140 ± 37 MPa （相ードセンサー(Lake
Shore
社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下対標準誤差 26%)と誤差が大きく低減する結果となった（図 2(b)）
。すなわち、スリット条件によ部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID
り測定精度を高めることで、誤差を小さくすることができ、今回の入射ビームサイズでの実パッ制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を
ケージの応力解析ではダブルスリット光学系が有効であることが確認された。
用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温(3) 実パッケージの加熱時残留応力その場解析度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の アントンパール社製加熱ステージ(DHS 1100)を用いてめっき処理 LF を有する実パッケージ試
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ料の加熱時のその場解析を実施した。その結果を図 5 に示す。試料はステージサイズに合わせ 20た時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。
mm × 20 mm に切り出したものを使用した。測定温度を 40, 100, 175°C で実施し、40°C から 100°C－283－

SPring-8 利用研究成果集

Section B

への昇温時は圧縮方向に
223 ± 56 MPa から 248 ± 38 MPa へ増加、更に 175°C まで加熱すると
157
2013A1108
BL14B2± 114 MPa まで低下した。また降温過程では同様の挙動を示した。この熱時の応力変化挙動は CTEから計算される封止樹脂と銅の歪み量差ともおおよそ一致しており、実パッケージ試料において
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
も加熱時の応力評価が可能であることを支持している結果である。
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS

Measurement
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化


図
1.
各
Ψ
における
Cu(331)面回折強度のX
線入射方向依存性
背景と研究目的：(a)めっき未処理 LF, (b)めっき処理
LF
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン
BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間
図 2. めっき処理試料の 2θ-sin2Ψ 線図を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに(a)ソーラースリット光学系、(b)ダブルスリット光学系
より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。

実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3K、近接15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ
図 3. Ψ = 0°におけるめっき処理試料のCu(331)面の回折プロフィール
た時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

－284－

SPring-8 利用研究成果集

2013A1108

Section B

BL14B2

低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
Measurement
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI
図 4. 回折 X 線とソーラースリットのサイズ
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自(a)回折 X 線がブレードに遮られない場合、(b)遮られる場合
動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。

キーワード： XAFS、低温、自動化
背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
図 5. めっき処理試料の熱時残留応力評価結果
調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間
今後の課題：
を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにより、低温
XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
本検討により、実パッケージ試料の残留応力評価ではスリット条件が測定精度に影響しており、応力解析の精度へも反映されることが判明した。また、めっき処理により LF 内部結晶子の配向
実験：と応力勾配の影響を低減させることが可能であることを見い出し、めっきの処理条件を最適化す
本実験では、図 1 のような低温 XAFS
測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ることで、配向や応力勾配のある
LF を用いた実パッケージ試料でも残留応力を評価できる可能
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い性が示唆された。今後の課題としては、樹脂差による僅かな応力差を観測できるレベルに測定精て、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15
度を高めることが求められ、スリット条件などの光学条件の最適化検討が必要と考えている。
個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
参考文献：
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図2 のように列の計[1] 田中啓介 他, "放射光による応力とひずみの評価", 及川清, 養賢堂,
東京3 行×5,56–60(2009)15. 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ[2]
田中啓介 他, "残留応力の X 線評価—基礎と応用—", 及川清, 養賢堂, 東京 ,121–144 (2006).
ードセンサー(Lake
社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下[3] K. Nakamae et al.,Shore
J. Appl.
Polym. Sci., 40,2231 (1990).
[4]
T. Nishino et al., J. Appl. Polym. Sci., 45, 1239
部側面に取付け、温度コントローラ(Lake
Shore(1992).
社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID[5]若林みどり 他, SPring-8/SACLA
利用研究成果集,(2015). 2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を制御した。測定試料は、Cu
箔、Fe 箔、Fe
O3、FeO、NiFe
3O4、-Fe23(2),589[2][6]
若林みどり 他, SPring-8/SACLA
利用研究成果集,
5(1),124 (2017).
用いた。データ解析には
XAFS 解析プログラム
Athena、Artemis、及び FEFF8.4[3]を用いた。温[7]
若林みどり 他, SPring-8/SACLA 利用研究成果集,
5(1),141 (2017).
度コントローラ制御プログラムでは、1秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接
15 秒間の[8]加々良剛志他,
SPring-8 利用課題実施報告書:K、近接2016A1775.
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3
15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ[9]
小出昭一郎,"物理学", 真喜屋実孜, 裳華房, 東京 ,89 (2003) .
た時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。

－285－

SPring-8 利用研究成果集

2013A1108

Section B

BL14B2©JASRI低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
(Received: February 21, 2017; Early edition:
June 23, 2017;
Measurement

Accepted: July 18, 2017; Published: August 17, 2017)
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化
背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにより、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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