CN113909642B - 一种铝旋转靶材的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝旋转靶材的连接方法，所述铝旋转靶材包括铝管和铝合金法兰端头，所述铝管的两端设有内螺纹，所述铝合金法兰端头上设有外螺纹，通过所述内螺纹与所述外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接，将所述铝管和所述铝合金法兰端头的连接处进行氩弧焊，得到铝旋转靶材；本发明采用螺纹连接和氩弧焊的方法制备了靶材端头不易变形的铝旋转靶材，提高铝旋转靶材在高功率下的溅射效率，进而提高产量；且方法简单，稳定性好，成本低，易于产业化。

Description

一种铝旋转靶材的连接方法

技术领域

本发明属于旋转靶材技术领域，具体涉及一种铝旋转靶材的连接方法。

背景技术

溅射镀膜技术通常是利用气体放电产生气体电离，其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，击出阴极靶材原子或分子，飞向被镀基体表面沉积薄膜。目前溅射技术有射频溅射、三级溅射和磁控溅射技术，而磁控溅射相对其他溅射技术有较高的镀膜速率，20世纪70年代磁控溅射镀膜就已实现工业化。80年代我国的磁控溅射技术就有了较大的发展，90年代已可以提供大型磁控溅射装置并规模生产镀膜制品。当今，磁控溅射已成为镀膜主流技术之一。随着人工智能，5G技术、消费类电子产品等终端应用市场的快速发展，半导体芯片的市场规模日益扩大，磁控溅射技术应用范围也越来越广泛。

旋转靶材目前已近广泛地通信、电子、平面显示等领域，而高纯铝靶是薄膜晶体管(TFT)行业不可缺少的镀膜材料。目前国内大多数磁控溅射镀膜厂商使用高纯铝靶材较多的是平面靶，而平面靶利用率很低，仅有20％左右的材料溅射时得到利用，但高纯铝旋转靶利用率可以达到75％以上，近年来随着液晶屏幕尺寸逐渐增大，旋转靶材比平面靶材要更加实用。但旋转靶材也会面临一些挑战，管状的铝管不易加工，由于高纯度铝的旋转靶材质地较软，使用过程中易发生变形，尤其是与镀膜设备装配的法兰端位置。一旦法兰端发生变形就会影响靶材的溅射，因此法兰端的材料采用硬度更高的铝合金较为合适，但铝合金的端头如何与铝管连接在一起是一个技术难题。

CN109807452A公开了一种高纯铝旋转靶的焊接方法，所述方法为将铝合金的端头及尾盖与高纯铝旋转靶两端采用T形台阶的结构使用真空电子束组装焊接。但是这种方法对同心度要求较高，一旦发生错位焊接，会影响焊接质量，焊接位置的密封性很差，会影响最终靶材的溅射。

CN109807452A公开了一种高纯铝旋转靶的焊接方法，虽然利用铝合金法兰端头和铝旋转靶通过真空电子束焊接解决铝旋转靶材法兰端容易变形的问题，但整体焊接工艺难度较大，对于高功率下铝旋转靶材溅射可能不太适用，而国内一些厂商采用背管不锈钢铟焊的高纯铝旋转靶只适用于低功率状态下溅射靶材，在高功率状态下溅射，靶材腔内温度过高会导致铟融化，无法提升靶材溅射的效率及实现靶材溅射产品的产量化。

因此，需要提供一种新的方法，保证铝旋转靶在高功率下溅射时，铝管法兰端不发生变形，提高铝旋转靶在高功率下的溅射效率，并实现靶材溅射的产量化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝旋转靶材的连接方法，所述铝旋转靶材包括铝管和铝合金法兰端头，所述铝管的两端设有内螺纹，所述铝合金法兰端头上设有外螺纹，通过所述内螺纹与所述外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接，将所述铝管和所述铝合金法兰端头的连接处进行氩弧焊，得到铝旋转靶材；本发明采用螺纹连接和氩弧焊的方法制备了靶材端头不易变形的铝旋转靶材，提高铝旋转靶材在高功率下的溅射效率，进而提高产量；且方法简单，稳定性好，成本低，易于产业化。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的在于提供一种铝旋转靶材的连接方法，所述铝旋转靶材包括铝管和至少一个铝合金法兰端头；所述铝管的至少一端设有内螺纹；至少一个所述铝合金法兰端头上设有外螺纹；通过所述内螺纹与所述外螺纹将所述铝管和至少一个所述铝合金端头进行螺纹连接；将所述铝管和所述铝合金法兰端头的连接处进行氩弧焊，得到铝旋转靶材。

本发明将螺纹连接与氩弧焊相结合，先是在高纯铝旋转靶两端加工内螺纹、铝合金法兰端头上加工外螺纹，通过螺纹之间的配合将高纯铝旋转靶与铝合金法兰端头连接到一起，再利用氩弧焊将连接位置末端间隙焊接起来，既保证焊接位置的密封性，又解决了铝旋转靶材法兰端容易变形的问题，可以实现高纯铝旋转靶在高功率下溅射使用，提高铝旋转靶溅射效率，实现了靶材溅射的产量化。

值得说明的是，所述连接处指的是铝管两端的端面与铝合金法兰端头的侧面相交的地方；在本发明中，可以是铝旋转靶材的一端通过本发明所述的连接方法进行连接，也可以是铝旋转靶材的两端均通过本发明所述的连接方法进行连接。

作为本发明优选的技术方案，所述铝管的厚度为8-10mm，例如可以是8mm，8.1mm，8.2mm，8.3mm，8.4mm，8.5mm，8.6mm，8.7mm，8.8mm，8.9mm，9mm，9.1mm，9.2mm，9.3mm，9.4mm，9.5mm，9.6mm，9.7mm，9.8mm，9.9mm，10mm等，但并不仅限于所列举的数值，上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，在所述螺纹连接之前，将所述铝管和所述铝合金法兰端头依次进行清洗和干燥。

优选地，所述清洗使用的清洁剂为乙醇和/或丙酮。

优选地，所述清洗的方式为超声。

优选地，所述清洗的温度为20-30℃，例如可以是20℃，21℃，22℃，23℃，24℃，25℃，26℃，27℃，28℃，29℃，30℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述清洗的时间为10-15min，例如可以是10min，10.5min，11min，11.5min，12min，12.5min，13min，13.5min，14min，14.5min，15min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述干燥方式为气枪吹扫。

作为本发明优选的技术方案，在所述铝管上、铝管端面与所述内螺纹的连接处设置坡口。

作为本发明优选的技术方案，所述坡口的深度为3-5mm，例如可以是3mm，3.2mm，3.5mm，3.8mm，4mm，4.3mm，4.5mm，4.7mm，5mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述坡口的宽度为3-5mm，例如可以是3mm，3.2mm，3.5mm，3.8mm，4mm，4.3mm，4.5mm，4.7mm，5mm等，但并不仅限于所列举的数值，上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，所述氩弧焊包括依次进行的预热和焊接。

作为本发明优选的技术方案，在所述预热后，所述焊接之前，在所述坡口处填充焊料。

作为本发明优选的技术方案，所述预热的方式为沿所述铝管和所述铝合金法兰端头的连接处空走。

优选地，所述预热的电流为80-120mA，例如可以是80mA，82mA，84mA，86mA，88mA，90mA，92mA，94mA，96mA，98mA，100mA，102mA，104mA，106mA，108mA，110mA，112mA，114mA，116mA，118mA，120mA等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述预热的时间为8-10min，例如可以是8min，8.2min，8.5min，8.8min，9min，9.3min，9.7min，10min等，但并不仅限于所列举的数值，上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，所述焊接包括依次进行的一级焊接和二级焊接。

优选地，所述一级焊接的电流为170-230mA，例如可以是170mA，172mA，175mA，178mA，180mA，183mA，185mA，188mA，190mA，192mA，195mA，197mA，200mA，203mA，205mA，207mA，210mA，212mA，215mA，218mA，220223mA，225mA，228mA，230mA等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述一级焊接的时间为10-15min，例如可以是10min，10.5min，11min，11.5min，12min，12.5min，13min，13.5min，14min，14.5min，15min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述二级焊接的电流为300-350mA，例如可以是300mA，302mA，305mA，307mA，310mA，312mA，315mA，318mA，320mA，322mA，325mA，327mA，330mA，332mA，335mA，338mA，340mA，343mA，345mA，348mA，350mA等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述二级焊接的时间为15-20min，例如可以是15min，15.5min，16min，16.5min，17min，17.5min，18min，18.5min，19min，19.5min，20min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明所述氩弧焊包括一次进行的预热、一级焊接和二级焊接，预热可以使焊接位置整体加热且让铝管的坡口处位置融化一定深度，若预热后焊接位置焊料较少，可进一步填充焊料，预热便于后续焊接继续填充焊料；一级焊接让坡口的位置全部填充满焊丝；二级焊接使焊接处的铝管、焊料及铝合金法兰端头熔在一起。

作为本发明优选的技术方案，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为8-10mm的铝管的至少一端设置内螺纹，在至少一个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为3-5mm，宽度为3-5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇和/或丙酮中，20-30℃超声10-15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以80-120mA的电流沿着坡口处空走8-10min进行预热，在坡口处填充焊料，以170-230mA的电流进行一级焊接10-15min，以300-350mA的电流进行二级焊接15-20min，得到铝旋转靶材。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述铝旋转靶材的连接方法中，采用螺纹连接和多级氩弧焊的方法制备了靶材端头不易变形的铝旋转靶材，提高了铝旋转靶材在高功率下的溅射效率，进而提高了产量；

(2)本发明所述铝旋转靶材的连接方法中，铝管为中空铝管，铝用量大大减少，降低了生产成本；且方法简单，稳定性好，易于产业化。

附图说明

图1为利用本发明所述铝旋转靶材的连接方法制备的铝旋转靶材的剖面图；

图中，1-铝管；2-铝合金法兰端头；3-坡口；4-螺纹结构。

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。

本发明所述实施例1-3所得铝旋转靶材的结构如图1所示，将铝管1和铝合金法兰端头2通过螺纹结构4进行连接，然后在坡口3处进行氩弧焊即可得到铝旋转靶材。

实施例1

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以100mA的电流沿着坡口处空走10min进行预热，在坡口处填充焊料，以200mA的电流进行一级焊接12min，以300mA的电流进行二级焊接18min，得到铝旋转靶材。

实施例2

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为9mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上、内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为4mm，宽度为4mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，20℃超声12min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以120mA的电流沿着坡口处空走8min进行预热，在坡口处填充焊料，以230mA的电流进行一级焊接10min，以330mA的电流进行二级焊接15min，得到铝旋转靶材。

实施例3

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为8mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为3mm，宽度为3mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入丙酮中，30℃超声10min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以80mA的电流沿着坡口处空走9min进行预热，在坡口处填充焊料，以170mA的电流进行一级焊接15min，以350mA的电流进行二级焊接20min，得到铝旋转靶材。

实施例4

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：氩弧焊时省略预热；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，在坡口处填充焊料，以200mA的电流进行一级焊接12min；以300mA的电流进行二级焊接18min，得到铝旋转靶材。

实施例5

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：氩弧焊时省略一级焊接；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以100mA的电流沿着坡口处空走10min进行预热，在坡口处填充焊料，以300mA的电流进行焊接18min，得到铝旋转靶材。

实施例6

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：氩弧焊时省略二级焊接；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以100mA的电流沿着坡口处空走10min进行预热，在坡口处填充焊料，以200mA的电流进行焊接12min，得到铝旋转靶材。

实施例7

本实施例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：铝管上内螺纹与铝管端面连接处未设置坡口；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以100mA的电流沿着连接处空走10min进行预热，在连接处填充焊料，以200mA的电流进行一级焊接12min，以300mA的电流进行二级焊接18min，得到铝旋转靶材。

对比例1

本对比例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：省略螺纹连接；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管上内壁与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和两个铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行连接；随后，以100mA的电流沿着坡口处空走10min进行预热，在坡口处填充焊料，以200mA的电流进行一级焊接12min，以300mA的电流进行二级焊接18min，得到铝旋转靶材。

对比例2

本对比例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：省略氩弧焊；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接，得到铝旋转靶材。

对比例3

本对比例提供了一种铝旋转靶材及其连接方法，参照实施例1所述的连接方法，区别仅在于：所述铝合金法兰端头替换为铝法兰端头；即，所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为10mm的铝管的两端设置内螺纹，在两个铝法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为5mm，宽度为5mm；其次，将铝管和铝法兰端头放入乙醇中，25℃超声15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝法兰端头进行螺纹连接；随后，以100mA的电流沿着坡口处空走10min进行预热，在坡口处填充焊料，以200mA的电流进行一级焊接12min，以300mA的电流进行二级焊接18min，得到铝旋转靶材。

(一)将上述实施例与对比例进行密封性测试，具体的步骤如下：

在铝合金的一端加工螺纹孔，通过螺纹孔以1MPa的压力向铝旋转靶材内部注水，若保压30min后，铝管与铝合金法兰端头的连接处仍不出现漏水的状况，即说明铝旋转靶材密封性好，若保压30min后，铝管与铝合金法兰端头的连接处漏水，则代表铝旋转靶材密封性不合格；将N个铝旋转靶材进行密封性测试，测试后，有n个铝旋转靶材出现漏水的状况，则靶材漏水率＝n/N×100％。

将上述实施例与对比例密封性测试的结果列于表1。

(二)将上述实施例与对比例进行靶材变形率测试，具体的步骤如下：

将铝旋转靶材在30kW的溅射功率下进行溅射，观察铝旋转靶材法兰端头处是否变形；将M个铝旋转靶材进行靶材变形率测试，测试后，有m个铝旋转靶材出现变形的状况，则靶材变形率＝m/M×100％。

将上述实施例与对比例靶材变形率测试的结果列于表1。

表1

项目	靶材漏水率/％	靶材变形率/％
			实施例1	0.1	0.8
实施例2	0.1	1.0
			实施例3	0.1	0.9
实施例4	2.7	0.8
			实施例5	1.3	0.8
实施例6	1.5	0.8
			实施例7	1.4	0.8
对比例1	4.2	0.8
			对比例2	98.8	0.8
对比例3	0.1	71.2

由表1可以得出以下几点：

(1)由实施例1-3可以看出，利用本发明所述铝旋转靶材的连接方法制备的铝旋转靶材密封性好，且靶材不易变形；

(2)将实施例1与实施例4-7进行对比，可以发现，由于实施例4在氩弧焊时省略了预热这一步骤，导致焊接深度不够，铝管坡口处存在空隙，进而导致靶材漏水率增大；由于实施例5在氩弧焊时省略了一级焊接这一步骤，导致坡口的位置未全部填充满焊丝，进而导致靶材漏水率增大；由于实施例6在氩弧焊时省略了二级焊接这一步骤，导致焊接处铝管、焊料及铝合金法兰端头没有熔在一起，焊接处易漏水，靶材漏水率增大；由于实施例7铝管上内螺纹与铝管端面连接处未设置坡口，导致焊料填充深度不够，进而导致靶材漏水率增大；

(3)将实施例1与对比例1、2进行对比，可以发现，由于对比例1所述连接方法省略了螺纹连接，导致铝管与铝合金法兰端头连接不紧密，进而导致铝旋转靶材漏水率增加至4.2％；由于对比例2所述连接方法省略了氩弧焊，水极易从螺纹处渗出，导致铝旋转靶材漏水率增加至98.8％；

(4)将实施例1与对比例3进行对比，可以发现，由于对比例3所述铝旋转靶材的法兰端头为纯铝，在30kW的溅射功率下，极易变形，靶材变形率增加至71.2％。

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 (1)

1.一种铝旋转靶材的连接方法，其特征在于，所述铝旋转靶材包括铝管和至少一个铝合金法兰端头；所述铝管的至少一端设有内螺纹；至少一个所述铝合金法兰端头上设有外螺纹；通过所述内螺纹与所述外螺纹将所述铝管和至少一个所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；将所述铝管和所述铝合金法兰端头的连接处进行氩弧焊，得到铝旋转靶材；

在所述铝管上铝管端面与所述内螺纹的连接处设置坡口；

所述氩弧焊包括依次进行的预热和焊接；

所述焊接包括依次进行的一级焊接和二级焊接；

所述连接方法包括如下步骤：

首先，在厚度为8-10mm的铝管的至少一端设置内螺纹，在至少一个铝合金法兰端头上设置外螺纹，且在铝管上内螺纹与铝管端面连接处设置坡口，所述坡口的深度为3-5mm，宽度为3-5mm；其次，将铝管和铝合金法兰端头放入乙醇和/或丙酮中，20-30℃超声10-15min进行清洗，并使用气枪吹扫进行干燥；接着，通过内螺纹与外螺纹将所述铝管和所述铝合金法兰端头进行螺纹连接；随后，以80-120mA的电流沿着坡口处空走8-10min进行预热，在坡口处填充焊料，以170-230mA的电流进行一级焊接10-15min，以300-350mA的电流进行二级焊接15-20min，得到铝旋转靶材。

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