特集 解析・評価技術

昭和 40 年 6 月 3 日 第三種郵便物認可 平成 19 年 5 月 10 日発行（年 6 回 1，3，5，7，9，11 月の 10 日発行）富士時報 第 80 巻 第 3 号（通巻第 844 号）
ISSN 0367-3332
-AY
特集 解析・評価技術
-AY
特集 解析・評価技術
目 次
製品の信頼性を支える解析・評価技術の高度化
（ 1 ）
庄子 哲雄
富士電機の解析・評価技術への取組み
（ 2 ）
瀬谷 彰利 ・ 斎藤 明 ・ 坂田 昌良
見えない微小欠陥の分析・解析技術
（ 5 ）
立町 寛児 ・ 瀧川 亜樹
半導体断面の解析技術
（ 9 ）
塩原 政彦 ・ 市村 裕司 ・ 石渡 統
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
（12）
巻渕 陽一 ・ 久保木 孔之 ・ 田森 妙
薄膜の結晶構造解析技術
（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
（16）
鈴木 克紀 ・ 大山 浩永 ・ 佐々木 弘次
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造解析技術
（21）
田沼 良平 ・ 久保木 孔之 ・ 久保 登士和
表紙写真
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
（25）
中野 雅祥 ・ ディ シルワー ヘーマンタ ・ 外山 健太郎
低圧遮断器のガス流解析技術
（29）
中村 修 ・ 恩地 俊行
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
（34）
岩崎 正道
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
（38）
高野 幸裕 ・ 土屋 敏章
各種製品の小型化・薄膜化・多機能化が絶
え間なく進み，その性能・品質・安全性を向
上させるため，解析・評価技術の高度化への
要請はますます強まっている。
富士電機グループでは，製品の優れた性能
汎用インバータの熱冷却解析技術
化学反応を伴う流れ解析技術
量産段階で発生する品質不良の原因を解明す
（46）
榎並 義晶 ・ 金子 公寿 ・ 松本 悟史
を実現するため，基礎技術の開発を支える高
度な解析・評価技術への挑戦，さらに開発・
（42）
山本 勉 ・ 鳩崎 芳久
鋳造シミュレーション技術
（50）
岩倉 忠弘 ・ 鳩崎 芳久
るための故障解析技術の高度化への取組みを
積極的に続けている。
表紙写真は，薄膜デバイスの品質を分子・
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
（53）
岡本 浩一
原子レベルで分析する装置および視覚的に
表現された分析原理と分析結果の図を配置し，
環境調和型材料技術の開発
日々進化する解析・評価技術をイメージ的に
渡邉 裕彦 ・ 日高 昇 ・ 柳瀬 博雅
表現している。
（57）
特集 解析・評価技術
特 集
製品の信頼性を支える
解析・評価技術の高度化
庄子 哲雄}Íý¼ÎeÜÚÀ~
東北大学 理事
機器j構造物ÁÿİĹčĢôÝÓä設計j製造過程áÀ
携ÍܺāÉÞÂ重要ݸă¼g
ºÜå多様à解析j評価技術Â必要ÞËĂhÓĂåh製
前述äþ¼áĜŜĽŎsĨä発達áþā高速化j大容量
品ä長期的à信頼性Ĉ担保ÏāÕ÷áå不可欠ݸāg特
化áþĀ第一原理計算ú分子動力学àßäĠňŎŕsĠŐ
á昨今ä複雑化ÍÕ製品áÀºÜåh個々ä製品要素ä
Ŝ技術ä高精度化ÂhÓä有効性Ĉ現実äøäáÍÚÚ¸
解析j評価á加¾Ü全体ĠĢįʼnÞÍÜä解析Þ性能評価h
Āh高精度à分析技術j解析技術Þä併用áþĀ極÷Ü精
ËÿáåÓĂá基ÛÅ品質管理Â必須ݸāgÞĀąÇ新
度ä高º数値実験Â期待ËĂܺāg
製品開発áÀºÜh未経験事象Â想定ËĂā場合áå事前
‡数値ĠňŎŕsĠŐŜ又å数値解析j評価ˆÞ‡実験
áÓä詳細à解析j評価¸āºåÓĂĈ予測ÏāÕ÷äĠ
的解析j評価ˆå製品ä信頼性ä確保h¸āºå長期信
ňŎŕsĠŐŜ解析技術ä向上Â重要ݸāgĜŜĽŎs
頼性ä担保ä上Ý 2 本柱Þ考¾ÜþºÝ¸ă¼}ĻŎsŇ
Ĩä発達å計算量及é速度ä飛躍的à増加ĈøÕÿÍh数
gÉĂÿä 2 Úä技術Â相互á情
ŜľĊĘĨsĈ除ºÜ~
値ĠňŎŕsĠŐŜ技術ä高度化Â図ÿĂh複雑à現象
報äúĀÞĀĈÍàÂÿ最ø有効Ý効率的à目的達成á結
ä数値実験Â可能ÞàÙÜÃÜÀĀh製品開発áÀÇā解
éںܺÅøäÞ考¾ÿĂāg10 −15 1/sec Ý熱揺動Ï
析j評価技術ÞÍÜ重要à位置Ĉ占÷ÜÃܺāg
ā原子ŕłŔ}10 −10 m~Ýä現象ÂŇĘŖà現象}数 cm
新技術áþā製品開発áÀÇā解析j評価åh前述äĠ
v 1 m Ý数年v数十年~á表Ăāäå時間的j空間的à
ňŎŕsĠŐŜäõàÿÐh新Õà最先端実験手法ä開
積分ä結果ÞÍÜݸĀhÓä積分ä内容Ĉ十分á把握Í
発j利用ø必要ݸĀh製品開発høäÛÅĀáÀºÜ必
ÜÀÅ事Â大切ݸāg
要ÞËĂā新Õà視点Ĉ十分á斟酌ÍÕ解析技術ä導入Â
最近äŇŔĪĢĚsŔŋİœŜęúŇŔĪľČġČĘĢ
不可欠ݸāg富士電機Â製造Ïā多様à製品áÀÇā高
ŋİœŜęä急速à発展åh第一原理á基ÛÅĠňŎŕs
信頼性h高機能j高特性åÉĂÿä優ĂÕ解析j評価技術
ĠŐŜĈ分子動力学ú有限要素法áôÝ接続ËÑāÉÞĈ
á裏打×ËĂāøäݸĀh製造会社ÞÍÜ技術力Ĉ直接
可能ÞÍh新物質ä予言ÞÓä実験的検証úijķĢĚsŔ
的á示Ïøäݸă¼g
ä現象Þ巨視事象ä相関Ĉ解明Ïā手法ä開発àßĈ可能
製品開発á加¾Üh多様à機器構造物¸āºåİĹčĢ
ÞÏā段階áÃܺāg私Â所属ÏāđĶŔės安全科学
áÀÇā経年劣化á対Ïā長期信頼性解析j評価技術ä高
国際研究ĤŜĨsáÀºÜøh多様à因子Â複雑á連成Í
度化ø合ÑÜ重要ݸāg長期間使用後á生Ðā不都合å
Ü生Ðā応力腐食割Ă現象áÚºÜ研究Ĉ進÷ܺāgij
úúøÏāÞ製品開発時áÀÇā解析j評価技術ä不十分
ķĢĚsŔÁÿŇĘŖĢĚsŔîä直接的à接続áå到Ù
Ëáþā所ø大úÉÞÂ示唆ËĂā例Â散見ËĂāg
ܺàºÂhijķŕłŔä解析ÁÿŇĘŖĢĚsŔä現象
ÉĂÁÿä製品開発Ĉ支¾ā解析j評価技術åijķįĘ
á対ÍÜ多Åä定性的à示唆Â得ÿĂܺāg
ä発達ÞÞøáhþĀ局所的h短時間現象Ĉ対象ÞÏā場
‡解析j評価ĈþĀ高精度áˆÂ大切ݸāÞ同時áh
合Â多Åh合ÑÜ複雑à構造体ÞÍÜä接合ú界面j表面
製品ä性能j信頼性ä向上Ĉ長期的á担保ÏāÕ÷á‡何
解析技術ä高度化Â要求ËĂÜÃܺāg特á解析j評価
á着目͈
h
‡何Ĉ計測ÏïÃÁˆĈ十分á吟味Ïā事ø大
技術å製品ÞÍÜä性能ä解析j評価ÞhÓĂĈ構成Ïā
切ݸĀh数値ĠňŎŕsĠŐŜáþā関連因子ä感度解
材料àßä物性解析j評価技術hËÿáåÓĂÿĈÚàÆ
析ú現象ä事前再現Â極÷Ü重要à役割Ĉ果ÕÏÉÞáà
製造手法ä解析j評価á分ÇÿĂhÓĂÔĂÂ有機的á連
āÞ考¾ÿĂāg
（ 1 ）
富士時報 6OL.O
富士電機の解析・評価技術への取組み
特 集
瀬谷 彰利}Ñúe¸ÃÞÍ~
斎藤 明}˺޼e¸Ãÿ~
坂田 昌良}ËÁÕeôËþÍ~
（ 1）
čĢä断面ú材料表面Ĉ原子ŕłŔÝ微視解析Ïā手法úh
まえがき
h誘導結合
二次čēŜ質量分析法}SIMShTOF-SIMS~
IC úĺŘs半導体h磁気記録媒体ÞºÙÕ電子İĹč
ŀŒģŇ質量分析法}ICP-MS~àßh10 − 12}＝ppt~
h
ĢÁÿ低圧遮断器ú汎用čŜĹsĨàßä汎用機器hËÿ
ĽĜęŒʼnäēsĩsä微量分析手法àßh最新ä分析技
á自動販売機ú発電ŀŒŜıh水処理ŀŒŜı等々h富士
術Ĉ研究開発j量産段階Ý積極的á活用ÏāÉÞÝ製品
電機ęŔsŀå幅広º製品群Ĉ有ÍܺāgÓäºÐĂä
ä品質向上j迅速à故障解析Ĉ実現ÍÜÃÕg特á近年åh
製品ø他社Þ差別化ÍÕøäĈºÁá早Å開発Íh効率的
他ä追随Ĉ許Ëàº性能ä製品群ä開発Ĉ支¾āÕ÷ä独
á生産Íh市場á投入ÏāÁÂęŖsĹŔà競争Ĉ勝×抜
自分析技術îä挑戦Þh開発j量産段階Ý発生Ïā品質不
ż¾Ýä必須条件ÞàÙܺāg
良原因Ĉ解明Í不良率Ĉ限ĀàÅĥŖá近ÛÇā故障解析
Éäþ¼à一連ä流Ăä中Ýh解析j評価技術åôÏô
技術Ĉ分析技術開発ä大Ãà狙ºÞÍÜ取Ā組ĉݺāg
Ï重要ÞàÙÜÃܺāg開発ä段階ÝäĠňŎŕsĠŐ
独自ä分析技術Ýåh空間分解能ú微量分析ä極限î挑
Ŝáþā事前検討h最適化h実験Ý確認ÝÃàºÉÞä
戦ÏāÖÇÝåàÅh開発担当者Â知ĀÕº内容ĈºÁá
検討h各種分析áþā開発品ä調査h解析ÞÓä結果ä
ĩčŕĘıá分析ÏāÁh分析Ĉ通ÍÜ得Õ新ͺ知見Â
ľČsIJĹĬĘàßå製品化ĢĽsIJċĬŀäÕ÷ä大Ã
ºÁá創造的à開発Ĉ刺激ÝÃāÁàßáÉÖąÙÕ技術
à武器ÞàāgôÕh生産段階Ýä不良原因追求Þ歩留Ā
開発Ĉ進÷ܺāg具体的áåh高輝度 X 線Ĉ用ºÕ半
向上äÕ÷ä分析j解析h初期不良原因ä迅速à把握Þ対
導体基板中ä結晶欠陥位置Ĉ三次元的á視覚化Ïā技術Ĉ
策àßå損益á直結Ïā内容ݸāg
開発ÍÕ gÉä技術å半導体İĹčĢä非破壊試験á応
（ 2（
）3）
本特集号ÝåhɼºÙÕ富士電機ä研究開発h製品開
用ËĂh微小欠陥h局所結晶èÐõáþā素子ä微弱à漏
発áÀÇā分析技術Þ解析jĠňŎŕsĠŐŜ技術ä最新
Ă電流àßä原因解析á役立ÜÿĂܺāg磁気記録媒体
ä取組õáÚºÜ紹介ÏāgàÀh本稿ÝåhÓĂÔĂá
ä分野Ýåh磁性薄膜Ĉ構成Íܺā結晶粒á含ôĂā積
ÚºÜ背景Þ概要Ĉ述ïāg
層欠陥ä割合Ĉ定量化Ïā手法Ĉ開発Íh次世代ä材料開
（ 4（
）5）
発á適用Íܺāg
故障解析äÕ÷ä分析技術Ýåh磁気記録媒体ú半導体
分析技術
İĹčĢä品質不良Ĉ引Ã起ÉÏ微小à異常Ĉ検出ÍhÓ
富士電機áÀÇā分析技術ä対象åh半導体İĹčĢú
ä原因Ĉ解明Ïā技術開発Ĉ目指Íܺāg磁気記録媒体
大容量磁気記録媒体á代表ËĂā微細化j薄膜化ä開発Â
ú半導体İĹčĢÝåh素子構造ä微細化h薄膜化h高密
休õàÅ進÷ÿĂܺā製品群Áÿh燃料電池ú太陽電池
度化Â進ĉÖ結果hþĀ小Ëà結晶欠陥ú製造環境Áÿ
àß大型ä装置ôÝ幅広º分野áąÕÙܺāg微細化j
ä混入粒子áþÙÜ構造異常ú信号đŒsÂ引Ã起ÉËĂ
薄膜化ä進ö製品群áÀºÜijķŊsıŔh原子ŕłŔ
ā確率Â増ÍÜÃܺāg磁気記録媒体Ĉ例áÞāÞh品
ä分析技術Ĉ用ºÕ品質評価Â求÷ÿĂܺāÖÇÝàÅh
質検査工程áÀºÜ直径 3.5 čŜĪä媒体基板上á直径
太陽電池h燃料電池àßáÀºÜøh発電Ĉ担¼活性領域
10 nm 程度ä磁気的à異常部分Â見ºÖËĂāÞhÓä部
áåijķŊsıŔēsĩsä薄膜構造ú機能性微粒子Â用
位Ĉ複数ä分析手法Ĉ用ºÜ分析Íh磁気異常ä原因Ĉ解
ºÿĂܺāÕ÷h原子j分子ŕłŔä微視j微量分析技
明ÏāÉÞÂ求÷ÿĂāg異常部分ÓĂ自体Â極微ݸā
術Â必要ÞËĂܺāg
Õ÷h分析手法á TEM àßä高度微視解析手法Ĉ用ºā
従来Áÿ富士電機Ýåh透過型電子顕微鏡}TEM~
h超
ÉÞåø×ăĉݸāÂhÓä前á検査工程Ý発見ËĂÕ
高真空走査型ŀŖsĿ顕微鏡}SPM~àßĈ用ºÜİĹ
異常部位Ĉ各分析工程Ý精確á見ÚÇ出ÏÉÞø困難à作
瀬谷 彰利
斎藤 明
坂田 昌良
燃料電池本体àßä研究開発á従
半導体素子h磁気記録媒体ä研究
機械系ĠňŎŕsĠŐŜ技術ä開
事g物質j科学研究所長Ĉ経Üh
開発á従事g現在h富士電機ċIJ
発j製品適用á従事g現在h富士
現在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘ
ĹŜĢıįĘķŖġs株式会社物
電機機器制御株式会社生産本部器
ķŖġs株式会社太陽電池事業
質j科学研究所長g理学博士g応
具事業部開発部主幹g日本機械学
強化ŀŖġĐĘıĥĶŒŔŇĶs
用物理学会会員g
会会員g
ġŌsg化学工学会会員g
（ 2 ）
富士時報 6OL.O
富士電機の解析・評価技術への取組み
ÝÃàºgôÕh測定Ý得ÿĂā情報ø限ÿĂÕ特定äņ
Õ鏡面ݸĀh半導体İĹčĢäþ¼á微細à凹凸ú金属
čŜıä圧力ú温度àßá過ÄÐh測定手段ÖÇÝ内部ä
配線ĺĨsŜäþ¼à目印ÂàºÉÞø大Ãà理由áàÙ
現象Ĉ把握Ïāáå限界¸āg
ܺāg直径 3.5 čŜĪä媒体表面Áÿ直径 10 nm ä異常
ÉĂÿä現象ĈĠňŎŕsĠŐŜáþĀ再現ÏāÉÞÝh
部位Ĉ見ºÖÏÉÞä難ÍËĈÕÞ¾āàÿæh地球ä表
内部äĕĢä流Ăh温度h圧力ä時間的à変化Ĉ定量的á
面Áÿ 3 m 四方ä物体Ĉ探Í出ÏÉÞá相当ÏāgÉä
評価ÝÃāþ¼áàāgôÕh動画像ÝĕĢä流ĂĈ再現
þ¼áh異常部分Ĉ分析Ïā高度à手法Ĉ故障解析á生Á
ÏāÉÞÝh流ĂÞ圧力ä最大ņčŜıÂßäþ¼àĨč
ÏÕ÷áh微小à異常部Ĉ精確á見ºÖÍh見失¼ÉÞà
ňŜęÝ発生ÏāÁĈ直感的á理解ÝÃh遮断特性Ĉ改善
Íá同Î異常部位á複数ä分析手法Ĉ適用ÍܺÅÕ÷ä
Ïā¼¾Ý重要à情報áàÙܺāg
技術開発á取Ā組ĉݺāg
Éäþ¼àĠňŎŕsĠŐŜ技術ä有効性å今ôÝä開
Óä他ä分析技術áÀºÜøh①量産Ĉ開始ÍÕ大面
発実績ä中Áÿ高º評価Ĉ得ÜÀĀh解析ŀŒĬıľĒs
積ä太陽電池ä故障解析áÀºÜh1 m 四方ä太陽電池
ʼnä取組õäþ¼á特定ä解析部門ä利用ÖÇÝàÅh高
表面Áÿ 1 –m ä欠陥ú異常部位Ĉ精確ÁÚ迅速á検出
度à解析手法ĈºÁá簡単à手順Ý設計者á利用ÍÜøÿ
Ïā分析手法h②液体ĘŖŇıęŒľČs/質量分析法
¼þ¼áÏāÁÂ課題ÞàÙÜÃܺāg
}LC/TOF-MS~áþā磁気媒体上潤滑剤}1 v 2 分子層~
一方hĠňŎŕsĠŐŜ技術ÓäøäåhĠŜŀŔà物
ä分子量分布ä測定手法h③製品ú建材îä含有Â規制Ë
理ŋİŔj公式Ĉ現実ä構造j現象á照ÿÍÜ再現Íܺ
Ăܺā水銀ú鉛àßä有害物質úċĢłĢıä定量分析h
āÖÇݸĀh解析部門ä専門家å物理ŋİŔÂ現実Ĉ再
④環境問題îä対応Áÿ開発Ĉ進÷ܺā鉛ľœsåĉÖ
現ÍܺāÁĈ判断ÍܺÅ必要¸āg
ä材料特性Ĉ高÷āÕ÷ä含有微量元素ä微視j微量分析
ÉäÕ÷h解析技術者å最新ä分析技術Ý得ÿĂÕİs
àßh富士電機ä生õ出Ï特徴¸ā製品ä性能j品質j安
ĨĈ把握ÍhÓä現象Ĉ数理ŋİŔá変換Íhßäþ¼á
全性Ĉ高ºŕłŔÝ維持ÍhËÿá向上ËÑāÕ÷ä特徴
評価ÏĂæþºÁĈ検討ÍܺÅ必要¸āg
¸ā分析技術ä開発á挑戦Íܺāg
環境対応äÕ÷á従来äåĉÖá代ąĀh鉛ľœsåĉ
ÖÂ使ąĂܺāÂh鉛ľœsåĉÖĈ採用ÍÕ電子部品
解析・シミュレーション技術
ä接合Ýåh従来äåĉÖ接合Þå異àā破壊ŋsIJáà
āg実際ä破壊現象Ĉ分析j評価ÍÕ¼¾Ýhßä部位ä
現在äĠňŎŕsĠŐŜ技術å三次元 CAD}Computer
接合強度Â問題áàāÁhßäþ¼áĘŒĬĘÂ進行ÍÜ
Aided Design~Þ連携ÏāÉÞáþĀh全体ä構造Ĉ事
ºÅÁhĘœsŀ性Âßä程度影響Ĉ与¾ÜºāÁàßĈ
前á把握Íhßäþ¼á動ÅÁh干渉ÂàºÁh強度ú振
判断ÍܺÅÉÞÝhĠňŎŕsĠŐŜÝä寿命予測Â可
動á問題ÂàºÁh規定ä温度範囲á入āÁàßhøäĈ
能áàÙÜÃÕg
作ā前á¸ā程度ä評価ÂÝÃāþ¼áàÙÕg
高効率熱交換機ä開発áÀºÜøh微小à突起形状ä周
Ëÿáh三次元 CAD äİsĨåhĜŜĽŎsĨ内部ä
Āä流ĂĈ可視化ÝÃāþ¼áÍÕÉÞÝh精度ä高ºĠ
情報áÞßôÿÐh光造形ú三次元ŀœŜĨĈ利用ÏāÉ
ňŎŕsĠŐŜ手法Ĉ確立ÍhþĀ効率ä高º製品Ĉ短期
ÞáþĀ実際äøäÞÍÜä形Ĉ生õ出Íh手áÞÙÜ実
間Ý開発ÏāÉÞÂÝÃāþ¼áàÙÕg
感ÏāÉÞÝhËÿàāċčİċä抽出áÚàÂāgÉä
ôÕh鋳造ĠňŎŕsĠŐŜä事例Ýåh金属材料ä専
þ¼àŒĽĬIJŀŖıĨčŀĈ各種実験ú型試作á利用Ï
門家Â数年間áąÕĀ鋳造ŊsĔsÝ実際ä製造技術Ĉ体
āÉÞÝ大幅à開発期間短縮á効果Ĉ出Íܺāg
験ÍÕ¼¾Ý取Ā組ĉÝÃÕøäݸāgÉä経験Ĉ基áh
ôÕh設計者Â簡易的á利用ÝÃā解析ŀŒĬıľĒs
現場Ý何Â行ąĂܺāÁĈ把握ÍܺāÁÿÉÓhĠ
ʼnä開発h利用ø活発á行ÙÜÀĀhčŜĹsĨä冷却設
ňŎŕsĠŐŜáþĀ最適à鋳造法案Ĉ提示ÏāÉÞÂÝ
計úŋsĨ設計á対ÍÜåhWeb 上Áÿ設計項目Ĉ選択
Ãāþ¼áàÙܺāg
Íh主要àĺŒŊsĨĈ入力ÏāÖÇÝ必要à温度分布ú
現在äēľČĢÝ利用ËĂܺāĺĦĜŜå昔äĢs
磁束分布jıŔĘàßÂ計算ÝÃā環境Ĉ整¾Õg特á最
ĺsĜŜĽŎsĨ以上ä能力Ĉ持ÙÜÀĀhÉĂĈºÁá
適àĺŒŊsĨĈ決定Ïā際áåh品質工学ú最適設計ä
活用ÍܺÅÁÂ製品開発äņčŜıáàÙܺāgÕÖ
手法Ĉ取Ā入ĂāÉÞÝh設計上ßäĺŒŊsĨÂ性能á
ÍhĠňŎŕsĠŐŜ技術å単áĜŜĽŎsĨä性能ÖÇ
影響Ĉ与¾āÁĈ判断Ïā¼¾Ý非常á有効à手段ÞàÙ
ä問題ÝåàÅh実際ä現象Ĉ分析j評価ÏāÕ÷ä工夫
ܺāg
ú努力Ĉ絶¾Ð続ÇܺÅÉÞÂ必要ݸāÞ考¾Üºāg
ĠňŎŕsĠŐŜ技術åhÉäþ¼áhøäĈ作ā前á
評価ÝÃāÉÞÂ最大ä武器áàāñÁh短時間Ý起Éā
あとがき
現象}逆á温暖化予測äþ¼à長期ä予測~ú外Áÿå見
¾àº現象Ĉ把握Ïā¼¾Ýø有効à手段Þàāg
富士電機ä分析技術h解析jĠňŎŕsĠŐŜ技術îä
本稿Ý紹介Ïā低圧遮断器ä遮断現象ø一瞬ä出来事Ý
取組õä一端Ĉ紹介ÍÕgÉĂÿä技術å日進月歩ݸāg
¸Āh遮断器ä内部Ý何Â起ÃܺāÁå外ÁÿÝå判断
今後ø引Ã続Ãh最新ä技術á着目ÏāÞÞøáh新技術
（ 3 ）
特 集
業ÞàāgÉĂå媒体表面ä粗ËÂ 1 nm 以下á抑¾ÿĂ
富士時報 6OL.O
富士電機の解析・評価技術への取組み
Ĉ開発ÍÜ活用Íh差別化ÍÕ製品äĢĽsİČà開発à
SiC p-n diode by using novel three-dimensional X-ray
ßá役立ÜܺÅ所存ݸāg
topography, 6th European Conference on Silicon Carbide
特 集
and Related Materials. Programme. 2006, p.30.
参考文献
Kuribayashi,
（ 1）
Kubo, T. et al. Crystallographic analysis of CoPtCr-SiO2
（ 4）
H.
et
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Si }100~
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surfaces annealed in hydrogen gas ambient by scanning
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（ 2）
Kubo, T. et al. Study of stacking fault effect on magnetic
（ 5）
X-ray microbeam and novel slit technique. Physica Status
anisotropy
Solidi A. to be published.
synchrotron radiation X-ray diffraction. J. Appl. Phys. vol.
Tamori, T. et al. Characterization of dislocation in a
（ 3）
（ 4 ）
of
99, 2006, 08G911.
CoPtCr - SiO2
perpendicular
media
by
富士時報 6OL.O
見えない微小欠陥の分析・解析技術
特 集
立町 寛児}ÕÜô×eÁĉÎ~
瀧川 亜樹}ÕÃÂąe¸Ã~
āøäø存在Ïāg
まえがき
半導体İĹčĢú磁気記録媒体àßä薄膜İĹčĢáÀ
ºÜ許容ËĂā欠陥åh高集積化j高記録密度化áþĀ急
.
形状欠陥
形状欠陥ä中Ýø特á解析Â困難à例áĢĘŒĬĪđ
速áÓäĞčģÂ小ËÅàÙÜÃܺāg例¾æh磁気記
ŒsÞ呼æĂāøä¸āgÉäđŒs部å線状ä欠陥Ýh
録媒体Ýå直径数十 nm ä欠陥Â問題ÞàĀÚÚ¸āgÉ
原子間力顕微鏡}AFM~áþĀ媒体表面ä幅数十 nmh
ä大ÃËä欠陥ä分析j解析á有効à手法åh断面薄膜試
深Ë数 nm äÅòõݸāÉÞÂ判明ÍܺāgÍÁÍh
料Ĉ作製Í透過型電子顕微鏡}TEM~Ý観察j分析Ïā
ÉäÅòõÂ表面ÖÇàäÁh下地á原因¸āäÁ確認
手法ÍÁàºgÉä手法Ýåh欠陥Ĉ保ÙÕôô 100 nm
Ïāáå断面観察ÏāñÁá手段ÂàºgÉä欠陥å図 1
以下ä厚Ëá欠陥部ä薄膜試料Ĉ作製Ïā必要¸āg開
á示Ïþ¼á走査型電子顕微鏡}SEM~Ýø明暗äĜ
（a）
発j製造現場Ý検出ËĂÕ微小à欠陥Ĉ見失¼ÉÞàÅh
ŜıŒĢıÞÍÜ観察可能ݸāgÞÉăÂh断面観察用
上記薄膜試料Ĉ作製ÏāáåķďĸďÂ必要ݸāgËÿ
á示Ïþ¼á
á作製ÍÕ試料Ĉ TEM 観察ÏāÞh図 1（b）
á薄膜試料作製装置Ý見¾àº欠陥ä場合h困難ËÂ増加
ĢĘŒĬĪ部ä位置Â判別ÝÃàºgÉĂåhđŒs部Â
Ïāg
数 nm ÞÃą÷Ü浅ºÅòõäÕ÷h高Ë方向Â強調ËĂ
É É Ý å 磁 気 記 録 媒 体h 有 機 EL}Electro Lumines-
ā AFM ú二次電子ä発生効率ä違ºáþĀĜŜıŒĢı
cence~素子Ĉ対象ÞÍÕh試料作製Â困難à見¾àº微
Â付Å SEM Ýå表面Áÿä観察å可能ݸāÂh断面方
小欠陥ä TEM áþā分析j解析技術áÚºÜ紹介Ïāg
向ÁÿåÅòõ量Â小ËÏÄāÉÞáþĀ識別ÝÃàºÕ
÷ݸāg
（ 1）
断面観察時áĢĘŒĬĪ部ä位置Ĉ見失¼ÉÞàÅ特定
断面 TEM 試料作製法
ÏāÕ÷áåh何ÿÁäŇsĖŜęÂ必要ݸāg表面ä
TEM 用ä試料作製法áåčēŜňœŜę法úňĘŖ
ısʼn法h集束čēŜļsʼn}FIB~加工法àß各種ä方
図
スクラッチエラー部の表面 SEM 像・断面 TEM 像
法Â存在ÏāÂh特定ä微小部Ĉ加工Ïā場合hFIB 加工
法Ĉ用ºāäÂ一般的ݸāg
スクラッチエラー部
FIB 加工装置å細Å絞ÙÕĕœďʼn}Ga~čēŜļs
ʼnĈ試料á照射Í加工Ïā装置ÝhGa čēŜáþĀ発生
Ïā二次電子Ĉ検出ÏāÉÞáþĀ観察ø可能ݸāgÉ
ä特徴áþĀ特定ä微小部ä加工Â可能ÞàÙܺāgÍ
ÁÍh観察中ø Ga čēŜļsʼn照射áþĀ試料å加工Ë
Ă続ÇāÕ÷h近年観察専用ä電子銃ø備¾ÕİŎċŔ
1.00 m
（a）表面 SEM 像
ļsʼn}DB~-FIB 加工装置Â現Ăܺāg
Pt 保護膜
媒体スパッタ膜
磁気記録媒体
ガラス
磁気記録媒体ä欠陥Ĉ大別ÏāÞh形状欠陥Þ磁気欠陥
100 nm
（b）断面 TEM 像
Þá分ÇÿĂāgÉäñÁh形状欠陥ÝÁÚ磁気欠陥ݸ
立町 寛児
瀧川 亜樹
表面j微視解析技術ä開発h応用
磁気記録媒体h有機 EL ä表面j
á従事g現在h富士電機ċIJĹŜ
微視解析á従事g現在h富士電機
ĢıįĘķŖġs株式会社物質j
ċIJĹŜĢıįĘķŖġs株式会
科学研究所g
社物質j科学研究所g
（ 5 ）
富士時報 6OL.O
見えない微小欠陥の分析・解析技術
位置特定áåŕsğú針Ý表面áÃÐĈ付ÇŇsĖŜęÏ
åh磁気記録媒体上á記録ËĂÕ信号ä読õ書ÃđŒsÝ
¸Āh何ÿÁä原因áþĀ生ÎÕ欠陥Â信号低下Ĉ引Ã起
ÉÝhFIB 加工装置á付属ä薄膜堆積}ÕºÑÃ~機能Ĉ
ÉÏÉÞáþĀ発生ÏāgÉä欠陥åhĢĺĬĨ膜下ú膜
用ºÜŇsĖŜęÏā手法Ĉ考案ÍÕgFIB 加工装置ä薄
中ä異物á起因Ïā場合Â多ºgÉä場合h媒体表面áø
膜堆積機能åh有機系ĕĢú有機白金}Pt~系ĕĢĈ装置
¸ā程度ä凹凸Â形成ËĂhFIB 加工装置ä形態観察機能
内á流ÍàÂÿhGa čēŜú電子ļsʼnĈ照射ÍĔsŅ
Ý観察ÝÃāÕ÷試料作製å可能ݸāgÞÉăÂh凹凸
Ŝú Pt Ĉļsʼn照射部分áäõ選択的á堆積ËÑā機能
ÂñÞĉßàº磁気異常äõä欠陥ä場合h磁気力顕微鏡
Ýh通常å Ga čēŜ加工時äĩŊsġĈ防Æ目的Ý加工
}MFM~ÝÍÁ観察ÝÃÐhFIB 加工装置Ýå観察ÝÃ
á示Ïþ¼áĢĘŒĬĪ部Ĉ
部表面á堆積ËÑāg図 2（a）
àºÕ÷h断面観察用ä試料作製ÂÝÃàºgÉäþ¼à
挟öþ¼áĔsŅŜĈĢņĬıÝ堆積ÍŇsĔsÞÍܺ
場合äŇsĖŜę技術ä開発Ĉ行ÙÕäÝ以下á紹介Ïāg
āgÉäŇsĔsĈ目印á作製ÍÕ試料ä断面 TEM 像Â
MFM å磁気力分布Ĉ高º空間分解能Ý観察ÝÃāÕ÷h
図 2（b）
ݸāgŇsĔsÂ明瞭}÷ºĀý¼~á判別ÝÃ
ä画
磁気記録媒体ä記録ļĬıÂ観察可能ݸāg図 3（a）
āgÉäŇsĔs間ä丸Ý囲ĉÖ部分ÂĢĘŒĬĪ部ݸ
像中央部á見ÿĂā縦Îô模様Â記録ļĬıݸāg丸印
€Ĉ見āÞh磁性層äõÅ
āgÉä部分ä拡大像図 2（c）
Ý囲ĉÖ領域á R/W đŒsÂ存在Ïāg画像中ä黒º点
òĉÝÀĀ保護層ú下地層å正常ݸÙÕg
å MFM Ĉ用ºÜ付ÇÕŇsĖŜęݸāg破線Ý囲ĉ
ÉäĢĘŒĬĪđŒsåIJŒčĿ耐久試験後á発生ÍÕ
á示ÏgMFM
Ö領域ä SEM áþā二次電子像Ĉ 図 3（b）
œsIJŒčı}R/W~đŒs部á見ÿĂÕøäݸĀh試
ŇsĖŜęä位置関係Áÿ丸印ä領域á R/W đŒs部Â
験時á何ÿÁä外力áþĀ磁性層Â塑性変形ÍÕøäÞ推
存在ÏāåÐݸāÂ何ø観察ÝÃàºg二次電子像Þ
定ËĂāg
á示Ïg反射電子像å二次
同Î領域ä反射電子像Ĉ図 3（c）
電子像Þ同Î表面形状ä情報äñÁáh観察ËĂā場所ä
.
磁気欠陥
平均原子番号ä情報ø含ôĂh平均原子番号Â大ÃÅàā
磁気欠陥å R/W đŒsÞÍÜ認識ËĂāgÉäđŒs
ñß明āÅĜŜıŒĢıÂ付ÅÞº¼特徴¸āgR/W
đŒsá対応Ïā場所á黒ÅĜŜıŒĢıÂÚºÕ点Â
図
見¾āÕ÷hđŒs部å周囲þĀø平均原子番号Â低º
断面マーカーの適用例
Þ考¾ÿĂāg反射電子像Ý R/W đŒs部Â観察ËĂÕ
ÂhFIB 加工装置áåÉä機能Â付ºÜºàºÕ÷Éäô
マーカー
ôÝå試料作製ÝÃàºgSEM Ý試料表面á長時間電子
線Ĉ照射ÏāÞ装置内áąÐÁá存在Ïā不純物ĕĢáþ
加工部
図
R/W エラー部へのマーキング例
5
4
（a）表面 SEM 像
エラー部
MFM マーキング
3
マーカー
2
（ m）
特 集
ā手法Â用ºÿĂāÂh断面ä場合áå適用ÝÃàºgÓ
1
0
0
ガラス
1
−63.059
2
3
（ m）
4
（deg）
5
−64.051
（a）MFM 像
（b）断面 TEM 像
Pt 保護膜
保護膜
エラー部
磁性層
下地層
（c）拡大像
（ 6 ）
（b）二次電子像
（c）反射電子像 （d）二次電子像
富士時報 6OL.O
図
見えない微小欠陥の分析・解析技術
R/W エラー部の断面 TEM 像
図
トップエミッション有機 EL パネルの断面模式図
特 集
蒸着 CCM（色変換層）
発光
陰極
ガラス ガラス基板
Pt 保護膜
カラーフィルタ
樹脂
ッタ膜
媒体スパ
エラー部
膜封止
有機 EL 層
樹脂
Ni めっき
ガラス
ＴＦＴ基板
パッシベーション膜
陽極
シャドウマスク
Ā試料表面á炭素系ä物質Â堆積ÏāÉÞÂ知ÿĂܺāg
Éä現象Ĉ利用ÍÜh反射電子像Ý観察ËĂÕ R/W đ
Œs部áĢņĬıÝ電子線Ĉ照射Í炭素系物質Ĉ堆積ËÑh
図
DA 部の光学顕微鏡像
á示Ïþ¼á堆
ŇsĔsÞÏāÉÞÂ可能ݸāg図 3（d）
積後åhR/W đŒs部á二次電子像Ý堆積物Â観察ËĂh
FIB 加工装置Ýø観察可能ÞàĀ試料作製Â可能Þàāg
試料作製後ä断面観察結果Â図 4 ݸāgĴĬĚŔ}Ni~
÷ÙÃ部á幅約 20 nm ä白ÅĜŜıŒĢıÂ付ºÕ筋Âh
÷ÙÃ深部Áÿ媒体ĢĺĬĨ膜ôÝ伸éܺāgTEM ä
場合h電子線ä透過ÍúÏËä違ºáþĀĜŜıŒĢıÂ
付ÅÕ÷h重º元素ñß黒Å表示ËĂāgđĶŔės分散
型ä特性 X 線分析装置}EDX~áþā組成分析áÀºÜh
白º筋部åôąĀÞ検出元素á差異ÂàÁÙÕÉÞÁÿh
密度Â低ºŒčŜ状ä欠陥Þ考¾ÿĂāgÉä Ni ÷ÙÃ
（a）DA 外観
ä密度異常部Â起点ÞàĀh媒体ĢĺĬĨ膜ä膜質Â変化
（ 2）
ÍÜ磁気異常ÞàÙÕøäÞ推察ËĂܺāg
Ni ÷ÙÃä密度異常Â発生ÍÕ原因åhNi ÷ÙÃ深部
äċŔňĴďʼn}Al~基板界面ä欠陥Â原因Þ推定ËĂ
āg深Ë数 –m ôÝå筋状構造Ĉ確認ÍܺāÂhAl 基
板ôÝ到達ÍܺàºgÉĂåh厚Ë約 50 nm ä断面薄
膜試料ä中á幅}直径~約 20 nm ä筋状構造Ĉ保ÙÕôôh
欠陥
深部ôÝ薄膜化ÏāäÂ困難àÕ÷ݸāgÉä筋状構造
Ĉ Al 基板ôÝ到達Ïā技術á関ÍÜøh現在開発á取Ā
組ĉݺāg
（b）光学顕微鏡像（透過）
有機 EL 素子
有機 EL 素子á関ÍÜåhıĬŀđňĬĠŐŜ構造ä薄
ä矢印Þ破
ĈĩsĘđœċ}DA~Þ称Íܺāg図 6（a）
膜ıŒŜġĢĨ}TFT~Ĉ使用ÍÕċĘįČĿŇıœĬ
線Ý囲ĉÖ領域 DA ݸāgÉä領域äßÉÁá欠陥
ĘĢ駆動有機 EL ľŔĔŒsĺĶŔä解析事例Ĉ紹介Ï
Â存在ÏāåÐݸāÂhÉä状態Ýå上面Áÿ欠陥å見
āgÉäĺĶŔä構造ä概略åh樹脂Ý表面Ĉ平坦化Í
¾àºgôÕÕÞ¾欠陥Â見¾ÕÞÍÜøh問題ä箇所Â
Õ TFT 基板上áhĺĬĠłsĠŐŜ膜}保護膜~
h陽極h
厚º}1 mm 近Å~ĕŒĢá挟ôĂÕ部分ݸāÕ÷h試
有機 EL 層h赤色画素áäõ色変換層}CCM~
h陰極ä順
料作製ÏāÉÞå不可能ݸāg
á形成ÍÕä×全体Ĉ膜封止ÍÕ基板ÞĔŒsľČŔĨ
欠陥Ĉ探Í出Íh試料作製Ĉ可能áÏāÕ÷有機 EL
g
}CF~基板ÞĈ樹脂ÝåĀ¸ąÑÕøäݸā}図 5~
有機 EL 素子ä場合h欠陥Ĉ通ÍÜ有機 EL 層á水分ú
層Þ保護膜界面ÝåÅ離Ïā技術Ĉ確立ÍÕgåÅ離後h
TFT 基板Þ CF 基板ä DA á該当Ïā部分Ĉ調査ÏāÉ
酸素Â入āÞ有機 EL 材料ä劣化áþĀh発光状態Ý局所
á示Ïg調査å光学顕微
ÞáþÙÜ発見ÍÕ欠陥Ĉ図 6（b）
的à輝度低下ú極端à場合å非発光部分Â発生ÏāgÉĂ
鏡Ý行ÙÕÂh反射光Ýå発見ÝÃÐh透過光Ý検出Â可
（ 7 ）
富士時報 6OL.O
図
見えない微小欠陥の分析・解析技術
DA 領域内の欠陥部表面 SEM 像と断面 TEM 像
ä場合h加速電圧Ĉ上ÈāÉÞÝ異物Â見¾ÜÅāÉÞÂ
¸āg加速電圧Ĉ 30 kV ôÝ上ÈÜ二次電子像Ĉ観察Ïā
特 集
€
g二次電子像Ý観
ÉÞáþĀ異物Â見¾Üºā 図 7（b）
欠陥
察ÝÃāäÝ試料作製Â可能ݸāg
á示Ïg陰極ݸā
試料作製後ä断面 TEM 像Ĉ図 7（c）
IZO}Indium Zinc Oxide~Þ封止膜ä窒化ĠœĜŜ}SiN~
ä界面á IZO Þ同ÎĜŜıŒĢıä異物Â存在Íܺāg
10 m
（a）加速電圧 5 kV
（b）加速電圧 30 kV
Éä異物åhEDX áþā組成分析Áÿ IZO ݸāÞ判明
ÍÜÀĀhIZO 成膜時ä装置内ä IZO ľŕsĘä付着Â
二次電子像
原因ݸÙÕgÉä異物ä存在áþĀhSiN 膜成膜時á図
Pt 保護膜
EL 層
陰極（IZO）
SiN
中ä楕円}Ö¾ĉ~Ý囲ĉÖ位置áĺĢÂ形成ËĂh樹脂
中ä水分Â EL 層á浸入Í DA Â発生ÍÕøäÞ推定ËĂ
ܺāg
IZO
樹脂
1 m
あとがき
（c）欠陥部断面 TEM 像
見¾àºh¸āºå特定ä装置ÝÍÁ見¾àº微小欠陥
ä断面 TEM 試料作製技術áÚºÜ紹介ÍÕg今後ø技術
能ݸāg膜下á何ÿÁä異物Â存在ÏāÕ÷光Â透過Ñ
ä向上Ĉ図Āh不具合ä原因究明j研究開発ä加速推進á
Ðh欠陥Â見¾ÜºāøäÞ考¾ÿĂāg
貢献ÍܺÅ所存ݸāg
次á欠陥部ä試料作製Ĉ行¼Õ÷二次電子像Ĉ観察ÍÕ
ÞÉăh通常ä加速電圧}5 kV~Ýå表面Áÿ欠陥å見¾
€
g異物å膜下á¸Āh表面}åÅ離面~á
ຠ図 7（a）
凹凸ø形成ËĂܺàºÕ÷ݸāgSEM ä場合h照射
Ïā電子線ä加速電圧Ĉ上Èāá従ÙÜh電子線ä侵入深
Ëh二次電子ä発生深Ëø深ÅàāÕ÷h表面近傍ä異物
（ 8 ）
参考文献
進藤大輔h平賀賢二i材料評価äÕ÷ä高分解能電子顕微
（ 1）
鏡法i共立出版株式会社i1996, p.175-181.
熊谷明恭h渡辺武i磁気記録媒体ä分析j解析技術i富士
（ 2）
時報ivol.79, no.4, 2006, p.317-320.
富士時報 6OL.O
半導体断面の解析技術
特 集
塩原 政彦}ÍÀåÿeôËèÉ~
市村 裕司}º×öÿeü¼Î~
石渡 統}ºÍąÕeÀËö~
まえがき
図
半導体デバイスの断面解析における試料作製法
電子機器ä小型化h軽量化h高機能化Â飛躍的á進展Í
小
ܺāgÉäÉÞáþĀh微細化h複雑化ÍÕ半導体İĹ
FIB 法
（Ga イオン）
čĢáåhþĀ高度à接合技術Â要求ËĂܺāgÉäÕ
÷hÓä接合状態Ĉ破壊ÑÐáhôÕh化学的à変化Ĉ及
CP 法
（Ａｒイオン）
òËÐáh詳細á分析j解析ÏāÉÞÂ必要不可欠áàÙ
中領域断面加工
試料サイズ
ܺāg
富士電機Ýå半導体İĹčĢĈh主á産業分野h自動車
分野hİġĨŔ家電分野á展開ÍܺāgÓäĺĬĚsġ
狭領域
断面加工
切削
（ミクロトーム）
法
構造åh数 mm 角Ğčģä CSP}Chip Size Package~Á
広領域
断面加工
機械研磨法
ÿh弁当箱ĞčģäĺŘsŋġŎsŔôÝ多種多様ݸāg
広領域断面加工
ÉĂÿä製品åhĪĬŀĈœsIJ端子hŘčōhĹŜŀ
大
構造àßÝ配線ÍܺāgÉä接合状態Ĉ詳細á観察Í分
析j解析Ïā¼¾ÝhÓĂÔĂä接続方式á適ÍÕ断面試
料作製技術ä果ÕÏ役割åôÏôÏ重要áàÙܺāg
低
断面加工位置精度
高
本稿Ýåh断面研磨Â困難à軟質材料ݸā Au-Alh
Àþé Cu-Sn 金属間化合物Ĉ解析ÏāÕ÷ä断面試料作
製技術áÚºÜh事例Ĉ紹介Ïāg
ݸāg二Ú目äňĘŖısʼn法åhĩčōŋŜIJijčľ
Ĉ使用ÍÜ加工面Ĉ切削Ïā方法ݸāgÉä方法åh一
般á金属間化合物Ĉ観察ÏāÕ÷á用ºÿĂܺāgÍÁ
適用事例
ÍàÂÿhÉä方法á特異的àċsįČľĊĘı}ijčľ
.
断面試料作製法の概要
ŇsĘ~Â発生ÍÜÍô¼gÉĂĈ改善ÏāÕ÷áåh高
断面試料作製法ä概要Ĉ説明Ïāg 図 1 áh試料Ğč
度àĢĖŔÂ必要ݸāg三Ú目ä CP 法åhċŔĝŜ
ģÞ断面ä加工精度Þä関係Ĉ示Ïg断面試料作製法Þ
}Ar~čēŜļsʼnĈ用ºÜĢĺĬĨđĬĪŜęÍh断面
ÍÜh機械研磨法hňĘŖısʼn法hCP}Cross-section
Ĉ作製Ïā方法Ýh1 mm 幅程度ä加工Â可能ݸāgÉ
（ 1）
Polisher ~法Àþé集束čēŜļsʼn}FIB~加工法ä 4
ä方法Ĉ用ºÜhþĀ平滑à断面á加工ÏāÕ÷áåh加
手法Ĉ適用Íܺāg
工前á樹脂Ý固定Íh適切à形状á加工ÍÕ¼¾Ý粗研磨
一Ú目ä機械研磨法åh試料ĈđņĖĠ樹脂Ý包埋ÍÜ
ÍhËÿáåčēŜļsʼnä最適条件Ĉ検討ÏāÉÞÂ必
切断後研磨ÍhĹľ仕上ÈĈÏā方法ݸāgÉä手法å
要ݸāg四Ú目ä FIB 加工法åhĕœďʼn}Ga~čē
試料ĞčģÂ数十 mm Þº¼広範囲ä加工Â可能ݸā
ŜĈ照射ÍÜ試料表面Ĉ観察ÍàÂÿ加工Ïā手法ݸāg
Âh熟練Ĉ要Ïā¼¾h接合界面á段差ÂÝÃāÕ÷h金
加工幅Âh約 20 –m Þ限ÿĂܺāg微小部äþĀ詳細
属間化合物層Ĉ解析Ïā¼¾Ýh弊害ÞàāÉÞ¸āg
à断面解析á適Íܺāg
ôÕhđņĖĠ樹脂ä硬化á時間ÂÁÁāÉÞÂ作業性ä
面Ý問題áàÙܺāg富士電機Ýå常温Ý短時間硬化Ï
āđņĖĠ樹脂Ĉ開発ÍhÓä適用Ĉ推進ÍܺāÞÉă
塩原 政彦
.
Au-Al 金属間化合物の解析
一 般 的 áhIC Ī Ĭ ŀ ä ċ Ŕ ň Ĵ ď ʼn}Al~ 電 極 Ĉ 金
市村 裕司
石渡 統
分析j解析j評価業務á従事g現
半導体封止樹脂ä開発á従事g現
分析j解析技術ä開発Þ応用á従
在h富士電機İĹčĢįĘķŖ
在h富士電機İĹčĢįĘķŖ
事g現在h富士電機İĹčĢįĘ
ġs株式会社電子İĹčĢ研究所
ġs株式会社電子İĹčĢ研究所
ķŖġs株式会社電子İĹčĢ研
材料技術部g
材料技術部課長補佐g日本接着学
究所材料技術部ŇĶsġŌsg応
会会員g
用物理学会会員g
（ 9 ）
富士時報 6OL.O
半導体断面の解析技術
}Au~ŘčōÝ接合Ïā方式Â適用ËĂܺāgÍÁÍà
ÅÐh研磨砥粒ä埋ôĀ込õÂ確認ËĂāg
特 集
ÂÿhAu å軟質材料äÕ÷h断面試料Ĉ作製Ïā¼¾Ý
-1 á示ÏÞÀĀh
二Ú目äňĘŖısʼn法Ýåh 図 2（b）
接合界面á段差Â形成ËĂh金属間化合物Ĉ分析j解析Ï
全体的á平滑à面á仕上ÂÙܺāgÍÁÍh詳細á観察
āÉÞÂ困難ÞËĂܺāgôÕh高温放置ÏāÉÞÝh
ÏāÞh微小à段差Â形成ËĂܺāgôÕhňĘŖıs
Al á対ÍÜ Au œĬĪä金属間化合物Ĉ形成Íh接続強
ʼn法á特徴的àĩčōŋŜIJijčľáþā切削痕}ijčľ
（ 2）
度Â低下ÏāÉÞÂ知ÿĂܺāgÉäþ¼à Au Þ Al
ŇsĘ~Â認÷ÿĂāg
Þä接合断面Ĉh機械研磨法hňĘŖısʼn法hCP 法ä
-1h
-2 Þøáh平滑à
三Ú目ä CP 法Ýåh 図 2（c）
（c）
3 手法Ý作製Íh走査型電子顕微鏡}SEM~Ý比較観察Í
断面Ýh接合界面á段差Âàº状態á仕上ÂÙܺāÉÞ
Õ結果Ĉ図 2 á示Ïg
Â分Áāg以上äÉÞÁÿhCP 法å軟質材料ݸā Au-
-1 äþ¼áŘčō全
一Ú目ä機械研磨法Ýåh 図 2（a）
Al ä金属間化合物Ĉ分析j解析Ïā¼¾Ýh最ø優ĂÕ
体åh比較的平滑á観察ËĂāgÍÁÍh接合界面Ĉ詳細
手法ݸāg
-2 á示Ïþ¼áhŘčōÞ電極ä
á観察ÏāÞh 図 2（a）
次áh半導体製品ä高温放置試験}210 ℃h1,000 h~後
接合界面á段差Â発生ÍܺāgËÿáhÓä段差á研磨
ä Au Řčō接合状態Ĉ解析ÏāÕ÷hCP 法Ý断面試料
Ĉ作製ÍhFIB ä SIM}二次電子~像Ý観察ÍÕg図 3（a）
図
3 手法の断面試料作製法による Au ワイヤボンディング部
の SEM 像
åh初期ä Au Řčō接合断面ݸāg数 –m ä Au-Al
金属間化合物Ĉ生成Íܺā以外åh欠陥ä少àº接合状
á
態Ĉ示Íܺāg一方h高温放置ÍÕ試料Ýåh図 3（b）
-1
（a）
10 m
示ÏÞÀĀhAu-Al ä金属間化合物層Â厚Å成長ÍhŅ
-2
（a）
čIJÂ生成ÍhĘŒĬĘÂ発生ÍܺāÉÞÂ確認ÝÃāg
機械研磨法
Éäþ¼áh図 3 Ýåh観察á FIB ä SIM 像Ĉ適用Ï
5 m
-1
（b）
10 m
āÉÞÝhGa čēŜ励起ä二次電子像áþāĪŌĶœŜ
ęĜŜıŒĢıáþÙÜhAu ä結晶状態Â観察ÝÃܺ
-2
（b）
1 m
āÉÞÂ分ÁāgËÿáhEBSP}電子後方散乱回折像~
（ 3）
ミクロトーム
法
法áþĀhAu Řčōä結晶方位ŇĬŀä測定Ĉ行ÙÕ結
果Ĉ図 4 á示Ïg
EBSP 法åh試料ä極表層数十 nm 程度ä深ËÁÿ発生
-1
（c）
-2
（c）
ÏāĪŌĶœŜęĺĨsŜĈ測定Íh結晶方位ú結晶粒
10 m
ä情報Ĉ可視化ÏāÉÞÂ可能à手法ݸāgÉä解析像
CP 法
Ĉ得āÕ÷áåh試料ä加工èÐõúĜŜĨňĶsĠŐ
5 m
Ŝh酸化皮膜ä生成Ĉ抑止ÏāÉÞÂ必要不可欠ݸāg
ÉäÉÞÁÿhCP 法åhAu-Al 金属間化合物ä観察úh
EBSP 法ä断面試料作製á有効à手法ݸāÞº¾āg
図
Au ワイヤボンディング部の FIB（SIM 像）断面観察
Éä CP 法Ĉ適用ÏāÉÞáþĀh材料組成hŅŜİČ
Ŝę条件ä最適化Ĉ判断ÏāÕ÷ä解析Â可能ݸĀh材
料設計Àþé工程設計基準á反映ÏāÉÞÂÝÃāøäÞ
Au ワイヤ
樹脂
図
Aｌ電極
Au ワイヤボンディング部断面の結晶方位マップ
Aｌ電極
Au-Al 化合物層
Si チップ
25 m
10 m
（a）初期品
Au ワイヤ
樹脂
パープルプレーグ（金属間化合物層）
［111］
Aｌ電極
Aｌ電極
Si チップ
10 m
（b）高温放置（210 ℃，1,000 h）品
（ 10 ）
［001］
［101］
富士時報 6OL.O
図
半導体断面の解析技術
Cu-Sn 金属間化合物層の観察結果
図
ヒートサイクル 1,000 サイクル品の FE-オージェライン
プロファイル結果
SEM 像
特 集
紫色の部分が Cu-Sn 合金
SEM 像
Cu-Sn 合金層
Cu-Sn 合金層
2.0 m
Cu
図
青：Cu，赤：Sn
Cu
FIB 低入射加工法
0.2 m
清浄な界面が
露出，接合部
の膜厚が拡大
する。
表面から 30°
の角度で FIB
加工を実施
100
線分析結果
90
80
Cu
AT（％）
70
図
Cu-Sn 金属間化合物層の SIM 像観察結果
60
Cu3Sn
50
Sn
40
約 0.1 m
30
はんだ
20
Cu
Cu6Sn5
10
0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
厚み（ m）
Cu-Sn 合金層
保護用 C 膜
Cu
ヒートサイクル 1,000 サイクル後
Éä FIB 低入射加工法Þ FE-ēsġĐ分析Ĉ併用Ïā
10 m
ÉÞÝh薄膜ä Cu-Sn 金属間化合物ä解析Â可能ݸĀh
高信頼性Ĉ裏付ÇāİsĨÞÍÜh応用展開Â可能ݸāg
考¾āg
.
あとがき
Cu-Sn 金属間化合物の解析
åĉÖÝ接続ÍÕ銅合金Ĉh高温Ý長時間放置ÏāÞh
半導体製品ä開発h改善á必要不可欠ݸā断面解析技
術áÚºÜh機械研磨法hňĘŖısʼn法hCP 法hFIB
接合部áhCu Þ Sn Þä金属間化合物Â成長ÏāgÉä
加工法Ĉ用ºÕ断面精密加工áþā半導体İĹčĢä解析
hη
金属間化合物層å 図 5 á示Ïþ¼áhε相}Cu3Sn~
事例Ĉ紹介ÍÕg今後h製品群å微細化ÍܺÃh断面解
相}Cu5Sn6~ä 2 相Â成長Ïāg特áhε相}Cu3Sn~å
析技術åňĘŖ領域Áÿijķ領域îÞ変化ÍܺÅg解析
脆弱ݸāÕ÷h劣化Â激ͺ場合áå 2 層間Ý破断á至
ä質Ĉ左右Ïā断面試料作製技術ä向上Ĉ図Āh製品ä高
（ 4）
āÉÞÂ知ÿĂܺāgÓÉÝhCu 製ä端子Ĉ Sn-Ag-
性能j高信頼化á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
Cu 製äåĉÖÝ接合ÍhĻsıĞčĘŔ試験}−40 v
＋105 ℃~Ĉ 1,000 ĞčĘŔ実施ÍÕg 図 6 á示Ïþ¼áh
参考文献
FIB 低入射加工法Ĉ用ºÜ断面Ĉ作製ÍÕgÉä方法å
朝比奈俊輔iĘŖĢĤĘĠŐŜjņœĬĠŌáþā断面試
（ 1）
表面Áÿ 30°Ý Ga čēŜĈ照射ÏāÉÞÝh金属間化合
料作製法i2004 日本電子 EPMAj表面分析ŏsğsģňs
物層ä厚ËĈ得āÉÞÂ可能áàāgÉä SIM 像Ĉh 図
įČŜę予稿集i2004.
7 á示ÏgCu-Sn ä金属間化合物層å観察ÝÃܺāÂh
宇野智裕h巽宏平iAu/Al 接合部áÀÇā金属間化合物
（ 2）
hη相}Cu5Sn6~å分離ÍÜ観察ÝÃܺà
ε相}Cu3Sn~
相ä腐食挙動Þ接合信頼性i日本金属学会誌ivol.63, no.3,
ºÉÞÂ分Áāg図 8 áh電界放出型ēsġĐ電子分光法
1999, p.406-415.
}FE-ēsġĐ~äŒčŜŀŖľĊčŔĈ示Ïg0.1 –m ä
ε相}Cu3Sn~Ĉ形成ÍܺāÉÞÂ確認ÝÃÕg
鈴木清一iOIM ACADEMY įĖĢıiTSL. 1999.
（ 3）
電子技術ivol.26, no.6, 1984, p.27-55.
（ 4）
（ 11 ）
富士時報 6OL.O
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
特 集
巻渕 陽一}ôÃë×eþ¼º×~
久保木 孔之}ÅòÃeþÍüÃ~
田森 妙}ÕøĀeÕ¾~
（ 1（
）3）
検出h定量Ïā方法Ĉ確立ÍÕg
まえがき
試 料 ä 磁 性 層 ä 厚 Ë å 20 nm Ý ¸ Āh Ó ä 組 成 å
電子線hX 線å多Åä分析機器á利用ËĂÜÀĀhÓ
}SiO2~
｛
}Co90Cr10~
100 − 8 Pt8 ｝
89 −
11 Þ表ÏÉÞÂÝÃāgÉ
Ăÿå広º分野Ý活用ËĂܺāg特á透過型電子顕微鏡
ÉÝ Pt 添加量 8=0h10h20h30 at% ÞÍÕgôÕh磁性
}TEM~Ĉ用ºÕ微細構造観察hX 線回折Ĉ用ºÕ結晶構
層åĠsIJ層ݸā Ru ä¼¾á製膜ËĂܺāg試料ä
（ 4（
）5）
造解析å富士電機ä技術開発ú製品開発áÀºÜ必要不可
詳細áÚºÜå文献Ĉ参照ºÕÖÃÕºg
欠à解析手法ݸāgTEM å原子ŕłŔä観察Â可能Ý
ôÐ TEM Ĉ用ºÕ hcp 相中ä fcc 相ä検出áÚºÜ述
¸ā反面h試料全体Áÿ見āÞ非常á局所的à部分ä情報
ïāgTEM Ĉ用ºÜ電子線Ĉ試料á入射ËÑÕ結果得ÿ
ÍÁ得ÿĂàºgôÕh試料Ĉ電子Â透過Ïā薄Ëá加工
ĂÕ電子回折図形áåh試料Ĉ透過ÍÕ透過波Þh異àÙ
Ïā必要Áÿ試料Ĉ破壊ÑÌāĈ得àºg一方Ý X 線回
Õ格子面ä回折波Â点状á現Ăāg透過波Ĉ選択Í電子顕
折Áÿ得ÿĂā情報å X 線Â透過ÍÕ領域ä平均化ÍÕ
微鏡像Ĉ観察Ïā手法Ĉ明視野法h観察ËĂā像Ĉ明視野
øäÝå¸āÂh試料Ĉ破壊ÏāÉÞàÅ測定Â可能ݸ
像Þ呼ìgôÕh特定ä回折波Ĉ選択Ïā場合Ĉ暗視野法h
āgôÕh実験室Ý使ąĂā X 線装置ä 108 倍ä輝度Ĉ
暗視野像Þ呼ìg磁性層ä電子回折図形Áÿ fcc 相起因ä
有Ïā SPring-8}大型放射光施設~ä高輝度放射光 X 線
Ĉ用ºāÉÞÝ微小領域úh極薄ä膜á対ÍÜø解析Â可
回折波Ĉ選択Íh暗視野像Ĉ得āÉÞÂÝÃĂæh磁性層
}hcp 相~中ä fcc 相存在領域Ĉ特定ÝÃāg
（ 1）
能ݸāg製品ä高性能化j高品質化Â進ö中ÝhþĀ微
TEM 観 察 á å Pt 濃 度 Â 20 at% Þ 30 at% ä CoPtCr-
小à領域hþĀ薄º膜Ĉ対象ÞÍÕ解析Â求÷ÿĂÜÀĀh
SiO2 膜Ĉ用ºÕg図 1 å Pt 濃度Â 30 at% ä CoPtCr-SiO2
Óäþ¼à難度ä高º課題á対ÍÜåh幾ÚÁä分析手法
膜ä断面Áÿ得Õ電子回折図形ݸāg磁性層ä fcc
}111~
Ĉ組õ合ąÑāÉÞÂ有効ݸāg
面Áÿä回折波åh磁性層úĠsIJ層ä hcp
}002~
面Áÿ
本稿ÝåhTEM Þ放射光 X 線Ĉ相補的á用ºÕh磁気
ä回折波Þ隣接ÍܺāÕ÷分離ÝÃàºgÍÁÍh磁
記録媒体Àþé SiC đĽĨĖĠŌŔ成長層ä結晶構造解析
性層ä fcc
}200~
面Áÿä回折波åhhcp 相Áÿä回折波Þ
例Ĉ紹介Ïāg
å磁性層ä fcc
重àÿàº位置á観察ËĂܺāg図 2（b）
å同Î
}200~
面Áÿä回折波Ĉ結像ÍÕ暗視野像h図 2（a）
視野ä明視野像ݸāg図 2（a）
Þ
中ä白º円åh同Î位
（b）
磁気記録媒体の結晶構造解析
磁気記録媒体ä特性Ĉ議論Ïā¼¾Ý磁性粒子äĞčģ
図
磁性層の電子回折図形
ú分離性Þ同様á磁気異方性ø重要àĺŒŊsĨݸāg
磁気異方性å結晶構造áþĀ異àĀh磁性層áå高º磁気
fcc-mag
（200）
異方性定数}+u~Ĉ有Ïā 1 軸異方性ä最密六方晶}hcp~
ä材料Â用ºÿĂāgÉä hcp 相中á等方性ä面心立方
結晶}fcc~ú積層欠陥Â存在ÏāÞ +u Ĉ低下ËÑā原因
áàĀh磁性層ä組成ú成膜ŀŖĤĢĈ改善Ïā¼¾ÝÉ
hcp-mag
（002）
fcc-mag
（111）
hcp-Ru
（002）
（101）
hcp-Ru
hcp-mag
（101）
ĂÿĈ定量的á把握Ïā必要¸āgÓÉÝh垂直磁気記
（ 2）
録媒体ä磁性層ÞÍÜ高º +u Ĉ有Ïā CoPtCr-SiO2 膜á
ÚºÜhPt 濃度Ĉ変¾Õ場合ä hcp 相中ä fcc 相Ĉ TEM
暗視野像ä観察Þ微小角入射放射光 X 線回折法Ĉ用ºÜ
（ 12 ）
巻渕 陽一
久保木 孔之
田森 妙
半導体İĹčĢàßä解析j評価
磁気記録媒体ä評価技術開発á従
半導体İĹčĢä分析j解析技術
ä研究á従事g現在h富士電機ċ
事g現在h富士電機İĹčĢįĘ
ä開発á従事g現在h富士電機ċ
IJĹŜĢıįĘķŖġs株式会社
ķŖġs株式会社情報İĹčĢ事
IJĹŜĢıįĘķŖġs株式会社
物質j科学研究所g
業本部İČĢĘ媒体事業部媒体開
物質j科学研究所g応用物理学会
発部g日本応用磁気学会会員g
会員g
富士時報 6OL.O
図
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
Pt 濃度が 30 at% の磁性層断面の TEM 像
図
微小角入射 X 線回折法の測定配置
回折 X 線
［001］
Ru
10 nm
2ȟ
（a）明視野像
0.2°
χ
10 nm
（b）暗視野像
図
図
磁性層の X 線回折パターン
Pt 濃度が 20 at% の磁性層断面の TEM 像
CoPtCrSiO2
Ru
10 nm
X 線回折強度（a.u.）
（a）fcc
（111）
30 at ％Pt
20 at ％Pt
10 at ％Pt
0 at ％Pt
（a）明視野像
30
32
34
中ä白º部分å
置Ĉ示ÏÕ÷á表示ÍÕ円ݸāg図 2（b）
fcc
}200~
面Ýä回折条件Ĉ満ÕÍÕ fcc 領域ݸāgôÕh
X 線回折強度（a.u.）
10 nm
40
42
（b）hcp
（101）
30 at ％Pt
（b）暗視野像
36
38
2ȟ
（゜
）
20 at ％Pt
10 at ％Pt
0 at ％Pt
30
32
34
36
38
2ȟ
（゜
）
40
42
図 2（a）
中ä白º矢印Ý示ÍÕÍô模様åh積層欠陥ݸāg
図 3（a）
h（b）
á 示 Ï þ ¼ áhPt 濃 度 Â 20 at% ä CoPtCr-
SiO2 膜Ýø同様áhfcc 領域Þ積層欠陥Â確認ËĂÕgPt
回折条件ݸĀhÉä条件Ýå試料表面Þ垂直à結晶面
濃度Â 20 at% Þ 30 at% ä CoPtCr-SiO2 膜Ĉ比較ÍÜhPt
}100~
h
Ĉ評価ÝÃāgÍÁÍh面内回折条件Ýå hcp-Co
濃度 20 at% ä方 fcc 相ä領域Â少àºÉÞÂ分Áāg
}110~Þ fcc-Co
}220~面Áÿä回折 X 線Ĉ検出Ï
hcp-Co
ÕÖÍhÉä結果å非常á局所的à情報ݸĀh試料全体
}110~Þ fcc-Co
}220~面Áÿ
āÉÞÂÝÃāÂhhcp-Co
ä状態Ĉ定量的á反映ÍܺāøäÝåàºg
ä回折 X 線Â 2θ＝ 59.4°付近Ý重àÙÜÍôºh両者Ĉ
次á放射光 X 線Ĉ用ºÕ hcp 相中ä fcc 相ä定量化á
分離ÍÜ評価ÏāÉÞÂÝÃàºgÓÉÝ角度χ Ĉ 69.5
ÚºÜ述ïāg微小角放射光 X 線回折実験åhSPring-8
}111~Þ hcp-Co
}101~
面Á
Þ 60.2°ÞÏāÉÞÝhfcc-Co
ä産業用専用ļsʼnŒčŜ BL16XU áÀºÜ実施ÍÕg
ÿä回折 X 線ĈÓĂÔĂ 2θ＝ 35.3°Þ 37.9°Ý分離ÍÜ
Éä実験á利用ÍÕ入射 X 線đĶŔėså 10 keVh波長
検出ÏāÉÞÂÝÃāgÉäþ¼áÍÜhhcp 相Þ fcc 相
å 0.124 nm ݸāgX 線回折実験äĤĬıċĬŀä概略
Ĉ分離ÍÜ評価ÏāÉÞÂÝÃāþ¼áàÙÕg
Ĉ図 4 á示ÏgÉä図á示Ï角度χ åh試料表面Þ水平面
}111~Þ hcp
異 à ā Pt 濃 度 ä CoPtCr-SiO2 膜 中 ä fcc
ÞÂàÏ角度ݸāg入射 X 線角度å 0.2 °ÞÍÕgÉĂ
Þ
}101~
面Áÿä X 線回折ĺĨsŜĈhÓĂÔĂ図 5 ä
（a）
å全反射条件Ĉ満足Ïā角度ݸāgÉĂáþĀh数十
（b）
á示Ïgfcc
}111~Þ hcp
}101~
面äĽsĘåh独立ÍÕ
nm 厚ËÝ積層ËĂÕ垂直磁気記録媒体ä¼×h磁性層ä
重àĀäàºĽsĘÞÍÜ観察ËĂÕgPt 濃度ä増加Þ
õĈ構造解析ÏāÉÞÂÝÃāg磁性層Áÿä回折 X 線
ÞøáhÉĂÿäĽsĘå低角度側áĠľıÍÕgÉä
Ĉ 2θĢĖŌŜÝÞÿ¾hÉäÞÃä角度χ Ĉ 90°h69.5°h
ĽsĘĠľıåhCoPt 結晶格子ä格子面間隔ä増加áþ
Àþé 60.2°ä 3 条件ÞÍÕgχ＝ 90°ä実験条件å面内
Ā引Ã起ÉËĂÕøäݸāgÏàą×hCo 結晶格子中
（ 13 ）
特 集
CoPtCrSiO2
富士時報 6OL.O
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
á Co 原子þĀø原子半径ä大Ãà Pt 原子Â多Å入Ā込
đĽĨĖĠŌŔ成長層起因ä場合åİĹčĢ製造ŀŖĤĢh
基板起因ä場合å基板製造ŀŖĤĢÞº¼þ¼áh改良
ÏïÃŀŖĤĢÂ大ÃÅ異àāÁÿݸāgSiC p-n ĩč
º hcp
}101~
ĽsĘÂ観察ËĂÕÂhPt 濃度Â 30 at% ä試
ēsIJäÿÑĉ転位áÚºÜđĽĨĖĠŌŔ成長層起因Á
料Áÿå強º fcc
}111~
ĽsĘÂ観察ËĂÜ hcp
}101~
Ľs
基板起因ÁĈ切Ā分ÇāÕ÷áh高空間分解能 X 線三次
Ęä強度å小ËÅàÙܺāÉÞÂ明ÿÁáàÙÕgÉä
元}3D~ıņęŒľČsÞ TEM Ĉ用ºÜ解析Ĉ行ÙÕg
（ 6）
fcc
}111~
ĽsĘÞ hcp
}101~
ĽsĘä強度比Ĉ求÷āÉÞ
試料áåhSiC 基板ä Si 面
}8°ēľ~上á成長ËÑÕđ
Ýhfcc 相ä定量化Â可能ݸāgÕÖÍh回折ĽsĘ強
ĽĨĖĠŌŔ層á作製ÍÕ p-n ĩčēsIJĈ用ºÕg試料
度比åhfcc 相ä存在割合Ĉ直接的áå表ÍܺàºÉÞ
á 示 Ïg ¸ ÿ Á Î ÷ 500 ℃h2 分 ä
ä 模 式 図 Ĉ 図 6（a）
á留意Ïā必要¸āg
KOH áþā選択đĬĪŜęĈ行ºhđĬĪĽĬıÁÿh
Éäþ¼á 20 nm Þº¼薄º磁性層á対ÍhTEM 暗視
ÿÑĉ転位ä位置Ĉ確認ÍÕgÿÑĉ転位å典型的à結晶
野像Ýå fcc 相ä領域Â直接的á観察ÝÃh微小角入射放
欠陥ä一ÚݸĀhÓäĹsĕsĢłĘıŔ}èÐõä
射光 X 線回折Ýå Pt 濃度á対Ïā fcc 相ä変化Ĉ定量的
方向~å転位線Þ平行ݸāgÍÕÂÙÜĩčēsIJä表
á評価ÏāÉÞÂÝÃÕg
面Áÿ垂直á転位線Â延éܺā場合hĹsĕsĢłĘı
Ŕåƒ0 0 0 1„ÞàĀhÉä方向äèÐõĈ評価Ïāáå
SiC エピタキシャル成長層の結晶構造解析
ƒ0 0 0 1„Þ垂直à面Áÿä回折光強度Ĉ測定ÏĂæþºg
X 線 3D ıņęŒľČsåhSPring-8 ä BL24XU Ý測
SiC å Si á比ïh絶縁破壊電圧強度Â大úh熱伝導
定ÍÕg実験äĤĬıċĬŀä概略Ĉ 図 7 á示Ïg直径
性Â良ºàßÞº¼優ĂÕ材料物性Ĉ持ÚÉÞÁÿh将来
約 2 –m á集光ËĂÕŇčĘŖļsʼn X 線Ĉ試料á入射Íh
äĺŘsİĹčĢÞÍÜ期待ËĂܺāgSiC İĹčĢä
V 字形äÏÃôĈ有Ïā微小ĢœĬı}V ĢœĬı~Ĉ用
課題ä一ÚÞÍÜh結晶欠陥áþā素子特性ä劣化Â挙È
ºÜh試料内ä微小領域Áÿä回折 X 線Ĉ取Ā出Íh回
ÿĂhđĽĨĖĠŌŔ成長áþā結晶高品質化á取Ā組ĉ
折光強度Ĉ測定Ïāg試料位置Ĉ X-Y Àþé Z 方向á移
ݺāgđĽĨĖĠŌŔ成長層á形成ÍÕ SiC İĹčĢÝ
動ËÑàÂÿ回折光強度Ĉ測定ÏāÉÞÝh高º空間分解
åhđĽĨĖĠŌŔ成長層中ä結晶欠陥Â何á起因Íܺ
能Ý 3D ıņęŒľČs像Ĉ構成ÏāÉÞÂÝÃāgÓä
āÁĈ把握ÏāÉÞÂ重要ݸāgàÒàÿh結晶欠陥Â
äþ¼áİĹč
空間分解能å 0.5 –m 程度ݸāg 図 6（b）
図
á複数測定ÍÕgÉĂÿä像Ĉ再構築ÏāÉÞáþÙÜÿ
Ģ表面á平行}水平~à断面äıņęŒľČsĈ高Ë方向
試料の模式図と水平断面トポグラフィー
Ñĉ転位Ĉ含ö垂直断面ıņęŒľČsĈ得Õg
ƒ0 0 0 1„
2（ m）
エピタキシャル成長層
0
p+
−2
n−
基板
á}0 0 0 20~反射
Áÿä回折光強度Ĉ測定ÍÕg図 8（a）
−4
á}3 3 6 0~反射ä
ä垂直断面ıņęŒľČsĈh図 8（b）
−6
垂直断面ıņęŒľČsĈ示Ïg図中ä破線åđĽĨĖ
−8
n+
Þ垂直à面ÞÍÜ
}0 0 0 20~
h平行à面ÞÍÜ}3 3 6 0~
−10
Áÿh転位å基
ĠŌŔ成長層Þ基板ä界面ݸāg図 8（a）
−12
板ÁÿđĽĨĖĠŌŔ成長層ôÝ連続ÍÜÀĀhÓäèÐ
−14
（b）水平断面トポグラフィー
図
らせん転位の断面トポグラフィー
らせん転位
図
X 線 3D トポグラフィーの測定配置
デバイス
基板
Z（ m）
5
4,000
0
−5
400
−10
40
−15
ム
ロビー
マイク
−150 −100
−50
0
50
100
150
X 線回折強度（カウント）
−16
（a）試料の模式図
X（ m）
らせん転位
y
z
x
V スリット
4°
シンチレーション
カウンタ
ステンレス鋼
（ 14 ）
1,000
5
0
100
−5
−10
10
−15
−150 −100
−50
0
50
100
X（ m）
（b）
（3 3 6 0）反射
150
X 線回折強度（カウント）
（a）
（0 0 0 20）反射
Z（ m）
特 集
öáÚĂÜh結晶格子Â大ÃÅàÙÕÕ÷Þ考¾ÿĂāg
Pt 濃度Â 20 at% 以下ä試料ä X 線回折ĺĨsŜÁÿå強
富士時報 6OL.O
図
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
ºÜ報告ÍÕg今後ø新Õà分析手法ä開発hËôÌôà
らせん転位の TEM 像
分析手法Ĉ駆使ÏāÉÞÝ解析技術Ĉ高÷h製品ä高性能
〈1 1 2 0〉
磁気記録媒体ä結晶構造解析ä実験á際Íh試料ĈÊ提
供ºÕÖÅÞÞøá貴重àċIJĹčĢĈºÕÖºÕ東北大
学電気通信研究所ä島津武仁准教授á深謝申Í上Èāg
〈0 0 0 1〉
SiC ä結 晶 構 造 解 析åhSPring-8 課 題 番 号 2005B3211
ä一部ÞÍÜ行ąĂÕg実験á際Íh多大àÊ協力ĈºÕ
16°
ÖºÕ兵庫県立大学ä津坂佳幸准教授h林和樹殿á深謝申
（b）電子回折図形
Í上Èāg
1 m
（a）TEM 像
参考文献
田沼良平ñÁi放射光 X 線áþāijķŕłŔ結晶構造解析i
（ 1）
富士時報ivol.77, no.2, 2004, p.150-153.
õä範囲åh20 v 30 –m áąÕÙܺāÉÞÂ分ÁÙÕg
ôÕhÉä転位å}0 0 0 20~反射Þ}3 3 6 0~反射ä両
方Ý観察ËĂܺāÉÞÁÿhÓäĹsĕsĢłĘıŔå
典型的àÿÑĉ転位Þå異àĀh
ƒ0 0 0 1„以外ä成分ø
Oikawa, T. et al. Microstructure and Magnetic Properties
（ 2）
of CoPtCr - SiO 2 Perpendicular Recording Media. IEEE
Trans. Magn. vol.38, 2002, p.1976.
Kubo, T. et al. Crystallographic analysis of CoPtCr （ 3）
持ÙܺāÉÞÂ分ÁÙÕg
SiO2 perpendicular recording media with high anisotropy
次á TEM 観察áþÙÜ実際ä転位線ä向ÃĈ確認ÍÕg
using synchrotron radiation x-ray diffraction. J. Appl. Phys.
図 9（a）
áÿÑĉ転位ä TEM 像Ĉh図 9（b）
á電子回折図形
vol.97, 2005, 10R510}1-3~
.
Ĉ示Ïg観察ËĂÕ転位線åh
ƒ0 0 0 1„á対Í約 16°傾
ºÜºāgÉä結果øh観測ËĂÕÿÑĉ転位ƒ0 0 0 1„
以外ä成分ø持Ú転位ݸāÉÞĈ示Íܺāg
Shimatsu,
（ 4）
Anisotropy
T.
of
et
al.
High
CoPtCr/Ru
Perpendicular
Films
for
Magnetic
Granular- Type
Perpendicular Media. IEEE Trans. Magn. vol.40, 2004, p.2483.
Éäþ¼á X 線 3D ıņęŒľČsÝå転位Â基板Áÿ
Shimatsu, T. et al. High-Potential Magnetic Anisotropy of
（ 5）
đĽĨĖĠŌŔ成長層ôÝ連続ÍܺāÉÞÂ非破壊Ý評
CoPtCr-SiO2 Perpendicular Recording Media. IEEE Trans.
価ÝÃhËÿá TEM 観察Ý結晶方位á対Ïā転位線ä向
Magn. vol.41, 2005.
ÃĈ確認ÏāÉÞÂÝÃÕg
Tamori, T. et al. Characterization of screw dislocations
（ 6）
in a SiC p-n diode by using novel three-dimensional X-ray
あとがき
topography. 6th European Conference on Silicon Carbide
and Related Materials, Programme, 2006, p.30.
電子線hX 線Ĉ相補的á用ºÕ解析例ÞÍÜh磁気記録
堀内繁雄ñÁi電子顕微鏡 Q&AiċęĶ承風社i1996.
（ 7）
媒体Àþé SiC đĽĨĖĠŌŔ成長層ä結晶構造解析áÚ
（ 15 ）
特 集
化j高信頼化á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
富士時報 6OL.O
特 集
薄膜の結晶構造解析技術
（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
鈴木 克紀}ÏÐÃeÁÚäĀ~
大山 浩永}ÀÀúôeèăèË~
佐々木 弘次}ËËÃeɼÎ~
まえがき
āg入射 X 線å試料深Ë数十 –m ä比較的深º領域ôÝ
侵入ÝÃāÕ÷h薄膜由来ä回折 X 線ä信号Â弱º場合
富士電機åh半導体h磁気記録媒体h有機感光体}OPC~
å基板ä信号á埋øĂÜÍô¼ÉÞ¸āgÓĂá対Íh
àßä多様àİĹčĢä製造Ĉ行ÙܺāgİĹčĢä高
In-Plane 測定åhX 線ä入射角Ĉ全反射臨界角度付近}0.2
機能化Â進öáÚĂhİĹčĢĈ構成Ïā機能性材料ä開
v 0.5°~ä小Ëà角度á固定ÍÜ測定ÏāäÝh試料î
発åhôÏôÏ重要度Ĉ増Íܺāg材料ä持Ú機能Ĉ有
ä X 線ä侵入深Ëå数十 nm ݸĀh回折 X 線ä信号å
効á引Ã出ÏÕ÷áåh材料Ĉ構成Ïā物質ä性状Ĉ十分
基板ä影響Ĉ受ÇÐá高精度á検出ËĂāg薄膜試料ä構
á把握ÏāÉÞÂ必要ݸĀh材料分析j解析技術ä高度
造分析á力Ĉ発揮Ïā手法ݸāg
化Â求÷ÿĂܺāgÉäÉÞåh材料開発åø×ăĉä
ÉÞh製造ŀŖĤĢä最適化ú品質管理áÀºÜø必要Ý
.
半導体デバイスにおける金属界面層の結晶構造同定
半導体îä電極形成ŀŖĤĢáÀºÜh信頼性ÁÚ安定
¸āg
本稿Ýåh分析技術ä高度化á対Ïā要求Â強º薄膜分
性Ĉ高÷āÕ÷áåh電極áÀÇā結晶構造ä把握Â必要
野ä結晶解析手法ݸā In-Plane X 線回折}XRD~法Þ
ݸāg今回評価ÍÕäåh 図 2 á示Ï Ti/Al}Si 添加~
電子線後方散乱回折像}EBSP~ä適用事例áÚºÜ紹介
電極ä界面層áÚºÜݸāgTi/Al}Si 添加~電極形
ÏāgIn-Plane XRD á関ÍÜåh半導体İĹčĢä金属
成後ä熱処理áþĀ Ti/Al}Si 添加~電極界面á TihAlh
界面層ä構造解析hÀþé磁気記録媒体磁性層ä平均結晶
Si 3 元系ä合金層Â形成ËĂā場合¸āg合金層ä形成
粒径ä評価áÚºÜ述ïāgôÕhEBSP á関ÍÜåhņ
œĠœĜŜ薄膜ä結晶粒径分布ä評価hÀþé Al 薄膜ä
図
Out-of-Plane 測定と In-Plane 測定の光学系
結晶構造解析áÚºÜ述ïāg
àÀh本稿áÀÇā結晶粒径åhÀÀþÓä単結晶ä
直径Ĉ指ÏøäݸāgTEM}透過型電子顕微鏡~
hInPlane XRD Àþé EBSP àßä手法Ĉ用ºÜ導出ËĂÕ
粒径åh厳密áå定義Â異àāÂh本稿Ýåh各測定äÚ
àÂĀĈ重視ÍhÓĂÿĈ結晶粒径Þº¼言葉á統一ÍÜ
（a）
Out-of-Plane 測定
（b）
In-Plane 測定
使用Ïāg
In-Plane XRD の適用事例
図
電極の膜構成
XRD 法áåh測定Ïā格子面ä方向áþÙÜhOutof-Plane 測定Þ In-Plane 測定Þº¼二Úä手法¸āg
界面の構造調査位置
Al（Si 添加）
Out-of-Plane 測定åh 図 1 á示Ïþ¼á試料表面á対Í
Ü平行à格子面Ĉ評価Ïā手法ݸāäá対ÍÜhInPlane 測定åh試料表面á対ÍÜ垂直à格子面Ĉ評価Ïā
手法ݸāg
Ti
TiN
Ti
SiO2
Out-of-Plane 測定Ýåh5 v 90°ä角度範囲Ý入射 X
Si 基板
線Þ検出器Ĉ走査Íh回折 X 線Áÿ結晶構造ä情報Ĉ得
鈴木 克紀
大山 浩永
佐々木 弘次
有機 ELh磁気記録媒体h半導体h
磁気記録媒体ä研究開発á従事g
ďĐsĸŀŖĤĢä開発á従事g
材料解析ä研究開発á従事g現在h
現在h富士電機İĹčĢįĘķŖ
現在h富士電機İĹčĢįĘķŖ
富士電機İĹčĢįĘķŖġs株
ġs株式会社情報İĹčĢ事業本
ġs株式会社半導体事業本部ĪĬ
式会社電子İĹčĢ研究所材料技
部İČĢĘ媒体事業部媒体開発部g
ŀ事業部生産部g
術部g
（ 16 ）
薄膜の結晶構造解析技術（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
富士時報 6OL.O
ÉÞÂ可能áàÙÕgÓä結果ĈŀŖĤĢáľČsIJĹĬ
āÕ÷h界面状態ä把握Â重要ݸāgÉä界面層ä構造
ĘÍhAl}Si 添加~薄膜Þ Ti 薄膜Þä界面構造Ĉ最適化
Ĉ評価ÏāÕ÷áhAl}Si 添加~電極ĈďđĬıđĬĪ
ÏāŀŖĤĢ条件Ĉ確立ÍÕg
ŜęáþĀ除去ÍhTi 最表面Ĉ In-Plane XRD Ý分析ÍÕg
入射角 0.2 v 0.4°ä間Ý In-Plane XRD 測定Ĉ行ÙÕg
.
磁気記録媒体の In-Plane XRD による平均結晶粒径
結果Ĉ 図 3 á示Ïg入射角 0.3°ÝåhTi 薄膜由来ä結晶
の評価
ĽsĘÂ観察ËĂh入射角 0.4°ÝåhTi Þ TiN 薄膜由来
富士電機Ýåh現在h長手磁気記録媒体Àþé垂直磁気
ä結晶ĽsĘÂ観察ËĂÕg入射角áþĀ X 線ä侵入深
記録媒体ä量産Ĉ行ÙܺāgºÐĂä媒体áÀºÜøh
Ëá応ÎÕ膜ä組成Ĉ評価ÝÃÕg
高記録密度化á対応Ïā磁性層ä開発Ĉ進÷ÜÀĀh微細
入射角 0.2°áÀÇā
In-Plane
XRD ŀŖľĊčŔåhTi
構造þĀøËÿá最表面}10 nm 程度~ä結晶構造Ĉ示Ïg
構造ú結晶配向ä高度à制御Â必要ÞËĂܺāgàÁÝ
øh平均結晶粒径Þ粒径分散åh媒体ä信号雑音比á大Ã
ŀŖľĊčŔ解析ä結果h斜方晶ä TiSi2 ݸĀhAl Ĉ微
Å影響Ĉ与¾ā因子ݸĀh従来å TEM áþÙÜ評価Í
量固溶ÏāÉÞÝ格子定数ÂąÐÁá変化ÍܺāÉÞÂ
ÜÃÕg
分ÁÙÕgÉä結果åh上記ä構造Â Ti/Al}Si 添加~界
ÍÁÍàÂÿhTEM åh試料作製時á特殊à加工Â必
面層á形成ÍܺāÉÞĈ示ÍÕøäݸāg
要ݸĀh時間jĜĢıĈ要ÏāgÓĂá対ÍhIn-Plane
図 4 áhŀŖĤĢ条件 A Þ B áÀÇā界面層ä結晶構
XRD åh短時間h高精度ÁÚ非破壊測定ݸāÞº¼Ŋ
造Ĉ示ÏgŀŖĤĢ条件 A Þ B åh試料ä熱履歴á差Â
œĬı¸āgÍÁÍàÂÿhXRD ŀŖľĊčŔåh平
¸ĀhÓĂáþÙÜĠœĞčIJäõÂ検出ËĂā場合Þh
均結晶粒径äõàÿÐh粒径分散áþÙÜø変化Ïāg従
ĠœĞčIJ以外áhSi 単体Àþé Ti 単体Â検出ËĂā場
来Áÿ行ąĂܺā Scherrer ä式 åh平均粒径äõĈ反
合Þ¸ÙÕgIn-Plane XRD Ĉ用ºāÉÞÝhŀŖĤĢ
映ÍÕøäݸĀh正ͺ結果Ĉ得āÉÞÂÝÃàÁÙÕg
（ 1）
（ 2）
ä違ºáþā界面層ä結晶構造ä違ºĈ定量的á評価Ïā
ÓÉÝh平均結晶粒径Þ粒径分散ä影響Ĉ分離ÏāÉÞ
Ýh正確á平均粒径Ĉ導出Ïā手法áÚºÜ検討ÍÕgX
In-Plane XRD プロファイルの入射角依存性
á示Ï Lorentz 型Þ Gauss 型ä関数
線回折ĽsĘĈ式
（ 1）
70
図
強度（cps）
入射角：0.4°
プロセス条件 A と B における Ti/Al（Si 添加）界面層の
結晶構造
TiN
（220）
350
TiSi2
（131）
300
30
40
50
60
70
80
2ȟ
（゜
）
強度（counts）
250
0
20
70
入射角：0.3°
200
150
TiSi2
（060）
100
TiSi2
（260）
（190）
TiSi2
（200）
50
0
10-0225>TiSi2-Silicon Titanium
強度（cps）
Ti
（100）
Ti
（110）
0
20
20
30
40
60
70
80
（a）
プロセス A における界面層の In-Plane XRD プロファイル
Si
（111）
30
40
50
60
70
150
80
強度（counts）
70
入射角：0.2°
すべて TiSi2 由来
（131）
Ti
（111） Si
（220）
TiSi2
（131）
100
Si
（311）
Ti
（110）
50
0
10-0225>TiSi2-Silicon Titanium
（0 10 1）
（260）
（060）
（190）
（200）
（061）
（191）
（021）
0
20
50
2ȟ
（°
）
Ti
（200）
2ȟ
（゜
）
強度（cps）
図
27-1402>Silicon，Syn-Si
44-1294>Ti-Titanium
20
30
40
50
2ȟ
（゜
）
60
70
80
30
40
50
60
70
80
2ȟ
（°
）
（b）
プロセス B における界面層の In-Plane XRD プロファイル
（ 17 ）
特 集
åhĢıŕĢú Si ķġŎsŔä生成á大Ãà影響Ĉ与¾
薄膜の結晶構造解析技術（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
富士時報 6OL.O
Ĉ足Í合ąÑh精密áľČĬįČŜęÍÕg粒径分散Â
ľĊĢ構造ä Co-Cr-B 化合物相Áÿ成ā 2 相組織Ĉ有Ï
āgTEM 解析áÀºÜå結晶相á取Ā囲ôĂܺāċŋ
半値幅ÞňĖĠŜęĺŒŊsĨá反映ËĂāgÉä分離á
ŔľĊĢ相ø含÷Ü結晶粒径ÞÍÜ導出ÍܺāgÓäÕ
þÙÜh確度ä高º平均結晶粒径ä導出Â可能áàāg
Ǽ 2θ
1＋4 ):+0
2
・):+0
I（N）
＝Ʀ π
2
−1
÷結晶子ä体積äõĈ評価Ïā本測定ä結果åhTEM á
þā測定値þĀø小ËÅàÙܺāgÍÁÍh媒体開発á
ÀºÜå異àā膜組成間Ýä相対評価ÂÝÃĂæþÅh本
ln 2
2
Ǽ 2θ
＋
（1−Ʀ） π ):+0 exp −4 ln 2 ):+0
………………………（ 1）
&7(-kX 線ĽsĘä半値幅
結果åÓä要望Ĉ満ÕÏøäݸāg
本測定åhTEM á比ïh前処理ÂàÅh測定時間ø短
ÅhÁÚ確度ø高ºg今後h磁気記録媒体ä材料開発ä大
Ãà力áàāÉÞÂ期待ËĂāg
ηkňĖĠŜęĺŒŊsĨ
本手法Ĉ用ºÕ結晶粒径評価Ĉ検証ÏāÕ÷áh表１á
示Ï試料Ĉ用ºÕg異àā組成比ä Co-Cr-Pt-B 合金磁
図
長手磁気記録媒体の In-Plane XRD プロファイル
（MR01）
性層Ĉ 2 層積層ÍhÓäısĨŔ膜厚Ĉ 20 nm ÞÍÜh2
層ä膜厚比Ĉ変更ËÑÕøäݸāg上部磁性層å下部磁
250
性層á比ïÜ小˺結晶粒径Ĉ形成Ïā合金組成Ĉ用ºÜ
（002）
ºāgÍÕÂÙÜh上部磁性層ä比率Â大ÃÅàāáÚĂ
円周方向
150
強度 (cps)
Ü磁性層全体ä結晶粒径}上下平均~å小ËÅàāg
各試料äİČĢĘ円周方向Þ半径方向ä In-Plane XRD
ŀŖľĊčŔ}試料k表１中ä MR01~Ĉ図 5 á示Ïg長
半径方向
100
手磁気記録媒体Ýå基板表面加工}įĘĢĪŌ加工~á
（100）
（101）
50
þÙÜh磁性層ä構成元素ݸā Co 合金}hcp 構造~ä
0
35
結晶配向 c 軸002 方向‚Â円周方向á向Åþ¼á制御Ë
37
39
41
43
45
47
49
51
53
角度 (°
)
ĂܺāÕ÷h円周方向Þ半径方向ÝŀŖľĊčŔÂ異à
āg結晶粒径Ĉ導出ÍÕ結果Ĉ図 6 á示Ïg平均結晶粒径
åh上磁性層ä比率Â大ÃÅàāáÚĂÜ小ËÅàÙÕg
図 7 á示Ïþ¼áhTEM 測定結果Þ良º相関Â得ÿĂÕg
図
膜構成変更による平均結晶粒径の変化
長手磁気記録媒体記録層å Co-Cr-Pt 合金結晶相ÞċŋŔ
6
1.27 mm
MR11
基 板
0
MR10
10 nm
MR09
下地層
1
MR08
（b）表参照
MR07
下 部
磁性層
2
MR06
（b）表参照
MR05
上 部
3
MR04
膜 厚
3.5 nm
MR03
構 造
保護膜
4
MR02
（a）試料の層構成
5
MR01
試料の作製条件
平均結晶粒径 (nm)
表
（b）各試料の上下磁性層の膜厚
磁性層（上）（nm）
磁性層（下）（nm）
MR01
0
20
MR02
2
18
MR03
4
16
MR04
6
14
MR05
8
12
MR06
10
10
MR07
12
8
MR08
14
6
MR09
16
4
MR10
18
2
MR11
20
0
〈注〉網かけ部分は今回TEM測定を行ったもの
（ 18 ）
図
In-Plane XRD と TEM 結果との相関性
6
XRD の平均結晶粒径 (nm)
特 集
ňĖĠŜęĺŒŊsĨáh平均結晶粒径 X 線ĽsĘä
5
4
3
y＝0.638 x
R2＝0.95
2
1
0
0
2
4
6
TEM の平均結晶粒径 (nm)
8
10
薄膜の結晶構造解析技術（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
富士時報 6OL.O
.
EBSP の適用事例
ポリシリコンの結晶粒径分布の評価
EBSP åh 上 記 ä XRD Þ 同 Î Å 回 折 現 象 Ĉ 用 º Õ 評
価法ݸāgXRD åh格子間隔ä測定精度Â非常á高ºg
図
ポリシリコンの EBSP 像とヒストグラム
ÍÁÍh位置分解能å 100 –m 程度äÕ÷h得ÿĂāäå
Óä領域内ä平均値ݸĀh個々ä微細組織ä評価å不得
手ݸāgÓĂá対ÍÜhEBSP åh電子線Ĉ非常á細Å
絞āÉÞÂÝÃāÕ÷h位置分解能Â 50 nm 程度Þ非常
á高Åh個々ä微細組織Ĉ直接評価ÝÃh結晶粒子ä配向
ú結晶系ä判別Â容易ݸāgËÿáhÓĂÿäİsĨĈ
111
ŇĬŀÞÍÜ表ÏÉÞÂÝÃāÕ÷h視覚的á解釈ÍúÏ
ºgÍÁÍh格子間隔ä精密à評価å不得手ݸāgÉĂ
ÿä点Ĉ考慮Íh分析目的áþÙÜ EBSP Þ XRD ä使º
001
分ÇĈ行Ùܺāg
101
1.25 m
（a）
EBSP 像
（ 3）
EBSP ä測定原理áÚºÜ述ïāg図 8 á示Ïþ¼áh
0.25
電子線Ĉ試料á照射Íh試料Áÿ放出ËĂā電子å結晶面
0.2
比率 ( 合計 =1)
Ĉ満ÕÏ方向á回折ËĂāg
ÝĿŒĬęä式
（ 2）
2D sinθ＝Nλ ……………………………………………（ 2）
D k格子面間隔 θkĿŒĬę角
λ kX 線ä波長 N k反射次数
図 9 å試料Áÿ放出ËĂÕ電子線ä回折ĺĨsŜä一例
0.15
0.1
0.05
Ĉ示ÏgĹŜIJä方向Â結晶方位Ĉ示ÍhĹŜIJä幅Â格
0
子間隔Ĉ示Ïg
0
0.2
以降ÝåhĺŘs半導体áÀÇā EBSP ä適用事例Ĉ
0.4
0.6
0.8
1
結晶粒径 ( m)
1.2
1.4
（b）
結晶粒径のヒストグラム
二Ú紹介Ïāg
図
EBSP の測定配置
図
コンタクト部および酸化膜上の AI 薄膜の構造
酸化膜
コンタクト部（Si）
電子線
試料傾斜角
70°
試料
EBSP 検出器
24.00 m
図
EBSP のチャネリングパターンの一例（Si）
（a）
二次電子像
111
001
101
24.00 m
（b）
EBSP 像
（ 19 ）
特 集
ņœĠœĜŜä構造解析áÀÇā EBSP ä適用結果Ĉ図
富士時報 6OL.O
薄膜の結晶構造解析技術（In-Plane X 線回折法および電子線後方散乱回折像）
á示Ïg結晶配向ŇĬŀÁÿh各結晶微粒子ä結晶粒径
In-Plane XRD Ĉ用ºā手法Ýåh数 nm v 50 nm ēs
特 集
Þ結晶方位Â視覚的á把握ÝÃāgôÕhİsĨ処理á
ĩsä平均結晶粒径ä導出hÁÚ EBSP Ýåh50 nm v数
þÙÜ得ÿĂÕ結晶粒径äĻĢıęŒʼnÁÿ定量的à解釈
百 –m ä結晶粒径分布ä導出Â可能ݸāgÉä二Úä手
ø可能áàāg
法ä併用áþÙÜh薄膜áÀÇā実用的àĞčģݸā
nm ŕłŔÁÿ数百 –m ôÝĈ網羅ÍÕ結晶粒径ä分析技
.
Al 薄膜の結晶構造解析
術Â確立ÝÃāg
Si}ĜŜĨĘı部~Þ SiO2 ĈĢıŒčŀ状áĺĨsĴ
粉末ä結晶構造解析úĜŜļijıœċŔá作製ËĂÕ薄
ŜęÍÕ基板上á Al 薄膜Ĉ成膜ÍhÓä構造Ĉ EBSP á
膜ä構造評価àßø実施Íܺāg今後åh温度可変äÓ
þĀ分析ÍÕ結果Ĉ図
á示ÏgSiO2 上ä Al åh配向性
áæÿÚÃä¸ā多結晶体ä集ôĀݸāäá対ÍhSi
ä場分析h結晶解析äĠňŎŕsĠŐŜø進÷ܺÅ予定
ݸāg
上ä Al 薄膜åh
}110~配向äŁįŖđĽĨĖĠŌŔ膜Ý
ÉĂÿä分析技術ä強化Ĉ図āÞÞøáh開発j製造j
¸ÙÕgSi 上á成膜ÍÕ Al 薄膜ä構造åh成膜条件á
分析部門Þä連携ĈËÿá強化ÏāÉÞÝh問題解決áÚ
þÙÜ顕著á変化ÏāÉÞÂ分ÁÙܺāgEBSP åĜŜ
àÂā総合的à解析Ĉ行ºh半導体h磁気記録媒体Àþé
ĨĘı部ä大úĺŘsİĹčĢä膜質ä分析á有用ݸ
OPC ä技術開発力ä強化á貢献ÍܺÅ所存ݸāg
āg
本稿á記ÍÕ磁気記録媒体ä結晶粒径解析åh株式会社
œĕĘ X 線研究所小中尚殿äÊ協力ĈºÕÖºÜ行ÙÕg
あとがき
İĹčĢä高機能化ä進展åhÓĂĈ評価Ïā分析技
ÉÉá謝意Ĉ表Ïāg
参考文献
術ä高度化Ĉ要求ÍܺāgÓĂá応¾āÁÕ×Ý開発
Li, S. et al. IEEE Trans. Mag. vol.34, no.4, 2001, p.1947-1949.
（ 1）
Ĉ進÷ܺā薄膜ä結晶構造解析手法}In-Plane XRDh
ĔœįČhB. D. X 線回折要論iċęĶi1961, p.101.
（ 2）
EBSP~áÚºÜ紹介ÍÕg
鈴木清一iOIM ACADEMY įĖĢıiTSL. 2005.
（ 3）
（ 20 ）
富士時報 6OL.O
田沼 良平}ÕâôeĀý¼îº~
久保木 孔之}ÅòÃeþÍüÃ~
久保 登士和}ÅòeÞÍÁÐ~
まえがき
積層欠陥
垂直磁気記録媒体å長手磁気記録媒体á比ïÜ熱安定
図 1（a）
åh平面上á球ĈÏÃôàÅ並ïÕøäĈ第 1 層
性á優ĂܺāÉÞÁÿh150 Gbits/in2 以上ä記録密度Ý
ÞÍ}球ä中心Ĉ A ÞÏā~
h第 2 層Ĉ B ä位置h第 3 層
å垂直記録方式Â主流áàāÞ考¾ÿĂܺāg富士電機
Ĉ C ä位置á置ºÜ積õ重ãÕ状態Ĉ示ÍܺāgÉĂ
ä垂直磁気記録媒体å CoPtCr 結晶粒Ĉ SiO2 Â取Ā囲ö
å第 2 層ôÝå図 1（a）
Þ同ÎÝh第 3 層ä
á対Íh図 1（b）
‡ęŒĴŎŒs構造ˆÂ特徴ݸĀh磁気異方性定数}+u~
原子ä位置 C ÝåàÅ A á¸ā状態Ĉ示ÍܺāgÉ
Â大ÃÅÁÚ結晶粒Â微細Ý粒径Â均一àÕ÷h高記録密
ĂÿåºÐĂø結晶ä最密充Üĉ構造Ĉ表ÍܺāÂh図
（ 1）
度j低ķčģĈ達成ÍܺāgÍÁÍàÂÿÉä CoPtCr
1（a）
ä 状 態 å 面 心 立 方 晶}fcc~
h 図 1（b）
ä状態å六方晶
結晶粒áå +u 低下ä原因ÞàĀ¼ā積層欠陥}SF~Â含
}hcp~á相当ÏāgSF åh例¾æ hcp áÀºÜ位置 A
ôĂāÕ÷hSF 含有量Ĉ定量ÍÜ媒体特性îä影響Ĉ正
á重àāïÃ原子層Â位置 C á積ôĂÕ状態Ĉº¼g図 2
確á把握Ïā必要¸āg
äÊÞÅÉä状態å hcp ä中á部分的á fcc Â存在Ïā状
SF Ĉ解析Ïā手法ä一Úá X 線回折Ĉ用ºā方法¸
態Ĉ意味ÏāgôÕ hcp ä六角柱Þä対応Ýåh底辺á
ĀhSF å X 線回折ĽsĘä広ÂĀÞÍÜ検出ÏāÉÞÂ
平行à格子面
}001~面‚ä積ôĂ方}c 軸方向îä積層
ÝÃāgÍÁÍ回折ĽsĘä形状å結晶ä配向性h面間隔
状態~Â不規則áàāgÏàą× hcp ä規則性Â SF Ý分
äæÿÚÃh結晶粒径àßä影響ø受ÇāÕ÷hÉĂô
断ËĂāgCo å室温Ýå大部分 hcp ݸĀhÓä一軸
Ý SF ä影響Ĉ定量的á評価ÏāÉÞÂ困難ݸÙÕgÉ
異方性áþĀ磁気異方性Â発現ÏāgÍÁÍ fcc 構造ä部
ä課題Ĉ解決ÏāÉÞĈ目的ÞÍÜhSPring-8}大型放
分å磁気異方性Ĉ有ÍàºÕ÷hSF å磁気異方性低下ä
射光施設~áÀºÜh微小角入射 X 線回折Ĉ利用ÍÕ逆
原因Þàāg
（ 2）
格子空間ŇĬĽŜę}RSM~áþā SF 定量法Ĉ確立ÍÕg
本稿ÝåÉä方法ä原理Ĉ中心á説明Ïāg
図
X 線回折による積層欠陥の定量
X 線回折å規則正ÍÅ並ĉÖ結晶原子Áÿä散乱 X 線
2 種類の最密充てん構造
A
A
A＋B
A＋B＋C
図
hcp 中の SF
B
c軸
C
A
fcc
（等方性）
C
SF
A
A
A＋B
hcp
A
（a）面心立方晶（fcc）
C
A＋B＋A
B
fcc
A
B
hcp
C
B
A
hcp
（1 軸異方性）
（SF は部分的に fcc が存在する状態に相当する。
）
（b）六方晶（hcp）
田沼 良平
久保木 孔之
久保 登士和
ŕsğh放射光àßä研究á従事g
磁気記録媒体ä評価技術開発á従
金属材料ä腐食防食hX 線結晶構
現在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘ
事g現在h富士電機İĹčĢįĘ
造解析ä研究á従事g現在h富士
ķŖġs株式会社物質j科学研究
ķŖġs株式会社情報İĹčĢ事
電機ċIJĹŜĢıįĘķŖġs株
所主任研究員g博士}工学~
g放
業本部İČĢĘ媒体事業部媒体開
式会社物質j科学研究所gňĶĦ
射光学会会員h応用物理学会会員g
発部g日本応用磁気学会会員g
Ĩ大学在籍gAm. Phys. Soc. 会員g
（ 21 ）
特 集
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造
解析技術
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造解析技術
富士時報 6OL.O
Â特定ä方向Ý強÷合¼}位相ÂÓă¼~現象ݸāg回
á示Ïg
試料表面Þ格子面Þä角度Âφݸā場合Ĉ図 3（c）
特 集
折ĽsĘä形状å結晶ä完全性á依存Íh完全結晶ä領域
Éä場合h回折 X 線Ĉ鉛直面内á¸ā検出器Ý回折 X 線
Â大úñß強Å鋭ºgÍÕÂÙÜ単結晶Ýå鋭ºĽs
ĈÞÿ¾āÕ÷áåh試料Ĉ軸 A ä周Āá角度φÖÇ回
ĘÂ得ÿĂāÂh小Ëà結晶粒ä集合体ݸā多結晶Ýåh
転Ïā必要¸āg垂直磁気記録媒体áÀºÜåhCo 六
結晶粒Â小˺ñßĿŖsIJà回折ĽsĘÞàāgSF
‚
gþÙÜ c
方晶ä c 軸å試料表面á垂直ݸā 図 3（c）
Â存在Ïā場合øĽsĘ幅å増大ÏāgÉä場合ä特徴
軸方向á軸 QZhÓĂÞ垂直方向á軸 QY ĈÞÙÜ RSM Ĉ
åhSF 面á対ÍÜ垂直à方向áĽsĘÂ広ÂāÉÞݸ
作成ÏāÞhSF ä影響å QZ 方向îäĽsĘ広ÂĀÞÍÜ
āgÏàą×h上述äþ¼á hcp ä中á SF Â混入ÏāÞ
現ĂāÉÞáàāgÉĂá対ÍÜh面間隔 D äæÿÚÃ
c 軸方向ä積層状態äõÂ不規則}完全結晶Â分断ËĂÜ
åǼ K ä方向h配向ä分散åǼ K Ĉ半径ÞÏā円弧á沿Ù
ºā~áàāÕ÷hĽsĘå c 軸方向á広Âāg
ÕĽsĘ広ÂĀÞÍÜ現ĂāgþÙÜ SF áþāĽsĘ広
Éä性質Ĉ利用ÍÜ SF Ĉ検出Ïā方法Ĉ図 3 á示Ïg
ÂĀĈ単独á評価ÏāÉÞÂÝÃāg
図 3（a）
å入射 X 線Â試料結晶á入射Íh面間隔 D ä格子面
ä破線ä
実際ä測定áÀÇā微小角入射条件åh図 3（a）
á対ÍÜ回折条件}ĿŒĬę条件~Â満ÕËĂÜ角度 2 θ
状態Ý測定Ĉ行¼ÉÞĈ意味ÏāÂh上記ä測定原理åÓ
ä方向á反射Ïā状況Ĉ示ÍܺāgK Þ K’åÓĂÔĂ
äôô適用ÝÃāgôÕh入射 X 線ļsʼnĈ回転軸図 3
入射 X 線Þ回折 X 線ä波数łĘıŔݸāgK Þ K’å X
ä回転軸 B‚ÞÍÜ試料Ĉ回転ÏāÕ÷hÉä回転角度
（a）
線ļsʼná平行àłĘıŔÝhÓä大ÃËå│K│＝│K’
│
χ ÞθÁÿ計算áþĀφĈ求÷āg
＝ 1/λ ݸāgÉÉÝλ å X 線ä波長}nm~ݸāg入
射 X 線Þ回折 X 線å鉛直面内á¸āøäÞÏāgǼ K ＝
実験方法
K’
−K å散乱łĘıŔݸāg散乱łĘıŔĈ用ºāÞ回
Ý表ËĂāg
折条件åh式
（ 1）
実 験 á 用 º Õ 試 料 åh ĕ Œ Ģ 基 板 上 á 厚 õ 20 nm ä
'= Ǽ Kxxxxxxxxxxxxxxxxxxx（ 1）
CoPtCr-SiO2 膜Ĉ形成ÍÕøäݸĀhCo90Cr10hPthÀ
ÉÉÝ ' å逆格子łĘıŔݸāg' å結晶格子面á垂
þé SiO2 ĨsěĬıĈ用ºÕ同時ĢĺĬĨáþĀ成膜Í
直 Ý 大 Ã Ë å│'│= 1/D Ý ¸ āg│'│=│Ǽ K│= 2│K│
hŀŕĠsIJ層å Pt}10 nm~
ÕgĠsIJ層å Ru}20 nm~
（ 3）
sinθá│'│= 1/D Þ│K│= 1/λ Ĉ代入ÏāÞ 2Dsinθ＝
Ý ¸ āg É ä þ ¼ á Í Ü 形 成 Ë Ă Õ 磁 性 層 ä 組 成 å
λ ÞàĀh通常用ºāĿŒĬę条件ä式á一致Ïāg式
（ 1）
}SiO2~
｛
}Co90Cr10~
100−8 Pt8 ｝
89−
11 Þ 表 Ï É Þ Â Ý Ã āg É
ä関係¸āÉÞÁÿhǼ K ä分布Ĉ二次元面内áŀŖĬ
ÉÝ 8 ＝ 0h10h15h20h25h30 ݸāgÉĂÞå別á
ıÍÕ図形Ĉ逆格子空間ŇĬŀ}RSM~Þ呼ìg
SiO2 Ĉ含ôàº膜}CoPtCr~ø作成ÍÕg
å 図 3（a）
ä A ä方向Áÿ見Õ図ݸāgÉä図
図 3（b）
実験åhSPring-8 産業用専用ļsʼnŒčŜ BL16XU Ý
h
å表面á平
Ýå簡単äÕ÷Ǽ K äõĈ示ÍÕg図 3（a）
（b）
実施ÍÕg微小角入射 X 線回折法ä配置Ĉ図 4 á示ÏgX
行à格子面Ýä回折Ĉ表Íܺāg次áh図 3（b）
ä配置Ý
h試
線äľĒıŜđĶŔėså 14 keV}λ ＝ 0.08857 nm~
図
試料表面Ý全反射ÏāÕ÷hX 線侵入深Ëå数 nm ÞàÙ
料表面îä視射角å 0.17°Ý¸āgÉä条件ÝåhX 線å
RSM による SF 検出方法
Üh磁性層äõä回折測定Â可能ݸāgÉäþ¼à極薄
k’
B
（a）
2θ
χ
検出器
領域Áÿä回折 X 線Ĉ得āÉÞå実験室型 X 線回折装置
Ýå困難àÕ÷hÓĂá比ïÜ格段á強度ä強º放射光
Δk k’
k
X 線Ĉ利用ÍÕg 図 4 ä配置Ýhχ Ĉ 1°ĢįĬŀÝ移動
A
ËÑ各χ áÀºÜ 2θĢĖŌŜĈ行ºh求÷Õχ−2θİs
φ
d
A から
見た図
v
áþĀ逆格子ŇĬŀ上ä座標}QZh
ĨĤĬıĈh式
（ 2）
（ 5）
図
微小角入射 X 線回折測定の配置
Δk
（b）
サンプル基板
回折 X 線
逆格子
空間マップ
(RSM)
角度φ傾いた
格子面を観測
する場合
2θ
Δk
（c）
c 軸［001］
qy
φ
qz
0.17°
c
入射 X 線
φ
（SF により C 軸方向にピークが広がる。
）
（ 22 ）
χ
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造解析技術
富士時報 6OL.O
（ 2（
）4）
áå SF Â影響ÍàºÉÞÂ分ÁÙܺāgÓäÉÞÁÿ
φ= cos − 1}cosχ cosθ~ xxxxxxxxxxxx（ 2）
予想ËĂāþ¼áhhcp}112~ĽsĘå原点Ĉ中心ÞÏ
│Ǽ K│= 2sinθ/λ xxxxxxxxxxxxxxx（ 3）
ā円弧}破線~á沿ÙÕ広ÂĀ}配向分散áþā~äõÂ
QZ =│Ǽ K│sinφ xxxxxxxxxxxxxxxx（ 4）
見ÿĂāg一方hhcp}101~
hÀþé hcp}102~äĽs
QY =│Ǽ K│cosφ xxxxxxxxxxxxxxxx（ 5）
Ęå円弧ÁÿÐĂÜ QZ 方向}c 軸方向~á広ÂÙÜÀĀh
SF áþÙÜĽsĘÂ広ÂÙܺāÉÞÂ分Áāg
図 6 åhPt 濃 度 ä 異 à ā CoPtCr-SiO2 膜 ä RSM Ĉ 測
実験結果と考察
定ÍÕ結果ݸāgSF ä影響å hcp}101~ĽsĘá明確
図 5 åhCoPtCr 膜}30 at%Pt~ ä RSM}a~ Þ Œ č Ŝ
á現ĂܺÜh15 at%Pt 以上Ý Pt 濃度ä増加ÞÞøĽs
）c）Ý ¸ āgRSM á å hcp}101~
hhcp
ŀ Ŗ ľ Ċ č Ŕ（b（
Ęå水平方向á広ÂÙܺāg一方hÉä図Ýø SF ä影
}102~
hhcp}112~Áÿä回折ĽsĘÂ含ôĂāgŒčŜ
ŀŖľĊčŔ A−A’
hÀþé B−B’å QZ 方向}＝［001］
方向＝ c 軸方向~ä断面ŀŖľĊčŔݸĀh前者å hcp
}101~
hhcp}102~ĽsĘä断面h後者å hcp}112~Ľs
Ęä断面Ĉ表ÍܺāgÉĂÿäĽsĘä¼×h
hcp}112~
響Ĉ受Çຠhcp}112~ĽsĘåñÞĉß変化Íܺàºg
ÓÉÝ hcp}101~ĽsĘ幅Þ hcp}112~ĽsĘ幅Þä差
h
ÁÿhSF áþāĽsĘä広ÂĀĈ求÷āgôÐh 図 5（b）
á示ÍÕøäÞ同様äŒčŜŀŖľĊčŔÁÿhhcp
（c）
}101~
hÀþé hcp}112~ĽsĘä半値幅}FWHM~Ĉ
求÷hÓĂÔĂ 7}101~Àþé 7}112~ÞÏāg次áh
図
CoPtCr 膜（30 at%Pt）の RSM とラインプロファイル
Ĉ計算ÍhÉĂĈ SF 起因äĽsĘ広ÂĀÞÏāg
式
（ 6）
B
（112）
強度（cps）
"QZ}101~
＝7}101~
−
}D101/D112~7}112~ xxxx（ 6）
8
B’
A
4
（101）（102）
0
2
4
面ä格子面間隔ݸāgD101/D112 áþā補正åh円周方向
0
3.5
5.5
qz（nm−1）
äĽsĘ広ÂĀ D á反比例ÏāÕ÷必要áàāgÉä
þ¼áÍÜ "QZ Ĉ得āÞhSF 濃度Þ "QZ Þä間ä関係式
（ 2（
）4）
2
0
ÉÉÝ D101 Þ D112 åhÓĂÔĂ Co}101~面Þ Co}112~
A’
（b）ラインプロファイル（B-B’
）
6
強度（cps）
qy（nm−1）
6
2,000
8,000
Ĉ用ºÜ SF 濃度Ĉ算出ÏāÉÞÂÝÃāgàÀhSF á
6,000
å変形型Þ成長型ä 2 種類¸āÂh別ä考察áþĀ前者
（ 4）
（ 2）
4,000
å無視ÝÃāÞº¼仮定Ĉ置ºÕg
2,000
Éäþ¼áÍÜ求÷Õ SF 濃度β}成長型~Þ +ug Ĉ Pt
qz（nm−1）
0
（a）CoPtCr 膜（30 at％Pt）
の RSM
0
2
4
6
qz（nm−1）
）
（c）ラインプロファイル（A-A’
濃度á対ÍÜŀŖĬıÍÕ結果Ĉh 図 7 á示ÏgÉÉÝ
+ug å CoPtCr-SiO2 ä +u 値Ĉ CoPtCr ä体積分率Ĉ考慮
ÍÜ補正ÍÕ値ݸāgÉä図åhPt 濃度 15 at% 以上
áàāÞ SF 濃度Â急増ÏāÉÞhÓÍÜ Pt 濃度ä増加
Pt 濃度の異なる CoPtCr-SiO2 膜の RSM 測定結果
áþā +ug ä上昇Â頭打×áàÙÜÓä後減少Ïā現象Âh
SF 濃度ä増加áþĀ説明ÝÃāÉÞĈ示Íܺāg
（ 5）
Pt 濃度
15 at％
20 at％
25 at％
30 at％
5
8
4
7
ôÕ最近ä研究áþāÞhCoPtCr-SiO2 媒体ä 15 at%Pt
以上áÀºÜhPt 濃度ä増加ÞÞøá反転磁界äæÿÚ
ÃÂ徐々á大ÃÅàāÞº¼結果Â得ÿĂܺāgÉĂå
上記ä SF ä増加ÞþÅ一致ÍܺāÉÞÁÿhCoPtCr-
5
8
SiO2 媒体áÀÇā反転磁界äæÿÚÃä一因 SF á¸ā
4
7
ÉÞÂ予想ËĂāg
5
8
4
7
5
8
4
7
5
8
以 上 ä 結 果 Á ÿhCoPtCr-SiO2 媒 体 Ý åhPt 濃 度 Â
図
SF 濃度βおよび K ug への Pt 濃度の影響
0.1
15
0.08
4
10
0.06
7
0.04
5
8
4
7
2
4
qz（nm−1）
6
0
4
6
qz（nm−1）
5
β
0.02
Ku
0
g
10
20
Pt 濃度（at％）
30
K ug（×106erg/cm3）
10 at％
hcp（112）
β
0 at％
hcp（101）
qy（nm−1） qy（nm−1） qy（nm−1） qy（nm−1） qy（nm−1） qy（nm−1）
図
0
（ 23 ）
特 集
QY~á変換ÍÕg
富士時報 6OL.O
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造解析技術
15 at% Ĉ超¾āÞ SF Â増加ÍhÓĂáþÙÜ +u ä低下
ú磁化反転電場äæÿÚÃÞºÙÕ悪影響Â生ÎāÞ考¾
特 集
āÉÞÂÝÃāgÍÕÂÙÜhPt 濃度å 15 at% 以下áÏ
ā必要¸āÞ考¾ÿĂāg
参考文献
酒井泰志ñÁi垂直磁気記録媒体ä開発状況i富士時報i
（ 1）
vol.79, no.4, 2006, p.309-312.
Kubo, T. et al. Study of stacking fault effect on magnetic
（ 2）
あとがき
anisotropy
of
CoPtCr - SiO2
perpendicular
media
by
synchrotron radiation x-ray diffraction. J. Appl. Phys.
本手法åh高輝度j高平行放射光 X 線ä利用áþĀå
Î÷Ü可能ÞàÙÕg放射光å X 線回折äñÁhX 線吸
vol.99, 2006, 08G911.
Shimatsu,
（ 3）
T.
of
et
al.
High
CoPtCr/Ru
Perpendicular
Films
for
Magnetic
Granular- Type
収微細構造}XAFS~
hX 線光電子分光}XPS~àßáÀ
Anisotropy
ºÜø高º性能Ĉ示Íh最近Ýå産業利用øôÏôÏ盛ĉ
Perpendicular Media. IEEE Trans. Magn. vol.40, 2004,
ݸāg今後å X 線回折以外ä手法ø含÷Ü放射光Ĉ有
p.2483-2485.
効á活用Íh富士電機ä製品ä性能向上Þ新技術j新製品
Warren, B. E. X-RAY DIFFRACTION. DOVER, 1990.
（ 4）
ä開発á寄与ÍܺÃÕºg
Shimatsu, T. et al. Effect of thermal agitation on the
（ 5）
試料ĈÊ提供ºÕÖÅÞÞøá貴重àċIJĹčĢĈºÕ
switching field distributions of CoPtCr-SiO2 perpendicular
ÖºÕ東北大学電気通信研究所ä島津武仁准教授á深謝申
recording media. J. Appl. Phys. vol.99, 2006, 08F905.
Í上Èāg
（ 24 ）
富士時報 6OL.O
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
特 集
中野 雅祥}àÁäeô˸Ã~
ディ シルワー へーマンタ}De
Silva Hemantha~
まえがき
外山 健太郎}ÞúôeÇĉÕă¼~
低圧遮断器の構造と動作
低圧遮断器åh過電流ú地絡電流ä発生時á配線ú機器h
開発ÍÕ低圧遮断器}G-Twin Ġœsģ~åh配線用遮
人体àßĈ保護Ïā役割Ĉ果ÕÏÉÞÁÿh電気Ĉ使用Ï
断器}MCCB~Þ漏電遮断器}ELCB~ä外形寸法Â同一
ā多Åä機器h装置h設備h建造物á設置ËĂÜÀĀh世
äĭčŜĿŕsĔݸāg図 1 áÓä外観Ĉ示ÏgàÀh
界äºÕāÞÉăÝ使用ËĂā製品ݸāgÍÁÍhÓä
ĭčŜĿŕsĔä構造åhELCB 特有ä構成機器}漏電電
性能áÚºÜåh国¸āºå地域áþĀ規格Ý規定ËĂÜ
流ä検知ú動作á関係ÏāŏĴĬıú部品~Ĉ除ºÜh筐
ºāÂh歴史的à背景ú系統ä構成áþā考¾方ä違ºà
体ĈåÎ÷h遮断部ú開閉機構部àßå同一ÞàÙܺā
ßø¸Āh内容å異àÙܺā部分ø¸āg現在h規格Ĉ
g
}図 2~
統一Íþ¼Þº¼動Ãå¸āøääh実際áåh世界Ĉ見
低圧遮断器ä開発åh相互á関連ÍÕ事象}特性¸āº
渡ÏÞhIEC}欧州hċġċàß~
hUL}米国àß~
hGB
å性能~ĈºÁá¼ôÅĜŜıŖsŔÏāÁáÁÁÙÜ
}中国kIEC Þñò同Î内容~
hJIS}日本kIEC Þñò同
ºāg例¾æh構造Ĉ左右Ïā最ø大Ãà要因ݸā短絡
Î内容Þ日本固有ä規格ä 2 本立Ü~àßä規格Â存在Í
電流遮断時Ĉ想定ÏāÞh数 ms v 10 ms äÊÅ短時間Ýh
ÜÀĀh例¾æhIEC 仕様hUL 仕様hJIS 仕様àßÓĂ
温度åċsĘ中心Ý 1 万 K áø達Ïā高温h圧力å大気
ÔĂä規格á合致ÍÕ製品群Ĉ準備Íh供給ÍܺāäÂ
圧Áÿ最大Ý数 MPa Þº¼高圧力á上昇Ïā状態ÞàÙ
実情ݸāgÓÉÝh今回h真äęŖsĹŔ製品群Ĉ目指
ÜÀĀhÓĂÿÂ互ºá影響ÍàÂÿ最終的á遮断ä成否
ÍhÉĂÿ規格á対応Ïā性能Ĉ 1 機種áÜ満足ÏāÉÞ
g
Â決ôā}図 3~
（ 2（
）3）
（ 1）
Ĉ基本ĜŜĤŀıÞÍÜ開発Ĉ行ÙÕg
従来åh電流h電圧àß性能á直結Ïā事象Ĉ対象á遮
本稿Ýåh従来ä JIS 規格品ä寸法Ĉ維持ÍÜhÁÚ世
断器ä外á現Ăā特性Ĉ測定ÍܺÕÂhĿŕsĘĢŔs
界ä規格Ĉ同時á満足Ïā製品Ĉ実現ÏāÕ÷á適用ÍÕ
áåh遮断器内部Ý発生Íܺā現象ݸāĕĢ流ú温度h
ŋsŔIJ筐体}Ãý¼Õº~ä強度解析技術áÚºÜ述ï
āg
図
図
G-Twin 低圧遮断器の内部構造
開閉機構部
G-Twin 低圧遮断器の外観
ELCB 電源回路
遮断部
ケース
250AF MCCB
250AF ELCB
中野 雅祥
耐電圧テスト用スイッチ
ZCT
ディ シルワー へーマンタ
外山 健太郎
低圧遮断器ä研究開発á従事g現
低圧遮断器ä開発設計á従事g現
低圧遮断器ä研究開発á従事g現
在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘķ
在h富士電機機器制御株式会社生
在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘķ
Ŗġs株式会社生産技術ĤŜĨs
産本部器具事業部開発部g
Ŗġs株式会社生産技術ĤŜĨs
機器技術研究所g電気学会会員g
機器技術研究所ęŔsŀŇĶs
ġŌsg日本機械学会会員h日本
AEM 学会会員g
（ 25 ）
富士時報 6OL.O
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
特 集
圧力分布àßĈ把握ÍhĜŜıŖsŔÏāÉÞÂËÿàā
態ä解析ŋİŔĈ示ÏgĚsĢÀþéĔĹshÓĂÿĈ締
性能向上áå不可欠ÞàāgÓä場合áå数値計算ä手法
結ÏāãÎÁÿ成ÙܺāgŋİŔå対称性Ĉ考慮ÍÜ
ø有力à武器ÞàĀhÓĂĈ裏付ÇāİsĨä取得øþĀ
1/2 ŋİŔÞÍÕg
重要ÞàāgÓäÕ÷áåh上記äþ¼à通常Ýå考¾ÿ
図 6 á解析ŋİŔä要素分割図Ĉ示Ïg節点数å約 24
Ăàº高温h高圧ä条件ÝÍÁø短時間ä現象Ĉ精確á測
万h要素数å約 14 万ݸāg
定Ïā技術ä開発ø必要不可欠Þàāg
低圧遮断器ä遮断責務ä基準åh従来 JIS 規格á対ÍÜh
.
解析条件
ƒ注„
IEC 規格å )cs 責務}O-CO-CO~Â追加ËĂhUL 規格Ý
入力条件ݸā短絡遮断時ä筐体内部圧力åh事前ä検
åh極間á大Ãà回復電圧Â印加ËĂā一線地絡時ä単極
証実験áÜ得Õ結果Ĉ圧力分布äĺŒŊsĨÞÍÜ入力Í
遮断Â追加Ý義務ÛÇÿĂāgÍÁÍh従来ä JIS 規格品
g
Õ}図 7~
ä寸法ĈĖsŀÍÜhÁÚ 1 機種ÝÉĂÿä規格ÏïÜá
対応Ïāáåh短絡電流遮断時ä内部圧力á対Ïā筐体強
.
境界条件
度Ĉ従来以上á高÷ā必要¸ÙÕg
開発ÍÕ低圧遮断器筐体åhĚsĢÞĔĹsÞÂ一体Ý
低圧遮断器ä筐体åh主áĚsĢÞĔĹsá分ÇÿĂāg
強度Â得ÿĂāþ¼á設計Íܺāg解析áÀºÜøÓĂ
ÉĂôÝ筐体ä強度解析ÝåĚsĢÞĔĹsĈ個別á解析
Ĉ模擬Ïā必要¸āÕ÷hãÎĈŋİŔ化ÍĚsĢÞĔ
ÍܺÕÂh今回ä筐体同士Ĉ締結ÍܺāãÎĈ考慮Í
ĹsĈ締結ÍܺāgàÀhãÎÞĚsĢ−ĔĹs間ä境
g
Ü一体解析Ïā手法Ĉ確立ÍÕ}図 4~
界条件àßå検証実験Àþé事前ä基礎解析áÜ確認ÍÜ
ºāg
モールド筐体の強度解析
.
図
解析モデル
図
要素分割図
解析モデル
図 5 áıĬŀĔĹsÀþéňIJŔĔĹs B Ĉ外ÍÕ状
ƒ注„O-CO-COk遮断−投入遮断−投入遮断
図
電流遮断時の模式図
電源側ガス流
可動接触子
グリッド
アーク
負荷側ガス流
固定接触子
図
G-Twin 低圧遮断器の筐体構成
ミドルカバー A
トップカバー
ケース
ミドルカバー B
（ 26 ）
富士時報 6OL.O
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
ôÕhĚsĢÞĔĹshãÎàß互ºÂ接触Ïā箇所á
å接触定義Ĉ行ºh接触Ĉ検知ÏāÞ自動的á接触圧力h
.
解析結果
図 9 á筐体ä変形図h図
図
図
内部圧力
á応力分布図h図
áèÐõ
応力分布図
大
圧力分布を入力
小
図
境界条件
図
ひずみ分布図
大
ねじ
小
対称条件
変形図
図
ひずみ実測値と解析値の比較
大
大
実測値
小
ひずみ
解析値
小
図
小
荷重
大
（ 27 ）
特 集
g
ź込õ量Ĉ判定j調整Í反復計算ËÑܺā}図 8~
富士時報 6OL.O
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
分布図Ĉ示ÏgàÀhÉĂÿä図å変化Ĉ分ÁĀúÏÅÏ
ä強度解析技術Ĉ述ïÕg開発期間ú費用ä削減áåh解
特 集
āÕ÷áİľĒŔŊÍܸāg図 9 äþ¼á一体化解析Ĉ
析技術ä応用Þ精度向上Â重要ÞàĀh解析技術Ĉ支¾ā
行¼ÉÞÝĚsĢÞĔĹshãÎÂÓĂÔĂ連動ÍÜ変化
İsĨä取得øþĀ重要Þàāg今回ä開発á適用ÍÕ解
Íܺā様子Â分ÁāgôÕh 図
äþ¼á実機Þ解析
Ýä応力集中箇所úèÐõø一致ÍÜÀĀh一体化解析ä
析技術åhÓä第一歩Ĉ踏õ出ÍÕá過ÄÐh今後øh製
品開発ú解析技術ä高度化á努÷ܺÅ所存ݸāg
有意性Â確認ÝÃÕg
参考文献
筐体構造の最適化
中野雅祥ñÁi新ęŖsĹŔ MCCB/ELCB ä要素技術開
（ 1）
発i富士時報ivol.79, no.2, 2006, p.167-171.
今回ä開発ä初期段階Ýå数十種類ä形状ĺŒŊsĨÂ
磯崎優ñÁi密閉容器áÀÇā大電流気中ċsĘä特性i
（ 2）
存在ÍÕÂh先ñß述ïÕ一体化解析Ĉ用ºhĠňŎŕs
平成 13 年電気学会電力jđĶŔės部門全国大会ino.416,
ĠŐŜáþĀ筐体構造ä最適化Ĉ行ÙÕgÉĂáþĀ試作
2001.
回数Ĉ減ÿÏÞÞøá開発期間ä短縮Ĉ実現ÍÕg
磯崎優ñÁi細隙内áÀÇā大電流ċsĘ特性ä検討i電
（ 3）
気 学 会 合 同 研 究 会 資 料iED-04-48/SP-04-05/SA-04-31,
あとがき
本稿ÝåhG-Twin 低圧遮断器á適用ÍÕŋsŔIJ筐体
（ 28 ）
2004.
富士時報 6OL.O
低圧遮断器のガス流解析技術
特 集
中村 修}àÁöÿeÀËö~
恩地 俊行}Àĉ×eÞÍüÃ~
まえがき
低圧遮断器の遮断現象
低圧遮断器åh配電系統á接続ÍÕ機器Ĉ過大電流Áÿ
低圧遮断器ä概観Ĉ図 1 á示Ïg配電系統Ý短絡事故Â
保護Ïā遮断器ä一種ݸĀhËôÌôà電気設備á採用
発生ÏāÞh遮断器å可動子Ĉ開極ËÑāÉÞáþĀ電流
ËĂܺāg近年h電気機器å多様化j大容量化Â進行Í
ÜÀĀhÓ¼ÍÕ中Ý電力ä安定供給á不可欠à遮断器á
図
低圧遮断器の概観
図
消弧室の構造とアーク冷却
ø一層ä高機能化h信頼性向上Â要求ËĂܺāg
低圧遮断器å遮断機構h接触子h消弧室h排気部h短絡
電流検出装置àßĈ一体ÞÍÜ絶縁ĚsĢá収納ÍÕ機
器ݸāg短絡事故ä発生時áå即時á短絡電流Ĉ遮断Íh
電力系統ĈĩŊsġÁÿ保護Ïā働ÃĈÏāg
遮断時áåh可動子電極ä開極áþĀ接点間áċsĘ放
電Â発生ÏāgċsĘ電圧Ĉ回路電圧Þ同等ôÕåÓĂ以
上á上昇ËÑÜ限流遮断Ĉ行¼仕組õݸāg短絡事故時
áå数十 kA ä電流Ĉ遮断ÏāÉÞáàāÂhÉäÞÃ発
生ÏāċsĘĺŘså数 MW áø達ÏāgċsĘä熱đ
ĶŔėsäÕ÷遮断器内部å瞬時á 1 MPa 以上ä高圧Â
発生Íh同時áċsĘ中心部Ýå温度Â数千v 1 万 K}外
周Ýø数百v数千 K~áøàā過酷à状態Â現出Ïāg遮
断器ä筐体}Ãý¼Õº~å樹脂製àäÝh遮断時á発生
Ïā高圧á対ÍÜ十分à耐圧性Â要求ËĂāgôÕ内壁å
数千 K øä高温ĕĢáËÿËĂāäÝh材料Â炭化ÍÜ
ÏÏÂ発生Íh遮断器内ä各所á吸着ÍÜ絶縁抵抗ä低下
Ĉ招Å可能性¸āg
可動子
ÓÉÝ遮断器ä性能向上ú信頼性確保äÕ÷h遮断部形
状Þ圧力上昇Þä関係hÏÏä吸着傾向àßËôÌôà観
アーク
5,000 ∼
10,000 K
点áÀºÜ実験的検討Ĉ行ÙÜÃÕg同時áh汎用熱流体
ƒ注„
解析ŀŖęŒʼn STAR-CD Ĉ使用ÍÜh遮断器内部äĕ
Ģ流ĠňŎŕsĠŐŜĈ実施Íh実験結果Þ比較ÍàÂÿh
細げき
発生圧力úÏÏàßä遮断生成物ä挙動á関ÍÜ評価j検
討Ĉ進÷ÜÃÕg
本稿Ýåh低圧遮断器äĕĢ流解析手法ä概要áÚºÜ
固定子
報告Ïāg
樹脂の蒸発・気化
アーク冷却によるアーク電圧上昇
蒸発気体発生による内圧上昇
ƒ注„STAR-CDkCD-adapco Group ä登録商標
中村 修
恩地 俊行
構造解析h熱流体解析業務á従事g
低圧遮断器ä研究開発á従事g現
現在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘ
在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘķ
ķŖġs株式会社生産技術ĤŜ
Ŗġs株式会社生産技術ĤŜĨs
ĨsĠňŎŕsĠŐŜ/熱解析技
機器技術研究所g電気学会会員g
術部g
（ 29 ）
富士時報 6OL.O
低圧遮断器のガス流解析技術
Ĉ遮断ÏāgÉäÞÃh接点間áċsĘŀŒģŇÂ発弧Í
Ę加熱áþā樹脂材料ä溶発Â生Îh遮断器内部ä圧力上
昇úċsĘä挙動á大Ãà役割Ĉ果ÕÏg遮断時á細ÈÃ
続ÏāÞ接点材料ä金属Â融解h蒸発ÍÜ消耗ÍhËÿá
ÀþéÓä近傍Ý起Ãā溶発現象ä様相áÚºÜ図 3 á示
å絶縁ĚsĢä劣化Â生ÎāÕ÷hċsĘĈ効果的á消弧
Ïg
Ïā必要Â生Îāg
細ÈÃÂ溶発ÏāÞċsĘä熱đĶŔėsáþĀ樹脂成
ÓÉÝ低圧遮断器Ýåh図 2 á示Ïþ¼áċsĘÂ発生
分ä熱分解Â起ÉĀhCO2 ú H2 àßäËôÌôà気体分
Ïā遮断部ä消弧室付近á樹脂製ä細ÈÃĈ配置Íh消弧
子Â発生Ïāg気体ÂċsĘ内部á移動ÍÜ 2,000 K 以上
性能ä向上Ĉ図ÙܺāgċsĘĈ細ÈÃáþÙÜ狭º空
ä高温状態áàāÞhþĀ単純à分子ú原子á解離Ïā現
間á閉Î込÷h同時á樹脂材料ä蒸発ĕĢä吹付Ç}ċĿ
象Â進行ÏāgËÿá 5,000 K 以上áàāÞ原子å電離Í
ŕsĠŐŜ~áþĀ効率的àċsĘä冷却h消弧Ĉ行ÙÜ
ÜčēŜ化Ïā状態Â顕著áàĀh全体ä粒子数Â増大Ï
ºāgËÿáċsĘ電圧Ĉ上昇ËÑā効果¸āÕ÷h優
āg一例ÞÍÜhCO2 Â高温状態Ý解離h電離ÍÕ場合ä
ĂÕ遮断性能Â得ÿĂāg
粒子組成Ĉ図 4 á示Ïg
上述ä利点¸ā一方Ýh細ÈÃ材料ä蒸発áþĀ発生
気体分子ä解離h電離áå大ÃàđĶŔėsĈ必要ÞÏ
ÏāĕĢ流äÕ÷圧力Â増大Ïā問題¸āg遮断時ä高
āgċĿŕsĠŐŜáþĀ溶発気体ÂċsĘá吹Ã付Çÿ
圧áþĀ場合áþÙÜåĚsĢä破損Â生ÎāÉÞø¸āg
ĂāÞđĶŔės損失Â増大ÍhċsĘä持続時間Â短縮
ôÕhÏÏàßä遮断生成物å耐電圧ä低下ä要因Þøà
Ïāg
āg
一方h接触子ä接点àßáÀºÜøh沸点Ĉ超¾ā高温
ÉĂÿä課題Ĉ解決ÍhþĀ効果的àċsĘ冷却Þ消弧
ÁÚ高電流密度ä状態á置ÁĂāÕ÷h構成材料ä溶発
能力Ĉ達成ÏāÕ÷h遮断現象äŊĔĴģʼnä解明h材料
Â生ÎÜ金属蒸気ä噴出流Â発生Ïāg金属蒸気ä場合ø
開発àßá関ÍÜËôÌôà研究開発Ĉ行ÙÜÃÕg
CO2 àßÞ同様áċsĘîä突入áþÙÜ熱電離Â発生Íh
金属原子åčēŜ化ÍÕ状態Þàāg
樹脂j金属材料ä溶発áþĀ発生ÍÕĕĢ流åhċsĘ
樹脂・金属材料の溶発
äđĶŔėsÞä相乗効果áþĀ高温高圧ÞàĀh遮断器
消弧室付近á配置ÍÕ細ÈÃä表面Ýåh遮断時áċs
内部ä圧力増大á多大à影響Ĉ及òÏgôÕ遮断現象áþ
Ā生成ËĂÕÏÏú金属粒子åh内壁ú部品á付着ÍÜ絶
図
縁抵抗ä低下ä主因Þøàāg
細げき材料の溶発
ÓÉÝ圧力上昇ú絶縁低下ä要因Ĉ解明Í課題解決Ĉ図
細げき
アーク外炎部（原子化）
外炎
アーク
ā手段ä一ÚÞÍÜh材料ä溶発現象Ĉ考慮ÍÕ熱流体Ġ
ňŎŕsĠŐŜĈ実施Íh遮断時äĕĢ流ä挙動áÚºÜ
H2→2H
CO→C＋O など
予測h解明Ĉ試õÜÃÕg
アーク内部（イオン化）
C→C+＋e−
H→H+＋e−
Ag+，W+，e−
N+，O+ など
解析モデル
低圧遮断器ä筐体ÀþéċsĘä解析ŋİŔĈ図 5 á示
Ïg上記以外ä流体領域å非表示ÞÍÕg本解析ä概要Ĉ
樹脂の溶融，
熱分解，気化，
低分子化
アークの中心方向へ分解ガスが移動，
結合分解・原子化，アーク冷却
表１á示Ïg条件ÞÍÜå三相短絡遮断事故Ĉ想定Íh最
ø過酷à遮断条件Þàā 1 相分Ĉ解析ÍÕgŋİŔä形
状å解析対象ÞÍÕ相Âñò対称形状ݸāäĈ考慮ÍÜh
1/2 対称ŋİŔĈ設定ÍÕg
図
CO2 の解離・電離による粒子組成
解析モデル
大
図
粒子密度 N（1/m3）
グリッド
可動子
排気口
小
特 集
Üh中心部å前述äþ¼à超高温状態ÞàāgċsĘÂ持
小
大
温度 T（K）
（ 30 ）
固定子
アーク
細げき
富士時報 6OL.O
低圧遮断器のガス流解析技術
.
解析条件
圧縮性
.
アークのモデリング
Āh密度変化Ĉ無視ÏāÉÞÂÝÃÐh圧縮性Â流Ăä重
固定子Þ可動子ä接点間áċsĘ領域Ĉ設定ÍhċsĘ
要à要素ÞàāgÓÉÝ解析Ýå圧縮性Ĉ考慮Íh圧力Ĉ
đĶŔėsä注入Ĉ行ÙÕg短絡遮断時äċsĘĺŘsä
以下ä状態方程式Ý計算ÍÕgÕÖÍ気体定数 5}3h7~
}J/kg/K~åh圧力 0}Pa~Þ温度 4}K~ä関数ÞÍÜ
実測結果Àþé解析上ä設定値Ĉ図 6 á示Ïg
ċsĘđĶŔėsä大半å放射損h材料ä溶発h気体ä
扱ÙÕg
解離àßá使用ËĂh遮断器内ä圧力上昇á寄与Íܺā
0＝ρ2（0，4）4 xxxxxxxxxxxxxxxx（ 2）
äåñĉä一部Þ考¾ÿĂāgÓÉÝ解析上åhċsĘ領
ÉÉÝρk密度}kg/m3~ݸāg流体ä質量h運動量h
域á注入ÏāđĶŔėså実際äċsĘĺŘsä一部ÞÍh
đĶŔėsä保存式á上述ä状態方程式Ĉ加¾ÕøäÂh
注入量ä補正Ĉ行ÙÕg
圧縮性流体ä運動Ĉ支配Ïā方程式系Ĉ構成Ïāg
温度Â 2,000 K 以上áàĀ気体ä解離ú電離Â進行Ïā
.
溶発ガスの噴出
Þh気体定数Â増大ÍÜ理想気体Áÿä乖離}ÁºĀ~Â
細ÈÃäċĿŕsĠŐŜĈ模擬ÏāÕ÷h細ÈÃ表面Á
生ÎāgÓäÕ÷解析Ýåh高温域Ý解離Àþé電離ÍÕ
ÿ溶発ĕĢä主成分ݸā CO2hH2 ä噴出ĈŋİŔ化Í
状態ä気体ä密度Ĉ使用ÍÕg各種気体成分ä密度Ĉ図 8
ÕgôÕ接点àßä金属材料ä溶発現象Ĉ模擬ÏāÕ÷h
á示Ïg
（ 1）
材料ä AghWhCu Ĉ成分ÞÍÕ金属蒸気ä噴出Ĉŋİ
Ŕ化ÍÕg
図
細げき，接触子の溶発ガス量の解析設定条件
溶発ĕĢä噴出量áå構造物ä消耗量ä実測値Ĉ設定
固定子
発生ガス量（kg/s）
W
)
ÍÕg遮断開始後ä時間 }s~á対Ïā発生ĕĢ量
}W~
}kg/s~åhċsĘĺŘs 3
}W~
}W~á比例ÏāøäÞÍÕg
)
（W）
＝
P3
（W）
xxxxxxxxxxxxxxxxx（ 1）
(
∫
GWkċsĘ
ÉÉÝ P：各部材ä消耗量}kg~
h(= 3
}W~
đĶŔės}J~ݸāg各時間áÀÇā細ÈÃh接触子
可動子
細げき
ä溶発ĕĢ量ä解析設定値Ĉ図 7 á示Ïg溶発ĕĢä噴出
0
方向áÚºÜå噴出面ä法線方向ÞÍÕgôÕ噴出時ä温
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
時間（s）
度å樹脂ä熱分解点h金属ä沸点Þ同Î温度á設定ÍÕg
図
表
解離・電離状態の気体の密度（常圧時）
解析の概要
100
三次元非定常熱流体解析
要 素 数
約33万（六面体要素）
10
乱 流 モ デ ル
高レイノルズ数 k −ε方程式
離 散 化 手 法
有限体積法
解析プログラム
汎用熱流体プログラムSTAR-CD
ρ
（kg/m3）
解 析 の 種 類
1
W
0.1
空気 CO
2
H2
0.01
0.001
0.0001
0
Ag
Cu
10,000
20,000
30,000
温度 T（K）
短絡遮断時のアークパワーの実測と解析設定値
図
アークパワー（MW）
解離・電離状態の気体の熱伝導率（常圧時）
Q（実測）
100
H2
K（W/m・K）
図
放射，融解・蒸発，解離・電離
による損失分
解析上の設定値
10
0.002
0.004
0.006
0.008
時間（s）
0.010
0.012
0.014
Cu
0.1
W
0.01
0.001
0
空気
1
0
CO2
Ag
10,000
20,000
30,000
温度 T（K）
（ 31 ）
特 集
遮断時á発生ÏāĕĢ流åÃą÷Ü高速ÁÚ高温ݸ
富士時報 6OL.O
.
低圧遮断器のガス流解析技術
解離・電離気体の物性値
解析結果
性á対ÍÜø影響Ĉ与¾āg高温状態Ýå気体原子ä振動
.
圧力の解析結果と実測結果の比較
đĶŔėsàßÂ上昇ÍhÓĂá伴º熱伝導率ú比熱å増
短絡遮断条件ä解析結果áþā流速łĘıŔĈ図
大ÏāgËÿá高温áàāÞh解離ú電離á大ÃàđĶŔ
力分布Ĉ図
h圧
á示Ïg両図åĺŘsĽsĘ時}2.5 ms~ä
ėsĈ要ÏāÉÞÁÿh熱伝導率ú比熱åËÿá増大Ïāg
断面図ݸāgċsĘĺŘsú溶発ĕĢä噴出Â圧力源Þ
ÓÉÝ本解析ÝåhÉĂÿä物性値áÚºÜø解離ú電離
àāÕ÷h圧力上昇å接点間äċsĘ領域áÀºÜ特á
Ĉ考慮ÍÕg一例ÞÍÜh解離Àþé電離ÍÕ状態Ýä各
顕著ݸāgċsĘ以外ä場所Ýåh遮断部上部Ý局部的
（ 1）
種気体成分ä熱伝導率Ĉ図 9 á示Ïg
à圧力上昇Â観察ËĂāgÉĂå 図
á見ÿĂāþ¼áh
複数ä気体成分Â混合ÍÕ状態áÚºÜåh気体成分 I
ĕĢ流ÂĚsĢä上部á衝突ÍÜ生ÎÕøäÞ考¾ÿĂāg
äŋŔ分率 8Ih質量分率 9I Ĉ用ºÜh以下ä式áþĀ各
遮断時発生圧力ä実測値Þ解析値Ĉ比較ÍÕøäĈ図
物性値á対Ïā平均化Ĉ行ÙÕg
図
3
ρ＝
xxxxxxxxxxxxxxxx（ 3）
<
57（Σ 0I ）
I
I
áÀºÜ実施ÍÕg解析値Þ実測値å両図ÞøáþÅ一致
Íܺāg圧力最大値ä誤差å 10 v 15 % ݸĀh精度的
&p＝Σ<I &p，I xxxxxxxxxxxxxxxxxx（ 4）
I 圧力予測手法ÞÍÜ妥当ݸāÞ考¾ÿĂāg
;I
1
κ＝ Σ; IκI +1 /
}Mathur ä式~ xxxx（ 5）
（Σ
κI ）
2 I
I
á示Ïg圧力測定å遮断部上部} 図
図
中ä A 地点~
圧力の実測値と解析値の比較（1）
μ＝Σ
;JφIJ）
}Wilke ä式~xxxxxxx（ 6）
/（Σ
（;IμI）
1.2
J
I
解析
1.0
圧力（MPa）
ÕÖÍh
ƫI
0J
0 −1/2
1
2
φIJ＝
1+ 0JI ）
1+（ ƫJ ）1/2（ 0I ）1/4
xxx
（ 7）
（
8
ÉÉÝhρk密度}kg/m3~
h#pk定圧比熱}J/kg/K~
h
0.8
実測
0.6
0.4
0.2
κk熱伝導率}W/m/K~
hμk粘性係数}0ajs~
h0k圧
0
0
0.002 0.004 0.006 0.008
力}Pa~
h2k 気 体 定 数}J/kg/K~
h4k 温 度}K~
h-k
0.01
0.012 0.014
時間（s）
分子量}ôÕå原子量~
hI Àþé Jk気体成分ݸāg
図
図
流速ベクトル
圧力の実測値と解析値の比較（2）
1.2
実測
1.0
0.8
解析
0.6
0.4
0.2
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
時間（s）
図
圧力分布
図
遮断生成物の挙動計算例
圧力（MPa）
0.14×10
Ａ地点（圧力測定箇所）
7
0.12×107
0.10×107
0.80×106
0.60×106
0.40×106
0.20×106
0
Y
Z
（ 32 ）
X
h
áå良好ݸāg以上ä結果Áÿh本解析手法å遮断器ä
圧力（MPa）
特 集
気体Â解離h電離ÍÕ状態å密度以外ä熱力学j輸送特
粒子の付着
0.025
富士時報 6OL.O
低圧遮断器のガス流解析技術
ÍÕg
.
遮断生成物の挙動計算
今後åh種々ä条件áþā解析h検討Ĉ行ºhËÿàā
解析精度ä向上Ĉ目指ÍܺÅgËÿáĕĢ流ä挙動ä詳
á付着ÏāÞh直接ċsĘä暴露ÂàÅÜø絶縁低下ä要
細解明h種々ä遮断器構造ä解析Ĉ通ÎÜä開発支援Ĉ行
因ÞàāgÓÉÝĕĢ流解析áþĀÉĂÿä生成物ä挙動
ºh遮断器ä性能Þ信頼性ä向上á役立ÜܺÅ所存ݸ
Ĉ計算ÍÕg計算結果ä一例Ĉ 図
á示Ïg計算áåĕ
āg
Ģ流ä流速分布h粘性h粒子ä質量h粒径Ĉ考慮ÍÕg図
àÀh本解析á使用ÍÕ高温 CO2 ä物性値å名古屋大
中ä軌跡åh粒子Â特á多量á行Ã渡ā場所Ĉ表Íܺāg
学ä横水康伸准教授þĀÊ提供ºÕÖºÕgôÕ Ag 蒸気h
本解析áþĀh生成物ä付着箇所Ĉ推定ÏāÉÞÂ可能Þ
W 蒸気ä物性値å金沢大学ä田中康規准教授þĀÊ提供
àÙÕg
ºÕÖºÕg深Å感謝ä意Ĉ表Ïāg
あとがき
参考文献
Kovitya, P. Physical Properties of High-Pressure Plasmas
（ 1）
今回h低圧遮断器Ĉ対象ÞÍÜhċsĘĺŘsàßä遮
of Hydrogen and Copper in the Temperature Range
断条件á基ÛºÜh発生圧力ú遮断生成物ä挙動àßĈ予
5000-60000K.
測h評価ÏāĕĢ流解析手法Ĉ開発ÍÕg本解析áþĀ圧
SCIENCE. 1985.
IEEE
TRANSACTIONS
ON
PLASMA
力特性Ĉ十分à精度ÝĠňŎŕsĠŐŜÝÃāÉÞĈ確認
（ 33 ）
特 集
遮断時á生成ËĂāÏÏh金属粒子Â遮断器内部ä各所
富士時報 6OL.O
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
特 集
岩崎 正道}ºąËÃeôËõ×~
まえがき
図
熱交換器と渦発生体付きフィン
缶jŅıŔ飲料自動販売機àßh商品ä冷却Ĉ取Ā扱¼
冷凍j冷蔵機器ä省đĶŔės化ä主àċčįʼnÞÍÜh
冷媒配管
冷却ĠĢįʼnä高効率化¸āg冷却ĠĢįʼnä高効率化
áå冷却器ݸā熱交換器ä高性能化h特á熱交換器ľČ
Ŝä熱伝達率ä向上Â課題ݸāg空調ú自動車用熱交換
器Ýå微細àĢœĬıľČŜ形状àßä伝熱促進技術ä進
（a）熱交換器の外観
歩áþĀh高性能化Â進÷ÿĂܺā反面h飲料自動販売
機àßä冷凍j冷蔵用熱交換器Ýå結露ú着霜áþā圧力
損失ä増大Â問題ÞàāÕ÷h前述ä技術Ĉ適用ÏāÉÞ
空気
å困難ݸĀh開発Â遅Ăܺāg
ÓÉÝh低圧力損失h高熱伝達Ĉ実現可能à渦発生体Ĉ
（ 1（
）2）
用ºÕ熱交換器Ĉ考案Íܺāg渦発生体ä形状h配置ä
デルタ翼
最適化Ĉ図ā¼¾ÝhľČŜ上Ýä空気流動Àþé伝熱現
デルタウィングレット
象Ĉ明ÿÁáÏā流Ăä可視化ú熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ
技術Ĉ確立ÍÕäÝ紹介Ïāg
（b）渦発生体付きフィン
熱交換器の構成と原理
.
渦発生体付き熱交換器の構成
図
デルタ翼を用いた伝熱促進方式
飲料自動販売機ä冷却器ÞÍÜ用ºÿĂܺā熱交換器
ä構成Ĉ図 1 á示Ïg熱交換器å二列千鳥配列äľČŜċ
縦渦
ŜIJĪŎsĿ熱交換器ݸĀh冷媒Â流Ăā配管Þ配管内
ä熱Ĉ効率的á伝¾h空気á放熱ÏāľČŜÝ構成ËĂ
空気
ܺāgľČŜä配管前方áİŔĨ翼h配管後方áİŔĨ
ďČŜęŕĬıhÞº¼ 2 種類ä渦発生体Â切Ā起ÉÍá
þĀ構成ËĂܺāg
.
フィン
デルタ翼
渦発生体による伝熱促進方式の原理
İŔĨ翼Ĉ用ºÕ伝熱促進方式ä原理Ĉ図 2 á示Ïgİ
ŔĨ翼ÝåhľČŜ上á縦渦Ĉ発生ËÑāÉÞÝľČŜ間
フィン流れの可視化
中央ä空気ÂľČŜ近傍á輸送ËĂhľČŜ面ä伝熱促
進Ĉ図āÉÞÂÝÃāgôÕhİŔĨďČŜęŕĬıÝåh
İŔĨ翼Áÿ生Îā縦渦úİŔĨďČŜęŕĬıáþā
配管後流Ý生Îā死水域á配管上流ä空気Â導ÁĂh死水
配管後流Ý生Îā死水域ä縮小ä流Ă様相Ĉ明ÿÁáÏā
域ä伝熱回復Ĉ図āÉÞÂÝÃāg
Õ÷áåh狭ºľČŜ間}通常h2 v 6 mm 程度~ä流Ă
岩崎 正道
自動販売機関連ä研究j開発á従
事g現在h富士電機ċIJĹŜĢı
įĘķŖġs株式会社生産技術Ĥ
ŜĨs機器技術研究所g日本機械
学会会員h日本伝熱学会会員g
（ 34 ）
富士時報 6OL.O
図
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
可視化用テストセクション
図
シミュレーションモデル
周期対称境界
流れ
流入面
熱交換器フィン部
配管
図
熱交換器フィン部
整流部
図
計算格子（熱交換器フィン部）
表
計算条件
色素注入装置
（a）縦渦観察用
（b）死水域観察用
Ĉ可視化ÏāÉÞÂ重要ݸāgÓÉÝh色素流脈法Ĉ用
ºÕ渦発生体周Āä流動現象ú配管後流ä死水域Ĉ評価Ý
Ãā手法Ĉ確立ÍÕg
ソフトウェア
STAR-CD＊（有限体積法） 計算格子数
流体格子：約80万点，固体格子：約20万点
ヘキサメッシュが基本
可視化Ýå作動流体á水Ĉ用ºÕg図 3 å回流式開水路
計 算 条 件
定常，非圧縮
内á設ÇÕ可視化用įĢıĤĘĠŐŜĈ示ÏgįĢıĤĘ
乱流モデル
低レイノルズ数型非線形 - （三次）モデル
k ε
ĠŐŜå二列千鳥配列äľČŜċŜIJĪŎsĿ熱交換器実
差 分 法
Mars法
圧 力 解 法
SIMPLE法
.
可視化用装置
機äľČŜ間Ĉ模擬ÍÕċĘœŔ製ä 2 倍拡大ŋİŔݸ
ĀhľČŜ面Ĉ 1 × 1}mm~á分割Íh死水域面積Ĉ可
＊STAR-CD：CD-adapco Groupの登録商標
視化画像Áÿ読õ取āÉÞĈ可能ÞÍÕg
.
可視化手法
熱流体シミュレーション
ľČŜ間ä流Ăä可視化ÝåİŔĨ翼Ý生Îā微細à三
次元的à縦渦ú配管後方Ý生Îā複雑à流Ă場Áÿ死水域
渦発生体ä形状h配置ÂľČŜ面ä伝熱促進á与¾ā影
ĈÞÿ¾āÉÞÂ課題ݸÙÕgÓÉÝh色素注入装置á
響Ĉ検討ÏāÕ÷áh熱流体ĠňŎŕsĠŐŜĈ用ºÜh
次äþ¼à工夫Ĉ施Íh渦発生体周Āä流動現象ú配管後
ľČŜ面上ä熱伝達率分布Ĉ高精度á評価ÝÃā手法Ĉ確
流ä死水域Ĉ観察ÍÕg
立ÍÕg
微細Ý三次元的à縦渦ä観察áåh図 4（a）
á示Ï内径
（ 1）
0.2 mmh1 mm 間隔á置ÁĂÕ計 7 本ä管Ý構成ËĂÕ
多分岐注入管ÁÿčŜĘĈ注入Ïā方法Ĉ用ºÕg
配管後流ä死水域ä観察áåh図 4（b）
á示Ï配管ä前
（ 2）
.
シミュレーションモデル
図 5 áĠňŎŕsĠŐŜŋİŔh図 6 áÓä計算格子Ĉ
示Ïg熱交換器実機ľČŜ間ä 2 ĽĬĪ分Ĉ三次元Ý模
縁þßõ点Áÿ ＋
− 15 度位置h内径 1.0 mm ä計 4 本ä
擬Íh熱交換器前後áå助走区間Ĉ設ÇÕg境界条件áåh
穴Áÿ直接hčŜĘĈ注入Ïā方法Ĉ用ºÕg
固体表面á Non-Slip 条件Ĉh計算領域ä周囲áå周期対
注入ÏāčŜĘ染料Ĉ変¾āÉÞÝh流脈線ä色Àþ
（ 3）
称境界条件Ĉ設定Íh熱交換器実機ä性能評価Þ同条件ä
é線ä太Ëä違ºáþĀhİŔĨďČŜęŕĬıÞ配管
熱流束Ĉ配管内面á与¾Üºāg計算条件ä概要Ĉ表１á
後流Ý同時á生Îā死水域ä区別Ĉ行ÙÕg
示Ïg
（ 35 ）
特 集
流出面
助走区間
富士時報 6OL.O
図
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
流れの可視化と計算結果（デルタ翼）
図
渦発生体付き熱交換器の熱伝達率分布（計算結果）
特 集
空気
空気
A
（a）可視化結果
（b）計算結果
B
150
（W/m2K）
図
デルタウィングレット
熱
伝
達
率
流れの可視化と計算結果（デルタウィングレット）
デルタ翼
0
空気
（デルタウィングレットなし）
空気
（デルタウィングレットあり）
（a）可視化結果
（b）計算結果
図
プレーンフィン熱交換器の熱伝達率分布（計算結果）
空気
A
.
シミュレーション手法
渦発生体付Ã熱交換器ľČŜä熱伝達率分布Ĉ定量的á
評価ÏāÕ÷áåhľČŜ間Ý生Îā複雑à流Ă場úľČ
Ŝ面ä温度場ä予測精度Ĉ向上ËÑāÉÞÂ課題ݸÙÕg
B
150
（W/m2K）
ÓÉÝh次äþ¼à予測精度ä向上Ĉ図ÙÕgÓä結果h
熱交換器ä伝熱性能評価ä実験値Þ計算値ä差Â 5 % 以下
熱
伝
達
率
Ĉ実現ÍÕg
乱流ŋİŔá二次流Ăä非等方性乱流Ĉ再現可能à低
（ 1）
ŕčķŔģ数型非線形 K-ε ŋİŔĈ用ºāÉÞÝh渦
0
発生体Áÿ生Îā縦渦ä予測精度Ĉ向上ËÑÕg
ľČŜ効率ø考慮ÍÕľČŜä熱伝導計算Ĉ空気ä対
（ 2）
流熱伝達計算Þ同時á行¼連成計算áþĀhľČŜ表面
ä温度場ä予測精度Ĉ向上ËÑÕg
空気
流れの可視化と計算結果
.
流れの可視化と計算結果の比較
熱交換器ľČŜ上ä流Ăä可視化Þ計算結果Ĉ比較Íh
.
熱交換器フィン面の熱伝達率分布
ĠňŎŕsĠŐŜä妥当性Ĉ検討ÍÕg図 7 áh熱交換器
İŔĨ翼hİŔĨďČŜęŕĬıĈ同時á設置ÍÕ場合
ľČŜá設置ËĂÕİŔĨ翼周Āä流Ăä可視化Þ計算
Ýä熱交換器ľČŜ面ä熱伝達率分布ä計算結果Ĉ図 9 á
結果Ĉ示Ïg同様á図 8 áåh配管後方áİŔĨďČŜę
示Ïg同様áİŔĨ翼hİŔĨďČŜęŕĬıĈ設置Íà
ŕĬıĈ設置Íàº場合Þ設置ÍÕ場合Ýä配管周Āä流
ºŀŕsŜľČŜä場合Ýä熱交換器ľČŜ面ä熱伝達率
ĂĈ示ÏgİŔĨ翼後方Ý生Îā縦渦ä形態ú配管後流ä
分布ä計算結果Ĉ 図
死水域ä可視化結果Þ計算結果å一致ÍÜÀĀh本ĠňŎ
äİŔĨ翼周辺ÝåhİŔĨ翼Ý生Îā縦渦Â下降流Þà
á示Ïg両者ä比較Áÿh配管前
ŕsĠŐŜÂ熱交換器ľČŜ上ä複雑à流動現象Ĉ再現可
āİŔĨ翼ä後方中心線上Ý特á熱伝達率Â高ÅàÙÜÀ
能ݸāÉÞÂ分Áāg
Ā}図 9h図
（ 36 ）
中ä A 部~
h可視化結果á対応ÍܺāÉ
富士時報 6OL.O
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
缶jŅıŔ飲料自動販売機á渦発生体付Ãä高効率熱交換
åh1 列目配管後方Ýä熱伝達率分布ä様相å図 8 ä可視
器}İŔĨ翼熱交換器~Ĉ搭載ÏāÉÞÝ冷却ĠĢįʼnä
化áþÙÜ得ÿĂÕ死水域ä縮小á対応ÍÜh死水域ä熱
消費電力量Ĉ約 30 % 低減ÍÕg今後åĠŐsĚsĢh冷
伝達率Â高ÅàÙܺā}図 9h図
中ä B 部~ÉÞÂ分
Áāg
凍j冷蔵庫àßhþĀ広º範囲ä熱交換器ä高効率化á本
評価技術Ĉ適用Íh省đĶŔės化á貢献ÍܺÅ所存Ý
¸āg
あとがき
参考文献
渦発生体Ĉ設置ÍÕľČŜ上Ýä空気流動Àþé伝熱現
象Ĉ明ÿÁáÏā流Ăä可視化ú熱流体ĠňŎŕsĠŐ
Ŝ技術Ĉ確立ÍÕgÉä評価技術áþĀhİŔĨ翼Àþ
éİŔĨďČŜęŕĬıä形状h配置ä最適化Ĉ実施Íh
岩崎正道ñÁi第 41 回日本伝熱ĠŜņġďʼn講演論文集i
（ 1）
vol.2, 2004, p.465-466.
岩崎正道ñÁiThermal Science and Engineering. vol.12,
（ 2）
no.4, 2004. p.105-106.
（ 37 ）
特 集
ÞÂ分ÁāgôÕh配管後äİŔĨďČŜęŕĬı周辺Ý
富士時報 6OL.O
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
特 集
高野 幸裕}ÕÁäeüÃèă~
土屋 敏章}Ú×úeÞ͸Ã~
冷媒Ĉ冷却Ïā中間熱交換器Þ 2 段目ä吐出冷媒Ĉ冷却Ï
まえがき
āĕĢĘsŒĈ一体化ÍÕ構成ÞÍܺāg内部熱交換器
缶jŃĬıŅıŔ自動販売機å街角úēľČĢá置ÁĂh
å二重配管Ý構成Íh内側ä配管áå高圧側ä高温冷媒Ĉh
Óä利便性Áÿ広Å受Ç入ĂÿĂܺāg一方h公共性ä
外側ä配管áå圧縮機î戻ā低圧側ä低温冷媒Ĉ流ÍÜ熱
観点Áÿh温室効果ĕĢ排出量削減á考慮ÍÕh環境á優
交換Ĉ行¼ÉÞÝ圧縮機îä吸込õ温度Ĉ上ÈÜ運転効率
ͺ自動販売機Â必要ÞËĂܺāg
向上Þ冷媒ä液戻ĀĈ防止ÍܺāgôÕh膨張機構áå
自動販売機åh内部á複数ä商品Ĉ収納Ïā庫室Ĉ持×h
電子膨張弁Ĉ用ºÜh冷却負荷変動îä適応性Ĉ高÷ܺ
缶úŃĬıŅıŔ飲料Ĉ冷却ôÕå加温ÍÜ販売Ïāg飲
āg
料ä冷却áå冷却ŏĴĬıĈ用ºÜÀĀh冷媒åĸčIJŖ
ľŔēŖĔsŅŜ}HFC~系ä混合冷媒ݸā R407C Â
使ąĂܺāgR407C äēħŜ破壊係数}ODP~å 0 Ý
¸āÂh地球温暖化係数}GWP~Â高ºÕ÷hGWP Â小
図
CO2 冷媒自動販売機の構成
˺冷媒Â求÷ÿĂܺāgÓÉÝhÉĂôÝá GWP Â
小˺二酸化炭素}CO2~冷媒Ĉ用ºÕ冷却専用ä冷凍機
Ĉ搭載ÍÕķŜľŖŜ自動販売機Ĉ開発Íh製品化Ĉ行Ù
庫外熱交換器
中間熱交換器
電子膨張弁
ガスクーラ
庫内熱交換器
（蒸発器）
ÜÃÕgËÿáh今後ä自動販売機äķŜľŖŜ化ä要望
á応¾āÕ÷áø機種数ä拡大Â必要ݸĀhÁÚ開発ä
効率化Ĉ狙ÙÕ冷凍機設計äÕ÷ä冷凍機性能計算ĭsŔ
Â必要ÞàÙÕg
ÓÉÝh自動販売機ä冷却ŏĴĬı設計á焦点Ĉ合ąÑ
内部熱交換器
Ü自動販売機特有ä計算機能Ĉ持ÕÑh自然冷媒ݸā
2 段圧縮機
CO2 冷媒á対応ÍÕ自動販売機用ä冷凍機性能ĠňŎŕs
（a）冷却ユニットの構成
ĨĈ開発ÍÕäÝ紹介Ïāg
庫内
前面
CO2 冷媒用冷凍機の構成
断熱材
商品収納装置
容器入り飲料
空気の流れ
CO2 冷媒自動販売機ä構成Ĉ図 1 á示ÏgCO2 冷媒用冷
吸気ダクト
凍機åh圧縮機h庫外熱交換器}ĕĢĘsŒh中間熱交換
器~
h内部熱交換器h膨張機構h庫内熱交換器}蒸発器~
冷却加熱領域
商品シュータ
€
h複数ä商
áþĀ冷凍ĞčĘŔĈ構成ÍÜÀĀ図 1（a）
品収納庫室áÓĂÔĂä蒸発器Ĉ設置ÍÜh各蒸発器áÜ
冷凍機
€
g
ºā図 1（b）
圧縮機áåčŜĹsĨ式¸āºå一定速式ä 2 段圧縮機
庫外熱交換器
Ĉ用ºÜÀĀh1 段¸ÕĀä圧縮比Ĉ低減ÍÜ運転効率ä
向上Ĉ図ÙܺāgôÕh庫外熱交換器åh1 段目ä吐出
高野 幸裕
（ 38 ）
庫内熱交換器
（蒸発器）
飲料取出扉
生成ÍÕ冷風áþĀ各庫室á置ÁĂÕ商品ä冷却Ĉ行ÙÜ
土屋 敏章
自動販売機器ä開発á従事g現
自動販売機ä脱ľŖŜ技術ä開発
在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘķ
á従事g現在h富士電機ċIJĹŜ
Ŗġs株式会社生産技術ĤŜĨs
ıĢįĘķŖġs株式会社生産技
機器技術研究所ęŔsŀŇĶs
術ĤŜĨs機器技術研究所副主任
ġŌsg精密工学会会員h計測自
研究員g日本伝熱学会会員h日本
動制御学会会員g
冷凍空調学会会員g
ファン
圧縮機
（b）自動販売機の構成
富士時報 6OL.O
図
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
表
冷凍機性能シミュレータの計算フロー
圧縮機特性評価条件
評価条件
圧 縮 機
インバータ機，一定速機
圧縮機（1 段目）計算
周囲温度
5∼32 ℃
中間熱交換器計算
蒸発温度
−10∼0 ℃
圧縮機（2 段目）計算
ガスクーラ計算
表
内部熱交換器（高温側）計算
庫外熱交換器評価条件
電子膨張弁計算
蒸発器（左）
計算
蒸発器（中左）
計算
蒸発器（中右）
計算
項 目
蒸発器（右）
計算
内部熱交換器（低温側）計算
内部熱交換器収束判定
熱交換器
庫外熱交換器
ファン風速
1.4∼2.0 m/s
周囲温度
5.0 ℃，32.0 ℃
未収束
図
収束
サイクルバランス収束判定
評価条件
内部熱交換器の構成と配管温度変化
未収束
高温冷媒入口
高温冷媒出口
収束
計算結果表示
外側配管
低温冷媒
出口
①
②
③
低温冷媒
入口
内側配管
冷媒温度
シミュレータの構成
冷凍ĞčĘŔ計算方法å従来Áÿ提案ËĂܺāÂh
①
高温冷媒入口
低温冷媒出口
②
CO2 冷媒自動販売機用冷凍機ä構成á対応ÍÕ冷凍ĞčĘ
Ŕ計算方法å確立ËĂÜÀÿÐh従来äĞčĘŔĠňŎ
高温冷媒出口
ŕsĨá加¾ÜhCO2 冷媒特性îä対応ú 2 段圧縮機h内
部熱交換器àßä CO2 冷媒用冷凍機áÜ追加ËĂÕ各機
低温冷媒入口
器ä性能計算対応Ĉ行ÙÕg
③
熱交換
（潜熱変化）
内部熱交換器配管長さ
今回作成ÍÕ冷凍機性能ĠňŎŕsĨä計算ľŖsĈ図
2 á示Ïg機器Ğčģh冷媒封入量h周囲温度h蒸発温度h
庫内j庫外ľĊŜ風量h庫内温度条件áþĀh冷凍機å各
機器ä特性ÂĹŒŜĢÍÕ状態Ý定常運転ÞàāgÉä状
態Â冷凍ĞčĘŔä平衡状態ÝĞčĘŔĹŒŜĢ点Þ呼æ
.
庫内熱交換器・庫外熱交換器の計算部
ĂܺāgĠňŎŕsĨåh初期条件設定Ĉ行ÙÕ後h1
庫内j庫外ä熱交換器ä性能計算åh熱交換器äĞč
段目圧縮機Áÿ低温側ä内部熱交換器ôÝä性能Ĉ冷凍Ğ
ģ}配管hľČŜàßä機器Ğčģ~ú使用条件}ľĊŜ
čĘŔä流Ăá沿ÙÜ計算Ïāg次áh冷媒封入量àßä
風量h冷媒循環量h入口冷媒状態~Áÿ出口冷媒状態}温
計算結果Â初期設定値Þ一致ÏāÁß¼Á収束判定}Ğč
度h圧力~ä算出Ĉ行ÙܺāgÉä際h熱交換器ä配管
ĘŔĹŒŜĢ収束判定~Ĉ行ºhøÍ収束Íàº場合áåh
計算ĺŒŊsĨä自動変更Ĉ行ÙÜ再度計算Ĉ行¼ÉÞÝ
ĞčĘŔĹŒŜĢ点Ĉ求÷h冷凍機器ä性能計算Ĉ行ÙÕg
Ĉ微小区間á区切ĀhÓä区間ÊÞá熱交換器Þ周囲温度
}外気ú庫内ä温度~Þä交換熱量Ĉ算出Íh熱交換器ä
入口温度Þ交換熱量Áÿ出口温度Ĉ算出ÍÕgÉĂĈ逐次h
各区間ÊÞá行ÙÜ最終的á熱交換器ä出口温度Ĉ算出Í
冷凍機性能計算方法
ܺāgôÕh交換熱量ä算出áå風速ú CO2 冷媒ä状
態}気相h液相h気液 2 相h超臨界状態~àßä使用状態
.
圧縮機性能計算部
á合ąÑÜ伝熱特性Ĉ表Ï熱通過率Ĉ正確á計算ÏāÉÞ
圧縮機性能å圧縮機冷凍能力評価装置áþÙÜh表１á
Â必要ݸāgÓäÕ÷h熱交換器性能評価装置áþÙ
示Ï条件Ý計測ÍÕİsĨĈ基áÍÜ計算Ĉ行ÙÕg周囲
Üh自動販売機Ýä使用条件Þ同等ä条件}例¾æh庫外
温度h圧力h冷媒入口温度àßĈ入力条件ÞÍÜ冷媒流量h
熱交換器Ýå表 2 á示ÍÕ条件~áÜh計測ÍÕİsĨĈ
出口冷媒温度àßĈ推算Ïā計算式Ĉ重回帰分析áþÙÜ
基á熱通過率Ĉ推算ÏāÕ÷ä定式化Ĉ行ÙÕgÉĂáþ
作成ÍÕgÉĂáþĀh評価条件下áÜ最大誤差約 7 % 以
Āh最大誤差約 6 % 以下ä精度Ý熱交換器ä性能Â推算可
下ä精度Ý圧縮機ä性能Â推算可能ÞàÙÕg
能ÞàÙÕg
（ 39 ）
特 集
項 目
初期条件設定
富士時報 6OL.O
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
期設定値á基ÛºÜ各機器ä計算Ĉ行ÙÕ後h初期設定
.
内部熱交換器計算部
値ݸā圧縮機入口状態}温度h圧力~Þ計算Ý求÷Õ低
温側ä内部熱交換器出口状態}温度h圧力~Â一致ÏāÁ
内側ä高温冷媒Þ外側ä低温冷媒ä間Ý熱交換Ĉ行¼gÓ
ß¼Á収束判定Ĉ行ÙÕg同様áh初期á設定ÍÕ冷媒封
äÕ÷h内部熱交換器ä熱交換計算áåh高温側入口温度
入量Þ計算ÍÕ各機器ÊÞä冷媒量合計Â一致ÏāÁß¼
Þ低温側出口温度Â必要ÞàāgÓÉÝh高温側入口温度
Áÿ低温側出口温度Ĉ仮定Ïā方法Ĉ用ºÕg内部熱交換
図
庫内熱交換器配管温度変化の計算と測定結果の比較
器ä計算Ýåh庫内j庫外熱交換器Þ同様á配管Ĉ微小区
間á区切ĀhÓä区間ÊÞá高温側Þ低温側Þä交換熱
測定点（入口からの距離）
（m）
量Ĉ算出Íh熱交換器温度Þ交換熱量Áÿ次ä区間ä高温
0
0
1
2
3
4
側出口温度Þ低温側入口温度Ĉ算出ÍÕgÉĂĈ逐次h各
−2
区間ÊÞá行ÙÜ最終的á高温側出口温度h低温側入口温
温度（℃）
度Ĉ算出ÍܺāgËÿáh高温側出口温度Áÿ庫内熱交
換器ä出口温度Ĉ算出ÍhÓä結果h庫内熱交換器出口温
度Þ低温側ä内部熱交換器入口温度Â一致ÍܺĂæh仮
−4
−6
測定値
定ÍÕ低温側ä内部熱交換器出口温度Â正ͺÞ判断ÍÜ
−8
gÍÁÍh
計算Ĉ終了Ïā}図 2 ä内部熱交換器収束判定~
計算値
一致Íàº場合áå低温側ä内部熱交換器出口温度Ĉ自動
−10
的á変更ÍÜ庫内熱交換器出口温度Þ低温側ä内部熱交換
器入口温度Â一致ÏāôÝ繰Ā返Í計算Ĉ行ÙÕg
図
.
表
自動販売機用冷凍機設計ツール
サイクルバランス計算部
機器Ğčģh冷媒封入量h周囲温度h蒸発温度àßä初
計算・結果表示
蒸発器数設定
冷凍サイクル計算結果と測定結果の比較
圧
縮
機
測 定
計 算
高 圧 圧 力（MPa）
7.3
7.4
中 間 圧 力（MPa）
4.0
4.2
低 圧 圧 力（MPa）
2.4
2.7
吸込温度（1段目）（℃）
30.8
28.0
吐出温度（1段目）（℃）
45.8
50.7
吸込温度（2段目）（℃）
36.5
35.7
吐出温度（2段目）（℃）
71.1
71.2
ガスクーラ入口温度（℃）
65.3
65.9
ガスクーラ出口温度（℃）
33.3
32.8
蒸 発 器 入 口 温 度（℃）
−8.9
−9.0
蒸 発 器 出 口 温 度（℃）
−8.4
−9.0
各冷凍機器の選択
初期条件の設定
（蒸発温度，外気温度など）
（a）設定画面（メイン）
各冷凍機器の選択
（リスト表示）
（b）設定画面（各冷凍機器の選択）
図
庫外熱交換器配管温度変化の計算と測定結果の比較
サイクル状態
（冷媒循環量，圧力など）
70
60
温度（℃）
特 集
内部熱交換器åh図 3 á示Ïþ¼á二重配管Ý構成ËĂh
50
測定値
計算値
40
計算条件
30
0
（ 40 ）
2
4
6
8
10
測定点（入口からの距離）
（m）
12
14
各機器の状態
（出入口温度，交換熱量など）
（c）計算結果画面
富士時報 6OL.O
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
ÏgôÕh庫内熱交換器各配管部}右庫室~Ýä温度変化
Áß¼Áh収束判定Ĉ行ÙÕg以上ä 3 条件Â一致ÏĂæh
áÚºÜ測定結果Þ計算結果ä比較Ĉ図 5 á示ÏgÉĂÿ
ĞčĘŔåĹŒŜĢ状態á¸āÞ判断ÍÜ計算Ĉ終了Ïā
ä温度変化áÚºÜø測定結果Þ計算結果åþÅ一致ÍÜ
gÍÁÍh一致Íàº
}図 2 äĞčĘŔĹŒŜĢ収束判定~
場合áåĞčĘŔÂĹŒŜĢÏāþ¼á初期設定値Ĉ自動
ÀĀh本ĠňŎŕsĠŐŜÂ自動販売機ä冷却性能把握á
活用ÝÃāÉÞÂ確認ËĂÕg
的á変更ÍÜ繰Ā返Í計算Ĉ行ÙÕgĞčĘŔĈĹŒŜĢ
ËÑāÕ÷ä初期設定値ä変更方法áå 3 変数ĴŎsıŜ
あとがき
法Ĉ用ºÜºāgÉä方法åh収束判定条件}3 条件~á
関Íh初期設定値Þä誤差Â最ø小ËÅàāþ¼á設定変
自動販売機用冷凍機設計ĭsŔ}図 6~ÞÍÜ各機器Ĉ
更Ĉ行¼方法ݸĀh少àº計算回数ÝĞčĘŔĹŒŜĢ
組õ合ąÑÜ定常運転Ýä冷凍機性能Ĉ計算Ïā冷凍Ğč
点Ĉ求÷āÉÞÂÝÃāg
ĘŔĠňŎŕsĨĈ開発ÍÕg評価結果Þ計算結果åñò
一致Íh自動販売機用冷凍機ä性能予測h冷媒封入量h内
計算結果
部熱交換器àßä検討Â計算áþÙÜ可能ÞàÙÕg今後
Þøh新Õà冷凍回路ú他冷媒îä対応áþĀ機能拡張Ĉ
冷凍ĞčĘŔ計算結果ä例ÞÍÜ CO2 冷媒用čŜĹs
行ÙܺÅ所存ݸāg
Ĩ圧縮機Ĉ用ºÕ 30 ĤŕĘĠŐŜ}販売商品種類~
j3 庫
室ä自動販売機Ĉ対象ÞÍÜ冷凍機温度測定結果Þ計算結
参考文献
果ä比較Ĉ行ÙÕg表 3 á比較結果Ĉ示Ïg各冷凍機器Ý
林倹一ñÁi自動販売機冷却ŏĴĬıäĠňŎŕsĠŐŜ
（ 1）
ä入口j出口温度ä最大誤差åh約＋
− 10 % 内ä精度Ý測
評価i平成 7 年度日本冷凍協会学術講演会講演論文集i1995,
定結果Þñò一致ÍÕgÉä際ä庫外熱交換器各配管部Ý
p.133-136.
ä温度変化áÚºÜ測定結果Þ計算結果ä比較Ĉ図 4 á示
（ 41 ）
特 集
ÁhôÕh冷媒循環量Â圧縮機 1 段目Þ 2 段目Ý一致Ïā
富士時報 6OL.O
汎用インバータの熱冷却解析技術
特 集
山本 勉}úôøÞeÚÞö~
鳩崎 芳久}åÞÌÃeþÍèË~
まえがき
図
汎用インバータの外観
図
パワーモジュールの冷却構造
汎用čŜĹsĨåľĊŜhņŜŀä省đĶŔės運転ú
産業分野ä機械設備ä自動化h省力化àßá幅広Å適用Ë
ĂÜÀĀhÓä普及á合ąÑh装置ä小型j軽量化ú高機
能j高性能化Â年々進÷ÿĂܺāgčŜĹsĨ装置ä体
格ú信頼性Ĉ決定ÛÇā要素技術ä一Úá冷却技術¸ā
Âh特á近年ä装置á対Ïā小型化j低ĜĢı化îä要求
ä高ôĀĈ受Çh冷却設計áÀºÜø限界設計h最適設計
Â望ôĂܺāgÉĂÿä要求Ĉ満ÕÏÕ÷h現在h冷却
設計ä初期段階Áÿ熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ適用Íh
þĀ詳細ÁÚ定量的à温度評価Ĉ行¼ÉÞÝh開発期間ä
短縮ú性能向上Ĉ図ă¼ÞÏā取組õÂ推Í進÷ÿĂܺ
āg
Ó É Ý 本 稿 Ý åh 汎 用 č Ŝ Ĺ s Ĩ á À Ç ā ĺ Ř s ŋ
ġŎsŔ冷却設計Ĉ対象ÞÍÕ熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技
術ä適用事例áÚºÜ述ïāg
冷却フィン
パワーモジュールの冷却
冷却風の流れ
冷
却
体
フィンベース
汎用čŜĹsĨä外観Ĉ図 1 á示Ïg装置内部ä主回路
åh商用電源Ĉ直流á変換ÏāĜŜĹsĨ部Þh直流Ĉ任
金属ベース板
意ä電圧j周波数ä交流á変換ÏāčŜĹsĨ部áþĀ構
パ
ワ
ー
モ
ジ
ュ
ー
ル
成ËĂāgĜŜĹsĨ部áåĩčēsIJ素子ÂhčŜĹs
Ĩ部áå IGBT}Insulated Gate Bipolar Transistor~素子
Â用ºÿĂhÉĂÿä素子áþĀĺŘsŋġŎsŔÂ構
成ËĂܺāg一般áhčŜĹsĨ装置ä電力変換効率å
絶縁基板
ダイオード
チップ
IGBT チップ
95 % 程度ݸĀh約 5 % ä電気đĶŔėså熱ÞÍÜ放
散ËĂāgÓäÕ÷h内部ĠœĜŜĪĬŀä接合温度Ĉ保
証温度以下á抑¾āÕ÷áhĺŘsŋġŎsŔáå適切à
冷却Â必要Þàāg
汎用čŜĹsĨáÀÇā一般的àĺŘsŋġŎsŔä冷
却構造Ĉ図 2 á示Ïg冷却方式ÞÍÜåh適用ŋsĨ出力
1.5 kW 程度ôÝäčŜĹsĨÝå自然対流áþā自冷方
Üåh小容量čŜĹsĨÝåċŔňĩčĔĢıľČŜúÁ
式Ĉ採用ÏāÉÞÂ多ÅhÓĂ以上ä容量äčŜĹsĨÝ
Í÷ľČŜh中容量以上äčŜĹsĨÝåÅÍ形ľČŜú
å冷却ľĊŜĈ用ºÕ風冷方式Â採用ËĂāg冷却体ÞÍ
格子状äĿŕsġŜęľČŜĈ適用ÏāÉÞÂ多ºg
山本 勉
熱流体解析技術ä開発h装置ä冷
可変速駆動装置ä開発j設計á従
却設計á従事g現在h富士電機ċ
事g現在h富士電機機器制御株式
IJĹŜĢıįĘķŖġs株式会社
会社生産本部ĠĢįʼn機器事業部
生産技術ĤŜĨsĠňŎŕsĠŐ
čŜĹsĨ開発生産ĤŜĨs構造
Ŝ/熱解析技術部g日本機械学会
設計部長g
会員h日本伝熱学会会員g
（ 42 ）
鳩崎 芳久
富士時報 6OL.O
汎用インバータの熱冷却解析技術
á示Ïg自冷ľČŜáÀºÜåhľČŜ間ä空気温度上
昇á起因Ïā自然対流Ý放熱Â行ąĂāgÓä際hľČŜ
熱流体シミュレーションの概要
ĺŘsŋġŎsŔ内部Ýåh主áĪĬŀú回路ĺĨsŜ
ĀhľČŜ効率向上Ĉ目的áľČŜ厚ËĈ厚ÅÍÕĀÏā
Â発熱源Þàāg発生損失å素子ä特性Þ電気的運転条件
Þh流路断面積ä減少áþĀ流動抵抗Â増大Íh冷却風量
áþĀ決定ÛÇÿĂāÂh¸ā損失条件áÀÇāĪĬŀ温
ä減少h被冷却部品ä温度上昇Ĉ招ÅÉÞ¸āgËÿáh
（ 1）
度åh冷却体ä放熱性能ú冷却風量á左右ËĂāg汎用č
必要à放熱表面積ä確保Ĉ目的áľČŜ高ËĈ増ÏÞh装
ŜĹsĨä熱流体ĠňŎŕsĠŐŜÝåhĺŘsŋġŎs
置容積ú冷却体質量Â増大ÏāàßhÉĂÿ設計ĺŒŊs
ŔÞ冷却体h冷却風流ĂĈ数値解析ä対象ÞÍh部品内部
Ĩä間áåh冷却性能ú製造ĜĢıä面Ý相互áıŕsIJ
ä熱伝導ÞhľČŜ表面Áÿä対流熱伝達h放射伝熱Ĉ流
ēľä関係¸āgÓÉÝ今回åh熱流体ĠňŎŕsĠŐ
体ä基礎方程式Þ¸ąÑÜ計算ÏāgÓĂáþĀh各部ä
Ŝ技術Ĉ用ºÜhĩčĔĢıľČŜä各設計ĺŒŊsĨä
温度分布ú風速分布Ĉ算出ÍhĪĬŀ温度Ĉ予測Ïāg
最適化検討Ĉ実施ÏāÞÞøáh試作ľČŜáþā温度試
験áÜhÓä冷却性能ä検証Ĉ行ÙÕgÓä代表例ÞÍÜh
自冷用ダイカストフィンの熱流体シミュレー
検討ÍÕ事例Ĉ以下á示Ïg
ション
.
ľČŜĽĬĪÂĺŘsŋġŎsŔ冷却性能á及òÏ影響Ĉ
ダイカストフィン
.
解析モデル
ċŔňĩčĔĢı製法å複雑à形状ÁÚ寸法精度ä高º
図 4 á検証試験Ĉ実施ÍÕ冷却体ä形状Ĉ示ÏgľČŜ
製品ä製作Â可能ݸĀh小容量čŜĹsĨä冷却体製造
部å幅Àþé長Ëh高ËĈ一定値á固定ÍÕôôhľČŜ
手法ÞÍÜ適用ËĂāÉÞÂ多ºgĩčĔĢı製法áþā
ĽĬĪ}ľČŜ枚数~Ĉ変更ÍÜ 3 ĺĨsŜ製作ÍÕg冷
冷却体設計áÀºÜåh熱流体ĠňŎŕsĠŐŜáþā冷
却体äłsĢ面áå熱源ÞÍÜĻsĨÂ取Ā付ÇÿĂÜÀ
却性能検討Þ鋳造ĠňŎŕsĠŐŜáþā湯流Ă凝固検討
ĀhľČŜ表面Áÿä自然対流áÜ放熱Â行ąĂāg試作
ä両ċŀŖsĪáþĀh冷却性能Â高ÅhÁÚ湯回Ā不良
ľČŜĈ対象ÞÍÕ熱流体ĠňŎŕsĠŐŜáå汎用熱流
ú引Ç巣àßä欠陥発生ä可能性Â低ºľČŜ形状ä検討
体解析ĦľıďĐċ STAR-CD Ĉ用ºh浮力Ĉ考慮ÍÕ
Â行ąĂܺāgÉÉÝåh熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技術
自然対流場ä熱流Ă計算Ĉ行ÙÕg
ƒ注„
Ĉ適用ÍÜh自冷用ĩčĔĢıľČŜä小型化Þ冷却性能
.
改善Ĉ図ÙÕ事例Ĉ紹介Ïāg
解析結果
図 5 áľČŜĽĬĪÞ熱抵抗ä関係Ĉ示ÏgąÐÁàÂ
.
自冷用ダイカストフィンの冷却設計
ÿø周囲断熱材îä熱ä逃ÈÂ存在Ïā試験結果äñ¼Â
ĩčĔĢıľČŜáÀÇā主à熱設計ĺŒŊsĨĈ図 3
若干熱抵抗Â小˺øääh試験結果h解析結果Þøáh
熱抵抗åñò同一ä極小値Ĉ示ÍܺāgÉäÉÞÁÿh
熱流体ĠňŎŕsĠŐŜáÜ自冷ľČŜä最適形状検討Â
図
可能ݸāÉÞÂ分Áāg図 6 áåhĠňŎŕsĠŐŜá
ダイカストフィンの熱設計パラメータ
Ü各種設計ĺŒŊsĨä最適化検討Ĉ行ÙÕ自冷用ĩčĔ
ベース厚さ
フィン高さ
ĢıľČŜĈ示ÏgľČŜ厚ËĈ薄ÅÍÜ流動抵抗Ĉ低減
フィン厚さ
ƒ注„STAR-CDkCD-adapco Group ä登録商標
フィンピッチ
（フィン枚数）
図
温度試験用冷却体
フィン長さ
冷却体
パワー
モジュール
取付け面
フィン部
上昇気流の流れ
ベース部
ヒータブロック
（a）フィン：6 枚
（b）フィン：7 枚
（c）フィン：8 枚
（ 43 ）
特 集
枚数}表面積~増加Ĉ目的áľČŜĽĬĪĈ小ËÅÍÕ
富士時報 6OL.O
汎用インバータの熱冷却解析技術
Ïāàßä対策Ĉ行ºh従来製品ÝäĩčĔĢıľČŜá
速−圧力損失特性ĈĩĿŔĪŌŜĹ方式ä風洞装置Ĉ用º
比較ÍÜh平均Ý 30 % 以上ä質量低減Ĉ実現Íܺāg
Ü測定ÍhÓä損失特性Ĉ流ĂĠňŎŕsĠŐŜáÀÇā
特 集
内部参照İsĨÞÍÜ組õ込ĉÖgÓĂáþĀh幾何形状
Ĉ大幅á簡略化ÍàÂÿøh実用的à精度Ý風量j温度ä
風冷フィンの熱流体シミュレーション
予測Â可能àĠňŎŕsĠŐŜŋİŔĈ構築ÍÕg以下áh
.
風冷方式における冷却設計
本手法Ĉ用ºÕ大容量čŜĹsĨäĺŘsŋġŎsŔ温度
風冷方式Ĉ採用ÏāčŜĹsĨä冷却設計áÀºÜåh
予測Þ冷却改善ä事例Ĉ紹介Ïāg
装置ä小型化j低ĜĢı化Ĉ図āÞÞøáh筐体}Ãý¼
Õº~内部îä粉Îĉ侵入Ĉ抑制Ïā目的Áÿøh圧力損
.
解析モデル
失低減áþāľĊŜäĩďŜĞčġŜęÂ重要àņčŜı
解析対象å大容量čŜĹsĨä冷却ŏĴĬıĈ模擬Í
ä一ÚÞàÙܺāg
Õ温度試験用筐体ݸĀhIGBT ŋġŎsŔÞĩčēsIJ
風冷方式ä冷却設計Ýåh装置ä通風抵抗ÞľĊŜ特性
ŋġŎsŔá相当ÏāĻsĨĿŖĬĘÂ冷却体äłsĢ面
Áÿ決定ËĂāĹŒŜĢ風量Ĉ正確á予測ÏāÉÞÂ重
上á配置ËĂܺāg各ĻsĨĿŖĬĘÁÿ発生ÍÕ熱åh
要ݸāgÉäĹŒŜĢ風量åh冷却ľČŜú筐体通風Ģ
冷却体Ĉ経ÜhľĊŜáþĀ誘起ËĂā冷却風流ĂáþĀh
œĬıhľĊŜĕčIJàßä内部流路ä幾何形状Ĉ忠実á
ľČŜ表面Áÿ外気î放散ËĂāg図 7 á解析ŋİŔĈ示
再現Íh流Ă場äĠňŎŕsĠŐŜĈ行¼ÉÞÝh¸ā程
Ïg流Ă解析áÀºÜh冷却ľČŜÞ筐体通風ĢœĬıä
度ä精度Ý予測ÏāÉÞÂ可能ݸāgÍÁÍàÂÿhÓ
圧力損失å風速ä関数ÞÍÜ定義ËĂhŋİŔ形状ä簡略
äŋİœŜęÞ計算á多大à時間Ĉ要ÏāÉÞÁÿhĠ
化Ĉ可能ÞÏāÞÞøáh要素分割数ä不足áþā解析誤
ňŎŕsĠŐŜáþā風量算定åh設計上流段階Ýä複数
差ä増大Ĉ抑制ÍܺāgàÀh計算対象ÞÍÕčŜĹs
構造案ä比較Ĉ行¼áå不向ÃݸāÞº¾āg
Ĩ装置ÝåhľČŜ間流ĂäŕčķŔģ数 1,500 前後Ý
ÉĂÿ課題Ĉ克服ÏāÕ÷hčŜĹsĨ装置内ä主要圧
¸āÕ÷h流Ă解析å層流条件áÜ実施ÍÕg
力損失源ݸā冷却ľČŜÞ筐体通風ĢœĬıáÀÇā風
.
シミュレーション結果
温度分布ä解析結果Ĉ 図 8 á示Ïg冷却風量Àþé各
図
ĻsĨĿŖĬĘ取付Ç面ä温度上昇値äh実測値Þ解析値
フィンピッチと熱抵抗の関係
ä差異å 15 % 以内ݸĀh圧力損失算定á実測İsĨĈ
熱抵抗（K/W）
4
組õ込ĉÖ本簡易ŋİŔÂčŜĹsĨ風冷ľČŜä性能予
：解析値
：実測値
3
測ĭsŔÞÍÜ活用ÝÃāÉÞÂ確認ËĂÕg
2
フィン：8 枚
.
7枚
6枚
パワーモジュールの配置の影響
図 8 á示ÏŋġŎsŔ配置ä場合hIGBT ŋġŎsŔä
1
取付Ç面Þ下流側ĩčēsIJŋġŎsŔä取付Ç面áÀ
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
フィンピッチ / フィン長さ
0.05
0.06
ºÜľČŜłsĢ上ä温度ɼ配Â特á大ÃÅàĀhŋ
ġŎsŔ温度ø高ÅàāgÓÉÝ改善案ÞÍÜhĩčēs
図
図
解析モデル
自冷用ダイカストフィン
冷却風流出方向
冷却風流出部
冷却ファン
フィンベース
IGBT ヒータ
ダイオードヒータ
コンデンサ
吸気スリット
（底面，側面，背面）
（ 44 ）
富士時報 6OL.O
図
汎用インバータの熱冷却解析技術
冷却体の温度分布図（初期配置）
冷却体の温度分布図（改良案）
ダイオード取付け面
103.6 ℃
IGBT 取付け面
114.0 ℃
温度（℃）
IGBT 取付け面
111. 2 ℃
特 集
ダイオード取付け面
109.3 ℃
図
温度（℃）
115.0
115.0
92.5
92.5
70.0
70.0
冷却風の流れ方向
冷却風の流れ方向
IJŋġŎsŔä配置Ĉ冷却風流Ă方向á対ÍÜÐÿÏÞÞ
øáh各ŋġŎsŔ間ä距離Ĉ広ÈÕ場合ä温度分布Ĉ図
あとがき
9 á示Ïg初期構造Þ比較ÍÜhºÐĂäŋġŎsŔä取
付Ç面温度ø低減ËĂÜÀĀh同一ä冷却体Ĉ用ºÕ場合
熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ汎用čŜĹsĨäĺŘs
ÝøhľČŜłsĢ上Ýä配置適正化áþĀhŋġŎsŔ
ŋġŎsŔ冷却設計á適用Íh構造ä最適化Ĉ図ÙÕ事例
ä温度低減Â可能ݸāÉÞÂ分Áāg
áÚºÜ述ïÕg今後å検討対象Ĉ基板上ä実装部品áô
特á大容量čŜĹsĨä場合h試作品ä製作Þ温度試験
Ý拡張ÍhčŜĹsĨ装置ÞÍÜä熱設計技術Ĉ確立ÍÜ
áå多大àĜĢıÞ時間Ĉ要ÏāÂh本事例Â示Ïþ¼áh
ºÅ所存ݸāg
熱流体ĠňŎŕsĠŐŜ技術ä適用áþĀhþĀ冷却性能
ä高º装置Ĉ少àº試作回数Ý開発ÏāÉÞÂ可能ÞàÙ
ÜÃܺāg
参考文献
日本機械学会i伝熱工学資料}改定第 4 版~
i1986.
（ 1）
（ 45 ）
富士時報 6OL.O
化学反応を伴う流れ解析技術
特 集
榎並 義晶}¾àõeþ͸Ã~
金子 公寿}ÁãÉeÃõèË~
松本 悟史}ôÚøÞeËÞÍ~
まえがき
図
枚葉式エッチングプロセスの概略形状
z
化学反応Ĉ伴¼流Ă解析å半導体製造装置h燃焼装置h
化学反応装置ÞºÙÕ分野Ý重要à技術ݸāg数値解析
ÝÉä問題Ĉ扱¼際áåh通常ä流Ă解析áÀÇā質量j
φd
運動量jđĶŔėsä保存式以外á化学種ä保存式Ĉ解Å
必要¸āgÉäÕ÷化学反応Ĉ伴¼流Ăä数値解析Ýåh
エッチング液
þĀ多Åä計算時間Â必要Þàāg
比較的単純à化学反応Ýh一Úä化学種ä濃度áþĀ全
r
体ä反応速度Â決ôā場合áåhÓä化学種ÖÇä保存式
Ĉ解ÅÉÞÝ計算時間Ĉ短縮ÏāÉÞÂÝÃāg
多Åä素反応Â関与Ïā複雑à化学反応Ĉ扱¼場合áåh
重要à素反応ĈÏïÜ考慮ÍÜ化学種ä保存式Ĉ解ÁàÇ
Ăæàÿàºg近年äĜŜĽŎsĨ能力ä向上á伴ÙÜh
Si＋4HNO3 SiO2＋4NO2＋2H2O xxxxxxxx（ 1）
実用的à反応装置Ĉ対象ÞÍÜ複雑à化学反応Ĉ伴¼流Ă
SiO2＋6HF H2SiF6＋2H2O xxxxxxxxxx（ 2）
解析ÂÝÃāþ¼áàĀÚÚ¸āg
高濃度 HF ÁÚ低濃度 HNO3 条件ÝåhđĬĪŜę速度
本稿Ýåh比較的簡単à化学反応ä例ÞÍÜ半導体äď
åhHNO3 ä濃度á大ÃÅ依存Ïāg
đĬıđĬĪŜę}以下hđĬĪŜęÞº¼~Ĉh複雑à
đĬĪŜęá関Ïā研究ÝåhďĐsĸ表面粗ËáÚº
化学反応ä例ÞÍÜņœĠœĜŜ CVD}Chemical Vapor
ÜäňĘŖ的à検討ÂËĂܺāÂh全体ä形状áÚºÜ
Deposition~炉ĈÓĂÔĂ対象ÞÍÕ解析事例Ĉ紹介Ïāg
å検討ÂËĂܺàºgôÕh枚葉式äþ¼á液ÂďĐs
ĸ上î噴射ËĂ自由表面Ý放射状á流Ăā現象Ýåh別ä
（ 2）
目的Ý衝突噴流ÞÍÜhWatson áþÙÜ解析解Â得ÿĂ
自由表面流と反応
ÕgÍÁÍh半径位置Ý流Ăä状態Â変化ÏāÕ÷h広範
.
概 要
囲à条件Ýä評価Â困難ݸāgÓÉÝh自由表面Ĉ伴¼
半導体製造分野ÝđĬĪŜęå配線ĺĨsŜ製作h成膜
流ĂáÚºÜhđĬĪŜę速度Ĉ数値解析手法Ý評価Ïā
ÍÕ不必要部分ä除去àßá用ºÿĂāgôÕhĩŊsġ
手法Ĉ開発ÍÕg
ŕĢݸāÉÞĈ利用Íh半導体ĠœĜŜďĐsĸä薄加
工àßáø用ºÿĂܺāgÉäŀŖĤĢáåhĹĬĪ式
.
解析モデル
Àþé枚葉式ä方法Â用ºÿĂܺāÂh用途áþÙÜ最
数値解析ĈÏā¼¾ÝhđĬĪŜę速度å Schwartz ÿ
適àŀŖĤĢÂ選択ËĂāgºÐĂä方法Ýø液ä流Ăá
ä結果Áÿ HNO3 濃度á影響ÏāÞÍh表面反応速度åÃ
þÙÜ反応Â左右ËĂā方法ݸāg本解析åh枚葉式ä
ą÷Ü速Å HNO3 Â表面Ý消費ËĂāÞÍÕgÓä化学
đĬĪŜęŀŖĤĢ}図 1~Ĉ用ºÕďĐsĸ平坦}îº
種 HNO3 Ĉ濃度輸送方程式ÞÍÜ流体計算中Ý考慮ÍÕg
（ 1）
Õĉ~化ŀŖĤĢá着目ÍÜ評価Íܺāg
ËÿáhđĬĪŜę液ÂďĐsĸ上Ĉ自由表面Ý流ĂāÕ
（ 1）
đ Ĭ Ī Ŝ ę á 関 Í Ü Schwartz ÿ ä 研 究 ÝhHNO3 Þ
÷h液体Þ気体Þä境界面Ĉ VOF}Volume of Fluid~法
HF Ĉ基本ÞÍÕ Si đĬĪŜęåh以下äþ¼à総括反
áþĀ考慮ÍÕg
応式áàāg
（ 46 ）
榎並 義晶
金子 公寿
松本 悟史
固体高分子形燃料電池ä開発á従
生産技術á関Ïā CAE 技術開発
熱j流Ă解析業務á従事g現在h
事g現在h富士電機ċIJĹŜĢı
á従事g現在h富士電機ċIJĹŜ
富士電機ċIJĹŜĢıįĘķŖ
įĘķŖġs株式会社生産技術Ĥ
ĢıįĘķŖġs株式会社生産技
ġs株式会社生産技術ĤŜĨs
ŜĨsĠňŎŕsĠŐŜ/熱解析
術ĤŜĨsĠňŎŕsĠŐŜ/熱
ĠňŎŕsĠŐŜ/熱解析技術部g
技術部g電気学会会員g
解析技術部g日本機械学会会員g
工学博士g化学工学会会員g
富士時報 6OL.O
図
化学反応を伴う流れ解析技術
液流れと流速分布
図
CVD 炉（縦断面図）
高
低
特 集
内筒
モデル化範囲
Si 基板
（165 枚）
図
エッチング速度計算結果
流入口
1.6
流出口
エッチング速度（ m/s）
1.4
1.2
1.0
Õh現象ä実験áþā詳細à観測Â困難ݸāÕ÷h数値
計算値
解析áþā検証Â重要ݸāÂhÉä現象å化学反応äñ
0.8
Áh炉内äĕĢä流Ăáþā影響ø伴¼Õ÷hÉĂÿĈ考
0.6
実測値
慮ÍÕ熱j流ĂÀþé化学反応ä連成解析Â必要Þàāg
0.4
0.2
章ÝåņœĠœĜŜ CVD 炉内Ĉ想定ÍÕ二次元軸対
称ŋİŔĈ作成ÍhĕĢ相j表面化学反応Ĉ伴¼熱j流Ă
0
0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
無次元半径 r /d
解析Ĉ行ºh解析結果ä表面成膜速度Ĉ実測値Þ比較Ïāg
.
支配方程式
本解析Ýå質量保存式hNavier-Stokes ä式hđĶŔ
.
結 果
ės保存式hÀþé化学種濃度ä保存式Ĉ使用Ïāgô
（ 1）
図 2 á自由表面解析Ýä流Ăä様子}液体部分~Ĉ示Ïg
ä形Ý表ËĂāg式
Õh化学反応式 J ä反応速度 QJ å式
（ 3）
ôÕh図中ä濃淡å流速値Ĉ示ÍܺāgďĐsĸ中心部
中ä CI å化学種 I äŋŔ濃度hKf Àþé Kr åÀäÀä順
分åhķģŔÁÿ噴射ÍÕ液ä衝突áþā慣性力áþÙÜ
’
方向Àþé逆方向ä反応速度定数Ĉ表Íhα’
IJ Àþéα’
IJ
液膜厚Ëå薄Å放射状á広ÂĀh半径ä増大á伴º流Ăä
áå多Åä場合h反応式 J áÀÇā化学種 I ä化学量論係
åÅ離áþÙÜh急激á液膜Â厚Åàā跳水現象Â発生Íh
数Â使用ËĂāg¼×反応速度定数å基本的á Arrhenius
流速Â減少ÏāgđĬĪŜęáþā表面反応åh流Ăá大
‚á従¼g
ä式式
（ 4）
ÃÅ影響Ĉ受ÇāÕ÷hÉä現象áþÙÜđĬĪŜę速度
ÉÉÝ ! å頻度因子h%a å活性化đĶŔėsh0 å圧
Â変化ÏāgÍÕÂÙÜhđĬĪŜę速度ä評価áåh流
力h0atm å大気圧h2 å気体定数h4 å温度ݸāg解析
Ăä状態Ĉ把握ÏāÉÞÂ非常á重要ݸāg
ĦľıďĐċîå !hNh%a ä 3 種äĺŒŊsĨĈ入力Ï
図 3 áđĬĪŜę速度ä計算値Þ実験値Ĉ示Ïg横軸å
āgôÕ一部ä表面反応速度áåhArrhenius ä式ä代ą
ďĐsĸä半径 R ĈķģŔ直径 D Ý基準化Íh縦軸åđĬ
Āá付着確率Ĉ用ºāøäÞÏāg
ĪŜę速度ݸāgđĬĪŜę速度åďĐsĸ中心部Ý
.sp
.sp
α
α
高Åh半径ä増加ÞÞøá減少Ïāg跳水ä発生Íܺ
QJ ＝
（Kf）
C IJ −
（Kr）
C IJ xxxxxxxxxxx（ 3）
JΠ I
JΠ I
I＝1
I＝1
ā R/D＞5 Ýåhñò一定äđĬĪŜę速度áàÙÜÀĀh
Kf ＝ !4 }0/0atm~ exp}−%a/24 ~ xxxxxxx（ 4）
N
M
実験Þ計算åñò同様à傾向áàāg本手法áþÙÜh条
件Ĉ変¾Õ場合ÝäđĬĪŜę速度評価Â可能ÞàĀh平
坦化äÕ÷ä条件øĠňŎŕsĠŐŜÝ事前検討Â可能á
àÙÕg
.
解析モデル
図 4 á解析対象ݸāņœĠœĜŜ CVD 炉Ĉ示Ïg石
英製ä二重円筒内á合計 165 枚ä Si 基板Â設置ËĂÜ
ÀĀh内筒内側最下面ä穴Áÿ SiH4 Ĉ含ö気体Â流入
ポリシリコン CVD 炉の解析
Íh基板表面á付着ÍÚÚ上昇ÍܺÅg図 5 áÉĂĈ基
á作成ÍÕ解析ŋİŔĈ示Ïg計算負荷ä軽減äÕ÷hSi
.
概 要
基板Â 5 枚積層ËĂÕ状態Ĉ想定Íh軸対称ŋİŔÞÏ
ņœĠœĜŜ CVD 炉Ýå炉内á設置ËĂÕ Si 基板表
āg下側外周部Áÿ SiH4 Ĉ 92 % 含ö気体Ĉ流入ËÑh上
面áh化学反応áþÙÜ Si Ĉ析出ËÑܺāgÉä表面
側外周部Áÿ流出ËÑāg流入口ä上流側Àþé流出口ä
膜厚ä一様性åh半導体製品ä品質管理上重要ݸāgô
下流側áåh流ĂÀþéĕĢ相化学反応ä安定化Ĉ図āÕ
（ 47 ）
富士時報 6OL.O
化学反応を伴う流れ解析技術
H3SiSiH＋M＝Si＋SiH4＋M xxxxxxxxxxx（13）
厚Ë方向ä熱伝達Ĉ考慮Ïāg
Si＋Si2H6＝SiH2＋H3SiSiH xxxxxxxxxxxx（14）
化学反応å内部ĕĢ相Àþé Si 基板表面h外周部境界
SiH4＋2Si}S~2SiH}S~
＋Si}B~
＋H2
v
áÉ
表面}炉内内筒内表面~Ý行¼øäÞÏāg式
（22）
（ 5）
Si2H6＋2Si}S~2SiH}S~
＋2Si}B~
＋2H2 xxx（16）
ä解析Ý使用ÍÕ化学反応式Ĉ示Ïg式中ä M å第三体
Si3H8＋2Si}S~2SiH}S~
＋3Si}B~
＋3H2 xxx（17）
}任意ä化学種~
h
}S~Àþé}B~åÀäÀä表面Ğčı
2SiH}S~2Si}S~
＋H2 xxxxxxxxxxx（18）
xxxx（15）
v
ÂĕĢ相h式
v
ÀþéĹŔĘ種Ĉ意味Ïāg式
（15）
（14）
（22）
（ 5）
SiH2 Si}B~
＋H2 xxxxxxxxxxxxxx（19）
Â表面áÀÇā化学反応ݸāgĕĢ相反応åÏïÜ可逆
Si Si}B~ xxxxxxxxxxxxxxxxx（20）
反応ÞÏāgĕĢ相化学種å SiH4 ä化学反応Ý生成ËĂ
Si2H4 2Si}B~＋2H2 xxxxxxxxxxxxx（21）
ā 7 種áhH2 Þ N2 Ĉ加¾Õ合計 9 種Ĉ考慮Íh表面Ğč
H3SiSiH 2Si}B~
＋2H2 xxxxxxxxxxxx（22）
ı種å Si}S~Àþé SiH}S~ä 2 種Ĉ考慮Ïāg解析
ƒ注„
áå熱j流Ă解析ĦľıďĐċ CFD-ACE + Ĉ用ºh定
.
解析結果および考察
常計算ÞÏāg
図 6 á速度łĘıŔĈ示ÏgÉä図Ýå助走区間Ĉ表示
SiH4＋M＝SiH2＋H2＋M xxxxxxxxxxxx（ 5）
上省略ÍܺāgÉĂáþĀ流入口Áÿ入ÙÕĕĢåh周
Si2H6＋M＝SiH4＋SiH2＋M xxxxxxxxxxx（ 6）
辺部ĈñòÓäôôôÙÏÆ上昇Íh流出口Áÿ出ÜÀĀh
Si2H6＋M＝H3SiSiH＋H2＋M
xxxxxxxxxx（ 7）
ÊÅ一部Â拡散áþÙÜ基板間ä空間á入ÙܺāÉÞÂ
Si3H8＋M＝SiH2＋Si2H6＋M xxxxxxxxxxx（ 8）
分ÁāgôÕ解析領域ä大部分Ý SiH4 濃度Â反応ĕĢä
Si3H8＋M＝H3SiSiH＋SiH4＋M xxxxxxxxxx（ 9）
99 % 以上Ĉ占÷hĕĢ相Àþé表面化学反応á寄与ÍÜ
H3SiSiH＋M＝Si2H4＋M xxxxxxxxxxxxx（10）
ºāäå流入量äÊÅ一部ݸāg
H3SiSiH＋H2＝SiH2＋SiH4 xxxxxxxxxxxx（11）
H3SiSiH＋SiH4＝Si2H6＋SiH2 xxxxxxxxxxx（12）
図
成膜速度分布
0.50
ƒ注„CFD-ACE+kESI GROUP ä登録商標
解析結果
0.45
解析モデル
Si 成膜速度（Å/s）
図
流出口
助走区間
中心軸
実測結果
0.40
0.35
0.30
0.25
0
10
20
助走区間
30
40
50
60
70
径方向座標（mm）
Si 基板（5 枚）
流入口
図
相対成膜速度分布
1.2
図
速度ベクトル
1.1
解析結果
速度（m/s）
4.716
4.5
4
3.5
3
2.5
Si 相対成膜速度
特 集
÷ä助走区間Ĉ設ÇāgSi 基板å厚õäàº板要素Ĉ用ºh
1.0
実測結果
0.9
0.8
2
0.7
1.5
1
0.6
0.5
0
（ 48 ）
0
0
10
20
30
40
径方向座標（mm）
50
60
70
富士時報 6OL.O
図
化学反応を伴う流れ解析技術
図
基板別成膜速度分布
á Si 成膜速度ä各化学種Áÿä寄与Ĉ示ÏgàÀh
Éä図å各化学種ä成膜速度Ĉ積層ÍÕ形Ý表ËĂÜÀĀh
ęŒľ上á表記ÍÕ場合目視Ý確認ÝÃàÅàāþ¼à極
端á少àº化学種Áÿä寄与Ĉ表示上削除Íܺāg基板
Si 成膜速度（Å/s）
0.44
内全域áÀºÜh原料ĕĢݸā SiH4 Áÿä成膜Â全体
ä 99 % 以上Ĉ占÷h次ºÝ反応性á富ö SiH2hH3SiSiH
0.43
Áÿä成膜Â多ºgôÕ SiH4 ä成膜速度分布å付着確率
0.42
 10 −6 Þ小˺äÝ基板内Ýñò一様ݸĀhSiH2 ú
0.41
ºāg全体的à成膜速度分布á見ÿĂÕ凹形ä傾向åh後
H3SiSiH å付着確率 1 Þ大úäÝ凹形ä分布Ĉ示ÍÜ
者ä影響áþāøäÞº¾āgÉÉÝ見ÿĂā SiH2 Àþ
0.40
１枚目
2 枚目
3 枚目
é H3SiSiH Áÿä成膜速度ä分布åh外周部äĽsĘå助
4 枚目
走区間Àþé基板外周部ä流路Ĉ流Ăā過程ÝĕĢ相反
応áþÙÜ生成ËĂÕ SiH2 Àþé H3SiSiH ÂhÉä領域
図
ÝñòÏïÜ表面á付着ÍÕøäh中心ä平ÿà分布å
化学種別成膜速度分布
基板ÏÃôÝĕĢ相反応áþÙÜ生成ËĂÕ SiH2 Àþé
H3SiSiH ä付着áþāøäÞ考¾ÿĂāg
0.452
0.450
Si
Si3H8
Si2H4
Si 成膜速度（Å/s）
0.448
0.446
0.444
0.442
あとがき
Si2H6
ņœĠœĜŜ CVD 炉Ĉ対象ÞÍÕ前述ä解析Ýå値j
H3SiSiH
傾向Þøá実測結果Þ一致Ïā結果Â得ÿĂh化学反応j
熱j流Ă解析Â同炉内ä状況Ĉ再現Ïāäá有効ݸāÉ
0.440
ÞÂ分ÁÙÕg今後ä課題ÞÍÜ Si 基板内j基板間ä成
0.438
膜量}速度~ä一様性Ĉ高÷ā炉形状Ĉ解析Ý導出ÏāÉ
SiH2
0.436
0.432
ÞhÀþéÉä解析Ý得ÿĂÕ化学反応解析äķďĸďĈ
SiH4
0.434
利用ÍÜ他ä化学種á対Ïā CVD 解析Ĉ実施ÏāÉÞÂ
0
10
20
30
40
50
60
70
径方向座標（mm）
挙ÈÿĂāg
今回紹介ÍÕ二Úä事例Ýåh反応Ĉ伴¼流Ă解析Ĉ活
用ÏāÉÞÝđĬĪŜęŕsıú製膜速度ä均一化Ĉ実現
ÏāÕ÷ä有用à情報Â得ÿĂÕg半導体分野áÞßôÿ
ôÕh 図 7 Àþé 図 8 á Si 基板上面áÀÇā Si ä成膜
Ðh今後øɼÍÕ解析技術ä応用Ĉ推進Íh製品ä品質
（ 3）
速度ä相対値面内分布Ĉh実測結果Þ比較ÍÕøäĈ示Ïg
向上á努÷ܺÅ所存ݸāg
解析結果å上流側Áÿ 3 枚目ä基板ä上面h実測結果å全
積層基板 165 枚中ä下Áÿ 136 番目ä基板表面áÀÇā値
ݸāgôÕh相対値Ĉ取āá¸ÕÙÜå基板中心áÀÇ
ā成膜速度Ĉ基準値ÞÏāg解析結果å縁部Â中心部þĀ
úú多º凹形ä分布ĈÍܺā点Ýh実測結果Þ一致ÍÜ
ºāÞº¾āgôÕ中心áÀÇā成膜速度øh実測値á対
ÍÜ 1 % 以下ä誤差Ý一致Íܺāg
参考文献
Schwartz, B. ; Robbins, H. Chemical Etching of Silicon II.
（ 1）
J. Electrochem. Soc. vol.108, 1961, p.365-372.
Watson, E. J. The Radial of a Liquid Jet over a Horizontal
（ 2）
Plane. J. Fluid Mech. vol.20, 1964, p.481-499.
Shimizu, R. et al. Predictive Model Extraction from
（ 3）
図 9 á基板中心áÀÇā成膜速度äh基板ÊÞä分布Ĉ
Commercial Scale Poly-silicon LPCVD Reactor. Proceedings
示Ïg下流}上側~ñß成膜速度Â上ÂÙܺāÂh顕著
of Chemical Vapor Deposition XVI and EUROCVD. vol.14.
à差åàºÉÞÂ分Áāg
2003, p.194-201.
（ 49 ）
特 集
0.45
富士時報 6OL.O
鋳造シミュレーション技術
特 集
岩倉 忠弘}ºąÅÿeÕÖèă~
鳩崎 芳久}åÞÌÃeþÍèË~
ú欠陥発生状況Ĉ予測Ïāáå鋳造ĠňŎŕsĠŐŜå欠
まえがき
ÁÑàºĭsŔÞàÙܺāg
鋳造åh鋳鉄h鋳鋼hĢįŜŕĢ鋼h非鉄金属àß多種
鋳造ĠňŎŕsĠŐŜáåh鋳型内部Ĉ溶湯Âßäþ¼
材質ä複雑形状部品Ĉ安価áhđĶŔės効率þÅ製造
á流Ăh充ÜĉËĂܺÅÁh充Üĉ過程Ĉ可視化Ïā湯
ÝÃā技術ݸāgôÕh鋳物ä大ÃËh寸法精度h生産
流ĂĠňŎŕsĠŐŜÞh充Üĉ完了Áÿ凝固ôÝä温度
ŖĬıàßá応ÎÜh重力砂型鋳造hŖĢıŘĬĘĢhĩ
分布変化Ĉ可視化Ïā凝固ĠňŎŕsĠŐŜ¸āgÉĂ
čĔĢıàß幅広º鋳造ŀŖĤĢĈ適用ÝÃh富士電機Ý
ÿä湯流ĂĠňŎŕsĠŐŜÞ凝固ĠňŎŕsĠŐŜå連
åËôÌôà鋳物部品Ĉ扱Ùܺāg
続体ŋİŔá対ÍÜ適用ËĂÕ質量h運動量hđĶŔės
鋳造技術ä中Ýh特áĩčĔĢıÝå溶湯}溶ÇÕ金
ä各種保存則Ĉ数値的á解ÅÉÞÝ温度ú速度ä変化Ĉ予
属~ä充ÜĉÁÿ凝固ôÝÂ瞬時á完了ÏāäÝh湯流Ă
測Ïāøäݸāg
ú凝固ä状態Ĉ予測ÏāÉÞå困難ݸāgÉäÕ÷金型
熱変形ĠňŎŕsĠŐŜå凝固ĠňŎŕsĠŐŜÝ得
製作ú鋳造方案ä策定å熟練者ä経験áþĀ試行錯誤的á
Õ差分ŋİŔľĊčŔÞ温度分布İsĨĈĹŔĘİsĨ
行ąĂÜÀĀh品質äþº製品ä開発á多大à時間Ĉ要Ï
}NASTRAN 形式~î変換ÍhNASTRAN ú I-DEAS à
ƒ注 1„
ƒ注 2„
ā場合¸āgôÕh国内ä鋳造ŊsĔsÝå熟練者ä高
ßä応力解析ĦľıďĐċĈ用ºÜh離型Áÿ室温á至ā
齢化ú後継者不足Â危惧}ÃÆ~ËĂܺāg
ôÝä温度差áþā熱荷重Ĉ計算Íh変形状態ä解析Ĉ行
Éä問題ä解決áåh製品開発段階Ý製造性Ĉ考慮ÍÕ
¼øäݸāg
製品設計ä検討Þh試行錯誤的ÝàÅ科学的裏付Çä¸
表１á解析á必要à入力ĺŒŊsĨĈ示Ïg鋳造条件å
ā設計ú鋳造方案ä策定Â可能Þàā鋳造ĠňŎŕsĠŐ
保有設備ú経験á依存ÏāøäÂ多Åh鋳造ŊsĔs特有
Ŝ技術ä開発Â必要ݸāg富士電機å部品ä安定供給Þ
äøäݸāgÉäÕ÷hĠňŎŕsĠŐŜáå鋳造Ŋs
開発Áÿ生産開始ôÝäœsIJĨčʼn短縮Ĉ図āÕ÷h10
ĔsÍÁ知Ā¾àº情報ä提供Â不可欠Ýh鋳造ŊsĔs
年前Áÿ鋳造ĠňŎŕsĠŐŜ技術ä研究Ĉ進÷ÜÃÕg
ÉĂôÝhĨsļŜ発電機äĚsĠŜęúŋsĨ関連部品
ƒ注 1„NASTRANk米国 NASA ä登録商標
àßĈ対象á国内外ä鋳造ŊsĔsÞ共同Ý鋳造ĠňŎ
ƒ注 2„I-DEASk米国 SDRC 社ä登録商標
ŕsĠŐŜĈ用ºÕ製造技術開発á取Ā組ĉÝÃÕg
ÉÉÝåh近年hÓä機能Â大幅á向上ÍÕ鋳造ĠňŎ
ŕsĠŐŜä適用事例ÞÍÜh汎用čŜĹsĨäċŔňĩ
表
湯流れ・凝固シミュレーションの入力パラメータ
čĔĢı製ĻsıĠŜĘä設計h鋳造方案ä最適化ä取組
鋳造条件
gモデル（鋳物）三次元CADデータ
g鋳造方案
（湯口，湯道，せき，押し湯，冷し金，ヒータ，水冷，
排気口など）
g鋳型サイズ（砂付き量）
g初期（鋳込み）温度
g外気温度
g鋳型温度（ヒータ，冷却の位置，温度）
g注入初速度または鋳込み時間
物 性 値
g鋳物，鋳型の材質
g密度
g熱伝導率（鋳物，鋳型）
g動粘性係数
g気体初期圧力
g気体粘性率
õáÚºÜ紹介Ïāg
鋳造シミュレーション技術の概要
品質ä安定ÍÕ鋳物Ĉ造āáåh適正à設計Þ鋳造方案
Â重要ݸāgÓäÕ÷áå鋳型内Ýä溶湯ä充Üĉ状況
ú凝固過程àßä挙動Ĉ把握ÍhÓĂÿäİsĨá基ÛÅ
方案ä策定Â必要Þàāg従来å主ÞÍÜ実験的¸āºå
経験的á鋳造技術Â構築ËĂÜÃÕÂh鋳造方案ä妥当性
岩倉 忠弘
鳩崎 芳久
金属材料ä評価h解析技術ä研究
可変速駆動装置ä開発j設計á従
開発á従事g現在h富士電機ċIJ
事g現在h富士電機機器制御株式
ĹŜĢıįĘķŖġs株式会社生
会社生産本部ĠĢįʼn機器事業部
産技術ĤŜĨs生産技術研究所g
čŜĹsĨ開発生産ĤŜĨs構造
設計部長g
（ 50 ）
g液相・固相温度
g比熱（鋳物，鋳型）
g潜熱（鋳物，鋳型）
g境界条件
g気体初期温度
g気体定数
富士時報 6OL.O
鋳造シミュレーション技術
Þ一体ÞàÙÕ取組õÂ必要ݸāg
度分布Ĉ求÷Õ結果Ĉ図 2 á示ÏgľČŜä先端部分Ýå
ADC12 材ä液相線}580 ℃~未満ä温度Ýä充ÜĉÞàĀh
示ÏgàÀhÉÉÝ使用ÍÕ湯流Ăj凝固ĠňŎŕsĠŐ
溶湯Â金型内Ĉ充ÜĉÍܺā途中á凝固ÍÜÍô¼Þº
ƒ注 3„
ŜĦľıďĐċ JSCAST-2004i åh中小企業総合事業団
¼湯回Ā不良Â予測ËĂÕgĠňŎŕsĠŐŜ結果Þä突
ä技術開発事業ä一環ÞÍÜ 1993 年度Áÿ開発Â行ąĂ
合ÑäÕ÷h実験型Ĉ製作Í検証Ĉ行ÙÕÞÉăh予測ß
Õ 鋳 造 CAE}Computer Aided Engineering~ Ġ Ģ į ʼn
ÀĀä位置á湯回Ā不良Â再現ËĂÕgÉä不良Ĉ解決Ï
JSCAST ĈøÞáh大学連携型ŀŖġĐĘıàßáþĀ
āÕ÷hěsı厚ËĈ初期設定値ä 1.8 倍áÏĂæh健全
Ëÿàā高機能化Â進÷ÿĂÕøäݸāg
à充ÜĉÂ可能ݸāÞ予測ÍÕ結果h実験結果ÞøþÅ
一致ÍÕg
充Üĉ過程ä背圧分布ä予測
（ 2）
解析事例
図 3 á充Üĉ過程ä背圧分布Ĉ示ÏgÉäĠňŎŕs
汎 用 č Ŝ Ĺ s Ĩ À þ é IGBT}Insulated Gate Bipolar
ĠŐŜÝå 2 Á所¸āŅĢä片方äõä背圧Â高ÅàāÉ
Transistor~ŋġŎsŔàß電子部品ä放熱ä役割ĈÏā
ÞÂ予測ËĂÕg実験ä結果h背圧Â高ÅàāÞ予測ËĂ
ĻsıĠŜĘ}材質kADC12h製品肉厚k1 v 3 mmh質
量k0.8 kg~ä外観Ĉ 図 1 á示ÏgčŜĹsĨäĻsıĠ
図
湯流れ状況（温度分布）
ŜĘáå板金ĈÁÍ÷Õøäú押出Í加工áþāøäø¸
オーバフロー
āÂh小型機種Ýå筐体}Ãý¼Õº~Þ冷却ľČŜĈ一
温度（℃）
体化ÍÕĩčĔĢı製äøäÂ主流ݸāg
650
633
充Üĉ過程ä温度分布ä予測
（ 1）
626
溶湯温度 650 ℃h金型温度 195 ℃hěsı位置ä速度
615
フィン
603
0.4 m/s ÞÍÜ湯流ĂĠňŎŕsĠŐŜÝ充Üĉ過程ä温
591
ゲート
580
ƒ注 3„JSCAST-2004ikĘēœĔ株式会社ä商標
表
出力パラメータと予測可能な欠陥現象
予測可能な欠陥現象
出力パラメータ
g湯回り不良
g湯境欠陥
gガス欠陥
g充てん時間 g速度ベクトル
g充てん過程の
温度分布
g固相率分布
g背圧分布
凝固解析
g引け巣
g凝固時間
g温度こう配
g冷却過程の
温度分布
g冷却速度
g凝固率など
熱変形解析
g反り，変形
g変位，応力
湯流れ解析
対策要素
g製品形状
肉厚，
カーブ面取り，
突起や穴の配置，
ピン配置
g充てん速度
gオーバフローのサイズ，
配置
g鋳込み温度
gゲートサイズ，配置
580 ℃未満
図
汎用インバータとヒートシンクの外観
図
背圧分布とガス欠陥
ボス
背圧が
高い部位
ガス欠陥
フィン
解析で背圧が高い部位
（ 51 ）
特 集
表 2 á出力ĺŒŊsĨh予測ÝÃā欠陥ä種類Þ対策Ĉ
富士時報 6OL.O
図
鋳造シミュレーション技術
背圧とオーバフローサイズの関係
図
熱変形量の要因効果図
SN 比
特 集
高背圧部
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
低
高
溶湯温度
表
低
高
金型温度
低
高
離型温度
熱変形予測パラメータの水準
背圧
高
オーバフロー拡大
溶湯温度（℃）
金型温度（℃）
離型温度（℃）
水準１
670
200
520
水準２
630
160
460
Ă性改善ä効果Ĉ検証ÍhĕĢ欠陥á対処ÝÃā設計技術
Ĉ確立ÍÕg
低
熱変形量ä予測
（ 3）
小
オーバフロー容積
ĩčĔĢıÝå部位áþÙÜ熱容量Â異àĀh冷却時間
大
á差Â生ÎāÕ÷変形ÏāgÉäÕ÷高精度àĩčĔĢ
ıĈ実現ÏāÕ÷áå変形予測Â重要à技術ÞàāgĻs
図
ıĠŜĘä IGBT ŋġŎsŔ取付Ç面ä平坦}îºÕĉ~
熱変形解析結果
度å 100 mm 角範囲内Ý 0.1 mm 以下ä要求¸āgôÕh
フィン直角方向
変形量（mm）
反Āä不均一å取付Ç脚äÂÕä要因ÞàāÕ÷h変形量
計測ライン
Ĉ制御Ïā必要¸āg
0.3
0.2
図 5 áľČŜÞ直角方向Àþé平行方向ä面ä熱変形Ġ
0.1
0
−100
ňŎŕsĠŐŜä結果Ĉ示ÏgľČŜÞ直角方向ä面å
0
−50
50
100
距離（mm）
ľČŜ側Â凹状áhľČŜÞ平行方向ä面åľČŜ側Â凸
状á変形ÏāÉÞÂ予測ËĂh実際ä変形Þ一致ÍܺÕg
フィン平行方向
熱変形ä主à要因ݸā溶湯温度h金型温度Àþé離型
温度á関Íh熱変形ĠňŎŕsĠŐŜĈ用ºÜ得Õ要因効
変形量（mm）
計測ライン 1
計測ライン 2
2.5
2.0
1.5
果図Ĉ図 6 á示Ïg各ĺŒŊsĨä水準å表 3 á示Ïøä
計測ライン 2
1.0
計測
ライン1
0.5
0
−150 −100 −50
0
ÞÍÕg熱変形Ĉ小ËÅÏāáåh溶湯温度å低Åh金型
温度å高Åh離型温度å低Å制御Ïāñ¼ÂþºÉÞÂ確
50 100 150
距離（mm）
認ÝÃāg
あとがき
ÕŅĢäõáĕĢ欠陥Â発生ÍhĠňŎŕsĠŐŜ結果ä
妥当性Â確認ËĂÕg
ÉĂÿä湯流Ăj凝固ĠňŎŕsĠŐŜä適用áþĀĩ
図 4 áēsĹľŖsä容積ÞĕĢ欠陥Â発生ÍÕŅĢä
čĔĢı条件ä最適化Ĉ図Āh製造性ä良º設計Þ円滑à
予測背圧ä関係Ĉ示ÏgŅĢ周辺äēsĹľŖsĈ拡大Ï
量産化á貢献ÏāÉÞÂÝÃÕg
āÉÞÝ背圧Â低減ÏāÉÞĈ確認Íh初回実験時ä 3 倍
今後h富士電機å鋳物部品ä設計力ä向上Ĉ目指Íh鋳
áÍÕ場合hĕĢ欠陥Â発生ÍàÁÙÕŅĢÞ同程度ä
造ŊsĔsÞĠňŎŕsĠŐŜä実績Ĉ重ãh鋳造技術力
背圧ôÝ下ÂāÞ予測ËĂÕgËÿáĠňŎŕsĠŐŜÝ
ä強化Ĉ図ÙܺÅ所存ݸāg
背圧Â高ÅàāŅĢ付Ç根周辺ä湯流Ă状況Ĉ確認ÏāÞh
ŅĢ内îä湯ä流込õÂ悪ÅhŅĢ付Ç根周辺Â充ÜĉÍh
ĕĢä抜Ç道ÂàÅàÙܺāÉÞøĕĢ欠陥ä原因ݸ
āÞ推察ËĂÕgø¼一方ä健全àŅĢä湯流Ă状況Ĉ確
認ÏāÞhĕĢä抜Ç道Ĉ確保ÍÕ状態ÝŅĢ内îä流込
õÂ確認ËĂÕg欠陥Â発生ÏāŅĢ内îä流込õä改善
ÞÍÜ付Ç根ĔsĿä拡大h鋳抜ÃĽŜ設置àßáþā流
（ 52 ）
参考文献
荻野雄一郎ñÁi湯流Ăj凝固解析Ĉ利用ÍÕĩčĔĢı
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品ä変形量評価i群馬県工業試験場報告i2002.
Shawn Mahaney, EKK et al. NADCA Die Casting
（ 2）
Modeling and Simulation Session. 1999-11-1/4.
ċŔňĴďʼn鋳鍛造技術便覧i軽金属協会i1991-03.
（ 3）
富士時報 6OL.O
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
特 集
岡本 浩一}ÀÁøÞeɼº×~
全ă¼付Ç部ä接合品質Ĉ高精度á評価ÝÃā‡ă¼付Ç
まえがき
部非破壊診断ĠĢįʼnˆä概要áÚºÜ紹介Ïāg
大型構造物ä製造áåh溶接jă¼付Ç施工Â不可欠Ý
¸Āh接合部品質å製品ä信頼性Ĉ大ÃÅ左右Ïāg一般
ロータコイルのろう付け工程
的á接合部ä出来栄¾å超音波探傷ú放射線検査àßä非
破壊手法áþĀ確認j評価Ĉ行ÙÜÀĀh内部欠陥Ĉ高精
現在hŖsĨĜčŔäă¼付Ç作業å専用ä自動機}図
度á検出ÝÃā非破壊検査技術Ĉ確立ÏāÉÞÂh接合部
2~áþĀ行ąĂܺāg 図 3 á示Ïþ¼áĜčŔ四隅á
品質ä向上Þ信頼性確保áÚàÂāg
設置ËĂÕ四Úä高周波加熱čŜĩĘĨä上áhĜčŔĈ
ĨsļŜ発電機用ŖsĨ}図 1~á組õ込ôĂā界磁巻
L 形á突Ã合ąÑÜĤĬıÍh非接触温度ĤŜĞáþā温
線}以下hŖsĨĜčŔÞº¼~å平角銅材Ĉ L 形á突
度管理ä下h高周波加熱Ýă¼材Ĉ溶ÁÍ込õ接合Ĉ行¼g
Ã合ąÑÜă¼付ÇÍhÿÑĉ状á連結ËÑā構造áàÙ
ă¼付Çå各Ĝsijs部ÊÞá順Ĉ追ÙÜ行ºhÿÑĉ状
ܺāgă¼付Ç部å運転中á熱応力ú遠心力Â作用Ïā
á積層ÍܺÅg1 ĜčŔ¸ÕĀä巻数å 13 v 19 巻ݸ
Õ÷h高º信頼性Â要求ËĂāg現在hă¼付Ç部ä品質
ĀhÉĂĈ 1 ŏĴĬıÞÍÜ十数ŏĴĬıÂ発電機ŖsĨ
確認å予備ĜčŔáþā破壊検査}引張試験h曲È試験~
Þ製造中ä熟練者áþā外観目視検査á依存ÍܺāÂh
図
自動ろう付け装置の外観
図
ロータコイル製造方法
ēľŒčŜ上Ý行¼破壊検査å実機製造中ä品質変動Ĉ検
知ÏāÉÞÂ不可能ݸāg一方h目視検査å加熱時äĜ
čŔ赤熱状態úă¼äâĂ広ÂĀ状態Áÿ接合内部状況Ĉ
推測Íhă¼付ÇÂ適切ݸÙÕÁß¼Á判断Ïā必要Â
¸āÕ÷h経験的à技術}熟練技能~Ĉ要ÏāÂh熟練者
ä減少á伴¼技術ä伝承Þº¼面Áÿø対策Â求÷ÿĂÜ
ºāg
ÉĂÿä問題Ĉ解決Íhă¼付Ç部ä品質信頼性Ĉ確保
ÏāÕ÷h富士電機Ýå超音波áþāă¼付Ç部ä非破壊
診断ĠĢįʼnä開発Ĉ進÷ÜÃÕg熟練技能Ĉ必要ÞÑÐh
図
タービン発電機用ロータの外観
ろう付け部
（四隅）
長さ 10 m
直径 1 m
高周波加熱
インダクタ（四隅）
ロータコイル
岡本 浩一
非破壊検査技術ä開発á従事g現
在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘķ
Ŗġs株式会社生産技術ĤŜĨs
生産技術研究所g日本非破壊検査
協会会員g
（ 53 ）
富士時報 6OL.O
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
¼付Ç部Áÿä反射đĜsĈ取Ā込ö方法ÞÍÕg探触子
á組õ込ôĂāg
å周波数 5 MHz ä縦波斜角探触子Þ縦波垂直探触子ä 2
種類Ĉ使用Íh面取Ā部å縦波斜角探触子hÓĂ以外ä部
特 集
ろう付け部の探傷方法
位å縦波垂直探触子Ý探傷Íhă¼付Ç範囲全域ĈĔĹs
検査部位ݸāŖsĨĜčŔ四隅部ä形状åh図 4 á示
ÍܺāgôÕhă¼付Ç部欠陥Ĉ高精度á検出ÏāÕ÷h
ÏÞÀĀhĜčŔđŜIJĈ 45 度ä角度Ý面取ĀÍÕĨč
振動子形状åºÐĂø探触子移動方向á曲率Ĉ持ÕÑÕ収
ŀÞh面取ĀÍܺàºĨčŀä 2 種類¸ĀhËÿáh
束型ÞÍÕg
機種áþÙÜĜčŔ幅Â 20 v 50 mmhĜčŔ厚Ë 3 v
10 mm ä範囲Ý変動Ïāg探傷手法åÉĂÿä機種Ïï
ろう付け部の欠陥評価
Üá対応Ïā必要¸āgÓÉÝ適用ä可能性Â考¾ÿĂ
āËôÌôà超音波探傷手法ä中Áÿh超音波伝搬ĠňŎ
上記方法Ý取得ÍÕă¼付Ç部反射đĜsİsĨáåh
ŕsĠŐŜ技術Ĉ活用ÍÜh最ø欠陥検出性Â高Åh実機
ĜčŔĜsijs部散乱đĜsä影響úĜčŔ材質á起因Í
áÀÇā操作性Þ安定性á優ĂÕ探傷方法Ĉ絞Ā込ĉÖg
ÕæÿÚÃ因子Â含ôĂÜÀĀh高精度à欠陥評価Ĉ行¼
ă¼付Ç部ä探傷方法åh図 5 äþ¼áă¼付Ç面Þ対
áåh探傷位置ÊÞäİsĨ補正úĜčŔ材質ĈĖŌŜĤ
峙}ÕºÎ~ÏāĜčŔ端面á超音波探触子ĈĤĬıÍh
ŔÏāÕ÷ä探傷感度補正Â必要Þàāg本診断ĠĢįʼn
端面á沿ÙÜ探触子Ĉ移動ËÑàÂÿh0.2 mm ÊÞáă
Ýå下記ä対策áþĀh作業者Â特別à知識Ĉ必要ÞÍà
º非破壊診断ċŔĝœģʼnĈ構築ÍÕg
図
ロータコイル四隅部の形状
.
探傷位置におけるエコー高さ補正
ă¼付Ç部ä欠陥反射đĜsĈ取Ā込ö際h探傷位置á
コイル厚 t
3 ∼ 10 mm
þÙÜåĜčŔĜsijs部àßÁÿä散乱đĜsä影響
面取り部
Ĉ受ÇāÕ÷h探傷感度ä補正Â必要Þàāg本ĜčŔä
コイル幅 W 2
20 ∼ 50 mm
ă¼付Ç部áÚºÜå最大 4 dB 程度ä感度補正Ĉ要Ïāg
ÓÉÝh探傷位置ÊÞä散乱đĜsáþā影響度Ĉ明ÿÁ
ろう付け部
コイル幅 W 1
20 ∼ 40 mm
ろう付け部
áÏāÕ÷hă¼付Ç部á放電加工ĢœĬıúIJœŔ孔Ĉ
配ÍÕ人工欠陥試験片Ĉ作製ÍhÓĂÔĂä欠陥位置Ĉ変
¾ÕÞÃä探傷位置ÊÞä欠陥反射đĜs高ËĈ測定Íh
（a）面取りなしタイプ
（b）面取りタイプ
探傷位置ÊÞäđĜs高Ë補正係数Ĉ設定ÍÕg判定ċŔ
ĝœģʼná本係数áþā補正処理Ĉ組õ入ĂāÉÞÝhĜ
čŔ形状á起因ÏāæÿÚÃ分ÂĖŌŜĤŔËĂh高精度
図
à欠陥判定Â可能ÞàÙÕg
ろう付け部の探傷方法
スキャン方向
.
垂直探触子
コイル材質のばらつき補正
ĜčŔ内部á入射ÍÕ超音波å内部Ĉ進ö過程Ý次第
振動子
á減衰Ïāg減衰ä度合ºå材料ŖĬıúhĜčŔ焼鈍
時hă¼付Ç時áÀÇā熱履歴ä違ºáþĀ異àā}結晶
音波
粒度á差¸āÕ÷~
gÉäÕ÷h材質áþā影響ĈĖŌ
ŜĤŔÏāáåhĞŜŀŔÊÞä探傷感度調整Â必要Þ
ろう付け部
àāg本ĜčŔ材ä場合hŖĬıáþÙÜ結晶粒Ğčģ
Â直径 100 v 300 –m 程度ä範囲ÝæÿÚÃhÉä影響Ĉ
斜角探触子
ĖŌŜĤŔÏāáå 5 v 6 dB 程度ä感度補正Ĉ必要ÞÏ
スキャン方向
āgÓÉÝh感度調整Ĉ行¼際ä基準ÞÍÜhă¼付Ç部
垂直探触子
近傍äĜčŔ底面đĜsĈ基準áhĜčŔ間ä減衰度差Ĉ
ス
キ
ャ
ン
方
向
（a）面取りなしタイプ
振動子
音波
補正ÍÕgÉä処理áþĀhĜčŔ幅úĜčŔ厚ËÂ異à
āĞŜŀŔá対ÍÜøh同一基準Ý欠陥判定ÏāÉÞÂ可
能ÞàāgÕÖÍh面取ĀÂàºĨčŀä場合å 1 個ä探
触子Ýă¼付Ç部全域Ĉ探傷ÏāÕ÷hÉäþ¼à底面反
ろう付け部
（b）面取りタイプ
射đĜsĈ基準ÞÍÕ補正Â可能ݸāÂh面取ĀĨčŀ
ä場合h斜角探触子ä可動範囲áÀºÜh基準Þàā底面
反射波Ĉ得āÉÞÂÝÃàºgÉäÕ÷h¸ÿÁÎ÷基準
試験片áþĀh二Úä探触子ä底面đĜs差Ĉ測定Íh実
（ 54 ）
富士時報 6OL.O
探傷結果
図
板厚 t ：5.7 mm
エコー高さ（％）
幅 W 1：30.7 mm
80
60
人工欠陥
ブローホール
40
ろう付け部断面状況
探触子数：１
20
0
0
10
20
100
30
探触子位置（mm）
ろう付け部
60
40
20
0
0
10
面取りなしタイプ
欠陥面積率評価カーブ
図
30
20
探触子位置（mm）
探傷結果
探傷事例（面取りタイプ）
単位面積あたりのエコー積算値
から欠陥面積率を求める
幅 W 1：30.7 mm
板厚 t ：5.7 mm
欠陥面積率（％）
垂直探触子
80
30.7 mm
図
特 集
100
探傷事例（面取りなしタイプ）
エコー高さ（％）
図
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
人工欠陥
人工欠陥
人工欠陥
ろう付け部断面状況
100
探触子数：2
測時á感度差分ä補正Ĉ行Ùܺāg
30.7 mm
補正後ä探傷結果ä一例Ĉ図 6 á示ÏgęŒľ横軸å探
傷範囲}探触子位置~
h縦軸å欠陥部反射đĜs高ËĈ示
面取りタイプ
ÍÜÀĀhă¼付Ç領域áÀÇā欠陥分布状態Ĉ把握ÝÃ
斜角探触子
80
60
40
20
0
ろう付け部
欠陥面積率の算出
100
エコー高さ（％）
.
エコー高さ（％）
全エコー積算値 / ろう付け面積
āgôÕh全đĜs高Ëä積算値Ĉă¼付Ç面積}板厚 T
垂直探触子
80
60
40
20
0
0
10
30
20
探触子位置（mm）
探傷結果
×ĜčŔ幅 71~Ý割ÙÕh単位面積¸ÕĀäđĜs積算
値åh欠陥面積率}ă¼付Ç面積á占÷ā欠陥面積ä割
合~Þ相関¸Āh曲線近似ÏāÉÞÂÝÃāg人工欠陥
品Àþé実ă¼付Ç品áþā探傷結果Áÿ欠陥面積率評価
ĔsĿ}図 7~Ĉ求÷hÉĂĈ基áă¼付Ç部ä良否判定
自動探傷システム
Ĉ行Ùܺāg
図
適用事例
á自動探傷ĠĢįʼn構成Ĉ示ÏgĠĢįʼnåİġ
ĨŔ超音波探傷器ÞĢĖŌŜ装置h探触子切換器Þ制御j
判定用ĺĦĜŜáþÙÜ構成ËĂāgĢĖŌŜ機構áå二
図 8h図 9 áă¼付Ç部áŇčĔĈ混入ËÑÕ人工欠陥
Úä探触子}収束型縦波垂直探触子h収束型縦波斜角探触
試験片äă¼付Ç断面観察結果Þ探傷結果Ĉ示Ïg図 8 ä
子~Â搭載ËĂhÓĂÔĂä探触子Ĉ駆動Ïā小型ĺŔĢ
断面写真左端ä大Ãà欠陥åŇčĔ混入áþā未接合部
ŋsĨh探触子ä原点位置検出用ÀþéœňĬĨ用ä光Ĥ
ݸĀhÓĂ以外ä小˺模様åĿŖsńsŔ}自然欠
ŜĞÞhĜčŔáĢĖŌŜ装置Ĉ装着ÏāÕ÷äĘŒŜŀ
陥~ݸāg同様á図 9 áÚºÜå左右端部h中央部á 3
機構Â組õ込ôĂܺāgĺĦĜŜä診断ĦľıďĐċ上
個äŇčĔ片Ĉ混入Íܺāg欠陥ä分布状態Þ探傷結果
Ý設定ËĂÕ各種ĺŒŊsĨá従ÙÜ探触子Ĉ自動ĢĖŌ
ęŒľĈ見比ïāÞh欠陥位置h大ÃËá応ÎÕ欠陥反射
ŜËÑh0.2 mm 間隔ÊÞáİġĨŔ超音波探傷器Áÿh
đĜsÂ得ÿĂܺāÉÞÂ分Áāg面取ĀĨčŀä場合h
欠陥đĜsİsĨĈ吸º上Èāg探傷á要Ïā時間åă¼
斜角探触子áþā結果Þ垂直探触子áþā結果ä二Úäę
付Ç幅 30 mm ä場合h約 10 秒ݸāg探傷完了後h前述
ŒľÝ表ËĂh双方ä結果Ĉ合計Íh接合部ä欠陥面積率
ä判定ċŔĝœģʼnáþāİsĨ補正処理Þ欠陥面積率ä
Ĉ算出Íܺāg
算出Ĉ自動Ý実行Íhă¼付Ç品質ä判定Ĉ行¼g本装置
（ 55 ）
富士時報 6OL.O
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
図１ 自動探傷システム構成
特 集
パルス設定，動作指令
モータドライバ
モータドライバ
スキャン機構
スキャン装置
パルスモータＡ
パルスモータ B
原点位置，リミッタ
光センサＡ
ロータコイル
光センサ B
探触子Ａ
ろう付け部
探触子 B
波形信号
切換
探触子切換器
デジタル超音波探傷器
データ
判定ソフトウェア
条件設定
データ解析
良否判定
制御・判定用パソコン
デジタル超音波探傷器
å小型軽量Ý現場操作性á優ĂÜÀĀh自動判定ċŔĝœ
今後åËÿá他製品ä接合部位î応用展開Ĉ図ÙܺÅ所
ģʼnáþĀ専門知識Ĉ持Õàº人Ýø扱¼ÉÞÂÝÃāă
存ݸāg
¼付Ç部非破壊診断装置ݸāg
参考文献
あとがき
今村清治ñÁi大型製品ä自動ă¼付Ç技術i溶接技術i
（ 1）
2004-09.
本診断技術áþĀhă¼付Çä良否ĈİġĨŔÝ評価Ý
Ãāþ¼áàÙÕgôÕh製造過程áÀÇā品質変動Ĉ検
知Íh自動ă¼付Ç条件îľČsIJĹĬĘÏāÉÞáþĀh
ă¼付Ç品質ä向上Þ安定化áÚàÈāÉÞÂ可能ݸāg
（ 56 ）
非破壊検査便覧i日本非破壊検査協会編i日刊工業新聞社i
（ 2）
1979.
新 技 術 開 発 Ĥ Ŝ Ĩi 非 破 壊 検 査 Ň Ĵ Ŏ ċ Ŕip.235-376.
（ 3）
1987.
富士時報 6OL.O
環境調和型材料技術の開発
特 集
渡邉 裕彦}ąÕàïeèăèÉ~
日高 昇}èÖÁeäòā~
柳瀬 博雅}úàÑeèăäĀ~
使用ËĂāÉÞÂ多Åh大容量Áÿ小容量ä電子部品ôÝh
まえがき
ËôÌôà品種Ĉ採用ÍܺāgËÿáåłċĪĬŀøľ
地球環境問題å今ú深刻à状況á¸Āh地球温暖化h酸
œĬŀĪĬŀ実装形態Ý基板上á混載実装ËĂāg
性雨h海洋汚染h土壌汚染àßá対Íh電子機器á使用Ë
Éäþ¼à背景ä中h富士電機Ýå多様à接合工法}例
Ăܺā有害物質ä影響Â懸念ËĂܺāgÉĂÿ環境Ĉ
¾æhœľŖshľŖsh水素還元無ľŒĬĘĢœľŖs
視野á入ĂÕ環境調和型製品Â今ú高機能j高性能製品Þ
工法àß~á適用可能h加¾Ü熱èÐõ変化h熱疲労á対
同様á求÷ÿĂܺāgôÕ欧州Ýåh2006 年 7 月 1 日
Ïā耐久性úåĉÖ接合部Ĉ介ÍÕ熱伝導性}放熱性~à
á RoHS 指令‡有害物質ä使用禁止指令ˆÂ施行ËĂh鉛h
ßä観点ÁÿhåĉÖ接合部性状ä安定性Ĉ重視ÍÕ鉛ľ
水銀hĔIJňďʼnh六価ĘŖʼnh特定臭素系難燃剤}2 種~
œsåĉÖ材料Ĉ選定Íh材料Þ製造ŀŖĤĢ技術ä両面
ä計 6 物質Â電気電子機器îä使用Ĉ禁止ËĂÕg同様ä
Ýä開発ĈÉĂôÝ行ÙÜÃÕg
規制å中国h韓国h米国ĔŔľĒŔĴċ州ñÁ世界中á拡
.
大ËĂþ¼ÞÍܺāg
従来のはんだ材料と鉛フリーはんだの特徴
富士電機áÀºÜåh積極的á電子機器ä JISSO}230
表１á現在実用事例ä¸ā代表的à鉛ľœsåĉÖä特
Ńsġä‡解説ˆ参照~á対Ïā環境調和型化îä取組õ
性ĈhSn-Pb 共晶åĉÖ材Þ比較ÍÕ結果Ĉ示Ïg
Ĉ推進ÍhRoHS 指令確定前ä 1998 年áĺŘs半導体ŋ
従来ä Sn-Pb 共晶åĉÖÁÿ鉛ľœsåĉÖá切Ā替
ġŎsŔä鉛ľœsåĉÖ接合品ä発売úhıŒĬĖŜę
¾āá¸ÕÙÜåhåĉÖä基本的à特性ݸā融点ú接
耐性ä高ºĸŖěŜľœs配線基板ä開発àßä取組õĈ
合材料ÞäâĂ性h信頼性ÞÍÜä機械的特性ú熱疲労特
行ÙÜÃÕg
性h欠陥発生ä有無h接合ŀŖĤĢä安定性h作業性àß
本稿Ýåh環境調和型製品îä取組õä¼×h開発ÍÕ
Ĉ考慮ÍàÇĂæàÿàºg
鉛ľœsåĉÖä特徴Þ成形樹脂用反応型ķŜĸŖěŜ難
特áhåĉÖ接合部ä信頼性áÀÇā重要à項目ÞÍ
燃化技術ä開発ä 2 įsŇáÚºÜhÓä内容Ĉ紹介Ïāg
Üh熱疲労破壊Â挙ÈÿĂāgÉĂåh樹脂配線板}熱
膨張係数k16 ppm/K~Þ電子部品ú Si ĪĬŀ}熱膨張係
数k3.5 ppm/K~ Þ å ĉ Ö} 熱 膨 張 係 数k22 ppm/K~ Þ
鉛フリーはんだ材料の開発
ä熱膨張係数ä差Áÿ生Îā熱応力áþĀh接合材ݸ
富士電機Â独自á開発ÍÕh5 元系鉛ľœsåĉÖ}Sn-
āåĉÖÂ繰Ā返Í熱èÐõĈ受ÇÜ発生Ïā現象ݸāg
Ag-Cu-Ni-Ge~ä特徴áÚºÜ紹介ÏāgÉäåĉÖåh
ÓäÕ÷h弾性率Â高Åh融点Â高º鉛ľœsåĉÖÝåh
Sn-Ag-Cu ĈłsĢáÍhNi}ĴĬĚŔ~Þ Ge}ěŔŇ
（ 1）
Ĵďʼn~Ĉ微量添加ÍÕÉÞĈ特徴ÞÍܺāg現在h国
表
Sn-PbとSn-Ag-Cu系はんだの代表特性
内}特許第 3296289 号~
h米国}特許第 6179935B1 号~
h
ÀþéIJčĭ}特許第 19816671C2 号~Ý特許Ĉ取得ÍÜ
融 点（℃）
ÀĀh日本h中国h韓国h欧州h米国àß世界ä材料Ŋs
＊1
強 度（MPa）
Sn-Pb
Sn-Ag-Cu-Ni-Ge
Sn-Ag-Cu
183
217∼219
217∼221
38
42
43
Ĕs数十社ÞŒčĤŜĢ契約Ĉ結éh鉛ľœsåĉÖä実
伸 び（%）
50
59
41
用化ä促進ú課題解決á貢献Íܺāg
＊1
弾 性 率（GPa）
27
50
51
21∼24
22.3
21.7
54
62.4
60.1
＊1
線膨張係数（ppm/℃）
.
背 景
＊2
熱 伝 導 率（W/m・K）
産業用電子機器åh大電流製品ú屋外ä厳ͺ環境下Ý
渡邉 裕彦
＊1：機械的強度はひずみ速度0.2 %/sにて測定 ＊2：精度±5 %
日高 昇
柳瀬 博雅
ŀœŜı配線板ä実装技術h特á
金属j電子İĹčĢ材料ä解析評
成形樹脂材料ä研究開発á従事g
鉛ľœsåĉÖä実装技術ä研究
価h鉛ľœsåĉÖä実装技術ä
現在h富士電機ċIJĹŜĢıįĘ
á従事g現在h富士電機ċIJĹŜ
研究á従事g現在h富士電機ċIJ
ķŖġs株式会社生産技術ĤŜ
ĢıįĘķŖġs株式会社生産技
ĹŜĢıįĘķŖġs株式会社生
Ĩs生産技術研究所g高分子学会
術ĤŜĨs生産技術研究所gđŕ
産技術ĤŜĨs生産技術研究所g
会員g
ĘıŖĴĘĢ実装学会会員g
TMS}米国~学会会員g
（ 57 ）
富士時報 6OL.O
図
環境調和型材料技術の開発
熱サイクル試験後のパワートランジスタ部品はんだ接合部
図
はんだボール銅電極とはんだ接合界面
の断面組織
特 集
Ag3Sn
クラック
クラック
Cu6Sn5
（Cu，
Ni）
6Sn5
結晶粒界
1.0 mm
（a）金属顕微鏡像
2 m
Cu
図
Cu3Sn
Cu3Sn
（b）偏光顕微鏡像
挿入部品はんだ接合部の累積損傷率
（a）Sn-Ag-Cu
2 m
Cu
（b）Sn-Ag-Cu-Ni-Ge
100
累積損傷率（％）
Sn-Pb
80
因Þàā破壊形態Â確認ËĂܺāg
60
Sn-Ag-Cu
NihGe 添加åĉÖÝåh凝固時ä結晶数Â多Åh組織
（ 2）
40
Â無添加材á比ï微細áàÙÜÀĀhÉĂÿä課題á対Í
20
0
0
Sn-Ag-Cu-Ni-Ge
有効à特性Ĉ示ÏgôÕÉĂÿá関係Íh引Ç巣ä抑止ú
Ęœsŀ特性ä向上àßĈ確認ÍÜÀĀh力学特性á対Ï
200
400
600
800
ヒートサイクル数（サイクル）
1,000
ā NihGe 添加áþā凝固組織制御Â信頼性á与¾ā効果
å大úÞ考¾Üºāg
実装品ä信頼性評価
（ 2）
産業用電子機器äŀœŜı基板Ýå挿入部品Â搭載ËĂ
Sn-Pb
共晶åĉÖäþ¼àh塑性変形áþā応力緩和àßh
āÉÞÂ多ºgÉÉÝåh挿入部品}DIP-IC~ä接合部
ºąæ自己犠牲材}応力緩和材~ä働ÃÂ期待ÝÃàºÕ
ä信頼性評価ÞÍÜ−40 v＋125 ℃h1 時間/ĞčĘŔä
÷hÓä異àā物性áþĀ起Éā現象Ĉ注意深Å検証Ïā
ĻsıĞčĘŔ試験Ĉ行ÙÕ事例Ĉ示Ïg評価方法åh所
必要¸āg
定äĞčĘŔ数Ý抜Ã取ÙÕ基板äåĉÖľČŕĬı部ä
外観Ĉ観察ÍhľČŕĬıá発生ÍÕ円周方向äĘŒĬĘ
.
鉛フリーはんだの信頼性
熱ĞčĘŔá対Ïā特性
（ 1）
長ËÁÿ累積損傷率Ĉ算出ÍÕg
図 2 á Sn-Ag-CuhSn-Ag-Cu-Ni-GehSn-Pb 共晶åĉ
鉛ľœsåĉÖ材ä主流ÞàÙܺā Sn-Ag-Cu 系材
ÖÓĂÔĂÝ実装ÍÕ基板ä累積損傷率ä推移Ĉ示Ïg
àß析出j分散強化型ä材料ä場合h凝固時á初晶 Sn Â
Sn-Pb á比ïhSn-Ag-Cu 系材料åh損傷率Â小ËÅ外
大ÃÅ成長Íh強º異方性Ĉ持Ú凝固組織ÞàāÉÞÂ多
観Áÿ判断ÝÃā劣化å少àºÞº¾āgôÕ Sn-Ag-
Å報告ËĂܺāg特á結晶数 1 v 2 個Þ少àºhBGA
Cu á比ïhSn-Ag-Cu-Ni-Ge äñ¼Â損傷率Â小ËÅh
}Ball Grid Array~ú CSP}Chip Scale Package~àßä
Óä理由ÞÍÜ先á述ïÕþ¼á Ni ä添加áþĀh高温
微細接合部Ýåh接合部信頼性á影響Â大úÉÞÁÿh
時効条件下Ýä析出物ä急激à成長h組織変化Â抑¾ÿĂ
研究Â盛ĉá行ąĂܺāg
āÉÞáþÙÜh高温域ÝäĘœsŀ強度Â高ÅàÙܺ
Sn 結晶ä異方性凝固組織åh微細接合部áäõ起Éā
āÉÞÂ作用ÍܺāÞ考¾Üºāg
現象ÝåàÅh挿入部品áÞÙÜø同様á発生Ïāg
接合界面ä特性
（ 3）
åĉÖÝ接合ÍÕĺŘsıŒŜ
ŇčĘŖĦŔĩœŜęáÀÇāåĉÖ接合部界面á形成
ġĨ部品ä熱ĞčĘŔ試験 1,000 ĞčĘŔ後ä接合組織Ĉ
ËĂā金属間化合物ä析出j成長åhåĉÖ接合継Ä手強
図 1 á
Sn-3.0 Ag-0.5 Cu
示Ïg
度ú信頼性á影響Â大ÃÅh成長Â遅Å安定ÍÕ金属間化
Sn-Ag-Cu 系材料åhSn-Pb 共晶åĉÖÞå異àĀh
合物ä形成å長期信頼性Â高ºÉÞĈ示Íܺāg
数個ä結晶Áÿ成ā組織ݸāÉÞÂ確認ÝÃāgôÕh
図 3 á Sn-Ag-CuhSn-Ag-Cu-Ni-Ge å ĉ Ö ä 120 ℃
熱ĞčĘŔáþā熱èÐõáþÙÜh結晶粒界á対応ÍÕ
× 1,000 h 後ä銅電極Þä界面Ĉ電界放射型走査電子顕微
ĘŒĬĘÂ確認ÝÃāg挿入部品àßä接合部áÀºÜøh
鏡áÜ観察ÍÕ二次電子像Ĉ示ÏgNihGe 添加åĉÖÝ
èÐõ負荷条件áþÙÜåh結晶粒界àß組織的á弱º箇
åh化合物厚õ成長Â遅ºÉÞĈ確認ÍܺāgôÕhľ
所á破壊Â生ÎāĚsĢÂ発生Íh従来ä Sn-Pb 共晶å
ŖsåĉÖ工法àßäŀœŜı基板銅電極ä溶食áÀºÜ
ĉÖÞå異àā様相hÏàą×強º異方性Ĉ持Ú結晶Â起
ø Sn-Ag-Cu á比ï遅ºÉÞÂ確認ËĂܺāg
（ 3）
（ 4）
（ 58 ）
富士時報 6OL.O
環境調和型材料技術の開発
図 4 á反応型難燃剤ÞijčŖŜÞä架橋反応前後Ýä貯
反応型ハロゲンフリー難燃剤による環境調和型
蔵弾性率}'z
~ä温度依存性Ĉ示Ïg架橋反応前äijč
下Íh試験片Â流動化Ïāg一方h架橋反応後å 'zä低
.
難燃性と高温時の力学強度
g
下Â少àÅ試験片å形状Ĉ維持Ïā}図 5 参照~
富士電機Ýå以前Áÿ電気j電子機器ä環境調和化Ĉ推
進ÍÜÀĀh配電機器用熱可塑性樹脂äĸŖěŜľœs化
.
ハロゲンフリー難燃化樹脂の諸特性
（ 5（
）6）
á取Ā組ĉÝÃÕg
開発ÍÕ反応型ĸŖěŜľœs難燃剤áþā環境調和型
ĸŖěŜľœs難燃剤åh分子構造内á , œŜ}P~
j窒
成形樹脂ijčŖŜä力学的j電気的特性Ĉ表 2 á示Ïg力
素}N~元素Ĉ含有ÍhËÿá熱j放射線照射áþĀ樹脂
学強度ĈĸŖěŜ含有ä難燃化ijčŖŜÞ同等以上ÞÏ
Þ化学的á結合Ïā反応基Ĉ有ÏāgÉĂôÝhÉä単一
āÕ÷á難燃性å V-1 ÞàÙÕÂh衝撃強度h発火性À
ä反応型ĸŖěŜľœs難燃剤Ĉ添加ÍÕijčŖŜ樹脂Ĉ
þé電気的特性ÝåĸŖěŜ含有樹脂Þ同等以上ä特性Â
用ºāÉÞÝhUL94 規格Ý
V-2
v
V-1
相当ä難燃性Ĉ
有Ïā樹脂Ĉ開発ÍÕgÍÁÍàÂÿ UL94V-0 Ĉ得āá
åh単一ä難燃剤ÖÇÝå困難ݸāg
得ÿĂܺāg特á CTI}Comparative Tracking Index~
ÝåĸŖěŜľœs化ÏāÉÞÝĸŖěŜ含有樹脂ä特性
}300 V~Ĉ大幅á改善ÝÃāÉÞÂ分Áāg
ÓÉÝh反応型ĸŖěŜľœs難燃剤ÖÇÝàÅh物理
的á樹脂Ĉ混合ÏāhĸŖěŜľœsä添加型œŜ系難燃
剤Ĉ併用ÏāÉÞÝ従来äĸŖěŜ含有難燃剤þĀø少量
}20 v 30 %~Ý UL94V-0 ä難燃性Ĉ得āÉÞÂÝÃÕg
.
ハロゲンフリー難燃化樹脂の発生ガス特性
従来hĸŖěŜ含有難燃剤Ĉ用ºÕ樹脂å成形時á発生
ÏāĕĢáþĀ金型ä汚ĂÂ促進ËĂh金型äŊŜįijŜ
ôÕh熱j放射線照射áþĀijčŖŜ樹脂Þ反応型ĸŖ
Ģá時間Þ費用ÂÁÁāÞº¼問題¸ÙÕgÓÉÝhĸ
ěŜľœs難燃剤Ĉ架橋反応ÏāÉÞÝh融点以上áÀº
ŖěŜľœs難燃剤Ĉ用ºÜ難燃化ÍÕ樹脂ÀþéĸŖě
Üø¸ā程度ä力学強度Ĉ有Íh耐熱性Ĉ大幅á向上ËÑ
Ŝ含有難燃剤Ĉ用ºÕ場合ä樹脂ŃŕĬıÁÿä発生ĕĢ
āÉÞÂÝÃāg
áÚºÜ検討ÍÕg
ĸŖěŜ含有難燃化樹脂}ĸŖěŜ系~ÀþéĸŖěŜ
図
ľœs難燃化樹脂}ĸŖěŜľœs系~äŃŕĬıĈÓ
架橋反応前後の力学強度
ĂÔĂ窒素雰囲気下Ý 350 ℃h20 分加熱Íh発生ÍÕĕ
10
貯蔵弾性率 G’
（GPa）
Ģ 成 分 Ĉ GC-MS}Gas Chromatography-Mass Spectrometer~Ý分析Íh有機成分ä発生ĕĢ総量Àþé成分ä
1
同定ĈÍÕgàÀhÉä加熱条件å成形時á金型Áÿ採取
ÍÕĕĢä成分Þ比較検討ÍÜñò同様à発生ĕĢ組成Â
0.1
得ÿĂāÉÞĈ確認Íܺāg
架橋反応前
図 6 á各ĞŜŀŔä GC-MS áþāısĨŔčēŜĘŖ
0.01
破断
0.001
180
ŇıęŒʼn}TIC~Ĉ示ÏgôÕh表 3 á各ĞŜŀŔä有
架橋反応後
機成分ä発生ĕĢ総量Ĉ示ÏgĸŖěŜ系Ýåh難燃剤由
来ä臭素系化合物Â多種類検出ËĂܺāg特á高沸点化
220
260
300
340
温度（℃）
合物Â多Åh金型内á凝集残存Íh付着物ä原因áàÙÜ
ºāÉÞÂ考¾ÿĂāgôÕÉĂÿä化合物Â二次分解Ï
āÉÞÝ腐食性ä強º酸性成分}HBr~Â生成ËĂā可能
図
360 ℃のはんだ槽に 5 秒間浸漬したときの試験片
性Â高ºg一方hĸŖěŜľœs系Ýå発生ĕĢä種類Â
（厚さ 0.8 mm）
表
環境調和型成形樹脂ナイロンの特性
試験項目
開発品
燃焼性
0.8 mm
V-1
シャルピー衝撃強度
ノッチ付
9.3 kJ/m2
曲げ強さ
（a）架橋反応前
試験条件
−
227 MPa
高電流アーク発火性（HAI）
0.8 mm
PLC-0
ホットワイヤ発火性（HWI）
0.8 mm
PLC-0
GW（Glow Wire flammability）
3 mm
960 ℃
CTI
3 mm
600 V以上
60 mm角
2×1,014 Ω・cm
（b）架橋反応後
表面抵抗
（ 59 ）
特 集
ŖŜÝå 250 ℃付近Ýä融解温度付近Áÿ急激á 'zÂ低
成形樹脂ナイロン
富士時報 6OL.O
表
環境調和型材料技術の開発
樹脂ペレットの発生ガス総量
実現äÕ÷áåh枯渇性資源ݸā化石資源由来ä樹脂Ö
ハロゲン系
特 集
発生ガス量（mg/g）
ÇÝåàÅh生分解性樹脂材料ä開発Â重要áàāøäÞ
開発品
75
考¾Üºāg
4.7
あとがき
図
樹脂ペレット発生ガスのトータルイオンクロマトグラフ
地球環境保全äÕ÷ä資源循環型社会ä構築å省đĶŔ
検出強度
6×107
ėsÞÞøáh今後øôÏôÏ重要à分野ÞàāÞ考¾Ü
（a）ハロゲン系
ºāg環境保護Ĉ意識ÍÕ電子機器ä創出hÏàą×đŕ
7
4×10
ĘıŖĴĘĢ実装ä環境対応技術開発áåh金属h高分子h
2×107
有機j無機材料àߺÐĂøh微量元素ä添加Â大Ãà効
0
0
10
20
30
40
スキャン時間（min）
検出強度
ĔsàßÞä幅広º協業áþĀh系全体ä最適化Ĉ図Āh
有害物質ä代替h省đĶŔėsh可逆性ä¸ā材料開発à
6×107
（b）ハロゲンフリー系
ßáþĀh環境á優ͺ製品Ĉ提供ÍܺÅ考¾Ý¸āg
4×107
本件á関ÍÜh群馬大学大学院工学研究科荘司郁夫准教
7
授h東京農工大学大学院重原淳孝教授Áÿ多ÅäÊ指導Ĉ
2×10
0
果ĈøÕÿÏg今後øh大学h中立機関h素材j原料Ŋs
ºÕÖºÕg末筆àÂÿ関係各位á心Áÿ謝意Ĉ表Ïā次
0
10
20
30
40
スキャン時間（min）
第ݸāg
参考文献
大幅á減少ÍÜÀĀh汚ĂĈ促進Ïāþ¼àĕĢ成分ú高
沸点化合物øñÞĉß見ÿĂàºgôÕhĸŖěŜľœs
系ä発生ĕĢ総量åhĸŖěŜ系á比ï 10 % 以下Þh大
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以上äÉÞÁÿ反応型ĸŖěŜľœs難燃剤áþĀ難燃
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.
今後の成形材料技術
ĸŖěŜĈ含有ÍÕ従来ä難燃化樹脂Þ同等以上ä力学
的j電気的特性Ĉ有Ïā反応型ĸŖěŜľœs難燃剤Ĉ用
ºÕ環境調和型成形樹脂ijčŖŜĈ開発ÍÕg今後åh熱
硬化性樹脂ĈœĞčĘŔ性ä高ºh熱可塑性樹脂î代替Ï
āÉÞÝh全社製品îäĸŖěŜľœs難燃樹脂áþā成
形技術ä適用Ĉ図Āh環境á配慮ÍÕøäÚÅĀä推進á
尽力ÍÕºÞ考¾ÜºāgôÕ今後hþĀ高º循環型社会
解 説
solder
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JISSO
‡JISSOˆÞåh電子機器製造á関Ïā材料hŀŖĤ
続áh実装部品技術}半導体部品h受動部品h機構部
Ģh設計h検査àßh関連Ïā技術Ĉ称ÍÕ用語ݸāg
ŀœŜı配線板h
品~Áÿ実装技術}回路ĺĨsŜ設計h
一般的á用ºÿĂā‡実装ˆÞåh国語辞典àßÝ
åĉÖ材料håĉÖ材料供給h実装ŀŖĤĢj設備装
調ïāÞh
‡装置Ĉ構成Ïā部品Ĉ実際á取Ā付Çā
置h検査ŀŖĤĢj設備装置~áąÕā固有技術Þ全
ÉވÞ記ËĂܺāÂh電子機器ä製造分野Ý使用
体Ĉ最適化ÍÜ設計ÏāĠĢįʼn設計技術ÞĈ横断的
ËĂܺā実装Ýåh固有技術分野áþĀ用ºÿĂā
áÁÚ有機的á結éÚÇÕĠĢįʼn設計統合技術ÞÍ
範囲Â大ÃÅ異àāg例¾æh電子情報技術産業協会
Õ広º意味Ý JISSO Þ表現ÍܺāgÉĂå国際電気
}JEITA~ä‡日本実装技術ŖsIJŇĬŀˆá用語ä
定義Â記ËĂܺāÂh実装部品àßä装着úÓä接
（ 60 ）
標準会議}IEC~ú国際実装技術会議}JIC~àßÝ
ø採用ËĂh国際的á用ºÿĂܺā用語ݸāg
主要営業品目
富士電機システムズ株式会社
情報・通信・制御システム，水処理・計測システム，電力システム，放射線管理システム，FA・物流システム，環境シス
テム，電動力応用システム，産業用電源，車両用電機品，クリーンルーム設備，レーザ機器，ビジョン機器，電力量計，
変電システム，火力機器，水力機器，原子力機器，省エネルギーシステム，新エネルギーシステム，UPS，ミニUPS
富士電機機器制御株式会社
電磁開閉器，操作表示機器，制御リレー，タイマ，ガス関連機器，配線用遮断器，漏電遮断器，限流ヒューズ，高圧受配
電機器，電力制御機器，電力監視機器，交流電力調整器，検出用スイッチ，プログラマブルコントローラ，プログラマブル
操作表示器，ネットワーク機器，インダクションモータ，同期モータ，ギヤードモータ，ブレーキモータ，ファン，クーラ
ントポンプ，ブロワ，汎用インバータ，サーボシステム，加熱用インバータ
富士電機デバイステクノロジー株式会社
磁気記録媒体，パワートランジスタ，パワーモジュール，スマートパワーデバイス，整流ダイオード，モノリシックIC，
ハイブリッド IC，半導体センサ，サージアブソーバ，感光体，画像周辺機器
富士電機リテイルシステムズ株式会社
自動販売機，コインメカニズム，紙幣識別装置，貨幣処理システム，飲料ディスペンサ，自動給茶機，冷凍冷蔵ショーケー
ス，カードシステム
＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する商標または登録商標である場合があります。
富 士 時 報
第
80
巻
第
3
号
平 成
平 成
19 年 4 月 30 日
19 年 5 月 10 日
印 刷
発 行
定価 735 円 （本体 700 円・送料別）
編集兼発行人
原
嶋
孝
一
発
行
所
富士電機ńsŔİČŜęĢ株式会社
技術j知的財産権室
〒141 - 0032 東 京 都 品 川 区 大 崎 一 丁 目 1 1 番 2 号
（ゲートシティ大崎イーストタワー）
編
集
室
富士電機情報ĞsļĢ株 式 会 社 内
‡富士時報ˆ編集室
〒151 - 0053 東京都渋谷区代々木四丁目 30 番 3 号
（新宿コヤマビル）
電 話（03）5388 − 7826
FAX（03）5388 − 7988
印
刷
所
富士電機情報ĞsļĢ株式会社
〒151 - 0053 東京都渋谷区代々木四丁目 30 番 3 号
（新宿コヤマビル）
電 話（03）5388 − 8241
発
売
元
株 式 会 社 ē
s
ʼn
社
〒101 - 8460 東京都千代田区神田錦町三丁目 1 番地
電 話（03）3233 − 0641
振替口座 東京 6−20018
2007 Fuji Electric Holdings Co.，Ltd.，Printed in Japan（禁無断転載）
（ 62 ）
富士時報論文抄録
見えない微小欠陥の分析・解析技術
富士電機の解析・評価技術への取組み
瀬谷 彰利
富士時報
斎藤 明
立町 寛児
坂田 昌良
6OL.OP-（）
富士時報
瀧川 亜樹
6OL.OP-（）
幅広º製品群Ĉ有Ïā富士電機ęŔsŀÂęŖsĹŔà競争Ĉ勝
微小欠陥ä分析j解析áåh欠陥部ä断面薄膜試料Ĉ作製Í透過
×抜ÅÕ÷áh研究開発段階h生産段階h市場投入段階ä流Ăä中
型電子顕微鏡}TEM~Ý観察j分析Ïā手法Â有効ݸāg断面
Ýh解析j評価技術åôÏôÏ重要性Â増ÍÜÃܺāg分析技術
薄膜試料ä作製áå集束čēŜļsʼn}FIB~加工装置Â用ºÿĂ
Ýåh空間分解能ú微量分析ä極限îä挑戦äõàÿÐh開発担当
āgFIB 加工装置Ý位置ä検出ÂÝÃàº欠陥åh試料ä作製Â困
者Â知ĀÕº内容áÉÖąÙÕ分析ø実施ÍܺāgôÕh解析j
難ݸāgÉä場合h各種観察j分析装置ÝŇsĖŜęĈ繰Ā返Í
ĠňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ開発段階Ýä事前検討h最適化h実験Ý確
ÜhFIB 加工装置Ý欠陥位置Â観察ÝÃāþ¼áÏāàßä工夫Â
認ÝÃàºÉÞä検討àßá有効á活用Íܺāg本稿ÝåhÓĂ
重要ݸāg
ÔĂáÚºÜ背景Þ概要Ĉ述ïāg
半導体断面の解析技術
塩原 政彦
富士時報
市村 裕司
電子線および X 線による結晶性材料の構造解析技術
巻渕 陽一
石渡 統
6OL.OP-（）
富士時報
久保木 孔之
田森 妙
6OL.OP-（）
微細化j複雑化Ïā半導体İĹčĢáåhþĀ高度à接合技術Â
電子線hX 線å多Åä分析機器á利用ËĂÜÀĀh特á透過型
要求ËĂܺāgÓä接合状態Ĉh詳細á分析j解析ÏāÉÞÂ必
電子顕微鏡}TEM~Ĉ用ºÕ微細構造観察hX 線回折Ĉ用ºÕ結
要不可欠ݸāgÉäÕ÷h精密à断面試料作製技術ä果ÕÏ役割
晶構造解析å製品開発á必要不可欠à解析手法ݸāg製品ä高性
åhôÏôÏ重要áàÙÜÃܺāg機械研磨法hňĘŖısʼn法h
能化j高品質化Â進ö中ÝhþĀ微小à領域hþĀ薄º膜Ĉ対象Þ
CP 法hFIB 法Ĉ活用Íh断面解析Â困難ÞËĂā軟質材料ú薄膜
ÍÕ解析Â求÷ÿĂÜÀĀhÓäþ¼à難度ä高º課題á対ÍÜ
ä金属間化合物解析á取Ā組õhÓäÕ÷ä精密断面試料作製技術
åh幾ÚÁä分析手法Ĉ組õ合ąÑāÉÞÂ有効ݸāg本稿Ýåh
Ĉ確立ÍÕg
TEM Þ放射光 X 線Ĉ相補的á用ºÕh磁気記録媒体Àþé SiC đ
ĽĨĖĠŌŔ成長層ä結晶構造解析例Ĉ紹介Ïāg
薄膜の結晶構造解析技術（In-Plane X 線回折法および電子
線後方散乱回折像）
鈴木 克紀
富士時報
大山 浩永
SPring-8 によるハードディスク用磁性薄膜の結晶構造解析
技術
田沼 良平
佐々木 弘次
6OL.OP-（）
富士時報
久保木 孔之
久保 登士和
6OL.OP-（）
富士電機Ýåh半導体h磁気記録媒体h有機感光体}OPC~à
垂直磁気記録媒体áÀºÜh磁気異方性低下ä一要因Þ考¾ÿĂ
ßä多様à電子İĹčĢä製造Ĉ行ÙܺāgÓĂÿÏïÜá対応
ܺā積層欠陥}SF~Ĉ X 線回折áþĀ定量化Ïā新手法Ĉ開発
Ïā結晶構造解析技術Ĉ構築ÍhËÿáÓä高度化Ĉ進÷ܺāg
ÍÕgSF å X 線回折ĽsĘä広ÂĀÞÍÜ検出ÝÃāÂhĽsĘ
本稿Ýåh非常á薄º最表面層}10 nm 程度~ä構造解析á強º力
形状å結晶ä配向性àßä影響ø受ÇāÕ÷hÉĂôÝ SF Ĉ定量
Ĉ発揮Ïā In-Plane X 線回折測定ÞĞĿ –N ēsĩsä結晶構造
的á評価ÏāÉÞÂ困難ݸÙÕg新手法Ýå逆格子空間ŇĬĽŜ
ä可視化á有効à電子線後方散乱回折像}EBSP~ä適用事例áÚ
ęáþĀ SF 起因äĽsĘ広ÂĀäõĈ分離ÍÜ解析ÏāÉÞÂÝ
ÃāgÉä手法áþĀ CoPtCr-SiO2 媒体Ýå SF 濃度増加Ĉ防ÆÕ
ºÜ述ïāg
÷á Pt 濃度Ĉ 15 at% 以下ÞÏïÃݸāÉÞÂ分ÁÙÕg
低圧遮断器モールド筐体の強度解析技術
中野 雅祥
富士時報
ディ シルワー ヘーマンタ
低圧遮断器のガス流解析技術
外山 健太郎
6OL.OP-（）
中村 修
富士時報
恩地 俊行
6OL.OP-（）
低圧遮断器ä筐体}Ãý¼Õº~åhŋsŔIJ品ݸĀh短絡電
短絡事故ä発生時á配電系統ĈĩŊsġÁÿ保護Ïā低圧遮断器
流遮断時ä数 ms v 10 ms 程度äÊÅ短時間Ý大気圧Áÿ最大Ý数
åh大電流遮断時á発生ÏāċsĘäđĶŔėsáþĀ内部圧力Â
MPa á上昇Ïā圧力Ĉ考慮ÍÕ設計Â重要ݸāg富士電機Ýåh
1 MPa 以上áø達ÏāÕ÷h筐体}Ãý¼Õº~ä強度確保Â要求
ŋsŔIJ品ä強度解析技術ä構築Ĉ進÷ܺāg今回hŋİŔ器á
ËĂāgôÕh遮断部åÃą÷Ü高温状態áàāÕ÷h生成ÍÕÏ
þā事前検証試験áÜ得Õ筐体内部ä圧力分布Ĉ入力条件ÞÍh分
Ïú金属粒子Â内壁ú部品î付着ÏāÉÞáþĀ生Îā耐電圧性能
割構成ËĂÕ筐体同士Ĉ締結ÍܺāãÎøŋİŔ化ÏāÉÞÝ筐
ä低下îä対策Â必要ÞàāgÓÉÝ今回hċsĘä発熱ú構造物
体全体ä強度Ĉ一括Ý解析Ïā技術Ĉ確立ÍÕg
ä消耗Ĉ考慮ÍÕ流体解析áþĀh遮断器ä内部圧力ú生成物ä挙
動ä評価Ĉ行ÙÕäÝhÓä概要Ĉ報告Ïāg
!BSTRACTS&UJI%LECTRIC*OURNAL
!NALYSIS4ECHNOLOGYFOR5NOBSERVABLE-INUTE
$EFECTS
+ANJI4ATEMACHI
!KI4AKIGAWA
&UJI%LECTRICS%FFORTS#ONCERNING!NALYSISAND
3IMULATION4ECHNOLOGIES
!KITOSHI3EYA
!KIRA3AITO
-ASAYOSHI3AKATA
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
:KHQDQDO\]LQJPLQXWHGHIHFWVDQHIIHFWLYHWHFKQLTXHLVWRSUH
SDUHDFURVVVHFWLRQWKLQILOPVDPSOHRIWKHGHIHFWLYHDUHDDQGWKHQ
XVHDWUDQVPLVVLRQHOHFWURQPLFURVFRSH7(0WRREVHUYHDQGDQDO\]H
WKHVDPSOH$IRFXVHGLRQEHDP),%SURFHVVLQJV\VWHPLVXVHGWR
SUHSDUHFURVVVHFWLRQWKLQÀOPVDPSOHV+RZHYHUVXFKVDPSOHVDUH
GLIÀFXOWWRSUHSDUHLIWKHORFDWLRQRIWKHGHIHFWFDQQRWEHGHWHFWHGZKHQ
XVLQJWKH),%SURFHVVLQJV\VWHP,QWKLVFDVHLWLVLPSRUWDQWWRGHYLVH
VRPHPHWKRGVXFKDVE\UHSHDWHGO\PDUNLQJZLWKYDULRXVREVHUYDWLRQ
DQG DQDO\VLV V\VWHPV VR WKDW WKHGHIHFWORFDWLRQZLOOEHREVHUYDEOH
ZLWKWKH),%SURFHVVLQJV\VWHP
,Q RUGHU WR VXFFHHG DJDLQVW JOREDO FRPSHWLWLRQ LW LV EHFRPLQJ
LQFUHDVLQJO\LPSRUWDQWIRUWKH)XML(OHFWULF*URXSZKLFKKDVDZLGH
UDQJHRISURGXFWJURXSVWRXVHDQDO\VLVDQGVLPXODWLRQWHFKQRORJLHV
LQ HDFK RI WKH VWDJHV RI 5' SURGXFWLRQ DQG PDUNHW LQWURGXFWLRQ
$QDO\VLVWHFKQRORJ\LVEHLQJXWLOL]HGQRWRQO\WRFKDOOHQJHWKHOLPLWV
RIVSDWLDOUHVROXWLRQDQGPLFURDQDO\VLVEXWWKHGHYHORSHUVWKHPVHOYHV
DUHDOVRLPSOHPHQWLQJSDUWLFXODUDQDO\VHVDFFRUGLQJWRWKHLULQWHUHVWV
0RUHRYHUDQDO\VLVDQGVLPXODWLRQWHFKQRORJLHVDUHEHLQJXWLOL]HGHI
IHFWLYHO\LQVWXG\LQJDGYDQFHUHYLHZVRSWLPL]DWLRQDQGVWXG\LQJWKLQJV
WKDWFDQQRWEHYHULÀHGDWWKHH[SHULPHQWDOWHVW7KLVSDSHUGLVFXVVHV
WKHEDFNJURXQGDQGSUHVHQWVDQRYHUYLHZRIWKHVHWHFKQRORJLHV
#RYSTALLOGRAPHIC!NALYSIS5SINGAN%LECTRON"EAM
AND8RAY"EAM
3EMICONDUCTOR#ROSSSECTION!NALYSIS4ECHNOLOGY
9OUICHI-AKIFUCHI
9OSHIYUKI+UBOKI
4AE4AMORI
-ASAHIKO3HIOHARA
9UUJI)CHIMURA
/SAMU)SHIWATA
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
(OHFWURQ EHDPV DQG ;UD\V DUH XVHG LQ PDQ\ W\SHV RI DQDO\VLV
DQGLQSDUWLFXODUWKHWHFKQLTXHVRIXVLQJDWUDQVPLVVLRQHOHFWURQPL
FURVFRSH7(0WRREVHUYHPLFURVFRSLFVWUXFWXUHVDQGRIXVLQJ;UD\
GLIIUDFWLRQ ;5' IRU FU\VWDOORJUDSKLF DQDO\VLV DUH LQGLVSHQVDEOH IRU
SURGXFWGHYHORSPHQW$VKLJKSHUIRUPDQFHDQGKLJKTXDOLW\RISURG
XFWVDQDO\VLVRIVPDOOHUDUHDVDQGWKLQQHUÀOPVLVEHLQJQHFHVVDU\LV
UHTXLUHGDQGWKHFRPELQDWLRQRIPXOWLSOHDQDO\VLVWHFKQLTXHVLVHIIHF
WLYHWRVROYHVXFKGLIÀFXOWSUREOHPV7KLVSDSHUGHVFULEHVWKHH[DPSOH
RIFU\VWDOORJUDSKLFDQDO\VLVRIPDJQHWLFUHFRUGLQJPHGLDDQGD6L&HSL
WD[LDOOD\HUXVLQJERWK7(0DQGV\QFKURWURQUDGLDWLRQ;5'
0RUHDGYDQFHGERQGLQJWHFKQRORJ\LVUHTXLUHGIRUVHPLFRQGXF
WRU GHYLFHV ZKLFK DUH WUHQGLQJ WRZDUG VPDOOHU VL]HV DQG LQFUHDVHG
FRPSOH[LW\7KHWHFKQRORJ\IRUSHUIRUPLQJDGHWDLOHGDQDO\VLVRIWKH
ERQGLQJVWDWXVLVDOVRLQGLVSHQVDEOH)RUWKLVUHDVRQWKHWHFKQRORJ\
IRUSUHSDULQJSUHFLVHFURVVVHFWLRQVDPSOHVLVEHFRPLQJLQFUHDVLQJO\
LPSRUWDQW$GGUHVVLQJWKHGLIILFXOW\RILPSOHPHQWLQJFURVVVHFWLRQDO
DQDO\VHVRIIOH[LEOHDQGWKLQILOPLQWHUPHWDOOLFFRPSRXQGVZHKDYH
VXFFHVVIXOO\ HVWDEOLVKHG SUHFLVLRQ FURVVVHFWLRQ VDPSOH SUHSDUDWLRQ
WHFKQRORJ\ XWLOL]LQJ PHFKDQLFDO SROLVKLQJ PLFURWRPH &3 DQG ),%
WHFKQLTXHV
#RYSTALLOGRAPHIC!NALYSISOF(ARDDISC-AGNETIC4HIN
&ILM5SING30RING
#RYSTAL3TRUCTURE!NALYSISOF4HIN&ILM'RAZING)NCIDENCE)NPLANE
8RAY$IFFRACTIONAND%LECTRON"ACKSCATTERING$IFFRACTION0ROlLE
2YOHEI4ANUMA
9OSHIYUKI+UBOKI
4OSHIKAZU+UBO
+ATSUNORI3UZUKI
(IROHISA/HYAMA
+OJI3ASAKI
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
7KLV SDSHU GHVFULEHV D V\QFKURWURQ UDGLDWLRQ JUD]LQJLQFLGHQFH
;UD\ GLIIUDFWLRQ PHWKRG IRU TXDQWLWDWLYH DQDO\VLV RI VWDFNLQJ IDXOWV
6)ZKLFKFDXVHDGHFUHDVHLQPDJQHWLFDQLVRWURS\LQSHUSHQGLFXODU
PDJQHWLF UHFRUGLQJ PHGLD 7KLV QHZ PHWKRG XVHV UHFLSURFDO VSDFH
PDSSLQJ LQ ZKLFK WKH 6) FRQFHQWUDWLRQ FDQ EH HVWLPDWHG IURP WKH
EURDGHQLQJRIGLIIUDFWLRQSHDNV%HFDXVHWKHVKDSHRIWKHSHDNLVDOVR
DIIHFWHGE\FU\VWDOTXDOLW\WKHTXDQWLWDWLYHHYDOXDWLRQRI6)VKDGEHHQ
GLIÀFXOW8VLQJWKLVQHZPHWKRGZHIRXQGWKDWWKH3WFRQFHQWUDWLRQ
VKRXOGEHOHVVWKDQ DWLQRUGHUWRDYRLGDQLQFUHDVHLQ6)FRQFHQ
WUDWLRQLQWKH&R3W&U6L2PHGLD
)XML(OHFWULFKDVEHHQPDQXIDFWXULQJYDULRXVHOHFWURQLFGHYLFHV
VXFKDVVHPLFRQGXFWRUVPDJQHWLFUHFRUGLQJPHGLDDQGRUJDQLFSKRWR
FRQGXFWRUV23&V&U\VWDOVWUXFWXUHDQDO\VLVWHFKQLTXHVIRUDOOWKHVH
GHYLFHVKDYHEHHQHVWDEOLVKHGDQGDUHEHLQJDGYDQFHGIRUKLJKHUSHU
IRUPDQFH
7KLVSDSHUGHVFULEHVWKHDSSOLFDWLRQRILQSODQHJUD]LQJLQFLGHQFH
;UD\GLIIUDFWLRQZKLFKLVDSRZHUIXOWHFKQLTXHIRUWKHVWUXFWXUDODQDO\
VLVRIYHU\WKLQVXUIDFHOD\HUVRIDSSUR[LPDWHO\QPLQWKLFNQHVV
DQGHOHFWURQEDFNVFDWWHULQJGLIIUDFWLRQSURÀOH(%63ZKLFKLVHIIHFWLYH
IRUYLVXDOL]LQJVXEPLFURQVL]HFU\VWDOVWUXFWXUHV
'AS&LOW3IMULATIONIN,OWVOLTAGE#IRCUIT"REAKER
!NALYSISOF3TRENGTHFOR-OLDED#ASE#IRCUIT"REAKERS
/SAMU.AKAMURA
4OSHIYUKI/NCHI
-ASAAKI.AKANO
$E3ILVA(EMANTHA
+ENTARO4OYAMA
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
7KHVWUHQJWKRIPROGHGFDVHVWKDWKRXVHORZYROWDJHFLUFXLWEUHDN
HUVZKLFKSURWHFWGLVWULEXWLRQV\VWHPVIURPGDPDJHZKHQDVKRUWFLU
FXLWIDXOWRFFXUVPXVWEHYHULÀHGLQRUGHUWRHQVXUHVXIÀFLHQWVWUHQJWK
WRZLWKVWDQGWKHULVHLQLQWHUQDOSUHVVXUHWR 03DRUDERYHGXHWRWKH
DUFHQHUJ\JHQHUDWHGGXULQJWKHEUHDNLQJRIDODUJHFXUUHQW$OVREH
FDXVHWKHEUHDNLQJXQLWUHDFKHVDQH[WUHPHO\KLJKWHPSHUDWXUHVRRW
DQGPHWDOOLFSDUWLFOHVDUHJHQHUDWHGDQGDGKHUHWRWKHLQQHUZDOOVDQG
WRRWKHUFRPSRQHQWVDQGWKXVVRPHPHDVXUHPXVWEHLPSOHPHQWHGWR
SUHYHQWDGHFUHDVHLQWKHZLWKVWDQGYROWDJHSHUIRUPDQFH8VLQJFRP
SXWDWLRQDOÁXLGG\QDPLFVWKDWWDNHLQWRDFFRXQWWKHKHDWJHQHUDWHGE\
WKHDUFDQGZHDURIWKHSK\VLFDOVWUXFWXUH)XML(OHFWULFKDVHYDOXDWHG
WKHLQWHUQDOSUHVVXUHRIWKHFLUFXLWEUHDNHUDQGWKHEHKDYLRURIWKHJHQ
HUDWHGE\SURGXFWVDQGWKLVSDSHUUHSRUWVDVXPPDU\WKHUHRI
/RZYROWDJHFLUFXLWEUHDNHUFDVHVDUHPROGHGSURGXFWVDQGLWLV
LPSRUWDQWWKDWWKH\EHGHVLJQHGLQFRQVLGHUDWLRQRIWKHSUHVVXUHULVH
IURPDWPRVSKHULFSUHVVXUHWRVHYHUDO03DGXULQJWKHH[WUHPHO\VKRUW
WLPHLQWHUYDORIVKRUWFLUFXLWFXUUHQWEUHDNLQJZKLFKUDQJHVIURPDS
SUR[LPDWHO\VHYHUDOPLOOLVHFRQGVWRPV)XML(OHFWULFLVZRUNLQJWR
HVWDEOLVKVWUHQJWKDQDO\VLVWHFKQRORJ\IRUPROGHGSURGXFWV8VLQJWKH
FDVHLQWHUQDOSUHVVXUHGLVWULEXWLRQREWDLQHGWKURXJKDGYDQFHYHULIL
FDWLRQWHVWLQJXVLQJDPRGHOHGGHYLFHDVDQLQSXWFRQGLWLRQDQGE\
DOVRPRGHOLQJWKHVFUHZVWKDWHQJDJHSDUWLWLRQHGFDVHV)XML(OHFWULF
UHFHQWO\HVWDEOLVKHGWHFKQRORJ\IRUDQDO\]LQJLQDEDWFKSURFHVVWKH
VWUHQJWKRIDQHQWLUHFDVH
高効率熱交換器の流動・伝熱解析技術
高野 幸裕
岩崎 正道
富士時報
CO2 冷媒を用いた自動販売機用冷凍サイクル解析技術
6OL.OP-（）
冷凍j冷蔵機器ä省đĶŔės化ä主àċčįʼnÞÍÜh冷却
ĠĢįʼnä高効率化¸āg高効率化ä課題å熱交換器ä高性能化h
富士時報
土屋 敏章
6OL.OP-（）
地球温暖化防止äÕ÷h環境á優ͺ自動販売機ÞÍÜ自然冷媒
ݸā二酸化炭素}CO2~Ĉ用ºÕķŜľŖŜ自動販売機Ĉ開発Í
特á熱交換器ľČŜä熱伝達率ä向上ݸāgôÕh冷凍j冷蔵用
ܺāg機種数ä拡大Þ開発効率化äÕ÷áåhCO2 冷媒á対応Í
熱交換器Ýå結露ú着霜áþā圧力損失ä増大Â問題ÞàāgÓÉ
Õ自動販売機用ä冷凍機性能ĠňŎŕsĨÂ必要ݸāg本稿Ýåh
Ýh低圧力損失h高熱伝達Ĉ実現可能à渦発生体Ĉ用ºÕ熱交換器
冷媒特性ú CO2 冷凍ĞčĘŔáÜ追加ËĂÕ各冷凍機器á対応Ï
Ĉ考案Íh渦発生体ä形状h配置ä最適化Ĉ図ā¼¾ÝhľČŜ上
āÕ÷h評価装置áþā特性ä定式化Þ新Õà計算ċŔĝœģʼnä
ä空気流動Àþé伝熱現象Ĉ明ÿÁáÏā流Ăä可視化ú熱流体Ġ
構築Ĉ行ÙÜh冷凍機性能Ĉ計算ÝÃā冷凍ĞčĘŔĠňŎŕsĨ
ňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ確立ÍÕg
Ĉ開発ÍÕäÝ紹介Ïāg
汎用インバータの熱冷却解析技術
化学反応を伴う流れ解析技術
山本 勉
富士時報
鳩崎 芳久
榎並 義晶
6OL.OP-（）
富士時報
金子 公寿
松本 悟史
6OL.OP-（）
汎用čŜĹsĨ内部äĺŘsŋġŎsŔä冷却åh冷却体Þ冷却
ĠœĜŜďĐsĸäďđĬıđĬĪŜęÀþéņœĠœĜŜ
ľĊŜÁÿ成ā非常á単純ÁÚ安価à構造áþĀ実現ËĂāÂhÓ
CVD 炉ä二Úä事例áÚºÜ化学反応Ĉ伴¼流Ă解析ä事例Ĉ記
ä性能å装置ä体格ú信頼性á強º影響Ĉ及òÏg本稿Ýåhĺ
載ÍÕgďđĬıđĬĪŜęä解析Ýå重要à化学種ݸā HNO3
ŘsŋġŎsŔ冷却性能向上á向ÇÕ取組õÞÍÜh熱流体ĠňŎ
ä濃度Ĉ自由表面流Ăä中Ý解ÃhđĬĪŜę速度Â実験Þ解析Þ
ŕsĠŐŜ技術ä適用áþĀh冷却風流ĂÞ部品配置ä最適化á取
Ý同様ä傾向áàāÉÞĈ確認ÍÕgņœĠœĜŜ CVD 炉ä解析
Ā組ĉÖ事例áÚºÜ紹介Ïāg
Ýå九Úä化学種Þ 18 ä素反応Ĉ解ºÜ実験Þ定量的á一致Ïā
成膜速度Â得ÿĂh化学反応j熱j流Ăä連成解析Â CVD 炉内ä
条件Ĉ再現Ïā有力à手法ݸāÉÞÂ分ÁÙÕg
鋳造シミュレーション技術
岩倉 忠弘
富士時報
発電機ロータコイルろう付け部の非破壊診断技術
鳩崎 芳久
岡本 浩一
6OL.OP-（）
富士時報
6OL.OP-（）
鋳物ä中Ýh特áĩčĔĢı製品åh鋳巣ú変形àßä品質ä問
発電機ŖsĨĜčŔäă¼付Ç部áå運転中á熱応力ú遠心力Â
題h短期間Ýä量産立上ÈhËÿàāĜĢıĩďŜ要求á応¾āÞ
作用ÏāÕ÷h高º接合信頼性Â要求ËĂāg現在hă¼付Ç部ä
ºÙÕ課題¸āgÉĂÿĈ解決ÏāÕ÷áåh開発段階Ý製造性
品質確認å予備ĜčŔáþā破壊検査Þ熟練者áþā目視外観検査
Ĉ考慮ÍÕ製品設計Þ科学的à根拠á基ÛºÕ鋳造方案ä策定Â不
á依存Íܺāg富士電機Ýåă¼付Ç品質ä向上Þ安定化Ĉ目的
可欠Þàāg本稿Ýåh汎用čŜĹsĨäċŔňĩčĔĢı製Ļs
ÞÍÜh超音波áþāă¼付Ç部非破壊診断ĠĢįʼnä開発Ĉ進÷
ıĠŜĘä製品開発h量産化áÀºÜh近年hÓä機能Â大幅á向
ÜÃÕg本稿Ýåh診断ĠĢįʼnä概要áÚºÜ紹介Ïāg
上ÍÕ鋳造ĠňŎŕsĠŐŜ技術Ĉ適用Íh効果ä¸ÙÕ事例Ĉ紹
介Ïāg
環境調和型材料技術の開発
渡邉 裕彦
富士時報
日高 昇
柳瀬 博雅
6OL.OP-（）
地球環境保護ä観点Áÿ電子機器á使用ËĂܺā有害物質Ĉ使
用Íàº取組õÂ積極的á検討ËĂܺāgôÕ欧州連合ä RoHS
指令ĈåÎ÷h中国h韓国ñÁ世界中á法規制Â拡大Íܺāg富
士電機Ýå積極的á環境調和型材料ä開発á取Ā組ĉÝÀĀhÉä
規制á対応ÍÕ材料開発ä¼×h成形樹脂用反応型ķŜĸŖěŜ難
燃化技術ä開発Þh鉛ľœsåĉÖ材料ä 2 įsŇáÚºÜ紹介Ï
āg
#ARBON$IOXIDE2EFRIGERANT#YCLE3IMULATION
4ECHNOLOGYFOR6ENDING-ACHINES
9UKIHIRO4AKANO
4OSHIAKI4SUCHIYA
!NALYSISOF&LUID&LOWAND(EAT4RANSFEROFA(IGH
EFlCIENCY(EAT%XCHANGER
-ASAMICHI)WASAKI
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
&UJI%LECTRIC*OURNAL6OL.OP-
,QRUGHUWRKHOSSUHYHQWJOREDOZDUPLQJ&)&IUHHYHQGLQJPD
FKLQHVWKDWXVHWKHQDWXUDOFRRODQWRI&2DUHEHLQJGHYHORSHGDVHQ
YLURQPHQWDOO\IULHQGO\YHQGLQJPDFKLQHV7RHYDOXDWHWKHLQFUHDVLQJ
QXPEHURIUHIULJHUDWLRQPRGHOVDQGWRERRVWGHYHORSPHQWDOHIÀFLHQF\
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昭和 40 年 6 月 3 日 第三種郵便物認可 平成 19 年 5 月 10 日発行（年 6 回 1，3，5，7，9，11 月の 10 日発行）富士時報 第 80 巻 第 3 号（通巻第 844 号）
本誌は再生紙を使用しています。
雑誌コード 07797-5 定価 735 円（本体 700 円）