钨钛靶材组件的焊接方法与流程

本发明涉及靶材制造领域，尤其涉及一种钨钛靶材组件的焊接方法。

背景技术：

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)被广泛的应用在光学、电子、信息等高端产业中，例如集成电路、液晶显示器、工业玻璃、照相机镜头、信息存储、船舶、化工等产业。物理气相沉积中使用的合金靶材则是集成电路、液晶显示器等制造过程中最重要的原材料之一。随着物理气相沉积技术的不断发展，对合金靶材需求量及质量要求日益提高。其中，合金靶材组件的焊接强度是影响合金靶材使用的重要因素。

钨钛靶材被广泛用于半导体芯片制造和太阳能薄膜电池制造等领域。钨钛靶材使用前，一般需要将高纯靶材与背板焊接在一起，形成钨钛靶材组件。目前，钨钛靶材组件的焊接方式基本采取钎焊，焊料通常使用铟。

然而，现有钨钛靶材组件的焊接方法制作的钨钛靶材组件存在焊接强度低的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种钨钛靶材组件的焊接方法，以提高钨钛靶材组件的焊接强度。

为解决上述问题，本发明提供一种钨钛靶材组件的焊接方法，包括：

提供钨钛靶材和背板；

在所述钨钛靶材的焊接面放入第一量的焊料并进行第一浸润处理；

在所述背板的焊接面放入第二量的焊料并进行第二浸润处理；

在所述第二浸润处理之后，向所述背板的焊接面添加第三量的焊料；

在向所述背板的焊接面添加所述第三量的焊料后，且在所述第一浸润处理后，将所述钨钛靶材的焊接面扣合在所述背板的焊接面上。

可选的，所述第一量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料；所述第二量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料；所述第三量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料。

可选的，所述第一量的焊料为30g/cm²～40g/cm²；所述第二量的焊料为30g/cm²～40g/cm²；所述第三量的焊料为200g/cm²～800g/cm²。

可选的，添加的所述第三量的焊料为熔融状态。

可选的，在所述钨钛靶材的焊接面放入第一量的焊料并进行第一浸润处理前，还包括：对所述钨钛靶材的焊接面进行喷砂处理，所述喷砂处理使所述焊接面的粗糙度达到3μm～5μm。

可选的，所述第一浸润处理包括：加热所述钨钛靶材，在所述加热前或者所述热加过程中，在所述钨钛靶材的焊接面放入所述第一量的焊料，并加热至所述第一量的焊料熔化，然后对所述第一量的焊料与所述钨钛靶材的焊接面之间进行超声波处理或者机械磨刷处理；所述第二浸润处理包括：加热所述背板，在所述加热前或者所述热加过程中，在所述背板的焊接面放入所述第二量的焊料，并加热至所述第二量的焊料熔化，然后对所述第二量的焊料与所述背板的焊接面之间进行超声波处理或者机械磨刷处理。

可选的，将所述第一量的焊料加热至230℃～260℃，将所述第二量的焊料加热至230℃～260℃。

可选的，将所述钨钛靶材的焊接面扣合在所述背板的焊接面上时，在所述焊料周边补充惰性气体或者氮气进行保护。

可选的，在将所述钨钛靶材的焊接面扣合在所述背板的焊接面上后，对钨钛靶材和背板进行加压，并在加压过程中，将所述钨钛靶材和背板冷却至150℃～170℃。

可选的，将所述钨钛靶材和背板冷却至150℃～170℃后，对所述钨钛靶材和背板进行反方向加压处理。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，在钨钛靶材的焊接面放入第一量的焊料并进行第一浸润处理，在背板的焊接面放入第二量的焊料并进行第二浸润处理，在第二浸润处理之后，向背板的焊接面添加第三量的焊料，在向背板的焊接面添加第三量的焊料后，且在第一浸润处理后，将钨钛靶材的焊接面扣合在背板的焊接面上。由于先后采用第一浸润处理和第二浸润处理使相应的焊料与钨钛靶材和背板分别进行浸润，再向背板的焊接面添加第三量的焊料，然后将钨钛靶材和背板扣合在一起，此时，充分浸润的第一量的焊料和第二量的焊料与位于它们之间的第三量的焊料充分融合在一起，将钨钛靶材和背板牢牢焊接在一起，从而使得最终得到的钨钛靶材组件焊接强度提高。

进一步，在所述钨钛靶材的焊接面放入第一量的焊料并进行第一浸润处理前，对钨钛靶材的焊接面进行喷砂处理，增加钨钛靶材焊接面的表面积及粗糙度，从而增加后续焊料与钨钛靶材焊接面的浸润作用，进一步提高最终钨钛靶材组件的焊接强度。

附图说明

图1至图3是本发明实施例所提供的钨钛靶材组件的焊接方法各步骤对应结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有焊接方法的焊接强度较低。

为此，本发明提供一种新的钨钛靶材组件的焊接方法，可以使钨钛靶材组件的制作工艺稳定，焊接质量有保证，提高钨钛靶材组件的焊接强度。

此外，本发明使用锡焊料对钨钛靶材和背板进行焊接，能够提高钨钛靶材组件产品焊接强度，提高钨钛靶材组件产品使用温度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种钨钛靶材组件的焊接方法，包括步骤一至步骤六，请结合参考图1至图3。

步骤一，请参考图1，提供钨钛靶材101和背板102。

钨钛靶材101可以是高纯度或超高纯度的钨钛合金(靶材)，钨钛靶材101的钨钛合金纯度可以大于99.9％，例如为3N5(99.95％)、4N5(99.995％)、或5N(99.999％)。其中，钨钛合金可以是90％的钨和10％的钛构成的。钨钛靶材101的形状可以根据应用环境和溅射设备等的实际要求设计，例如具体可以为扁平圆柱体形、扁平直长方体形或其他形状。本实施例以扁平圆柱体形为例进行说明。

背板102的材料可以为铜或铜基合金，也可为铝或铝基合金。背板102的形状可以与钨钛靶材101的形状相同或者相似。背板102的材料背板102的形状也可以根据应用环境和溅射设备的实际要求进行设计。背板102一般带有凹槽(未示出)，所述凹槽用于与钨钛靶材101焊接，也就是说，凹槽的底部表面可以作为背板102的焊接面。所述凹槽可以使用车削技术形成，此为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

步骤二，对钨钛靶材101的焊接面进行喷砂处理。钨钛靶材101的焊接面为图1中钨钛靶材101下表面，未标注。

本实施例中，所述喷砂处理可以增加钨钛靶材101焊接面的表面积及粗糙度，有利于后续相应焊料在焊接面的浸润(相应的浸润过程参考本说明书后续内容)，从而提高最终钨钛靶材组件的焊接强度。

需要说明的是，其它实施例中，也可以对背板102也进行所述喷砂处理。但是，由于背板102的材料限制，对其进行喷砂处理对后续的浸润作用帮助较弱，同时增加了工艺时间。

本实施例中，喷砂处理使焊接面的粗糙度达到3μm～5μm。如果粗糙度太小，小于3μm，则焊接面的表面积降低，后续焊料的浸润性和相应的焊接强度会下降，达不到较高焊接强度的要求。如果粗糙度超过5μm，在喷砂过程中，粗糙度的增大需要的喷砂压力增大，会对钨钛靶材101造成较强的冲击，由于钨钛靶材101质地硬而脆，所述喷砂处理时，容易造成钨钛靶材101侧边崩裂，导致钨钛靶材101损毁。

步骤三，在钨钛靶材101的焊接面放入第一量的焊料(第一量的焊料未示出)并进行第一浸润处理。

本实施例中，所述第一量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料。所述锡银铜焊料可以为国家标准牌号的锡银铜焊料，其中银的质量百分含量可以为2％～4％，铜的质量百分含量可以为0.5％～1％。

本实施例中，所述第一量的焊料可以为30g/cm²～40g/cm²。所述第一量的焊料目的是保证焊接时，钨钛靶材101的焊接面有充分的浸润焊料及流动焊料(所述流动焊料指浸润后剩余的焊料)，以确保焊接结合率及结合强度。因此，所述第一量的焊料在30g/cm²～40g/cm²的范围内，能够充分实现上述目的。

钨钛材料的热膨胀系数较小，只有6×10^-6/K左右，而焊接的背板102一般为铝合金或者铜合金，铝合金的热膨胀系数为23×10^-6/K左右，铜合金的热膨胀系数为19×10^-6/K左右，与钨钛相比，差异都很大。当热膨胀系数相差较大的两种材料进行钎焊时，通常是利用高温加热进行焊接。这种方法在冷却时就会产生很大的应力，造成产品变形。加之钨钛材料硬而脆，因此变形后对整个钨钛靶材组件的整平处理很困难。而铟焊料的熔点较低(157℃)，且质地柔软，所以会缓解焊接后冷却过程中的变形，也利于焊接后的整平，因此，现有方法中，通常采用铟焊接钨钛靶材101和背板102。

但是，这种利用铟焊料进行焊接的方式存在着一些明显缺点：①铟焊料熔点低，焊接后的钨钛靶材组件的使用温度有限，通常在140℃以内；②铟焊料的价格昂贵，焊接成本相对较高；③铟焊料焊接强度不高，一般只有5MPa～8MPa。

针对以上缺点，发明人发现，可以使用锡焊料(或者锡银铜焊料)替代铟焊料。锡焊料的熔点一般在230℃以上，且焊接强度可达到30MPa～50MPa，可显著提升钛靶材组件的使用条件。

然而，但此种锡焊料(或者锡银铜焊料)质地较硬，焊接时存在着以下两个主要的障碍：①焊料硬度高，冷却时应力大，易变性，变性后整形处理较为困难，且相应的整形处理还容易对焊接质量产生影响；②钨钛靶材101和背板102与锡焊料(或者锡银铜焊料)的浸润性相对较差。

为此，本实施例中，采用锡焊料(或者锡银铜焊料)对钨钛靶材101和背板102进行焊接。并且相应的采用两个浸润处理过程，提高钨钛靶材101和背板102以锡焊料(或者锡银铜焊料)的浸润作用，具体请继续参考本说明书后续内容。

相比于现有所采用的铟焊料而言，本实施例采用的锡焊料或者锡银铜焊料能够提高焊接强度，焊接强度可达到30MPa～50MPa，从而可显著提升钨钛靶材组件的使用条件(所述使用条件包括使用温度和安装过程中能够承受的操作强度等)，并且，锡焊料或者锡银铜焊料比铟焊料便宜，因此，采用锡焊料或者锡银铜焊料还能够使焊接成本降低。但是，锡焊料(或者锡银铜焊料)与钨钛靶材101的浸润性较差，因此，本实施例同时采用所述第一浸润处理以提高它们之间的浸润作用。

所述第一浸润处理包括：加热钨钛靶材101，在加热前或者热加过程中，在钨钛靶材101的焊接面放入所述第一量的焊料，并加热至所述第一量的焊料熔化，然后对所述第一量的焊料与钨钛靶材101的焊接面之间进行超声波处理或者机械磨刷处理(所述机械磨刷处理可以为采用钢刷将熔融焊料在相应焊接面上来回磨刷，以达到相应浸润效果)，直至相应焊料与钨钛靶材101的焊接面浸润良好。所述第一浸润处理的时间可以为5min～10min，时间的控制主要依据浸润效果。可以采用(方块状)硅胶将处理好的焊接面焊料擦拭干净，观察是否有焊料已经完全与钨钛靶材101焊接面浸润。如果擦拭干净处的焊接面呈现焊料的亮白色，则表明焊料和钨钛靶材101的焊接面浸润良好。

上述第一浸润处理过程中，在加热钨钛靶材101时，将所述第一量的焊料加热至230℃～260℃。这个过程的加热原则是既要保证焊料可以熔化，又要防止温度过高造成的焊料表面氧化，从而防止焊料表面氧化造成后续焊接不良。由于焊料成分的熔点在230℃，因此，将加热温度控制在230℃以上，以保证焊料熔化，同时，将温度控制在260℃以下，防止温度过高造成的焊料表面氧化。

步骤四，在背板102的焊接面放入所述第二量的焊料(第二量的焊料未示出)并进行所述第二浸润处理。背板102的焊接面为图1中背板102上表面的其中一部分，并且，前面已经提到，当背板102具有凹槽时，所述凹槽的底部表面为所述焊接面。

本实施例中，所述第二量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料。所述锡银铜焊料可以为国家标准牌号的锡银铜焊料，其中银的质量百分含量可以为2％～4％，铜的质量百分含量可以为0.5％～1％。

本实施例中，所述第二量的焊料也可以为30g/cm²～40g/cm²。所述第二量的焊料目的是保证焊接时，背板102的焊接面有充分的浸润焊料及流动焊料(所述流动焊料指浸润后剩余的焊料)，以确保焊接结合率及结合强度。因此，所述第二量的焊料在30g/cm²～40g/cm²的范围内，能够充分实现上述目的。

相比于现有所采用的铟焊料而言，本实施例采用的锡焊料或者锡银铜焊料能够提高焊接强度，焊接强度可达到30MPa～50MPa，从而可显著提升钨钛靶材组件的使用条件(所述使用条件包括使用温度和安装过程中能够承受的操作强度等)，并且，锡焊料或者锡银铜焊料比铟焊料便宜，因此，采用锡焊料或者锡银铜焊料还能够使焊接成本降低。但是，锡焊料(或者锡银铜焊料)与背板102的浸润性也较差，因此，本实施例同时采用所述第二浸润处理以提高它们之间的浸润作用。

所述第二浸润处理包括：加热背板102，在加热前或者热加过程中，在背板102的焊接面放入所述第二量的焊料，并加热至所述第二量的焊料熔化，然后对所述第二量的焊料与背板102的焊接面之间进行超声波处理或者机械磨刷处理，直至相应焊料与背板102的焊接面浸润良好。所述第二浸润处理的时间可以为5min～10min，时间的控制主要依据浸润效果。可以采用(方块状)硅胶将处理好的焊接面焊料擦拭干净，观察是否有焊料已经完全与背板102焊接面浸润。如果擦拭干净处的焊接面呈现焊料的亮白色，则表明焊料和背板102的焊接面浸润良好。

上述第二浸润处理过程中，在加热背板102时，将所述第二量的焊料加热至230℃～260℃。这个过程的加热原则是既要保证焊料可以熔化，又要防止温度过高造成的焊料表面氧化，从而防止焊料表面氧化造成后续焊接不良。由于焊料成分的熔点在230℃，因此，将加热温度控制在230℃以上，以保证焊料熔化，同时，将温度控制在260℃以下，防止温度过高造成的焊料表面氧化。

步骤五，在所述第二浸润处理之后，向背板102的焊接面添加第三量的焊料(第三量的焊料未示出)。

所述第三量的焊料为锡焊料或者锡银铜焊料。锡银铜焊料的具体组成成分可以参考前述内容。所述第三量的焊料同样采用锡焊料或者锡银铜焊料，原因与前述第一量的焊料和第二量的焊料相同，即提高焊接强度，降低焊接成本。并且，由于前面已经采用了相应第一量的焊料和第二量的焊料分别对钨钛靶材101的焊接面和背板102的焊接面进行浸润，因此，第三量的焊料是用于直接与前面的第一量的焊料和第二量的焊料接触以进行焊接，因此，第三量的焊料不需要进行浸润。然而，为了使焊接效果更好，在加入第三量的焊料之后，也可以进行一定的混匀处理以各位置的焊料厚度一致，成分均匀。所述混匀处理可以为超声波处理或者机械磨刷处理。

本实施例中，所述第三量的焊料可以为200g/cm2～800g/cm2。第一量的焊料和第二量的焊料主要起到的是浸润作用，因此它们只需要少量的焊料就可以了。而所述第三量的焊料目的是作为主要的焊料将钨钛靶材101和背板102焊接在一起，因此，第一量的焊料和第二量的焊料的总量通常仅为第三量的焊料的10％～30％，也就是说，第三量的焊料质量通常为第一量的焊料和第二量的焊料总质量的3.3倍到10倍，因此，第三量的焊料可以为200g/cm2～800g/cm2。

第三量的焊料既可以以固体方式投放到背板102的焊接面上，让其慢慢融化，也可以是已经准备好的融化后的焊料，采用后一种方法比较高效。即本实施例中，添加的所述第三量的焊料为熔融状态，此时，在加入第三量的焊料后，即可快速进入后续操作。

步骤六，请继续参考图1，在向背板102的焊接面添加所述第三量的焊料后，且在所述第一浸润处理后，将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上。

上述扣合过程中，可以将背板102先放置在焊接加热平台200上，然后将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上。其中，上述在背板102上添加所述第二量的焊料和所述第三量的焊料时，背板102可以始终放置在焊接加热平台200上。

本实施例中，由于前面已经提到，所述第三量的焊料是添加到背板102的焊接面上的，因此，此时背板102的焊接面上有较为大量的熔融焊料，因此，此时将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上，而不是将背板102的焊接面扣合在钨钛靶材101的焊接面上，从而防止质量较多的所述第三量的焊料滴落或者流逸。

将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上开始，钨钛靶材101和背板102之间的焊料即开始发生焊料结合(Solder Bonding)，焊料结合指：利用熔点比母材(母材指被焊接材料，本实施例中为钨钛靶材101和背板102)熔点低的填充金属(填充金属称为钎料或焊料，本实施例中为锡焊料或者锡银铜焊料)，在低于母材熔点且高于焊料熔点的温度下(本实施例中为230℃～260℃)，利用液态焊料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，然后冷却，使焊料凝固而实现零件间的连接的焊接方法。

本实施例中，在将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上时，在所述焊料(所述焊料包括上述第一量的焊料、第二量的焊料和第三量的焊料)周边补充惰性气体或者氮气进行保护，亦即在扣合界面补充惰性气体或者氮气进行保护。进行补充惰性气体或者氮气进行保护的时间可以根据实际情况确定，例如可以持续到后续钨钛靶材101和背板102冷却至150℃～170℃，或者钨钛靶材101和背板102冷却至室温。

请参考图1，本实施例利用环形气氛保护罩103提供相应的惰性气体或者氮气，以进行相应的保护。例如，具体可以通过环形气氛保护罩103不断地向相应焊接面输送高纯氩气(纯度为4N以上)，以最大限制的防止相应焊料表面产生氧化皮。其中，氩气是惰性气体，高温下也不易反应，所以效果比较好。但有时也可以考虑用氮气替代，以节约成本。

请参考图2，本实施例中，在将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上后，对钨钛靶材101和背板102进行加压，并在加压过程中，将钨钛靶材101和背板102与焊接加热平台200一同冷却至150℃～170℃。上述加压过程的加压压力可以为250N～500N(g以10N/kg计算)。例如，本实施例中，可以采用块状物体201(块状物体201可以为砝码，其质量可以为25kg～50kg)放置在钨钛靶材101上以进行加压。当冷却至150℃～170℃时，焊料已凝固。冷却至150℃～170℃是为了一方面保证焊料已经凝固，另一方面保证焊料还没有完全硬化，仍保持一定的韧度。

请参考图3，本实施例中，将钨钛靶材101和背板102与焊接加热平台200一同冷却至150℃～170℃后，将钨钛靶材101和背板102移送至图3所示油压机(油压机的加压压力采用质量表示)工作平台300上，以对钨钛靶材101和背板102进行反向加压处理。

需要特别说明的是，当钨钛靶材101位于背板102上方时，在整个焊接过程中，钨钛靶材101和背板102的弯曲变形方式始终都是向上拱起的。因此，无论是上述焊接过程中块状物体201的加压方向，还是如图3所示的反向加压处理过程中，当钨钛靶材101位于背板102上方时，加压方向都是从上往下压。也就是说，这两个过程中，压力方向相同。但之所以将第二次加压特别称为反方向加压处理，是因为只有第二次加压时，才能够使钨钛靶材101和背板102反向变形，变得平整。因此，第二次加压的压力可以在第一次加压压力的100倍以上。

反方向加压处理时，所述油压机可以为加压量程为100吨的油压机。具体在反向加压时，从钨钛靶材组件变形的反方向进行加压处理，可利用油压机冲头301向下加压，压力以达到钨钛靶材组件反向变形1mm～2mm为准。为此，考虑到钨钛靶材组件及背板102的大小和材料等因素有关，反向加压压力的大小一般在5吨至30吨之间。

本实施例中，油压机冲头301直径可以在100mm～200mm之间。油压机冲头301下面要垫一个环形垫块302(或称环形垫圈)，以便使整个钨钛靶材组件能够达到相应的反向变形。

本实施例通过增加反向压力，减少钨钛靶材组件冷却后的变形。由于是在冷却至150℃～170℃进行反向加压处理，此时焊料还具有一定的韧度，因此，所述反向加压处理过程能够不影响焊接强度，并且能够使最终焊接得到的钨钛靶材组件较为平整。也就是说，由于施加了钨钛靶材组件变形的反向作用力，钨钛靶材组件冷却后便可以达到平整状态，无需再进行整形处理(整平处理)了。而现有方法通常需要进行整形处理，冷却后的整形处理又易造成脱焊等严重不利后果。

在钨钛靶材组件冷却到室温后，撤掉反向加压压力，测量钨钛靶材组件表面平面度在0.3mm以内，达到较高的质量水平，可以继续进行后续加工。

本实施例中，所采用的锡焊料(或者锡银铜焊料)的价格仅为铟焊料价格的十分之一左右，因此可以大大降低焊接成本。并且，钨钛靶材组件焊接强度从5MPa～8MPa提高到30MPa～50MPa，更加适用于相应的物理气相沉积工艺。此外，由于锡焊料(或者锡银铜焊料)的熔化温度较高，相应的钨钛靶材组件的使用温度提高，从原本的140℃以内提高到200℃左右，进一步拓展了钨钛靶材组件的使用范围。

本实施例所提供的钨钛靶材组件的焊接方法中，在钨钛靶材101的焊接面放入第一量的焊料并进行第一浸润处理，在背板102的焊接面放入第二量的焊料并进行第二浸润处理，在第二浸润处理之后，向背板102的焊接面添加第三量的焊料，在向背板102的焊接面添加第三量的焊料后，且在第一浸润处理后，将钨钛靶材101的焊接面扣合在背板102的焊接面上。由于先后采用第一浸润处理和第二浸润处理使相应的焊料与钨钛靶材101和背板102分别进行浸润，再向背板102的焊接面添加第三量的焊料，然后将钨钛靶材101和背板102扣合在一起，此时，充分浸润的第一量的焊料和第二量的焊料与位于它们之间的第三量的焊料充分融合在一起，将钨钛靶材101和背板102牢牢焊接在一起，从而使得最终得到的钨钛靶材组件焊接强度提高。

由于在焊接前，对钨钛靶材101的焊接面进行喷砂处理，增加钨钛靶材101焊接面的表面积及粗糙度，从而增加后续焊料与钨钛靶材101焊接面的浸润作用，进一步提高最终钨钛靶材组件的焊接强度。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。