CN1970209A - 一种扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种扩散焊接方法，其特征在于包括如下步骤：(1)靶材、背板的表面加工；(2)靶材、背板的表面化学处理；(3)靶材、背板的热压；(4)靶材组件的淬火；(5)靶材组件的时效热处理。与现有技术相比，本发明的优点在于通过把靶材表面加工成纹路形状，可有效去除靶材和背板表面的氧化膜，在焊接时彻底排出两者界面之间的空气，获得具有良好焊接结合率和结合强度的溅射靶材组件；同时焊前表面化学处理、焊后热处理等措施进一步保证与提高了组件的焊接性能。

Description

一种扩散焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是一种扩散焊接方法。
背景技术
多数溅射靶是由符合溅射性能的靶与一定强度的背板连接而成的溅射靶组件，溅射时，该组件工作环境非常恶劣，首先，靶材组件工作温度高达300～400℃，其次，靶材组件的一侧充以冷却水强冷，另一侧则处在10-9Pa高真空下，因此组件的两侧形成了一个巨大的压力差，同时，组件处在高压电场、磁场中，受各种粒子的轰击。此时，如果溅射靶组件的靶与背板焊接质量差，将导致靶材受热条件下变形、开裂，最终脱落，不但不能溅射均匀，而且会导致溅射基台的损坏，靶材时在高精密的溅射基台上使用的，价值上千万美元的半导体生产设备不允许出现此类问题的。
因此，选择一种有效的焊接方式，以满足长期稳定生产、使用靶材的需要显得十分必要，对于靶材与背板熔点等材料物理性能相差很大的产品，用常规焊接很难实现有效焊接，如Ta与Al的结合，由于Ta的熔点是2996℃，而Al只有650℃左右，两者相差极大，且Ta的熔点太高，和其他金属融合能力差，使两者不易熔化结合，同时也不易通过焊料结合。
对于上述情况，可以采用扩散焊接实现有效的结合。所谓的扩散焊接是指互相接触的材料表面，在一定温度、压力作用下靠近，局部产生塑性变形，原子间相互扩散，在界面处形成新的扩散层，实现可靠连接，从而完成焊接过程。扩散焊接的优点是：1、与焊料焊接相比，靶材与背板材料原子通过扩散互相进入，属于原子级结合，结合紧密而且结合率高，结合强度更好；2、同样与焊料焊接相比，靶材与背板扩散焊接后是一个整体，受热抗变形能力强；3、与电子束焊相比，扩散焊的焊层薄，节省材料，提高靶材的利用率，这对Ta这样的稀有贵金属显得尤为重要。此外电子束焊接还有深度以及焊接面积等的限制。对于室温大气扩散，其无需采用真空或保护气氛等条件，因此生产实现容易，而且成本低。
但是，对于室温大气扩散焊接而言，也存在靶材和背板表面氧化膜去除难、界面空气排除困难等突出问题，因此急需进一步改进相关工艺，提高经扩散焊接后所得组件的高结合率、高结合强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种扩散焊接方法，该方法能有效去除靶材与背板表面的氧化膜，彻底排出靶材与背板界面之间的空气，获得具有良好焊接结合率和结合强度的溅射靶材组件。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该扩散焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)靶材、背板的表面加工：靶材表面加工成一定纹路，背板表面加工光亮；
(2)靶材、背板的表面化学处理：靶材先酸洗，再用有机清洗溶剂清洗，背板直接用有机清洗溶剂清洗；
(3)靶材、背板的热压：靶材、背板先同时放入炉中升温至350～500℃，并保温0.5～1小时后取出，迅速加压，当变形量，亦即变形距离为原始试样尺寸的30％～60％停止加压；
(4)靶材组件的淬火：把加压后的靶材组件再放回炉中，升温至450～550℃，并保温3～5小时后取出水冷；
(5)靶材组件的时效热处理：把淬火后的靶材组件重新放回炉中，升温至160～180℃，并保温8～8.5小时后取出空冷。
为最大限度的排出靶材与背板界面之间的空气，靶材和背板表面光洁度需加工到2.5～0.6μm，同时为便于焊接时背板氧化膜的破碎，靶材表面可加工成不同的纹路形状，优选为螺旋纹状。
用于酸洗的酸溶液可以选取盐酸HCL、硫酸H2SO4、氢氟酸HF和硝酸HNO3，或者这些酸的混合溶液，优选为HF∶HNO3＝1∶3的混合溶液。
为防止温度降低，导致背板的开裂，压力机应保持平压，并在1分钟之内完成压焊。
进一步为防止背板开裂，背板可在焊前进行均质化处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过把靶材表面加工成纹路形状，可有效去除靶材和背板表面的氧化膜，在焊接时彻底排出两者界面之间的空气，获得具有良好焊接结合率和结合强度的溅射靶材组件；同时焊前表面化学处理、焊后热处理等措施进一步保证与提高了组件的焊接性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
以下是Ta与6061Al合金扩散焊的工艺及结果，高纯Ta作为靶材，6061Al合金作为背板；
(1)靶材、背板的表面加工：Ta靶表面进行螺纹加工，光洁度达到1.6～0.8μm。6061Al合金表面车削光洁度1.6～0.8μm，表面光亮；
(2)靶材、背板的表面化学处理：对于Ta靶，先用HF∶HNO3＝1∶3的混合酸溶液清洗，再用有机清洗溶剂(IPA)清洗，然后真空包装。6061Al合金直接用IPA清洗后真空包装。
(3)靶材、背板的热压：Ta靶与6061Al合金同时放入炉中，随炉升温到500℃，保温三十分钟。取出材料，6061Al合金背板在下，Ta靶在上，放在四千吨压力机平台上，迅速加压，当变形距离为原始试样尺寸的40％，亦即变形量为40％时，停止加压。
(4)靶材组件的淬火：取下压焊后的Ta靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件，重新放回炉中，继续升温到540℃，保温4小时，之后取出水冷。
(5)靶材组件的时效热处理：把淬火后的靶材组件再次放回炉中加热到177℃，保温8.5小时，后空冷。
最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ta靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件其焊接结合率达到99.96％，再测试其拉伸强度，其扩散焊接的平均强度为107Mpa，结果表明，采用该扩散焊接方法所取得的靶材组件的焊接性能十分可靠。
实施例二
以下是Ta与6061Al合金扩散焊的工艺及结果，高纯Ta作为靶材，6061Al合金作为背板；
(1)靶材、背板的表面加工：Ta靶表面进行螺纹加工，光洁度达到2.5～1.6μm。6061Al合金表面车削光洁度2.5～1.6μm，表面光亮；
(2)靶材、背板的表面化学处理：对于Ta靶，先用HF∶HNO3＝1∶3的混合酸溶液清洗，再用有机清洗溶剂(IPA)清洗，然后真空包装。6061Al合金直接用IPA清洗后真空包装。
(3)靶材、背板的热压：Ta靶与6061Al合金同时放入炉中，随炉升温到450℃，保温三十分钟。取出材料，6061Al合金背板在下，Ta靶在上，放在四千吨压力机平台上，迅速加压，当变形距离为原始试样尺寸的50％，亦即变形量为50％时，停止加压。
(4)靶材组件的淬火：取下压焊后的Ta靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件，重新放回炉中，继续升温到520℃，保温5小时，之后取出水冷。
(5)靶材组件的时效热处理：把淬火后的靶材组件再次放回炉中加热到175℃，保温8.5小时，后空冷。
最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ta靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件其焊接结合率达到99.70％，再测试其拉伸强度，其扩散焊接的平均强度为101Mpa，结果表明，采用该扩散焊接方法所取得的靶材组件的焊接性能十分可靠。
实施例三
以下是Ti与6061Al合金扩散焊的工艺及结果，高纯Ti作为靶材，6061Al合金作为背板；
(1)靶材、背板的表面加工：Ti靶表面进行螺纹加工，光洁度达到2.5～1.6μm。6061Al合金表面车削光洁度2.5～1.6μm，表面光亮；
(2)靶材、背板的表面化学处理：对于Ti靶，先用HF∶HNO3＝1∶3的混合酸溶液清洗，再用有机清洗溶剂(IPA)清洗，然后真空包装。6061Al合金直接用IPA清洗后真空包装。
(3)靶材、背板的热压：Ti靶与6061Al合金同时放入炉中，随炉升温到350℃，保温60分钟。取出材料，6061Al合金背板在下，Ti靶在上，放在四千吨压力机平台上，迅速加压，当变形距离为原始试样尺寸的60％，亦即变形量为60％时，停止加压。
(4)靶材组件的淬火：取下压焊后的Ti靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件，重新放回炉中，继续升温到480℃，保温3小时，之后取出水冷。
(5)靶材组件的时效热处理：把淬火后的靶材组件再次放回炉中加热到175℃，保温8.5小时，后空冷。
最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ti靶与6061Al合金组成的溅射靶材组件其焊接结合率达到99.98％，再测试其拉伸强度，其扩散焊接的平均强度为114Mpa，结果表明，采用该扩散焊接方法所取得的靶材组件的焊接性能十分可靠。

Claims (5)

1、一种扩散焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)靶材、背板的表面加工：靶材表面加工成一定纹路，背板表面加工光亮；
(2)靶材、背板的表面化学处理：靶材先酸洗，再用有机清洗溶剂清洗，背板直接用有机清洗溶剂清洗；
(3)靶材、背板的热压：靶材、背板先同时放入炉中升温至350～500℃，并保温0.5～1小时后取出，迅速加压，当变形量达到30％～60％停止加压；
(4)靶材组件的淬火：把加压后的靶材组件再放回炉中，升温至450～550℃，并保温3～5小时后取出水冷；
(5)靶材组件的时效热处理：把淬火后的靶材组件重新放回炉中，升温至160～180℃，并保温8～8.5小时后取出空冷。
2、根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其特征在于：所述步骤(1)中，靶材和背板表面光洁度加工到2.5～0.6μm，靶材表面同时加工成螺旋纹状。
3、根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其特征在于：所述步骤(2)中，酸洗所用的酸为HF∶HNO3＝1∶3的混合溶液。
4、根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中，压力机保持平压，并在1分钟之内完成压焊。
5、根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中，背板焊前进行均质化处理。
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