本发明涉及金属基底的反应冶金连结的领域，并且更具体地涉及用于将反应材料预先放置在至少一个金属基底的接触表面上的系统和方法。
反应冶金连结(“RMJ”)使用压缩在两个金属基底之间的反应材料。这些基底与电极接触并且经加热以在基底之间形成冶金接头。选择反应材料以具有低于正连结的两个金属基底的最低固相线温度的液相线温度，且附加地与基底的相对搭接表面反应。在加热至至少高于其固相线温度之后(且如果需要的话可预先进行)，压缩力施加于工件基底，且该压缩力挤压反应材料、包括反应副产物并且使得其沿着工件基底的搭接界面扩展。搭接表面此时连结在一起，以在所施加的压缩力基本上将反应材料从接头中排出时，建立主要由基础工件材料构成的低电阻率固态冶金接头。然而，反应材料的手动放置是不精确的，且反应材料会在连结工艺期间(例如在压缩期间)从所沉积的位置移位。
对于反应材料的手动放置的替代是使用冷金属转移来沉积反应材料。然而，冷金属转移同样具有多个缺点。例如，会难以精确地控制所沉积的反应材料的量。另一缺点是难以产生反应材料的期望几何形状。例如，甚至在基底温度升高时，仍难以产生反应材料的扁平液滴。此外，产生球形液滴会在RMJ工艺期间增大排出量。此外，冷金属转移工艺需要在反应材料沉积之后去除氧化物。
技术实现要素：
根据本发明的各方面，系统和方法提供使用超声波焊接来预先放置反应材料。有益的是，这里描述的系统和方法能提供反应材料的精确放置、提供所沉积反应材料的精确量以及产生所沉积反应材料的有益几何形状。此外，根据本发明的系统和方法能提供反应材料在室温下的预先放置。
根据本发明的各方面，一种方法包括选择第一金属基底的搭接表面、将反应材料放置在搭接表面上以及在第二金属基底邻近于第一金属基底之前经由超声波焊接将反应材料附连于搭接表面。反应材料构造成在搭接表面和邻近于第一金属基底的第二金属基底之间形成冶金接头。
根据本发明的又一些方面，该方法进一步包括在第一金属基底的搭接表面附近移动第二金属基底，将反应材料压缩在第一金属基底和第二金属基底之间，以及加热反应材料以使用反应冶金连结来连结第一金属基底和第二金属基底。
根据本发明的又一些方面，反应材料限定几何形状，该几何形状构造成控制熔融材料在第一金属基底与第二金属基底的反应冶金连结期间的流动。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括内部材料和外部材料，该内部材料不同于外部材料。
根据本发明的又一些方面，在加热反应材料之前，内部材料和外部材料各自接触第一金属基底和第二金属基底。
根据本发明的又一些方面，经由超声波焊接将反应材料附连于搭接表面包括使得第一金属基底的与搭接表面相对的第一外表面与砧座接触，使得反应材料的第二表面与焊接头接触，以及使得焊接头在预定频率下振动，以由此将反应材料超声地焊接至搭接表面。
根据本发明的又一些方面，该方法进一步包括在将反应材料附连于搭接表面之后将第二金属基底沉积在第一金属基底附近，将第一电极施加于第一金属基底并且将第二电极施加于第二金属基底，以及经由第一电极和第二电极来加热反应材料，以由此在第一金属基底和第二金属基底之间形成冶金接头。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括第一材料和第二材料。第一材料不同于第二材料。第一材料构造成促进反应材料经由超声波焊接附连于搭接表面，且第二材料构造成促进第一金属基底和第二金属基底之间的冶金接头。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括第一材料和第二材料。第一材料具有第一电阻率和第一液相线温度，且第二材料具有第二电阻率和第二液相线温度。第一电阻率高于第二电阻率，且第一液相线温度低于第二液相线温度。
根据本发明的各方面，一种方法包括选择第一金属基底的第一搭接表面，将反应材料放置在第一搭接表面上，经由超声波焊接将反应材料附连于第一搭接表面，在将反应材料附连于第一搭接表面之后、使得第二搭接表面与反应材料接触，以及经由熔融焊接将第一金属基底焊接于第二金属基底。反应材料构造成在第二金属基底的第一搭接表面和第二搭接表面之间形成冶金接头。
根据本发明的又一些方面，该方法进一步包括将反应材料压缩在第一金属基底和第二金属基底之间。将第一金属基底焊接于第二金属基底包括加热反应材料，以在第一金属基底和第二金属基底之间形成冶金接头。
根据本发明的又一些方面，反应材料限定几何形状，该几何形状构造成控制熔融材料在将第一金属基底焊接于第二金属基底时的流动。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括内部材料和外部材料。内部材料不同于外部材料。
根据本发明的又一些方面，在将第一金属基底焊接于第二金属基底之前，内部材料和外部材料各自接触第一金属基底和第二金属基底。
根据本发明的又一些方面，经由超声波焊接将反应材料附连于第一搭接表面包括使得第一金属基底的与第一搭接表面相对的第一外表面与砧座接触，使得反应材料与焊接头接触，以及使得焊接头在预定频率下振动，以由此将反应材料超声地焊接至第一搭接表面。
根据本发明的又一些方面，经由熔融焊接将第一金属基底焊接于第二金属基底包括将第一电极施加于第一金属基底并且将第二电极施加于第二金属基底，以及经由第一电极和第二电极来加热反应材料，以由此在第一金属基底和第二金属基底之间形成冶金接头。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括第一材料和外第二材料。第一材料不同于第二材料。第一材料构造成促进反应材料经由超声波焊接附连于第一搭接表面，且第二材料构造成促进第一金属基底经由熔融焊接焊接于第二金属基底。
根据本发明的又一些方面，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括第一材料和外第二材料。第一材料具有第一电阻率和第一液相线温度，且第二材料具有第二电阻率和第二液相线温度。第一电阻率高于第二电阻率，且第一液相线温度低于第二液相线温度。
根据本发明的各方面，一种方法包括选择第一金属基底的第一搭接表面，将反应材料放置在第一搭接表面上，将反应材料附连于第一搭接表面，在将反应材料附连于第一搭接表面之后、使得第二搭接表面与反应材料接触，以及将第一金属基底焊接于第二金属基底。反应材料构造成在第二金属基底的第一搭接表面和第二搭接表面之间形成冶金接头。该附连包括使得第一金属基底的与第一搭接表面相对的第一外表面与砧座接触，使得反应材料与焊接头接触，以及使得焊接头在预定频率下振动，以由此将反应材料超声地焊接至第一搭接表面。焊接包括将反应材料压缩在第一金属基底和第二金属基底之间，将反应材料加热至反应材料的液相线温度之上，以及将第一金属基底和第二金属基底的温度维持在固相线温度之下。
根据本发明的又一些方面，加热反应材料包括在成对电极之间对反应材料进行电阻加热，使用该成对电极来执行将反应材料压缩在第一金属基底和第二金属基底之间，反应材料限定与第二搭接表面相对的第二表面，且该第二表面大体是扁平的，反应材料是多功能反应材料，该多功能反应材料包括第一材料和第二材料，该第一材料具有第一电阻率、第一液相线温度以及第一规格，该第二材料具有第二电阻率、第二液相线温度以及第二规格，且第一规格选自箔片、线材、多层膜、粉末以及糊状物，该第二规格选自箔片、线材、多层膜、粉末、以及糊状物，且第一规格是与第二规格不同的规格，第二电阻率高于第一电阻率，且第二液相线温度低于第一液相线温度。
当结合附图时，从用于执行本发明的最佳模式的以下详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点显而易见。
附图说明
附图是说明性的并且并不旨在限制由权利要求所限定的主题。示例性方面在以下详细描述中讨论并且在附图中示出，附图中：
图1A是根据本发明各方面的第一基底和反应材料的侧视图的示意性图示；
图1B是根据本发明各方面的图1A的第一基底和反应材料的超声波焊接的示意性图示；
图1C是根据本发明各方面的用于第一基底和第二金属基底的连结工艺的示意性图示；
图1D是根据本发明各方面的图1C的第一基底和第二金属基底之间的冶金接头的示意性图示；
图2A是根据本发明各方面的多功能反应材料的平面图的示意性图示；
图2B是沿着剖线2B剖取的图2A的多功能反应材料的剖视图的示意性图示；
图3是根据本发明各方面的使用超声波焊接来连接实施反应材料预先放置的金属部件的方法的流程图；
图4是根据本发明各方面的将反应材料附连于第一搭接表面的方法的流程图；
图5是根据本发明各方面的图1C的将第一金属基底焊接于第二金属基底的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明各方面的系统和方法通过使用超声波焊接将反应材料附连于搭接表面来优化使用反应冶金连结(“RMJ”)工艺形成的接头的性能。
有益的是，在一些方面中，反应材料的超声波焊接用于引入反应材料的期望表面纹理。在一些方面中，期望表面纹理增大反应材料和待接头件的搭接表面之间的接触电阻。在一些方面中，反应材料的期望表面纹理在反应材料的附连之前存在，并且超声波焊接工艺设计成在基本上不会干扰期望表面纹理的情形下附连反应材料。在一些方面中，超声波焊接工艺设计成在将反应材料附连于搭接表面的同时产生期望表面纹理。
在一些方面中，本发明的系统和方法可改进穿过反应材料的电流强度。在一些方面中，本发明的系统和方法可改进两个金属基底之间的接头强度。在一些方面中，本发明的系统和方法可减小RMJ工艺期间的材料喷射和材料损失。
图1A-1D是使用超声波焊接连结金属基底的示意性图示，包括将反应材料预先放置在金属基底的至少一个的搭接表面上。图1A是第一金属基底102和反应材料104的示意性图示。
第一金属基底102包括与第一外表面108相对的第一搭接表面106。第一金属基底102构造成将电流传导穿过其中。第一金属基底102能由合适的导体形成。在一些方面中，第一金属基底102由铜、铝、其合金等等形成。第一金属基底102具有固相线温度。固相线温度是第一金属基底102处于完全固体下的最高温度。固相线温度取决于第一金属基底102的特定组分。
反应材料在期望有冶金接头的位置处或附近沉积在第一搭接表面106上。反应材料104构造成在第一金属基底102和邻近于第一金属基底102的第二金属基底110(图1C)之间形成冶金接头。反应材料104是适合于在第一金属基底102和第二金属基底110之间形成冶金接头的材料。在一些方面中，反应材料104选自铜、磷、锡、镍、金等等。
反应材料104包括第一表面112和第二表面114，该第一表面接触第一搭接表面106，且第二表面与第一表面112相对。第一表面112限定第一纹理，且第二表面114限定第二纹理。可选择第一纹理和第二纹理，以优化后续冶金接头116的性能(图1D)。
反应材料104限定几何形状。有益的是，能选择几何形状和/或表面纹理，以控制液体反应材料在连结工艺期间的流动。此外，能选择几何形状和/或表面纹理，以优化电气性能，优化诸如强度或牢固性的机械性能，或者优化后续冶金接头116的热性能。在所说明的附图中，反应材料的几何形状大体是矩形的，且第一表面112和第二表面114大体是扁平的。有益的是，例如与反应材料104的大体球形沉积相比，大体矩形几何形状将电流强度更均匀地分布在反应材料104上。虽然所说明附图的几何形状大体是矩形的，但可设想的是，可使用其它几何形状。
反应材料104具有电阻率、液相线温度以及规格。电阻率是对材料的固有电阻的测量。电阻率取决于反应材料104的特定组分。将电压施加于反应材料104产生通过其中的电流。
反应材料和基底之间的熔融能通过选择反应材料104的期望电阻率、选择反应材料104的期望纹理、选择反应材料104的期望几何形状或者其组合来优化。例如，具有高电阻率的反应材料104会比具有低电阻率的反应材料104产生较高的焦耳加热。此外，与具有高横截面积的反应材料104相比，具有低横截面积的反应材料104会具有大体较高的电阻且因此产生更多热量。进而，具有粗糙表面纹理的反应材料104会比具有大体光滑表面纹理且具有总体较大电气接触面积的类似形状反应104提供大体较小的接触面积且因此在接触点处产生更多热量。
液相线温度是反应材料104完全是液体的最低温度。液相线温度取决于反应材料104的特定组分。
规格是反应材料的物理形式。该规格可例如包括箔片、线材、多层膜、粉末、糊状物、其组合等等。
图1B是反应材料104与第一金属基底102的超声波焊接的示意性图示。在反应材料104于期望有冶金接头116的位置处或附近设置在第一搭接表面106上之后，第一金属基底102的第一外表面108与砧座118接触，且反应材料104的第二表面114与焊接头120接触，以将反应材料104附连于第一金属基底102。砧座118构造成提供在超声波焊接工艺期间足以抵抗焊接头120的相对刚硬质块。
焊接头120构造成以预定频率振动，以由此将反应材料104超声地焊接于第一搭接表面106。在一些方面中，焊接头120构造成在基本上不会干扰反应材料104的第一纹理、第二纹理或几何形状的情形下将反应材料104附连于第一搭接表面106，由此在第一表面112和第二表面114的至少一个上产生期望纹理或者产生反应材料104的期望几何形状。在一些方面中，焊接头120构造成改变反应材料104的第一纹理、第二纹理或几何形状的至少一个，由此在第一表面112和第二表面114的至少一个上产生期望纹理或者产生反应材料104的期望几何形状。在反应材料附连于第一金属基底102的第一搭接表面106之后，将砧座118和焊接头120移除。
图1C是根据本发明各方面的用于第一基底102和第二金属基底110的连结工艺的示意性图示。第二金属基底110包括与第二外表面124相对的第二搭接表面122。第二金属基底110构造成将电流传导穿过其中。第二金属基底110能由合适的导体形成。在一些方面中，第二金属基底110由铜、铝、其合金等等形成。
第二金属基底110具有固相线温度。固相线温度是第二金属基底110处于完全固体下的最高温度。固相线温度取决于第二金属基底110的特定组分。
使得第一电极126与第一外表面108接触并且使得第二电极128与第二外表面124接触。第一电极126和第二电极128构造成在它们之间输送电流。通过这些电极之间的电流构造成通过反应材料104且由此将反应材料104加热至或高于液相线温度。
压缩力F沿相反方向施加于第一金属基底102和第二金属基底110，由此将反应材料104压缩在第一金属基底102和第二金属基底110之间。压缩力F能使用伺服电机、气动装置、压电材料、其组合等等产生。在一些方面中，压缩力F通过第一电极126和第二电极128施加。附加地或替代地，压缩力F能够通过与第一电极126和第二电极128单独的构件施加或补充。在充足的压缩力F施加于第一金属基底102、第二金属基底110和反应材料104以及充足的温度施加于反应材料104之后，将第一电极126和第二电极128从第一金属基底102和第二金属基底110中移除。
图1D是在将第一电极126和第二电极128移除之后将第一基底102粘结于第二金属基底110的所产生冶金接头116的示意性图示。有益的是，本发明的系统和方法能减小或消除在形成冶金接头116之后移除过量反应材料104的需求，因为反应材料104的量能精确地测量并且精确地沉积在第一搭接表面106上。
图2A是根据本发明各方面的多功能反应材料204的示意性图示。多功能反应材料204包括第一材料204a和第二材料204b。在所说明的附图中，第一材料204a是内部材料，且第二材料204b是外部材料。能选择第一材料204a和第二材料204b，以优化使用多功能反应材料204形成的冶金接头116的特性。例如，可选择第一材料204a以具有相对较高电阻率和相对较低液相线温度，同时可选择第二材料204b以具有相对较低电阻率和相对较高液相线温度。
在一些方面中，第一材料204a构造成促进经由超声波焊接将多功能反应材料204附连于第一搭接表面106，且第二材料204b构造成促进第一金属基底102和第二金属基底110之间的冶金接头116。附加地或替代地，能选择第一材料204a和第二材料204b，以控制液体反应材料在冶金连结工艺期间的流动。在一些方面中，第一材料204a是第一规格，且第二材料204b是不同于第一规格的第二规格。
图2B是沿着图2A的剖线2B剖取的多功能反应材料204的剖视图示意性图示。例如能从所说明附图中观察到的是，第一材料204a和第二材料204b能从第一表面112延伸至第二表面114。这允许在加热多功能反应材料204之前第一材料204a和第二材料204b两者均能接触第一搭接表面106和第二搭接表面122。
在一些方面中，第一材料204a封围第二材料204b，以使得在加热多功能反应材料204之前仅仅第一材料204a接触第一搭接表面106和第二搭接表面122。
图3是使用超声波焊接连结反应材料104的方法300的流程图，该方法实施冶金部件的预先放置。方法300能用于优化冶金接头116的特性，减少或消除对冶金接头116的清洁，以及实现在室温下沉积反应材料104。该方法包括选择第一金属基底102的第一搭接表面106(步骤302)，将反应材料104放置在第一搭接表面106上(步骤304)，将反应材料104附连于第一搭接表面106(步骤306)。方法300可进一步包括在将反应材料104附连于第一搭接表面106之后将第二搭接表面122设置成与反应材料104接触(步骤308)，以及将第一金属基底102焊接于第二金属基底110(步骤310)。
现参照图4，在一些方面中，将反应材料104附连于第一搭接表面106(步骤306)包括使得与第一搭接表面106相对的第一金属基底102与砧座118接触(步骤402)，使得反应材料104与焊接头120接触(步骤404)，以及使得焊接头120在预定频率下振动以由此将反应材料104超声地焊接于第一搭接表面106(步骤406)。
现参照图5，在一些方面中，将第一金属基底102焊接于第二金属基底110(步骤310)包括将反应材料104压缩在第一金属基底102和第二金属基底110之间(步骤502)，将反应材料104加热至高于反应材料104的液相线温度(步骤504)，以及将第一金属基底102和第二金属基底110的温度维持为低于固相线温度(步骤506)。
虽然上述RMJ工艺包含反应材料的电阻加热，但也可使用其它熔融焊接工艺，例如激光焊接、钨惰性气体(TIG)焊接，包括加热或铜焊。
以下示例意指说明本发明并且并不以任何方式视为限制本发明的范围。
示例
比较示例1
准备十五个RMJ样本，其中，使用冷金属转移工艺将反应材料沉积到铜基底上。在与另一铜基底形成RMJ接头之后，观察预先放置的反应材料的15％平均重量损失。
比较示例2
准备十五个RMJ样本，其中，将反应材料沉积到铜基底上并且使用超声波焊接附连于第一搭接表面。在与另一铜基底形成RMJ接头之后，观察预先放置的反应材料的2.65％平均重量损失。此外，针对所有抗张强度试验观察到100％成功率，这指示接头比基础金属强固。
虽然已详细地描述了用于执行本发明的最佳模式，但熟悉本发明所属技术的那些技术人员会认识到落在所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。