CN113210785A - 一种铝钪合金靶材的钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：将铝钪合金靶材和背板进行加热，再将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后对焊接面进行超声波浸润；浸润完成后，在背板焊接面上放置金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，持续施加压力，停止加热进行冷却，得到焊接后的靶材组件。本发明所述钎焊方法针对特定材质的靶材，根据靶材和背板特性，选择合适的钎焊焊接工艺，通过加热、浸润、加压等操作的控制以及辅助物的使用，保证焊料的充分填充以及焊料层的厚度，从而提高靶材组件的焊接强度和焊接结合率；所述钎焊方法操作简单，焊接效率高，工艺稳定性好，成本较低。

Description

一种铝钪合金靶材的钎焊方法

技术领域

本发明属于靶材制备技术领域，涉及一种铝钪合金靶材的钎焊方法。

背景技术

随着半导体技术的快速发展，靶材作为溅射镀膜的重要原材料，其应用范围愈发广泛。由于强度等方面的原因，靶材通常需要与背板焊接形成靶材组件，具备一定的结合强度才可以使用，因而焊接质量的高低会直接影响靶材与背板的结合性能，从而影响溅射镀膜的效果。

钎焊作为靶材组件制备常用的一种焊接工艺，是指使用低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接来实现焊接，为了达到更好的焊接效果，对钎料熔化时填充固态工件缝隙的能力要求较高，然而对于不同的靶材及背板的材质，其与钎料的结合性能也会存在差异，而且焊接效果的优劣与焊接面的表面结构也息息相关，因而需要先对靶材及背板的焊接面进行处理，以提高钎焊时焊料的填充均匀性，保证焊接组件结构的稳定性。

CN 110666281A公开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：利用第一焊料对铝靶材的焊接表面进行浸润处理；利用第二焊料对含铜背板的焊接表面进行浸润处理；将所述铝靶材与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。该方法主要是对焊料种类进行改进，焊料组成及含量较难控制，只适合特定种类的靶材和背板，适用范围较窄，且对靶材和背板的焊接面间隙并未控制，受扣合时压力影响较大。

CN 110253103A公开了一种铜铝焊接方法，该方法包括：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，然后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。该方法先形成镀膜层，增强铜铝之间的结合性，但该焊接方法焊料后续加入，不易形成均匀的焊料层，焊枪操作使得各部位的温度难以控制均匀，不适合用于要求较为严格的靶材焊接。

综上所述，针对特定种类的靶材，还需要根据靶材及背板材质的特性，选择合适的处理工艺，以保证焊料分布的均匀性，提高靶材和背板的焊接性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法针对特定材质的靶材，根据靶材和背板特性，选择合适的钎焊焊接工艺，通过加热、浸润、加压等操作的控制以及辅助物的使用，保证焊料层的厚度以及分布均匀性，从而提高靶材组件的焊接强度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和背板进行加热，再将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后对焊接面进行超声波浸润；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，持续施加压力，停止加热进行冷却，得到焊接后的靶材组件。

本发明中，对于靶材和背板的钎焊焊接，根据靶材及背板材质的不同，相应的焊料以及钎焊的工艺操作均需也会有所不同；本发明中采用铝钪合金靶材，由于铝钪合金的塑性和耐蚀性较强，以及与背板间难以直接焊接的问题，需要对靶材和背板的焊接面加热后采用钎料浸润，以便于熔化钎料在焊接面及缝隙间的填充，避免焊接层留有空隙而影响焊接质量，而金属丝的使用，能够避免因施加压力而造成钎料流失，保证焊料层的厚度，冷却后得到的靶材组件焊接强度高；所述钎焊方法操作简单，焊接效率高，稳定性好，成本较低。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铝钪合金中钪元素含量为2～60wt％，例如2wt％、10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％或60wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(1)所述背板包括铝合金背板或铜合金背板。

优选地，步骤(1)所述钎料包括铟、锡或锡合金中任意一种。

本发明中，根据铝钪合金的性能及应用要求，钪元素含量可在较大范围内变化，而背板的选择中铝合金通常包括A6061、A2024等，铜合金通常包括TU1、C46400、C18200等，钎料通常选择与相应材质结合性好的低熔点金属或合金。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板置于焊接平台上进行加热，两者焊接面朝上。

优选地，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板加热至200～300℃，例如200℃、220℃、240℃、250℃、270℃、280℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板达到加热温度后再放置钎料。

本发明中，靶材和背板加热温度的选择通常高于钎料熔点50～80℃，既能保证焊料熔化后的流动性，又可避免温度过高而导致靶材组件性能发生变化。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板加热前先进行表面抛光处理。

优选地，所述表面抛光处理为依次采用300#砂纸和600#砂纸进行抛光，即先采用低型号砂纸进行粗抛，再采用高型号砂纸进行精抛，便于对表面粗糙度的控制。

优选地，所述表面抛光处理后，焊接面的粗糙度Ra为0.4～1μm，例如0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，所述铝钪合金浸润过程有钢刷磨刷，其抛光处理主要是去除表面的污渍，而无需去除氧化层，在磨刷外力作用下该氧化层不影响钎料的焊接面的分散与浸润。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述钎料熔化后，先对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润。

优选地，所述磨刷采用钢刷设备进行。

本发明中，磨刷操作主要是为了实现熔化钎料的初步分散，避免自然流动无法均匀分布的问题。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述超声波浸润的时间为15～45min，例如15min、20min、25min、30min、35min、40min或45min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(1)所述超声波浸润所用超声波的功率为400～800W，例如400W、500W、600W、700W或800W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(1)所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述金属丝包括纯铜丝或铜合金丝。

优选地，步骤(2)所述金属丝的直径为0.3～0.5mm，例如0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，背板上金属丝的设置是为了保证靶材扣合后两者焊接面之间的距离，以保证钎料凝固后焊接层的厚度，避免因扣合后压力的施加而造成焊料溢出，影响焊接强度；同时，金属丝的直径也不宜过大，否则会造成靶材和背板之间留有空隙，反而不利于结合强度的提高。

优选地，步骤(2)所述金属丝的放置区域不超过背板的焊接面。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述施加压力的方式为在扣合的靶材和背板上方放置压块。

优选地，所述压块的重量为10～40kg，例如10kg、15kg、20kg、25kg、30kg、35kg或40kg等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，采用压块施加压力，能够保证施加压力的稳定性，避免因压力施加不平衡而影响不同区域的结合稳定性，而压块重量的选择与靶材、背板的焊接面表面积以及材质的选择有关；若压块重量过小，会造成靶材和背板之间结合作用较弱，焊接强度过低。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述冷却过程中维持施加压力。

优选地，所述冷却方式为自然冷却至室温。

作为本发明优选的技术方案，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和背板先进行表面抛光处理，依次采用300#砂纸和600#砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为2～60wt％，所述背板包括铝合金背板或铜合金背板，待铝钪合金靶材和背板加热至200～300℃，将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为15～45min，所用超声波的功率为400～800W；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.3～0.5mm的金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为10～40kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述钎焊方法针对特定材质的靶材，根据靶材和背板特性，选择合适的钎焊焊接工艺，通过加热、浸润、加压等操作的控制以及辅助物的使用，保证焊料的充分填充以及焊料层的厚度，从而提高靶材组件的焊接强度和焊接结合率，焊接强度可以达到10～50MPa，焊接结合率达到99％以上；

(2)本发明所述钎焊方法操作简单，焊接效率高，工艺稳定性好，成本较低。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

本发明具体实施方式部分提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和背板进行加热，再将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后对焊接面进行超声波浸润；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，持续施加压力，停止加热进行冷却，得到焊接后的靶材组件。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和A6061铝合金背板先进行表面抛光处理，依次采用300#和600#的砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和铝合金背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为15wt％，待铝钪合金靶材和背板加热至230℃，将铟钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为30min，所用超声波的功率为500W，所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.4mm的铜丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为20kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

本实施例中，采用所述钎焊方法进行铝钪合金靶材的焊接组装，所得靶材组件的焊接强度达到15MPa，焊接结合率为99.5％。

实施例2：

本实施例提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和TU1铜合金背板先进行表面抛光处理，依次采用300#和600#的砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和铜合金背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为30wt％，待铝钪合金靶材和背板加热至300℃，将锡钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为15min，所用超声波的功率为600W，所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.3mm的铜丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为30kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

本实施例中，采用所述钎焊方法进行铝钪合金靶材的焊接组装，所得靶材组件的焊接强度达到40MPa，焊接结合率为99.8％。

实施例3：

本实施例提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和A2024铝合金背板先进行表面抛光处理，依次采用300#和600#的砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和铝合金背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为40wt％，待铝钪合金靶材和背板加热至210℃，将铟钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为45min，所用超声波的功率为400W，所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.5mm的铜合金丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为40kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

本实施例中，采用所述钎焊方法进行铝钪合金靶材的焊接组装，所得靶材组件的焊接强度达到25MPa，焊接结合率为99.4％。

实施例4：

本实施例提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和A6061铝合金背板先进行表面抛光处理，依次采用300#和600#的砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和铝合金背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为8wt％，待铝钪合金靶材和背板加热至290℃，将锡钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为20min，所用超声波的功率为800W，所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.35mm的铜丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为10kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

本实施例中，采用所述钎焊方法进行铝钪合金靶材的焊接组装，所得靶材组件的焊接强度达到50MPa，焊接结合率为100％。

实施例5：

本实施例提供了一种铝钪合金靶材的钎焊方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和C18200铜合金背板先进行表面抛光处理，依次采用300#和600#的砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和铜合金背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为20wt％，待铝钪合金靶材和背板加热至250℃，将铟锡合金钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为35min，所用超声波的功率为700W，所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.45mm的铜合金丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为25kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。

本实施例中，采用所述钎焊方法进行铝钪合金靶材的焊接组装，所得靶材组件的焊接强度达到40MPa，焊接结合率为99.7％。

综合上述实施例可以得出，本发明所述钎焊方法针对特定材质的靶材，根据靶材和背板特性，选择合适的钎焊焊接工艺，通过加热、浸润、加压等操作的控制以及辅助物的使用，保证焊料的充分填充以及焊料层的厚度，从而提高靶材组件的焊接强度和焊接结合率，焊接强度可以达到10～50MPa，焊接结合率达到99％以上；所述钎焊方法操作简单，焊接效率高，工艺稳定性好，成本较低。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助步骤的添加、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。

Claims (10)

1.一种铝钪合金靶材的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和背板进行加热，再将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后对焊接面进行超声波浸润；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，持续施加压力，停止加热进行冷却，得到焊接后的靶材组件。

2.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述铝钪合金中钪元素含量为2～60wt％；

优选地，步骤(1)所述背板包括铝合金背板或铜合金背板；

优选地，步骤(1)所述钎料包括铟、锡或锡合金中任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板置于焊接平台上进行加热，两者焊接面朝上；

优选地，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板加热至200～300℃；

优选地，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板达到加热温度后再放置钎料。

4.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述铝钪合金靶材和背板加热前先进行表面抛光处理；

优选地，所述表面抛光处理为依次采用300#砂纸和600#砂纸进行抛光；

优选地，所述表面抛光处理后，焊接面的粗糙度Ra为0.4～1μm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述钎料熔化后，先对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润；

优选地，所述磨刷采用钢刷设备进行。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述超声波浸润的时间为15～45min；

优选地，步骤(1)所述超声波浸润所用超声波的功率为400～800W；

优选地，步骤(1)所述超声波浸润后，去除焊接面侧面多余的钎料。

7.根据权利要求1-6任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述金属丝包括铜丝或铜合金丝；

优选地，步骤(2)所述金属丝的直径为0.3～0.5mm；

优选地，步骤(2)所述金属丝的放置区域不超过背板的焊接面。

8.根据权利要求1-7任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述施加压力的方式为在扣合的靶材和背板上方放置压块；

优选地，所述压块的重量为10～40kg。

9.根据权利要求1-8任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述冷却过程中维持施加压力；

优选地，所述冷却方式为自然冷却至室温。

10.根据权利要求1-9任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊方法包括以下步骤：

(1)将铝钪合金靶材和背板先进行表面抛光处理，依次采用300#砂纸和600#砂纸进行抛光，然后将铝钪合金靶材和背板焊接面朝上置于焊接平台上进行加热，所述铝钪合金中钪元素含量为2～60wt％，所述背板包括铝合金背板或铜合金背板，待铝钪合金靶材和背板加热至200～300℃，将钎料置于铝钪合金靶材和背板的焊接面上，待钎料熔化后先采用钢刷设备对焊接面进行磨刷以分散钎料，再进行超声波浸润，超声波浸润的时间为15～45min，所用超声波的功率为400～800W；

(2)步骤(1)浸润完成后，在背板焊接面上放置直径为0.3～0.5mm的金属丝，再将铝钪合金靶材扣合到背板上，通过放置压块持续施加压力，所述压块的重量为10～40kg，停止加热自然冷却至室温，得到焊接后的靶材组件。