CN101559515B

CN101559515B - 真空电子束焊接方法

Info

Publication number: CN101559515B
Application number: CN2009101384506A
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 潘杰; 王学泽; 欧阳琳; 刘庆
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: CN101559515A

Abstract

一种真空电子束焊接方法，包括如下步骤：提供靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板；进行焊接准备；进行预热；采用真空电子束进行真空焊接，将靶材坯料焊接至背板上；还包括在真空焊接之后直接进行表面修饰步骤。本发明通过在进行真空焊接之后直接进行表面修饰，无需真空保温或者放入空气进行降温，避免了后续抽吸真空的步骤，加快了产品循环周期，同时降低溅射靶材坯料焊接后的气孔率。

Description

真空电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别涉及真空电子束焊接方法。

背景技术

真空电子束焊接工艺是将被焊工件置于真空环境中利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化进行焊接的方法，由于电子束高的能量密度使焊缝较窄，深宽比大，焊接应力和变形较小，在半导体的溅射领域得到了广泛的应用。

在实际生产中，真空电子束焊接工艺最大的问题是焊缝中存在气孔，目前国内降低气孔率的常用方法主要是重复电子束焊和扫描电子束焊。其中，重复电子束焊是指在同一焊缝上反复焊接，它的优点是相当于增大了焊缝熔池保存时间，使得气体容易逸出从而降低气孔率，缺点是重复焊接会导致合金元素的烧损，同时重复焊接引起的热影响区温度大幅度升高导致组件的变形，而且重复几次焊接以后，气孔率降低将变得极其缓慢。扫描电子束焊是指电子束在沿着焊缝方向移动时，在垂直焊缝方向上也作左右移动，移动频率一般在几十赫兹左右，其优点是通过电子束的左右移动对熔池起到机械搅拌作用，使得熔池中气体容易逸出，缺点是扫描电子束焊对降低气孔率的作用有限，不能从根本上解决气孔率的降低。

现有技术公开了一种焊接方法，包括如下步骤：(1)焊前准备：清洗靶材坯料和背板，并将其移至真空室内进行隔离抽真空；(2)预热焊缝；(3)施行第一次真空电子束焊接；(4)把完成步骤(3)的靶材坯料组件进行真空保温；(5)施行第二次真空电子束焊接；(6)淬火：对完成步骤(5)的靶材坯料组件取出真空室，进行急冷淬火。

但是在上述技术方案中，为了提高焊接质量，降低最终靶材坯料组件焊缝中的气孔率，通过在施行完第一次真空电子束焊接后进行真空保温，然后再施行第二次真空电子束焊接，工艺较为复杂。而且众所周知，在进行第一次焊接之后，最终靶材坯料组件的温度很高，将其降低至一定温度时间很长，再加上保温时间，总体制作靶材的循环周期较长。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种工艺简便的真空电子束焊接方法，降低了制作靶材的时间，同时可以降低焊接件的气孔率。

为解决上述问题，本发明提供了一种真空电子束焊接方法，包括如下步骤：提供靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板；进行焊接准备；采用真空电子束进行真空焊接，将靶材坯料焊接至背板上；还包括在真空焊接之后直接进行表面修饰。

所述表面修饰包括一次或者多次。

所述表面修饰次数为三次，第一、二次表面修饰工艺条件相同，第三次表面修饰的电子束的焦距为第一、二次表面修饰工艺中的焦距的±10％。

所述表面修饰的工艺条件包括：线速度为15～30mm/s，束流为60～100mA，聚焦电流为680～750mA。

所述真空焊接的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为80～100mA，聚焦电流为625～700mA。

进行焊接准备之后、真空焊接之前还包括预热步骤，所述预热的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为50～100mA，聚焦电流为650～700mA。

所述焊接准备包括装夹和清洗以及烘干步骤。

所述装夹步骤中夹具的平行度为0.05～0.10mm。

所述真空电子束焊接还包括冷却步骤。

所述冷却为空冷。

所述靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板材料相同，为铝或铝合金、铜或铜合金、钛或钛合金、钽或钽合金。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：通过在进行真空焊接之后直接进行表面修饰，无需真空保温或者放入空气进行降温，避免了后续降温或者抽吸真空的步骤，加快了产品循环周期；同时，与现有技术相比，大幅度提高了焊接质量。

本技术方案通过在线速度为8～20mm/s、束流为80～100mA、聚焦电流为625～700mA范围内进行真空焊接，在线速度为15～30mm/s、束流为60～100mA、聚焦电流为680～750mA范围内直接进行表面修饰，各种条件的组合，可以获得较为优化的工艺条件，提高焊接质量。

同时，本技术方案通过在施行真空焊接之前进行预热步骤，可以进一步降低气孔率，提高焊接质量。

附图说明

图1本发明的的实施例的真空电子束焊接方法的流程示意图；

图2至3为本发明的实施例的进行真空电子束焊接方法的结构示意图。

具体实施方式

长期以来，在电子束真空焊接领域，形成了这样的观点：为了防止长时间焊接造成的焊接材料的挥发以及变形，在真空焊接过程中需要进行真空保温或者释放真空以在空气中冷却。基于上述理论，现有技术的电子束真空焊接方法中通常进行多次真空焊接以降低气孔率，并且在多次真空焊接工艺之间通常进行真空保温或者释放真空腔的真空环境，在空气中进行冷却。

但是，本发明的发明人基于研究发现：现有技术的进行真空焊接步骤之后，在真空保温或者释放真空放入空气进行降温过程中，由于温度下降，靶材坯料和背板焊缝处材料会凝固，这样会将气体密封住，并不利于气体的逸出，尽管后续进行第二次真空焊接会将部分气体释放出来，但是后续气体释放并不彻底，焊缝的气孔率仍然较高，而且增加了工艺步骤，因此焊接成本较高。

基于上述认识，本发明的发明人进行了研究，形成了这样的理论：采用特定的焊接工艺，在真空焊接之后直接进行表面修饰，可以改进焊接质量。下面将进行详细阐述。

本发明首先提供了一种真空电子束焊接方法，图1给出本发明的真空电子束焊接方法的流程示意图，包括：步骤S11，提供靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板；步骤S13，进行焊接准备；步骤S15，采用真空电子束进行真空焊接，将靶材坯料焊接至背板上；步骤S17，在真空焊接之后直接进行表面修饰步骤。

以下通过结合上述步骤详细地描述具体实施例，上述的目的和本发明的优点将更加清楚：

首先请参照图1，执行步骤S11，提供靶材坯料200和用于支撑靶材坯料的背板100，所述靶材坯料200和用于支撑靶材坯料200的背板100材料可以相同也可以不同，但是就目前的工艺来说，所述靶材坯料200和背板100材料相同，通常为铝或铝合金、铜或铜合金、钛或钛合金、钽或钽合金。

接着，执行步骤S13，进行焊接准备。所述焊接准备包括装夹和清洗以及烘干步骤。

所述装夹是将靶材坯料200和用于支撑靶材坯料200的背板100装载于电子束焊接设备的真空腔内的夹具上，所述装夹步骤中夹具的平行度为0.05～0.10mm。

所述清洗步骤的目的为去除靶材坯料200和背板100表面杂物及氧化物，通常采用丙酮清洗，也可以采用其他有机溶剂比如四氯化碳、酒精等进行清洗。

在进行清洗步骤之后，需要对靶材坯料200和背板100进行烘干，防止靶材坯料200和背板100表面的水份在焊接过程中由于升温气化形成气泡影响焊接质量。所述烘干的条件与靶材坯料200和背板100材料有关，烘干温度范围是80至150摄氏度。

接着可以直接执行步骤S15，即采用真空电子束进行真空焊接，但是为了达到更好的焊接质量，通常在进行真空焊接之前进行预热，衡量所述焊接质量需要考察的量包括气孔率、焊接的深宽比等。

所述预热过程是在靶材坯料200和背板100焊接处预热一圈。进行预热的目的为使靶材坯料200和背板100表面需要焊接处温度升高，一方面去除表面吸附的气体、灰尘等杂质，同时可以使焊接处在焊接前激活材料内的分子，使焊接处表面处于熔融状态，为下一步焊接做准备，并且防止直接进行焊接影响焊接材料的内部结构。

所述预热的工艺条件与靶材坯料200和背板100材料是相关联的，若靶材坯料200和背板100材料为铝或者铜，则预热的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为50～100mA，聚焦电流为650～700mA。所述预热的电压为50-70KV，真空度为-2次方兆帕的数量级，比如可以为7x10^-2MPa，后文均在该真空度下进行。

作为本发明的一个具体实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铝，所述预热的条件为：焊接腔室的真空度为7x10^-2MPa，电压为60KV，线速度为10mm/s，束流为60mA，聚焦电流为680mA。

作为本发明的另一个具体实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铜，所述预热的条件为：焊接腔室的真空度为7x10^-2MPa，电压为65KV，线速度为15mm/s，束流为80mA，聚焦电流为690mA。

参照图3，执行步骤S15，采用真空电子束进行真空焊接，将靶材坯料200焊接至背板100上。

本申请的发明人还发现，真空焊接的工艺条件与靶材坯料200和背板100材料是相关联的，与前述预热步骤的工艺条件也相关，若靶材坯料200和背板100材料为铝或者铜，在前述预热条件下，相应的真空焊接的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为80～100mA，聚焦电流为625～700mA，所述真空焊接的电压范围为不大于80KV，作为一个优化实施例，所述真空焊接的电压范围为60～70KV。

作为本发明的一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铝，在相应的前述预热具体实施例条件下，所述真空焊接的条件为：电压为60KV，线速度为10mm/s，束流为90mA，聚焦电流为650mA。

作为本发明的另一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铜，在相应的前述预热实施例条件下，所述真空焊接的条件为：电压为60KV，线速度为15mm/s，束流为85mA，聚焦电流为640mA。

作为本发明的又一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为钛，所述真空焊接的条件为：电压为70KV，线速度为18mm/s，束流为95mA，聚焦电流为670mA。

经过上述真空焊接之后，将靶材坯料200和背板100焊接在一起，但是由于靶材坯料200和背板100内部会溶解气体以及靶材坯料200和背板100之间会存在气体，而这些气体在一次真空焊接过程中释放并不完全，这些气体会在焊缝中形成气孔，而气孔的存在会影响靶材坯料200和背板100之间的连接力，当靶材坯料200在工作中，由于气孔的隔热作用使得气孔周围温度急剧上升，明显高于周边地区，当温度上升到靶材坯料200的熔点后，有可能导致焊缝开裂，靶面脱落损伤溅射机台，此外，如果焊缝中气孔比较多以致形成通孔。本发明通过在真空焊接步骤之后直接进行表面修饰以减少焊缝中气孔的存在，具体参照如下步骤：

执行步骤S17，在真空焊接之后直接进行表面修饰步骤。表面修饰的目的为通过在真空焊接后，直接在熔融区采用电子束进行搅拌，可以使气体释放得更为彻底，而现有技术的保温或者释放真空冷却步骤会将气体密封住，在材料内部生成气泡，不利于气体的彻底释放。

同时，本申请的发明人还发现，表面修饰的工艺条件与预热、真空焊接等工艺条件均相关联，在前述预热和真空焊接的条件下，表面修饰的工艺条件包括：线速度为15～30mm/s，束流为60～100mA，聚焦电流为680～750mA。

作为本发明的一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铝，在相应的前述预热和真空焊接的实施例条件下，所述表面修饰的工艺为电压为60KV，线速度为18mm/s，束流为90mA，聚焦电流为700mA。

作为本发明的另一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为铜，在相应的前述预热和真空焊接的实施例条件下，所述表面修饰的工艺为电压为60KV，线速度为22mm/s，束流为80mA，聚焦电流为720mA。

作为本发明的又一个实施例，所述焊接的靶材坯料200和背板100均为钛，在前述预热和真空焊接的条件下，所述表面修饰的工艺为电压为70KV，线速度为25mm/s，束流为85mA，聚焦电流为730mA。

本发明中，所述表面修饰可以进行一次或者多次，所述表面修饰的次数与焊接质量的要求有关，通常仅进行一次即可达到要求。

若为了进一步提高焊缝质量，可以多次进行表面修饰。而且发明人发现，多次表面修饰之间的工艺条件是相互关联的，首先进行的第一、二次表面修饰工艺条件可以相同，但是在第三次表面修饰步骤及其后续进行的修饰步骤中，其工艺条件需要进行优化，这是由于在进行真空焊接步骤之后绝大部分气体已经上升至焊接处的表面，无需高能量的电子束来穿透进入靶材坯料200和背板100，仅需对表面进行修饰，若仍然采用与第一、二次表面修饰相同的工艺条件，则可能由于温度过高造成焊接处材料变形，因此需要优化工艺条件。本发明的发明人发现通过调节电子束的焦距可以解决该问题，比如进行第三次表面修饰工艺中，可以将第三次表面修饰工艺中的电子束的焦距调为前面第一、二次表面修饰工艺中的焦距的±10％，即将第三次表面修饰工艺中的电子束的焦点稍微偏离焊接处±10％范围内。

但是，由于多次表面修饰会造成成本的增加，因此所进行的表面修饰的次数的确定需要对焊接质量、成本进行综合考虑。

本发明通过在进行真空焊接之后直接进行表面修饰，无需真空保温或者放入空气进行降温，避免了后续抽吸真空的步骤，加快了产品循环周期；同时，由于在真空焊接后直接在熔融区采用电子束进行搅拌，即进行表面修饰，可以使气体释放得更为彻底，可以避免现有技术的不利于气体的彻底释放而导致靶材坯料200和背板100焊接后的气孔率高的缺陷。

同时，本发明通过优化预热、真空焊接、表面修饰工艺条件，形成相互关联的工艺条件，并将其进行组合，大幅度提高了焊缝的质量，具体请见后文。

同时，本发明的所述真空电子束焊接方法还包括冷却步骤。所述冷却可以为水冷、油冷等急剧冷却方式，也可以为比较缓和的冷却方式比如自然冷却，即空冷，以防止产品急冷后内部组织结构发生变化在宏观上产生变形。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种真空电子束焊接方法，包括如下步骤：

提供靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板；

进行焊接准备；

采用真空电子束进行真空焊接，将靶材坯料焊接至背板上；

其特征在于，还包括在真空焊接之后直接进行表面修饰，所述表面修饰为三次，第一、二次表面修饰工艺条件相同，第三次表面修饰的电子束的焦距为第一、二次表面修饰工艺中的焦距的±10％。

2.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述表面修饰的工艺条件包括：线速度为15～30mm/s，束流为60～100mA，聚焦电流为680～750mA。

3.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述真空焊接的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为80～100mA，聚焦电流为625～700mA。

4.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，进行焊接准备之后、真空焊接之前还包括预热步骤，所述预热的工艺条件包括：线速度为8～20mm/s，束流为50～100mA，聚焦电流为650～700mA。

5.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述焊接准备包括装夹和清洗以及烘干步骤。

6.如权利要求5所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述装夹步骤中夹具的平行度为0.05～0.10mm。

7.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述真空电子束焊接还包括冷却步骤。

8.如权利要求1所述的真空电子束焊接方法，其特征在于，所述靶材坯料和用于支撑靶材坯料的背板材料相同，为铝或铝合金、铜或铜合金、钛或钛合金、钽或钽合金。