CN116288189A - 旋转靶材挤压设备及旋转靶材与背管的绑定方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转靶材挤压设备，包括缸体、芯轴、背管、压套和压力传递介质；其中，缸体和芯轴具有缩径结构，背管同轴螺接在芯轴具有缩径结构的一端；所述旋转靶材安装在缸体与芯轴之间，压套与缸体、芯轴滑动配合，用于通过压力传递介质对旋转铜靶材进行施压，使旋转铜靶经缩径后套在背管上。一种旋转靶材与背管的绑定方法，将旋转靶材加热并放入挤压设备内，通过压力传递介质对旋转靶材进行施压，使旋转靶材经缩径后套在背管上，经冷却后实现旋转靶材与背管的绑定。本发明一是通过缩径挤压的方式提高旋转靶材的致密度；二是巧妙地通过缩径挤压和热胀冷缩，实现了旋转靶材与背管的绑定；三是不产生压余材料，提高了靶材的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及靶材制备领域，尤其是涉及一种旋转靶材挤压设备，以及使用该挤压设备的一种旋转靶材与背管的绑定方法。
背景技术
靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其它类型的镀膜***在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。靶材产品主要分为平面靶材和旋转靶材。旋转靶材呈圆管状，由于具备材料利用率高、镀膜连续性好等优点，目前旋转靶材已逐渐成为市场的主流产品。
基于粉末冶金领域的旋转靶材制备方法主要分为两大类，一类是热等静压法(HIP)，另一类是冷静压烧结法。热等静压法是将靶材的预制品放置在密闭的容器中，通过介质向预制品施加高温和高压，在高温高压的作用下，使靶材得以烧结和致密化。热等静压法的缺点是工艺流程复杂、设备投入大、加工成本高，优点是制备的靶材具有较高的致密度和较低的氧含量。冷静压烧结法是先采用冷静压法将金属粉末制成靶材管坯，然后在氩气的保护下进行烧结，最后机加成型。冷静压烧结法的优点是工艺简单、加工成本低，缺点是致密度低、氧含量高，尤其是致密度，通常只能达到60-80%。为了增加致密度，现有的工艺是将旋转靶材放在桶状模具中，通过液压机对旋转靶材的两端进行施压，通过压缩来提高致密度。
旋转靶材制备后，还要将旋转靶材绑定在背管上。传统的绑定方法是将直径较大的旋转靶材套在直径相对较小的背管上，并在两者之间注入熔融的金属铟（也可以采用导电胶或无铟钎料作为粘接剂替代金属铟），待冷却后，使得旋转靶材和背管通过凝固的铟连接成为一体，达到绑定的目的。该绑定方法的缺点是，背管与旋转靶材之间的间隙很小，无法保证间隙内被100％地填充，有可能因绑定不牢而造成旋转靶材脱靶。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种旋转靶材挤压设备，以及使用该挤压设备的一种旋转靶材与背管的绑定方法，其目的是：一是通过缩径挤压的方式提高旋转靶材的致密度；二是使旋转铜靶经缩径后套在背管上，通过缩径挤压后产生的残余应力，以及旋转铜靶的热胀冷缩将旋转靶材绑定在背管上。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋转靶材挤压设备，包括缸体、芯轴、背管、压套和压力传递介质；其中，缸体和芯轴具有缩径结构，背管同轴螺接在芯轴具有缩径结构的一端；所述旋转靶材安装在缸体与芯轴之间，压套与缸体、芯轴滑动配合，用于通过压力传递介质对旋转铜靶材进行施压，使旋转铜靶经缩径后套在背管上。
进一步地改进技术方案，在缸体内设置有电加热装置，电加热装置用来加热旋转靶材。
进一步地改进技术方案，在缸体上设有介质注入孔，在压套、缸体、芯轴和旋转靶材之间设有介质腔，所述压力传递介质通过介质注入孔注入介质腔内。
进一步地改进技术方案，所述压力传递介质为石英砂颗粒或陶瓷颗粒，且石英砂颗粒或陶瓷颗粒的粒径大于旋转靶材与缸体、芯轴之间的间隙。
进一步地改进技术方案，在缸体靠近具有缩径结构的一端设置有介质收集盘，介质收集盘用于收集从缩径结构中向外流出的压力传递介质。
一种旋转靶材与背管的绑定方法，包括以下步骤：
S1：将旋转靶材套在缸体与芯轴之间，通过电加热装置将旋转靶材加热至300-450℃；
S2：通过介质注入孔向介质腔内注入压力传递介质，启动液压机，通过压套、压力传递介质对旋转靶材进行施压，使旋转靶材经缩径后套在背管上；
S3：将背管从芯轴上拆卸下来，完成旋转靶材与背管的绑定。
进一步地改进技术方案，完成旋转靶材与背管的绑定后，对旋转靶材和背管进行退火处理。
进一步地改进技术方案，退火处理后，对旋转靶材的外表面进行车削整形。
由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明的挤压设备和旋转靶材与背管的绑定方法具有如下有益效果：
1、通过缩径挤压的方式提高旋转靶材的致密度；
2、经缩径结构的缩径成型后，使旋转靶材的内径、外径尺寸符合产品要求；
3、旋转靶材经缩径挤压后会产生向内收缩的残余应力，该残余应力能够将旋转铜靶紧箍在背管上；
4、巧妙地通过缩径挤压和热胀冷缩，实现了旋转靶材与背管的绑定；
5、通过压力传递介质传递压力，可使旋转靶材完全被缩径结构所缩径，不残留压余材料，提高了靶材的利用率。
附图说明
图1示出的是本挤压设备的结构示意图。
图2-4示出的是本挤压设备在缩径挤压旋转靶材过程中的示意图。
图中：1、缸体；1.1、介质注入孔；1.2、电加热装置；2、芯轴；3、压套；4、压力传递介质；5、背管；6、旋转靶材；7、介质收集盘；7.1、介质出口；7.2、密封圈。
实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种旋转靶材挤压设备，如图1所示，包括缸体1、芯轴2、背管5、压套3和压力传递介质4，下面具体说明其结构及作用。
参照图1-3，缸体1、芯轴2和压套3由模具钢制成。在缸体1内设置有电加热装置1.2，电加热装置1.2用来加热旋转靶材6。此外，在缸体1上设有介质注入孔1.1，在压套3、缸体1、芯轴2和旋转靶材6之间设有介质腔，压力传递介质4通过介质注入孔1.1注入介质腔内。压力传递介质4可以是液压油、聚氨酯块（具有良好的变形能力，常用于金属压力成型模具）、石英砂颗粒或陶瓷颗粒，但是常规的液压油和聚氨酯不耐高温，而耐高温的液压油和弹性固体的价格又很高，因此优先选择石英砂颗粒或陶瓷颗粒。石英砂颗粒和陶瓷颗粒价格便宜，不但耐高温，而且自身硬度和耐压强度很高，尤其是石英砂颗粒和陶瓷颗粒具有流动性，是一种比较理想的压力传递介质4。在本实施例中，石英砂颗粒或陶瓷颗粒的粒径为2-5mm，粒径远大于旋转靶材6与缸体1、芯轴2之间的间隙。
为了回收压力传递介质4，在缸体1靠近具有缩径结构的一端设置有介质收集盘7，介质收集盘7用于收集从缩径结构中向外流出的压力传递介质4。在介质收集盘7上设有介质出口7.1和密封圈7.2。
缸体1和芯轴2为固定件，压套3为移动件，压套3能够在液压机的作用下向右移动，进而进入缸体1与芯轴2之间的环形腔体内。缸体1和芯轴2的右端具有进端直径大、出端直径小的缩径结构，压套3与缸体1、芯轴2配合能够通过压力传递介质4对旋转靶材6进行缩径挤压。这种缩径挤压能够使旋转靶材6在缩径后的截面面积小于其在缩径前的截面面积，起到提高旋转靶材6致密度的作用。
背管5同轴螺接在芯轴2的右端（具有缩径结构的一端），其直径与缩径结构的内径一致。值得注意的是，除了螺接的连接形式，还可以采用插接并在背管5的另一端采取顶压的形式。压套3与缸体1、芯轴2滑动配合，其作用是通过压力传递介质4对旋转铜靶材进行施压，使旋转铜靶经缩径后套在背管5上。
旋转靶材6放置在缸体1与芯轴2之间的环形腔内。在本实施例中，旋转靶材6为铜靶材，是由纯度在99.9%以上的纯铜粉末经冷静压烧结法制成，该铜靶材具有良好的延展性和压延性，是一种很好的压延材料。在挤压前，先采用冷静压法将铜粉末制成靶材管坯，然后在氩气的保护下进行烧结。由于冷静压法需要使用成型模具，因此经冷静压烧结法制备的旋转靶材6具有较为稳定的尺寸形状，甚至不需要机加工，就可使旋转靶材6的内径与芯轴2的外径相适配，外径与缸体1的内径相适配。
冷静压烧结法的优点是工艺简单、加工成本低，缺点是致密度低、氧含量高，尤其是致密度，通常只能达到60-80%。对于平面靶材来说，可以通过轧制来提高平面靶材的致密度。而对于旋转靶材6来说，通常将旋转靶材6放在模具（钢筒）中，使用压力机对旋转靶材6的两端进行加压，通过压缩来提高致密度。
本挤压设备要解决的问题有两个，一是通过缩径挤压的方式提高旋转靶材6的致密度；二是使旋转铜靶经缩径后套在背管5上，通过缩径挤压后产生的残余应力，以及旋转铜靶的热胀冷缩将旋转靶材6绑定在背管5上。
为了详细说明本挤压设备的工作过程，本发明还公开了一种旋转靶材6与背管5的绑定方法，该绑定方法包括以下步骤：
S1：参照图1，首先将旋转靶材6套在缸体1与芯轴2之间，通过电加热装置1.2将旋转靶材6加热至300-450℃。
在常规的铜材挤压工艺中，铜材的加热温度通常为600-900℃，这样的温度有助于挤压成型，并降低了挤压力。而对于旋转靶材6来说，过高的温度提高了旋转靶材6的塑性变形能力，但也降低了挤压力，这偏离了增加旋转靶材6致密度的目的。实践证明，将旋转靶材6加热至300-450℃，一是在保证增加致密度的前提下，能够顺利地实现对旋转靶材6的缩径挤压；二是为旋转靶材6通过热胀冷缩绑定在背管5上，提供适度的温度条件。
值得注意的是，也可以事先将旋转靶材6加热，然后将旋转靶材6套在缸体1与芯轴2之间，但是旋转靶材6套加热后会膨胀，需要使用液压机和压套3将旋转靶材6顶入缸体1内。
S2：参照图1、图2和图3，通过介质注入孔1.1向介质腔内注入压力传递介质4，启动液压机，通过压套3、压力传递介质4对旋转靶材6进行施压，使旋转靶材6经缩径后套在背管5上。
在本实施例中，压力传递介质4为陶瓷颗粒。由图1-3可知，压套3不能进入缩径结构内，但是由于陶瓷颗粒具有流动性，压套3能够通过陶瓷颗粒向旋转靶材6的末端传递压力，使旋转靶材6的末端也能顺利地通过缩径结构，并被缩径结构所挤压成型，从而不残留压余材料。
本绑定方法能够实现以下目的：
1、通过缩径挤压的方式提高旋转靶材6的致密度；
2、经缩径结构的缩径成型后，使旋转靶材6的内径、外径尺寸符合产品要求；
3、旋转靶材6经缩径挤压后会产生向内收缩的残余应力，该残余应力能够将旋转铜靶紧箍在背管5上；
4、背管5是可更换的，基本处于常温状态，而经缩径挤压后的旋转靶材6还具有300-450℃的温度，旋转靶材6冷却后能够箍在背管5上，实现旋转靶材6与背管5的绑定；
5、通过压力传递介质4传递压力，可使旋转靶材6完全被缩径结构所缩径，不残留压余材料，提高了靶材的利用率。
常规的缩径工艺，在压套3不能进入缩径结构时，通常在挤出端使用液压缸将缩径工件拉出，不需要压力传递介质4。但是对于本技术方案，在旋转靶材6的挤出端施加拉力会对旋转靶材6与背管5上的绑定造成不良影响，因此只能借用压力传递介质4在挤入端施加压力。
当旋转靶材6完全从缩径结构中挤出时，从缩径结构中向外流出的陶瓷颗粒进入介质收集盘7内，然后从介质出口7.1流出。此时，旋转靶材6与介质收集盘7上的密封圈7.2配合，形成密封结构，防止陶瓷颗粒向外喷射。
S3：参照图4，通过旋转将背管5从芯轴2上拆卸下来，完成旋转靶材6与背管5的绑定，然后对旋转靶材6和背管5进行退火处理。退火处理后，对旋转靶材6的外表面进行车削整形，一是符合产品尺寸的要求，二是去除旋转靶材6的表面材料，表面材料有可能因挤压接触缸体1、芯轴2、陶瓷颗粒而受到污染，不利于提高旋转靶材6的纯度。
未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种旋转靶材挤压设备，其特征是：包括缸体、芯轴、背管、压套和压力传递介质；其中，缸体和芯轴具有缩径结构，背管同轴螺接在芯轴具有缩径结构的一端；所述旋转靶材安装在缸体与芯轴之间，压套与缸体、芯轴滑动配合，用于通过压力传递介质对旋转铜靶材进行施压，使旋转铜靶经缩径后套在背管上。
2.如权利要求1所述的一种旋转靶材挤压设备，其特征是：在缸体内设置有电加热装置，电加热装置用来加热旋转靶材。
3.如权利要求2所述的一种旋转靶材挤压设备，其特征是：在缸体上设有介质注入孔，在压套、缸体、芯轴和旋转靶材之间设有介质腔，所述压力传递介质通过介质注入孔注入介质腔内。
4.如权利要求3所述的一种旋转靶材挤压设备，其特征是：所述压力传递介质为石英砂颗粒或陶瓷颗粒，且石英砂颗粒或陶瓷颗粒的粒径大于旋转靶材与缸体、芯轴之间的间隙。
5.如权利要求1所述的一种旋转靶材挤压设备，其特征是：在缸体靠近具有缩径结构的一端设置有介质收集盘，介质收集盘用于收集从缩径结构中向外流出的压力传递介质。
6.应用于如权利要求4所述挤压设备的一种旋转靶材与背管的绑定方法，其特征是：包括以下步骤：
S1：将旋转靶材套在缸体与芯轴之间，通过电加热装置将旋转靶材加热至300-450℃；
S2：通过介质注入孔向介质腔内注入压力传递介质，启动液压机，通过压套、压力传递介质对旋转靶材进行施压，使旋转靶材经缩径后套在背管上；
S3：将背管从芯轴上拆卸下来，完成旋转靶材与背管的绑定。
7.如权利要求6所述的一种旋转靶材与背管的绑定方法，其特征是：完成旋转靶材与背管的绑定后，对旋转靶材和背管进行退火处理。
8.如权利要求7所述的一种旋转靶材与背管的绑定方法，其特征是：退火处理后，对旋转靶材的外表面进行车削整形。
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