超音波金属接合とは？原理・特徴・応用分野を徹底解説

超音波金属接合とは？

超音波金属接合とは、重ねた金属を超音波振動によって接合する技術です。

半田などを使わず、直接接合することが可能。また、母材の融点以下の温度で行う接合なので、母材の金属特性を保ったまま接合することが可能です。

従来の金属接合方法との違い

超音波金属接合は、従来法が熱を利用して金属を溶融させるのに対し、超音波金属接合は超音波の振動エネルギーを用いて金属表面の酸化被膜を破壊し、原子レベルでの結合を促進します。

超音波接合では局所的な加熱のみで済むため、熱影響部が小さく、材料の機械的特性を維持しやすいのが特徴です。

また、従来法と比べて接合部の電気抵抗値が低いため、高品質な接合を実現します。

超音波金属接合は、従来法では困難だった異種金属の接合にも適しています。アルミニウムと銅、チタンとステンレスなど、融点や熱膨張率の異なる金属同士でも接合できます。

さらに、薄膜や微細構造を持つ材料にも適用可能で、ナノテクノロジー分野での応用も期待されています。

超音波金属接合加工の特徴

超音波金属接合は、接合面が原子レベルで結合する点、融点以下の接合であるため熱影響および物性への影響が少ない点から、以下のような優れた特徴を持ちます。

• 丈夫な接合が可能（引っ張り強度が高い）
• 異種金属同士、異素材同士の接合が可能
• 母材の強度を保てる（母材本来の金属特性を保持できる）
• 電気抵抗値が小さく、電流のロスが少ない

超音波金属接合は配線の接合に最適

抵抗溶接では難しいこのような接合も、超音波金属接合なら実現できます。超音波金属接合は、接合部の電気抵抗値が小さく、電流のロスが少ないため、配線の接合に最適です。

超音波金属接合のプロセス

1. 超音波振動によって、金属同士が摩擦を起こします。
2. 金属表面の酸化皮膜が破壊され、金属同士の原子間の結合が起こることで接合されます。

超音波接合が可能な金属

材料の接合適合性を評価する際には材料硬度、融点や再結晶温度が目安となります。

一般的には亜鉛、鉛、錫をのぞく非鉄金属が適しているとされています。具体的には、銅、アルミニウム、ニッケル、貴金属（金、銀、プラチナ、パラジウム）などの金属に、超音波接合を適用可能です。

作業性・コスト面におけるメリット

超音波金属接合のメリットをいくつか見ていきましょう。

繊細なワーク / 薄いワークの接合が可能

配線や金属箔など、繊細なワークや薄い形状のワークの接合が可能です。

短時間で加工可能

超音波金属接合は、他の接合法と比較しても短時間で接合できます。また、ワークを送り出しながら連続で接合することもできます。

安全で導入後すぐに生産できる

超音波金属接合機は作業者の熟練度を必要とせず、導入後すぐに生産を開始できます。また加工時には両手押しのスタートボタンを押すだけなので、作業者にとって安全な運用が可能です。さらに、リチウムイオン電池やワイヤハーネスの量産ラインへの組み込みが容易です。

超音波金属接合を適切に行うためのポイント

超音波接合を適切に行うには、さまざまな注意点があります。ここでは、周波数の選択 / 発振出力の選択 / 工具ホーンの形状 について紹介します。

周波数の選択

接合範囲などによって、適切な周波数を選択することが重要です。周波数は振動の伝達距離に関わり、共振するホーンのサイズ（接合可能なサイズ）が変わります。

発振出力の選択

金属の接合には瞬間的なパワーを要します。また、基本的に必要なパワーは接合する面積や体積に比例して増加する傾向にあります。

工具ホーンの形状

超音波金属接合において、この工具ホーンの形状の設計も、各メーカーの実力が試される重要な部分となります。詳しくはこの後ご紹介します。

工具ホーンの形状の重要性

工具ホーンは超音波金属接合機の部品のひとつで、ワークに直接触れる部品です。工具ホーンの役割は、機械で発生させた振動に共振し、振動を増幅させてワークに伝達させることです。

製品形状や接合形状、金属の材質や求められる接合強度に合ったオーダーメイドの工具ホーンを用いることで、接合品質・生産性の向上が可能です。

不適切な工具ホーンを使用する場合のリスク

工具ホーンは、使用するうちに摩耗してしまう消耗品のため軽視されがちです。超音波接合機を提供するメーカーによっては、特定の形状の工具ホーンしか提供しておらず、十分なカスタマイズができない場合もあります。

しかし、目的に合っていない形状、または摩耗により形状が変化した工具ホーンを使用し続けると、下記のような問題が起きることがあります。

• 工具ホーンの寿命が短くなる
• エネルギーの伝達が不均一になり接合強度にばらつきが生じる
• 特定の部位に過剰なストレスが集中してクラックや破壊の原因になる

精電舎電子工業株式会社の超音波金属接合技術

精電舎電子工業では、超音波金属接合に関するソリューションを提供しています。超音波金属接合機の開発・設計・製造・販売や、工具ホーン・受治具の製作を行っています。専門技術員による接合のご相談やテストも随時承ります。

工具ホーン設計においては、お客様の製品形状や接合形状、金属の材質、そして求められる接合強度など、さまざまな条件を考慮した上で、一つ一つを専用設計します。

超音波金属接合に関するお悩みは、精電舎電子工業株式会社にご相談ください。

超音波金属接合の応用分野

超音波金属接合は、さまざまな産業分野で革新的な接合技術として注目を集めています。実際どのように使われているか主な3つの分野を例に説明します。

自動車産業

自動車産業では、ワイヤーハーネスの接合や、バッテリーパックの製造において広く活用されています。

特に電気自動車の生産では、異種金属の接合が必要となるケースが多く、超音波金属接合の特性が大いに発揮されています。

また、この技術により、燃費向上や排出ガス削減にも間接的に貢献しており、自動車メーカーにとって重要な製造プロセスのひとつとなっています。

電子機器製造

超音波金属接合は、電子機器製造における重要な技術として急速に普及しつつあります。

プリント基板上の微細部品の接合に特に有効で、従来のはんだ付けでは困難だった精密な接合を可能にします。異種金属間の接合も容易になり、電子部品の高性能化に貢献しています。

従来のはんだ付けと比較すると、熱による部品へのダメージが少なく、環境負荷も低減できます。

また、高速かつ高品質な接合が実現でき、生産効率の向上にもつながっています。

航空宇宙産業

航空宇宙産業では、航空機の軽量化に向け、アルミニウムや銅などの異種金属の接合に活用され、燃費向上に貢献しています。

超音波金属接合の課題

超音波金属接合技術は、多くのメリットを持つ一方で、いくつかの課題も抱えています。

異種金属間の接合強度向上が大きな課題のひとつです。材料の組み合わせによっては、十分な接合強度を得ることが困難な場合があります。

また、接合部の内部欠陥を効率的に検出する方法の確立や、大型部品や複雑形状への適用にも制限があり、これらへの対応が課題となっています。

さらに、より効率的なエネルギー変換と高速化による生産性向上が求められています。

最新の研究成果では、接合界面の微細構造解析や数値シミュレーションを活用した品質予測モデルの開発が進められており、超音波金属接合の信頼性向上に貢献しています。

超音波金属接合についてのまとめ

超音波金属接合は、従来の接合方法と比較して、低温での接合や異種金属の接合が可能であり、高速かつ高品質な接合を実現します。

自動車、電子機器、航空宇宙産業など、幅広い分野で活用されており、今後さらなる技術革新が期待されています。

超音波金属接合の発展は、製造業の効率化や製品の品質向上に大きく貢献し、産業界全体の進歩を牽引する重要な技術となるでしょう。