一种铝钪合金扩散焊接靶材及其制备方法与应用

摘要

一种铝钪合金扩散焊接靶材及其制备方法与应用，包括铝钪合金靶坯、铝基合金背板及位于所述铝钪合金靶坯和铝基合金背板之间的中间层，所述中间层为铝层，所述中间层与所述铝钪合金靶坯之间、所述中间层与所述铝基合金背板之间均通过扩散焊接。该方法相比直接扩散焊接温度可降低100‑150℃，有效解决了铝钪合金靶坯和铝合金背板在较高温条件下因收缩比例差异性大导致脆性断裂或者变形不能有效焊接的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及合金靶材技术领域，特别涉及一种铝钪合金扩散焊接靶材 制备方法与应用。

背景技术

铝钪氮薄膜相比传统纯氮化铝薄膜拥有更高的机电耦合系数，且随着 钪含量的增加，铝钪氮薄膜的压电性随之增强。当钪含量达到57wt.％，铝 钪氮薄膜的压电性提升了400％，已被广泛应用于MEMS传感器、驱动器、 麦克风和能量采集器、BAW滤波器中以实现其更大的工作带宽。铝钪合 金靶材作为铝钪氮薄膜制备的关键核心材料，对其纯度要求日益严苛与多 样化，需求量也与日俱增。

在实际应用过程中，铝钪合金靶材要求靶坯和具有一定强度的背板结 合制成靶材组件。背板可以为溅射靶材提供支撑作用，并具有传导热量的 功效，因此需要将溅射靶材和背板进行加工并焊接成型。由于铝钪合金靶 材组件在溅射过程中的工作环境比较恶劣，往往存在高温、高压力差、高 压电场、高压磁场等，如果靶材组件中靶材与背板之间的焊接结合度较低， 将导致靶材在受热条件下变形、开裂、甚至从背板脱落，不但无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会导致溅射基台损坏。

为了满足下游终端应用对铝钪合金靶材在使用过程中耐高温、高强度 的要求，必须采用扩散焊接将铝钪合金靶材和背板进行结合。由于铝钪合 金材料与常用背板材料之间的线性膨胀系数差异大，且铝钪合金材料脆性 强，直接扩散焊接过程中靶坯因高温膨胀导致铝钪靶合金靶坯严重变形， 靶坯和背板的焊接结合度低，严重时甚至铝钪合金靶材脆裂，无法实现有 效焊接，不能满足稳定生产和靶材组件的使用需求。

公开号为CN104708192A的专利公开了属于微电子技术领域的一种 镀膜用的W-Ti合金靶材组件扩散焊接方法。将W-Ti合金靶材粉末原料 及对应的待焊接复合的板坯材料置于热压模具内置于热压烧结炉内，一次 进行靶坯热压烧结成型、靶坯与板坯扩散焊接，得到焊接复合的W-Ti合 金靶材组件；将板坯作为背板或作为过渡层，得到W-Ti合金靶材组件或 W-Ti合金靶材/过渡层/背板复合的三层结构。

该专利采用过渡层以WTi合金粉末为原料，通过热压烧结的方式制备 厚度0.5～5mm的过渡层，烧结温度高(1000～1600℃)，容易导致脆性靶 材变形，导致靶材扩散焊接失效或者靶材开裂。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种铝钪合金扩散焊接靶材及其制备方法与应 用，该方法相比直接扩散焊接温度可降低100-150℃，有效解决了铝钪合 金靶坯和铝合金背板在较高温条件下因收缩比例差异性大导致脆性断裂 或者变形不能有效焊接的问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本申请的第一方面提供一种铝钪合金扩散焊接靶 材，包括铝钪合金靶坯、铝基合金背板及位于所述铝钪合金靶坯和铝基合 金背板之间的中间层，所述中间层为铝层，所述中间层与所述铝钪合金靶 坯之间、所述中间层与所述铝基合金背板之间均通过扩散焊接。

该靶材通过选择铝基合金作为背板，并在背板和铝钪合金靶坯之间设 置纯铝中间层，可以实现铝钪合金靶材在低温条件下扩散焊接，工作温度 可以下降到200-400℃，相比直接扩散焊接温度可降低100-150℃，有效解 决了铝钪合金靶坯与背板在较高温条件下因材质收缩比例差异性大导致 脆性断裂或者变形不能有效焊接的问题，所得铝钪合金扩散焊接靶材焊合 率大于95％。

所述铝钪合金靶坯纯度大于99.95％，铝钪合金靶坯中钪质量百分含量 为8～57％，其余为铝和不可避免的杂质。作为铝钪氮薄膜溅射用铝钪合金 靶材中钪含量越高，其压电性能越高，可以使电子器件产品获得更大的工 作带宽。

在具体实施例中，铝钪合金靶坯纯度大于99.95％、氧含量小于 500ppm，钪含量偏析控制在±0.5％范围内，保证铝钪合金溅射镀膜过程正 常，膜层均匀，质量好。

具体地，所述中间层厚度为0.1-1mm。当中间层厚度在该范围时，既 能避免由于中间层厚度太薄导致的焊合率低于95％的问题，又能避免由于 中间层过厚导致的铝钪合金扩散焊接靶材的焊接强度达不到50MPa，确保 满足下游电子器件溅射镀膜的要求。

具体地，所述铝基合金背板的材质为6061铝合金或5052铝合金。6061 铝合金或5052铝合金具有较好的强度、导热性能好、抗腐蚀能力强、加 工性能和焊接性能良好等特性，可避免铝钪合金靶材在扩散焊接过程中出 现变形、开裂、甚至从背板上脱落等问题。

具体地，所述铝基合金靶材的焊合率大于95％，焊接强度大于35MPa， 优选焊接强度大于50MPa。

本发明还提供了上述任一项所述铝钪合金扩散焊接靶材的制备方法， 包括：

步骤1：在铝钪合金靶坯的焊接面进行镀铝膜处理，得到焊接面具有 铝层的铝钪合金靶坯；

步骤2：将铝基合金背板与具有铝层的铝钪合金靶坯叠放，使所述铝 层位于铝钪合金靶坯与铝基合金背板之间，进行热压扩散焊接，得到铝钪 合金扩散焊接靶材。

该方法通过选择铝基合金作为背板，并在背板和铝钪合金靶坯之间设 置纯铝中间层，可以实现铝钪合金靶材在低温条件下扩散焊接，工作温度 可以下降到200-400℃，相比直接扩散焊接温度可降低100-150℃，有效解 决了铝钪合金靶坯与背板在较高温条件下因材质收缩比例差异性大导致 脆性断裂或者变形不能有效焊接的问题，所得铝钪合金扩散焊接靶材焊合 率大于95％。

具体地，步骤1所述的具有铝层的铝钪合金靶坯中铝层与铝钪合金靶 坯的结合强度大于30MPa。通过铝钪合金靶坯与铝层紧密接触且具有大于 30MPa的结合强度，提升了中间层与背板层原子扩散速率，从而提高了扩 散效率，且靶坯在低温、低压条件下即可以实现高质量焊接，避免发生因 材质收缩比例差异性大导致脆性断裂或者变形不能有效焊接的现象。

具体地：步骤1所述的铝层的厚度为0.1-1mm，所述铝层的表面粗糙 度Ra≤3.2μm。

当中间层厚度在该范围时，既能避免由于中间层厚度太薄导致的焊合 率低于95％的问题，又能避免由于中间层过厚导致的铝钪合金扩散焊接靶 材的焊接强度达不到50MPa，确保满足下游电子器件溅射镀膜的要求。铝 层的表面粗糙度Ra≤3.2μm，且粗糙度越小越有利铝层原子与铝基合金背 板原子扩散，缩短扩散焊接时间，在较低温即可实现高质量焊接。

在具体实施例中，铝钪合金靶坯的焊接面进行镀铝膜处理，具体包括：

镀铝膜层可以选择物理气相沉积法镀铝膜后，再经机加工得到最终铝 层。通过该方法可以得到厚度为0.1-1mm、表面粗糙度Ra≤3.2μm的铝层， 且铝层与铝钪合金靶坯的结合强度可达30MPa以上，进一步确保焊合率 在95％以上。

具体地，步骤2所述的热压扩散焊接的具体条件包括：

焊接温度为200℃-400℃；

焊接压强为0.5-5MPa；

保温保压时间0.5-5h。

该热压扩散焊接工艺在较低温度下可以实现铝钪合金靶坯与铝基背 板的高质量焊接，操作简单方便、成本低，实用性强。

进一步地，步骤2进行热压扩散焊接后，进行抛磨、清洗和烘干处理， 最终得到铝钪合金扩散焊接靶材。

该方法与上述靶材对应，有关靶材的相关描述及对应效果参见靶材实 施例，在此不再赘述。

本申请还提供了上述任一项所述的铝钪合金扩散焊接靶材、上述任一 项所述的制备方法制备的铝钪合金扩散焊接靶材中的至少一种在制备电 子器件中的应用。

具体地，本申请中，电子器件可以为MEMS传感器、驱动器、麦克 风、能量采集器、BAW滤波器等。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明通过选择铝基合金作为背板，并在背板和铝钪合金靶坯之间设 置纯铝中间层，可以实现铝钪合金靶材在低温条件下扩散焊接，工作温度 可以下降到200-400℃，相比直接扩散焊接温度可降低100-150℃，有效解 决了铝钪合金靶坯与背板在较高温条件下因材质收缩比例差异性大导致 脆性断裂或者变形不能有效焊接的问题，所得铝钪合金扩散焊接靶材焊合 率大于95％；该方法操作简单方便、成本低，实用性强。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实 施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的， 而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和 技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明各实施例所用原料、器材均为市售产品。

实施例1

本实施例提供一种铝钪合金扩散焊接靶材，其制备方法包括：

步骤1：选用市售钪质量百分含量8％的铝钪合金靶坯，采用物理气相 沉积法在靶坯焊接面镀铝膜，镀膜完成后对铝膜表面进行机加工，得到厚 度为0.1mm、表面粗糙度Ra为0.8μm的铝层；

步骤2：将6061铝合金背板与步骤1得到的具有铝层的铝钪合金靶坯 叠放，使所述铝层位于铝钪合金靶坯与6061铝合金背板之间，在温度为 200℃、压强为0.5MPa条件下保温保压0.5h实现热压扩散焊接，自然降 至室温，进行抛磨、清洗和烘干处理，得到铝钪合金扩散焊接靶材。

实施例2

本实施例提供一种铝钪合金扩散焊接靶材，其制备方法包括：

步骤1：选用市售钪质量百分含量20％的铝钪合金靶坯，采用物理气 相沉积法在靶坯焊接面镀铝膜，镀膜完成后对铝膜表面进行机加工，得到 厚度为0.4mm、表面粗糙度Ra为1.2μm的铝层；

步骤2：将5052铝合金背板与步骤1得到的具有铝层的铝钪合金靶坯 叠放，使所述铝层位于铝钪合金靶坯与5052铝合金背板之间，在温度为 300℃、压强为5MPa条件下保温保压4h实现热压扩散焊接，自然降至室 温，进行抛磨、清洗和烘干处理，得到铝钪合金扩散焊接靶材。

实施例3

本实施例提供一种铝钪合金扩散焊接靶材，其制备方法包括：

步骤1：选用市售钪质量百分含量52％铝钪合金靶坯，采用物理气相 沉积法在靶坯焊接面镀铝膜，镀膜完成后对铝膜表面进行机加工，得到厚 度为0.6mm、表面粗糙度Ra为2.0μm的铝膜；

步骤2：将5052铝合金背板与步骤1得到的具有铝层的铝钪合金靶坯 叠放，使所述铝层位于铝钪合金靶坯与5052铝合金背板之间，在温度为 400℃、压强为2MPa条件下保温保压5h实现热压扩散焊接，自然降至室 温，进行抛磨、清洗和烘干处理，得到铝钪合金扩散焊接靶材。

实施例4

制备方法与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤1中得到厚度为 0.05mm、表面粗糙度Ra为4.5μm的铝层。

实施例5

制备方法与实施例1基本相同，唯一不同的是步骤1中得到厚度为 1.2mm、表面粗糙度Ra为4.5μm的铝层。

对比例1

制备方法与实施例1相同，不同之处在于铝钪合金靶坯焊接面不制备 有铝层。

对比例2

制备方法与实施例3相同，不同之处在于铝钪合金靶坯焊接面不制备 有铝层。

对比例3

制备方法与实施例3相同，不同之处在于铝钪合金靶坯焊接面与铝合 金背板中间添加厚度为0.6mm、表面粗糙度Ra为1.7μm的铝箔。

对各实施例及对比例提供的焊接面具有铝层的铝钪合金靶坯及最终 得到的靶材进行性能测试：

结合强度测试：

在室温条件下，采用拉伸法、划痕法对各实施例及对比例提供的具有 铝层的铝钪合金靶坯的焊接面进行结合强度测试，测试结果参见表1；在 室温条件下，采用万能力学试验机对各实施例及对比例提供的靶坯与背板 的焊接铝钪合金靶材进行结合强度测试，测试计算靶材焊接强度结果参见 表1：

表1结合强度测试数据

由表1可知，本发明各实施例步骤1提供的具有铝层的铝钪合金靶坯 的焊接面的结合强度均大于30MPa；各实施例提供的靶材的结合强度均大 于35MPa，其中，实施例1结合强度最高，可达67MPa。当铝层厚度为 0.1～1mm、表面粗糙度Ra不大于2μm时靶材的焊接强度均大于50MPa。

焊合率测试：

按行业标准溅射靶材-背板结合质量超声波检验方法YS/T 837-2012检 测各实施例及对比例所得靶材焊合率，测试结果参见表2：

表2各实施例及对比例所得靶材焊合率数据表

由表2可知，本发明各实施例提供靶材的焊合率均大于95％，其中， 实施例1焊合率最高，可达98.5MPa；当铝层厚度为0.1～1mm、表面粗糙 度Ra不大于2μm时靶材的焊接强度均大于96％。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对 其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普 通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等 同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵 盖在本发明的权利要求保护范围之内。