JP2019025506A

JP2019025506A - キャプスタンロール

Info

Publication number: JP2019025506A
Application number: JP2017146180A
Authority: JP
Inventors: 真奈美横幕; Manami Yokomaku
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: JP6878191B2

Abstract

【課題】線材とキャプスタンロールの摺接面のスリップおよび線材の断線を抑制することができるキャプスタンローを提供することを特徴とする。【解決手段】本開示のキャプスタンロールは、線材との摺接面を備えたキャプスタンロールであって、軸方向に沿った輪郭線から求められる前記摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、前記摺接面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍ以上０．０３５μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本開示は、キャプスタンロールに関する。

半導体素子上の電極と外部リードと電気的に結合する半導体装置用ボンディングワイヤ（以下、半導体装置用ボンディングワイヤを単にボンディングワイヤという。）は、線径が１５〜５０μｍ程度の細線が用いられている。

このようなボンディングワイヤを得るために、キャプスタンロールを備えた伸線機が用いられている。伸線機には、キャプスタンロールと線材がスリップすると線材にキズが付き、品質が落ちるという問題があった。また、キャプスタンロールの表面粗さが粗いと線材が断線するという問題もあった。本件出願人は、キャプスタンロールと線材とのスリップを抑制し、断線を抑制することができる、摺接面の輪郭曲線要素の平均長さ（Ｒｓｍ）が、０．００５〜０．０１ｍｍであるキャプスタンロールを提案している（特許文献１を参照）。

従来、ボンディングワイヤの線材としては、主にＡｕが用いられていたが、ＬＳＩ用途を中心にＣｕへの代替が進んでいる。

特開２００９−１７８７１９号公報

しかしながら、ＣｕはＡｕに比べて酸化されやすく、キャプスタンロールと線材とのスリップを抑制しつつ、Ｃｕからなるボンディングワイヤを得ようとすると、キャプスタンロールとの摺接による磨耗により、表面が酸化されて劣化したり、その劣化に伴って断線したりするという問題があった。

本開示は、Ａｕよりも酸化しやすいＣｕ、Ａｌ等の線材からなるボンディングワイヤを得る場合にも、スリップを抑制するとともに磨耗による劣化を低減することができるキャプスタンロールを提供することを目的とする。

本開示のキャプスタンロールは、線材との摺接面を備えたキャプスタンロールであって、軸方向に沿った輪郭線から求められる前記摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、前記摺接面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍ以上０．０３５μｍ以下である。

本開示によれば、磨耗による劣化が低減可能なキャプスタンロールを提供することができる。

本実施形態のキャプスタンロールの一例を示す斜視図である。図１に示すキャプスタンロールを備えて構成される伸線装置の一例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本明細書の全図において、混同を生じない限り、同一部分には同一符号を付し、その説明を適時省略する。

図１は本実施形態のキャプスタンロールの一例を示す斜視図である。

図１に示すキャプスタンロール１は、いわゆるコーン型であり、軸に付している符号Ａから符号Ｂに向って段階的に外径が大きくなる、線材との摺接面１ａを有している。ここで、キャプスタンロール１は、一体で形成されていてもよく、１段の部材や複数段の部材が隣接配置されてなるものであってもよい。キャプスタンロール１は、例えばＣｕ、Ａｌ等の線材を引き伸ばすための伸線装置において、回転軸３を中心に回転可能に設置されるものであり、例えば、１０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍで回転するものである。

キャプスタンロール１は、例えば、２００ｍｍ〜２２５ｍｍ程度の長さを有しており、外径は位置によって異なるものの、３０ｍｍ〜１６０ｍｍ程度の外径を有している。また、キャプスタンロール１の挿入孔は、例えば、１５ｍｍ〜３５ｍｍ程度の直径を有している。

本実施形態のキャプスタンロール１は、セラミックスからなるものであってもよく、線材が繰り返して摺接した際の摩耗が少なく、寿命が長いという観点から、主成分が酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素またはサイアロンであることが好適である。ここで、主成分とは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、８０質量％以上を占める成分のことである。

酸化ジルコニウムが主成分であるセラミックスは、主成分以外の成分として、例えば、酸化珪素および酸化アルミニウムを含むものであってもよい。また、酸化アルミニウムが主成分であるセラミックスは、主成分以外の成分として、例えば、酸化珪素、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムを含むものであってもよい。窒化珪素またはサイアロンを主成分であるセラミックスは、主成分以外の成分として、例えば、酸化アルミニウムおよび希土類金属酸化物を含むものであってもよい。

セラミックスにおける主成分の確認は、まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定することによって得られた結果をＪＣＰＤＳカードと照合して含まれる化合物の特定を行なう。次に、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分析装置（ＩＣＰ）を用いて測定することによって求められた値から、特定された化合物に換算して求められた含有量が８０質量％以上であれば主成分である。具体的には、ＸＲＤによる測定からＺｒＯ_２が含まれていることが確認され、ＩＣＰで求められたＺｒの値をＺｒＯ_２に換算した値（含有量）が８０質量％以上であれば、酸化ジルコニウムが主成分のセラミックスである。

本開示のキャプスタンロール１は、軸方向に沿った方向における輪郭線から求められる摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、摺接面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍ以上０．０３５μｍ以下である。

平均長さ（ＲＳｍ）とは、基準長さにおける輪郭曲線要素の平均を表しており、表面粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜き取り部分において隣り合う一対の山と谷の横方向の和を求め、算術平均値をミリメートルで表したものをいう。
また、算術平均粗さ（Ｒａ）は、表面粗さを表すものである。

キャプスタンロール１において、摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）を０．０５ｍｍ以上とするとともに、摺接面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）を０．００２μｍ以上とすると、線材が摺接面１ａと摺接する際に、線材に適度な摩擦力がかかるため、摺接面１ａにおける線材のスリップを低減することができる。

摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）を０．３８ｍｍ以下とするとともに、摺接面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）を０．０３５μｍ以下とすると、摺接面１ａの表面にある程度の山と谷を設けつつ、摺接面１ａの表面粗さを比較的小さくできるため、線材のスリップを抑制しつつ、線材の断線を低減することができる。

スリップの抑制のために摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）は、０．０６ｍｍ以上としてもよい。また、線材の断線の低減のために摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）は、０．２８ｍｍ以下としてもよい。

スリップの抑制のために摺接面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は０．００７μｍ以上としてもよい。また、線材の断線の低減のために摺接面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は０．０２６μｍ以下としてもよい。

また、本実施形態のキャプスタンロール１は、摺接面１ａの２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）が０．００４以上０．０１５以下であってもよい。

２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、着目する表面の局部傾斜を示す指標であり、その値が小さければ、表面は平坦な部分が多く、大きければ、表面は傾斜している部分が多いことを示す。

摺接面１ａの２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）を０．００４以上とすると、摺接面１ａにおける微視的な傾斜を確保できるので、摺接面１ａ上における線材のスリップをさらに低減することができる。摺接面１ａの２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）を０．０１５以下とすると、摺接面１ａにおける微視的な傾斜が多くなりすぎることを抑制できるので、線材の断線をさらに低減することができる。

線材のスリップの抑制のために摺接面１ａの２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．００５以上としてもよい。線材の断線の低減のために摺接面１ａの２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．０１１以下としてもよい。

摺接面１ａの平均長さ（ＲＳｍ）、算術平均粗さ（Ｒａ）および２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に準拠して求められ、具体的には、(株)小坂研究所製表面粗さ測定機（サーフコーダ）ＳＥ５００を用い、触針の半径を５μｍ、測定長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍとすればよい。

図２は、図１に示すキャプスタンロール１を備えて構成される伸線装置２０の一例を示す概略図である。まず、図２に示す伸線装置２０の構成と動作について説明する。伸線装置２０は、いわゆる並列掛け伸線構造となっている。伸線装置２０では、機台１１内部の所定位置に回転軸３ａ、３ｂが配置されており、回転軸３ａ、３ｂの双方に、キャプスタンロール１が固定されている。すなわち、各々の回転軸３ａ、３ｂに固定されたキャプスタンロール１が、回転軸３ａ、３ｂの回転に従動してそれぞれ回転する。回転軸３ａと回転軸３ｂとの間隙には、複数のダイス（ダイス群）１２が配置されている。そして、キャプスタンロール１は、外径が一方端から他方端に向って段階的に大きくなる複数段の外周
面を備えている。

また、伸線装置２０は、機台１１の端部に、駆動モータ１３、駆動プーリー１４、従動プーリー１５および１６、駆動ベルト１７、従動ベルト１８を備える。駆動プーリー１４と従動プーリー１５および１６には、駆動ベルト１７が掛け回されており、駆動モータ１３によって駆動プーリー１４が回転し、従動プーリー１５および１６の双方も従動して回転する。従動プーリー１５は回転軸３ｂと接続され、駆動プーリー１４は回転軸３ａと接続されており、駆動モータ１３によって、回転軸３ａおよび３ｂが回転駆動される。

伸線装置２０では、案内ローラ（不図示）を介して外部から送られてくる線材Ｗを、２つのキャプスタンロール１に掛け回しながら搬送する。具体的には、外部から送られてくる線材Ｗを、キャプスタンロール１間に配置したダイス群１２を通過させ、駆動モータ１３の駆動によりキャプスタンロール１を回転させる。この際、線材Ｗは、キャプスタンロール１の複数段状の摺接面のうち、外径の小さい方から外径の大きい方（図示面における上方から下方へ）へと、順次掛け回されていく。線材Ｗは、例えばＣｕからなる。線材Ｗは、Ｃｕ以外でも、例えばＡｌなど各種金属線であってもよい。

伸線装置２０では、駆動モータ１３の駆動により、キャプスタンロール１が回転し、線材Ｗはダイス群１２内を強制的に順次通過しつつ縮径されて伸線される。なお、図３では、２本のキャプスタンロール１を用いた装置を示しているが、さらにキャプスタンロール１の本数を増やして設置した装置であってもよい。

次に、本実施形態のキャプスタンロールの製造方法について説明する。

酸化ジルコニウムが主成分であるセラミックスからなるキャプスタンロールを得るには、酸化ジルコニウムの粉末と、焼結助剤として、例えば、酸化珪素および酸化アルミニウム等の各粉末を用いて原料を作製する。焼結助剤の他に、安定化剤として、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ディスプロシウム（Ｄｙ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の少なくともいずれか１種の粉末を加えてもよい。

そして、この原料を用いて冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）などの成形方法にて、７８〜１４７ＭＰａの成形圧にて成形し、所望の形状に切削加工を施した後、１３５０〜１６００℃にて焼成すればよい。

酸化アルミニウムが主成分であるセラミックスからなるキャプスタンロールを得るには、酸化アルミニウムの粉末と、焼結助剤として、例えば、酸化珪素、水酸化マグネシウムおよび炭酸カルシウム等の各粉末を用いて原料を作製する。そして、この原料を用いてＣＩＰなどの成形方法にて、７８〜１４７ＭＰａの成形圧にて成形し、所望の形状に切削加工を施した後、１４５０〜１７００℃にて焼成すればよい。

窒化珪素が主成分であるセラミックスからなるキャプスタンロールを得るには、まず、金属シリコンの粉末と、β化率が２０％以下である窒化珪素の粉末とを準備して、（金属シリコンの粉末）／（窒化珪素の粉末）の質量比が１以上１０以下となるように混合して第１粉末を用意する。また、焼結助剤として、アルミン酸マグネシウムの粉末および金属化合物の粉末を秤量した第２粉末を用意する。なお、金属化合物とは、酸化アルミニウム，二酸化珪素および炭酸カルシウム等である。また、アルミン酸マグネシウムの粉末の代わりに、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウムおよび炭酸マグネシウム等の粉末を用いても構わない。そして、第１粉末および第２粉末を混合した粉末を用いて原料を作製する。そして、ＣＩＰなどの成形方法にて、７８〜１４７ＭＰａの成形圧にて成形し、所望の形状に切削加工を施した後、１７００〜１８６０℃にて焼成すればよい。

サイアロンが主成分であるセラミックスからなるキャプスタンロールを得るには、まずβ化率が４０％以下であって、組成式がＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表される、固溶量ｚが０．５以下である窒化珪素の粉末と、焼結助剤として酸化カルシウム、酸化アルミニウムおよび希土類元素の酸化物の各粉末とを用いて原料を作製する。そして、ＣＩＰなどの成形方法にて、７８〜１４７ＭＰａの成形圧にて成形し、所望の形状に加えて、凹部を形成する切削加工を施した後、１７００〜１８００℃にて焼成すればよい。

そして、摺接面は、焼成後、外周面に研削加工を施した後、砥粒がレジンで保持されたテープを外周面に摺接させて研磨することによって得られる。平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ以上０．０３５μｍ以下である摺接面を得るには、砥粒としてＪＩＳＲ６００１−２：２０１７に定める粒度番号が＃８００以上＃１２００以下である、ダイヤモンドからなる精密研磨用微粉を用い、テープの幅は、それぞれの摺接面の幅に対して、１ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以下になるようにして、テープのトラバース速度を１２０ｍｍ／分以上とすればよい。ここで、トラバース速度とは、テープを外周面に摺接させた状態でキャプスタンロールの軸方向に移動させる速度をいう。

また、２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．００４以上０．０１５以下である摺接面を得るには、テープのトラバース速度を５００ｍｍ／分以上とすればよい。

そして、得られたキャプスタンロールを、回転軸に固定するには、回転軸にキャプスタンロールを挿入して、ねじ等の締結部材を用いて固定すればよい。

なお、本開示は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

まず、主成分である酸化ジルコニウムの粉末と、焼結助剤である酸化珪素および酸化アルミニウム等の各粉末と、安定化剤である酸化イットリウムの粉末と、酸化ジルコニウムの粉末を分散させる分散剤と、有機結合剤とをボールミルにより湿式混合してスラリーとした。

次に、上述した方法によって得たスラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、この顆粒を冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）により、９８ＭＰａの成形圧にて成形することで円柱状の成形体を得た。

次に、焼結ダイヤモンド製のドリルを用いて軸方向に貫通孔を形成した。

次に、貫通孔を形成した成形体を焼成炉の中に配置し、大気雰囲気中で、焼成温度を１５００℃、保持時間を５時間として焼成して、焼結体を得た。

そして、焼結体の外周面に研削加工を施した後、砥粒がレジンで保持されたテープで外周面を研磨して試料Ｎｏ．１〜１１を得た。ここで、砥粒はＪＩＳＲ６００１−２：２０１７に定める粒度番号が表１に示すダイヤモンドからなる精密研磨用微粉を用いた。また、研磨時間およびテープの幅と外周面の幅との差はΔＷとして表１に示し、テープのトラバース速度は、いずれも１２０ｍｍ／分とした。

なお、試料Ｎｏ．１２は、外周面に研削加工を施した状態のままとし、この外周面を摺
接面とした。

また、各試料の摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）および算術平均粗さ（Ｒａ）をＪＩＳＢ
０６０１：２００１に準拠して求め、測定値を表１に示した。なお、測定は、(株)小坂研究所製表面粗さ測定機（サーフコーダ）ＳＥ５００を用い、測定条件としては、触針の半径を５μｍ、測定長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍとした。

また、各試料を伸線装置に装着し、Ｃｕからなる線材を線径０．０２５ｍｍから線径０．０１５ｍｍに伸線した。伸線速度は、いずれの試料の場合も１００ｍ／分とした。各試料について、１０００ｍ伸線させるまでの線材のスリップおよび断線の有無を確認し、表１にその結果を示した。

表１のスリップの欄に無と記入した試料は、スリップが発生しなかったことを示し、有と記入した試料は、スリップが発生したことを示す。

また、表１の断線の欄に無と記入した試料は、断線が発生しなかったことを示し、有と記入した試料は、断線が発生したことを示す。

表１に示すように、摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、摺接面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍ以上０．０３５μｍ以下である試料Ｎｏ．２、４〜６、８〜１０は、スリップおよび断線が発生せず、良好に伸線されている。

実施例１で作製した焼結体の外周面に研削加工を施した後、砥粒がレジンで保持されたテープで外周面が研磨された試料Ｎｏ．１３〜１８を得た。ここで、砥粒はＪＩＳＲ６００１−２：２０１７に定める粒度番号が♯１０００である、ダイヤモンドからなる精密研磨用微粉を用いた。また、テープの幅と外周面の幅との差は、０．５ｍｍ、研磨時間は６０秒とし、テープのトラバース速度は、いずれも表２に示す通りとした。

また、各試料の摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）および算術平均粗さ（Ｒａ）をＪＩＳＢ
０６０１：２００１に準拠して求めた結果、いずれの試料も平均長さ（ＲＳｍ）は、０．１７〜０．１８ｍｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．０２１〜０．０２２μｍであった。また、摺接面の２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）の測定値は表２に示した。なお、測定は、(株)小坂研究所製、表面粗さ測定機（サーフコーダ）ＳＥ５００を用い、測定条件としては、触針の半径を５μｍ、測定長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍとした。

また、各試料をそれぞれ伸線装置に装着し、Ｃｕからなる線材を線径０．０２５ｍｍから線径０．０１５ｍｍに伸線した。伸線速度は、いずれの試料の場合も１００ｍ／分とした。各試料について、２０００ｍ伸線させるまでの線材のスリップおよび断線の有無を確認し、表２にその結果を示した。線材の長さは、実施例１で作製した線材の長さの２倍である。

表２のスリップの欄に無と記入した試料は、スリップが発生しなかったことを示し、有と記入した試料は、スリップが発生したことを示す。

また、表２の断線の欄に無と記入した試料は、断線が発生しなかったことを示し、有と記入した試料は、断線が発生したことを示す。

表２に示すように、試料Ｎｏ．１４〜１７は、摺接面の２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．００４以上０．０１５以下であることから、この範囲外である試料Ｎｏ．１３、１８よりもスリップおよび断線が発生しにくいことがわかる。

１キャプスタンロール
１ａ摺接面
３回転軸
１１機台
１２ダイス
１３駆動モータ
１４駆動プーリー
１５、１６従動プーリー
１７駆動ベルト
１８従動ベルト
２０伸線装置

Claims

線材との摺接面を備えたキャプスタンロールであって、軸方向に沿った輪郭線から求められる前記摺接面の平均長さ（ＲＳｍ）が０．０５ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、前記摺接面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．００２μｍ以上０．０３５μｍ以下である、キャプスタンロール。
前記摺接面の２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．００４以上０．０１５以下である、請求項１に記載のキャプスタンロール。