濺射靶材是半導體芯片加工中的配線材料，由于集成電路設計復雜，金屬配線對導電性能要求很高[1-2]，因此對真空環(huán)境下的濺射金屬的純度要求非常嚴苛，要求純度達到99.999%[3-4]，本研究選用5NAl作為濺射材料。

靶材的基座背板主要起到固定和托底的作用，同時在濺射過程中起到迅速冷卻的作用[5-6]，因此需要選用一種具有一定強度的金屬起固定作用，并在長時間的高壓下不易變形，易散熱的材料作為背板金屬[7-8]，同時需要和鋁具備較好的焊接性，本研究選用TU1-Cu作為背板材料。

傳統(tǒng)的鋁及鋁合金焊接常采用攪拌摩擦焊、激光焊、電子束焊等，鋁的氧化膜很難去除并且在空氣中容易吸收水分，造成焊接過程的氣孔形成。同時，在焊接過程中，水中的氫很難逸出，焊縫里容易形成裂紋等缺陷，造成焊縫處強度低、容易斷裂等問題[9-11]。本研究采用爆炸復合的方式將5NAl和TU1-Cu進行焊接，這種焊接方式不存在上述問題且結合強度高。

1.   實驗材料和方法

1.1   實驗材料

實驗用復層材料為5NAl，規(guī)格為17 mm×700 mm×1250 mm，Al的質(zhì)量分數(shù)為99.999%?；鶎硬牧蠟門U1-Cu，規(guī)格為17.5 mm×700 mm×1250 mm，其化學成分見表1。

1.2   實驗方法

采用120#千葉輪對基復板材料的爆炸結合面進行拋光處理，同時用無水乙醇擦拭表面，保證結合面無油污、浮灰等雜質(zhì)，后采用爆炸復合的方法進行焊接。采用的爆炸工藝為炸藥爆速1900~2000 m/s，間隙高度為16 mm，炸藥高度為70 mm，在板材的長邊邊緣中心處起爆。

爆炸后，對焊接板材進行超聲探傷和對界面進行滲透檢驗，檢查有無內(nèi)部和表面缺陷。使用超聲C掃描成像檢測系統(tǒng)（C-SCAN）來檢測板材的貼合質(zhì)量，采用新美達公司生產(chǎn)的DPT-5型滲透劑和顯像劑檢測板材界面的表面缺陷。

在板材不同位置點上取試樣，采用Axiovert 200MAT蔡司金相顯微鏡觀察各試樣點界面的微觀組織，分別在不腐蝕和腐蝕的情況下觀察金相組織，選用的腐蝕劑為5%HF+10%HNO3+85%H2O溶液。采用Wilson-Wolpert Tukon 2100B維氏硬度計測量復層、界面、基層的顯微硬度，實驗在常溫下進行，加載力為9.8 N，加載時間10 s。檢測不同試樣的粘結強度，實驗方法參照GB/T 6396—2018中第九節(jié)的粘結實驗方法。

2.   結果與討論

2.1   宏觀形貌

爆炸焊接后試板的宏觀形貌如圖1所示。在圖1板材上已標出使用區(qū)域及3#~6#試樣的取樣位置。C-SCAN探傷結果如圖2所示，在圖中已標示出3#~6#試樣的位置，其中藍色代表焊接良好，紅色代表未焊合。其中6#樣位置處的C-SCAN結果有紅色顯示，這是由于6#位置為起爆點位置，爆炸焊接的起爆點為不貼合區(qū)[12]，不影響有效區(qū)域的使用。

爆炸焊接后坯料邊緣照片如圖3所示，5NAl/Cu復材爆炸焊接后復層有不同程度的塑性變形，造成復層厚度方向上有明顯的減薄現(xiàn)象，Cu基層厚度方向變形不大。復層邊緣處減薄明顯，在實驗室環(huán)境下測得交付成品的復材厚度為13.75 mm，基層厚度仍為17.60 mm。

2.2   金相組織

爆炸焊接前5NAl的金相組織如圖4所示，均為單一組織上彌散分布著強化相，晶粒大小分別是187和203 μm。

爆炸焊接后拋光未腐蝕的5NAl表面和焊縫的金相組織如圖5所示，3#~6#試樣鋁靶和銅背板之間存在機械嚙合，類似齒狀連接，但是齒為無規(guī)律分布，齒的形狀不規(guī)則。這是爆炸焊接的典型波狀結合[13]。6#試樣在波峰波谷處存在明顯的孔洞組織，孔洞是一種缺陷組織，對貼合質(zhì)量及力學性能有較大的影響，在宏觀顯示上為不貼合，這與前面的探傷結果一致。

爆炸焊接后經(jīng)過腐蝕處理的5NAl表面和焊縫的金相組織如圖6所示，鋁靶焊縫附近組織與其他位置一致，均為單一組織上彌散分布這強化相，組織與焊接前相比，無變化。

3#試樣觀察到的晶粒大小174 μm，4#試樣觀察到的晶粒大小222 μm，5#試樣觀察到的晶粒大小187 μm，6#試樣觀察到的晶粒大小174 μm，與焊接前晶粒大小相比，無明顯變化。說明爆炸焊接未影響材料的組織。

2.3   顯微硬度

爆炸狀態(tài)下不同試樣在鋁側(cè)、銅側(cè)及界面處的硬度變化如圖7所示。爆炸焊接后離界面較近的母材硬度較大，隨著距離的增大，硬度趨于原材料的硬度。這是爆炸焊接引起的加工硬化導致焊縫處硬度較大[14]，可通過消應力退火減少這一問題。本靶材不經(jīng)過沖壓變形僅僅通過表面機械加工，另外后期設備上的載荷較小，可不采用消應力退火工藝。

2.4   粘結強度

不同試樣爆炸狀態(tài)下的斷后粘結試樣如圖8所示，經(jīng)檢測粘結強度值分別為75、86、71 MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)斷裂處均在鋁側(cè)母材處，未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，表明爆炸結合良好，斷裂為脆性斷裂[15]。

2.5   機械加工

靶材機械加工后如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)在加工后無分層、裂紋等缺陷，可以滿足后續(xù)使用要求。

3.   結束語

（1）爆炸焊接后除起爆點外，結合質(zhì)量良好。5NAl板材作為復層，爆炸焊接后邊緣部位減薄嚴重。

（2）爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材之間存在明顯的爆炸波紋，爆炸焊接前后組織無明顯變化。

（3）爆炸焊接后5NAl板材與TU1-Cu板材離界面較近的母材硬度較大，隨著距離的增大，硬度趨于原始態(tài)的硬度。

（4）爆炸焊接后結合強度大于70 MPa，可以滿足后續(xù)加工及使用要求。

文章來源——金屬世界