JP2009088133A - 溝付ボンディングワイヤ用スプール - Google Patents

Abstract

【課題】 第１列のボンディングワイヤとスプール胴部とのあいだに隙間が生じることがなく、また、第１列のボンディングワイヤと第２列のボンディングワイヤが交差せずに巻いていくことができるスプールを提供することを目的とする。
【解決手段】 円筒状胴部とその両側に突出したフランジ部とからなり、一方のフランジ部の外周縁から円筒状胴部へ連なる案内溝を設けたボンディングワイヤ用スブ−ルにおいて、円筒状胴部の円筒面の途中からフランジ部との交差部に向けて凹面状に削り取られた蹄（ひずめ）形溝が、案内溝と連接して形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体装置の接続に用いられるボンディングワイヤを供給するためのスプールの構造に関し、特に純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金からなる高電流半導体装置用のボンディングワイヤに適したスプールの構造に関する。

半導体装置の接続に用いられるボンディングワイヤや電源ラインのフィルタコイル等の巻線をモータによって機械的に巻き取ろうとすると、その巻き始めのワイヤ処理が困難であった。そのため、従来から案内溝を用いて巻き始める方法が知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
例えば、特許文献１には、「ワイヤーその他の線条を芯軸上に周回させて収容する巻取ドラムの一部に巻付端初の線条を引出し状とする」（同公報１ページ左欄１７−１９行・第１図）ことが記載されている。

また、特許文献２には、「線材１４の先端を加圧ガイド１８に挟み込み、線材１４を巻枠１の周胴部１ａに接するように張っておく。……巻枠１をモータ１０で回転させる。これにより、線材１４は巻枠１の切欠溝６に引掛かり、線材１４の切欠溝１４よりも先端側の部分は外周溝５に巻かれ、基端側部分は周部胴部１ａに巻かれる。」（同公報２ページ右上欄４−１２行、第４図）ことが記載されている。さらに、特許文献３には、「円筒部材の巻き取り面に対して接線となる位置に溝を備え」（「実用新案登録請求の範囲」中、第１図）ることが記載されている。

本発明のスプールも、このような従来の案内溝を用いる方式を踏襲するものである。ここで、ボンディングワイヤの線径は細いので（一般的な高純度Ａｌ線またはＡｌ合金線の線径は０．１〜１．０ｍｍのオーダーである。）、案内溝の入口形状は細線が入り込みやすいように切欠きやラッパ状にすることが一般的である。案内溝の形状は、基本的に、直線状であるが、先すぼみのサイクロイドなどの曲線状にすることもできる。
また、案内溝の深さは、最も浅いところでも使用する高純度Ａｌ線またはＡｌ合金線の最大線径よりも大きな深さの溝にし、その溝にスロープを設け、円筒状胴部に近づくにつれ漸次浅くすることが通常である。このような案内溝を通ったボンディングワイヤは、案内溝から円筒状胴部へと移り、スプールに巻かれていく。

図１、図２および図３を用いて、スプールを用いた基本的な巻き取り工程を簡単に説明する。
図１は、固定ガイド１、可動ガイド２、案内クランプ３、スプール４およびボンディングワイヤ５の相対的な位置関係を示し、図２はこれを模式的に表した図である。図３は、巻き取り工程を示す模式的工程分解図である。
半導体装置用のボンディングワイヤ５は、所定の引張り強さや伸び率等の機械的特性が調整され、ボビン（図１の右方外に置かれていることとする）に巻かれている。このボビンから巻き解かれたボンディングワイヤ５は、以下に述べるように、スプールに巻き取られる。
図１に示すように、ボビンから出たボンディングワイヤ５は、その先端が案内クランプ３によって挟持され、固定ガイド１、可動ガイド２を経由して、スプール４方向に案内される。
この案内クランプ３によって挟持されたボンディングワイヤ５は、まず、案内クランプ３および可動ガイド２によってスプール４の外側の所定位置に隣接して載置させる（図２、図３（ａ））。次いで、載置されたボンディングワイヤ５の先端をスプール４の外側に設けた適当な固定手段で固定する（図３（ｃ））。固定手段は、例えば、スプール４の外側の所定位置に取り付けた固定クランプ１３（図３）によってボンディングワイヤの先端部分を挟んで固定する。ボンディングワイヤ５の先端部分が固定されると、案内クランプ３はボンディングワイヤ５から離れ、最初の位置に戻って、ボンディングワイヤの所定量がスプールに巻き終わるまで待機する（図３（ｄ））。

次いで、モータによりスプール４を回転させながら可動ガイド２をスプール４の内側に移動させる（図３（ｅ）上）と、ボンディングワイヤ５が溝付受け口６を越え、スプール４の円筒状胴部７の上方に位置するよう案内される（図３（ｅ））。モータにより更にスプール４を回転させ、ボンディングワイヤ５がスプール４の案内溝８と係合し、更なるスプール４の回転につれて、ボンディングワイヤ５がフランジ９の案内溝８に順次収まる。

この後、図示しないモータによりスプール４を回転させ、可動ガイド２をトラバースさせながらボンディングワイヤ５を所定の張力で円筒状胴部７上を端から端まで巻いていく。この動作を繰り返して多段に巻いていき、数百ないし数千ｍ程度までの必要な長さのボンディングワイヤ巻線を得る。
最後は可動ガイド２が溝なし受け口１１にきたところでモータを止め、可動ガイド２を移動させ、待機していた案内クランプ３によってボンディングワイヤ５を挟持させてスプール４の外側方向に案内し、ボンディングワイヤ５が溝なし受け口１１を越えたところでボンディングワイヤ５を切断し、その切断後端をスプールに固定して保持・固定させる。
最後に、両フランジ９、９’の外側面にあるボンディングワイヤ５をテープ等で止めている。

実公昭３９−３７５１５号公報 特開昭５９−１２０１８号公報 実願昭６３−８２８６３号（実開平２−４８６６号）のマイクロフィルム

ところが、これまでの溝付スプールでは、スプール４の外側のクランプによって一端が固定されたボンディングワイヤ５は、スプール４のフランジ９の外側に配置された可動ガイド２によって他端が位置決めされる。すなわち、ボンディングワイヤ５の第１列は、スプール４の円筒状胴部７に斜め上方に案内され、円筒状胴部７がフランジ９と交差する個所に当接され、その円筒状胴部７の交差個所と可動ガイド２とによってボンディングワイヤ５の第１列目が位置決めされることになる。円筒状胴部７の交差個所から可動ガイド２まで距離があるため、この斜め上方に案内されボンディングワイヤに張力をかけなければそのままの角度で円筒状胴部７に巻きついてしまう。よって、釣り糸やモータコイルのような細線では十分な張力を加えてワイヤのたるみを除去していた。
他方、ボンディングワイヤは、半導体装置を接続するためのものなので、最終熱処理によって伸びや引っ張り強度等の機械的性質があらかじめ調整されている。このため、釣り糸やモータコイルのような細線とは異なり、あらかじめ調整されたボンディングワイヤの場合は、スプールに巻き取る際に外部から必要以上の余分の外力を加えると、折れ曲がったり、ワイヤ特性が異なったりして、ボンディングワイヤの特性に悪影響を与える可能性がある。

これまでのスプールは、上述したように、円筒部材（円筒状胴部）の巻き取り面に対して接線となる位置に溝を備えるものであって、フランジから円筒状胴部への移行部分に格別の措置・機構が施されていなかった。そのため、フランジの溝から離れつつ円筒状胴部上へ移行するボンディングワイヤを円筒状胴部へたるみなく位置決めしようとすると、適当な張力を加えることができなければ、ボンディングワイヤが円筒状胴部へ山形に張り付いて、円筒状胴部の外周面とフランジの内側面との交差部１０（図２）上の位置に当接させることが困難であった。特に、ボンディングワイヤが細くなればなるほど、余分の外力を加えることができにくくなるため、その取扱いが困難になっていた。

このため、本来であれば第１列（巻）のボンディングワイヤの横に第２列のボンディングワイヤがくるべきところ、第１列のボンディングワイヤが山形に湾曲してスプール胴部に密着していないため、第１列のボンディングワイヤとスプール胴部との隙間に第２列のボンディングワイヤが入り込んだり、第１列のボンディングワイヤと第２列のボンディングワイヤの配列が逆になったりすることがあった。

上記問題点に鑑み、本発明は、第１列のボンディングワイヤとスプール胴部とのあいだに隙間が生じることがなく、ボンディングワイヤの最初に巻き始められる位置決めを容易に確実にすることができる溝付スプールを提供することを目的とする。特に、第１列のボンディングワイヤと第２列のボンディングワイヤが交差せずに巻いていくことができるスプールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の溝付ボンディングワイヤ用スプールは、円筒状胴部とその両側に突出したフランジ部とからなり、一方のフランジ部の外周縁から円筒状胴部へ連なる案内溝を設けたボンディングワイヤ用スブ−ルにおいて、円筒状胴部の円筒面の途中からフランジ部との交差部に向けて凹面状に削り取られた蹄（ひずめ）形溝が、案内溝と連接して形成されていることを特徴とする。

中でも、当該蹄（ひずめ）形溝のフランジ面から円筒長手方向に向かっての最大高さがボンディングワイヤの直径よりも大きいことが好ましい。このようにすると、斜め後方から案内されたボンディングワイヤが蹄（ひずめ）形溝に当たり、その進行方向が修正され、ボンディングワイヤの第１列がより一層円筒状胴部の最内層から開始しやすくなるからである。更に、ボンディングワイヤの第２列が当該蹄（ひずめ）形溝に当接してからボンディングワイヤの第１列に整列されるため、ボンディングワイヤの第１列と第２列はきちんと隣接する状態に整列して巻かれることになる。
以後は、従来と同様に、可動ガイド２をトラバースさせながらボンディングワイヤ５を所定の張力で円筒状胴部７上を端から端まで第１層を巻いていく。この動作を繰り返して多層に巻いていき、数百ないし数千ｍ程度までの必要な長さのボンディングワイヤ巻線を得ることができる。
また、当該蹄（ひずめ）形溝の円筒面から中心線に向かっての最大深さがボンディングワイヤの半径以上であることが好ましい。このようにすると、円筒状胴部に沿って巻かれやすくなり、安定して巻き取ることができるからである。

スプールは、射出成形された熱可塑性樹脂からなることが好ましい。製作が容易だからである。
さらに、ボンディングワイヤの材質は、純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金である場合に、特に適している。

本発明のスプールを用いると、第１列のボンディングワイヤと円筒状胴部とのあいだにまったく隙間を生じさせずに巻き始めることができるので、ボンディングワイヤのたるみによる最初の巻き不良をなくすことができる。また、第２列のボンディングワイヤを第１列のボンディングワイヤに隣接並列する状態に整列させて巻き取ることができるので、第２列めと第１列めのボンディングワイヤが逆転することがない。

図３を用いて本発明のスプールを用いた基本的な巻き取り工程を、再度、簡単に説明する。
図３（ａ）は、可動ガイド２を通り案内クランプ３によって挟持されたボンディングワイヤ５がスプール４の外側の所定位置にある状態を示す。ここで、スプール４の外側にある固定クランプ１３は開いた状態になっている。次いで、図３（ｂ）に示すように、ボンディングワイヤ５が固定クランプ１３に載置されるように可動ガイド２および案内クランプ３が移動する。この状態から図３（ｃ）に示すように、固定クランプ１３が閉じてボンディングワイヤ５の先端がスプール４の外側で固定される。次いで、図３（ｄ）に示すように、案内クランプ３がボンディングワイヤ５を離し、スプール４から離れて最初の位置に戻ってボンディングワイヤがスプールに巻き終わるまで待機する。

次いで、図３（ｅ）に示すように、可動ガイド２をスプール４の内側に移動させた後、ボンディングワイヤ５がスプール４の溝付受け口６を経由し案内溝８に入り込むまでスプール４をモータによって回転する。次いで、図３（ｆ）に示す状態以降、可動ガイド２をトラバースさせながらスプール４を回転させ、多段に巻いていき、所定長さのボンディングワイヤ巻線を得る。
ここで、図３（ｅ）ないし図３（ｆ）の工程のボンディングワイヤ５がスプール４の円筒状胴部７に巻きついていく様子を図４および図５を用いて更に詳述する。

図４は、本発明のスプール４の円筒状胴部７を模式的に示すもので、円筒状胴部７が、図４（ａ）の一部切り欠き円柱部分１４と、図４（ｂ）に示すとおりの蹄（ひずめ）形溝１２とにより構成されるものであることを示す。図５は、この蹄（ひずめ）形溝１２および案内溝８とボンディングワイヤ５との関係を強調して図示した模式図である。
本発明においては、円筒状胴部７の蹄（ひずめ）形溝１２の少なくとも一部が案内溝８と連接している。案内溝の深さは、従来と同様に、最も浅いところでも使用するワイヤの最大線径よりも大きな深さの溝にし、その溝にスロープを設けてある。そのためボンディングワイヤが多段に巻かれていっても、案内溝８の中では、ボンディングワイヤ５はフランジ９の側面より下に潜っており、その案内溝８のスロープに沿って後方から蹄（ひずめ）形溝１２に入る。このボンディングワイヤ５は、円柱部分１４の斜めに削り取られた側壁に当たる。ボンディングワイヤ５は、軟質の金属細線が用いられ、強い張力を加えることができないため、ボンディングワイヤ５は、たるまないようにすることが必要になる。

ところが、ボンディングワイヤ５は、直径が０．１ｍｍ以下と細いため、スプール４との接触摩擦が大きくなり、しかも、一端がスプール４の溝付受け口６によって押えられ、他端が可動ガイド２によって押えられているので、この間はたるみが生じやすくなる。このため、円柱部分１４の側壁は、好ましくは湾曲状に削り取られ、斜め後方より上昇してきたボンディングワイヤ５がなるべく広い面積で円柱部分１４の側壁と接して下方ないし水平方向へ移動するように、かつ、円筒状胴部７の外周にまとわりつくように、湾曲していることが望ましい。
本発明のように、円柱部分１４の側壁を設けると、フランジ側面よりも下に潜っているボンディングワイヤ５が、フランジ９のなだらかなスロープ面に沿ってフランジ９の側面の上に出てくると、ボンディングワイヤ５が案内クランプ３によって引っ張られているため、ボンディングワイヤ５は円柱部分１４の側壁に接してスプール４の円筒状胴部７のフランジとの交差部１０に隙間なく張り付くことができる。

しかも、第２列のボンディングワイヤ５は、円柱部分１４の側壁に案内され、第１列のボンディングワイヤ５の隣に隙間なく張り付いていくことができる。
ここで、フランジ９の内部からフランジ表面にボンディングワイヤが出てくるスロープは、ボンディングワイヤ５の傾斜がスプール４の溝付受け口６と可動ガイド２とによって決定されることから、ボンディングワイヤ５ができるだけこの傾斜角度に載っているほうが、ボンディングワイヤ５に折れ目がつかないので好ましい。
他方、円筒状胴部７の蹄（ひずめ）形溝１２の内側を深く削り込みすぎると、今度は、第２列めのボンディングワイヤ５が誤って第１列めのボンディングワイヤ５にのっかったまま第２層になったり、第２層めで、第１列のボンディングワイヤ５と第２列のボンディングワイヤ５が誤って巻かれたりする。

［実施例１］
両つばスプールの形状は、次のとおりである。
円筒状胴部の外径が４５ｍｍ、長さが２５ｍｍ、フランジの外径が９０ｍｍの両つばスプールに、それぞれ１個の切欠きを設けた。その一方の切欠きのコ−ナーから、幅および深さが１ｍｍの案内溝を設け、案内溝の１辺が円筒状胴部に入り込む開始点を送出し溝の入口面とし、円筒状胴部から出ていく終了地点を送出し溝の頂点とした。円筒状胴部を削り取った最大の深さは０．６ｍｍであり、そのときの蹄（ひずめ）形溝の高さは０．２ｍｍ、フランジ切欠き面の幅は０．１５ｍｍとした。
このような両つばスプールに、線径０．２ｍｍのＡｌ−１質量％Ｓｉ合金からなるボンディングワイヤを巻きつけて、最初の巻き不良を調べた。５００ｍ巻線を１００個作製したが、巻き不良は０個であった。

［比較例］
実施例において円筒状胴部の蹄（ひずめ）形溝を削り取らず、案内溝だけを設けた両つばスプールに上記実施例と同一のボンディングワイヤを巻きつけて、最初の巻き不良を調べたところ、すべて第１列のボンディングワイヤと円筒状胴部とのあいだの水平方向に隙間を生じていた。
以上の実施例、比較例から明らかなように、本発明によれば、ボンディングワイヤの最初の巻き不良をなくすが可能となったことがわかる。

ボンディングワイヤをスプールに巻き取るための装置の概略説明図である。 ボンディングワイヤが送出し溝に挿入されたときの模式的説明図である。 巻き取り工程を示す模式的工程分解図である。 本発明のスプールの円筒状胴部を示す概念図である。 本発明のスプールの蹄（ひずめ）形溝を通るボンディングワイヤを示す概念図である。

符号の説明

１：固定ガイド
２：可動ガイド
３：案内クランプ
４：スプール
５：ボンディングワイヤ
６：溝付受け口
７：（スプール４の）円筒状胴部
８：（スプール４の）案内溝
９、９’：フランジ
１０：（円筒状胴部の外周面とフランジの内側面との）交差部
１１：溝なし受け口
１２：蹄（ひずめ）形溝
１３：固定クランプ
１４：円柱部分

Claims (5)

1. 円筒状胴部とその両側に突出したフランジ部とからなり、一方のフランジ部の外周縁から円筒状胴部へ連なる案内溝を設けたボンディングワイヤ用スプールにおいて、円筒状胴部の円筒面の途中からフランジ部との交差部に向けて凹面状に削り取られた蹄（ひずめ）形溝が、案内溝と連接して形成されていることを特徴とする溝付ボンディングワイヤ用スプール。
2. 当該蹄（ひずめ）形溝のフランジ部から円筒長手方向に向かっての最大高さがボンディングワイヤの直径よりも大きい請求項１に記載の溝付ボンディングワイヤ用スプール。
3. 当該蹄（ひずめ）形溝の円筒部から中心線に向かっての最大深さがボンディングワイヤの直径よりも大きい請求項１に記載の溝付ボンディングワイヤ用スプール。
4. 射出成形された熱可塑性樹脂からなる請求項１に記載の溝付ボンディングワイヤ用スプール。
5. 純度９９．９９質量％以上の高純度アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金からなるボンディングワイヤを巻き取るためのものである請求項１に記載の溝付ボンディングワイヤ用スプ−ル。

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