CN104708192A - 一种W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微电子技术领域的一种镀膜用的W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法。本发明的方法为将将W-Ti合金靶材粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料置于热压模具内置于热压烧结炉内，一次进行靶坯热压烧结成型、靶坯与板坯扩散焊接，得到焊接复合的W-Ti合金靶材组件；将板坯作为背板或作为过渡层，得到W-Ti合金靶材组件或W-Ti合金靶材/过渡层/背板复合的三层结构。本发明的方法同步实现靶坯热压烧结成型和靶坯与板坯热压扩散焊接，焊接抗拉强50MPa以上，焊合率99%以上。

Description

一种W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及了一种镀膜用W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法。
背景技术
W-Ti合金电子迁移率低，热机械性能稳定，抗氧化、抗腐蚀性良好，常用于微电子领域，如半导体器件、半导体封装，肖特基二极管，Al、Cu、Ag布线等。目前，W-Ti合金膜制造方法主要采用磁控溅射W-Ti合金靶材。由于W-Ti合金熔点较高，通常采用粉末冶金工艺成型，如无压烧结、热压烧结、热等静压烧结等，烧结成型后的靶坯经机加工成单体靶材，或与背板焊接成复合靶材。对于复合靶材，一方面要求靶材与背板具有非常高的焊合率，以便于工作时良好地导热、导电；另一方面要求靶材与背板有一定的焊接强度，以避免工作时靶材与背板开焊、脱落等。背板材质通常有Mo及合金、Cu合金、Al合金、奥氏体不锈钢、Ti及合金等，焊接方法有钎焊、扩散焊等。钎焊通常采用低熔点的In、Sn及其合金焊料进行焊接，工艺简单，但焊接强度较低（10MPa以内），焊料熔点低，无法满足大功率溅射镀膜。扩散焊具有焊合率高、焊接强度高等优点，特别适用于大功率、高效率溅射镀膜用靶材。扩散焊通常为成型的固态靶材与背板紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散，相互渗透来实现冶金结合的一种焊接方法，如采用包套将靶材与背板真空封装后，再进行热等静压扩散复合。但W-Ti合金靶材与Al合金、Cu合金背板材质间熔点差异较大，不易扩散，需在两者之间加入过渡层，分步扩散复合，如加入奥氏体不锈钢、Ni合金、Ti合金等过渡层以过渡。但热等静压扩散焊接工艺对包套制作技术要求非常高，存在包套漏气导致无法焊合的风险，且热等静压扩散后的复合体通常存在不同程度的弯曲变形，需要再矫平，增加了工艺环节。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法。
一种W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法，其步骤如下：
（1）将W-Ti合金靶材粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料置于热压模具内；
（2）将步骤（1）中装有W-Ti合金粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料的热压模具置于热压烧结炉内，一次进行靶坯热压烧结成型、靶坯与板坯扩散焊接，温度1000～1600℃，压力10～40MPa，保温时间0.5～6hr，得到焊接复合的W-Ti合金靶材组件；
（3）将板坯直接作为背板，将步骤（2）中所得到焊接复合的W-Ti合金靶材组件直接加工为W-Ti合金靶材/背板成品；或板坯作为过渡层，加工为W-Ti合金靶材/过渡层组件，然后与Al合金或Cu合金背板再进行热压或热等静压扩散焊接，形成W-Ti合金靶材/过渡层/背板复合的三层结构。
所述W-Ti合金靶材中Ti质量含量为5～20%，余量为W。
所述W-Ti合金靶材中Ti质量含量为10%，余量为W。
所述粉末原料中W粉平均粒度为2～10μm，Ti粉平均粒度为20～200μm。
步骤（1）中装模具前可预先在板坯焊接面进行喷砂处理或者机加工，提高焊接面粗糙度。
步骤（1）中靶材粉末原料与板坯材料单层结构装模：下层为板坯材料，上层为粉末原料。
步骤（1）中靶材粉末原料与板坯双层结构装模：下层为粉末原料，中间为板坯材料，上层为粉末原料。
所述W-Ti合金靶材直径为Φ50～500mm，厚度为3～15mm。
板坯作为背板时，材质为Mo及合金、奥氏体不锈钢或Ti及合金；板坯作为过渡层时，其厚度为0.5～5mm，材质为奥氏体不锈钢、Ni合金或Ti及合金。
本发明方法提供的W-Ti合金靶材扩散焊接方法具有如下优点：
（1）同步实现烧结、扩散焊：本发明的方法在粉末原料内加入了待焊接复合的板坯材料，在工艺过程中，同步实现了粉末原料烧结成致密靶材，及粉末与板坯反应、扩散焊接，一次得到了靶材与板坯的扩散焊接复合体。
（2）焊接强度、焊合率高：本发明专利提供的扩散焊接方法，初始以粉末形式与板坯接触，两者接触面积大，易于扩散焊接，焊接抗拉强度可达到50Mpa以上，焊合率可达到99%以上。
（3）靶材成材率高：本发明专利提供的扩散焊接方法，可实现靶材烧结、扩散焊近净尺寸成型，且烧结、扩散焊接后的复合体无弯曲变形，后续机加工量小，靶材成材率高。
附图说明
图1为本发明方法的涉及靶材烧结、扩散焊接工艺流程图。
图2为靶材粉末原料与板坯单层结构次序示意图。
图3为靶材粉末原料与板坯双层结构次序示意图。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施方式对本发明专利做进一步说明。
本发明专利提供了一种W-Ti靶材组件扩散焊接方法，在热压烧结成型W-Ti合金靶材时，同时在粉末内加入相应的待焊接板坯，从而实现靶坯热压烧结成型、靶坯与板坯扩散焊接同步完成。该方法，一方面工艺简单，可同步实现靶材烧结、扩散焊，初始以粉末形式与待焊接板坯接触，两者接触面积大，易于扩散焊接，焊接强度高；另一方面靶材烧结、扩散焊近净尺寸成型，且烧结、扩散焊接复合体无弯曲变形，后续机加工量小，靶材成材率高。此外，该工艺方法也适用于微电子领域镀膜用W及合金、Mo及合金、Cr及合金等高熔点粉末冶金成型靶材组件扩散焊接。
实施例1～4
根据图1所示的工艺流程图，其步骤如下：
1.粉末、待焊接板坯准备
按本实施例中设计准备待热压成型靶材粉末原料及对应的待焊接板坯材料。
所述W-Ti合金粉末为：Ti质量含量5～20%，特别是Ti质量含量为10%，余量为W。W粉平均粒度2～10μm，Ti粉平均粒度20～200μm。成型靶材直径尺寸Φ50～500mm，厚度3～15mm。背板厚度取决于型号规格要求，过渡层厚度0.5～5mm。可预先在板坯焊接面进行喷砂处理或者机加工，提高焊接面粗糙度，增加焊接强度。
2.装模
将待热压成型靶材粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料置于热压模具内，结构次序见图2，图3。其中，图2结构为单层结构，可实现单层靶坯热压烧结、靶坯与板坯扩散焊，图3结构为双层结构，可实现双层靶坯热压烧结、靶坯与板坯扩散焊。热压模具材质为高强石墨，抗压强度40Mpa以上。
3.热压烧结、扩散焊
将装有粉末原料及待焊接板坯的热压模具置于热压烧结炉内，一次进行靶坯热压烧结、靶坯与板坯扩散焊接。工艺参数主要有温度、热压压力、保温时间。
4.机加工
热压烧结、扩散焊完成后，得到焊接复合体。将板坯直接作为背板，可将焊接复合体直接加工为W-Ti合金靶材/背板成品；或板坯作为过渡层，加工为W-Ti合金靶材/过渡层组件，然后与Al合金或Cu合金等背板再进行热压或热等静压扩散焊接，形成W-Ti合金靶材/过渡层/背板复合的三层结构。W-Ti合金靶材与板坯扩散焊接抗拉强度可达到50Mpa以上，经C轴-超声检测，焊合率可达到99%以上。
实施例1～4W-Ti合金靶材烧结、焊接工艺及性能结果见表1。
表1、实施例1～4中烧结、焊接工艺及性能结果

Claims (9)

1.一种W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，其步骤如下：
（1）将W-Ti合金靶材粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料置于热压模具内；
（2）将步骤（1）中装有W-Ti合金粉末原料及对应的待焊接复合的板坯材料的热压模具置于热压烧结炉内，一次进行靶坯热压烧结成型、靶坯与板坯扩散焊接，温度1000～1600℃，压力10～40MPa，保温时间0.5～6hr，得到焊接复合的W-Ti合金靶材组件；
（3）将板坯直接作为背板，将步骤（2）中所得到焊接复合的W-Ti合金靶材组件直接加工为W-Ti合金靶材/背板成品；或板坯作为过渡层，加工为W-Ti合金靶材/过渡层组件，然后与Al合金或Cu合金背板再进行热压或热等静压扩散焊接，形成W-Ti合金靶材/过渡层/背板复合的三层结构。
2.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，所述W-Ti合金靶材中Ti质量含量为5～20%，余量为W。
3.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，所述W-Ti合金靶材中Ti质量含量为10%，余量为W。
4.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，所述粉末原料中W粉平均粒度为2～10μm，Ti粉平均粒度为20～200μm。
5.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，步骤（1）中装模具前可预先在板坯焊接面进行喷砂处理或者机加工，提高焊接面粗糙度。
6.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，步骤（1）中靶材粉末原料与板坯材料单层结构装模：下层为板坯材料，上层为粉末原料。
7.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，步骤（1）中靶材粉末原料与板坯双层结构装模：下层为粉末原料，中间为板坯材料，上层为粉末原料。
8.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，所述W-Ti合金靶材直径为Φ50～500mm，厚度为3～15mm。
9.根据权利要求1所述的W-Ti靶材组件扩散焊接方法，其特征在于，板坯作为背板时，材质为Mo及合金、奥氏体不锈钢或Ti及合金；板坯作为过渡层时，其厚度为0.5～5mm，材质为奥氏体不锈钢、Ni合金或Ti及合金。
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