CN113275684A - 一种基于钎焊方式的靶材绑定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，包括如下步骤：(1)对靶材和背板的绑定面进行机加工，使绑定面的平面度≤0.1μm、以及粗糙度≤Ra 2μm；(2)对靶材和背板进行酸洗，酸洗后绑定面的粗糙度为Ra 2.8～3.2μm；(3)使用PVD磁控溅射方式在靶材和背板的绑定面上进行镀银处理；(4)使用熔融的SnAg合金对靶材和背板的绑定面进行浸润涂布；(5)将靶材和背板放入真空钎焊炉内，在靶材和背板的绑定面之间夹置SnCu合金箔片，然后在靶材上放置重物以施加压力，炉内抽真空至真空度≤6×10e^‑3，加热至170～185℃后，保温至绑定完成。本发明钎焊所用原料的总成本为300元/kg，降低了靶材绑定的成本，焊接层的焊接强度高达15～18MPa，耐温200℃以上，提高了靶材绑定的强度和稳定性。

Description

一种基于钎焊方式的靶材绑定方法

技术领域

本发明涉及靶材加工技术领域，具体涉及一种基于钎焊方式的靶材绑定方法。

背景技术

靶材绑定是指用焊料将靶材与背板焊接起来，目前主要有三种绑定方式：压接、钎焊和导电胶。绑定可防止靶材在使用过程中因受热不匀而碎裂，还可防止靶材在使用过程中变形。同时，绑定背板，可将靶材的厚度设计得更小，从而节省成本。

现有的钼、钒等金属靶材一般通过铟绑定铜背板或铝背板等，然而，铟不仅价格高昂，而且焊接强度低，接头强度只有3～5MPa。另外，受限于铟的熔点，导致焊接耐温低，最高的绑定耐温只能达到156℃。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于钎焊方式的靶材绑定方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，其包括如下步骤：

(1)预处理：对靶材和背板的绑定面进行机加工，使绑定面的平面度≤0.1μm、以及粗糙度≤Ra 2μm；

(2)酸洗：对靶材和背板进行酸洗，去除绑定面的氧化层和机加工损伤层，酸洗后绑定面的粗糙度为Ra 2.8～3.2μm；

(3)镀银：使用PVD磁控溅射方式在靶材和背板的绑定面上进行镀银处理；

(4)浸润涂布：使用熔融的SnAg合金对靶材和背板的绑定面进行浸润涂布；

(5)真空热压：将靶材和背板放入真空钎焊炉内，在靶材和背板的绑定面之间夹置SnCu合金箔片，然后在靶材上放置重物以施加压力，炉内抽真空至真空度≤6×10e^-3，加热至170～185℃后，保温至绑定完成。

本发明的靶材绑定方法中，对靶材和背板的绑定面进行机加工，并控制其平面度，可保证靶材与背板在绑定时平整贴合，防止局部脱焊。而酸洗后将绑定面的粗糙度控制在Ra 2.8～3.2μm，可保证靶材和背板的绑定面能提供足够的接触面积和摩擦力，为后续的镀银提供足够的附着力，且能确保镀银层表面平整。若绑定面的粗糙度过小，会因太过光滑而导致银层与绑定面的接触面积太小，粘接强度低。若绑定面的粗糙度过大，会影响镀银层的表面平整度，从而影响绑定效果。

在镀银层时，本发明采用了PVD磁控溅射方式，该方式的镀膜过程只涉及物理变化，形成的膜层粘着力强。若采用其它方式镀膜，如采用CVD气相沉积方法，由于银和钼、钒等靶材金属的化学性质不稳定，容易生成氧化物，影响焊接效果。

绑定时，本发明先在绑定面上镀银层，然后用SnAg合金浸润银层，再夹置SnCu合金箔片，如此，在本发明的真空热压条件下，SnCu合金箔片与银镀层之间会进行原子扩散，且扩散效果较好，最终在靶材与背板的绑定面之间形成稳定且耐温200℃以上的SnAgCu焊接层，焊接强度高达15～18MPa。而SnCu合金的配比，以及SnAgCu焊接层的生成工艺，如加热条件，重压压力和炉内真空度等，都会影响焊接层的形成。若炉内真空度达不到要求，焊接层会发生氧化，导致焊接强度低，甚至发生局部脱焊。若重物重量太大，会使SnCu合金箔片发生形变，导致焊接厚度不均匀，焊接效果大大下降。若重物重量太小，则起不到促进SnCu和Ag层发生原子扩散的作用。若加热温度过高，则会导致Sn合金剧烈蒸发，导致焊接失败。若加热温度过低，则绑定效果不好，甚至无法绑定。

优选地，所述靶材为钼靶材或钒靶材，所述背板为铝背板。优选地，所述背板为Al6061铝背板。采用Al 6061铝背板时，由于SnCu合金的热膨胀系数处于钒与Al 6061之间，因此可有效降低焊接时的热应力，提高焊接精度以及降低后续材料发生形变脱落的可能性。

优选地，所述真空热压的加热温度为180℃，保温时间为4h。

优选地，所述预处理中，去除的机加工层的厚度为0.5～1mm。

优选地，所述酸洗的工艺条件：采用质量分数为2％的HF酸浸泡5min。背板为铝材质时，若用其它酸液进行酸洗，容易导致Al形成其它各种氮化物，甚至钝化形成稳定的氧化铝层，从而阻碍后续工艺的实施。而采用HF酸进行酸洗，可避免上述问题发生。此外，不同浓度的HF酸所带来的腐蚀效果并非呈线性关系，而是需要同时匹配合适的酸液浓度与合适的酸洗时间，否则无法获得理想的腐蚀效果，绑定面的粗糙度无法达到Ra 2.8～3.2μm的要求。本发明采用2％的HF酸浸泡5min，可使绑定面获得Ra 2.8～3.2μm的粗糙度，酸洗的去除层厚度约为30～50μm，能较彻底地去除靶材和背板表面的氧化物和机加工损伤层，腐蚀效果理想。

优选地，所述镀银过程中靶材和背板的温度保持在175～185℃，所述镀银所得银镀层的厚度为0.02～0.05mm。结合本发明的镀银工艺，控制上述温度和镀层厚度，可保证焊接的强度以及焊接层与靶材和背板之间的附着力。

优选地，所述SnAg合金的含铜量为0.5～1wt％。采用该含铜量的SnAg合金可控制靶材的导电性，使靶材的溅射过程更顺畅。

优选地，所述浸润涂布的方法为：使用不锈钢304刷子，将熔融的SnAg合金均匀涂布在靶材和背板的银膜层上；优选地，涂布厚度为50～80μm。

优选地，所述SnCu合金箔片的厚度为0.1mm，所述重物的重量为20～30kg。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明显著降低了靶材绑定的成本，现有技术一般采用铟作为焊料，铟的成本约为1400元/kg，而本发明钎焊所用原料的总成本为300元/kg。

2、本发明有效提高了靶材绑定的强度和稳定性，焊接层的焊接强度高达15～18MPa，耐温200℃以上。

3、传统的铟焊接主要依赖技术人员的技能熟练程度来保证焊接率和焊接强度，而本发明的绑定方法容易实施，有具体的条件控制指标，对技术人员的要求低，批量生产的产品稳定性好，适合工业规模化生产。

附图说明

图1为本发明所述靶材绑定方法在真空热压过程的产品状态参考图。

图中，钒靶材1、铝背板2、SnCu箔片3、银镀层4、重物5。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过下列实施例进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。本领域技术人员应理解，本发明所述的绑定面是指靶材和背板需要绑定的面。

实施例1

本实施例提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，所用的靶材为钒靶材，背板为Al 6061铝背板，下文中，钒靶材和铝背板合称为基材。

具体绑定步骤如下：

(1)预处理：先对基材的绑定面进行机加工处理，将绑定面机加工至平面度为0.1μm、以及粗糙度为Ra 2μm，去除的机加工层厚度为0.5～1mm；

(2)酸洗：将基材放入质量分数为2％的HF酸中浸泡5min，以将基材绑定面的氧化层(氧化钒、氧化铝)和机加工损伤层去除，去除层的厚度约为30～50μm，酸洗处理后，基材绑定面的粗糙度为Ra 2.8～3.2μm；

(3)镀银：使用PVD磁控溅射方式在基材的绑定面上进行镀银处理，镀银过程基材的温度保持在175～185℃，银镀层4的厚度为0.02～0.05mm；

(4)浸润涂布：使用不锈钢304刷子将经过200℃加热熔融的SnAg合金(含铜量为0.8wt％)均匀涂布在基材的银镀层上，涂布厚度为50～80μm；

(5)真空热压：涂布完成后，将基材放入真空钎焊炉内，如图1所示，在钒靶材1和铝背板2的绑定面之间夹置一片厚度为0.1mm的SnCu合金箔片3，然后在钒靶材的正上方放置20kg的重物5，将真空钎焊炉抽真空至6×10e^-3，加热至170℃后保温4h，冷却后取出，此时钒靶坯与铝背板之间已经形成一层厚度为5μm的SnAgCu焊接层。

实施例2

实施例2提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，实施例2的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于真空热压的加热温度和重物重量不同，其它相同。

实施例2中，真空热压过程，加热温度为180℃，在钒靶材的正上方放置的重物重量为25kg。

实施例3

实施例3提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，实施例3的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于真空热压的加热温度和重物重量不同，其它相同。

实施例3中，真空热压过程，加热温度为185℃，在钒靶材的正上方放置的重物重量为30kg。

对比例1

对比例1提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例1的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于酸洗处理的条件不同。对比例1的酸洗为：将基材放入质量分数为1％的HF酸中浸泡5min，酸洗处理后，基材绑定面的粗糙度为Ra 3～5μm。

对比例2

对比例2提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例2的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于酸洗处理的条件不同。对比例2的酸洗为：将基材放入质量分数为3％的HF酸中浸泡5min，酸洗处理后，基材绑定面的粗糙度为Ra 8～10μm。

对比例3

对比例3提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例3的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于：对比例3中未进行镀银处理。

对比例4

对比例4提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例4的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于：对比例4中未进行浸润涂布处理。

对比例5

对比例5提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例5的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于：真空热压的真空度和重压重量不同。

对比例5中，真空热压的真空度为6×10e^-2，重物的重量为10kg。

对比例6

对比例6提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例6的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于：真空热压的温度不同。

对比例6中，真空热压的温度为160℃保温5h。

对比例7

对比例7提供了一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，对比例7的靶材绑定方法与实施例1的区别仅在于：真空热压的温度不同。

对比例7中，真空热压的温度为200℃保温4h。

在真空热压过程中，Sn合金剧烈蒸发，焊接失败。

性能测试：

测试实施例1～3和对比例1～6绑定完成后，焊接层的焊接强度和耐温温度，结果如下表所示。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于钎焊方式的靶材绑定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预处理：对靶材和背板的绑定面进行机加工，使绑定面的平面度≤0.1μm、以及粗糙度≤Ra 2μm；

(2)酸洗：对靶材和背板进行酸洗，去除绑定面的氧化层和机加工损伤层，酸洗后绑定面的粗糙度为Ra 2.8～3.2μm；

(3)镀银：使用PVD磁控溅射方式在靶材和背板的绑定面上进行镀银处理；

(4)浸润涂布：使用熔融的SnAg合金对靶材和背板的绑定面进行浸润涂布；

(5)真空热压：将靶材和背板放入真空钎焊炉内，在靶材和背板的绑定面之间夹置SnCu合金箔片，然后在靶材上放置重物以施加压力，炉内抽真空至真空度≤6×10e^-3，加热至170～185℃后，保温至绑定完成。

2.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述靶材为钼靶材或钒靶材，所述背板为铝背板。

3.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述真空热压的加热温度为180℃，保温时间为4h。

4.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述预处理中，去除的机加工层的厚度为0.5～1mm。

5.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述酸洗的工艺条件：采用质量分数为2％的HF酸浸泡5min。

6.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述镀银过程中靶材和背板的温度保持在175～185℃。

7.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述镀银所得银镀层的厚度为0.02～0.05mm。

8.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述SnAg合金的含铜量为0.5～1wt％。

9.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述浸润涂布的方法为：使用不锈钢304刷子，将熔融的SnAg合金均匀涂布在靶材和背板的银膜层上，涂布厚度为50～80μm。

10.如权利要求1所述的靶材绑定方法，其特征在于，所述SnCu合金箔片的厚度为0.1mm，所述重物的重量为20～30kg。

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