靶材高纯铝和5083铝合金电子束焊接工艺及接头性能研究

发布时间：2020-06-26 23:26

【摘要】：高纯铝是指纯度达到99.8%以上的纯铝制品,本文使用的母材一是高纯铝(纯度为99.999%)添加了0.5%铜的合金,母材二是5083铝合金。本文研究了高纯度Al0.5%Cu与5083铝合金的焊接接头在不同工艺下的成形规律、力学性能、组织分析以及成分演化等,对电子束焊接接头在溅射靶材中的应用进行了研究并提出了改善措施。Al0.5%Cu-5083电子束焊接接头焊缝均匀,熔宽为2mm,熔深达到20mm。具有较大的深宽比,焊缝截面呈钉子状形貌,焊接结合良好。焊缝与Al0.5%Cu的热影响区存在明显分界线,这种无过渡区的接头组织通常结合性能较弱,断裂也易发生在该区域。5083母材与焊缝之间的过渡区界面质量良好。焊接接头的平均硬度为60HV,母材Al0.5%Cu平均硬度为33HV,母材5083平均硬度为83HV。接头硬度介于母材Al0.5%Cu和5083之间,服役硬度要求高于高纯铝母材Al0.5%Cu材料,实际硬度满足靶材的使用性能要求。接头的抗拉强度要求高于50MPa,实际抗拉强度达到70MPa,满足服役要求。断裂位置位于焊接接头,在Al0.5%Cu侧的熔合区。母材Al0.5%Cu的晶粒大小为50-60μm,母材5083晶粒大小为75-90μm,而熔池焊缝区顶部的晶粒大小为40-50μm,接头晶粒细化且明显小于母材晶粒。由于束流在厚度的方向上发生衰减,所获接头焊缝中心处的组织在熔池顶部和底部表现出不一致。母材中的合金元素因为熔化对流,焊缝区各元素含量均介于Al0.5%Cu和5083铝合金成分之间。Cu元素的在熔池顶部的对流较底部更为强烈,Mg元素在熔池顶部烧损最为严重,含量较低的元素变化趋势不明显。将焊接接头按溅射靶材的制作要求进行电子束焊接,发现在收束处存在钉尖缺陷,导致氦泄漏检测合格率偏低,仅有70%。用偏转收束角度的工艺进行缺陷的控制,虽有改善,仍不符合靶材制造要求;用偏移收束位置的工艺进行改善,效果良好,焊接接头均能满足靶材制造的要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.14;TN43
【图文】：

溅射靶材,半导体芯片,加工链,配线

图 1-1 半导体行业产品加工产业链溅射靶材是在半导体芯片加工链中重要的耗材之一，是芯片内的配线材纯金属经过塑性变形，管控金属内晶粒和晶向达到溅射要求，通过物理气积溅射到基底硅片上，溅射后的镀层对于导电性、膜厚度的均匀性、疲劳、电迁移性能都有严格要求。溅射靶材是形成超大集成电路芯片的内数万的金属配线的基础，涉及多种材料和工艺，特别是未来电子元器件往更小，高效化，集成化的趋势发展，电子薄膜的要求也越来越高，对于形成薄溅射靶材要求也越来越高。靶材的符合性和适用性关系芯片的质量和行业展。但是长期起来，半导体等高端制造业设计和生产，一直被美国、日本公断，目前能生产半导体用溅射靶材的只有这两个国家的公司，我国半导体业所需靶材，严重依赖进口。随着中美贸易摩擦加剧，美国对中国的高端限制已经越来越明显，半导体芯片行业更要加大发展力度，并且要自主研加强创新，才能在西方各国围剿的情况下，异军突起，打破垄断，为中国治久安奠定基础。

示意图,电子束焊接,原理,示意图

需要进行控制。电子束焊接是一种高能束流焊接方式，属于高能束流，焊接工作原理如图1-2 所示。电子束焊接时加热功率大，电子束功率在几百千瓦，但是斑点却非常小，因此所有能量聚焦到斑点处是，斑点处的功率密度非常大，是其他电弧焊的几百倍；电子束焊接利用先进的软件及编程技术,可以做到精准快速的焊接,这些优点是目前其它焊接方式所不能比拟的，例如激光焊接利用透镜和反射镜

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