(57)【要約】【課題】融点が３５０〜４５０℃の高温ハンダ使用し、セラミックのハンダ接合面をメッキなどの予備処理することなしに、直接、ハンダを接合することにより、セラミックと金属とを、あるいはセラミック同士を、高温ハンダで接合可能するハンダ付け方法を提供する。【解決手段】０．１〜１８質量％のＡｌを含有し、Ｚｎを主成分とする融点が３５０〜４５０℃のハンダを用いて、超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行うことにより、セラミックに、直接、接合する。ハンダには、さらにＳｉを０．０１〜０．５質量％の範囲で、またＮｉを０．３〜２．０質量％の範囲で含有してもよい。 【選択図】図５
2016098165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行うことにより、０．１〜１８質量％のＡｌ、残部がＺｎおよび不可避不純物であるハンダを、セラミックに、直接、接合するハンダ付け方法。
【請求項２】
前記ハンダが、さらに０．０１〜０．５質量％のＳｉを含むことを特徴とする請求項１に記載のハンダ付け方法。
【請求項３】
前記ハンダが、さらに０．３〜２．０質量％のＮｉを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のハンダ付け方法。
【請求項４】
前記セラミックが炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア、炭化タングステンのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハンダ付け方法。
【請求項５】
前記超音波振動が５５〜６５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のハンダ付け方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のハンダ付け方法によりハンダが接合されたセラミックに金属をハンダ付けするセラミックと金属のハンダ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＺｎを主成分とするハンダ合金によりセラミックに、直接、ハンダを接合するハンダ付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハンダとは、接合対象の母材よりも融点が低く、かつ十分な接合が可能であるように合金組成を設定し、合金成分となる原材料を加熱溶融し、ハンダを用いた作業方法に応じて適正な形状に凝固させた合金である。また、一般的にハンダの融点は４５０℃以下とされており、それよりも融点が高い場合はろうと呼ばれている。
【０００３】
ハンダには様々な合金組成が存在し、融点が２００℃近辺またはそれ以下の中低温領域ではＳｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉなどの錫を主成分としたハンダが存在し、一方４００℃近辺の高温領域ではＺｎを主成分とするＺｎ−Ａｌなどの高温ハンダが使用されている。
【０００４】
このＺｎ−Ａｌ高温ハンダはアルミ母材のハンダ接合によく使われているが、その他にも銅、ニッケルなどの単体の金属や黄銅、ステンレスなどの合金といった多種の金属母材を接合できる上、近年、ハンダ付けが極めて困難とされていたチタンへの接合も確認された（特許文献１）。
【０００５】
ハンダ付けは加熱が必要であり、その加熱によって金属母材およびハンダ表面に酸化膜が形成されるが、酸化されたままでは接合はできない。そのため酸化膜を除去してハンダ付け面を活性化することが不可欠である。
ハンダ付け面を活性化する方法の１つにフラックスを使用する方法がある。しかし、セラミックのハンダ付けにおいては、フラックスを使用しても、ハンダ付け面を活性化することはできず、金属同士のハンダ付けと同様の効果を得ることはできない。また、ハンダ付け後の残存フラックスの除去に使用される洗浄剤が環境を汚染したり、汚染を防止するためのシステム構築がコスト高であったりするなどの問題がある。
【０００６】
セラミックに直接ハンダを接合させることは困難であるが、工夫することでセラミックにも接合することもできる。その方法とはセラミック母材の接合部分表面を予めニッケル、銅、酸化アルミニウムどの金属の薄膜をメッキなどにより形成した後にハンダ付けするものであり、セラミック母材に直接ハンダを接合するのではなく、その中間にセラミックに付着できる金属を挟み、その上にハンダ付けを行うものである（特許文献２、３）。
しかしながら、セラミックの上にメッキを行うことはメッキ自体を行う作業者や装置の費用、メッキ工程の原材料や廃液処理の費用、そして作業自体にかかる時間などにより、金属同士をハンダ接合することと比較してこれらのコストが大きい。このメッキ工程がなくなれば製造面ではセラミックへのハンダ付け作業のコストダウンが見込め、技術面ではこの分野の設計の幅が広がり、製品開発が新たに展開されることが期待される。
【０００７】
また、近年、ハイブリッド車、燃料電池車といった自動車の電子化に伴い、車載電子部品が増加しており、特にエンジン周りに配置される電子部品やセラミックは、長時間にわたって従来よりも高温にさらされるため、これらの部材のハンダ付けには、通常よりも厳しい高温環境下での信頼性が要求される。このようなことから、接合強度の高く耐熱性に優れる高温ハンダによる、セラミックと金属との接合やセラミックとセラミックとの接合が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２０１４／０２１３０８
【特許文献２】特開平９−４７８９５号公報
【特許文献３】特開２００９−１２５７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、融点が３５０〜４５０℃の高温ハンダを使用し、セラミックのハンダ接合面をメッキなどの予備処理することなしに、直接、ハンダを接合することができるハンダ付け方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の課題を解決すべく本発明者らが鋭意検討を行った結果、上記目的は、Ｚｎを主成分とするハンダ合金であって、０．１〜１８質量％のＡｌを含み、必要に応じてＳｉ、Ｎｉなどを添加し、残部がＺｎおよび不可避成分であることを特徴とする、融点が３５０〜４５０℃であるハンダ合金を使用して、ハンダ付け時において、摩擦ハンダ付けを行うのみならず超音波振動を加えることより達成されることを見出した。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行うことにより、０．１〜１８質量％のＡｌ、残部がＺｎおよび不可避不純物であるハンダを、セラミックに、直接、接合するハンダ付け方法。
［２］前記ハンダが、さらに０．０１〜０．５質量％のＳｉを含むことを特徴とする［１］に記載のハンダ付け方法。
［３］前記ハンダが、さらに０．３〜２．０質量％のＮｉを含むことを特徴とする［１］又は［２］に記載のハンダ付け方法。
［４］前記セラミックが炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニア、炭化タングステンのいずれかであることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載のハンダ付け方法。
［５］前記超音波振動が５５〜６５ｋＨｚであることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載のハンダ付け方法。
［６］［１］〜［５］のいずれかに記載のハンダ付け方法によりハンダが接合されたセラミックに金属をハンダ付けするセラミックと金属のハンダ付け方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｚｎを主成分とするハンダ合金を使用し、超音波振動を付与しつつ、摩擦ハンダ付けを行うことにより、金属のめっきなどの予備処理をすることなしに、またフラックスを使用することなしに、セラミック表面に、直接、ハンダを接合できる。このハンダ付け方法により、セラミックと金属とを、あるいはセラミックとセラミックとを高温ハンダで接合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】Ｚｎ合金と炭化ケイ素の接合断面（顕微鏡写真）である。
【図２】Ｚｎ合金と窒化ケイ素の接合断面（顕微鏡写真）である。
【図３】Ｚｎ合金と酸化ケイ素の接合断面（顕微鏡写真）である。
【図４】Ｚｎ合金と窒化アルミニウムの接合断面（顕微鏡写真）である。
【図５】Ｚｎ合金と酸化アルミニウムの接合断面（顕微鏡写真）である。
【図６】Ｚｎ合金とジルコニアの接合断面（顕微鏡写真）である。
【図７】Ｚｎ合金と炭化タングステンの接合断面図（顕微鏡写真）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、セラミックをハンダ付けする際に、ハンダ付け面をフラックスの塗布や、予めメッキなどの予備処理をすることなく、ハンダ付けする方法として、摩擦ハンダ付け方法と超音波ハンダ付け方法とに着目した。
【００１５】
摩擦ハンダ付け法とは、ハンダ付けされる被接合材の母材をハンダが半溶融となる温度まで温め、次に適量のハンダを載せて半溶融になってから、ステンレスのヘラなどでその上から擦ることで母材表面に存在する酸化物を物理的に除去し、酸化されていない金属界面となることで活性化され、溶融ハンダを触れ合わせることで合金層を形成させて接合する方法である。
また、超音波ハンダ付け方法は、ハンダ付け時に超音波を付与することによってハンダ表面の酸化膜や母材表面の酸化膜、油脂等の汚れが取り除かれ、ハンダ接合面が活性化する効果を利用するものである。
【００１６】
そして、本発明者らは、ハンダ合金としては、すでに言及したように、多種の金属母材のハンダ付けが可能なＺｎを主成分とする高温ハンダに着目し、超音波振動を付与しつつ、摩擦ハンダ付けを行うハンダ付け方法において、セラミックの表面に、メッキ膜の形成やフラックス塗布などのハンダ付け面への予備処理をすることなしに、直接、ハンダを接合できることができるＺｎを主成分とするハンダ組成を見いだした。
なお、ハンダ付けという用語は、通常、２つの対象物をハンダ合金で接合する場合に使用されるが、本明細書では、２つの対象物の一方にハンダを接合させる場合についても、ハンダ付けという用語を使用することがある。
【００１７】
本発明の摩擦ハンダ付けの際にさらに超音波振動を加えてハンダ付けする方法において使用されるハンダ合金は、０．１〜１８質量％のＡｌを含み、残部がＺｎおよび不可避成分であることを基本組成とし、融点が３５０〜４５０℃の合金である。この基本組成のハンダに、必要に応じて、これにＳｉ、Ｎｉなどを添加することができる。
【００１８】
本発明の高温ハンダにおけるＺｎ以外の成分には以下の効果がある。
Ａｌは、Ｚｎに対し酸化及びＺｎ（Ｚｎはバネ性が乏しく脆い存在）の脆化を改善する働きがある。溶融したハンダ合金の高温でのＺｎの酸化が抑制でき、良好なハンダ接合部を得るために、不可欠である。また酸化を抑制することによりハンダの歩留りの向上にもつながる。溶融温度が高い金属または合金は一般的には強度が高い。Ｓｎ−Ｚｎ合金は融点が１９９℃と低く、経験上、この合金よりも融点が高い合金と比較して強度が低い。本発明のハンダ合金はＺｎをベースとしてさらに融点が高い金属を添加することで、強度改善にも効果がある。
【００１９】
本発明のハンダ合金におけるＡｌの含有量は０．１〜１８質量％、好ましくは１．０〜３．０質量％である。０．１質量％未満では添加効果が得られない。また、１８質量％を超えると、融点が４５０℃を超過するので本発明に掲げる、融点が４５０℃以下のハンダ合金にそぐわなくなる。
【００２０】
Ｚｎを主成分とするハンダ合金の開発に際し、Ｚｎの融点を超える領域では酸化が著しく、実作業に適さないが、Ｓｉを添加することにより酸化を抑えることができる。Ｓｉは融点が１４１０℃と高く、酸素とは９００℃以上で反応するが、溶融状態では多くの金属合金或いはケイ素化物をつくり、金属酸化物の生成を抑制する働きがある。
このことから、ハンダを製造する加熱溶融の過程でＺｎ及びＺｎ合金の酸化を防止する上でＳｉは有効である。
また、合金製造後の実作業のハンダ付けで大気中で加熱融解するために酸化は免れない。しかしながら、Ｓｉを加えたハンダ合金は大気中の作業においてもＳｉがハンダ溶融中に酸素を奪って優先的に反応することにより、Ｚｎの酸化が抑えられ、安定した作業と信頼性の高い接合部を作ることができる。本発明のハンダ合金は比較的高温で作業するため、酸化を防止することは重要である。
【００２１】
本発明のハンダ合金にＳｉを添加する場合、Ｓｉの含有量は０．０１〜０．５質量％、好ましくは０．１〜０．３質量％である。０．０１質量％未満ではＳｉの添加効果が見られず、ハンダ付け時に酸化物が多く生成する。また、０．５質量％を超えると、融点が高くなり、湯流れ悪化による歩留まり低下を引き起こす。また、Ａｌ−Ｓｉの状態図より、Ｓｉは融点が高温であるが、Ａｌとは所定の割合（Ｓｉ：Ａｌ＝１：８〜１０）で共晶を作るため融点が下がる。一方、Ｚｎ−Ｓｉの状態図を見ると共晶生成による融点低下が起こらないため、Ｓｉの融解はまずＡｌと共に融解した方が単独で行うよりも容易である。
【００２２】
また、Ｚｎの融点が４１９．５℃であるが、Ａｌを添加するとＺｎ−Ａｌ状態図より、固相線が３８２℃になる。この共晶温度領域は、Ｚｎ−Ａｌ状態図からＺｎの割合が８２．８〜９８．８６質量％の範囲に存在している。この系の合金状態図の共晶領域は凝固終了温度（溶融開始温度）が一定の３８２℃である。実用段階では組成の変動は起こり得るので、凝固終了温度や溶融開始温度が一定であるとハンダ付け作業がしやすい。次に状態図によると２７５℃で固体内変態が起こる。この固体内変態が開始すると加熱時にも関わらず合金が吸熱を起こすため、これを抑えるようにしなければ、体積の大きな被接合材料のハンダ付けで加熱ムラが生じる危険性が出て来る。これらの問題を解決するために試作した結果、Ｎｉの添加が有効であった。Ｎｉは変態を抑える効果の他に、共晶点での溶融を抑える効果がある。
【００２３】
本発明のハンダ合金にＮｉを添加する場合、Ｎｉの含有量は０．３〜２．０質量％、好ましくは０．５〜１．５質量％である。Ｎｉ含有量が０．３質量％よりも少ないとＮｉの添加効果が十分に得られない場合があり、変態点や共晶点のあるハンダ合金となる場合がある。一方、Ｎｉ含有量が２．０質量％よりも多い場合、金属溶融が困難となり、酸化物が多く生成して歩留りが低下する場合がある。
【００２４】
次に、摩擦ハンダ付けと超音波ハンダ付けについて説明する。
本発明では、超音波を付与しつつ摩擦ハンダ付けすることが必要であるが、このことを本発明のハンダ合金を使用して、
ケース１：摩擦ハンダ付け
ケース２：超音波ハンダ付け
ケース３：超音波振動を付与する摩擦ハンダ付け
の３つのケースについて、作業温度を変えて行った実験によって確かめた。
【００２５】
ハンダ付け対象のセラミックとして、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、ジルコニアおよび炭化タングステンについて、ハンダ付けを試みた。
最初に、ケース１として、上記のセラミックについて、セラミック母材の試験片に本発明のＺｎを主体とする高温ハンダを載せ、ハンダを加熱して半溶融温度に保持して、摩擦ハンダ付けを行ったが、ハンダをセラミック表面に、直接、接合することはできなかった。摩擦は、セラミック母材に加熱保持したハンダ鏝を当接し、ハンダ付け面を擦りつけた。
次に、ケース２として、セラミック母材の試験片に本発明のＺｎを主体とする高温ハンダを載せ、ハンダを加熱して半溶融温度に保持して、ハンダ鏝に超音波を付与しつつハンダ付けを行ったが、摩擦ハンダ付けと同様に、ハンダをセラミック表面に、直接、接合することはできなかった。
【００２６】
最後に、ケース３として、そこで、セラミック母材の試験片に本発明のＺｎを主体とする高温ハンダを載せ、ハンダを加熱して半溶融となったのちに、ハンダ鏝に所定の振動数の超音波を付与しつつ上記と同様の摩擦をハンダ付け面に付与したところ、セラミック表面に、直接、ハンダを接合することができた。
この際、ハンダを半溶融状態となる温度を保つことが好ましく、保温を中断し、セラミック母材の温度がハンダの固相線温度を下回り固まってくると広がらなくなるため、ハンダ付け作業が不可能となる。
【００２７】
現時点では、上記のＺｎを主体とするハンダ合金を使用し、超音波を付与しつつ摩擦ハンダ付けすることにより、ハンダをセラミック表面に直接接合することができるのか、その現象の解明はできていないが、本発明のハンダの合金成分ではセラミックにハンダ付けを行う場合、超音波をかけることとその際に摩擦を行うことの２つの条件が必要である。
【００２８】
セラミックにハンダ付けする際の超音波の振動数は、振動数の値を変えて検討を行ったところ、５５〜６５ｋHｚ程度の振動数の場合に、セラミック表面に直接接合することができた。
【００２９】
図１〜図７に、本発明により得られた高温ハンダ（Ａｌ：２質量％、残部Ｚｎ）と各種セラミック（炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ジルコニアおよび炭化タングステン）との接合断面図（顕微鏡写真）を示す。いずれの図面においても、上層がセラミックであり、下層がハンダである。
これらの図から、ハンダとセラミックの間に合金相が形成されており、セラミックの表面に直接接合していることが分かる。
【００３０】
セラミックにハンダを直接接合することができれば、ハンダが直接接合されたセラミックに金属をハンダ接合するには、以下のようにして行うことができる。
（イ）金属のはんだ付け面に予めハンダを接合しておき、このハンダとセラミックに直接接合されたハンダとを当接して接合することにより、セラミックと金属をハンダ付けする。
（ロ）セラミックに直接接合されたハンダを介して金属を接合することにより、セラミックと金属をハンダ付けする。
【００３１】
（イ）の場合、セラミックに直接接合されたハンダと予め金属に付与されたハンダとを接合してセラミックと金属をハンダ付けするのであるから、両ハンダを接合できるハンダ付け方法であるならば、どのようなハンダ付け方法、例えば、フラックスを使用するハンダ付け方法、超音波ハンダ付け方法、摩擦ハンダ付け方法などでも使用することができる。
（ロ）の場合でも、セラミックに直接接合されたハンダに金属を接合するのであるから、従来から行われている金属のハンダ付け方法を適用することができる。したがって、金属の種類に応じて、例えば、フラックスを使用するハンダ付け方法、超音波ハンダ付け方法、摩擦ハンダ付け方法などを使用することができる。
【００３２】
また、セラミック同士をハンダ接合する場合には、それぞれのセラミックにハンダを直接接合させて、両者のハンダを当接してハンダ付けすることにより、セラミック同士をハンダ付けすることができる。
この場合も、セラミックに直接接合されたハンダ同士を接合するのであるから、上記の（イ）の場合と同様に、両ハンダを接合できるハンダ付け方法であるならば、どのようなハンダ付け方法でもよい。
【００３３】
なお、上記の（イ）、（ロ）の場合やセラミック同士のハンダ付けの場合においては、ハンダ付けの際に、新たにハンダを補給してハンダ付けを行ってよいことは言うまでもない。また、セラミックに直接接合されたハンダと金属に接合されたハンダの組成は、全く同じ組成のハンダである必要はない。
同様に、セラミック同士のハンダ付けの場合においても、ハンダ付けの際に、新たにハンダを補給してハンダ付けを行ってよい。また、セラミックのそれぞれに直接接合されたハンダが全く同じ組成のハンダである必要はない。
【実施例】
【００３４】
本発明を実施例により説明する。
＜ハンダ合金の作製＞
表１、表２に示す組成のハンダ原材料を容器に入れ、融点以上に加熱して溶融させ、溶け残りがないことを確認した後に十分に酸化物をヘラにより除去し、溶融金属をくみ取って型に流し込み、冷却してハンダ合金を得た。
表１に示される試料１〜９は、本発明が規定する組成範囲を満たすＺｎ系高温ハンダである。また、表２に示される試料１０〜１２は、Ｓｎを主成分とするＳｎ系ハンダであり、本発明外の組成を有する低融点ハンダである。
これらのハンダ合金の融点は、示差熱分析器（ＤＳＣ）を用い、出力チャートのピーク温度を融点とした。
【００３５】
【表１】
2016098165.tif 000003
【００３６】
【表２】
2016098165.tif 000004
【００３７】
＜ハンダ付け手順＞
ハンダ付けは以下の手順で行った。
３０ｍｍ×３０ｍｍ×（厚さ）１ｍｍの金属母材および１０ｍｍ×１０ｍｍ×（厚さ）８ｍｍのセラミック母材をホットプレートで加温する。セラミックの温度を作業温度とし、ハンダ付け作業を行う温度まで温まったら金属、セラミック両母材のそれぞれの上にハンダを０．１ｇ載せ、半溶融状態になるまでさらに温める。
その後の実施は、セラミック母材に対しては、以下の３つのケース（摩擦作業の有無、超音波の有無）によって異なる。
ケース１：摩擦ハンダ付け
摩擦ハンダ付けは、加温したハンダ鏝を母材のハンダ付け面に角度４５〜９０°の状態で当て、ハンダ鏝が母材に接触している状態で秒速５〜２０ｃｍ程度の速さでハンダ付け面を擦りつつ、ハンダを延ばしてハンダ付けを行った。
ケース２：超音波ハンダ付け
超音波ハンダ付けは、加温したハンダ鏝に６０ｋＨｚの超音波振動を付与して、母材のハンダ付け面に角度４５〜９０°の状態で当てハンダ付けを行った。
ケース３：超音波振動を付与する摩擦ハンダ付け
超音波振動を付与する摩擦ハンダ付けは、加温したハンダ鏝に超音波振動を付与しつつ、母材のハンダ付け面に角度４５〜９０°の状態で当て、ハンダ鏝が母材に接触している状態で秒速５〜２０ｃｍ程度の速さでハンダ付け面を擦り付け、ハンダを延ばしてハンダ付けを行った。
超音波の振動数は、発明例のすべて及び比較例３、４では６０ｋＨｚ、比較例５〜８では、２０ｋＨｚまたは５０ｋＨｚである。
【００３８】
金属母材（アルミニウム、ステンレス）に対してはいずれも、ケース３の超音波振動を付与する摩擦ハンダ付けを行い、金属母材にハンダを接合させた。このケース３の方法により、金属母材に対して良好なハンダ接合が形成できることは予め行った実験により確認済みである。
【００３９】
このようにしてハンダが接合されたセラミック母材と金属母材について、ただちにセラミック母材を、ハンダ面を下にして金属母材のハンダ面に重ねることにより、セラミック母材と金属母材のハンダ接合物を得た。
＜ハンダ接合物の評価方法＞
得られたハンダ接合物のセラミック母材にハンダが直接接合しているか否か（「接合可否」）を以下のようにして評価した。
ハンダ接合物のセラミック母材を固定した状態で金属母材の縁をペンチで挟んで引っ張り、金属母材がセラミック母材から剥離するまで続けた。
この結果、セラミック母材にハンダが付着しているもの、またはセラミック母材自体が破断してハンダとセラミックの界面が現れなかったものをセラミック母材にハンダが直接接合して、良好なハンダ接合部を形成しているとした（以下の表３、表４において「〇」で表示）。一方、セラミック試験片にハンダが付着していないものをセラミック母材にハンダが直接接合しておらず、良好なハンダ接合部が形成されていないとした（以下の表３、表４において「×」で表示）。
【００４０】
次に、表１、表２に示す組成の異なるハンダ合金を使用して、前述の「＜評価方法＞」に記載した手順にしたがい、各実施例について、セラミック母材と金属母材とのハンダ付けを行い、接合可否を調べた。結果を表３および表４に示した。  
ここで金属母材は、Ｓｎ系ハンダ（試料１０〜１２）を使用した実施例を除いて、アルミニウムとステンレスであるが、作業温度が６００℃の場合はステンレスを使用した。この場合、アルミニウムを使用すると、融点が６６０℃と低く、ハンダにより浸食されることがあるためである。
試料１０〜１２のＳｎ系ハンダを使用した実施例では、金属母材は銅である。Ｓｎ系ハンダはアルミニウムやステンレスに対して、ハンダ付け性が極めて悪いためである。
【００４１】
セラミック母材には、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化タングステンを用いた。
作業温度は、Ｓｎ系ハンダを使用した実施例を除いて、セラミックの温度の測定値で、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃の４種類で検討した。
表３および表４には、セラミック母材に対する作業条件（摩擦ハンダ付けと超音波ハンダ付けの有無）を示した。
発明例１〜４１が本発明方法に対応するものであり、セラミックに対して、ケース３の「超音波振動を付与する摩擦ハンダ付け」（超音波振動を付与しつつ、摩擦ハンダ付け）を行っている。
【００４２】
【表３】
2016098165.tif 000005
【００４３】
【表４】
2016098165.tif 000006
【００４４】
比較例１、２では、試料２（融点４０４℃）のハンダを使用し、セラミックの酸化アルミニウムに対して、作業温度５００℃、６００℃で摩擦ハンダ付けを、また比較例３、４では、同じく試料２のハンダを使用し、作業温度５００℃、６００℃で超音波ハンダ付け（振動数：６０ｋＨｚ）をそれぞれ行った。
しかし、比較例１〜４のいずれも、ハンダ付け後のセラミックと金属（アルミニウムまたはステンレス）の接合物は、セラミック母材に対して、ハンダが直接セラミックに接合しておらず、良好なハンダ接合を形成していなかった（接合可否が×）。
発明例１、２では、試料２のハンダを使用し、比較例１〜４と同じセラミックの酸化アルミニウムに対して、作業温度５００℃、６００℃で超音波（振動数：６０ｋＨｚ）を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったところ、ハンダ付け後の接合物は、剥離試験後のセラミック（酸化アルミニウム）にはハンダが直接接合しており、良好なハンダ接合が形成されていた（接合可否が〇）。
このように、超音波振動を付与しない摩擦ハンダ付けや摩擦を伴わない超音波ハンダ付けでは、セラミック母材に、直接、ハンダを接合することができなかった。
【００４５】
比較例５〜８では、試料２のハンダを使用し、比較例１〜４と同じセラミックの酸化アルミニウムに対して、作業温度５００℃、６００℃で振動数が２０ｋＨｚあるいは５０ｋＨｚの超音波を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったところ、ハンダ付け後の接合物は、剥離試験後のセラミック（酸化アルミニウム）にはハンダが直接接合しておらず、良好なハンダ接合は形成されなかった。
なお、すでに記載したように、発明例１、２では、作業温度５００℃、６００℃で振動数が６０ｋＨｚの超音波を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行うことにより、良好なハンダ接合が形成されている。
【００４６】
比較例９〜１１は、本発明外の融点が１９９〜２１７℃と比較的低いＳｎ系のハンダ（試料１０〜１２）を使用して、作業温度を２５０℃として、超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものである。しかし、酸化アルミニウムに対しては良好なハンダ接合を形成することはできなかった。ハンダ付け時にハンダは半溶融状態になっていたが、Ｓｎ系のハンダでは直接酸化アルミニウムにハンダを接合することはできなかった。
【００４７】
発明例３〜７は、試料１（融点４１９℃）のはんだを使用し、４５０℃、５００℃、５５０℃の作業温度で、酸化アルミニウムに超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものである。いずれの例も良好なハンダ接合が得られた。
発明例８は、作業温度が４５０℃であり、試料２（融点４０４℃）のハンダを使用し、発明例１の作業温度（５００℃）よりもさらに低い温度で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
発明例９〜１１は、試料３のハンダ（融点３８７℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
【００４８】
発明例１２〜１４は、試料４のハンダ（融点４２１℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
発明例１５〜１７は、試料５のハンダ（融点４３９℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
【００４９】
発明例１８〜２０は、ＡｌとＳｉを含有する試料６（融点３８７℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
発明例２１〜２３は、ＡｌとＳｉを含有する試料７（融点３９２℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
【００５０】
発明例２４〜２６は、ＡｌとＮｉを含有する試料８（融点３９８℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
発明例２７〜２９は、ＡｌとＮｉを含有する試料９（融点４０２℃）を使用し、作業温度４５０℃、５００℃、６００℃で超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであり、良好なハンダ接合が得られた。
【００５１】
発明例３０〜４１は、試料１あるいは試料４のハンダを使用して、金属母材としてアルミニウムを使用し、セラミック母材として、酸化アルミニウム以外の窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化タングステンのいずれかを使用して、超音波振動を付与しつつ摩擦ハンダ付けを行ったものであるが、これらのセラミックに対しても、直接ハンダが接合しており、良好なハンダ接合が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明におけるハンダ合金は高融点であるため、自動車等の高温下に曝される機器に使用するセラミックのハンダ接合において、ハンダ合金として好適に使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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