CN110666281B - 一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法，所述钎焊焊接方法包括采用不同的焊料分别对铝靶材和含铜背板进行浸润处理，之后将二者结合，完成焊接过程，本发明所述方法焊接得到的铝靶材和含铜背板的焊接件的焊接强度明显提高，其焊接强度达70‑100MPa，焊接结合率也明显提高，且含铜背板能进行循环使用。

Description

一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法

技术领域

本发明属于焊接工艺领域，涉及一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法。

背景技术

焊料结合(Solder Bonding)指的是利用熔点比母材(被焊接材料)熔点低的填充金属(称为钎料或焊料)在低于母材熔点、高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，然后冷却，使焊料凝固而实现零件间的连接的焊接方法；焊料结合时无需对焊件施加压力，避免了因重力作用造成的焊件变形，是一种简易、快捷的焊接方式。

焊料结合的研究重点是根据母材的性质选用合适的焊料并且尽可能的减少焊料的使用和提高焊料的回收率以降低生产成本。目前半导体靶材领域应用较为广泛的焊料有两种：一种是铟，铟具有低熔点，延展性好等优点，降低了靶材焊接时的使用温度，减少了母材在高温及冷却时的变形。但焊接强度相对较低，只有5-7MPa。还有一种是Sn合金焊料，例如Sn-Pb-Ag焊料、Sn-Ag-Cu焊料或Sn-Zn焊料等，Sn合金焊料的优点是价格便宜，焊接强度高，平均30-50MPa，而Sn合金焊料的缺点是焊料较硬，延展性差。

目前，铝靶材和含铜背板的钎焊焊接通常使用Sn合金焊料。出于环保的考虑，Sn-Ag-Cu焊料和Sn-Zn焊料等无铅焊料越来越成为主流。Sn-Ag-Cu焊料与铝靶材和含铜背板间均具有一定的润湿性，可用于铝靶材和含铜背板间的焊接，焊接良好的情况下，焊料的焊接强度一般为30-50MPa。而Sn-Zn焊料由于与铜或铜合金间易反应生产金属间化合物，从而“腐蚀”含铜背板，造成焊接强度下降，且含铜背板只能使用一次，不能像使用Sn-Ag-Cu或In焊料那样可以实现含铜背板的多次重复利用，所以Sn-Zn焊料一般只用于Al靶材和Al背板间的焊接，不宜直接用于铝靶材和含铜背板间的焊接。

CN110253103A公开了一种铜铝焊接方法，步骤一：将铝排电镀锡或电镀镍，使得铝排表面形成一层均匀分布附着良好的镀锡层或镀镍层；步骤二：将铜排和铝排电镀锡或电镀镍的一面固定，来回移动焊枪均匀加热焊接部位，焊件温度达到300-400℃时，将焊接锡丝加入焊接部位，让锡丝均匀熔化流入焊缝中，保证焊接部位焊料铺展平整，移开焊枪并让其自然冷却，完成焊接；此方案所述焊接方法的焊接过程复杂，且焊接强度较低。

因此，目前焊接铝靶材和含铜背板的方法仍存在着焊接强度低的问题，因此，开发一种焊接强度高，且含铜背板能循环使用的铝靶材和含铜背板的焊接方法仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法，所述钎焊焊接方法包括采用不同的焊料分别对铝靶材和铜或铜合金进行浸润处理，之后将二者结合，完成焊接过程，本发明所述方法焊接得到的铝靶材和含铜背板的焊接件的焊接强度明显提高，其焊接强度达70-100MPa，焊接结合率也明显提高，且含铜背板能进行循环使用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用第一焊料对所述铝靶材的焊接表面进行浸润处理；

(2)采用第二焊料对所述含铜背板的焊接表面进行浸润处理；

(3)将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合，之后冷却，得到铝靶材和含铜背板的焊接件；

其中，所述第一焊料为Sn-Zn焊料，所述第二焊料为Sn-Ag-Cu焊料和/或Sn-Pb-Ag焊料。

本发明所述含铜背板包括铜背板和铜合金背板，所述铜合金背板包括铜铬合金背板，例如C18000、C18150或C18200等铜铬合金背板。

在焊接过程中Sn-Zn焊料因对含铜背板具有较强的腐蚀性，由此焊接过的含铜背板只能使用一次，无法循环使用，因此，在焊接含铜背板时，一般不采用Sn-Zn焊料，而采用Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料进行焊接；而单独采用Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料进行铝靶材和含铜背板的焊接时，其焊接强度为30-50MPa，存在焊接强度不足的问题；本发明所述焊接方法在将铝靶材和含铜背板进行钎焊焊接时，采用Sn-Zn焊料对铝靶材进行浸润，二者间具有非常强的浸润性，同时，采用Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料对含铜背板进行浸润处理，之后将二者结合，二者焊接后得到的铝靶材和含铜背板的焊接件的焊接强度可达70-100MPa，且焊接结合率也明显提高，其平均焊接结合率高达99％以上，且不影响含铜背板的循环使用。

优选地，步骤(1)所述Zn-Sn焊料的组成为：以Zn-Sn焊料的质量为100％计，所述焊料中Sn元素的质量百分含量为80-90％，例如82％、84％、86％或88％等，Zn元素的质量百分含量为10-20％，例如12％、14％、16％或18％等。

优选地，步骤(2)所述Sn-Ag-Cu焊料的组成为：以Sn-Ag-Cu焊料的质量为100％计，所述焊料中Sn元素的质量百分含量为95-98％，例如96％、96.5％、97％、97.5％、97.8％等，所述Ag元素的质量百分含量为1-5％，例如2％、3％或4％等，所述Cu元素的质量百分含量为0.5-1％，例如0.6％、0.7％、0.8％或0.9％等。

优选地，步骤(2)所述Sn-Pb-Ag焊料的组成为：以Sn-Pb-Ag焊料的质量为100％计，所述焊料中Sn元素的含量为60-65％，例如61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％或69％等，所述Ag元素的质量百分含量为1-5％，例如2％、3％或4％等，所述Pb元素的质量百分含量为30-35％，例如31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％或39％等。

本发明所述浸润处理指的是将焊料置于铝靶材、铜背板或铜合金背板的焊接表面，之后利用超声波或钢刷将焊料铺平浸润在整个焊接表面；例如步骤(1)中利用第一焊料对所述铝靶材的焊接表面进行浸润处理指的是将第一焊料置于所述铝靶材的焊接表面，之后利用钢刷或超声波将第一焊料充分浸润在所述铝靶材上，在所述铝靶材上形成由第一焊料构成的焊料层。步骤(2)的浸润处理的方法为将第二焊料置于所述含铜背板的焊接表面，之后利用钢刷或超声波将第二焊料充分浸润在所述含铜背板的焊接表面上，在所述含铜背板的焊接表面上形成由第二焊料构成的焊料层。

优选地，步骤(1)所述浸润处理之前包括将所述铝靶材加热到200-250℃，例如210℃、220℃、230℃或240℃等。

优选地，步骤(1)所述第一焊料的用量使得所述铝靶材的焊接表面经浸润处理后形成的焊料层的厚度为5-20微米，例如6微米、8微米、10微米、12微米、15微米或18微米等。

优选地，步骤(2)所述浸润处理之前包括将所述含铜背板加热到200-250℃，例如210℃、220℃、230℃或240℃等。

优选地，所述含铜背板的焊接表面为设置在含铜背板一侧表面的焊接槽的内表面。

优选地，所述内表面包括所述焊接槽的槽壁和槽底。

优选地，所述焊接槽为柱形槽体，例如圆柱形槽体。

本发明所述焊接槽的形状与铝靶材的形状相对应，所述铝靶材的焊接表面能贴合在所述焊接槽内，在压力作用下，焊接槽内熔融状态的第二焊料在压力作用下挤出，实现焊接槽的内壁与所述铝靶材的外壁焊接。

优选地，所述焊接槽的深度为2-5mm，例如2.5mm、3mm、3.5mm、4mm或4.5mm等。

优选地，所述含铜背板经浸润处理后，所述焊接槽中第二焊料的量使得焊接得到的铝靶材和含铜背板的焊接件中的焊料层的厚度为0.1-0.5mm，例如0.2mm、0.3mm或0.4mm等。本发明所述含铜背板的焊接表面经浸润处理后，所述焊接槽内的第二焊料的厚度应使得所述铝靶材与所述含铜背板焊接形成的焊接件的焊料层的厚度为0.1-0.5mm。

当所述含铜背板经浸润处理后，其焊接槽中第二焊料的厚度不足时，可补加第二焊料，补加第二焊料后，在将铝靶材和含铜背板的焊接表面进行结合前，将第二焊料表面形成的氧化层刮去。

优选地，步骤(3)中在将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合之前还包括将步骤(1)中浸润处理形成的焊料层表面的氧化层去除。

优选地，步骤(3)中在将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合之前还包括将步骤(2)中浸润处理形成的焊料层表面的氧化层去除。

本发明所述焊接方法中在将经浸润处理的铝靶材的焊接表面和含铜背板的焊接表面进行结合前，将第一焊料和第二焊料在浸润过程中形成的焊料层表面的氧化层刮去，之后再将铝靶材和含铜背板的焊接表面结合，其有利于提高焊接强度和焊接结合率。

优选地，步骤(3)中将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合的方法包括将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述含铜背板的焊接表面上，之后在所述铝靶材上施加压强。

本发明所述焊接方法将铝靶材的焊接表面和所述含铜背板的焊接表面结合的过程中，将含铜背板固定，其焊接表面向上，之后将铝靶材的焊接表面向下扣在所述含铜背板的焊接表面上，之后在铝靶材的非焊接表面上施加压力，产生一定压强，例如在铝靶材的非焊接表面上放置重物，使得铝靶材和含铜背板间压紧，从而实现焊接目的。

优选地，所述施加压强的大小为0.005-0.02MPa，例如0.006MPa、0.008MPa、0.01MPa、0.012MPa、0.015MPa或0.018MPa等。

作为本发明优选的技术方案，所述铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法包括以下步骤：

(1)将铝靶材加热到200-250℃，之后将Sn-Zn焊料置于所述铝靶材的焊接表面，用钢刷或超声波进行浸润处理，在所述铝靶材的焊接表面形成焊料层；

(2)将含铜背板加热到200-250℃，之后将Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料置于所述含铜背板的焊接表面，用钢刷或超声波进行浸润处理，在所述含铜背板的焊接表面形成焊料层；

(3)将步骤(1)得到的所述铝靶材的焊接表面的焊料层表面氧化层去除，将步骤(2)得到的所述含铜背板的焊接表面的焊料层表面氧化层去除，之后将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述含铜背板的焊接表面上，在所述铝靶材上施加压强，之后冷却，得到铝靶材和含铜背板的焊接件。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述焊接方法采用Sn-Zn焊料对铝靶材的焊接表面进行浸润，同时采用Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料对含铜背板的焊接表面进行浸润，之后将二者结合，使得焊接强度较单纯采用Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料进行焊接明显提高；

(2)本发明所述焊接方法的含铜背板能够循环使用。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例采用的铝靶材的尺寸为φ300×18mm，所述铜背板的尺寸为外形尺寸φ360×25mm，内槽(焊接槽)尺寸φ300.5×5mm。

所述Sn-Zn焊料的组分为Sn的质量百分含量为90％，Zn的质量百分含量为10％；所述Sn-Ag-Cu焊料的组分为Sn的质量百分含量为96.5％，Ag的质量百分含量为3％，Cu的质量百分含量为0.5％。

铝靶材和铜背板的钎焊焊接方法：

(1)将铝靶材加热到250℃，之后将Sn-Zn焊料置于所述铝靶材的焊接表面，用钢刷进行浸润处理，在所述铝靶材的焊接表面形成焊料层，所述焊料层的厚度为5微米；

(2)将铜背板加热到250℃，之后将Sn-Ag-Cu焊料置于所述铜背板的焊接表面，用钢刷进行浸润处理，在所述铜背板的焊接表面形成焊料层，所述焊接槽内Sn-Ag-Cu焊料的厚度为4mm，所述焊接槽的侧壁上焊料层的厚度为5μm；

(3)将步骤(1)得到的所述铝靶材的焊接表面的焊料层表面氧化层刮去，将步骤(2)得到的所述铜背板的焊接表面的焊料层表面氧化层刮去，之后将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述铜背板的焊接槽上，在所述铝靶材上压质量为20kg的重物，使得铜背板与铝靶材的焊接表面压紧，之后冷却，得到铝靶材和铜背板的焊接件。

本实施例所述焊接方法未对铜背板的焊接表面造成明显腐蚀，所述铜背板能循环使用。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，将铜背板替换为尺寸相同的铜合金背板；所述铜合金背板的材质为C18000铜铬合金背板；其他条件与实施例1相比完全相同。

本实施例所述焊接方法未对铜合金背板的焊接表面造成明显腐蚀，所述铜合金背板能循环使用。

实施例3

本实施例采用的铝靶材的尺寸为φ300×18mm，所述铜背板的尺寸为外形尺寸φ360×25mm，内槽(焊接槽)尺寸φ300.5×5mm。

所述Sn-Zn焊料的组分为Sn的质量百分含量为89％，Zn的质量百分含量为11％；所述Sn-Pb-Ag焊料的组分为Sn的质量百分含量为65％，Ag的质量百分含量为3.5％，Pb的质量百分含量为31.5％。

铝靶材和铜背板的钎焊焊接方法：

(1)将铝靶材加热到200℃，之后将Sn-Zn焊料置于所述铝靶材的焊接表面，用超声波进行浸润处理，在所述铝靶材的焊接表面形成焊料层，所述焊料层的厚度为8微米；

(2)将铜背板加热到200℃，之后将Sn-Pb-Ag焊料置于所述铜背板的焊接表面，用钢刷进行浸润处理，在所述铜背板的焊接表面形成焊料层，所述铜背板的焊接槽内的Sn-Pb-Ag焊料的厚度为3.5mm，所述焊接槽的槽壁上焊料的厚度为6微米；

(3)将步骤(1)得到的所述铝靶材的焊接表面的焊料层表面氧化层刮去，将步骤(2)得到的所述铜背板的焊接表面的焊料层表面氧化层刮去，之后将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述铜背板的焊接槽上，在所述铝靶材上压质量为100kg的重物，使得铜背板与铝靶材的焊接表面压紧，之后冷却，得到铝靶材和铜背板的焊接件。

本实施例所述焊接方法未对铜背板的焊接表面造成明显腐蚀，所述铜背板能循环使用。

对比例1

本对比例采用的铝靶材与铜背板的尺寸与实施例1完全相同；

本对比例与实施例1的区别在于，将步骤(1)中的Zn-Sn焊料替换为Sn-Ag-Cu焊料，且保持步骤(1)中铝靶材的焊接表面形成的焊料层的厚度不变，其他条件与实施例1相比完全相同。

性能测试：

对实施例1-3和对比例1中钎焊焊接得到的铝靶材和含铜背板的焊接件的焊接强度和焊接结合率进行测试；

所述焊接强度的测试方法如下：用压力机的外力将靶材和背板在焊接处拉开，根据所需的力和焊接面积计算焊接强度。

所述焊接结合率的测试方法如下：用水浸超声波探伤仪进行检测。

实施例1-3和对比例1中钎焊焊接得到的铝靶材和含铜背板的焊接件的焊接强度及焊接结合率的测试结果如表1所示；

表1

	焊接强度，MPa	焊接结合率，％
			实施例1	78	99.5％
实施例2	92	99.8％
			实施例3	81	99.2％
对比例1	46	98.7％

由上表可以看出，采用本发明所述钎焊焊接方法将铝靶材和含铜背板进行焊接时，所述焊接件的焊接强度明显提高，其焊接强度均在70-100MPa的范围内，而对比例1中的焊接方法得到的焊接强度仅为46MPa，明显低于本发明所述方法得到的焊接件的焊接强度。且本发明所述方法焊接铝靶材和含铜背板得到的焊接件的焊接结合率也明显优于对比例1的焊接结合率，本发明所述钎焊焊接方法得到的焊接件的焊接结合率均在99％以上，其对于提高焊接件的性能具有重要作用；而对比例1中的焊接件的焊接结合率仅为98.7％。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种铝靶材和含铜背板的钎焊焊接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)利用第一焊料对所述铝靶材的焊接表面进行浸润处理；

(2)利用第二焊料对所述含铜背板的焊接表面进行浸润处理；

(3)将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合，之后冷却，得到铝靶材和含铜背板的焊接件；

其中，所述第一焊料为Sn-Zn焊料，所述第二焊料为Sn-Ag-Cu焊料和/或Sn-Pb-Ag焊料；

所述Sn-Ag-Cu焊料的组成为：以Sn-Ag-Cu焊料的质量为100％计，所述焊料中Sn元素的质量百分含量为95-98％，所述Ag元素的质量百分含量为1-5％，所述Cu元素的质量百分含量为0.5-1％；

所述Sn-Pb-Ag焊料的组成为：以Sn-Pb-Ag焊料的质量为100％计，所述焊料中Sn元素的含量为60-65％，所述Ag元素的质量百分含量为1-5％，所述Pb元素的质量百分含量为30-35％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述浸润处理之前包括将所述铝靶材加热到200-250℃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述第一焊料的用量使得所述铝靶材的焊接表面经浸润处理后形成的焊料层的厚度为5-20微米。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述浸润处理之前包括将所述含铜背板加热到200-250℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中在将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合之前还包括将步骤(1)中浸润处理形成的焊料层表面的氧化层去除。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中在将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合之前还包括将步骤(2)中浸润处理形成的焊料层表面的氧化层去除。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将所述铝靶材的焊接表面与所述含铜背板的焊接表面结合的方法包括将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述含铜背板的焊接表面上，之后在所述铝靶材上施加压强。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述施加压强的大小为0.005-0.02MPa。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将铝靶材加热到200-250℃，之后将Sn-Zn焊料置于所述铝靶材的焊接表面，用钢刷或超声波进行浸润处理，在所述铝靶材的焊接表面形成焊料层；

(2)将含铜背板加热到200-250℃，之后将Sn-Ag-Cu和/或Sn-Pb-Ag焊料置于所述含铜背板的焊接表面，用钢刷或超声波进行浸润处理，在所述含铜背板的焊接表面形成焊料层；

(3)将步骤(1)得到的所述铝靶材的焊接表面的焊料层表面氧化层去除，将步骤(2)得到的所述含铜背板的焊接表面的焊料层表面氧化层去除，之后将所述铝靶材的焊接表面向下扣在所述含铜背板的焊接表面上，在所述铝靶材上施加压强，之后冷却，得到铝靶材和含铜背板的焊接件。