JP5100129B2 - ノンスリップ型連続伸線機及び連続伸線方法 - Google Patents

Description

本発明は、線材の連続伸線機及び連続伸線方法に関する。

材料の引抜加工機械は、通常一個のキャプスタンと一個のダイスからなる単頭伸線機と、伸線ライン上に複数のキャプスタンとダイスが並び、連続的な伸線を可能にする連続伸線機とがある。この内、連続伸線機は、スリップ型とノンスリップ型に分類される。

スリップ型伸線機は、１台の電動機で、予め定められた断面減少に応じた周速のキャプスタンを回転させ、必要数のダイスから線を引抜く機械である。スリップ型伸線機を用いた伸線スケジュールは、ダイス孔の誤差やその磨耗を見込んで、多少線材とキャプスタンをスリップさせて駆動させる。しかし、キャプスタンの周速と線材の速さが大きく異なると、線材がだぶついたり、逆に大きなテンションがかかったりすることにより、連続的な伸線ができない。したがって、ダイス毎の減面率（以下、各回減面率）の自由度がなく、大きな減面率を取ることができない。また、伸線速さを大きく取れない。

一方、ノンスリップ型伸線機は、線材をキャプスタン駆動面で滑らせないで駆動する型のものである。連続伸線の場合、ダイスを通過する毎に線径が小さく、線長は大きくなることから、キャプスタンを独立駆動させるか、各ユニット間で貯線する機構を設ける必要がある。

貯線する機構を設けないでキャプスタンを独立駆動させる場合、運転中の各伸線ダイスの減面率や引抜力をリアルタイムにモニタリングし、これをキャプスタンの回転速さにフィードバックさせる高度な制御が必要である。したがって、ノンスリップ型伸線機の適用範囲は、比較的太い線径で、伸線速さが遅いものに限定されてきた。

しかし、近年、制御技術の向上により、上記を可能にする極細線の伸線技術が構築されつつある（特許文献１）。ノンスリップ型伸線機を細線に応用した場合、高度な技術が必要であるが、実現された場合、個々のダイス毎にバックテンションが制御可能であるということであり、伸線速さの高速化、各回減面率の設定自由度の向上等、大きな利点を有する。しかし、実際の操業において利用しようとした場合、幾つかの課題を解決する必要がある。

その一つがキャプスタンと線材の密着の問題である。キャプスタンと線材を滑らせないで駆動させようとした場合、線材に一定以上の張力とキャプスタンと線材間に摩擦力が必要である。線材に付与できる張力は線材の降伏応力によって制限があり、摩擦力も製品規格やダイスを通る引抜加工の性格上、線材側で制御できない。

線材とキャプスタンを滑らないように摩擦力を上げる手法として、キャプスタン表面に凹凸を付与する等の方法があるが、キャプスタン材質が線材表面の硬度に近い、あるいは大きい場合は、線材表面に凹凸が転写されたり、傷をつける等により、線材の機械的特性や機能的特性が損なわれる。一方、キャプスタン材質をウレタン等の軟質な材料を用いた場合、キャプスタンが磨耗し凹凸が生じ、線材に凹凸、縒れ、折れを生じさせたり、線材との接触により、キャプスタンが発塵元になる問題がある。

半導体実装材料であるボンディングワイヤは、半導体チップと外部金属端子との間を接続する材料であるが、その殆どは金を主体とする材料が用いられている。また、金以外の材料としても、銅やアルミニウム等の軟質な材料である。この材料は通常直径１００μｍ以下の細線であり、引抜加工で製造される。また、用途の特徴上、引抜加工の殆どは、クリーンルーム内行われている。また、この材料の場合、ほぐれ性や接続時のキャピラリとの摺動性が重要な機能の一つである。したがって、材料表面の平滑さ、清浄性は重要な因子であり、ノンスリップ型伸線機を製造に適用しようとした場合、如何に滑らせない機構を設けるかは重要な課題である。

特開平２００５−１０３６２３号公報

本発明は、上記問題点を解決し、平滑で清浄な表面を有する線材を製造するためのノンスリップ型連続伸線機と連続伸線方法を提供する。

本発明は、上記従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、以下の構成を要旨とする。
（１） 伸線ライン上に複数の駆動キャプスタンと伸線ダイスが配置され、連続的な伸線を可能にする連続伸線機において、引抜加工で伸線される線材を、線材を駆動するキャプスタンの線材との接触面方向に、キャプスタンの外周に対向する流体の吹き付けノズルを設けて、もしくは、流体の流れを制御するガイドをキャプスタンの少なくとも一部を覆うように有する吹き付け又は吸入ノズルを設けて、流体によって圧下する機構を有するノンスリップ型連続伸線機。
（２） 前記流体が気体である（１）に記載の連続伸線機。
（３） 前記キャプスタンの線材との接触面の材質が、算術平均粗さ１μｍ以下の金属又はセラミックスである（１）又は（２）に記載の連続伸線機。
（４） 伸線ライン上に複数の駆動キャプスタンと伸線ダイスが配置され、線材の連続的な引抜加工を行う連続伸線方法において、引抜加工で伸線される線材を、線材を駆動するキャプスタンの線材との接触面方向に、キャプスタンの外周に対向する流体の吹き付けノズルを設けて、もしくは、流体の流れを制御するガイドをキャプスタンの少なくとも一部を覆うように有する吹き付け又は吸入ノズルを設けて、流体によって圧下することを特徴とする連続伸線方法。
（５） 前記流体が気体である（４）に記載の連続伸線方法。
（６） 前記キャプスタンの線材との接触面の材質が表面粗度１μｍ以下の金属又はセラミックスである（４）又は（５）に記載の連続伸線方法。

本発明のノンスリップ型連続伸線機は、線材を、線材を駆動するキャプスタンの線材との接触面方向に、流体によって圧下する機構を有することにより、線材とキャプスタンの滑りが起こり難く、滑りによる異常張力、線のだぶつきによる断線が起こり難い。また、平滑な表面を有するキャプスタンの使用が可能であり、キャプスタンの凹凸に由来する金属線への凹凸の転写、傷の発生を防止できる。同じく、平滑な表面を有するキャプスタンの使用が可能であることから、硬度、対磨耗性の高い材質を使用でき、線材との接触による発塵が小さな伸線機の構築が可能である。また、磨耗、傷によるキャプスタンの交換頻度も小さくできる。更に、線材をキャプスタンに圧下するためのガスや液体の流れを利用して、周囲から持ち込む、又は、キャプスタンや金属線から発生するごみ、磨耗粉を吹き飛ばすあるいは吸引することによって、キャプスタンの汚れを防止でき、清浄な線材の製造を可能にし、ダイス孔へのごみ、磨耗粉の巻き込みによる断線の少ない伸線を可能にする。

上記の特徴、効果を有することから、特に平滑でかつ清浄な線材の製造用の伸線機に有用であり、特に半導体実装用ボンディングワイヤ等の金属細線製造用の伸線機、伸線方法に有用な技術である。

図１は、ノンスリップ型連続伸線機の概略構成である。この図は、本発明を説明するために必要な主要構成を示したものであって、ダイスの潤滑機構、断線検出機構等は省略されている。また、図１では、繰出ユニット１０から、伸線ユニット２０、巻取ユニット３０が一直線に並んでいるが、実際の伸線機ではこの限りではない。また、繰出スプール４０から繰出された被加工物である線材５０を２枚のダイス６０で引抜き、減面させ、巻取スプール７０で巻取る連続伸線機を示したものであるが、２０で示されるユニットを繰り返し並べることによって、ダイス枚数は増やすことが可能である。

ノンスリップ型連続伸線機は、線材５０とキャプスタン８０を滑らせないで伸線する伸線機であって、流れる線材の速さと円筒キャプスタンの周速を一致させる必要があり、プーリー付きダンサーアーム９０を付した張力コントローラー１００で、ダイス背面の張力（バックテンション）が一定になるようにして、ダンサーアームの角度変位をフィードバックすることにより、キャプスタンの回転速さを制御する。矢印１１０は駆動部の回転方向を示し、各駆動部は伸線状況に応じてリアルタイムで独立に駆動する。プーリー１２０は、線材のガイドとして使用され、装置の形態により、必要に応じて増減される。

ノンスリップ型連続伸線機では、キャプスタンと線材を滑らせないように駆動する必要があり、一定以上の摩擦力が必要である。摩擦力を上げる方法としては、線材の巻付テンションを上げる、接触面積を増す、表面粗さを大きくする等の方策が採られる。この中で、巻付テンションは、線材が降伏しない範囲に制限される。また、接触面積を上げる方法としては、キャプスタン径を大きくする、キャプスタンに巻く回数を増す方法が考えられるが、キャプスタン径の増大は伸線機の大型化につながり経済的ではなく、周速が増すことによる遠心力の増大も伴うことから効果も大きくない。キャプスタンに巻く回数を増すことは、効果はあるが、伸線機へ線材を設置する手間が大きくなり、作業の効率性が悪く、また、伸線を完了するまでの線長も大きくなることから経済性も悪化する。表面粗さを大きくすることは、効果があるが、キャプスタン材質が線材表面の硬度に近いあるいは大きい場合は、線材表面に凹凸が転写されたり、傷がつく等により、線材の機械的特性や機能的特性が損なわれる。一方、キャプスタン材質をウレタン等の軟質な材料を用いた場合、キャプスタンが磨耗して凹凸が生じ、線材に凹凸、縒れ、折れを生じさせたり、線材との接触により、キャプスタンが発塵元になる問題がある。

本発明では、線材をキャプスタンの線材との接触面方向に圧下する方法として、流体の噴射による機構と吸引による機構の一方又は双方を設置することができる。図２〜図７は、具体的な機構の例である。このような単純な機構により、線材とキャプスタンの滑りを防止することができる。

図２は、単純なノズル１３０をキャプスタン８０の外周に対向して設置して、流体をキャプスタン８０の外周面に吹き付ける方法を示す。流体は、矢印で示す流体の流入方向１４０に線材５０をキャプスタン外周面側に押し付けるように作用し、線材とキャプスタンの密着性を高め、滑りを抑制する。図２は、キャプスタンに線材を一周半巻きつけた例であるが、キャプスタンの巻き付け回数は問わない。ノズルの角度は、キャプスタンの外周面に対して９０度の角度を有しなくても良く、位置もキャプスタンの外周のどの位置でも構わない。少なくともキャプスタンと接触している線材の一部に流体の流れに起因する圧下力が作用すれば良い。

図３は、流体の流れを制御するガイド１５０を設けた例の断面図である。ガイドは、キャプスタンの外周の一部を覆うようにして設けられる。ガイド１５０のうち、図面でハッチング破断面で示した部分は覆いが存在し、実線及び破線で示した部分は紙面垂直な面が開口していることを示している。図では、キャプスタン８０の一部を破断して示し、ガイド１５０の開口の状況を明確にしている。ガイドの紙面奥行き内寸法がキャプスタン外周幅と僅かな隙間を有してほぼ同じ寸法で設置されれば、流体は図の矢印で示す流体の流入方向１４０に誘導され、線材をキャプスタン外周面に押し付けるように流れる。図３では、キャプスタン外周の約半分を覆うガイドの例が示されているが、覆う割合、位置は任意に設定することができる。

図４は、図３の方法と同じ形態であるが、流体の噴出口が複数設けられた例である。流体の流れが、矢印で示す流体の流入方向１４０に線材をキャプスタン外周に押し付ける成分を大きくなるようになるため、滑りを抑制する効率が高い。

図５は、線材の張力付与を兼ねた例である。流体の流れを制御するガイド１６０も、図３、図４と同様、ガイド１６０のうち、図面でハッチング破断面で示した部分は覆いが存在し、実線及び破線で示した部分は紙面垂直な面が開口していることを示している。キャプスタン８０の外周とガイドの内幅のクリアランスが小さく設定されている。ガイドの紙面左側から入った流体は、矢印で示す流体の流入方向１４０のような成分を持ち、一部は線材をキャプスタンに押し付け、一部はガイドロール１７０とキャプスタンで拘束された線材に張力を付与する。線材の張力は、張力コントローラーで制御されるが、一部を流体が負うことによって、線材の振動、暴れを抑制し、キャプスタン外周面での滑りを抑える働きをする。

図５では、図中の線材５０の矢印で示すように、流体の流れを制御するガイドの位置を、線材のキャプスタンへの入側に設けた例であるが、図６では出側に設置した例である。このように取り付ける位置は、どちらでもよく、両側に設けても良い。また、定性的に上述した作用が得られる形状であれば、ガイド形状は図で示した形状に限定されない。

図７は、流体を吸引することによって同じ作用を得た例である。流体の流れを制御するガイド１８０もキャプスタン８０の外周とガイドの内幅のクリアランスが小さく設定され、実線及び破線で示した部分が開口されている。矢印で示す流体の流入方向１４０に吸引される流体は、一部は線材をキャプスタンに押し付け、一部はガイドロール１７０とキャプスタンで拘束された線材に張力を付与する。線材の張力は張力コントローラーで制御されるが、一部を流体が負うことによって、線材の振動、暴れを抑制し、キャプスタン外周面での滑りを抑える働きをする。流体を吸引する場合も、線材のキャプスタンへの入側、出側どちらにでも設置可能である。

流体は、キャプスタンの置かれる位置によって、液体、ガスどちらでも構わない。

キャプスタンが伸線潤滑液内に置かれる場合は、流体は、伸線潤滑液である。伸線液が循環される型の伸線機の場合、線材をキャプスタン外周面に押し付けるために噴出される流体は、ろ過器を通った伸線液が望ましい。これによってキャプスタンへの有機物、金属粉等の浮遊物の滞留が抑制され、キャプスタンとの接触による線材の汚れも抑制される。また、ダイス孔への滞留も抑制されるため、断線を抑制する。

ノンスリップ型連続伸線機の場合、線材のキャプスタン上での滑り防止、各ダイス毎にテンションコントローラーをワイヤが経由する機構上の理由から、キャプスタンが伸線液外に置かれる場合が多い。この場合、流体はガスである。ガスの種類は、乾燥空気、窒素、アルゴン等、種類は選ばないが、清浄なガスが望ましい。空気中に浮遊しているごみ、ダイスやキャプスタンから発生する有機物、金属粉、伸線液から持ち込まれる有機物等の滞留が、ガスの噴出、吸引によって抑制され、キャプスタンとの接触による線材の汚れも抑制される。また、線材表面が清浄化されることから、ダイス孔へのごみ等の滞留も抑制されるため、断線を抑制する。

本発明と似た作用を有する機構としては、駆動キャプスタンとローラを対向させて線材をニップして繰出す方法があるが、軟質、あるいは極細線を変形させないで駆動させるためには、線材を挟み込む力の高度な制御が必要である。これに対して、本発明の方法は、流体を利用しているため、ニップ機構に比較して線材に均等に面圧が加わるため、被加工物を変形させ難く、表面を傷つけることはない。また、駆動キャプスタンとローラとの摩擦による発塵もない。

ノンスリップ型連続伸線機の場合、線材のキャプスタン上での滑り防止から、キャプスタン外周部の材料は、硬質ウレタン等のポリマーが使用される場合がある。本発明は、キャプスタン材質を問わず有効な技術であるが、特に、傷や凹凸のない線材、清浄な線材の製造に利用される伸線機に有用である。キャプスタンの削れによる汚れが問題となるような線材の場合、金属やセラミックス等の硬質な材料をキャプスタンの材料として使用せざるを得ない。金属やセラミックスの材料は問わないが、表面材質としては、硬質クロムめっき、アルミナ、ジルコニア等の材料が選ばれる。このような硬質材料を使用した場合、キャプスタン外周面の凹凸の転写や傷を防止するためには、キャプスタンを平滑にする必要がある。キャプスタン外周面は、研磨によって仕上げを行い、平均粗さ１μｍ以下にすることが好ましい。キャプスタンと線材の凹凸が小さくなった時、両者に働く摩擦力が小さくなり、滑りが生じ、テンションコントローラーの制御が追いつかず、異常テンションが働いたり、線材がだぶついたりして断線を引き起こすことが多い。したがって、本発明の流体の圧力により圧下する機構は、このような状況が起こり易くなる算術平均粗さ１μｍ以下の外周表面粗さに管理される金属製あるいはセラミックス製のキャプスタンを有するノンスリップ型伸線機に、特に有用である。金属やセラミックス製キャプスタンを用いた伸線機は、キャプスタンからの発塵が小さい以外にも、キャプスタンの交換頻度も小さくて済む利点がある。

更に高速で伸線する場合、キャプスタンも高速で回転するため、剛性の低い材料を使用した場合、遠心力によって変形し、被加工物に余分な張力を発生させたり、減速中は、線を弛ませ、滑りを誘発させる場合がある。この点で、駆動キャプスタンにウレタン等のポリマーより剛性の高い金属、セラミックスを利用することは有用である。

流体の流量は、ノズルやガイドの設計、流体の種類、線材の材質、線径によって異なる。線材が塑性変形を起こさないような流量に設定する必要があるが、機械的に押し付ける方法に比較して、線材の長さ方向に均等に圧力がかかり、局所的に圧力が加えられることが少ない。したがって、特に直径２ｍｍ以下の細線の伸線機として有用である。

半導体実装用のボンディングワイヤは、金、銅、アルミニウム等の軟質な材料であり、通常２００μｍ以下、金線の場合、典型的に５０μｍ以下の極細線で、折れ、曲がり等の変形を受け易い。更に、平滑で清浄な表面性状が要求される。したがって、流体による線材とキャプスタンの滑りが抑制され、キャプスタンの汚れを除去する機能を有する伸線機の適用は有用である。

スリップ型伸線機を用いて５０μｍ以下の金線を伸線する場合、典型的にはダイス毎の各回減面率は１０％以下で伸線される場合が多い。従来のノンスリップ型伸線機を用いると、１０％を超える各回減面率で伸線することが可能になるが、硬質クロムめっきされ、平均粗さ１μｍ以下のキャプスタンを用いた場合、２００ｍ／ｍｉｎ．以上の巻取速さで伸線すると、キャプスタン上での線材の滑りが生じ、安定した伸線ができない。このような場合の伸線機として、本発明のノンスリップ型連続伸線機は有効であり、伸線技術としても有用である。この技術によって、各回減面率２０％、伸線速さ１０００ｍ／ｍｉｎ．で直径２０μｍの清浄、平滑な表面を有する純度９９．９９％の金線の製造が可能になる。このような金線は、半導体実装用のボンディングワイヤに利用される。

以上説明したように、流体によって線材を駆動キャプスタン駆動面に押し付ける機構を付与することによって、線材と駆動キャプスタンの滑りが生じ難いノンスリップ連続伸線機の構築が可能になる。本発明の技術を利用することによって、各回減面率を大きく取ることができ、伸線速さを増すことができ、また、バックテンションの設定範囲を広くとることできることから、伸線スケジュールの設定許容範囲が極めて大きくなる。したがって、平滑な表面、均質な組織を形成するのに有効であり、線材の表面、組織を制御するための伸線方法として有用である。また、ダイス磨耗が抑制される伸線方法である。流体を利用することによって、キャプスタンへの金属粉等のごみの滞留を抑制することが可能になる。剛性が高く表面の滑らかな金属、セラミックス駆動キャプスタンと流体によるスリップ防止機構の組み合わせにより、特に軟質、または細線の伸線において、被加工物を変形させることなく、また傷つけることなく加工させることが可能になる。

本発明を説明するためのノンスリップ型伸線機の概略を示す図 本発明において、ノズル１３０から流体１４０をキャプスタン８０外周面に噴射し、線材５０のキャプスタン上での滑りを抑制するため機構を示した例 本発明において、流体の流れを制御するガイド１５０から流体をキャプスタン８０外周面に噴射し、線材５０のキャプスタン上での滑りを抑制するため機構を示した例 本発明において、流体の流れを制御するガイド１５０から流体をキャプスタン８０外周面に噴射し、線材５０のキャプスタン上での滑りを抑制するため機構を示した例 本発明において、流体の流れを制御するガイド１６０を用いて、流体の流れを利用して、線材５０に補助的張力を付与すると共に、線材をキャプスタン外周面に押し付けることによって、線材の滑りを抑制するため機構を示した例 本発明において、流体の流れを制御するガイド１６０を用いて、流体の流れを利用して、線材５０に補助的張力を付与すると共に、線材をキャプスタン外周面に押し付けることによって、線材の滑りを抑制するため機構を示した例 本発明において、流体の流れを制御するガイド１８０を用いて、流体の流れを利用して、線材５０に補助的張力を付与すると共に、線材をキャプスタン外周面に押し付けることによって、線材の滑りを抑制するため機構を示した例

符号の説明

１０ 繰出ユニット
２０ 伸線ユニット
３０ 巻取ユニット
４０ 繰出スプール
５０ 線材
６０ ダイス
７０ 巻取スプール
８０ キャプスタン
９０ プーリー付きダンサーアーム
１００ 張力コントローラー
１１０ 駆動部の回転方向
１２０ プーリー
１３０ ノズル
１４０ 流体の流入方向
１５０ 流体の流れを制御するガイド
１６０ 流体の流れを制御するガイド
１７０ ガイドロール
１８０ 流体の流れを制御するガイド

Claims (6)

1. 伸線ライン上に複数の駆動キャプスタンと伸線ダイスが配置され、連続的な伸線を可能にする連続伸線機において、引抜加工で伸線される線材を、線材を駆動するキャプスタンの線材との接触面方向に、キャプスタンの外周に対向する流体の吹き付けノズルを設けて、もしくは、流体の流れを制御するガイドをキャプスタンの少なくとも一部を覆うように有する吹き付け又は吸入ノズルを設けて、流体によって圧下する機構を有するノンスリップ型連続伸線機。
2. 前記流体が気体である請求項１に記載の連続伸線機。
3. 前記キャプスタンの線材との接触面の材質が、算術平均粗さ１μｍ以下の金属又はセラミックスである請求項１又は２に記載の連続伸線機。
4. 伸線ライン上に複数の駆動キャプスタンと伸線ダイスが配置され、線材の連続的な引抜加工を行う連続伸線方法において、引抜加工で伸線される線材を、線材を駆動するキャプスタンの線材との接触面方向に、キャプスタンの外周に対向する流体の吹き付けノズルを設けて、もしくは、流体の流れを制御するガイドをキャプスタンの少なくとも一部を覆うように有する吹き付け又は吸入ノズルを設けて、流体によって圧下することを特徴とする連続伸線方法。
5. 前記流体が気体である請求項４に記載の連続伸線方法。
6. 前記キャプスタンの線材との接触面の材質が算術平均粗さ１μｍ以下の金属又はセラミックスである請求項４又は５に記載の連続伸線方法。

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