CN113695732A - 一种铝靶材组件的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：(1)将铝合金背板进行热处理，得到热处理背板；(2)将所述热处理背板和铝靶材进行冷等静压处理，得到冷压组件；(3)将所述冷压组件进行整形，得到整形组件；(4)将所述整形组件进行热等静压处理，得到靶材组件。本发明提供的焊接方法可使焊接结合率可以达到99％以上，焊接后背板的维氏硬度可以达到100‑150HV，可以实现低温焊接，防止晶粒长大，所得产品的平面度≤0.1mm，焊接后无需整形，降低整形难度。
Description
技术领域
本发明涉及靶材领域，具体涉及一种铝靶材组件的焊接方法。
背景技术
金属铝及其合金具有良好的导电性、导热性及抗腐蚀性等优良性能，广泛应用于半导体材料。随着电子工业的飞速发展，半导体材料已经进入大规模集成电路时代，铝靶材作为集成电路的基础材料，其需求量将持续增长。与此同时，市场上对铝靶材内部组织的晶粒尺寸和均匀性提出越来越严格的要求。一般来说，在集成电路芯片中，所用铝靶材的晶粒尺寸小于200μm，否则，将影响靶材的溅射速率和溅射薄膜的均匀性。
铝靶材组件由铝靶材和铝合金背板焊接得到，通常情况下，制备高硬度的铝合金背板需要将铝合金进行热处理，如果先将铝合金背板与铝靶材进行焊接绑定后再进行热处理，容易造成铝靶材晶粒长大，最终难以满足使用需求。铝合金背板经过热处理后虽然可以得到良好的硬度，但是较大硬度的铝合金背板不利于后续背板与靶材的焊接。
CN102430865A公开一种靶材与背板的焊接方法，包括：在靶材的背面形成多个燕尾槽，在背板的正面形成与燕尾槽匹配的多个燕尾状凸起。将靶材与背板叠合放置，并使燕尾状凸起与燕尾槽咬合在一起，采用静压方式处理靶材与背板中心区域，利用电子束焊接靶材与背板的边缘结合区域。该方法加工成本高，加工难度大，生产效率低。
目前，铝靶材组件一般通过钎焊或扩散焊接得到，所得靶材组件变形量较大，需要进一步进行整形操作来保证铝靶材组件的平面度要求。但是整形后经常出现大面积焊接缺陷，甚至发生脱焊的问题，导致整形的合格率下降。
CN110421246A公开了一种背板与高纯金属靶材的扩散焊接方法，将背板与高纯金属加工螺纹后组合在一起，先进行冷等静压处理，再进行热等静压处理，得到靶材组件。该方法所得的靶材组件虽然可以达到良好的焊接强度，但是热压之后存在整形困难的问题，通常需要车削大量原料进行校平，达不到很高的平面度。
因此，如何提高铝合金背板的硬度，防止铝靶材晶粒长大，提高靶材组件的焊接强度和平面度是当前需要解决的问题。
发明内容
针对铝合金背板硬度不高，焊接过程中晶粒容易长大，靶材组件焊接强度和平面度不足等问题，本发明的目的在于提供一种铝靶材组件的焊接方法，与现有技术相比，本发明提供的焊接方法可以使铝靶材组件获得良好的焊接强度和平面度，免去焊接后的整形操作，工艺条件要求低，在焊接过程中可以避免晶粒长大。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将铝合金背板进行热处理，得到热处理背板。
(2)将所述热处理背板和铝靶材进行冷等静压处理，得到冷压组件。
(3)将所述冷压组件进行整形，得到整形组件。
(4)将所述整形组件进行热等静压处理，得到靶材组件。
本发明中，通过热处理可以将铝合金原料加热到高温单相区恒温，并保持一段时间，使铝合金过剩相充分溶解到固溶体中，得到铝合金的过饱和固溶体，将铝合金过饱和固溶体冷却得到热处理背板。热处理后的背板经过时效可以提升强度，但是若先进行时效得到高硬度的铝合金背板，将会增大后续的焊接和整形难度。
本发明中，将热处理背板和铝靶材先进行冷等静压处理，再进行热等静压处理，可以降低热等静压处理时需要的温度和压力。在热等静压处理的过程中可以同时达到扩散焊接和时效的目的，使靶材组件获得良好的硬度和强度。
本发明中，通过冷等静压处理、整形和热等静压处理进行组合操作，是为了同时得到良好的焊接强度和平面度，若在冷等静压处理前进行整形，冷等静压处理后会造成整形失效，若在热等静压处理后进行整形，会由于铝合金背板硬度过高造成整形困难。因此，本发明中在冷等静压处理和热等静压处理之间进行整形可以使产品的加工难度降低，同时防止铝合金背板由于硬度过高在整形时产生开裂，变形以及良品率低等问题。
优选地，步骤(1)所述铝合金包括6262铝合金、6005铝合金、6082铝合金或6061铝合金。
优选地，步骤(1)所述热处理的温度为500-550℃，例如可以是500℃、510℃、520℃、530℃、540℃或550℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为520-540℃。
优选地，步骤(1)所述热处理的时间为2-5小时，例如可以是2小时小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时或5小时，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为3-4小时。
本发明中，铝合金背板经过热处理后在铝合金背板焊接面车平面螺纹，螺纹的螺距为0.3-1.0mm，深度为0.1-0.8mm。
本发明中，车螺纹后的铝合金背板和需要焊接的铝靶材用异丙醇溶液超声波清洗10-20min，清洗后的靶材和背板放入50-90℃真空干燥箱中，干燥0.5-3h。
本发明中，干燥后的铝靶材和铝合金背板放入包套中，用分子泵通过脱气管将包套抽真空至0.002Pa以下，然后进行闭气处理。将真空状态下的包套放入冷等静压设备中，通过高压将铝靶材和铝合金背板紧密贴合，进行冷等静压处理。
优选地，步骤(2)所述铝靶材的纯度为≥99.9％，例如可以是99.9％、99.99％、99.999％、99.9999％、99.99999％或99.999999％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为≥99.999％。
优选地，步骤(2)所述冷等静压处理的压力为150-200MPa，例如可以是150MPa、155MPa、160MPa、165MPa、170MPa、175MPa、180MPa、185MPa、190MPa、195MPa或200MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为160-180MPa。
优选地，步骤(2)所述冷等静压处理的时间为10-30分钟，例如可以是12分钟、14分钟、15分钟、16分钟、18分钟、20分钟、22分钟、24分钟、25分钟、26分钟、28分钟或30分钟，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为15-25分钟。
本发明中所用的冷等静压处理比冷加压的好处在于冷等静压处理对热处理背板和铝靶材各向施以各向全方位且均等的压力，使冷压组件变形更加均匀。
本发明中，将处理后的包套放入整形机中进行整形，使包套两个平面的平面度≤0.1mm。
优选地，步骤(3)所述整形的压力为1×105-3×105N，例如可以是1×105N、1.2×105N、1.4×105N、1.5×105N、1.6×105N、1.8×105N、2×105N、2.2×105N、2.4×105N、2.5×105N、2.6×105N、2.8×105N或3×105N，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1.5×105-2×105N。
优选地，步骤(3)所述整形的终点为整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm，例如可以是0.1mm、0.09mm、0.08mm、0.07mm、0.06mm、0.05mm、0.04mm、0.03mm、0.02mm或0.01mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为≤0.08mm。
本发明中，将整形后的包套放入热等静压机中进行热等静压处理，在热等静压处理的过程中完成焊接和时效。
优选地，步骤(4)所述热等静压处理的温度为100-200℃，例如可以是100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为150-180℃。
优选地，步骤(4)所述热等静压处理的时间为3-5小时，例如可以是3小时、3.2小时、3.4小时、3.5小时、3.6小时、3.8小时、4小时、4.2小时、4.4小时、4.5小时、4.6小时、4.8小时或5小时，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为3.5-4.5小时。
优选地，步骤(4)所述热等静压处理的压力为≥80MPa，例如可以是80MPa、82MPa、84MPa、85MPa、86MPa、88MPa、90MPa、92MPa、94MPa、95MPa、96MPa、98MPa或100MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明的优选技术方案，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在500-550℃下热处理2-5小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板和铝靶材在150-200MPa下冷等静压处理10-30分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为≥99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在1×105-3×105N下，整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在100-200℃的温度下，≥80MPa的压力下，热等静压处理3-5小时，得到靶材组件。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的焊接方法可使焊接结合率达到99％以上，焊接后背板的维氏硬度可以达到100-150HV，机加工时夹持产生的形变少，加工精度更高。
(2)本发明提出的焊接方法可以实现低温低压焊接，防止晶粒长大，降低设备要求。
(3)本发明所得产品的平面度≤0.1mm，焊接后无需整形，降低整形难度。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中铝靶材组件的焊接方法的工艺流程图。
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。
具体提供一种铝靶材组件的焊接方法，如图1所示，将铝合金背板经过热处理后，与铝靶材依次进行冷等静压处理、整形和热等静压处理，得到铝靶材组件。
实施例1
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在525℃下热处理3.5小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在175MPa下冷等静压处理20分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为≥99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在2×105N的压力下整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在150℃下，90MPa下，热等静压处理4小时，去掉包套得到靶材组件。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例2
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在520℃下热处理4小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在160MPa下冷等静压处理25分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在1.5×105N的压力下整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在150℃下，85MPa下，热等静压处理4.5小时，去掉包套得到靶材组件。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例3
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在540℃下热处理3小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在180MPa下冷等静压处理15分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在2×105N的压力下整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在180℃下，90MPa下，热等静压处理3.5小时，去掉包套得到靶材组件。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例4
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在500℃下热处理5小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在150MPa下冷等静压处理30分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在1×105N的压力下整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在100℃下，100MPa下，热等静压处理3小时，去掉包套得到靶材组件。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例5
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在550℃下热处理2小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在200MPa下冷等静压处理10分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在3×105N的压力下整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在200℃下，80MPa下，热等静压处理5小时，去掉包套得到靶材组件。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例6
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于步骤(4)中热等静压处理的温度为90℃。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例7
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于步骤(4)中热等静压处理的温度为220℃。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
实施例8
本实施例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于步骤(4)中热等静压处理的压力为70MPa。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例1
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于去掉步骤(1)。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例2
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于去掉步骤(2)。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例3
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于去掉步骤(3)。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例4
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于去掉步骤(4)。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例5
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于按步骤(3)、(1)、(2)、(4)的顺序进行操作。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例6
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于按步骤(1)、(3)、(2)、(4)的顺序进行操作。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例7
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于按步骤(1)、(2)、(4)、(3)的顺序进行操作。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对比例8
本对比例提供一种铝靶材组件的焊接方法，与实施例1相比仅在于按步骤(2)替换为将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在175MPa下冷加压处理20分钟。
所得铝靶材组件的性能指标详见表1。
对实施例1-8和对比例1-8所制备铝靶材组件的焊接结合率采用超声波C扫描成像仪进行测定。
对实施例1-8和对比例1-8所制备铝靶材组件的结合强度进行测定，测定方法为拉伸法，取直径为35mm的圆柱形式样，两端加力直至两种焊接材料分离，记录分离时所加力的大小，结合强度＝力/圆柱形式样的截面积。
对实施例1-8和对比例1-8所制备铝靶材组件背板的维氏硬度采用维氏硬度试验方法进行测定。
对实施例1-8和对比例1-8所制备铝靶材组件的平面度采用三坐标仪(CMM)进行测定。
表1
由表1可知，实施例1-8制备得到的铝靶材组件的焊接结合率可以达到99％以上，焊接后背板的维氏硬度可以达到100-150HV，铝靶材组件的平面度≤0.1mm。
在实施例6中，相比于实施例1，步骤(4)中热等静压处理的温度为90℃，所得铝靶材组件的焊接结合率下降至99％，结合强度下降至20MPa，说明热等静压处理的温度比较低时，扩散焊接的效果下降。
在实施例7中，相比于实施例1，步骤(4)中热等静压处理的温度为220℃，所得铝靶材组件背板的维氏硬度下降至100HV，说明热等静压处理的温度比较高时，所得铝靶材组件的维氏硬度下降。
在实施例8中，相比于实施例1，步骤(4)中热等静压处理的压力为70MPa，所得铝靶材组件的焊接结合率下降至99.2％，结合强度下降至20MPa，说明热等静压处理的温度比较低时，扩散焊接的效果下降。
对比例1中，相比于实施例1去掉步骤(1)，所得铝靶材组件背板的维氏硬度下降至72HV，说明不进行热处理，所得铝靶材组件背板的维氏硬度下降。
对比例2中，相比于实施例1去掉步骤(2)，所得铝靶材组件的焊接结合率下降至52％，结合强度下降至0.5MPa，平面度上升至0.21mm，说明不进行冷等静压处理，所得铝靶材组件的焊接效果下降，平面度变差。
对比例3中，相比于实施例1去掉步骤(3)，所得铝靶材组件的平面度上升至0.3mm，说明不进行整形，所得铝靶材组件的平面度变差。
对比例4中，相比于实施例1去掉步骤(4)，所得铝靶材组件的焊接结合率下降至81％，结合强度下降至2.4MPa，平面度上升至0.12mm，说明不进行热等静压处理，所得铝靶材组件的焊接效果下降，平面度变差。
对比例5中，相比于实施例在于按步骤(3)、(1)、(2)、(4)的顺序进行操作，所得铝靶材组件的焊接结合率下降至94％，平面度上升至0.24mm，说明在热处理前进行整形，所得铝靶材组件的焊接结合率下降，平面度变差。
对比例6中，相比于实施例1在于按步骤(1)、(3)、(2)、(4)的顺序进行操作，所得铝靶材组件的平面度上升至0.26mm，说明在冷等静压处理前进行整形，所得铝靶材组件的平面度变差。
对比例7中，相比于实施例1在于按步骤(1)、(2)、(4)、(3)的顺序进行操作，所得铝靶材组件的平面度上升至0.3mm，说明在热等静压处理后进行整形，所得铝靶材组件的平面度变差。
对比例8中，相比于实施例1在于步骤(2)替换为将步骤(1)得到的热处理背板车平面螺纹后与需要焊接的铝靶材放入异丙醇溶液中超声波清洗10min，然后放入50℃真空干燥箱中干燥0.5小时，将烘干后的靶材和背板放入包套中抽真空至0.002Pa以下，将包套在175MPa下冷加压处理20分钟。所得铝靶材组件的焊接结合率为98％，说明采用冷压处理所得铝靶材组件的扩散焊接的效果下降。
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 (10)
1.一种铝靶材组件的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将铝合金背板进行热处理，得到热处理背板；
(2)将所述热处理背板和铝靶材进行冷等静压处理，得到冷压组件；
(3)将所述冷压组件进行整形，得到整形组件；
(4)将所述整形组件进行热等静压处理，得到靶材组件。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述铝合金包括6262铝合金、6005铝合金、6082铝合金或6061铝合金。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述热处理的温度为500-550℃，优选为520-540℃。
4.根据权利1-3任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)所述热处理的时间为2-5小时，优选为3-4小时。
5.根据权利要求1-4任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述铝靶材的纯度为≥99.9％，优选为≥99.999％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)所述冷等静压处理的压力为150-200MPa，优选为160-180MPa；
优选地，步骤(2)所述冷等静压处理的时间为10-30分钟，优选为15-25分钟。
7.根据权利要求1-6任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(3)所述整形的压力为1×105-3×105N，优选为1.5×105-2×105N。
8.根据权利要求1-7任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(3)所述整形的终点为整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm，优选为≤0.08mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的焊接方法，其特征在于，步骤(4)所述热等静压处理的温度为100-200℃，优选为150-180℃；
优选地，步骤(4)所述热等静压处理的时间为3-5小时，优选为3.5-4.5小时；
优选地，步骤(4)所述热等静压处理的压力为≥80MPa。
10.根据权利要求1-9任一项所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)将6061铝合金背板在500-550℃下热处理2-5小时，得到热处理背板；
(2)将步骤(1)得到的热处理背板和铝靶材在150-200MPa下冷等静压处理10-30分钟，得到冷压组件，所述铝靶材的纯度为≥99.9％；
(3)将步骤(2)得到的冷压组件在1×105-3×105N下，整形至冷压组件两平面的平面度均≤0.1mm；
(4)将步骤(3)得到的整形组件在100-200℃的温度下，≥80MPa的压力下，热等静压处理3-5小时，得到靶材组件。
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