CN112916996B - 一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，包括如下步骤：(1)准备圆形靶材和环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面；(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接。本发明所述电子束焊接方法对装配结构进行了改进，将接触面的形状由原来的L形优化为斜面，只需进行一道次的电子束焊接即可，改善了原来的两道次电子束焊接的虚焊问题，而且无需再通过翻转操作来改变焊接方向，保证了产品的合格率，提高了生产效率，确保了工艺实施的可靠性。

Description

一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及溅射靶材的技术领域，具体涉及一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法。

背景技术

溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为溅射靶材。由于溅射靶材的强度不一，在实际应用过程中，需要将符合性能要求的溅射靶材和具有一定强度的背板结合制成靶材组件，然后安装在溅射机台上，在磁场、电场作用下有效地进行溅射控制。背板可以为溅射靶材提供支撑作用，并具有传导热量的功效，因此需要将溅射靶材和背板进行加工并焊接成型。如果靶材组件中靶材与背板之间的焊接质量较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、甚至从背板脱落，不但无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会导致溅射基台损坏。

由于靶材通常为圆形，因此环形背板为常用的一种背板结构，而环形背板的加工方法通常是将切断后的圆柱形铸锭或经镦粗后的圆柱形毛坯直接车削或水刀切割掏空中间多余部分材料，留下外圆一圈环形材料，再经过机械加工制作成型半导体溅射靶材用环形背板。如图1所示，现有技术中圆形靶材和环形背板装配之后的接触面呈L形，因此需要分别在水平方向和垂直方向进行EB1和EB2两个道次的电子束焊接。电子束焊接是在真空环境下，将高能电子束作为加工热源，用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属，使其快速熔融并快速冷却来达到焊接的目的。一方面，由于电子束焊接自身的工艺原因，极易在焊接面形成气孔或焊缝，使得焊接后的溅射靶材组件在溅射过程中存在漏气问题，达不到真空度要求，如果气孔较大或焊缝较明显，会导致冷却水从气孔或焊缝中渗漏，造成机台污染，无法进行正常的溅射工作；另一方面，EB1和EB2两个道次的电子束焊接无法保证在结合处完美对接，存在局部虚焊的问题，进而导致结合强度不达标，甚至在溅射过程中存在漏气和冷却水泄漏的风险；此外，由于EB1和EB2两个道次的电子束焊接在方向上相互垂直，使得实际焊接过程中需要进行翻转操作，大大降低了生产效率，工艺管控困难。

为了消除电子束焊接过程中产生气孔或焊缝的风险，现有技术公开了一些改进后的电子束焊接方法。例如CN1962153A公开了一种真空电子束焊接方法，在施行完第一次真空电子束焊接后进行真空保温，促使热影响区的氢原子大部分富集于焊缝并形成气孔，再施行第二次真空电子束焊接去除这些气孔，同时，对焊接完毕的靶材组件进行急冷淬火也防止少量剩余的氢原子扩散形成气孔，从而能有效控制最终靶材组件焊缝中的气孔率。

CN101690991A公开了一种铝及铝合金的超声波辅助真空电子束焊接方法，在真空电子束焊接过程中施加一定频率和振幅的结构负载超声波能量，超声波频率为15～50kHz，振幅为10～50μm，对真空电子束焊接产生的熔池及其附近区域进行一定程度的连续振荡，可在焊接过程中对气孔、冷隔等空腔型缺陷进行有效消除，获得优质的焊接接头。

CN109604800A公开了一种可克服气孔缺陷的铝合金厚板真空电子束三步焊接方法，具体包括对铝合金板的两对焊面采用电子束进行上散焦预热焊、大熔深穿孔焊、重熔修饰焊，其中，设定扫描图形为“○”型，使得电子束在沿着焊缝方向移动时，在垂直焊缝方向上也作左右移动，大幅度降低了焊缝中所形成的氢气孔，焊缝质量得到了大幅度的提高。

CN111014927A公开了一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。所述焊接方法适用于因在铸造铝合金中添加锶变质剂使得合金吸氢造成针孔倾向较大、材料致密性较差的材料，也可适用于普通的铸造铝合金的焊接中，适用广泛，对消除气孔有极佳的效果，且极大增强了焊接处的抗拉强度。

虽然现有技术公开了一些改进后的电子束焊接方法，减小了产生气孔或焊缝的概率，但是并未对装配结构进行改进，仍然需要分别在水平方向和垂直方向进行EB1和EB2两个道次的电子束焊接，仍然存在生产效率低和工艺管控困难的问题。

综上所述，目前亟需开发一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，先通过机加工使得圆形靶材和环形背板的接触面呈现斜面，再对装配后的斜面进行电子束焊接。本发明所述电子束焊接方法对装配结构进行了改进，将接触面的形状由原来的L形优化为斜面，只需进行一道次的电子束焊接即可，改善了原来的两道次电子束焊接的虚焊问题，而且无需再通过翻转操作来改变焊接方向，保证了产品的合格率，提高了生产效率，确保了工艺实施的可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的在于提供一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备圆形靶材和环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接。

本发明所述电子束焊接方法对装配结构进行了改进，将接触面的形状由现有技术中的L形优化为斜面，只需进行一道次的电子束焊接即可，改善了原来的两道次电子束焊接的虚焊问题，而且无需再通过翻转操作来改变焊接方向，保证了产品的合格率，提高了生产效率，确保了工艺实施的可靠性。

作为本发明优选的技术方案，所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，且所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为10-30度，例如10度、12度、15度、18度、20度、13度、25度、28度或30度等，但并不仅限于所列举的数值，所述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

经过发明人多次实验论证，控制所述斜面的倾斜方向以及所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为10-30度，不仅便于固定在电子束焊接的转台上，容易控制待焊接整体的旋转，还可以防止圆形靶材和环形背板之间发生相对位移。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述圆形靶材包括圆形铝靶材。

优选地，所述圆形铝靶材的纯度≥99.999％。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述环形背板包括铝合金环形背板。

优选地，所述铝合金环形背板的材质为Al-4％Si，即Si的质量百分含量为4％的铝合金。

由于铝或铝合金对氢的溶解度会着温度升高而显著增加，因此，采用电子束焊接来焊接铝或铝合金时，极易因为氢气的扩散而产生气孔甚至焊缝。

作为本发明优选的技术方案，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台。

本发明所述环形背板的台阶和所述圆形靶材的凸台尺寸一致，既可以保证待焊接的斜面实现良好接触，又可以有效防止圆形靶材和环形背板之间发生相对位移，而且，本发明所述凸台的尺寸较小，无需进行电子束焊接，而且不会对焊接结合率产生不良影响。

作为本发明优选的技术方案，本发明所述环形背板的台阶的高度(垂直于圆形靶材的溅射面的方向)为0.2-0.5mm，例如0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm等，所述环形背板的台阶的宽度(平行于圆形靶材的溅射面的方向)为0.2-0.5mm，例如0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，所述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述电子束焊接的输入束流为60-80mA，例如60mA、63mA、65mA、68mA、70mA、72mA、75mA、78mA或80mA等，但并不仅限于所列举的数值，所述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述电子束焊接的焦点电流为500-550mA，例如500mA、510mA、520mA、530mA、540mA或550mA等，但并不仅限于所列举的数值，所述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述电子束焊接的线速度为10-20mm/s，例如10mm/s、12mm/s、14mm/s、15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s或20mm/等，但并不仅限于所列举的数值，所述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备圆形靶材和环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台；所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为10-30度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接，控制电子束焊接的线速度为10-20mm/s，输入束流为60-80mA，焦点电流为500-550mA。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述电子束焊接方法对装配结构进行了改进，将接触面的形状由原来的L形优化为斜面，只需进行一道次的电子束焊接即可，改善了原来的两道次电子束焊接的虚焊问题，而且无需再通过翻转操作来改变焊接方向，保证了产品的合格率，提高了生产效率，确保了工艺实施的可靠性。

附图说明

图1是现有技术中圆形靶材和环形背板的装配结构示意图；

图2是本发明所述电子束焊接方法中圆形靶材和环形背板的装配结构示意图；

图3是本发明实施例6所述电子束焊接方法中圆形靶材和环形背板的装配结构示意图；

图中：1-圆形靶材；2-环形背板。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

如图2所示，本发明所述电子束焊接方法中，通过机加工使得圆形靶材1和环形背板2的接触面呈现斜面，在所述环形背板2的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材1的接触面靠近中心的一侧设置凸台，图中虚线处示出了所述台阶和所述凸台装配后的结构示意图，将所述圆形靶材1和环形背板2进行装配，对所述斜面进行电子束焊接。

实施例1

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备纯度为99.999％的圆形铝靶材和材质为Al-4％Si的铝合金环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台，所述台阶的高度(垂直于圆形靶材的溅射面的方向)为0.3mm，所述环形背板的台阶的宽度(平行于圆形靶材的溅射面的方向)为0.3mm；所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，且所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为20度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接，控制电子束焊接的线速度为10mm/s，输入束流为75mA，焦点电流为510mA。

实施例2

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，除了将所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角由20度替换为10度，其他条件和实施例1完全相同。

实施例3

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，除了将所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角由20度替换为30度，其他条件和实施例1完全相同。

实施例4

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，除了将所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角由20度替换为5度，其他条件和实施例1完全相同。

实施例5

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，除了将所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角由20度替换为35度，其他条件和实施例1完全相同。

实施例6

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，除了将所述环形背板的台阶和所述圆形靶材的凸台省略，如图3所示，所述圆形靶材和环形背板之间的接触面为单纯的斜面，其他条件和实施例1完全相同。

实施例7

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备纯度为99.999％的圆形铝靶材和材质为Al-4％Si的铝合金环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台，所述台阶的高度(垂直于圆形靶材的溅射面的方向)为0.2mm，所述环形背板的台阶的宽度(平行于圆形靶材的溅射面的方向)为0.2mm；所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，且所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为20度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接，控制电子束焊接的线速度为15mm/s，输入束流为60mA，焦点电流为500mA。

实施例8

本实施例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备纯度为99.999％的圆形铝靶材和材质为Al-4％Si的铝合金环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台，所述台阶的高度(垂直于圆形靶材的溅射面的方向)为0.5mm，所述环形背板的台阶的宽度(平行于圆形靶材的溅射面的方向)为0.5mm；所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，且所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为20度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接，控制电子束焊接的线速度为20mm/s，输入束流为80mA，焦点电流为550mA。

对比例1

本对比例提供了一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备纯度为99.999％的圆形铝靶材和材质为Al-4％Si的铝合金环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现L形；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，如图1所示，分别在水平方向(平行于圆形靶材的溅射面的方向)和垂直方向(垂直于圆形靶材的溅射面的方向)进行EB1和EB2两个道次的电子束焊接，控制EB1电子束焊接的线速度为10mm/s，输入束流为70mA，焦点电流为515mA，控制EB2电子束焊接的线速度为15mm/s，输入束流为60mA，焦点电流为560mA。

将上述实施例和对比例得到的圆形靶材组件分别进行如下性能测试：

焊接结合率测试：采用超声波C扫描成像探伤仪进行测试，检测条件为15MHz/54dB；

漏率测试：采用氦泄漏检测仪进行测试，测试温度控制在25±1℃；

水压测试：采用水压机，控制水压为0.8MPa，检查是否有水泄漏；

内部结构测试：将焊接层切小样进行分析，通过侧切并将切面磨至光亮，肉眼查看熔池区域是否存在气孔或焊缝缺陷，随后将侧切后的小样进行宏观腐蚀，查看晶粒是否异常长大。

将上述测试结果汇总在表1中。

表1

综上所述，本发明所述电子束焊接方法对装配结构进行了改进，将接触面的形状由原来的L形优化为斜面，只需进行一道次的电子束焊接即可，改善了原来的两道次电子束焊接的虚焊问题，而且无需再通过翻转操作来改变焊接方向，保证了产品的合格率，提高了生产效率，确保了工艺实施的可靠性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种圆形靶材和环形背板的电子束焊接方法，其特征在于，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备圆形靶材和环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面；在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台；所述环形背板的台阶的高度为0.2-0.5mm，宽度为0.2-0.5mm；所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为10-30度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接。

2.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述圆形靶材包括圆形铝靶材；所述圆形铝靶材的纯度≥99.999％。

3.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述环形背板包括铝合金环形背板；所述铝合金环形背板的材质为Al-4％Si。

4.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述电子束焊接的输入束流为60-80mA。

5.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述电子束焊接的焦点电流为500-550mA。

6.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述电子束焊接的线速度为10-20mm/s。

7.根据权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，所述电子束焊接方法包括如下步骤：

(1)准备圆形靶材和环形背板，通过机加工使得两者的接触面呈现斜面，在所述环形背板的接触面靠近中心的一侧设置台阶，相对应地在所述圆形靶材的接触面靠近中心的一侧设置凸台；所述环形背板的台阶的高度为0.2-0.5mm，宽度为0.2-0.5mm；所述斜面的外侧边缘向所述圆形靶材的溅射面靠近，所述斜面与所述圆形靶材的溅射面之间的夹角为10-30度；

(2)将步骤(1)所述圆形靶材和环形背板进行装配，对所述斜面进行电子束焊接，控制电子束焊接的线速度为10-20mm/s，输入束流为60-80mA，焦点电流为500-550mA。

Images