CN101745734B - 一种大面积靶材与背板的快速焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于靶材的焊接技术领域，特别涉及一种大面积靶材与背板(又叫靶托)的快速焊接方法。将靶材待焊面的表面粗糙化、清洗并烘干；将靶材和背板之间撒上一定厚度的金属粉末，然后放入大电流装置中，在一定的保护气氛下，在待焊接靶材和背板的两端施加一定的压力，并通过高频脉冲电流进行焊接，电流大小为1000A～9000A，通电1min～5min，即完成焊接。该方法能够对设备要求低，靶材与背板待焊面的加工要求低，焊接可靠，所需时间短，生产效率高，能适应绝大多数金属靶材与异种金属背板之间的焊接，同时保证靶材的显微组织性能不受影响，靶材与背板的焊合强度高，可靠性高，操作简单，可重复性好，生产效率高。

Description

一种大面积靶材与背板的快速焊接方法

技术领域

本发明属于靶材的焊接技术领域，特别涉及一种大面积靶材与背板的快速焊接方法。

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，晶粒取向合适，不允许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，容易溅射过程中掉靶，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，温度高，时间也相对较长，会对靶材的微观组织，晶粒的大小及取向产生改变。(如美国专利《Diffusion bonded sputter targetassembly and method of making》(6,071,389))。

为了克服常见的扩散焊接溅射靶的不足，关键的是要采用不改变靶材微观组织结构的快速焊接，以保留靶材原来的组织结构，晶粒大小及取向，焊接的热影响区要尽量小。

《Ti-6Al-4V钛合金的脉冲大电流加热焊接方法》(200410013469.5)和《一种铝锂合金的快速、低温、温差焊接方法》(CN 100427259C)提出，将合金用砂纸打磨至尽量光滑，然后通入脉冲电流，加热保温一段时间后形成扩散连接的方法。该方法对焊接表面的平整度、光洁度要求高，且只适用于该合金同种金属的焊接。虽然也是温差焊，然而基体的升温已经不能满足靶材的焊接要求，在该种情况下，铝合金很有可能发生再结晶，微观组织发生改变。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积靶材与背板(又叫靶托)的快速焊接方法，该方法步骤如下：

(1)将靶材待焊面的表面粗糙化，使表面粗糙度Rz控制在10μm～500μm之间，然后将靶材和背板的待焊面去油、清洗并烘干；

(2)将靶材和背板待焊面之间撒上厚度为1mm～5mm的金属粉末，然后放入大电流装置中，在真空气氛或保护性气体氛围下，在待焊接靶材和背板的两端施加不小于8MPa的压力，并通过高频脉冲电流进行焊接，电流大小为1000A～9000A，通电1min～5min，即完成焊接。其中，在真空气氛或保护性气体氛围下进行焊接，目的是避免靶材和背板的氧化，真空气氛时，要求真空度≤8Pa。

一种优选的技术方案为：放入大电流装置前，对所述靶材和背板进行预压，预压压力为10～30MPa，预压5～10min。可预压也可不预压，同等条件下，预压能使得焊接效果更好，但不同材料效果不尽相同。

一种优选的技术方案为：步骤(1)中，所述表面粗糙度Rz控制在50μm～500μm之间。

所述金属粉末粒度为5μm～50μm。

选用金属粉末种类的原则是粉末可以和靶材和背板进行良好的焊接。优选金属粉末为与背板同成分的粉末，或与靶材同成分的粉末，或两者混合的组合，这样焊接较容易进行。

所述靶材选自高纯Al、AlSi合金、AlCu合金、AlSiCu合金、高纯Cu、高纯Ti、高纯Ni、高纯Ta、陶瓷靶中的任意一种。

所述背板选自无氧铜或者1-6系铝合金。6系铝合金优选6061Al和6063Al。

所述方法适用于焊接直径为200mm～400mm的靶材。

本发明中，步骤(1)中将靶材待焊面的表面粗糙化，可以通过喷砂、喷丸、抛丸、钢丝刷、压印、车削、磨削、电火花毛化、激光毛化等加工手段。

步骤(2)中，可在靶材和背板的非焊接面设置压头，通过压头对靶材和背板施加压力和电流，压头材料选用石墨或者硬质合金，压头的作用为用以传导电流和传力，一般优选可以承受高温的石墨压头，如需要很高的压力(大于60Mpa)优选硬质合金或高温合金，但承受温度较石墨低。

本发明是一种快速、对焊接金属组织结构无影响的焊接方法。主要适用于金属靶材与异种金属背板，陶瓷靶材和金属背板的焊接。

本发明的有益效果为：

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很好的保证这一难点。

2、采用高频脉冲大电流，形成等离子的环境。

3、在靶材和背板之间撒上一层金属粉末，一方面降低了靶和背板平整度的要求，降低了靶材和背板的精加工难度，另外一方面，粉末之间通入大的高频脉冲电流形成放电等离子体，原子被激活，加快原子的扩散，使焊接迅速完成并能达到较高的结合强度；本发明能够在很短的时间内依靠放电等离子体快速高温熔化结合部位的粉末焊料，并在一定的压力作用下实现靶材与背板之间的紧密可靠连接。

4、在通入大的高频脉冲电流后，等离子体击穿粉末放电，放电仅发生在粉末之间、粉末与快体金属的结合部位之间，粉末之间迅速升温，能保证粉末和上下层材料之间的焊接，而靶材和背板温升很小，热影响区几乎只在粉末之间，较好的保持了靶材原有的组织状态。防止了传统热等静压烧结整体升温对靶材原有组织结构的影响。本方法为对焊接金属组织结构无影响的温差快速焊接方法。

5、该方法操作简单，所需时间短，焊接可靠，操作简单，可大批量焊接，能大大提高生产效率。

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，操作方便，可实现自动化，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是采用本发明方法制成的溅射靶成品图；

图2是焊接示意图；

图中标号：I代表电流；F代表压力；1是靶材；2是背板；3是金属粉末；4是压头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1高纯Ti靶和6061Al合金背板的焊接

靶材1选用4N5的Ti靶，直径为350mm，厚15mm，背板2为6061Al合金，直径380mm，厚20mm。通过喷砂处理控制靶材和背板待焊面的表面粗糙度Rz在100μm左右，靶材和背板表面用去污粉去油，酒精+超声清洗，用烘箱将表面烘干；将靶材和背板之间夹上一层粒度为5μm～8μm的6061铝合金粉末3，粉末厚度约2mm，在靶材和背板的非焊接面设置压头4，压头选用石墨压头，用以传导电流和压力。对中间夹有金属粉末的靶材和背板进行预压，预压压力为6MPa，预压8min，然后放入大电流装置中，抽真空至8Pa以下，在待焊接靶材和背板的两端施加压力F＝8MPa，并通入I＝5000A的高频脉冲电流，通电时间3min，即完成扩散温差焊接。焊接示意图如图2所示，取出试样后通过低温去应力退火，最后再进行机加工，制成靶材成品。采用本发明方法制成的溅射靶成品图如图1所示。

测试焊接的靶材成品，拉伸强度达到98MPa，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Ti靶和无氧Cu背板的焊接

4N5的Ti靶直径为350mm，厚度为15mm，背板为无氧铜，直径380mm，厚20mm。通过喷砂处理控制靶材和背板待焊面的表面粗糙度Rz在150μm左右，靶材和背板表面用用去污粉去油，酒精+超声清洗，用烘箱将表面烘干。将靶材和背板待焊面之间夹上一层粒度为5μm左右的工业纯Cu粉，Cu粉厚度约2mm，在靶材和背板的非焊接面设置压头，用以传导电流和压力。然后放入大电流装置中，抽真空至8Pa以下，在待焊接靶材和背板的两端施加压力12MPa，并通入5400A的高频脉冲电流，通电3min，即完成焊接。取出试样。通过低温退火去除应力，最后再进行机加工，制成靶材成品。

测试扩散焊接的靶材成品，拉伸强度达到125MPa，利用C-SCAN检测焊接面结合率达到99.7％，满足靶材焊接要求。

实施例3高纯Cu靶和6063铝合金背板的焊接

6N的Cu靶直径为330mm，厚度为25mm，背板为6063铝合金，直径380mm，厚28mm。通过喷砂处理控制靶材和背板待焊面的表面粗糙度Rz在200μm左右，靶材和背板表面用用去污粉去油，酒精+超声清洗，用烘箱将表面烘干。将靶材和背板待焊面之间从靶材那一面起，依次夹上三层粒度为5μm左右的粉末，第一层为工业纯铜粉，粉末厚度约2mm，第二层为工业纯铜和6063铝合金的混合粉末，其原子比为1∶1，厚度约2mm，第三层为6063铝合金粉末，厚度约2mm，在靶材和背板的非焊接面设置压头，用以传导电流和压力。然后放入大电流装置中，抽真空至8Pa以下，在待焊接靶材和背板的两端施加压力25Mpa，并通入5200A的高频脉冲电流，通电2min，即完成焊接。取出试样。通过低温退火去除应力，最后再进行机加工，制成靶材成品。

测试扩散焊接的靶材成品，拉伸强度达到105MPa，利用C-SCAN检测焊接面结合率达到99.7％，满足靶材焊接要求。

实施例4ITO靶和无氧Cu背板的焊接

4N的ITO靶直径为200mm，厚度为15mm，背板为无氧铜，直径238mm，厚20mm。通过喷砂处理控制靶材和背板待焊面的表面粗糙度Rz在250μm左右，靶材和背板表面用用去污粉去油，酒精+超声清洗，用烘箱将表面烘干。将靶材和背板之间夹上一层微米级ITO粉，厚度约0.5mm，在撒上一层微米级ITO和Cu的混合粉末，其中Cu粉质量占50％，厚度约0.5mm，其上再撒上一层Cu粉，其厚度约0.5mm。在靶材和背板的非焊接面设置压头，用以传导电流和压力。然后放入大电流装置中，抽真空至8Pa以下，在待焊接靶材和背板的两端施加压力15MPa，并通入4800A的高频脉冲电流，通电5min，即完成焊接。取出试样。测试扩散焊接的剪切强度达到46MPa，利用C-SCAN检测焊接面结合率达到99.8％，满足靶材焊接要求。

Claims (5)

1.一种大面积靶材与背板的快速焊接方法，其特征在于，该方法步骤如下：

(1)将靶材待焊面的表面粗糙化，使表面粗糙度Rz控制在10μm～500μm之间，然后将靶材和背板的待焊面去油、清洗并烘干；

(2)将靶材和背板待焊面之间撒上厚度为1mm～5mm的金属粉末，然后放入大电流装置中，在真空气氛或保护性气体氛围下，在待焊接靶材和背板的两端施加不小于8MPa的压力，并通过高频脉冲电流进行焊接，电流大小为1000A～9000A，通电1min～5min，即完成焊接；

所述金属粉末为与背板同成分的粉末，或与靶材同成分的粉末，或两者粉末的组合；

所述方法适用于焊接直径为200mm～400mm的靶材。

2.根据权利要求1所述的一种大面积靶材与背板的快速焊接方法，其特征在于，所述表面粗糙度Rz控制在50μm～500μm之间。

3.根据权利要求1所述的一种大面积靶材与背板的快速焊接方法，其特征在于，所述金属粉末粒度为2μm～50μm。

4.根据权利要求1所述的一种大面积靶材与背板的快速焊接方法，其特征在于，所述靶材选自高纯Al、AlSi合金、AlCu合金、AlSiCu合金、高纯Cu、高纯Ti、高纯Ni、高纯Ta、陶瓷靶中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种大面积靶材与背板的快速焊接方法，其特征在于，所述背板选自无氧铜或者1-6系铝合金。

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