CN101279401B - 一种大面积靶材的压力焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于金属材料焊接领域的一种大面积靶材的压力焊接方法。包括以下步骤：(1)靶材待焊面的粗糙化处理；(2)背板的待焊面加工成非平面结构；(3)靶材和背板的待焊面进行清洗处理，并烘干表面；(4)将背板加热，将预热靶材或常温的靶材置于背板上，施压，使背板曲面变形至两待焊面压合在一起；(5)靶材与背板组件夹紧后升温至两者材料中较低熔点材料的熔点的0.50～0.85倍，保温焊接。该方法对设备、待焊面的加工要求低，能保证大面积靶材与背板待焊面不存在氧化问题，靶材与背板接触面的空气完全排尽，在大气环境中实现靶材与背板牢固结合，同时靶材的显微组织性能不受影响，靶材与背板的焊合面不发生严重变形等问题。

Description

一种大面积靶材的压力焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接领域，特别涉及一种大面积靶材的压力焊接方法。

背景技术

溅射薄膜材料在电子信息、存储记录以及显示器等相关产业中，有着极其广泛的应用。同时，溅射靶材伴随着这些行业的发展需求量也逐年增多。靶材的质量对溅射薄膜的性能有着重要影响，尤其是半导体集成电路芯片的制备向着大尺寸化方向发展(8、12甚至18英寸)，溅射靶材的尺寸和溅射功率也将随之增大，对溅射靶材纯度、微观组织以及靶材与背板连接的要求也越来越高。大面积靶材与背板的连接技术已成为靶材组件制备的关键技术。

在溅射过程中，靶材组件作为阴极，首先应具有优良的导电性，同时为了排放高能态离子高速轰击靶材表面产生的热量，靶材组件也要具有优良的导热性。因此，靶材与背板的连接既要有一定的结合强度，以避免溅射靶在工作中的脱落、脆裂等问题，又要有高的热传导率和电传导率，此外靶材的晶粒经变形处理后，细小均匀，不能在焊接过程中发生改变。

靶材与背板连接的常用技术包括：机械咬合、钎焊、扩散焊等。采用机械咬合时，靶材与背板的对接面很难完全致密，可能存在的缝隙会导致靶材与背板之间残存有气体，从而影响溅射室的真空度，同时还影响靶材的传导性和导电性。采用钎焊连接的大面积靶材组件，其靶材与背板的结合强度常常满足不了要求，并且不能够在较高的温度下使用。通常，扩散焊接在真空环境中进行，大面积靶材焊接时所需的设备要求高，需要大尺寸的真空扩散焊接炉或热等静压机等，加工成本高(如美国专利《Diffusion bonded sputter target assembly and methodof making》(6,071,389))。

为了克服大尺寸溅射靶的焊接不受真空或保护条件的限制，关键的问题是防止靶材与背板待接面的氧化、排尽两者界面之间的空气以及实现较低温度下扩散连接。对于敞开式扩散焊工艺，首先需要焊接界面紧密结合，界面无缝隙，空气不残留且不能从外渗入界面，因而工艺对焊接表面平整度和清洁度要求严格，对于大面积靶材来说，由于尺寸大和其自身的重量，靶材很容易发生弯曲变形，小的变形量和焊接压力，通常难以保证焊接面完全密合。中国专利《一种扩散焊接方法》(200610155021.6)提出，将靶材、背板的表面精加工，同时在靶材表面加工成一定纹路，将靶材与背板加热到一定温度、热压后保温形成扩散连接的方法。该方法为了让界面的空气排尽，对焊接表面的平整度、光洁度要求高。为了保证焊接面的完全密合，采用了大压力和大变形量，靶材与背板的焊合面容易发生不规则变形。同时，靶材与背板组件加热扩散过程不加压，需要保温时间过长，效率低。除此外，由于靶材与背板未加压前在大气中加热，焊接面可能存在较严重的氧化问题，例如Cu靶和Al合金背板扩散焊接的时候，当温度＞250℃时，Cu迅速氧化，表面发黑，无法进行焊接。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足，特别提供了一种大面积靶材的压力焊接方法，它能够在大气环境中实现靶材与背板之间的紧密可靠连接，同时能够防止焊接过程中的污染，避免了必须在真空、高温或高压等环境下的连接成形问题，降低生产成本。

本发明的技术方案如下：

一种大面积靶材的压力焊接方法，该方法包括如下步骤：

1)、靶材待焊面的粗糙化处理，通过喷砂、喷丸、抛丸、钢丝刷、压印、车削、磨削、电火花毛化或激光毛化的加工手段使表面粗糙度Rz控制在50μm～450μm之间。

2)、背板的待焊面加工成非平面结构，该非平面结构是指锥面或球面形貌的曲面结构，曲面与水平面之间的夹角为0.5°～5°，并且在背板的中心部位需预留一个直径为靶材直径1/10～1/4的小平面。

3)、靶材和背板的待焊面经过清洗处理，并烘干表面；该清洗处理是指将靶材和背板放在添加了去污粉等的水中超声波清洗去油后，再用无水乙醇清洗待焊面。

4)、背板加热到300～450℃，将预热小于200℃的靶材或常温的靶材置于加热的背板上，立即施加50～200MPa的压力，使背板曲面充分变形至两待焊面完全压合在一起；

5)、用夹具将压合在一起的靶材与背板夹紧，随炉升温至靶材与背板两者材料中较低熔点材料的熔点的0.50～0.85倍，保温0.5～2小时完成焊接。

所述靶材包括纯度为3N～6N的Al、AlCu、AlSi、AlSiCu、Ti、Cu、Ni和Ta等金属材料，背板为普通铝合金材料，如6061，6063铝合金等。

所述的夹具包括两个平行夹板和紧固用螺栓螺母组件，均由耐高温合金钢制成。

本方法的特点如下：

1、靶材与背板待焊表面不要求精加工，并且不要求平整度，避免了大面积板料平整度难以保证这一难点。

2、背板材料在加热条件下不容易氧化，而在加压过程中，发生流动变形，自身氧化膜破碎，充分填充靶材粗糙表面上的间隙，和靶材接触紧密。

3、背板材料在受压过程中，由里到外，发生水平方向的流动，排尽靶材与背板之间残存的空气，不存在氧化问题。

4、利用夹具和靶材与背板组件的膨胀变形不同，自动提供焊接过程中的压力，保证焊接面接触紧密、扩散在较短的时间完成。

5、夹具在提供扩散焊接压力的同时，限制了靶材与背板的变形，从而使得靶材与背板在受热过程中，不会发生由于热应力导致的翘曲变形，避免了热扩散连接后的靶材校直问题。

与已有扩散焊接方法相比，本发明对靶材和背板材料的加工要求低，焊接时间短，结合强度高，是一种简单、可靠和经济的大面积靶材与背板的焊接方法，适用于溅射靶的制备。

附图说明

图1是采用本发明制成的溅射靶成品示意图；

图2是背板示意图；

图3是靶材与背板叠放在一起压合示意图；

图4是夹具将压合好的靶材与背板组件夹放在一起的示意图。

具体实施例

下面根据附图和结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。

图1是采用本方法制成的溅射靶成品图，图中1代表靶材，2代表背板。

图2是背板示意图，图中2代表背板，2a代表曲面，2b代表中心的小平面，α代表曲面与水平面之间的角度。

图3是靶材与背板叠放在一起压合示意图，1代表靶材，2代表背板，1a代表靶材粗糙的待焊面，2a代表与之相压合的背板曲面。F代表压力，v代表背板金属水平方向的流动。

图4是夹具将压合好的靶材与背板组件夹放在一起的示意图。1代表靶材，2代表背板，3，4分别代表上下压板，5代表紧固用螺栓螺母组件。

实施例1

高纯Ti靶和6061Al合金背板的焊接。纯度为4N5的Ti靶直径为350mm，厚度为15mm，通过喷砂处理将靶材待焊面的表面粗糙度Rz在100μm左右。背板为6061Al合金，直径380mm，厚20mm，表面加工出图2所示的锥面2a，它与水平面之间的夹角α为3°，2b是中心部位的小平台，主要是为了放置靶材于上面；靶材和背板表面用添加去污粉的清水超声波清洗去油后，再用无水乙醇清洗靶材和背板的待焊面，最后将表面烘干；背板加热到400℃，保温30分钟，将不加热的靶材置于加热的背板上，施加100MPa的压力使背板曲面充分变形，如图3所示，至背板2a，2b面和靶材1a面紧密咬合在一起；如图4所示，采用GH130合金钢制成的夹具将压合在一起的靶材与背板夹紧，置于普通加热炉中，随炉升温至500℃，保温1小时即可完成Ti靶和6061Al的扩散焊接。通过后续热处理，最后再进行机加工，制成靶材成品，如图1所示。测试扩散焊接的剪切强度达到41MPa，利用C-SCAN检测焊接面结合率达到99.9％，满足靶材焊接要求。

实施例2

高纯Cu靶和6061Al合金背板的焊接。

6N Cu靶的原材料为直径350mm，厚15mm的圆板，通过车削处理将靶材待焊面的表面粗糙度Rz在200μm左右，背板为6061Al合金，直径380mm，厚20mm，表面加工出图2所示的锥面2a，它与水平面之间的夹角α为1°，2b是中心部位平台，主要是为了放置靶材于上面；靶材和背板表面清洗后烘干；背板加热到450℃，保温30分钟，将不加热的Cu靶置于加热的铝背板上，施加150MPa的压力，使背板曲面充分变形，至背板2a，2b面和靶材1a面咬合在一起；采用GH130合金钢制成的夹具将压合在一起的靶材与背板夹紧，置于普通加热炉中，随炉升温至背板熔点的510℃，保温45分钟即可完成Cu靶和6061Al的扩散焊接。通过后续热处理，最后再进行机加工，制成靶材成品。测试扩散焊接的剪切强度达到28MPa，利用C-SCAN检测焊接面结合率达到99.7％，满足靶材焊接要求。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种大面积靶材的压力焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)靶材待焊面的粗糙化处理，通过粗糙化处理，靶材待焊面的表面粗糙度Rz控制在50μm～450μm之间；

2)背板的待焊面加工成锥面或球面形貌的曲面，曲面与水平面间的夹角为0.5°～5°，并在背板的中心部位预留一个直径为靶材直径1/10～1/4的小平面，以为了放置靶材于上面；

3)靶材和背板的待焊面进行清洗处理，并烘干表面；

4)背板加热到300～450℃，将预热小于200℃的靶材或常温的靶材置于加热的背板上，立即施加50～200MPa的压力，使背板曲面充分变形至两待焊面完全压合在一起；

5)用夹具将压合在一起的靶材与背板夹紧，随炉升温至靶材与背板两者中较低熔点材料的熔点的0.50～0.85倍，保温0.5～2小时完成焊接。

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