CN112355461A - 一种镁靶材与铜背板焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镁靶材与铜背板焊接的方法，现有技术中，包括热等静压、电子束、离子焊等方法进行焊接靶材，容易造成靶材变形及靶材晶粒尺寸异常长大，而且不利控制成本，如果通过既能降低成本，还保证溅射需要的焊接强度，可以在传统焊接上进行创新，本发明从降低成本和阻止镁靶材氧化为出入点，发明内容有：对镁靶材和背板焊接面进行处理；将镁靶材和背板、钎料块放置氩气气氛平台中实施钎焊，实施钎焊的温度略高于钎料熔点即可。该平台具有抽真空和能在线操作功能，大大降低了制造成本，而且从钎料成分上进行改进，有助于提升焊接结合强度，经该发明方法实施的焊接强度都能达50Mpa以上。

Description

一种镁靶材与铜背板焊接的方法

技术领域

本发明属于靶材制造的领域，尤其涉及一种镁靶材焊接方法。

背景技术

镁靶材因其比重小，高的比强度和比刚度、优良的减震性和电磁屏蔽性、很好的回收性等优点，在半导体、电子等方面有着广泛的应用前景。镁靶材在溅射中，受到高能粒子轰击而受热，镁靶材与背板之间焊层就会受到热量依靠背板导走，如果焊层的焊合率低、焊接强度低下就导致靶材脱落的风险。目前靶材与背板焊接方法有扩散焊接、电子束焊接、摩擦焊接、钎焊等方式，由于镁靶材极易氧化的特性，优先采用钎焊方式，而且也能控制成本。

但是镁靶材与钎料融合性较低，焊接强度低，关于这方面报道也很鲜见。专利号CN110643959A中公开是一种镁靶材的制造方法，着重是靶材前期制造方法，没有涉及后期镁靶材与背板焊接部分。然而有的从靶材结构方面着手来增加焊接强调，如专利号CN10441628A中通过改善焊接面结构形式如增加螺纹等方法加强焊接强度，但这增加了加工难度和成本。专利号CN104625389A中是从背板上加工出对应的凹槽，然后将靶材装配后，靠热等静压方法使靶材与背板焊合，虽然能避免靶材的氧化问题，但是热等静压成本高，还难以保证靶材原始的细小晶粒。另外镁靶材焊接面在暴露空气气氛下焊接极易氧化，极大地阻止了镁靶材焊接面与钎料的冶金结合性。

因此，为了实现镁靶材与背板的焊接，本发明将镁靶材置于与空气隔绝的气氛中进行钎焊，焊接的强度完全满足溅射靶材的要求。

冯波.一种镁靶材的制造方法，CN110643959A[P]. 2020.

姚力军，相原俊夫等. 靶材组件及其制造方法，CN10441628A[P]. 2015.

罗俊锋，李勇军等. 一种集成电路封装材料用铝合金溅射靶材的焊接方法，CN104625389A[P]. 2015。

发明内容

现有技术中，存在镁靶在钎焊过程中氧化的问题，以及钎料与背板之间冶金结合不足的问题，为了解决这些问题，本发明提供一种镁靶材与背板焊接的方法，首先，根据图1示意图所示，提供一种具有抽真空的加热平台1，且该平台有密封罩2，密封罩2具有两个手孔3和一个透明的观察窗（示意图未示出）。手孔接有耐高温的手套（示意图未示出），可以通过手套在加热平台密封操作，观察窗能观察到内部工作情况，加热平台1具有填充氩气的功能。

发明技术方案具体步骤：

对镁靶材和背板焊接面进行处理：先将镁靶材和铜背板焊接面用钢刷打磨后，在丙酮中清洗去除油污，再在50g/L NaOH、10g/L Na₃PO₄碱溶液清洗10～20s后，用去离子水清洗，最后真空干燥。

将镁靶材和背板、钎料块放置加热平台1上，其中钎料块分别置于镁靶材和背板的焊接面上，盖上密封盖2抽真空至100Pa～300Pa，这时的真空度能有效防止镁靶材氧化，通入氩气使内部气压为一个大气压，保持内外气压平衡；开启加热平台预热，待钎料块完全熔融。

用手持超声波仪振动施加在靶材和背板的钎料上，超声波仪在熔融的钎料上反复移动至钎料完全浸润在焊接面上，保持60min～120min后，缓慢冷却至室温。

将靶材与铜背板焊接面对接后，加压固定，按加热工艺制度进行加热处理；

取出焊接后的镁靶材和铜背板，刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

以上技术方案中，所述加热平台预热温度为180～200℃，预热时间根据实际需要确保靶材和背板温度均匀、钎料完全熔融而定。

以上技术方案中，所述施加压力0.5～5kg压重块。

以上技术方案中，所述加热工艺制度为：

a)加热：以3～5℃/min升至90～110℃保温20～60min，以3～5℃/min升至170～220℃保温30～120min，以1～3℃/min升至230～250℃保温60～100min；

b)降温：以2～4℃/min降至110～150℃保温30～70min，空冷至室温。

以上技术方案中，所述的背板为铜、铜合金。

以上技术方案中，所述的钎料为铟铜合金，铟含质量分数为95%～97.5%，铜含质量分数为2.5%～5%。钎料中含有适量铜，是为了提高钎料与镁靶材和背板的结合力。铜含量如果太高，需要钎焊的温度就相应提高，会影响镁靶材和背板尺寸稳定性、还导致镁靶材晶粒长大，这是我们不想看到的。

以上技术方案中，除了对靶材和铜背板焊接面处理步骤外，其余步骤均在加热平台通过手孔密封操作，同时观察窗能全程观测到操作过程。

本发明具有优点：

1、镁靶材与背板焊接过程处于氩气气氛中，杜绝了镁靶材的氧化问题，使得靶材焊接面保持清洁，能使焊接面与钎料进行良好结合，能提高焊接结合强度。

2、所用钎料为铟铜合金，铜元素进一步可以作为镁靶材与背板之间连接的媒介，增强镁靶材与背板之间的焊接强度。

3、通过手孔在密封装置中操作，此方案简便可行，适合生产需要。

附图说明

图1为镁靶材与铜背板及钎料在加热平台示意图。

图2为镁靶材与背板焊接示意图。

图1中：1.加热平台；2.密封罩；3.手孔；4.底座；5.控制面板；A.铜背板；B.镁靶材；C.钎料块；D.超声波。

具体实施方式

实例1：焊接直径160mm镁靶材：

将镁靶材和铜背板用钢刷打磨后，在丙酮中清洗去除油污，再在50g/L NaOH、10g/LNa₃PO₄碱溶液清洗15s后，用去离子水清洗后真空干燥。

将镁靶材和背板、钎料块放置加热平台1上，其中钎料块分别置于镁靶材和背板的焊接面上，盖上密封盖2抽真空至100Pa，通入氩气，使内部气压为一个大气压；开启加热平台温度设定为180℃，保持温度不变直至钎料完全熔融。

通过手孔操作手持超声波仪，反复涂抹钎料使完全浸润在靶材和铜背板焊接面上，保温60min后，冷却至室温。

将靶材与铜背板焊接面对接后，施加加压1kg配重块固定，按加热工艺加热处理，所述加热工艺制度为：

a) 加热：以4℃/min升至100℃保温30min，以3℃/min升至170℃保温60min，以1℃/min升至230℃保温60min；

b）降温：以2℃/min降至120℃保温50min，空冷至室温。

取出焊接后的镁靶材和铜背板，刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

所述钎料为铟铜合金，其中铟含质量分数为97.5%，含铜质量分数为2.5%。

实例2：焊接直径180mm镁靶材：

将镁靶材和铜背板用钢刷打磨后，在丙酮中清洗去除油污，再在50g/L NaOH、10g/LNa₃PO₄碱溶液清洗20s后，用去离子水清洗后真空干燥。

将镁靶材和背板、钎料块放置加热平台1上，其中钎料块分别置于镁靶材和背板的焊接面上，盖上密封盖2抽真空至200Pa，通入氩气，使内部气压为一个大气压；开启加热平台温度设定为190℃，保持温度不变直至钎料完全熔融。

通过手孔操作手持超声波仪，反复涂抹钎料使完全浸润在靶材和铜背板焊接面上，保温55min后，冷却至室温。

将靶材与铜背板焊接面对接后，施加加压2kg配重块固定，按加热工艺加热处理，所述加热工艺制度为：

a) 加热：以3℃/min升至110℃保温30min，以3℃/min升至180℃保温60min，以1℃/min升至240℃保温60min；

b）降温：以2℃/min降至110℃保温60min，空冷至室温。

取出焊接后的镁靶材和铜背板，刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

所述钎料为铟铜合金，其中铟含质量分数为96.5%，含铜质量分数为3.5%。

实例3：焊接直径200mm镁靶材：

将镁靶材和铜背板用钢刷打磨后，在丙酮中清洗去除油污，再在50g/L NaOH、10g/LNa₃PO₄碱溶液清洗20s后，用去离子水清洗后真空干燥。

将镁靶材和背板、钎料块放置加热平台1上，其中钎料块分别置于镁靶材和背板的焊接面上，盖上密封盖2抽真空至300Pa，通入氩气，使内部气压为一个大气压；开启加热平台温度设定为200℃，保持温度不变直至钎料完全熔融。

通过手孔操作手持超声波仪，反复涂抹钎料使完全浸润在靶材和铜背板焊接面上，保温45min后，冷却至室温。

将靶材与铜背板焊接面对接后，施加加压3kg配重块固定，按加热工艺加热处理，所述加热工艺制度为：

a) 加热：以3℃/min升至120℃保温30min，以3℃/min升至190℃保温50min，以1℃/min升至250℃保温55min；

b）降温：以2℃/min降至130℃保温50min，空冷至室温。

取出焊接后的镁靶材和铜背板，刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

所述钎料为铟铜合金，其中铟含质量分数为95%，含铜质量分数为5%。

经焊接检测焊接强度能达50Mpa以上，焊合率达99%以上，能满足溅射靶材要求。

对比实例1：焊接直径160mm镁靶材：

将镁靶材和铜背板用钢刷打磨后，在丙酮中清洗去除油污，再在50g/L NaOH、10g/LNa₃PO₄碱溶液清洗15s后，用去离子水清洗后真空干燥。

将镁靶材和背板、钎料块放置加热平台1上，其中钎料块分别置于镁靶材和背板的焊接面上，开启加热平台温度设定为180℃，保持温度不变直至钎料完全熔融，此过程在空气中进行。

通过手孔操作手持超声波仪，反复涂抹钎料使完全浸润在靶材和铜背板焊接面上，保温60min后，冷却至室温。

将靶材与铜背板焊接面对接后，施加加压1kg配重块固定，按加热工艺加热处理，所述加热工艺制度为：

a) 加热：以4℃/min升至100℃保温30min，以3℃/min升至170℃保温60min，以1℃/min升至230℃保温60min；

b）降温：以2℃/min降至120℃保温50min，空冷至室温。

刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

所述钎料为铟铜合金，其中铟含质量分数为97.5%，含铜质量分数为2.5%。

将实例1～3和对比实例1经检测相关数据得到下表1：

表1

实例	焊合率（%）	焊接强度（Mpa）	钎焊缺陷
				实例1	99.9	56.6	无氧化
实例2	99.5	55.3	无氧化
				实例3	99.1	52.2	无氧化
对比实例1	90.3	39.6	氧化，有气泡

经过此发明方案得到实例1～3镁靶材能有效避免氧化问题，从而可以牢固将镁靶材和铜背板焊接在一起，而对比实例1导致焊合率低，焊接强度不高，是因为镁靶材在加热中氧化，形成氧化膜阻碍了钎焊进行。

Claims (10)

1.一种镁靶材与铜背板的焊接方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

对镁靶材和铜背板焊接面进行处理；

将镁靶材和铜背板放置于加热平台上，钎料块分别置于靶材和铜背板焊接面上，加密封盖抽真空后，通入氩气，开启加热平台预热，保持恒定温度不变；

待钎料完全熔融后手持超声波仪分别施加于靶材和铜背板的钎料并完全浸润焊接面至摊铺，保持一定时间，冷却至室温；

将靶材与铜背板焊接面对接后，加压固定，按加热工艺制度进行加热处理；

取出焊接后的镁靶材和铜背板，刮去多余钎料完成镁靶材与铜背板的焊接。

2.根据权利要求1所述镁靶材与铜背板的焊接方法，其特征在于，所述加热平台的密封盖上有两个手孔和一个观察窗，手孔接有耐高温的手套，可以通过手套在加热平台密封操作，加热平台还有充氩气的功能。

3.根据权利要求1所述镁靶材与铜背板的焊接方法，其特征在于，对镁靶材和背板焊接面进行处理包括：先将镁靶材和铜背板焊接面用钢刷打磨后，在丙酮中清洗，再在50g/LNaOH、10g/L Na₃PO₄碱溶液清洗10～20s后，用去离子水清洗，最后真空干燥。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抽真空至100Pa～300Pa，通入氩气，使内部气压为一个大气压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预热处理温度为180～200℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压固定的压力为0.5～5kg配重块。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待钎料完全摊铺至靶材和铜背板后，保持时间范围是60min～120min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的钎料为铟铜合金，铟含质量分数为95%～97.5%，铜含质量分数为2.5%～5%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的加热工艺为：

a)加热：以3～5℃/min升至90～110℃保温20～60min，以3～5℃/min升至170～220℃保温30～120min，以1～3℃/min升至230～250℃保温60～100min；

b)降温：以2～4℃/min降至110～150℃保温30～70min，空冷至室温。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的铜背板为铜、铜合金。

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