一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法
阅读说明：本技术 一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法 (Diffusion welding method for aluminum-scandium alloy target ) 是由 谢小林 蔡新志 童培云 朱刘 郑双明 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法,包括以下步骤：准备铝钪合金靶材与背板；对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理；对铝钪合金靶材和背板进行清洗；将铝钪合金靶材与无氧铜或铝合金放置于金属包套中,进行脱气处理；对金属包套进行抽真空、密封处理；对金属包套进行热等静压处理,即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接,所述热等静压的过程中,金属包套升温升压至400～580℃、60～80mpa,保温保压1～2h,随炉冷却至室温。本发明和现有铝材料和其他金属材料的扩散焊接方法的优点有三点：第一：本发明提高了材料的利用率；第二：本发明简便了生产加工过程,提高了生产效率；第三：本发明有利于靶材的回收,特别是价格昂贵的钪元素。(The invention discloses a diffusion welding method of an aluminum-scandium alloy target, which comprises the following steps: preparing an aluminum-scandium alloy target and a back plate; carrying out polishing treatment on the welding surface of the aluminum-scandium alloy target and the back plate; cleaning the aluminum-scandium alloy target and the back plate; placing the aluminum-scandium alloy target material and oxygen-free copper or aluminum alloy in a metal sheath, and performing degassing treatment; vacuumizing and sealing the metal sheath; and performing hot isostatic pressing treatment on the metal sheath to finish the diffusion welding of the aluminum-scandium alloy target, wherein in the hot isostatic pressing process, the temperature and the pressure of the metal sheath are raised to 400-580 ℃ and 60-80 mpa, the temperature and the pressure are kept for 1-2 h, and the metal sheath is cooled to room temperature along with the furnace. The invention has three advantages compared with the prior diffusion welding method of aluminum materials and other metal materials: firstly, the method comprises the following steps: the invention improves the utilization rate of the material; secondly, the method comprises the following steps: the invention simplifies the production and processing process and improves the production efficiency; thirdly, the method comprises the following steps: the invention is beneficial to the recovery of the target material, in particular to the scandium element with high price.)
技术领域
本发明涉及靶材加工技术领域，尤其涉及一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法。
背景技术
铝钪合金靶材作为集成电路的新型配线材料，不仅可以提高材料硬度，还可以改善材料应力位移，有效地避免与铝原子流出、断线有关的电子迁移，与传统的配线材料相比，能保持与高纯铝相同的电导率，相对铝硅铜系靶材能数倍地改善电子迁移和应力位移，目前铝钪合金靶材是大规模集成电路的优选材料。
CN 110527956 A公开了钪元素的含量为5 at％-50at％、其余为铝元素的铝钪合金溅射靶材制备方法，该方法使用真空磁悬浮熔炼炉将原料铝和原料钪完全合金化，再采用快速铸造工艺铸造制备铝钪合金靶材，煅打或轧制成所需的规格，该方法可制成铝钪合金靶材。
CN 110093588 A 公开了一种细晶粒铝钪合金靶材制备方法，该方法将纳米级铝粉、纳米级钪粉和特制的混液混合后进行湿法球磨，得到铝钪合金靶材浆料，再将铝钪合金靶材浆料注浆成型后，再将得到铝钪合金坯体依次进行脱脂和烧结，得到细晶粒钪合金靶材，该方法可制得晶粒细小均匀，且氧含量低、密度大的铝钪合金靶材。
但是，在磁控溅射过程中，需要将铝钪合金靶材与无氧铜（或铝合金等其他材料）背板焊接在一起，要使焊接后的靶材满足良好的导热、导电性能以及不脱落要求，则要求靶材与底盘之间的结合区域大于98%。目前使用的焊接方法主要为钎焊和扩散焊，钎焊通常采用低熔点的In、Sn及其合金料进行焊接，其工艺简单，但焊料熔点低，无法满足大功率溅射镀膜的需求，而扩散焊具有焊合率高、焊接强度高等优点，特别适合用于大功率、高效率溅射镀膜靶材。通常，为了提高焊接强度，会在靶材和背板中选择硬度较高的一种材料，在其焊接面上加工螺纹，焊接时将螺纹嵌入到硬度较软的材料中，增加了焊接的接触面积，提高了焊接强度和焊接的结合率。
例如CN 110369897 A公开了一种靶材与背板的焊接方法，所述方法为本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述方法为在靶材与背板中选择硬度较高的一种材料，在其焊接面上加工螺纹，组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，用热等静压方式将靶材与背板焊接形成靶材组件。该方法避免了采用钎焊的方式，降低了采用焊料所需的成本，但需要同时对靶材与背板进行加工，加工成本较高，难度较大，且钪元素昂贵，增加了原料成本。
针对现有技术的不足之处，本发明提出一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明提供了一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法，包括以下步骤：
S1：准备铝钪合金靶材与背板；
S2：对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理；
S3：对铝钪合金靶材和背板进行清洗；
S4：将铝钪合金靶材与背板放置于金属包套中，进行脱气处理；
S5：对金属包套进行抽真空、密封处理；
S6：对金属包套进行热等静压处理，即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接，所述热等静压的过程中，金属包套升温升压至400~580℃、60~80mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中铝钪合金靶材中钪元素含量为8~20at％，其余为铝元素。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S6中，金属包套升温升压至480℃、68mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2光洁处理的过程中，使用车床车削焊接面，使焊接面粗糙度小于或等于0.3μm，平整度小于或等于0.1mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中用沾有无水乙醇的无尘擦拭布进行清洗。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4脱气的过程中，将金属包套升温至150~200℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即完成脱气处理。
作为本发明的进一步改进，所述金属包套抽真空后相对真空度小于等于10-2Pa。
作为本发明的进一步改进，所述金属包套外面设置一层石墨纸。
作为本发明的进一步改进，所述背板的材质为无氧铜或铝合金。
本发明和现有铝材料和其他金属材料的扩散焊接方法的优点有三点：第一：本发明提高了材料的利用率；第二：本发明简便了生产加工过程，提高了生产效率；第三：本发明有利于靶材的回收，特别是钪元素价格昂贵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明供了一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：准备铝钪合金靶材与背板；
S2：对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理；
S3：对铝钪合金靶材和背板进行清洗；
S4：将铝钪合金靶材与背板放置于金属包套中，进行脱气处理；
S5：对金属包套进行抽真空、密封处理；
S6：对金属包套进行热等静压处理，即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接，所述热等静压的过程中，金属包套升温升压至400~580℃、60~80mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温。
上述一种铝钪合金靶材的扩散焊接方法的过程中，将铝钪合金靶材与无氧铜或铝合金放置于金属包套中，金属包套升温升压至400~580℃、60~80mpa，在高温高压的环境下完成扩散焊接的靶材其焊合率高，性能更稳定，所制备得到的靶材更能抵御高温高压的冲击，并且该靶材在后续的溅射过程中，能持续保持焊接的稳定而不会发生脱落的情况；并且在研究过程中发明人发现，金属包套升温升压至400~580℃、60~80mpa，保温保压1~2h，得到靶材的焊合率最高，焊合率均在99%以上。
优选地，所述步骤S1中铝钪合金靶材中钪元素含量为8~20at％，其余为铝元素。
优选地，所述步骤S6中，金属包套升温升压至480℃、68mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温。
优选地，所述步骤S2光洁处理的过程中，使用车床车削焊接面，使焊接面粗糙度小于或等于0.3μm，平整度小于或等于0.1mm。
优选地，所述步骤S3中用沾有无水乙醇的无尘擦拭布进行清洗。
优选地，所述步骤S4脱气的过程中，将金属包套升温至150~200℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即完成脱气处理。
优选地，所述金属包套抽真空后相对真空度小于等于10-2Pa。
优选地，所述金属包套外面设置一层石墨纸。
优选地，所述背板的材质为无氧铜或铝合金。
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施例对本发明方法和效果做进一步详细的说明。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1。
S1：准备钪元素含量为8~20at％，其余为铝元素的铝钪合金靶材与背板；
S2：对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理，使焊接面粗糙度小于或等于0.3μm，平整度小于或等于0.1mm；
S3：对铝钪合金靶材和背板进行清洗；
S4：将铝钪合金靶材与背板放置于金属包套中，进行脱气处理，脱气的过程中，将金属包套升温至150~200℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即完成脱气处理；
S5：对金属包套进行抽真空使相对真空度小于等于10-2Pa，随后密封处理；
S6：对金属包套进行热等静压处理，热等静压的过程中，金属包套升温升压至480℃、68mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温，热等静压结束后即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为99.8%。
实施例2。
S1：准备钪元素含量为8~20at％，其余为铝元素的铝钪合金靶材与背板；
S2：对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理，使焊接面粗糙度小于或等于0.3μm，平整度小于或等于0.1mm；
S3：对铝钪合金靶材和背板进行清洗；
S4：将铝钪合金靶材与背板放置于金属包套中，进行脱气处理，脱气的过程中，将金属包套升温至150~200℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即可完成脱气处理；
S5：对金属包套进行抽真空使相对真空度小于等于10-2Pa，随后密封处理；
S6：对金属包套进行热等静压处理，热等静压的过程中，金属包套升温升压至405℃、62mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温，热等静压结束后即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为99.5%。
实施例3。
S1：准备钪元素含量为8~20at％，其余为铝元素的铝钪合金靶材与背板；
S2：对铝钪合金靶材和背板的焊接面进行光洁处理，使焊接面粗糙度小于或等于0.3μm，平整度小于或等于0.1mm；
S3：对铝钪合金靶材和背板进行清洗；
S4：将铝钪合金靶材与背板放置于金属包套中，进行脱气处理，脱气的过程中，将金属包套升温至150~200℃，保温2~4h，随炉冷却至室温，即可完成脱气处理；
S5：对金属包套进行抽真空使相对真空度小于等于10-2Pa，随后密封处理；
S6：对金属包套进行热等静压处理，热等静压的过程中，金属包套升温升压至530℃、75mpa，保温保压1~2h，随炉冷却至室温，热等静压结束后即可完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为99.4%。
对比例1。
本对比例与实施例1的差别仅在于，不采用金属包套，将铝钪合金靶材与背板直接进行热等静压处理，完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为50%。
对比例2。
本对比例与实施例1的差别仅在于，进行热等静压处理过程中，温度升高至700℃，完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为96.7%。
对比例3。
本对比例与实施例1的差别仅在于，进行热等静压处理过程中，温度升高至400℃，完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为93.5%。
对比例4。
本对比例与实施例1的差别仅在于，进行热等静压处理过程中，压力升高至50mpa，完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为98.2%。
对比例5。
本对比例与实施例1的差别仅在于，进行热等静压处理过程中，压力升高至90mpa，完成铝钪合金靶材的扩散焊接，用c-scan测得绑定焊合率为98.7%。
本发明和现有铝材料和其他金属材料的扩散焊接方法的优点有三点：第一：本发明提高了材料的利用率；第二：本发明简便了生产加工过程，提高了生产效率；第三：本发明有利于靶材的回收，特别是钪元素价格昂贵。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
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