本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种特别适用于陶瓷材料、金属材料、碳质材料、复合材料等实现表面改性的超声压印金属化的装置及方法。
背景技术：
陶瓷材料一般具备耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷等诸多优良品质，可以在传统金属材料和有机材料难以承受的苛刻工作环境中服役，和其他新材料一样，陶瓷材料已成为新兴产业和传统工业技术改良的重要物质基础。为应对功率器件轻型化、高功率、高集成度发展需求，陶瓷作为新型的电子散热封装材料应运而生，为实现电子电路一体化，陶瓷材料常作为电子基板材料，陶瓷表面金属化作为陶瓷材料在实际封装应用中的重要环节和技术难点。此外，较大体积的陶瓷材料制造和加工过程存在极大的困难，常常需要陶瓷材料和金属材料的互连，对陶瓷表面实现金属化，使其具备一定金属性质，降低了陶瓷与金属互连的难度，极大的促进了陶瓷材料在复杂构件中的应用。如何在陶瓷表面实现高效、优质的金属化层成为当前研究的热点和难点。
国内外学者对陶瓷表面金属化展开了深入的研究，虽然取得了一定的成果，但传统的金属化工艺仍存在诸多问题。常见的陶瓷金属化方法有：化学镀、电镀、真空溅镀、真空蒸镀、高温烧结、激光熔覆等，但这些传统工艺往往存在金属化膜层结合力差、膜层缺陷多、设备成本高、工艺过程复杂、工艺周期长、效率低、易造成环境污染等诸多问题。
超声压印表面金属化工艺绿色环保、设备简单、工艺周期短、效率高，且无需真空环境，极大的降低的设备成本。而传统的采用超声实现表面改性的工艺一般对材料尺寸要求苛刻，超声能量损失较大，且难以实现局部选区金属化，受到超声功率的限制，无法获得较大面积的膜层。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的缺陷和不足，提出了一种特别适用于陶瓷材料实现表面改性的超声压印金属化装置及方法。
为实现上述目的，本发明通过以下措施达到：
一种陶瓷表面超声压印金属化的装置，其特征在于由超声系统、加热系统、行走机构组成，其中所述超声系统设有超声波发生器、换能器、传振杆、聚能器和焊头，其中换能器、传振杆、聚能器和焊头构成的组合体经夹具固定于行走机构中的机械手臂上，超声波发生器通过换能器将电信号转化为机械振动，经传振杆、聚能器传递到焊头并作用于待金属化母材表面；
所述加热系统设有热板、热板温控模块、焊头加热线圈、加热线圈温控模块，其中热板温控模块与热板相连，焊头加热线圈设置在焊头外侧，加热线圈温控模块与焊头加热线圈相连接；
所述超声波发生器的超声波功率为0-3000w，超声频率为20-120khz，针对需要金属化较小的区域时，焊头为圆棒状，直径为1-10mm，长度50-150mm；针对需要金属化较大的区域时，焊头主体为圆棒状，焊头主体前端具有端部放大部，焊头主体的直径为2-10mm，长度50-150mm，焊头的端部放大部为直径为4-50mm的圆形。
本发明所述行走装置系统设有用于控制焊头移动的机械手臂以及机械手臂的控制机构；还设有用于固定待金属化材料的夹具，夹具置于热板上。
本发明所述的焊头采用铆接或焊接方式固定于聚能器，保证焊头与聚能器不发生相对运动；或者，所述的焊头采取螺钉紧固方式固定于聚能器上，接触面要求平整光洁，以保证超声能量的传递效率。
本发明所述热板和焊头加热线圈的工作温度范围为室温至1000℃；所述热板采用的加热方式为电阻加热或电磁感应加热；加热线圈的加热方式为电磁感应线圈或电阻加热线圈；加热方式还可以采用高能束加热方法。
本发明所述的焊头前端设计不局限于以上几种形式，根据具体金属化工艺过程要求来设计焊头，针对需要特定形状(如方形、五角星等诸多形状)局部化的区域，焊头端部设计为相应的形状，保证焊头工作面与待互连界面有良好的接触。
本发明所述的焊头材料选用耐高温、耐磨损、高硬度的材料，如优质白钢、钨及其合金等。
本发明还提出了一种如上所述表面超声压印金属化的装置用于在陶瓷材料实现表面金属化方法，其特征在于由以下步骤组成：
步骤1：将母材进行打磨、清洗、烘干备用；
步骤2：采用夹具将母材固定于热板上，金属化材料通过送丝或送粉的方式，或直接预制于待金属化材料表面上，或将金属化材料预制于焊头端面，通过加热系统对其进行加热并使金属化材料熔化，焊头加热至略高于金属化材料实际温度后，压入熔融态钎料中，并按照预设轨迹移动，同时施加超声作用；
步骤3：将焊头移出待金属化材料表面，停止加热和超声作用，对试样进行冷却，即可获得表面金属化的材料。
本发明步骤1中，母材为陶瓷材料，包括：氧化铝、氧化铍、氧化锆、氧化锌、氮化硅、氮化铝、立方氮化硼、碳化铌、碳化钨、碳化钛、碳化硅、氮化镓、金刚石、k9玻璃、二氧化硅中的任意一种。
本发明步骤1中，母材不局限于陶瓷材料，还包括金属材料、碳质材料、复合材料，其中金属材料如铜、镍、锌、镁、铝、钛、铁、铂、金、银等金属单质及其合金；复合材料如铝、镁、铜、钛等及其合金的金属基复合材料，陶瓷、石墨、碳等非金属基复合材料。
本发明步骤1中，母材的形状为片状、块状或不规则的圆弧状，首先采用砂纸或金刚石磨盘对待金属化材料(母材)表面进行打磨，然后将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3-10min，再置于干燥箱进行烘干，温度为120℃-250℃，时间为1h-5h，冷却后置于干燥箱中备用。
本发明步骤2中，金属膜层可采用sn基材料，并加入ti、mg、al、cr等活性元素，如sn-x％al(wt.％，x＝0-2)、sn-x％ti(wt.％，x＝0-4)、sn-x％cr(wt.％，x＝0-4)，热板和加热线圈的加热温度范围为200℃-450℃。
本发明步骤2中，金属膜层可采用熔点较高的金属化材料，如al-si，ag-cu-ti等，热板和加热线圈的加热温度范围为500℃-800℃。
本发明步骤2中，为避免在加热过程中，母材和金属化材料发生氧化，可对操作区域进行惰性气体保护，可选择氮气、氩气、氦气等。
本发明步骤2中，可采用电磁感应加热、电阻加热等方式或复合加热方式，针对某些高熔点金属化材料可采用激光、电弧等高能束辅助热源，并采用和焊头同步移动的方式对其进行加热使之熔化。
本发明步骤2中，所述的行走装置系统控制焊头对待金属化材料表面施加的压力范围为0-1mpa。
本发明步骤2中，待金属化区域宽度小于或等于焊头端部直径时，采用单层超声压印方式，工艺过程中，所述的行走装置系统控制焊头移动速率范围为0-10mm/s。
本发明步骤2中，待金属化区域宽度大于焊头端部直径时，采用多层超声压印方式，即在工艺过程中，焊头工作面逐行扫描待金属化表面，所述的行走装置系统控制焊头移动速率范围为0-10mm/s。
本发明步骤3中，待超声作用结束后，焊头脱离母材表面，停止加热，试样及其夹具进行冷却，冷却速率为2℃/min-10℃/min，冷却至室温，将试样从夹具中取下。
本发明所提出的超声压印金属化方法，超声波通过焊头传递到熔融态金属中，随之产生空化效应和声流效应。空化气泡的爆破使得表面能转变为热能和化学能，产生局部高温、高压，伴随的冲击波和微射流对母材表面进行轰击，造成母材表面的剥落或坑蚀，从而改善金属化材料在母材表面的润湿性能，促进与母材的冶金反应，最终或者高品质的表面金属化层。
本发明克服了传统工艺需要真空或保护气氛环境的苛刻条件，生产工艺简单，极大的降低了设备成本，避免了环境污染；与常规超声表面金属化方法相比较，对材料尺寸要求低，可实现局部选区金属化和大面积范围的金属化；采用对熔融态金属材料直接加载超声的方式，有效降低了超声功率的损耗；且超声可细化接头晶粒，有效的解决了传统钎焊接头残余应力较大的问题。
本发明相对于现有技术具有设备简单、工艺周期短、操作灵活等显著优点，极大地降低了成本，适合大规模工业化生产，在陶瓷材料、金属材料、复合材料等的表面改性领域具有极大的应用前景。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图标记：机械手臂1、机械手臂控制系统2、热板温度控制模块3、热板4、焊接夹具5、待金属化母材6、焊接夹具7、焊头加热线圈温度控制模块8、焊头加热线圈9、焊头10、聚能器11、传振杆12、换能器13、超声发生器14。
具体实施方式：
下面结合实际案例对本发明做了作为进一步的优选说明，但发明的具体实施方式不仅局限于此，凡在本发明的创意和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围以内。
实施例1：
一种采用超声压印金属化工艺在氧化铝陶瓷表面实现金属化的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：选择氧化铝陶瓷尺寸为20×20×2mm，采用1000目金刚石磨盘对母材进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于鼓风式干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；
步骤2：通过夹具将预处理好的母材固定于热板上，热板温度升高至250℃，选用sn0.3ag0.7cu-2％al(wt.％)作为金属化材料并预制于陶瓷表面，焊头端部直径为10mm，焊头温度升高至270℃,将装配好的结构进行适当的时间的保温，待金属化材料熔化后，通过机械手臂将焊头与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿逐行扫描待金属化表面，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声频率为40khz，功率为600w，焊头移动速率为4mm/s；
步骤3：超声作用结束后，将焊头移出氧化铝陶瓷表面，可采用刮板对金属化层进行适当修正，停止加热，对试样进行冷却，冷却速率为10℃/min。
采用本实施案例方式可在氧化铝陶瓷表面获得均匀、连续的sn基金属化膜层，经分析检测，金属化膜层完整、致密，无裂纹、孔洞等缺陷，且膜层和母材结合力强，可满足使用要求。
实施例2：
一种采用超声压印金属化工艺在氮化铝陶瓷表面实现金属化的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：选择氮化铝陶瓷尺寸为20×20×2mm，采用1000目金刚石磨盘对母材进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于鼓风式干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；
步骤2：通过夹具将预处理好的母材固定于热板上，热板温度升高至250℃，选用sn0.3ag0.7cu-1％ti(wt.％)作为金属化材料并预制于陶瓷表面，焊头端部直径为10mm，焊头温度升高至270℃,将装配好的结构进行适当的时间的保温，待金属化材料熔化后，通过机械手臂将焊头与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿逐行扫描待金属化表面，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声频率为40khz，功率为600w，焊头移动速率为4mm/s；
步骤3：超声作用结束后，将焊头移出氮化铝陶瓷表面，可采用刮板对金属化层进行适当修正，停止加热，对试样进行冷却，冷却速率为10℃/min。
采用本实施案例方式可在氮化铝陶瓷表面获得均匀、连续的sn基金属化膜层，经分析检测，金属化膜层完整、致密，无裂纹、孔洞等缺陷，且膜层和母材结合力强，可满足使用要求。
实施例3：
一种采用超声压印金属化工艺在氧化锆陶瓷表面实现金属化的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：选择氧化锆陶瓷尺寸为17×17×5mm，采用1000目金刚石磨盘对母材进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于鼓风式干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；
步骤2：通过夹具将预处理好的母材固定于热板上，热板温度升高至600℃，选用al-11.7％si(wt.％)共晶合金作为金属化材料并预制于陶瓷表面，焊头端部直径为15mm，焊头温度升高至620℃,将装配好的结构进行适当的时间的保温，待金属化材料熔化后，通过机械手臂将焊头与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿逐行扫描待金属化表面，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声频率为40khz，功率为800w，焊头移动速率为5mm/s；
步骤3：超声作用结束后，将焊头移出氧化锆陶瓷表面，可采用刮板对金属化层进行适当修正，停止加热，对试样进行冷却，冷却速率为6℃/min。
采用本实施案例方式可在氧化锆陶瓷表面获得均匀、连续的al基金属化膜层，经分析检测，金属化膜层完整、致密，无裂纹、孔洞等缺陷，且膜层和母材结合力强，可满足使用要求。
应该指出，虽然结合附图和实施案例对本发明的设备及方法做了详细的阐述，但本发明的构思并不局限于此，凡利用本发明的构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。