JP7204901B2 - キャプスタンロールおよび伸線機 - Google Patents

Description

本開示は、キャプスタンロールおよびこれを用いる伸線機に関する。

半導体素子上の電極と外部リードとを電気的に結合する半導体装置用ボンディングワイヤには、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等のワイヤは、キャプスタンロールを備えた伸線機で製造される。

特許文献１には、芯体となる金属芯体の外周側にセラミック外ロールを設け、金属芯体の外周面とセラミック外ロールの内周面に設けた溝部にロックピン（丸棒）を埋め込んで固定することにより、回転止めを図ったキャプスタンロールが開示されている。

上記金属芯体は、中心部に貫通孔を有し、この貫通孔に回転軸を挿通させている。このとき、回転軸に対する金属芯体の回転を阻止する必要があるため、回転軸の外周面と金属芯体の内周面とにそれぞれキー溝を設け、このキー溝内にキーを嵌め込むことが行われている。

特開平５－１１５９１６号公報

本開示のキャプスタンロールは、中心部に回転軸を挿通させる貫通孔を有する環状体からなり、該環状体の内周面にキー溝を設けた金属芯体と、該金属芯体の外周面に装着されるセラミック外ロールと、を備える。金属芯体の外周面とセラミック外ロールの内周面とには、それぞれ、互いに対向してロックピン挿入用孔部を形成する凹部が形成されており、ロックピン挿入用孔部は、回転軸の軸心から半径方向に延び且つ金属芯体のキー溝を覆う領域から外れた位置にある。
本開示の伸線機は、上記キャプスタンロールを備える。

本開示の一実施形態に係るキャプスタンロールの正面図である。 図１ＡのＸ－Ｘ線断面図である。 図１Ａに示すキャプスタンロールの斜視図である。 図１ＢのＡ部を拡大した断面図である。 キャプスタンロールの回転軸への取付状態を示す部分断面図である。 （ａ）は本開示におけるロックピン挿入用孔部へのロックピン挿入状態の一例を示す部分断面図、（ｂ）は（ａ）に使用のロックピンを示す斜視図である。 （ａ）は本開示におけるロックピン挿入用孔部へのロックピン挿入状態の他の例を示す部分断面図、（ｂ）は（ａ）に使用のロックピンを示す斜視図である。 （ａ）は本開示におけるロックピン挿入用孔部へのロックピン挿入状態のさらに他の例を示す部分断面図、（ｂ）は（ａ）に使用のロックピンを示す斜視図である。 本開示のキャプスタンロールを備えた伸線機の一例を示す概略図である。 図６に示す伸線機に用いられるコーン形キャプスタンロールの一例を示す斜視図である。

以下、本開示の一実施形態に係るキャプスタンロールおよび伸線機について、図面を参照して説明する。

図１Ａ～１Ｃは、本開示の一実施形態に係るキャプスタンロール１を示している。このキャプスタンロール１は、金属芯体２と、この金属芯体２の外周面に装着されたセラミック外ロール３と、を備える。金属芯体２は、中心部に貫通孔４を有する環状体からなり、該環状体の内周面にキー溝５が設けられている。

金属芯体２は、例えば機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）、アルミニウム合金、ステンレス鋼などから形成されるのがよい。セラミック外ロール３は、主成分が、例えば酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、サイアロンなどであるのが好適である。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／または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、酸化マグネシウムおよび酸化硼素から選ばれる少なくとも１種を含むものであってもよい。

酸化アルミニウムが主成分であるセラミックスは、例えば、珪素、マグネシウムおよび硼素を以下の酸化物に換算して、以下の範囲でそれぞれ含んでいるとよい。
ＳｉＯ_２：３質量％～５重量％
ＭｇＯ ：１質量％～１．５重量％
Ｂ_２Ｏ_３：０．５質量％～３．５重量％
ＮｉＯ：４質量ｐｐｍ以下

珪素の酸化物は、焼結工程において酸化アルミニウムの粒子同士を強固に結合させるとともに、酸化アルミニウムの粒子の成長を抑制する作用がある。
珪素の酸化物の含有量が上記範囲であると、セラミックス外ロール３の外周面３ｃの硬度を高くすることができるため、耐磨耗性が向上するとともに、外周面３ｃにワイヤＷが摺接しても脱粒を低減することができる。

マグネシウムの酸化物は、焼結工程において酸化アルミニウムの粒子同士を強固に結合させる。
珪素の酸化物の含有量が上記範囲であると、外周面３ｃにワイヤＷが摺接しても脱粒が低減されるとともに、線膨張率が酸化アルミニウムと異なるアルミン酸マグネシウムの生成が抑制されるため、昇温および降温を繰り返す環境で用いられてもクラックが生じにくくなる。

硼素の酸化物は焼成工程において酸化アルミニウムの粒子の成長を抑制する作用が大きい。硼素の酸化物が上記範囲であると、耐磨耗性および酸に対する耐食性が向上する。
アルミノ硼酸塩（例えば、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３、Ａｌ_５ＢＯ_９）が結晶として存在してもよい。アルミノ硼酸塩の結晶があれば、機械的な衝撃がセラミックス外ロール３の外周面３ｃにかかってマイクロクラックが生じたとしても、Ａｌ_１８Ｂ_４Ｏ_３３などのアルミノ硼酸塩の結晶のよってクラックの進展が妨げられる。アルミノ硼酸塩の結晶の形状は、例えば、柱状である。

酸化アルミニウムが主成分であるセラミックスは、さらに、ニッケルを含み、その含有量が酸化物（ＮｉＯ）に換算して４質量ｐｐｍ以下であってもよい。

ニッケルの含有量が上記範囲であれば、色調のばらつきが抑制され、商品価値が向上する。
窒化珪素またはサイアロンを主成分とするセラミックスは、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／または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（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）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。
なお、含有量が質量ｐｐｍ程度の成分、例えば、Ｎｉについては、グロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）を用いて求め、酸化物（ＮｉＯ）に換算すればよい。

金属芯体２の貫通孔４には、図２に示すように、伸線機の回転軸６が挿通される。金属芯体２の内周面に設けられたキー溝５には、回転軸６に形成されたキー溝７に跨ってキー８が嵌挿されている。これにより、キャプスタンロール１は回転軸６に対する回転が阻止され、回転軸６の回転に確実に従動させることができる。

一方、金属芯体２の外周面とセラミック外ロール３の内周面とは、それらの間に樹脂を充填して接着されているが、接着のみでは回転を抑制するのは不十分である。そのため、図１Ａ～Ｃに示すように、金属芯体２の外周面とセラミック外ロール３の内周面には、それぞれ、互いに対向してロックピン挿入用孔部（以下、単に孔部と略称することがある。）９を形成する凹部１０ａ、１０ｂが形成され、この孔部９内に金属製のロックピン１１が挿入されている。これにより、金属芯体２にセラミック外ロール３を固定することができ、金属芯体２に対してセラミック外ロール３が回転するのを阻止することができる。ロックピン１１は、例えば、機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）または機械合金用構造鋼（ＳＣＭ４３５）からなる。特に、機械合金用構造鋼（ＳＣＭ４３５）は、機械的強度および靭性ともに高いので、ロックピン１１として用いるとよい。
孔部９は、金属芯体２およびセラミック外ロール３の周方向に複数設けるのが好ましい。

複数の孔部９は、図1Ａに示すように、回転軸６の軸心Ａから半径方向に延び且つ金属芯体２のキー溝５を覆う領域Ｂから外れた位置にある。領域Ｂは、軸心Ａとキー溝５を構成する凹部の底部両端を通る２つの線ｂ１、ｂ２によって画定される。
好ましくは、孔部９は、回転軸６の軸心Ａから半径方向に延び且つ金属芯体２のキー溝の中心を通る中心線Ｃから周方向に３０°以上、好ましくは４５°以上外れた位置にあるのがよい。すなわち、図1Ａにおいて、孔部９の中心と中心線Ｃとの間の角度αが３０°以上、好ましくは４５°以上であることを意味する。
角度αは、図1Ａに示すように、前記中心線Ｃから時計回りおよび反時計回りのそれぞれの角度であるので、２つの孔部９、９の間隔は少なくとも６０°であるのがよい。

このように、孔部９は、キー溝５のある領域Ｂから外れた位置に形成されているので、孔部９とキー溝５との間隔が広がり、キャプスタンロール１が高速回転してワイヤによる引張りをセラミック外ロール３が受けても、孔部９とキー溝５で挟まれる部分の機械的強度が維持されているため、セラミック外ロール３の破損を抑制することができる。

図１Ｄは、図１ＢのＡ部を拡大した断面図である。図１Ｄに示すように、セラミック外ロール３は、直胴部３ａと、直胴部３ａの少なくともいずれか一方の端部に径方向外側に延出する鍔部３ｂとを備え、直胴部３ａの外周面３ｃに接続する鍔部３ｂの接続面３ｄは、鍔部３ｂの外周面３ｅの幅が狭くなるように傾斜していてもよい。
このような構成であると、外周面３ｃに摺接するワイヤＷが引き伸ばされた場合、接続面３ｄが外周面３ｃに直交する構造のセラミック外ロール３よりもワイヤＷに損傷を与えるおそれが低減する。
接続面３ｄと、鍔部３ｂの端面３ｆとのなす角（傾斜角θ）は、例えば、３°以上７°以下であるのがよい。

図３（ａ）は、孔部９へのロックピン１１の挿入状態の一例を示している。この例では、孔部９は円形断面を有している。そのため、ロックピン１１も図３（ａ）、（ｂ）に示すように、円柱形状を有している。ロックピン１１の頂面の位置は、鍔部３ｂの端面３ｆから金属芯体２の内部に向かって０．１ｍｍ～０，５ｍｍ凹んだ位置にあるとよい。

なお、金属芯体２の外周面とセラミック外ロール３の内周面との間隙Ｓには、熱硬化性樹脂、エポキシ樹脂、シリコン系樹脂などの樹脂が充填されているのがよい。孔部９内の間隙も同様である。エポキシ樹脂の場合、２液混合の常温硬化型であるとよい。高温で硬化させなくても済むので、熱による変形などの影響を受けにくくなる。
金属芯体２の外周面とセラミック外ロール３の内周面との間隙Ｓには、エポキシ樹脂を主成分とし、アミン系化合物を含む接着層（図示しない）を備えているとよい。
このような構成の接着層は、高温環境に数か月間に亘って曝されても、接着強度がほとんど低下しないので、キャプスタンロールがこのような環境下で用いられても、長期信頼性が向上する。
接着層の主成分は、接着層を構成する成分のうち、最も含有量が多い成分である。
接着層を構成する成分は、フーリエ変換赤外分光分析装置（ＦＴＩＲ）またはガスクロマトグラフ（ＧＣｍａｓｓ）を用いて同定すればよい。

図４（ａ）は図３（ａ）と異なる他の例を示しており、同図に示すように、孔部９１を形成する、金属芯体２の外周面とセラミック外ロール３の内周面とにそれぞれ形成された凹部１０ａ´、１０ｂ´は、金属芯体２およびセラミック外ロール３の周方向（矢印Ｙで示す方向）に対して交差する直線部Ｌを有している。

孔部９１内に挿入されるロックピン１１１は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上記直線部Ｌに対向する直線部１１１ａを有する矩形断面を有する。その他は、上記の実施形態と同じであるので、同一符号を付して説明を省略する。なお、直線部Ｌは、上記周方向Ｙに対して交差しているのが好ましい。また、直線部Ｌは凹部１０ａ、１０ｂの一方のみに形成されていてもよい。

このように孔部９１の内周面に直線部Ｌを設け、これに対応してロックピン１１１も矩形断面とすることにより、キャプスタンロール１の回転方向（すなわちＹ方向）に孔部９１とロックピン１１１とが面接触するようになり、キャプスタンロール１の高速回転によるワイヤの引張りにより生ずるせん断応力に対して強度を向上させることができる。

図５（ａ）はさらに他の例を示しており、同図に示すように、孔部９２の内周面は、金属芯体２およびセラミック外ロール３の周方向（矢印Ｙで示す方向）に対して交差する直線部Ｌ´を有している。そして、この孔部９１内に挿入されるロックピン１１２は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、上記直線部Ｌ´に対向する直線部１１２ａを有する。その他は、図４（ａ）、（ｂ）に示した例と同様である。

次に、本開示のキャプスタンロール１を備えた伸線機の一例を図６に基づいて説明する。図６に示す伸線機２０は、いわゆる並列掛け伸線構造となっている。伸線機２０では、機台２１内部の所定位置に回転軸６ａ、６ｂが配置されており、回転軸６ａ、６ｂの双方に、コーン形キャプスタンロール１００が固定されている。すなわち、各々の回転軸６ａ、６ｂに固定されたキャプスタンロール１００が、回転軸６ａ、６ｂの回転に従動してそれぞれ回転する。回転軸６ａと回転軸６ｂ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。

コーン形キャプスタンロール１００は、図７に示すように、外径が一方端（I）から他方端（II）に向って段階的に大きくなる複数段のキャプスタンロール１が一体化されたものであり、摺接面となる複数段の外周面１ａを備えている。コーン形キャプスタンロール１００は、ワイヤＷを引き伸ばすための伸線機において、回転軸３の回転によって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。
なお、本開示のキャプスタンロール１は、図１Ａ～１Ｃに示すような一段のみに限定されるものではなく、コーン形キャプスタンロール１００のように複数段を一体に形成したものも包含している。

伸線機２０は、機台２１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、および従動ベルト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６ｂと接続され、駆動プーリー１４は回転軸６ａと接続されており、駆動モータ１３によって、回転軸６ａおよび６ｂが回転駆動される。

伸線機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ワイヤＷを、２つのキャプスタンロール１００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ワイヤＷを、キャプスタンロール１００、１００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２つのキャプスタンロール１００を回転させる。この際、ワイヤＷは、キャプスタンロール１００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。ワイヤＷは、例えばＣｕからなる。ワイヤＷは、Ｃｕ以外でも、例えばＡｕ、Ａｌなど各種金属線であってもよい。

伸線機２０では、駆動モータ１３の駆動により、キャプスタンロール１００が回転し、ワイヤ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６では、２本のキャプスタンロール１００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１００の本数を増やして設置した装置であってもよい。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示のキャプスタンロールは、以上の実施形態に限定されるものではなく、種々の改良や改善が可能である。

１ キャプスタンロール
１ａ 外周面
２ 金属芯体
３ セラミック外ロール
３ａ 直胴部
３ｂ 鍔部
３ｃ 外周面
３ｄ 接続面
３ｅ 外周面
３ｆ 端面
４ 貫通孔
５ キー溝
６、６ａ、６ｂ 回転軸
７ キー溝
８ キー
９ ロックピン挿入用孔部
１０ａ、１０ｂ 凹部
１１、１１１、１１２ ロックピン
１１１ａ 直線部
１１２ａ 直線部
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 伸線機
２１ 機台
１００ コーン形キャプスタンロール
Ａ 軸心
Ｂ 領域
Ｃ 中心線
Ｌ、Ｌ´ 直線部
Ｓ 間隙
Ｙ 周方向
Ｗ ワイヤ

Claims (10)

1. 中心部に回転軸を挿通させる貫通孔を有する環状体からなり、該環状体の内周面にキー溝を設けた金属芯体と、
   該金属芯体の外周面に装着されたセラミック外ロールと、を備え、
   前記金属芯体の外周面と前記セラミック外ロールの内周面とにそれぞれ、互いに対向してロックピン挿入用孔部を形成する凹部が形成されており、
   前記ロックピン挿入用孔部は、前記金属芯体および前記セラミック外ロールの周方向に複数設けられており、
   全ての前記ロックピン挿入用孔部は、前記回転軸の軸心から半径方向に延び且つ前記金属芯体の前記キー溝を覆う領域から外れた位置にある、
   キャプスタンロール。
2. 前記キー溝は平面視で凹形であり、前記領域は、前記回転軸の軸心と凹形の前記キー溝の底部両端を通る２つの線によって画定される請求項１に記載のキャプスタンロール。
3. 前記ロックピン挿入用孔部は、前記回転軸の軸心から半径方向に延び且つ前記金属芯体の前記キー溝の中心を通る線から周方向に３０°以上外れた位置にある請求項１または２に記載のキャプスタンロール。
4. 前記ロックピン挿入用孔部を形成する、前記金属芯体の外周面と前記セラミック外ロールの内周面とにそれぞれ形成された凹部のうち少なくとも一方の凹部は、前記金属芯体および前記セラミック外ロールの周方向に対して交差する直線部を有し、且つ前記ロックピン挿入用孔部に挿入されるロックピンは、前記直線部に対向する直線部を有する請求項１～３のいずれかに記載のキャプスタンロール。
5. 前記セラミック外ロールは、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からなる請求項１～４のいずれかに記載のキャプスタンロール。
6. 前記セラミック外ロールは、主成分が酸化アルミニウムであって、珪素、マグネシウム、硼素およびニッケルを以下の酸化物に換算して、以下の範囲でそれぞれ含んでいる、請求項５に記載のキャプスタンロール。
   ＳｉＯ２：３質量％～５重量％
   ＭｇＯ ：１質量％～１．５重量％
   Ｂ２Ｏ３：０．５質量％～３．５重量％
7. 前記セラミック外ロールは、ニッケルを含み、その含有量が酸化物（ＮｉＯ）に換算して４質量ｐｐｍ以下である、請求項６に記載のキャプスタンロール。
8. 前記金属芯体の外周面およびセラミック外ロールの内周面との間隙に、接着層を備えてなり、該接着層は、エポキシ樹脂を主成分とし、アミン系化合物を含む、請求項１～７のいずれかに記載のキャプスタンロール。
9. 前記セラミック外ロールは、直胴部と、直胴部の少なくともいずれか一方の端部に径方向外側に延出する鍔部とを備え、前記直胴部の外周面に接続する前記鍔部の接続面は、前記鍔部の外周面の幅が狭くなるように傾斜している、請求項１～８のいずれかに記載のキャプスタンロール。
10. 請求項１～９のいずれかに記載のキャプスタンロールを備えた伸線機。
    
    
    

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