CN110092645B - 一种复合陶瓷基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子信息材料技术领域，尤其涉及一种复合陶瓷基板及其制备方法。本申请提供了一种复合陶瓷基板，包括：内芯层和复合于所述内芯层的两侧的等厚表面层；其中，所述内芯层与所述表面层的热膨胀系数之差为Δα，所述内芯层的厚度为H，所述表面层的厚度为h；所述Δα须满足第一约束条件，所述第一约束条件为：Δα<第一预置数值，且Δα<第二预置数值，且Δα>第三预置数值；同时所述h/H须满足第二约束条件，所述第二约束条件为：第四预置数值≤h/H≤第五预置数值。本发明所提供的一种复合陶瓷基板能有效解决现有的陶瓷基板存在的力学强度较低及其封装构件安全性与可靠性差的技术缺陷。

Description

一种复合陶瓷基板及其制备方法
技术领域
本发明属于电子信息材料技术领域，尤其涉及一种复合陶瓷基板及其制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的不断发展，电路集成化程度越来越高，导致了电子设备的热流密度逐渐增大；且电子产品逐渐向小型化、便携化、大功率化、高频化方向快速发展，系统结构越来越紧凑，这就使得电子设备的散热要求越来越高。此外，散热基板在使用过程中会承受的冷热冲击(Si芯片工作结温150～175℃)所产生的热应力作用，特别是对于高功率器件(例如：绝缘栅双极型晶体管IGBT、大功率LED等)的散热模块，这种热应力的作用更强。
目前使用较多的陶瓷基板主要是氧化铝、氮化铝和氮化硅陶瓷基板。由于陶瓷基板是典型的脆性材料，其在热应力疲劳作用下的破坏主要表现为突发性的开裂破坏，从而导致电子元器件的破坏与失效，继而易引发灾难性事故。其中氧化铝陶瓷力学、热、电学性能优良，且价格低廉，原料丰富，是目前电子行业中综合性能较好、应用最成熟的陶瓷材料，占陶瓷封装基板总量的90％以上。但是，由于电子设备的冷热冲击所产生的热应力作用，热应力值超过氧化铝陶瓷基板自身的本征抗拉强度时，陶瓷基板会开裂破坏。而由于氧化铝陶瓷强度较低(300～380MPa)，其使用寿命通常较短，例如氧化铝陶瓷基板在-55～150℃的冷热循环试验中，当循环次数>65次时，氧化铝基板即出现开裂破坏。因此，提高氧化铝陶瓷基板的强度可大幅度提高其使用寿命，对保障电子封装构件服役安全性与可靠性具有重要意义。此外，由于电子设备具有较高的散热要求，而氧化铝陶瓷基板的热导率一般为20～30W/(mK)，需要进一步提升氧化铝陶瓷基板的热导率以满足电子信息行业日益增长的散热需求。因此，提升陶瓷基板的力学强度对于确保其封装构件的服役安全性与可靠性至关重要。
发明内容
本申请提供了一种高强度高导热的复合陶瓷基板，在确保陶瓷基板较高热导率的前提下，可通过层状复合设计提高陶瓷基板的力学强度，有利于提升陶瓷基板封装构件的服役寿命与安全可靠性。
有鉴于此，本申请提供了一种复合陶瓷基板，包括：
内芯层和复合于所述内芯层的两侧的表面层；
其中，所述内芯层与所述表面层的热膨胀系数之差为Δα，所述内芯层的厚度为H，所述表面层的厚度为h；
所述Δα同时符合第一约束条件：
所述第一约束条件为：Δα<第一预置数值，且Δα<第二预置数值，且Δα>第三预置数值；
所述
Figure BDA0002071856460000021
符合第二约束条件：
所述第二约束条件为：
Figure BDA0002071856460000022
作为优选，所述于第一预置数值为
Figure BDA0002071856460000023
σ内芯层为内芯层的弯曲强度；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷基板的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；
所述第二预置数值为
Figure BDA0002071856460000024
σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷基板的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；
所述第三预置数值为
Figure BDA0002071856460000031
σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷基板的弹性模量开始出现急剧降低的温度点。
需要说明的是，本申请的内芯层和表面层的材料不受约束，只需要符合以上第一约束条件和第二约束条件即可，本申请的内芯层和表面层的材料可以是现有的材料或者日后发现的新物质。
作为优选，所述第四预置数值为
Figure BDA0002071856460000032
所述第五预置数值为
Figure BDA0002071856460000033
其中，
κ1＝4β(E1σ内芯层-E1E2ΔTΔα)；
κ2＝2(βE1σ内芯层-βE1E2ΔTΔα+βE2σ内芯层-E1σ表面层)；
κ3＝βE2σ内芯层-E1E2ΔTΔα-E2σ表面层；
其中，σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷基板的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；Δα为所述内芯层与所述表面层的热膨胀系数之差；β为所述表面层与所述内芯层的弹性模量之比，β＝E1/E2；x为表征理论计算与实际实验之间区别的经验参数，其中0<x<0.1。
具体的，x为表征理论计算获得的最优层厚比
Figure BDA0002071856460000041
与实际实验获得的最优层厚比
Figure BDA0002071856460000042
之间区别的经验参数。
需要说明的是，第一预置数值
Figure BDA0002071856460000043
与第二预置数值
Figure BDA0002071856460000044
的大小根据内芯层和表面层的材料决定，因此，会存在第一预置数值>第二预置数值，以及第一预置数值<第二预置数值的情况。
需要说明的是，所述内芯层可以是多层结构组合的内芯层，也可以是单层结构的内芯层，所述表面层可以是多层结构组合的表面层，也可以是单层结构的表面层，本发明对于内芯层和表面层的层数结构不做具体限定。但内芯层与表面层的热膨胀系数之差与厚度之比必须满足第一约束条件和第二约束条件。
作为优选，所述内芯层的两侧的表面层的厚度相等。
作为优选，所述的表面层材料为内芯层材料与低膨胀组元混合而制备得到的复合陶瓷。
具体的，内芯层材料为陶瓷材料。弯曲强度、弹性模量和软化温度等为陶瓷材料的参数。
需要说明的是，低膨胀组元可以是较内芯层主相材料热膨胀系数低的耐高温材料，也可以是耐高温的负膨胀系数材料或零膨胀系数材料。值得注意的是内芯层材料与低膨胀组元应高温环境下不发生化学反应(或生成新物相)，以确保低膨胀组元的掺加可以降低表面层材料的热膨胀系数。
需要说明的是，表面层中低膨胀组元的掺加是为了降低表面层材料的热膨胀系数，从而在烧结完成后于复合陶瓷基板表面引入残余压应力，继而达到预应力增强的目的。且表面层材料中是以内芯层材料为主相，由此可确保表面层与内芯层间的良好界面结合。其中，针对氧化铝、氮化铝、氮化硅陶瓷而言，所述的低膨胀组元分别为氮化铝、氮化硅和金刚石。
需要说明的是，复合陶瓷基板的内芯层也可以是其他陶瓷基板材料，例如堇青石陶瓷，内芯层的材料可以为堇青石陶瓷混合物，表面层的材料可以为堇青石和石英的复合陶瓷混合物，也可以为堇青石和锂辉石的复合陶瓷混合物，通过现有常规的制备方法制得复合陶瓷基板，可通过在内芯层堇青石陶瓷外侧引入堇青石/石英复相陶瓷或堇青石/锂辉石复相陶瓷，但内芯层与表面层的热膨胀系数之差与厚度之比必须满足第一约束条件和第二约束条件，这可提升堇青石陶瓷的力学强度。
作为优选，所述内芯层的材料选自氧化铝、氮化铝、氮化硅陶瓷中的一种；所述表面层材料分别为氧化铝/氮化铝复合陶瓷、氮化铝/氮化硅复合陶瓷、氮化硅/金刚石复合陶瓷。
需要说明的是，所述内芯层的材料为氧化铝陶瓷，所述表面层的材料选自氮化铝和氧化铝的复合陶瓷，氧化铝陶瓷的表面引入热膨胀系数较小的氮化铝/氧化铝复合陶瓷，从而在烧结完成后的降温过程中于复合陶瓷基板的表面引入残余压应力，从而可以大幅度提高复合陶瓷基板的弯曲强度。此外，在氧化铝陶瓷中掺加热导率较高的氮化铝，也可以有效提高复合陶瓷基板的热导率。
本发明还提供了一种复合陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氧化铝、烧结助剂A、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到的内芯层的氧化铝陶瓷浆料；
以及，按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氧化铝、烧结助剂B、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到表面层的氮化铝和氧化铝的复合陶瓷浆料，
步骤2、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述内芯层的氧化铝陶瓷浆料和所述表面层的氮化铝和氧化铝的复合陶瓷浆料制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行无压烧结或流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂A选自MgO和稀土氧化物中的一种或多种，所述MgO的掺量为0～0.5wt％，所述烧结助剂A的稀土氧化物的掺量为0～3wt％；
作为优选，所述的烧结助剂B选自稀土氧化物或稀土氟化物中的一种或多种，所述烧结助剂B的掺量为1～6wt％。
更为优选，所述烧结助剂A的稀土氧化物为Y2O3。
更为优选，所述烧结助剂B的稀土氧化物为Y2O3，稀土氟化物为YF3。
具体的，本发明提供的复合陶瓷基板的制备方法为光固化3D打印的制备方法，基于光固化3D打印的制备方法可以制备得到厚度<1mm的复合陶瓷基板，也可以制备得到厚度>1mm的复合陶瓷基板，其制备方法包括以下步骤：
L1：将氧化铝粉与MgO、Y2O3在乙醇介质中球磨4～24h，然后干燥、研磨、过50～150目筛，造粒制得内芯层Al2O3粉体，然后，与光敏树脂混合，同时掺加占粉体质量1.5～2.0％的分散剂，球磨混合4～12h之后加入0.1～3％(占光敏树脂质量的百分数)的光引发剂，再次球磨3～10min，制得内芯层的氧化铝陶瓷浆料；
将氮化铝粉和氧化铝粉和Y2O3或YF3在乙醇介质中球磨4～24h，然后干燥、研磨、过50～150目筛，造粒制得表层Al2O3/AlN复合粉体，然后，与光敏树脂混合，同时掺加占粉体质量1.5～2.0％的分散剂，球磨混合4～12h之后加入0.1～3％(占光敏树脂质量的百分数)的光引发剂，再次球磨3～10min，制得表面层的氮化铝和氧化铝的复合陶瓷浆料；
L2：基于紫外光固化面成型技术，利用多物料3D打印机制备层状生坯，紫外光曝光量为4～100mJ/cm2，打印层厚为10～20μm，单层固化时间为3～15s；
L3：将层状生坯置于紫外光灯辐照条件下进行进一步固化，固化时间为4～24h；然后依次进行真空脱脂、空气脱脂，制得层状坯体；
L4：将制得的层状坯体置于石墨模具内，且层状坯体的几何尺寸较石墨模具模腔尺寸小，然后将石墨模具置于热压炉内进行流动热压烧结，烧结完成后即可获得氧化铝基复合陶瓷基板(结构为表面层等厚复合在内芯层的两侧)。
对于3D打印制得的氧化铝基复合陶瓷坯体，也可采用无压烧结，即将坯体试样置于石墨模具或氮化硼模具内，置于气氛炉内，在流动氮气气氛下进行高温烧结，可制得氧化铝基复合陶瓷基板。
更为优选，所述光敏树脂为环氧丙烯酸酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、醋酸乙烯酯、乙烯基吡咯烷酮、己二醇二丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或几种。
更为优选，所述分散剂为BYK AT204、BYK 9076、BYK 9077、BYK P104S、BYK 110、BYK W9010、SOLSPERSE 8000、SOLSPERSE 17000、SOLSPERSE 24000中的任一种或多种。
更为优选，所述光引发剂为Darocur 1173、TPO、Irgacure 819、Irgacure 184、Irgacure 127、Irgacure 369、Irgacure 907中的任一种或多种，且光引发剂的吸收波长为250～460nm。
更为优选，所述内芯层的氧化铝陶瓷浆料与表面层的氮化铝和氧化铝的复合陶瓷浆料的固含量均大于40vol％。
更为优选，所述真空脱脂是将固化完全后的生坯置于真空炉内，以0.5～3℃/min的加热速率升温至400～600℃，其中每间隔100℃保温0.5～2h；真空脱脂完成后，将坯体置于马弗炉内，在空气气氛下进行进一步脱脂除碳，以0.5～3℃/min的加热速率升温至400～500℃，其中每间隔100℃保温0.5～2h。
更为优选，所述流动热压烧结是将石墨模具(其内放置3D打印制得的层状坯体)置于热压炉内，在氮气气氛下以5～10℃/min升温至1300～1450℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为10～50MPa，然后以5～10℃/min升温至1500～1650℃，保温1～4h，进行烧结。
更为优选，所述的无压烧结是在气氛炉内进行，在流动氮气气氛下，以5～10℃/min升温至1500～1650℃，保温1～4h，然后随炉冷却，完成烧结。
本发明还提供了一种所述复合陶瓷基板的制备方法，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照所述第一约束条件和所述第二约束条件，将氧化铝和烧结助剂C混合，造粒得到的内芯层粉体；
以及，按照所述第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氧化铝和烧结助剂D混合，造粒得到表面层粉体，
步骤二、按照所述第一约束条件和所述第二约束条件，基于分层铺粉与预压制的制备方法，将所述内芯层粉体和所述表面层粉体制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后烧结可制得复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂C选自MgO和稀土氧化物中的一种或多种，所述MgO的掺量为0～0.5wt％，所述烧结助剂C的稀土氧化物的掺量为0～3wt％；
所述烧结助剂D选自稀土氧化物和稀土氟化物中的一种或多种，所述烧结助剂D的掺量为1～6wt％。
所述的烧结为无压烧结、热压烧结、流动热压烧结中的一种。
具体的，本发明提供的复合陶瓷基板的制备方法为采用分层铺粉与预压制的制备方法，基于分层铺粉与预压制的制备方法可以制备得到厚度>1mm的复合陶瓷基板，其制备方法包括以下步骤：
S1：将氧化铝粉与MgO、Y2O3在乙醇介质中球磨4～24h，然后干燥、研磨、过50～150目筛，造粒制得内芯层Al2O3粉体；
S2：将氮化铝粉和氧化铝粉和Y2O3或YF3在乙醇介质中球磨4～24h，然后干燥、研磨、过50～150目筛，造粒制得表面层Al2O3/AlN复合粉体；
S3：称取一定量(质量由表面层与内芯层的厚度比、模具的几何尺寸确定)表面层Al2O3/AlN复合粉体铺设于石墨模具中，振实均匀后进行预压，预压压力为5～20MPa；
S4：称取一定量(质量由表层与内芯层的厚度比、模具的几何尺寸确定)的内芯层Al2O3粉体铺设于石墨模具中的Al2O3/AlN预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为5～20MPa；
S5：称取与S3相同质量的表面层Al2O3/AlN复合粉体铺设于石墨模具中Al2O3预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为5～20MPa；
S5：将石墨模具与层状预压坯体置于气氛炉或热压炉内，在氮气气氛下进行烧结。对于无压烧结，在流动氮气下，以5～10℃/min升温至1500～1650℃，保温1～4h，然后随炉冷却，完成烧结；对于热压烧结或流动热压烧结，施加轴向压力为10～50MPa，烧结温度为1500～1650℃，保温时间为1～4h，烧结完成后即可获得氧化铝基复合陶瓷基板(结构为表面层等厚复合在内芯层的两侧)。
本发明还提供了一种所述复合陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、烧结助剂E、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化铝陶瓷混合物；
以及，按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氮化硅、烧结助剂F、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物；
步骤2、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述氮化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂E选自稀土氧化物和稀土氟化物中的一种或多种，所述烧结助剂E的掺量为3～6wt％。
作为优选，所述烧结助剂F选自稀土氧化物和稀土氟化物的一种或多种，所述烧结助剂F的掺量为3～8wt％。
本申请还提供了一种所述复合陶瓷基板的制备方法，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝和烧结助剂G混合，造粒得到的所述氮化铝陶瓷混合物；
以及，按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氮化硅和烧结助剂H混合，造粒得到所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物；
步骤二、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于利用分层铺粉与预压制的制备方法，将氮化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物铺粉干压制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后进行热压烧结或流动热压烧结，即可制得复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂G选自稀土氧化物和稀土氟化物中的一种或多种，所述烧结助剂G的掺量为3～6wt％。
作为优选，所述烧结助剂H选自稀土氧化物、稀土氟化物的一种或多种，所述烧结助剂H的掺量为3～8wt％。
本申请还提供了一种所述复合陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、烧结助剂J、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化硅陶瓷混合物；
以及，按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、金刚石微粉、烧结助剂K、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物；
步骤2、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述氮化硅陶瓷混合物和所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂J为氧化铝、氧化镁和稀土氧化物组成的复合助剂，所述氧化铝的掺量为0～3wt％，所述氧化镁的掺量为0～3wt％，所述烧结助剂J的稀土氧化物的掺量为3～8wt％。
作为优选，所述烧结助剂K为氧化铝、氧化镁、稀土氧化物组成的复合助剂，所述氧化铝的掺量为1～3wt％，所述氧化镁的掺量为0.5～3wt％，所述烧结助剂K的稀土氧化物的掺量为2～6wt％。
本申请还提供了一种所述复合陶瓷基板的制备方法，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅和烧结助剂M混合，造粒得到所述氮化硅陶瓷混合物；
以及，按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、金刚石微粉和烧结助剂N混合，造粒得到所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物；
步骤二、按照所述的第一约束条件和所述第二约束条件，利用分层铺粉与预压制的制备方法，将所述氮化硅陶瓷混合物和所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物铺粉干压制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后利用热压烧结或流动热压烧结可制得复合陶瓷基板。
作为优选，所述烧结助剂M为氧化铝、氧化镁、稀土氧化物组成的复合助剂，所述氧化铝的掺量为0～3wt％，所述氧化镁的掺量为0～3wt％，所述烧结助剂M的稀土氧化物的掺量为3～8wt％。
作为优选，所述烧结助剂N为氧化铝、氧化镁、稀土氧化物组成的复合助剂，所述氧化铝的掺量为1～3wt％，所述氧化镁的掺量为0.5～3wt％，所述烧结助剂N的稀土氧化物的掺量为2～6wt％。
需要说明的是，本申请的复合陶瓷基板的制备方法可以采用流延成型的制备方法(先进行多次流延，再叠片、模切，经干燥、脱脂后才可进行烧结)，也可以采用3D打印制备方法(直接制得层状生坯，经干燥固化、脱脂后即可进行烧结)，这极大地简化了工艺流程；且多层复合陶瓷基板的层厚比设计灵活，易于实现产品的多样化需求，流延成型的制备方法会和3D打印制备方法可以制备任意厚度的复合陶瓷基板，对于厚度>1mm的复合陶瓷基板，还能使用分层铺粉与预压制的制备方法。本申请的复合陶瓷基板的制备方法也可使用未来的新研发的制备方法，只需要内芯层和表面层符合第一约束条件和第二约束条件即可。
本发明公开的复合陶瓷基板广泛应用于微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请实施例中，提供了一种复合陶瓷基板，本发明的复合陶瓷基板为复相设计，基于预应力强化技术，通过层状复合设计以及计算可知，内芯层和表面层的热膨胀系数之差需要同时符合第一约束条件，且内芯层和表面层的厚度需要符合第二约束条件的复合陶瓷基板具备高强度，由于表面层的热膨胀系数较小，从而在烧结完成后的降温过程中于复合陶瓷基板的表面引入残余压应力，从而可以大幅度提高复合陶瓷基板的弯曲强度；本申请的内芯层和表面层的材料不受约束限制，只要内芯层与表面层的热膨胀系数之差符合第一约束条件，内芯层与表面层的厚度符合第二约束条件，可满足复合陶瓷基板的高强度制备需要，此外，本技术方案可以使用目前主流的流延成型技术制备，也可以使用3D打印技术制备，也可以使用分层铺粉与预压制的方法，也可以使用未来的新的制备方法制备，因此，本申请的复合陶瓷基板的制备可选择性大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的复合陶瓷基板的横截面示意图，其中，1为复合陶瓷基板的表面层，2为复合陶瓷基板的内芯层；其中，复合在所述内芯层2两侧的表面层1的材料相同、厚度相等。
具体实施方式
本发明提供了一种复合陶瓷基板及其制备方法，在确保陶瓷基板较高热导率的前提下，主要用于解决现有的陶瓷基板存在的力学强度低及其封装构件服役安全性和可靠性差的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中，以下实施例所用原料均为市售或自制，以下实施例的单相氧化铝陶瓷为以单一氧化铝为材料按照现有常规的光固化3D打印的制备方法或分层铺粉与预压制的制备方法制备得到的单相氧化铝陶瓷。
实施例1
本发明实施例提供第一种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
a1：内芯层材料制备(Al2O3造粒)，将96.5重量份的氧化铝、0.5重量份的氧化镁与3重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3粉体；
a2：表面层材料制备(Al2O3/AlN造粒)，将81重量份的氧化铝、13重量份的氮化铝与6重量份的氟化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3/AlN粉体；
a3：确定表层与内芯层层厚比，在流动的氮气气氛下Al2O3与Al2O3/AlN对进行烧结，轴向压力为50MPa，烧结温度为1500℃，保温时间为4h，然后降至室温，即可得Al2O3陶瓷与Al2O3/AlN陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1200℃)。将测试值代入第一约束条件可得内芯层与表面层的热膨胀系数差值Δα需满足0<Δα<0.90×10-6K-1，Al2O3陶瓷热膨胀系数8.5×10-6K-1与Al2O3/AlN陶瓷热膨胀系数8.0×10-6K-1之差满足上述要求，即说明Al2O3/AlN粉体中AlN的掺量是适宜的，将其设置为氧化铝陶瓷的表层材料可以起到增强效果。进一步利用第二约束条件可得最佳层厚比的范围为0.27<h/H<0.47，在此范围内进行上、下表层与内芯层铺粉量的设计。
a4：下表面层铺粉预压，称取4.85g Al2O3/AlN粉体，并铺设于直径50mm的石墨模具中，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa；
a5：内芯层铺粉预压，称取13.43g Al2O3粉体，并铺设于石墨模具中下表层Al2O3/AlN预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa；
a6：上表面层铺粉预压，称取4.85g Al2O3/AlN粉体，并铺设于石墨模具中内芯层Al2O3预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa，预压完成后即制得层状预压坯体；
a7：热压烧结，将上述制得的层状预压坯体与石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下进行烧结，轴向压力为50MPa，烧结温度为1500℃，保温时间为4h，然后降至室温即可制得厚度约为3mm的复合陶瓷基板(结构如图1所示)，即为氧化铝基复合陶瓷基板。
a8：性能测试。利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度均为0.64mm，内芯层厚度约为1.72mm，即表层与内芯层层厚比为0.37；利用三点弯曲试验测得氧化铝基复合陶瓷基板的弯曲强度为505MPa，较单相氧化铝陶瓷的弯曲强度380MPa提高了约32.9％；利用闪光法测得氧化铝基复合陶瓷基板的热导率为33.7W/(m·K)，较氧化铝陶瓷的热导率30W/(m·K)提高了约12.3％。
实施例2
本发明实施例提供第二种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
b1：内芯层材料制备(Al2O3造粒)，将100重量份的氧化铝加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨4h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过50目筛，造粒制得Al2O3粉体；
b2：表面层材料制备(Al2O3/AlN造粒)，将90.6重量份的氧化铝、8.4重量份的氮化铝与1重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨4h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过50目筛，造粒制得Al2O3/AlN粉体；
b3：确定表层与内芯层层厚比，在流动的氮气气氛下Al2O3与Al2O3/AlN对进行烧结，轴向压力为10MPa，烧结温度为1650℃，保温时间为1h，然后降至室温，即可得Al2O3陶瓷与Al2O3/AlN陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1200℃)。将测试值代入第一约束条件可得内芯层与表面层热膨胀系数差值Δα需满足0<Δα<0.86×10-6K-1，Al2O3陶瓷热膨胀系数8.5×10-6K-1与Al2O3/AlN陶瓷热膨胀系数8.2×10-6K-1之差满足上述要求，即说明Al2O3/AlN粉体中AlN的掺量是适宜的，将其设置为氧化铝陶瓷的表面层材料可以起到增强效果。进一步利用第二约束条件可得最佳层厚比的范围为0.12<h/H<0.32，在此范围内进行上、下表面层与内芯层铺粉量的设计。
b4：下表面层铺粉预压，称取3.53g Al2O3/AlN粉体，并铺设于直径50mm的石墨模具中，振实均匀后进行预压，预压压力为5MPa；
b5：内芯层铺粉预压，称取16.25g Al2O3粉体，并铺设于石墨模具中下表层Al2O3/AlN预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为5MPa；
b6：上表面层铺粉预压，称取3.53g Al2O3/AlN粉体，并铺设于石墨模具中内芯层Al2O3预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为5MPa，预压完成后即制得层状预压坯体；
b7：热压烧结，将上述制得的层状预压坯体与石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下进行烧结，轴向压力为10MPa，烧结温度为1650℃，保温时间为1h，然后降至室温即可制得厚度约为3mm的复合陶瓷基板(结构如图1所示)，即为氧化铝基复合陶瓷基板。
b8：性能测试，利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度约为0.46mm，内芯层厚度约为2.08mm，即表面层与内芯层层厚比为0.22；利用三点弯曲试验测得氧化铝基复合陶瓷基板的弯曲强度为487MPa，较单相氧化铝陶瓷的弯曲强度380MPa提高了约28.1％；利用闪光法测得氧化铝基复合陶瓷基板的热导率为31.6W/(m·K)，较单相氧化铝陶瓷的热导率30W/(m·K)提高了约5.3％。
实施例3
本发明实施例提供第三种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
c1：内芯层材料制备(Al2O3造粒)，将96.5重量份的氧化铝、0.5重量份的氧化镁与3重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3粉体；
c2：表面层材料制备(Al2O3/AlN造粒)，将83重量份的氧化铝、11重量份的氮化铝与6重量份的氟化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3/AlN粉体；
c3：陶瓷浆料制备，将上述制得的75重量份的Al2O3粉体或Al2O3/AlN粉体加入25重量份的己二醇二丙烯酸酯，同时加入1.125重量份的BYK AT204后，球磨12h，然后加入0.025重量份的Darocur 1173，再次球磨10min，即可制得Al2O3浆料与Al2O3/AlN浆料。所制得的Al2O3陶瓷浆料的固含量约为42.9vol％，Al2O3/AlN陶瓷浆料固含量约为43.6vol％。
c4：3D打印成型层状生坯，将上述制得的Al2O3浆料与Al2O3/AlN浆料置于多物料3D打印机中，按照预先设计的模型进行光固化打印成型。紫外光光源波长为460nm，曝光量为4mJ/cm2，打印层厚为10μm，单层固化时间为15s。将打印制得的层状生坯置于紫外光辐照条件下进行进一步固化，辐照时间为4h。
c5：真空脱脂，将固化完全后的层状生坯置于真空炉内，以3℃/min升至600℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃温度下保温0.5h，再以3℃/min降至室温即可完成真空脱脂。
c6：空气脱脂，真空脱脂完成后，将坯体置于马弗炉内，在空气气氛下以3℃/min升至500℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃温度下保温0.5h，再以3℃/min降至室温即可完成空气脱脂，制得层状坯体。
c7：确定表面层与内芯层层厚比，按照GB/T 10700-2006、GB/T 6569-2006、GB/T16535-2008的试样尺寸要求打印制备Al2O3与Al2O3/AlN陶瓷坯体。然后将制得的陶瓷坯体置于石墨模具内，再将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以5℃/min升温至1450℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为50MPa，然后再以5℃/min升温至1650℃，保温1h后随炉冷却至室温即可得Al2O3陶瓷与Al2O3/AlN陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1300℃)。将测试值代入第一约束条件可得内芯层与表层热膨胀系数差值Δα需满足0.04×10-6K-1<Δα<0.87×10-6K-1，Al2O3陶瓷热膨胀系数8.4×10-6K-1与Al2O3/AlN陶瓷热膨胀系数8.0×10-6K-1之差满足上述要求，即说明Al2O3/AlN粉体中AlN的掺量是适宜的，将其设置为氧化铝陶瓷的表层材料可以起到增强效果。进一步利用第二约束条件可得最佳层厚比的范围为0.16<h/H<0.36，在此范围内进行上、下表面层与内芯层打印层数的设计。本实施例中设计上、下表面层Al2O3/AlN的打印层数设置为18层，内芯层Al2O3的打印层数设置为74层。
c8：流动热压烧结，将制得的层状坯体置于石墨模具内，且坯体的几何尺寸(45mm×5mm或25mm×25mm)较石墨模具模腔尺寸(Φ50mm)小。然后将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以5℃/min升温至1450℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为50MPa，然后再以5℃/min升温至1650℃，保温1h后随炉冷却至室温即可制得厚度约为0.8mm的复合陶瓷基板，(结构如图1所示)，即为氧化铝基复合陶瓷基板。
c9：性能测试，利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度约为0.15mm，内芯层厚度约为0.59mm，即表面层与内芯层层厚比为0.26；利用三点弯曲试验结合拟涂层法(参考文献：高秀敏,聂光临,包亦望.拟涂层法评价薄陶瓷基片的弯曲强度及弹性模量[J].陶瓷学报,2018,39(04):463-467)测得氧化铝基复合陶瓷基板的弯曲强度为443MPa，较单相氧化铝陶瓷的弯曲强度355MPa提高了约24.8％；利用闪光法测得氧化铝基复合陶瓷基板的热导率为30.2W/(m·K)，较单相氧化铝陶瓷的热导率28W/(m·K)提高了约7.8％。
实施例4
本发明实施例提供第四种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
d1：内芯层材料制备(Al2O3造粒)，将99.5重量份的氧化铝与0.5重量份的氧化镁加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3粉体；
d2：表面层材料制备(Al2O3/AlN造粒)，将80重量份的氧化铝、17重量份的氮化铝与3重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得Al2O3/AlN粉体；
d3：陶瓷浆料制备，将上述制得的73重量份的Al2O3粉体或Al2O3/AlN粉体加入27重量份的甲基丙烯酸羟丙酯，同时加入1.46重量份的SOLSPERSE8000后，球磨4h，然后加入0.81重量份的Irgacure 127，再次球磨3min，即可制得Al2O3浆料与Al2O3/AlN浆料。所制得的Al2O3陶瓷浆料的固含量约为40.4vol％，Al2O3/AlN陶瓷浆料固含量约为41.4vol％。
d4：3D打印成型层状生坯，将上述制得的Al2O3浆料与Al2O3/AlN浆料置于多物料3D打印机中，按照预先设计的模型进行光固化打印成型。紫外光光源波长为250nm，曝光量为100mJ/cm2，打印层厚为20μm，单层固化时间为3s。将打印制得的层状生坯置于紫外光辐照条件下进行进一步固化，辐照时间为24h。
d5：真空脱脂，将固化完全后的层状生坯置于真空炉内，以0.5℃/min升至400℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃温度下保温2h，再以0.5℃/min降至室温即可完成真空脱脂。
d6：空气脱脂，真空脱脂完成后，将坯体置于马弗炉内，在空气气氛下以0.5℃/min升至400℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃温度下保温2h，再以3℃/min降至室温即可完成空气脱脂，制得层状坯体。
d7：确定表层与内芯层层厚比，按照GB/T 10700-2006、GB/T 6569-2006、GB/T16535-2008的试样尺寸要求打印制备Al2O3与Al2O3/AlN陶瓷坯体。然后将制得的陶瓷坯体置于石墨模具内，将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以10℃/min升温至1300℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为10MPa，然后再以10℃/min升温至1500℃，保温4h后即可得Al2O3陶瓷与Al2O3/AlN陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1300℃)。将测试值代入式(1)可得内芯层与表层热膨胀系数差值Δα需满足0.10×10-6K-1<Δα<0.81×10-6K-1，Al2O3陶瓷热膨胀系数8.4×10-6K-1与Al2O3/AlN陶瓷热膨胀系数7.8×10-6K-1之差满足上述要求，即说明Al2O3/AlN粉体中AlN的掺量是适宜的，将其设置为氧化铝陶瓷的表层材料可以起到增强效果。进一步利用式(2)可得最佳层厚比的范围为0.37<h/H<0.57，在此范围内进行上、下表层与内芯层打印层数的设计。本实施例中设计上、下表层Al2O3/AlN的打印层数设置为9层，内芯层Al2O3的打印层数设置为20层。
d8：流动热压烧结，将制得的层状坯体置于石墨模具内，且坯体的几何尺寸(45mm×5mm或25mm×25mm)较石墨模具模腔尺寸(Φ50mm)小。然后将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以10℃/min升温至1300℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为10MPa，然后再以10℃/min升温至1500℃，保温4h后随炉冷却至室温即可制得厚度约为0.6mm的复合陶瓷基板(结构如图1所示)，即为氧化铝基复合陶瓷基板。
d9：性能测试，利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度约为0.15mm，内芯层厚度约为0.31mm，即表面层与内芯层层厚比为0.48；利用三点弯曲试验结合拟涂层法测得氧化铝基复合陶瓷基板的弯曲强度为437MPa，较单相氧化铝陶瓷的弯曲强度355MPa提高了约23.1％；利用闪光法测得氧化铝基复合陶瓷基板的热导率为32.9W/(m·K)，较单相氧化铝陶瓷的热导率28W/(m·K)提高了约17.5％。
实施例5
本发明实施例提供第五种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
e1：内芯层材料制备(氮化铝造粒)，将95重量份的氮化铝与5重量份的氟化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得氮化铝粉体；
e2：表面层材料制备(氮化铝/氮化硅造粒)，将84重量份的氮化铝、10重量份的氮化硅与6重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得氮化铝/氮化硅复合粉体；
e3：陶瓷浆料制备，将上述制得的71重量份的氮化铝粉体或Al2O3/AlN粉体加入29重量份的甲基丙烯酸羟丙酯，同时加入1.46重量份的SOLSPERSE8000后，球磨4h，然后加入0.81重量份的Irgacure 127，再次球磨3min，即可制得氮化铝浆料与氮化铝/氮化硅复合浆料。所制得的氮化铝陶瓷浆料的固含量约为42.9vol％，氮化铝/氮化硅复合陶瓷浆料固含量约为43.1vol％。
e4：3D打印成型层状生坯，将上述制得的氮化铝浆料与氮化铝/氮化硅复合浆料置于多物料3D打印机中，按照预先设计的模型进行光固化打印成型。紫外光光源波长为250nm，曝光量为100mJ/cm2，打印层厚为20μm，单层固化时间为3s。将打印制得的层状生坯置于紫外光辐照条件下进行进一步固化，辐照时间为6h。
e5：真空脱脂，将固化完全后的层状生坯置于真空炉内，以0.5℃/min升至400℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃温度下保温2h，再以0.5℃/min降至室温即可完成真空脱脂。
e6：空气脱脂，真空脱脂完成后，将坯体置于马弗炉内，在空气气氛下以0.5℃/min升至400℃，其中分别在100℃、200℃、300℃、400℃温度下保温2h，再以3℃/min降至室温即可完成空气脱脂，制得层状坯体。
e7：确定表层与内芯层层厚比，按照GB/T 10700-2006、GB/T 6569-2006、GB/T16535-2008的试样尺寸要求打印制备氮化铝与氮化铝/氮化硅复合陶瓷坯体。然后将制得的陶瓷坯体置于石墨模具内，将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以10℃/min升温至1300℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为10MPa，然后再以10℃/min升温至1800℃，保温4h后即可得氮化铝陶瓷与氮化铝/氮化硅复相陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1200℃)。将测试值代入式(1)可得内芯层与表层热膨胀系数差值Δα需满足0<Δα<0.60×10-6K-1，氮化铝陶瓷热膨胀系数4.6×10-6K-1与氮化铝/氮化硅复相陶瓷热膨胀系数4.4×10-6K-1之差满足上述要求，即说明氮化铝/氮化硅复合粉体中氮化硅的掺量是适宜的，将其设置为氮化铝陶瓷的表层材料可以起到增强效果。进一步利用式(2)可得最佳层厚比的范围为0.13<h/H<0.33，在此范围内进行上、下表层与内芯层打印层数的设计。本实施例中设计上、下表层氮化铝/氮化硅的打印层数设置为24层，内芯层氮化铝的打印层数设置为102层。
e8：流动热压烧结，将制得的层状坯体置于石墨模具内，且坯体的几何尺寸(45mm×5mm或25mm×25mm)较石墨模具模腔尺寸(Φ50mm)小。然后将石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下，以10℃/min升温至1300℃后，开始施加轴向压力，轴向压力为10MPa，然后再以10℃/min升温至1800℃，保温4h后随炉冷却至室温即可制得厚度约为3mm的复合陶瓷基板(结构如图1所示)，即为氮化铝基复合陶瓷基板。
e9：性能测试，利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度约为0.48mm，内芯层厚度约为2.04mm，即表面层与内芯层层厚比为0.24；利用三点弯曲试验测得氮化铝基复合陶瓷基板的弯曲强度为462MPa，较单相氮化铝陶瓷的弯曲强度350MPa提高了约32.0％。
实施例6
本发明实施例提供第六种复合陶瓷基板，其具体步骤如下：
f1：内芯层材料制备(氮化硅造粒)，将92重量份的氮化硅、3重量份的氧化镁与5重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得氮化硅粉体；
f2：表面层材料制备(氮化硅/金刚石造粒)，将87重量份的氮化硅、5重量份的金刚石微粉、1重量份的氧化铝、2重量份的氧化镁与5重量份的氧化钇加入无水乙醇中，搅拌均匀后超声分散10min，然后置于球磨罐中球磨24h；然后将球磨后的浆料放入旋转蒸发仪，加热温度为60℃，干燥后过150目筛，造粒制得氮化硅/金刚石粉体；
f3：确定表层与内芯层层厚比，在氮气气氛下对氮化硅与氮化硅/金刚石粉体进行热压烧结，轴向压力为50MPa，烧结温度为1700℃，保温时间为4h，然后降至室温，即可得氮化硅陶瓷与氮化硅/金刚石复相陶瓷。分别利用三点弯曲试验与热膨胀仪测试二者的弹性模量、弯曲强度与热膨胀系数(室温～1200℃)。将测试值代入第一约束条件可得内芯层与表面层的热膨胀系数差值Δα需满足0.07×10-6K-1<Δα<1.74×10-6K-1，氮化硅陶瓷热膨胀系数2.8×10-6K-1与氮化硅/金刚石复相陶瓷热膨胀系数2.6×10-6K-1之差满足上述要求，即说明氮化硅/金刚石粉体中金刚石的掺量是适宜的，将其设置为氮化硅陶瓷的表层材料可以起到增强效果。进一步利用第二约束条件可得最佳层厚比的范围为0<h/H<0.14，在此范围内进行上、下表层与内芯层铺粉量的设计。
f4：下表面层铺粉预压，称取0.70g氮化硅/金刚石复合粉体，并铺设于直径50mm的石墨模具中，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa；
f5：内芯层铺粉预压，称取17.35g氮化硅粉体，并铺设于石墨模具中下表层氮化硅/金刚石预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa；
f6：上表面层铺粉预压，称取0.70g氮化硅/金刚石复合粉体，并铺设于石墨模具中内芯层氮化硅预压坯体表面，振实均匀后进行预压，预压压力为20MPa，预压完成后即制得层状预压坯体；
f7：热压烧结，将上述制得的层状预压坯体与石墨模具置于热压炉内，在流动的氮气气氛下进行烧结，轴向压力为50MPa，烧结温度为1700℃，保温时间为4h，然后降至室温即可制得厚度约为3mm的复合陶瓷基板(结构如图1所示)，即为氮化硅基复合陶瓷基板。
f8：性能测试。利用光学显微镜测得氧化铝基复合陶瓷基板的上、下表面层厚度均为0.11mm，内芯层厚度约为2.78mm，即表层与内芯层层厚比为0.04；利用三点弯曲试验测得氮化硅基复合陶瓷基板的弯曲强度为862MPa，较单相氮化硅陶瓷的弯曲强度805MPa提高了约7.1％；利用闪光法测得氮化硅基复合陶瓷基板的热导率为70.3W/(m·K)，与单相氮化硅陶瓷的热导率71.5W/(m·K)相近。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合陶瓷基板，其特征在于，包括：内芯层和复合于所述内芯层的两侧的等厚表面层；
其中，所述内芯层与所述表面层的热膨胀系数之差为Δα，所述内芯层的厚度为H，所述表面层的厚度为h；
所述Δα同时符合第一约束条件：
所述第一约束条件为：Δα<第一预置数值，且Δα<第二预置数值，且Δα>第三预置数值；
所述
Figure FDA0003060698200000011
符合第二约束条件：
所述第二约束条件为：
Figure FDA0003060698200000012
所述第一预置数值为
Figure FDA0003060698200000013
σ内芯层为内芯层的弯曲强度；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；
所述第二预置数值为
Figure FDA0003060698200000014
σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；
所述第三预置数值为
Figure FDA0003060698200000015
σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；所述第四预置数值为
Figure FDA0003060698200000021
所述第五预置数值为
Figure FDA0003060698200000022
其中k1＝4β(E1σ内芯层-E1E2ΔTΔα)；κ2＝2(βE1σ内芯层-βE1E2ΔTΔα+βE2σ内芯层-E1σ表面层)；κ3＝βE2σ内芯层-E1E2ΔTΔα-E2σ表面层；
其中，σ表面层为表面层的弯曲强度，σ内芯层为内芯层的弯曲强度，E1为表面层的弹性模量；E2为内芯层的弹性模量；ΔT为所述复合陶瓷基板的软化温度与室温之差，所述复合陶瓷基板的软化温度为所述复合陶瓷的弹性模量开始出现急剧降低的温度点；Δα为所述内芯层与所述表面层的热膨胀系数之差；β为所述表面层与所述内芯层的弹性模量之比，β＝E1/E2；x为表征理论计算获得的最优层厚比
Figure FDA0003060698200000023
与实际实验获得的最优层厚比
Figure FDA0003060698200000024
之间区别的经验参数；0＜x＜0.1。
2.根据权利要求1所述的复合陶瓷基板，其特征在于，所述表面层的材料为内芯层的材料与低膨胀组元混合而制备得到的复合陶瓷。
3.根据权利要求2所述的复合陶瓷基板，其特征在于，所述内芯层的材料选自氧化铝陶瓷混合物、氮化铝陶瓷混合物、氮化硅陶瓷混合物中的一种；所述表面层的材料选自：氮化铝和氧化铝的复合陶瓷混合物、氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物、或氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物。
4.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氧化铝、烧结助剂A、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氧化铝陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氧化铝、烧结助剂B、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化铝和氧化铝的复合陶瓷混合物；
步骤2、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述氧化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氧化铝的复合陶瓷混合物制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行无压烧结或流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
5.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氧化铝和烧结助剂C混合，造粒得到所述氧化铝陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氧化铝和烧结助剂D混合，造粒得到所述氮化铝和氧化铝的复合陶瓷混合物；
步骤二、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，利用分层铺粉与预压制的制备方法，将所述氧化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氧化铝的复合陶瓷混合物铺粉干压制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后烧结制得复合陶瓷基板。
6.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、烧结助剂E、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化铝陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氮化硅、烧结助剂F、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物；
步骤2、按照权利要求1-5任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述氮化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
7.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照权利要求1-5任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝和烧结助剂G混合，造粒得到的所述氮化铝陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-5任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化铝、氮化硅和烧结助剂H混合，造粒得到所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物；
步骤二、按照权利要求1-5任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于利用分层铺粉与预压制的制备方法，将氮化铝陶瓷混合物和所述氮化铝和氮化硅的复合陶瓷混合物铺粉干压制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后进行热压烧结或流动热压烧结，即可制得复合陶瓷基板。
8.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、烧结助剂J、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化硅陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、金刚石微粉、烧结助剂K、光敏树脂、分散剂和光引发剂混合，得到所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物；
步骤2、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，基于光固化3D打印的制备方法，将所述氮化硅陶瓷混合物和所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后经固化、脱脂后进行流动热压烧结，得到复合陶瓷基板。
9.一种如权利要求3所述复合陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述复合陶瓷基板的厚度>1mm，采用分层铺粉与预压制的方法制备复合陶瓷基板，所述分层铺粉与预压制的方法包括以下步骤：
步骤一、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅和烧结助剂M混合，造粒得到所述氮化硅陶瓷混合物；
以及，按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，将氮化硅、金刚石微粉和烧结助剂N混合，造粒得到所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物；
步骤二、按照权利要求1-3任一项所述的第一约束条件和所述第二约束条件，利用分层铺粉与预压制的制备方法，将所述氮化硅陶瓷混合物和所述氮化硅和金刚石的复合陶瓷混合物铺粉干压制得复合陶瓷基板的层状坯体，然后利用热压烧结或流动热压烧结可制得复合陶瓷基板。
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