一种靶材与背板的高性能焊接方法与流程

1.本发明属于靶材焊接技术领域，具体涉及一种靶材与背板的高性能焊接方法。


背景技术：

2.磁控溅射是物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)的一种，是指电子在电场e的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出ar正离子，并在电场作用下加速飞向阴极靶，以高能量轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。靶材是磁控溅射中使用的溅射源。
3.靶材一般分为单体和复合型，复合型靶材一般包括靶面和背板组件，通过绑定技术将靶面及背板组件进行连接。靶材常用的绑定方式为钎焊、电子束焊接、扩散焊接及机械连接，其中钎焊焊接是使用最广泛的绑定方式。常规钎焊类靶材要求焊合率高于95％，8
‑
12英寸靶材焊合率要求在97％甚至99％以上，以保证靶材的焊接可靠性。对于磁性材料靶材，靶材的厚度直接影响靶材的透磁率，需要磁性靶材具有较高的厚度均匀性，这对焊接技术提出了较高的要求，以保证靶材焊接平面度。
4.现有靶材的钎焊技术，通常在大气中进行焊接，焊料易与空气反应，形成氧化膜，焊接过程中，靶材与背板间易混入气体及氧化膜，形成焊接缺陷，造成焊合率低，特别是微小焊接缺陷很难消除，并且焊接后靶材变形较大，对于磁性材料靶材成品厚度均匀性影响较大，另外，对于需要炉冷的靶材，一个焊接台一次一般只能焊接一块靶材，一班只能焊接一块靶材，焊接效率低，焊接一致性差；对于高温焊接过程，因温度较高造成焊料氧化更加严重，焊接过程比软钎焊要求更高。而真空钎焊技术主要用于航空航天行业机箱等壳体的焊接，以保证焊接的密封性及焊接强度，鲜有关于靶材大面积真空钎焊焊接的报道。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种靶材与背板的焊接方法，包括如下步骤：
6.步骤1：靶坯加工：将靶坯直径及厚度加工至尺寸，清洗去油，酒精脱水，真空烘干，对靶坯焊接面进行背金处理，在真空或保护气氛条件下，对靶坯加热，在焊接面超声浸润一层焊料；
7.步骤2：背板加工：在背板焊接面加工焊接槽，清洗去油，酒精脱水，真空烘干，在真空或保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层焊料，同时在焊接槽中等距放置三根同直径规格铜丝，对铜丝进行超声浸润焊料，在保护氛围下冷却凝固，在焊料层上加工一定形状的焊接排气花纹；
8.步骤3：靶材与背板组件固定：将靶材焊接面向下放入背板焊接槽中，采用夹板将靶材与背板对中固定；
9.步骤4：焊接加工：将固定好的靶材与背板平放，靶面向上，在真空或保护气氛条件下进行加热并保温，随炉冷却，实现靶材与背板异质材料的大面积高质量的焊接。
10.优选的，步骤1中，所述靶坯材料包含钴，钽，钛，镍及镍合金，铜及铜合金；靶坯直径尺寸φ300
‑
φ500mm，靶坯厚度1mm
‑
20mm，靶坯表面干燥无氧化。
11.优选的，步骤1中，靶坯焊接面背金方式为电镀或溅射镀，背金材料为ni、niv、ag或其他焊接浸润较好的材料，以保证超声浸润后靶材与焊料充分浸润，焊料层厚度0.05
‑
0.2mm。
12.优选的，步骤1中，靶材与背板的焊接方式为钎焊，焊料为高纯in，sn，insn及agcu合金等。
13.优选的，步骤2中，所述的背板材料包括铜及铜合金，背板焊接面车槽，槽深0.7
‑
1.0mm，背板表面干燥无氧化，以保证超声浸润后背板与焊料充分浸润，焊料层厚度0.3
‑
0.7mm。
14.优选的，步骤2中，背板垫铜丝直径0.1
‑
0.3mm，在焊接槽中等距放置3根同直径规格铜丝，浸入焊料层中，并超声浸润铜丝，在保护氛围下冷却凝固，在焊料层上加工一定形状的焊接排气花纹。
15.优选的，步骤3中，所述夹板为可伸缩弹性夹板，其夹持力在50
‑
300kgf，且夹板作用面尺寸与靶面尺寸一致，保证对靶面的作用力均匀一致，在真空焊接过程中，焊料熔化后，在伸缩弹性夹板的压力作用下，将多余焊料挤压出焊缝，铜丝起到支撑作用，保证焊缝厚度均匀一致。
16.步骤(4)中所述焊接过程在真空中进行，真空度≤1pa，焊接温度250
‑
800℃，保温时间2.5
‑
5h。
17.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
18.1)本发明焊接方法制备的靶材，焊合率高，通过真空焊接技术，设计合理的焊接面排气花纹，克服常规焊接方法无法排除焊接面气体及焊料氧化膜混入的问题，对于高温焊接具有较大的优势，避免了高温焊接过程中焊料的氧化，同时，背板及靶材也得到保护，避免高温操作风险，操作简单，焊合率达到99％以上，局部最大未焊合率≤0.5％；
19.2)本发明的焊接方法，克服了常规钎焊焊接方法焊接变形大问题，降低了靶材的焊接应力，焊接后靶材平面度≤0.5mm，通过后续调平技术，可保证靶材成品的厚度均匀性，提高靶材的性能，对于磁性材料靶材，靶面厚度均匀性至关重要，以保证靶材透磁率的均匀性；
20.3)本发明的焊接方法，一炉可同时加工多块靶材，提高了生产效率，消除了焊接过程中人为因素的影响，可实现靶材焊接的批量化生产，稳定一致性高。
附图说明
21.图1为本发明的靶材焊接的加工流程图；
22.图2为本发明的靶材焊接的结构示意图；
23.图3为本发明的焊接排气花纹示意图。
具体实施方式
24.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类
似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.下面结合附图，对本发明的一种靶材与背板的焊接方法进行详细描述。
28.如图1
‑
3所示，一种靶材与背板的焊接方法，包括如下步骤：
29.步骤1：靶坯加工：将靶坯直径及厚度加工至尺寸，清洗去油，酒精脱水，真空烘干，对靶坯焊接面进行背金处理，在真空或保护气氛条件下，对靶坯加热，在焊接面超声浸润一层焊料；
30.步骤2：背板加工：在背板焊接面加工焊接槽，清洗去油，酒精脱水，真空烘干，在真空或保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层焊料，同时在焊接槽中等距放置三根同直径规格铜丝，对铜丝进行超声浸润焊料，在保护氛围下冷却凝固，在焊料层上加工一定形状的焊接排气花纹；
31.步骤3：靶材与背板组件固定：将靶材焊接面向下放入背板焊接槽中，采用夹板将靶材与背板对中固定；
32.步骤4：焊接加工：将固定好的靶材与背板平放，靶面向上，在真空或保护气氛条件下进行加热并保温，随炉冷却，实现靶材与背板异质材料的大面积高质量的焊接。
33.优选的，步骤1中，所述靶坯材料包含钴，钽，钛，镍及镍合金，铜及铜合金；靶坯直径尺寸φ300
‑
φ500mm，靶坯厚度1mm
‑
20mm，靶坯表面干燥无氧化。
34.优选的，步骤1中，靶坯焊接面背金方式为电镀或溅射镀，背金材料为ni、niv、ag或其他焊接浸润较好的材料，以保证超声浸润后靶材与焊料充分浸润，焊料层厚度0.05
‑
0.1mm。
35.优选的，步骤1中，靶材与背板的焊接方式为钎焊，焊料为高纯in，sn，insn及agcu合金等。
36.优选的，步骤2中，所述的背板材料包括铜及铜合金，背板焊接面车槽，槽深0.7
‑
1.0mm，背板表面干燥无氧化，以保证超声浸润后背板与焊料充分浸润，焊料层厚度0.3
‑
0.7mm。
37.优选的，步骤2中，背板垫铜丝直径0.1
‑
0.3mm，在焊接槽中等距放置3根同直径规格铜丝，浸入焊料层中，并超声浸润铜丝，在保护氛围下冷却凝固，在焊料层上加工一定形状的焊接排气花纹。
38.优选的，步骤3中，所述夹板为可伸缩弹性夹板，其夹持力在50
‑
300kgf，且夹板作用面尺寸与靶面尺寸一致，保证对靶面的作用力均匀一致，在真空焊接过程中，焊料熔化后，在伸缩弹性夹板的压力作用下，将多余焊料挤压出焊缝，铜丝起到支撑作用，保证焊缝厚度均匀一致。
39.步骤4中所述焊接过程在真空中进行，真空度≤1pa，焊接温度250
‑
800℃，保温时间2.5
‑
5h。
40.下面列举优选实施例和对比实施例，对本发明进一步说明。
41.优选实施例一
42.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力220kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度250℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
43.优选实施例二
44.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力220kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度300℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
45.优选实施例三
46.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力220kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度350℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
47.优选实施例四
48.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润
in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力220kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度350℃，保温时间4h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
49.优选实施例五
50.ni靶坯加工至尺寸φ450mm*3.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对ni靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力130kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度350℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
51.优选实施例六
52.ni靶坯加工至尺寸φ450mm*3.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对ni靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力130kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度400℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
53.优选实施例七
54.nife靶坯加工至尺寸φ300mm*1.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对镍铁靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力90kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度300℃，保温时间4h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
55.优选实施例八
56.nife靶坯加工至尺寸φ300mm*1.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对镍铁靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘
干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上加工焊接排气花纹，如图3(a)所示；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力90kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度500℃，保温时间4h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
57.对比实施例一
58.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在ar气保护气氛条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm，在ar气保护气氛条件下冷却至常温；在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在ar气保护气氛条件下，对背板进行加热，在背板焊接面超声浸润一层in，厚度0.3mm，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in，在ar气保护气氛条件下冷却至常温，在in层上不加工焊接排气花纹；将靶材放入背板焊接槽中，靶材焊接面与背板焊接槽对应，采用可伸缩弹性夹板将靶材与背板对中固定，夹持力220kgf，靶面向上，将靶材放入真空设备中，抽真空，当真空度≤1pa后开始加热，加热时间2h，保温温度250℃，保温时间3h，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
59.对比实施例二
60.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在大气条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm；同时，在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，对背板进行加热，在背板焊接槽中形成in池，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in；将靶材焊接面扣入背板焊接槽中，将靶材移到冷却平台，靶面加压块重量220kg，靶材空冷。焊合率及平面度数据如表1所示。
61.对比实施例三
62.高纯钴靶坯加工至尺寸φ500mm*3.5mm，钴靶坯清洗，脱水，真空烘干，焊接面溅射镀ni处理，在大气条件下，在焊接平台对co靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm；同时，在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，对背板进行加热，在背板焊接槽中形成in池，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in；将靶材焊接面扣入背板焊接槽中，靶面加压块重量220kg，关闭焊接平台电源，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
63.对比实施例四
64.ni靶坯加工至尺寸φ450mm*3.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，在焊接平台对ni靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm；同时，在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，对背板进行加热，在背板焊接槽中形成in池，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in；将靶材焊接面扣入背板焊接槽中，靶面加压块重量130kg，关闭焊接平台电源，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
65.对比实施例五
66.nife靶坯加工至尺寸φ300mm*1.5mm，靶坯清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，
在焊接平台对nife靶坯加热，在焊接面超声浸润一层in，厚度0.05mm；同时，在铜背板焊接面车焊接槽，槽深0.7mm，铜背板清洗，脱水，真空烘干，在大气条件下，对背板进行加热，在背板焊接槽中形成in池，同时在焊接槽中等距放置3根φ0.15mm铜丝，将铜丝进行超声浸润in；将靶材焊接面扣入背板焊接槽中，靶面加压块重量90kg，关闭焊接平台电源，随炉冷却。焊合率及平面度数据如表1所示。
67.表1实施例和对比例中焊合率及平面度值
[0068][0069]
从表1中可以看出，优选实施例中，不同材料靶材焊合率均在99.7％以上，局部未焊合率≤0.5％，焊接后靶材平面度≤0.5mm；随真空焊接温度的升高，靶材焊合率提高，但靶材焊接平面度下降，增加焊接时间对焊合率影响较小，靶材焊合率一致性较高，可实现批量稳定化生产；对比实施例一中，焊接面未加工焊接排气花纹，靶材的焊合率下降，局部未焊合率升高，靶材的平面度与优选实施例一一致；采用常规钎焊焊接方法制备靶材，焊合率较难达到99％以上，局部未焊合率在0.86％
‑
1.12％之间，焊接过程受人为影响较大，稳定性差；常规钎焊随炉冷却靶材较空冷靶材焊接变形小，焊后平面度小，但仍大于真空焊接靶材平面度。
[0070]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。