本發(fā)明涉及半導體領(lǐng)域，尤其涉及一種銅與銅合金的擴散焊接方法。

背景技術(shù)：

1、銅憑借優(yōu)良的導電導熱性能成為常用的靶材材料，而銅合金通常作為靶材背板。在半導體高端制程領(lǐng)域，銅靶材需要控制晶粒大?。?0um，純銅的再結(jié)晶溫度在150℃左右，因此要想使銅與銅合金焊接良好，滿足強度的同時還要控制晶粒尺寸。

2、目前，靶材組件的焊接通常采用熱等靜壓方式，銅與銅合金由于同種金屬間不存在元素濃度梯度，低溫下難以形成互擴散，從而難以獲得高強度的焊縫，同時銅極易氧化，焊接層氧化阻礙擴散焊接，也難以滿足擴散層厚度繼而達不到擴散焊接強度。現(xiàn)有銅銅焊接方式由于工藝局限性不適用于靶材組件的焊接。

3、cn201010565128公開了一種用于金屬材料的低溫擴散焊接方法，包括如下步驟：1)金屬材料的準備：選用能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化的金屬板材為擴散焊接的原材料，用機械的方法將所述金屬板材的待焊接表面拋光，粗糙度達到3.2μm以上；2)自身表面納米化處理：采用基于表面嚴重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在拋光處理后的所述金屬板材的待焊接表面制備納米結(jié)構(gòu)表面層，得到表面納米化金屬板材；3)擴散焊接：將步驟2)所述的表面納米化金屬板材切割成合適的尺寸大小，并對納米化表面進行機械拋光，粗糙度達到3.2μm以上，然后將納米化表面相接觸，放置在真空或還原氣氛中，依次加壓、升溫進行擴散焊接。該擴散焊接方法雖然是可以通過機械研磨的方式形成納米層，但是，得到的納米層的均勻程度并不明確，而納米層的均勻性會影響擴散焊接的焊接強度。

4、因此，本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是：如何提高銅與銅合金的擴散焊接強度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是提供一種銅與銅合金的擴散焊接方法，通過采用不同的滾壓刀依次對銅和銅合金的焊接面進行機械滾壓，從而使銅和銅合金的表面形成梯度變化的納米層，其次，采用三個刀頭半徑逐漸減少的滾壓刀依次機械滾壓，從而使梯度變化的納米層細化得更加均勻，提高擴散焊接的焊接強度。

2、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)所采用的技術(shù)方案：

3、一種銅與銅合金的擴散焊接方法，包括以下步驟：

4、步驟1：采用第一滾壓刀分別對銅的焊接面和銅合金的焊接面進行第一次機械滾壓，去除氧化層并形成細晶層；

5、步驟2：采用第二滾壓刀分別對銅的細晶層和銅合金的細晶層進行第二次機械滾壓，形成亞微米層；

6、步驟3：采用第三滾壓刀分別對銅的亞微米層和銅合金的亞微米層進行第三次機械滾壓，形成納米層；

7、步驟4：對銅和銅合金進行擴散焊接；

8、其中，第一滾壓刀、第二滾壓刀、第三滾壓刀的刀頭半徑逐漸減少；第一次機械滾壓時、第二次機械滾壓時、第三次機械滾壓時的橫向進給量逐漸減少。

9、本方法通過采用刀頭半徑逐漸變小的滾壓刀對銅和銅合金的焊接面進行機械滾壓，在機械滾壓過程中，縱向晶粒會被破碎，晶粒度變小，而多次更換半徑更小的刀頭，與銅和銅合金的表面接觸更加充分，相當于單位面積內(nèi)的變形量更大，晶粒被破碎得更加充分，漸進式地形成均勻的梯度晶。

10、而銅和銅合金的表面粗晶組織得到細化，最終引起晶體缺陷(如位錯、孿晶等)反復地湮滅與再生，并不斷積累應力應變，最終在粗晶金屬材料表面形成晶粒尺寸梯度變化的納米層，并增加材料表面的自由能。更細的晶粒相當于更高密度的位錯能，儲能大，外界就可以用更低的溫度進行焊接，焊接強度更高，其次，納米層的均勻程度會影響整體的焊接強度，避免由于納米層不均勻而導致局部位置焊接強度較弱。

11、優(yōu)選地，第一次機械滾壓時的橫向進給量為0.03～0.07mm；第二次機械滾壓時的橫向進給量為0.008～0.012mm；第三次機械滾壓時的橫向進給量為0.003～0.007mm。

12、在本發(fā)明的一些方案中，第一次機械滾壓時的橫向進給量優(yōu)選為0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm；第二次機械滾壓時的橫向進給量優(yōu)選為0.008mm、0.009mm、0.01mm、0.011mm、0.012mm；第三次機械滾壓時的橫向進給量優(yōu)選為0.003mm、0.004mm、0.005mm、0.006mm、0.007mm。

13、優(yōu)選地，所述第一滾壓刀、第二滾壓刀、第三滾壓刀的刀頭的材質(zhì)為金剛石或硬質(zhì)合金。

14、優(yōu)選地，所述步驟1中，在第一次機械滾壓過程中，第一滾壓刀的刀頭半徑為2～3mm，主軸轉(zhuǎn)速為40～60r/min，縱向進給量為0.01～0.05mm/r。

15、在本發(fā)明的一些方案中，在第一次機械滾壓過程中，第一滾壓刀的刀頭半徑優(yōu)選為2mm、2.5mm、3mm；主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)選為40r/min、45r/min、50r/min、55r/min、60r/min，縱向進給量優(yōu)選為0.01mm/r、0.02mm/r、0.03mm/r、0.04mm/r、0.05mm/r。

16、優(yōu)選地，所述步驟2中，在第二次機械滾壓過程中，第二滾壓刀的刀頭半徑為1～1.5mm，主軸轉(zhuǎn)速為10～30r/min，縱向進給量為0.01～0.05mm/r。

17、在本發(fā)明的一些方案中，在第二次機械滾壓過程中，第二滾壓刀的刀頭半徑優(yōu)選為1mm、1.2mm、1.5mm，主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)選為10r/min、15r/min、20r/min、25r/min、30r/min，縱向進給量優(yōu)選為0.01mm/r、0.02mm/r、0.03mm/r、0.04mm/r、0.05mm/r。

18、優(yōu)選地，所述步驟3中，在第三次機械滾壓過程中，第三滾壓刀的刀頭半徑為0.1～1mm，主軸轉(zhuǎn)速為10～30r/min，縱向進給量為0.01～0.05mm/r。

19、在本發(fā)明的一些方案中，在第三次機械滾壓過程中，第三滾壓刀的刀頭半徑優(yōu)選為0.1mm、0.05mm、1mm，主軸轉(zhuǎn)速優(yōu)選為10r/min、15r/min、20r/min、25r/min、30r/min，縱向進給量優(yōu)選為0.01mm/r、0.02mm/r、0.03mm/r、0.04mm/r、0.05mm/r。

20、優(yōu)選地，所述步驟4中，在擴散焊接過程中，溫度為200～350℃，壓力為100～120mpa，時間為4～6h。

21、在本發(fā)明的一些方案中，在擴散焊接過程中，溫度為200℃、250℃、300℃、350℃，壓力為100mpa、105mpa、110mpa、115mpa、120mpa，時間為4h、4.5h、5h、5.5h、6h。

22、優(yōu)選地，步驟4具體為：采用異丙醇分別對銅和銅合金進行擦拭清洗，對銅和銅合金進行擴散焊接。

23、優(yōu)選地，所述銅的純度為不低于4n；所述銅合金中，鎳的質(zhì)量分數(shù)為1.8～3％，鉻的質(zhì)量分數(shù)為0.1～0.8％，硅的質(zhì)量分數(shù)為0.4～0.8％，余量為銅。

24、需要說明的是，橫向進給量為滾壓刀沿著材料徑向方向移動的進刀量，縱向進給量為滾壓刀沿著材料軸線方向移動的移動速度。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具有以下有益效果：

26、本發(fā)明的擴散焊接方法通過采用三個刀頭半徑逐漸變小的滾壓刀對銅和銅合金的表面進行機械滾壓，第一滾壓刀對銅和銅合金的表面進行機械滾壓，不僅可以去除銅和銅合金表面的氧化層，無需在機械滾壓前進行打磨去氧化工藝，簡化工藝流程，而且在銅和銅合金的表面形成細晶層，然后通過第二滾壓刀對細晶層再次進行機械滾壓，從而使細晶層的晶粒進一步細化，得到亞微米層，最后通過第三滾壓刀對亞微米層進行機械滾壓，得到納米層，通過在不同階段采用不同刀頭半徑的滾壓刀，相當于逐步增加單位面積的變形量，可以使晶粒破碎更加充分和所形成的納米層更加均勻，通過提高納米層的均勻程度，從而提高銅和銅合金之間擴散焊接的焊接強度。