CN116770243A - 一种制备异种金属靶材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备异种金属靶材的方法，涉及靶材制备领域，旨在解决靶材溅射均匀性的问题，其技术方案要点是：准备背板及靶材；根据靶材材质，选用相应屈服强度的轧辊；根据材料和成品厚度设计轧制形变量，计算原料锭厚度；进行退火；板材校平；板材机加工；背板加工；将要连接的金属表面清洗干净，确保表面光滑；将光滑面板材放置于背板凹槽中，放置在加热的夹具中加热，加压，使金属部件紧密贴合，形成原子之间扩散，形成均匀的混合层，并形成连接；在达到扩散深度后，停止加热并冷却，使金属重新结晶并形成一个稳定的连接；包装。本发明的一种制备异种金属靶材的方法能够改善靶材溅射均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及制备金属靶材领域，更具体地说，它涉及一种制备异种金属靶材的方法。
背景技术
金属靶材是用于制备薄膜材料的重要材料，尤其在光学涂层、太阳能电池、磁存储、导电涂层等领域有着广泛的应用。为了获得高品质的薄膜材料，需要确保异种金属靶材具有高纯度、均匀性和致密性等特点。显示器、半导体行业溅射用金属靶材往往采用高纯的铝、铜、钛、镍或钽等比较贵重的金属材料。
由于不同金属材料的强度不一，在实际应用过程中，需要将符合性能要求的金属溅射靶材和具有一定强度的背板结合制成靶材组件，形成高性能异种金属靶材，在磁场、电场作用下有效地进行磁控溅射。
金属溅射靶材可以使用组件结构降低靶材原料成本，还可以使用强度更大的背板进行支撑和冷却作用，常用的背板材料有高纯铝、高纯铜、铝合金或铜合金等。
目前一般选择将金属溅射靶材和背板进行加工并使用焊料将其焊接成型，此工艺一次成功率较低，需要保证较高的焊接率和较小的尺寸偏差，否则会导致金属溅射靶材在受热条件下变形、开裂，甚至从背板上脱落，无法保证后续溅射的成功进行。
因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种制备异种金属靶材的方法，能够提高一次成品率以及增加靶材和背板的焊接率，改善靶材溅射均匀性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种制备异种金属靶材的方法，包括以下步骤，
步骤一、准备背板材料以及靶材原料锭；
步骤二、选择设备：根据靶材材质不同，选用相应屈服强度的轧辊；
步骤三、轧制板材：根据材料材质和成品厚度设计轧制形变量，从而计算原料锭厚度，保证轧比＞65％；
步骤四、板材退火：对轧制后的靶材进行退火操作；
步骤五、板材校平；
步骤六、板材机加工；
步骤七、背板加工；
步骤八、扩散焊接：将要连接的金属表面清洗干净，并确保表面光滑；将光滑面板材放置于背板凹槽中，再放置在加热的夹具中加热，施加压力，使两个金属部件紧密贴合，形成原子之间的扩散，形成一个均匀的混合层，并形成连接；
步骤九、焊接冷却：在达到扩散深度后，停止加热并冷却，使金属重新结晶并形成一个稳定的连接；
步骤十、清洁包装。
本发明进一步设置为：在步骤一中，背板材料为高纯铝、高纯铜、铝合金或铜合金。
本发明进一步设置为：在步骤一中，靶材原料锭为高纯钛、高纯镍或高纯钽。
本发明进一步设置为：在步骤五中，使用多滚轮校平机，通过多个滚轮同时施加不同方向上的力来进行校平。
本发明进一步设置为：在步骤六中，根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品直径+5-8mm，厚度尺寸+1.5-3mm；且粗糙度Ra＜5μm。
本发明进一步设置为：在步骤七中，根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品外径+5-8mm，凹槽内径：板材外径+0.05-0.01mm，凹槽深度尺寸：板材厚度+0.05-0.01mm；且粗糙度1＜Ra＜6μm。
本发明进一步设置为：在步骤八中，加热温度为300-1000℃。
本发明进一步设置为：在步骤八中，在热处理期间，金属钛和铝合金会扩散到彼此的表面上，形成共同的焊接区域，此时注入钛和铝的混合物。
本发明进一步设置为：注入钛和铝的混合物后，保温保压3-5h后，将热处理后的金属钛和铝合金部件从高温炉中取出，然后冷却至室温。
综上所述，本发明具有以下有益效果：与传统焊接方法相比，扩散焊不需要添加外部填充材料，而是利用材料的原子结构使两个金属表面在高温和压力下结合在一起，改善了金属焊接率偏低和普通焊接偏心的缺点，被广泛应用于空气航天、汽车、半导体和机械制造等领域，尤其是在要求高强度、高精度和高质量的关键应用中。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
为了提高一次成品率以及增加靶材和背板的焊接率，改善靶材溅射均匀性，提出以下：
一种高性能异种金属靶材的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、准备背板材料：高纯铝、高纯铜、铝合金或铜合金等；准备靶材原料锭：高纯钛、高纯镍、高纯钽等。
步骤二、准备设备：根据靶材材质不同，选用相应屈服强度的轧辊，轧辊屈服强度过小意味着轧辊变形能力不足，轧制过程中轧件的厚度均匀性、宽度准确度可能会受到影响，致使轧制品的尺寸精度下降，且影响轧辊使用寿命。轧辊屈服强度过大可能会导致材料内部裂纹等缺陷。
步骤三、轧制板材：根据材料材质和成品厚度设计轧制形变量，从而计算原料锭厚度，保证轧比＞65％，才能起到细化晶粒的作用。
步骤四、板材退火：对轧制后的靶材进行退火操作，退火可以减少金属中的应力和硬化程度，使其更加均匀和柔软，选取最佳退火温度、退火时间和冷却速率以获得最佳的物理和机械性能，使其更容易加工、成型和使用。
步骤五、板材校平：板材校平有利于减少加工余量，降低成本，也有利于内部组织均匀性。使用多滚轮校平机(Multi-Roll Leveler)，通过多个滚轮同时施加不同方向上的力来进行校平。这种校平方式可以有效地消除金属板材或带材内部的应力和弯曲度，使其变得更加平整和精确。
步骤六、板材机加工：根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品直径+5-8mm，厚度尺寸+1.5-3mm；且粗糙度Ra＜5μm。
步骤七、背板加工：根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品外径+5-8mm，凹槽内径：板材外径+0.05-0.01mm，凹槽深度尺寸：板材厚度+0.05-0.01mm；且粗糙度1＜Ra＜6μm。
步骤八、扩散焊接(Diffusion welding)：将要连接的金属表面清洗干净，并确保表面光滑；将光滑面板材放置于背板凹槽中，再放置在加热的夹具中，加热温度300-1000℃，施加一定的压力，使两个金属部件紧密贴合，以促进原子之间的扩散，形成一个均匀的混合层，并形成连接。通过这种方式，可以创建出非常强大和坚固的金属连接，而且不会留下明显的焊接痕迹或裂缝。
步骤九、焊接冷却：在达到适当的扩散深度后，停止加热并冷却，使金属重新结晶并形成一个稳定的连接。
其中，在热处理期间，金属钛和铝合金会扩散到彼此的表面上，形成共同的焊接区域。这时应注入少量钛和铝的混合物，以促进元素掺杂并加强焊接的结构，保温保压3-5h后，将热处理后的金属钛和铝合金部件从高温炉中取出，然后冷却至室温。
步骤十、焊接后的靶材是一个整体，对这个整体按照图纸进行加工、表面处理、清洁包装后，即可获得成品高性能异种金属靶材。
与传统焊接方法相比，扩散焊不需要添加外部填充材料，而是利用材料的原子结构使两个金属表面在高温和压力下结合在一起，改善了金属焊接率偏低和普通焊接偏心的缺点。被广泛应用于空气航天、汽车、半导体和机械制造等领域，尤其是在要求高强度、高精度和高质量的关键应用中。
实施例1：
1)准备原料：金属钛锭：纯度99.999％，尺寸φ180*60mm，铝合金6061：φ425*20mm
2)使用二辊轧机，设置每道次下压量，下压量随着材料内部应力增大而减小，将毛坯从60mm轧制至12mm，轧制比为80％，轧制后有效尺寸为φ380*12mm。
3)将钛板放置于退火炉中，设置退火温度500℃，退火时间1.5h，水冷，迅速冷却避免晶粒长大。
4)退火后钛板最大翘曲度为3.2mm。
5)使用多滚轮校平机将钛板校平，校平后翘曲为±0.2mm。
6)使用龙门铣和加工中心将毛坯加工成半成品尺寸：φ370.52*8.6mm，焊接面粗糙度Ra3.537μm，使用加工中心将背板加工成：外径φ425mm，凹槽内径φ370.58mm，凹槽深度为8.66mm，焊接面粗糙度为Ra3.096μm。
7)将加工好的钛板半成品和铝合金背板去除油污，清洗干净，将粗糙度Ra3.537μm的一面放置于背板凹槽中，用划线的方式确定焊接面积，再一起放置于高温炉中的夹具中，加热温度700℃，同时施加3Mpa压力，使两个金属部件紧密贴合，以促进原子之间的扩散，形成一个均匀的混合层。
8)在热处理期间，金属钛和铝合金会扩散到彼此的表面上，形成共同的焊接区域。这时应注入少量钛和铝的混合物，以促进元素掺杂并加强焊接的结构。
9)保温保压4h后，将热处理后的金属钛和铝合金部件从高温炉中取出，然后冷却至室温。
10)等待焊接部件冷却后，对其进行焊接率探伤C-Scan检测，检测其焊接率高达99.7％，符合靶材焊接率要求，大大提高一次成品率和同心度要求。
11)对靶材整体进行机械加工、表面处理、清洁包装，即可获得成品高性能异种金属靶材。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、准备背板材料以及靶材原料锭；
步骤二、选择设备：根据靶材材质不同，选用相应屈服强度的轧辊；
步骤三、轧制板材：根据材料材质和成品厚度设计轧制形变量，从而计算原料锭厚度，保证轧比＞65％；
步骤四、板材退火：对轧制后的靶材进行退火操作；
步骤五、板材校平；
步骤六、板材机加工；
步骤七、背板加工；
步骤八、扩散焊接：将要连接的金属表面清洗干净，并确保表面光滑；将光滑面板材放置于背板凹槽中，再放置在加热的夹具中加热，施加压力，使两个金属部件紧密贴合，形成原子之间的扩散，形成一个均匀的混合层，并形成连接；
步骤九、焊接冷却：在达到扩散深度后，停止加热并冷却，使金属重新结晶并形成一个稳定的连接；
步骤十、清洁包装。
2.根据权利要求1所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤一中，背板材料为高纯铝、高纯铜、铝合金或铜合金。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤一中，靶材原料锭为高纯钛、高纯镍或高纯钽。
4.根据权利要求1所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤五中，使用多滚轮校平机，通过多个滚轮同时施加不同方向上的力来进行校平。
5.根据权利要求1所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤六中，根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品直径+5-8mm，厚度尺寸+1.5-3mm；且粗糙度Ra＜5μm。
6.根据权利要求1或5所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤七中，根据成品图纸，使用CNC加工中心，加工出成品外径+5-8mm，凹槽内径：板材外径+0.05-0.01mm，凹槽深度尺寸：板材厚度+0.05-0.01mm；且粗糙度1＜Ra＜6μm。
7.根据权利要求1所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤八中，加热温度为300-1000℃。
8.根据权利要求1所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：在步骤八中，在热处理期间，金属钛和铝合金会扩散到彼此的表面上，形成共同的焊接区域，此时注入钛和铝的混合物。
9.根据权利要求8所述的一种制备异种金属靶材的方法，其特征在于：注入钛和铝的混合物后，保温保压3-5h后，将热处理后的金属钛和铝合金部件从高温炉中取出，然后冷却至室温。
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