JP4447129B2

JP4447129B2 - 伸線機用キャプスタンロール

Info

Publication number: JP4447129B2
Application number: JP2000211511A
Authority: JP
Inventors: 信一花田
Original assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: JP2002028715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属線材の伸線機に用いられるキャプスタンロールに関し、詳しくは、金属線材の高速伸線を長時間安定して行うことができるキャプスタンロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、キャプスタン型の伸線機は、１台の伸線機において複数の引抜ダイスを配置すると共に、そのダイスを通過した線材に引抜き力を与えるキャプスタンローラを各ダイスごとに配置し、各ダイスに金属線材を順次通して各パス毎に所定の断面減少率となるようにし、連続的に伸線するものである。通常、キャプスタンロールの周速を線材の速度より大きくしてキャプスタンロール外周面で線材をスリップさせ伸線を行っている。
ここで、金属線材の伸線業界においては、高速伸線を行い生産性を向上させることは、永年の課題である。
【０００３】
例えば特開平11-239814号公報には、キャプスタンの周速と線材の速度の差をスリップ速度とし、該スリップ速度を所定範囲内に設定することにより、伸線時の振動や断線を防止しつつ高速で伸線する方法が開示されている。
【０００４】
また特開平5-23729号公報には、ダイスをダイスホルダー内に特定の振動数比を有するバネ材を用いて固定することにより、伸線時の断線や振動を防止しつつ高速で伸線する方法が開示されている。
【０００５】
また特開平7-164039号公報には、キャプスタンロール外周面に硬質クロムめっきを施すと共に、キャプスタンロール外周面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．５μｍ以下とすることにより、高速伸線を可能にすることが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャプスタン型の伸線機においては、高速伸線を長時間継続するうちに伸線中の線材が振動し、所謂線材のブレ現象が生じるようになる。これをこのまま放置すると、線材の進路に異常が生じて、最後は断線してしまうという問題がある。このため、通常の作業では伸線中の線材が振動し始めると伸線速度を低下させて振動を抑制するという方法がとられている。
ここで高速伸線を長時間継続することを可能にするためには、前述した従来の伸線方法、すなわちスリップ速度を制御したり、ダイスの固定方法を調整したり、キャプスタンロール外周面の粗さ（Ｒａ）を制御する手段では未だ不十分である。
特に、半導体用ボンディングワイヤとして用いられるＡｕ線、Ａｌ線、Ｃｕ線等の非鉄金属極細線の伸線に際して、高速伸線を長時間継続できなくなってくるという状況が顕著に現れてくる。
【０００７】
本発明は上述したような従来事情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、伸線用金属線材として、半導体装置の製造に用いられるボンディングワイヤとしてのＡｕ線、Ａｌ線、Ｃｕ線等の非鉄金属の極細線を用い、このボンディングワイヤの伸線において高速伸線を長時間継続しても、伸線中の振動、すなわちブレ現象が生じない製造手段を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明者が鋭意検討した結果、伸線機用キャプスタンロールの表面が無孔で且つ超硬質のものを用いることにより、本発明の課題を達成できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
すなわち本発明に係る伸線機用キャプスタンロールは、金属線材と接するキャプスタンロール外周面にセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜表面が無孔性であると共に、該セラミックス被膜の硬度がＨｖ１２００以上であることを要旨とする。
【０００９】
セラミックス被膜は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を参照して本発明を説明する。
図１、図２はキャプスタン型の伸線機を用いた伸線方法の一例を示す。
【００１１】
図1において、1は伸線用金属線材としての半導体装置製造用ボンディングワイヤのＡｕ極細線、2はダイス、３，３’はストレートタイプのキャプスタンロールである。図中、上部の矢印４方向から金属線材1を導入し、各段のダイス2により伸線加工を施し、左右のキャプスタンロール３，３’により方向を変換しながら連続的に伸線加工していく。図1では8個のダイスを示したが、ダイスの数は増減させても良い。最後に、図中下部の矢印５方向にＡｕ極細線1を導出し、巻取機(図示省略)で巻き取る。
【００１２】
図2は、キャプスタンロールとして段付きロール６，６’を用いた例を示している。キャプスタンロールの形状を変更したこと以外は図1と同様にして伸線加工を行う。
【００１３】
ここで、金属線材（本例ではＡｕ極細線）１とキャプスタンロール３，３’、６，６’のスリップの状況を説明すると、図1のストレートダイプキャプスタンロール３，３’においては、伸線最終段階での金属線材１の線速とキャプスタンロール３，３’の周速を制御している。すなわち、キャプスタンロール３，３’の周速が金属線材１の線速より２％程度早くなるようにして若干のスリップをさせながら伸線する。この時、伸線初期段階（図1の上方）では金属線材１の線速とキャプスタンロール３，３’の周速には、総加工率に対応した大きな差異が生じて、それが大きなスリップとなる。
【００１４】
図2の段付きタイプキャプスタンロール６，６’においては、加工率を考慮して各段のロール径を設定し、キャプスタンロール６，６’の周速が金属線材１の線速より２％程度早くなるようにして、各段で２％程度のスリップをさせながら伸線する。
【００１５】
本発明においては、キャプスタンロールとしてストレートタイプと段付きタイプの何れを用いてもよいが、段付きタイプの方がスリップの程度を制御できるため、好ましく用いられる。
【００１６】
本発明に用いる伸線用金属線材の材料は特に指定はないが、金属線材の直径が10〜500μｍである極細線の伸線において好ましく用いられる。更に好ましくは、線材の直径が10〜50μｍである。
また金属線材の種類にも特に指定はないが、半導体装置製造用ボンディングワイヤに用いられるＡｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔやそれらに所定元素を添加した非鉄金属の伸線用として好ましく用いられる。すなわち、金属線材の種類が前記した非鉄金属であってその伸線中のブレを防止するために、本発明のキャプスタンロールを好ましく用いることができる。
【００１７】
本発明に係る伸線機用キャプスタンロールは、金属線材と接するキャプスタンロール外周面にセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜が有孔層ではなく無孔層であり、且つ高硬度を有するものであることが必要である。
従来のキャプスタンロール表面は、硬質クロムめっきや溶射処理を施したものであるため、硬度が低かったり表面が多孔であり、高速伸線の長時間継続に耐えられないものであった。
【００１８】
本発明になるセラミックス被膜の材料としては、セラミックスとして通常使用される材料を用いることができ、金属またはその合金のホウ化物，窒化物，炭化物，炭窒化物，酸化物などが例示できる。
金属としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉ等が例示でき、その合金としては、Ｔｉ−Ａｌ，Ｔｉ−Ｃｒ，Ｔｉ−Ｗなどが例示できる。
【００１９】
上述のセラミックスの中で好ましく用いられるものは、金属またはその合金の窒化物，炭化物，炭窒化物であり、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＺｒＮ，ＣｒＮ，ＴｉＣｒＮ，ＴｉＭｏＣ，ＴｉＷＮなどが例示できる。
【００２０】
この中でも、厚膜になった時の安定性の面で、炭化物よりも窒化物または炭窒化物が好ましく用いられ、最も好ましくはＴｉＮ(窒化チタン)、ＣｒＮ(窒化クロム)が用いられる。
【００２１】
またこれらのセラミックス被膜は、構造用炭素鋼等心材となるキャプスタンロール表面に直接被膜を形成してもよいが、クロムめっき、ニッケルめっき、銀めっき等の下地めっきを施してその上層に形成することもできる。
【００２２】
本発明になるセラミックス被膜の硬度は、Ｈｖ１２００以上であることが必要である。従来から多用されている硬質クロムめっきは、Ｈｖ７００（ＨＲＣ６０）を下限値とし上限値Ｈｖ１０００程度で管理されていることに対し、本発明になるセラミック被膜の硬度はＨｖ１２００以上、好ましくは１８００以上として用いることが必要である。従って硬質クロムめつきのように、Ｈｖ１０００以下のものや、ＷＣの溶射被膜のようにＨｖ７５０程度のものは、本発明の課題に対して不充分である。
【００２３】
また本発明になるセラミックス被膜は、無孔性であることが必要である。該無孔性被膜は、構造用炭素鋼等心材となるキャプスタンロールに真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等のドライプレーティングにより形成する方法が好ましく用いられる。
【００２４】
一方、セラミックス粉末を焼結して製造した焼結セラミックスキャプスタンロールは、表面の有孔面積が０．１〜１％であり、また、構造用炭素鋼等心材となるキャプスタンロールにセラミックス粉末を溶射して形成した溶射セラミックス被膜は、表面の有孔面積が１〜１０％である。
キャプスタンロール表面のセラミックス被膜として、前記焼結セラミックス成形品としてのキャプスタンロールや、溶射セラミックスの被膜が形成されたキャプスタンロールを使用して高速伸線を長時間継続した場合、伸線中にブレ現象が現れて、高速伸線を長時間継続できなくなるものである。
【００２５】
このように本発明の課題に対して、被膜表面性としては、中心線平均粗さ（Ｒａ）の影響は小さく、Ｒａが０．５以下と小さな値であっても、被膜の有孔の程度を制御することが必要である。
本発明でいう有孔とは、キャプスタンロール表面において、長辺が０．１μｍ以上の孔が表面に分散しているものをいう。例えば本願発明者が、有孔性表面を有する焼結セラミックスを走査電顕観察した一例では、1辺１０μｍの正方形の範囲内に長辺０．２〜０．３μｍの孔が３〜４個存在し、有孔面積は０．１〜０．３％であり、この有孔の程度が表面に分散して生じている。
また同様に、有孔性被膜である溶射セラミックス被膜では、前記孔の長辺の大きさがこれの数倍になる。溶射被膜は、その製造方法が、粉末を高温，高圧で素地に噴射して積層する方法であるため使用する粉末が打ち付けられて偏平となり、その偏平長さが孔の長辺に相当するため、大きな孔が生じ且つ前述の様に気孔率も大きくなる。
【００２６】
従って本発明でいう無孔とは、キャプスタンロール表面において、長辺が０．１μｍ以上の孔が表面に分散して生じていないものをいう。孔が分散して生じるとは、有孔面積が０．０５％以上である。
ここで無孔について詳述すれば、ギャプスタンロール表面に分散した孔の長辺が０．０１μｍ以下のものであることが好ましく、更に好ましくは、孔と認識できるものが生じていないことである。
前述したドライプレーティングにより形成されたセラミック被膜には、孔と認識できるものは基本的には存在しないものである。
【００２７】
本発明になる硬質且つ無孔性のセラミックス被膜の形成は、通常、ドライプロセスと呼ばれる方法を用いて、真空状態で被膜形成される。その中には、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法が例示できる。
またセラミック被膜の厚さは０．１〜５０μｍのものが好ましく用いられ、更に好ましくは０．５〜３０μｍである。
【００２８】
上記した真空蒸着法は、セラミックスを蒸発させて基材（キャプスタンロール表面）に付着させ析出させる方法である。この方法には、レーザー等高エネルギーを蒸発源としてセラミックスを直接溶融し蒸着させる方法と、反応性のガス中で金属を蒸発させ気相中で反応させながら基材上に析出させる方法がある。
またイオンプレーティング法は、真空蒸着法にプラズマ反応によるイオン化機構を付加した方法である。
スパッタリング法は、高真空にした後に反応性ガスを封入し、金属に高エネルギーの原子、分子、イオン等を衝突させ、原子を放出させて生成したセラミックスを基材に析出させる方法である。
ＣＶＤ法は、膜にしようとする材料の揮発性化合物を気化し、高温に加熱した基材上で分解、還元、酸化、置換などの化学反応を行わせて、基材の上に被膜を形成する方法である。
【００２９】
以上説明したように、本発明に係る伸線機用キャプスタンロールにおいて、キャプスタンロール外周面に形成するセラミックス被膜は、表面が無孔性であり且つ被膜の硬度がＨｖ１２００以上であることが必要である。
【００３０】
セラミックス被膜が有孔性被膜である場合、キャプスタンロール外周面に接する金属線材が削られてその孔に堆積する。また、セラミックス被膜の硬度がＨｖ１２００以下の軟らかい被膜である場合、該被膜に溝が生じて金属線材が削られて堆積する。
このように金属線材が削られて堆積すると、高速伸線を継続するうちに金属材料とキャプスタンロール表面の抵抗が増大し、金属線材のすべりが生じにくくなり、伸線中にブレ現象が現れて、高速伸線を長時間継続できなくなるものと考えられる。
【００３１】
金属線材が鉄鋼よりも、Ａｕ線，Ａｌ線，Ｃｕ線，Ｓｎ線，Ａｇ線，Ｐｄ線，Ｐｔ線やそれらに所定元素を添加した前述の半導体製造用ボンディングワイヤに用いられる非鉄金属である場合、この現象が顕著に現れる。
これら非鉄金属は鉄鋼材料と対比して軟質であるため、キャプスタンロール表面が有孔である場合は削られ易く、ロール表面の硬度が小さい場合はロール表面に発生した溝により削られ易くなるため、伸線中にブレ現象が現れて、高速伸線を長時間継続できなくなるものと考えられる。
【００３２】
特には、金属線材がＡｕ線の場合にこの現象が顕著に現れる。Ａｕ線は軟らかいために削られ易く、Ａｕ線表面に酸化物が生成しにくいためロール表面にくっつき易い。このため伸線中にブレ現象が生じ易く、高速伸線を長時間継続できにくくなるものと考えられる。
【００３３】
キャプスタンロール表面被膜として硬質クロムめっきを施したものは、硬度がＨｖ１０００以下であるため、本発明の被膜として適当でない。またキャプスタンロールとしてセラミックス焼結品を用いることは、その有孔性のために本発明のキャプスタンロールとして適当でない。またキャプスタンロール表面被膜としてセラミックスの溶射被膜を施したものは、硬度がＨｖ１０００以下であると共に、顕著な有孔性を有した被膜であるため、本発明の被膜として適当でない。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。
キャプスタン型伸線機を用いた伸線工程において、キャプスタンロールとして図2に示す様な段付きロールを用いて伸線作業を行なった。伸線処理に供した金属線材は半導体装置製造用ボンディングワイヤとしてのＡｕ線であり、線径が０．０３５ｍｍのものを用い、ダイス８個を用いて連続して順次伸線し、線径が０．０２５ｍｍになるまで伸線処理を行なった。潤滑剤は界面活性剤と油の混合物を用いた。この時、各段のロールで２％のすべりが発生するように加工率を設定した。
キャプスタンロールとして、機械構造用炭素鋼を材料とし機械加工を施し、その表面に、本発明のセラミック被膜になる窒化チタン薄膜、窒化クロム薄膜、炭窒化チタン薄膜、炭化チタン薄膜をそれぞれイオンプレーティング法により形成した、一対の段付きキャプスタンロールを準備した。
【００３５】
ここで、イオンプレーティング法による被膜の形成方法を説明すれば、蒸発源の金属としてＴｉまたはＣｒを用い、雰囲気ガスとしてＮ₂、Ｃ₂Ｈ₂を用いた。一度高真空に排気した容器中に雰囲気ガスを１Ｐａまで導入し、次いで陰極と陽極の問で発生させたアークプラズマから引き出されたプラズマ電子銃で蒸発源を加熱して金属を蒸発させた。その後、容器中に再度雰囲気ガスを導入し、その雰囲気中でガスプラズマを発生させた状態で真空蒸着を行い、蒸着面では金属及び雰囲気ガス成分によるセラミックス被膜を形成した。
本発明になるセラミックス被膜とその製造に用いた蒸発源の金属及び雰囲気ガスを次表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
また、従来の段付きキャプスタンロールとして、本発明と同様に機械加工を施し、その表面に硬質クロムめっきの被膜を形成したものと、セラミックス焼結品として一体成形した段付きキャプスタンロールを準備した。
【００３８】
（実験例1）
キャプスタンロールとして、表面に硬質クロムめっき被膜を形成したものを用いて、最終段階の線径０．０２５ｍｍの時の線速が３００ｍ／minの速度となる様に伸線し、線のブレが生じた場合、ブレを解消できるまで線速を低下させて正常な伸線を行った。伸線開始から一定時間経過後（１時問後、３６時問後、３６０時間後、７２０0時間後）の伸線速度を計測する試験を行った。被膜の硬さとしてビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定し、有孔性評価は１００μｍ²当たり、長辺が０．１μｍ以上の孔数を測定した。被膜厚さは膜厚測定器（蛍光Ｘ線）を用いて3点測定し、その平均値を被膜厚さとした。
被膜の測定結果及び一定時間経過後の正常な伸線時の速度を、表２中に示す。
【００３９】
（実験例２〜６）
キャプスタンロールとして、表面に硬質クロムめっき被膜を形成したものに代えて、一体成形したジルコニア（ＺｒＯ₂）製のセラミックス焼結品、または表２中に示す各種セラミック被膜としたこと以外は実験例1と同様に試験を行った。被膜の測定結果及び一定時間経過後の正常な伸線時の速度を、表２中に示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
キャプスタンロールの表面被膜が硬質クロムめっきである実験例１のものは、伸線作業における３６時間経過後、正常な伸線速度は２５０ｍ／minに低下し、時間の経過と共に更に正常な伸線速度が低下していくことが判る。
また、キャプスタンロールとして一体成形したジルコニア（ＺｒＯ₂）製のセラミックス焼結品を用いた実験例2のものは、伸線作業における３６０時間経過後、正常な伸線速度は２５０ｍ／minに低下し、時間の経過と共に更に正常な伸線速度が低下していくことが判る。
【００４２】
これに対し、キャプスタンロールの表面被膜が、本発明のセラミックス被膜になる窒化チタン薄膜、窒化クロム薄膜、炭窒化チタン薄膜、炭化チタン薄膜である実験例３〜６のものは、伸線作業における７２０時間経過後も、３００ｍ／minという伸線開始時と同様の高速伸線を、ブレを生じることなく維持できることが判る。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、金属線材と接するキャプスタンロール外周面に、無孔性で且つＨｖ１２００以上の硬度のセラミック被膜を形成した伸線機用キャプスタンロールとしたので、高速伸線を長時間継続しても伸線中の振動（ブレ現象）を生じることがなく、伸線作業の高速化，低コスト化に極めて有用である。
特に、半導体装置の製造に用いられるボンディングワイヤとしてのＡｕ線、Ａｌ線、Ｃｕ線等の非鉄金属の極細線の高速伸線を長時間継続することができ、半導体装置の製造の高速化，低コスト化に寄与するなど、多くの効果を奏する。
また、セラミックス被膜を金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物とした場合は、無孔性、硬度などの面でより顕著な作用が得られ、前述の効果をより実効あるものとし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストレートタイプのキャプスタンロールを備えるキャプスタン型伸線機を用いた伸線方法の一例を示す簡略図。
【図２】段付きタイプのキャプスタンロールを備えるキャプスタン型伸線機を用いた伸線方法の一例を示す簡略図。
【符号の説明】
１：金属線材
２：ダイス
３，３’、６，６’：キャプスタンロール

Claims

金属線材の伸線機用のキャプスタンロールであって、金属線材と接するキャプスタンロール外周面にセラミックス被膜が形成され、該セラミックス被膜表面が無孔性であると共に、該セラミックス被膜の硬度がＨｖ１２００以上であることを特徴とする伸線機用キャプスタンロール。
金属線材が非鉄金属であることを特徴とする請求項１記載の伸線機用キャプスタンロール。
セラミックス被膜が金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の伸線機用キャプスタンロール。