超音波ワイヤボンディングの仕組みと用途

超音波ワイヤボンディングとは

超音波ワイヤボンディングまたは超音波ワイヤ溶接は、超音波振動を使用してプラスチック、金属、または異種材料を接合する工業用溶接プロセスです。溶接中、接合された材料は通常、固定具 (またはアンビル) とソノトロード (振動する金属ツール) によって一緒に保持されます。

ソノトロードが接合対象の表面に機械的振動を加えると、その結果生じる摩擦により熱が発生します。この熱は通常、0.1 ～ 1 秒以内に材料を接合します。

超音波ワイヤボンディングは、材料の融点以下で溶接が行われるため、ソリッドステート溶接プロセスであると言われています。これは、高温により望ましくない特性が生じる可能性がある金属接合用途では特に重要です。

超音波溶接システムの仕組み

超音波ワイヤボンディングは、入ってくる電流を高周波の超音波信号に変換する小さなボックスである電源から始まります。

この電気エネルギーはコンバーター (またはトランスデューサー) に伝わり、非常に速く振動するディスクを介して機械振動に変換されます。これらの振動の大きさは「振幅」と呼ばれ、超音波溶接システムを構成する際の重要なパラメータとなります。

振動はブースターで増幅され、溶接ホーン (またはソノトロード) に伝えられます。部品表面に振動を伝えて溶接を行う金属部品です。ホーンは溶接面の形状に合わせて特別に設計されています。


超音波ワイヤボンディングの用途

超音波溶着が可能かどうかは接合する部品の厚みによって決まります。原則として、厚い部品は超音波接合では接合できません。最大厚さは通常数ミリメートルで、機器や接合材料によって異なります。

超音波金属溶接に関しては、用途はアルミニウム、銅、ニッケルなどの可鍛性金属に限定されます。このプロセスは、超小型回路接続、シートメタル、フォイル、リボン、メッシュの接着に非常に一般的です。

超音波接合の用途はさまざまな業界に広がっています。

• コンピュータおよび電気産業(電気モーター、界磁コイル、変圧器、コンデンサーなど)
• 航空宇宙および自動車産業（EVバッテリー、ドアパネル、ステアリングホイール、エンジン部品など）
• 医療産業(血液フィルター、IV カテーテル、透析チューブ、フェイスマスクなど)
• 食品および包装産業(飲料容器、キャンディーバーの包装紙、冷凍食品の包装、反応性化学薬品など)

超音波ワイヤ ボンディング: EV 業界の動向

超音波ワイヤ ボンディングは、バッテリー モジュール コンポーネントの組み立てに重要な技術です。電流を分配するには、セルをワイヤ (通常はモジュールの上部にあります) を介してバスバー (または集電体) に電気的に接続する必要があります。

超音波ボンディングの使用に加えて、バッテリーメーカーはワイヤーボンディング用途にレーザー技術を使用することが増えています。

洗浄は超音波ワイヤボンディング用の表面を準備するための重要なステップであり、これは通常、プラズマまたはレーザー洗浄によって行われます。超音波接合には限界があるため、溶接にレーザーが使用されることもあります。


超音波ワイヤボンディングのための表面を準備するためのレーザー洗浄

超音波ワイヤボンディンググリース、ほこり、その他の汚染物質のない完全にきれいな表面が必要です。表面が少しでも汚れていると、接合プロセスが失敗したり、腐食が発生したりする可能性があります。

バッテリーは、コンポーネントの損傷を防ぐために慎重に洗浄する必要があります。したがって、摩耗を引き起こす機械的方法は避けなければなりません。

一部のメーカーでは、イソプロパノール、アセトン、清潔な布を使用して表面を手動で洗浄します。良い結果は得られますが、メーカーがプロセスを最適化し、速度を向上させたい場合、このソリューションは実行できません。

現時点では、レーザー洗浄は、局所的な小さな表面を完全に洗浄しながら自動化を可能にする唯一のソリューションです。

レーザー洗浄は、ワイヤーボンディングプロセスの直前に生産ラインに組み込むことができます。これにより、時間の経過とともに発生する表面の再汚染が防止されます。


超音波接合に代わるレーザー溶接

超音波ワイヤボンディングは柔軟な技術ですが、重ね接合にしか使用できないため制限があります。その結果、狭いスペースに合わせて溶接を行うことができず、バッテリーの設計が制限されてしまいます。

電池メーカーが新しい設計を開発する際、多くの企業は超音波接合をレーザー溶接に置き換えることを選択します。

レーザー溶接は、レーザー ビームのエネルギーを使用して表面を溶接する高速の非接触プロセスです。電池メーカーが超音波接合から得るのと同じ利点が得られます。

• 自動化に優しい
• 最小限の熱影響ゾーン (熱による微細構造変化なし)
• 接着剤や消耗品（はんだ材や糸など）は不要です。
• 優れた接続品質
• 異種材料の溶接も可能

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