[发明专利]一种陶瓷表面超声压印金属化的装置及方法

说明书

本发明涉及材料表面改性的设备及方法，具体地说是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，本发明在较低的温度下即可实现陶瓷材料、金属材料、碳质材料、复合材料等的表面改性，获得连续、均匀、结合力强的表面金属化层，极大的简化了工艺过程并且有效的控制了生产成本，几乎对环境不造成污染。

技术领域：

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。

发明内容：

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。