CN103231181A - 低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接的研究 - Google Patents
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Abstract
低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接方法研究。本专利属于陶瓷材料焊料；焊接。本专利公开了一种新型的低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接方法。其特征是依据“氧化物陶瓷靶材-焊料-无氧铜背板”多元相图理论，研究晶体结构细密、高强的金属间化合物IMC及形成条件，在SnAgCu、SnZnBi无铅焊料中增加高活性元素钛、镁、稀土，开发出熔点250～300℃以下的锡基环保焊料。新型焊料中含有或额外增加的助焊剂，可以实现大气环境中靶材表面无需金属化、焊料良好润湿被焊接表面，实现“氧化物陶瓷靶材-焊料-无氧铜背板”三者之间的紧密连接。
Description
技术领域：
本专利属于陶瓷材料焊料；焊接。
背景技术：
氧化物陶瓷靶材通常会绑定在铜背板上，是为了保护靶材免于运送或拿取过程中的意外碰撞受损甚至破裂，而且能确保靶材在真空溅射过程中的冷却和电接触良好。目前行业一般使用铟或铟锡合金焊料实现氧化物陶瓷靶材与无氧铜背板之间的钎焊(即通常所称的绑定bonding)；现有焊接工艺主要有以下技术问题：
(1)目前常用的铟或铟锡合金焊料中含有In元素，铟属于成本较高的贵金属，而且毒性大于铅(Pb)；此外，焊接过程中还需要增加额外的助焊剂到焊料中
(2)焊接前，靶材表面需要做金属化处理，以利于焊料润湿、并实现靶材与铜背板之间的焊接
(3)采用真空或气氛环境焊接，通常使用进口设备、制造成本昂贵。原因包括两点
a)铟元素在常温到其熔点156.61℃之间会空气中的氧缓慢反应形成氧化膜，温度更高时会与氧、卤素、硫、硒、碲、磷等作用；产生的化合物会阻碍陶瓷靶材和铜背板之间的紧密连接，导致溅射过程中发生脱靶等问题。所以会采用真空或惰性气体气氛中焊接
b)某些陶瓷靶材在高温焊接过程中会发生分解；例如氧化铟锡ITO靶材在高于300摄氏度时会分解失氧，所以会采取氧气氛
本发明基于电子组装行业的钎焊应用，公开了一种低成本、环保型的氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接方法。
发明内容：
本专利公开了新型焊料成分与涂布方法、工装、工艺路线及检测方法
(1)低成本、高活性、环保型焊料：依据“氧化物陶瓷靶材-焊料-无氧铜背板”多元相图理论，研究晶体结构细密、高强的金属间化合物(IMC)及形成条件，在电子组装行业常用的无铅焊料(例如SnAgCu、SnZnBi等)中增加高活性元素(例如钛、镁、稀土等)，开发出熔点250～300℃以下的锡基环保焊料。新型焊料中含有或额外增加的助焊剂，可以实现大气环境中靶材表面无需金属化、焊料良好润湿被焊接表面，实现“氧化物陶瓷靶材-焊料-无氧铜背板”三者之间的紧密连接。
(2)焊料涂布：依据氧化物陶瓷靶材与无氧铜背板焊接后的溅射使用要求，合理计算所需的焊料厚度，选用膏状物或固体焊料，在靶材或铜背板被焊接面涂布焊料。
(3)工装：包括靶材放置定位工装、焊接压力工装(为避免焊料冷却收缩无法达到靶材与背板间的紧密焊接，焊接压力工装的压力大小与分布)。
(4)焊接设备：选用国产普通的温度可调型焊接炉或改造国产焊接炉，调试并优化出炉温曲线以实现良好焊接。
(5)检测方法：靶材与背板间的焊缝检测采用周边目检、中间X-ray检验；还可以使用C-SCAM超声扫描检查、SEM\TEM等更先进的检测手段。
附图说明：
下面结合附图对本专利进一步做说明：
附图：低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接工艺流程。
下面结合附图对本专利做进一步说明：
如附图所示，本专利的工艺流程是：先将氧化物陶瓷靶材、新型焊料、铜背板等准备到位，将膏状或固态焊料涂布到氧化物陶瓷靶材或铜背板被焊接面上，相应将铜背板或靶材放置到被焊接位置处(可借助适当的转移装置)，然后施加焊接工装(主要包括放置定位工装、焊接压力工装)，然后在国产普通的温度可调型焊接炉或改造国产焊接炉中，以最佳温曲线实现良好焊接。冷却后，去除焊接工装，检测焊接质量。
本专利的优点在于通过新型焊料，实现氧化物陶瓷靶材与铜背板之间的低成本、环保型焊接；并依据具体焊接条件，能够适用于多种焊接情况。
具体实施方式：
实例1：SnZnBiTi焊料实现AZO靶材与铜背板间的良好焊接
(1)开发出SnZnBiTi膏状焊料，使用网格状模板在AZO(氧化锌铝)靶材被焊接面人工或自动化均匀涂布此种焊料
(2)将铜背板放置到焊接托盘中、且被焊接面朝上
(3)手工翻转将AZO靶材放置于铜背板上指定位置
(4)通过导向装置将压力工装精确安装到AZO靶材顶部，并和底部焊接托盘紧固为一体
(5)放入到焊接炉中，依次经过升温、保温、自然冷却，最高温度小于310摄氏度
(6)待所有焊接件冷却后，再依次去除压力工装、托盘等
(7)检测焊接质量
实例2：SnAgCuMgM焊料实现ITO靶材与铜背板间的良好焊接
(1)新型SnAgCuMgM(M代表某一种元素)焊膏通过模板均匀涂布到铜背板的被焊接面上，不同区域的焊膏量有所不同
(2)依靠定位工装，将三块ITO靶材被焊接面放置到焊膏上，检查边缘处焊膏流动情况
(3)通过机械装置将被焊物体转移到焊接炉中
(4)放置限位装置到经改造的焊接炉中
(5)盖上焊接炉顶盖，其顶部的压力装置均匀施加压力到被焊接物体上
(6)焊接炉实现焊接，冷却至室温后打开炉盖，通过机械装置取出焊接后的靶材与背板
(7)借助人工目检和X-ray等方式检测焊接质量
实例3：SnBiGa焊料实现Al2O3靶材与铜背板间的良好焊接
(1)Al2O3靶材放置于金属托盘的固定位置处，其被焊接表面刷涂助焊膏，然后在指定位置放置固体SnBiGa焊料
(2)将铜背板被焊接面放置于固体SnBiGa焊料上，再施加其顶部限位和压力工装
(3)将多个这种金属托盘放入回流焊炉子的金属网传送带上，依次通过升温区、保温区、回流焊区、冷却区；这种方式可实现批量化生产
(4)拆除工装和金属托盘，检验焊接质量。
Claims (4)
1.一种低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接方法，其特征是在无铅焊料SnAgCu、SnZnBi中增加高活性元素钛、镁、稀土，开发出熔点250～300℃以下的锡基环保焊料，实现“氧化物陶瓷靶材-焊料-无氧铜背板”三者之间的紧密连接。
2.根据权利要求1所述的焊料，通过在无铅焊料SnAgCu、SnZnBi中增加钛、镁、稀土高活性元素。
3.根据权利要求1所述的焊料，在焊接过程中包含焊料厚度、形态(膏状物或固态)、涂布方式。
4.根据权利要求1所述的焊料，焊接中需要放置定位工装、焊接压力工装、转移工装等。
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| CN 201310110972 CN103231181A (zh) | 2013-03-28 | 2013-03-28 | 低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接的研究 |
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| CN 201310110972 CN103231181A (zh) | 2013-03-28 | 2013-03-28 | 低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接的研究 |
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|---|---|
| CN103231181A true CN103231181A (zh) | 2013-08-07 |
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| CN 201310110972 Pending CN103231181A (zh) | 2013-03-28 | 2013-03-28 | 低成本、环保型氧化物陶瓷靶材与铜背板焊接的研究 |
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| CN (1) | CN103231181A (zh) |
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2013
- 2013-03-28 CN CN 201310110972 patent/CN103231181A/zh active Pending
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Application publication date: 20130807 |