本發明涉及陶瓷材料，具體的，涉及一種高強度多層陶瓷基板及其制備方法。

背景技術：

1、在現代電子技術飛速發展的浪潮中，各類電子設備正朝著小型化、高性能化、高集成化方向大步邁進。這一趨勢對電子設備內部的關鍵基礎元件-陶瓷基板提出了極為嚴苛的性能要求。傳統的單層陶瓷基板，因其結構簡單，在面對當下復雜的電子電路布局需求時，已顯得力不從心。一方面，其有限的布線層數嚴重制約了電子設備的集成度提升，無法滿足大量電子元器件高密度組裝的需求。另一方面，單層陶瓷基板在強度方面存在固有缺陷，在承受較大外力沖擊或因熱脹冷縮產生的應力時，極易出現裂紋甚至斷裂，極大地影響了電子設備的可靠性和使用壽命。

2、為解決上述問題，多層陶瓷基板應運而生。多層陶瓷基板通過將多個陶瓷層進行疊層燒結，實現了電路的多層布線，顯著提高了電子設備的集成度。然而，目前市面上的多層陶瓷基板在強度方面依舊存在諸多挑戰。雖然相對于單層陶瓷基板，多層陶瓷基板在受到外力時，力會在各層之間傳遞和分散，多層陶瓷基板的強度得到了一定程度的提高，但受到制備方法或添加劑等的影響，陶瓷基板中不可避免的存在一些孔隙，導致強度的下降，從而不能較高的滿足使用過程中對陶瓷基板強度的要求。

技術實現思路

1、本發明提出一種高強度多層陶瓷基板及其制備方法，解決了相關技術中多層陶瓷基板強度低的問題。

2、本發明的技術方案如下：

3、本發明提出一種高強度多層陶瓷基板，包括以下重量份組分的原料：氧化鋁70~90份、分散劑1~3份、粘結劑4~8份、增塑劑1~3份、助劑10~15份、水60~70份；所述助劑為二硼化鈦、氟化鎂、鈰的氧化物；所述二硼化鈦、氟化鎂、鈰的氧化物質量比為1:3:1~5。

4、作為進一步的技術方案，所述鈰的氧化物包括三氧化二鈰和二氧化鈰。

5、本發明中，由三氧化二鈰和二氧化鈰組成的鈰的氧化物作為助劑，在燒結過程中，三氧化二鈰和二氧化鈰中的鈰原子具有可變的氧化態，在晶界環境中，能與陶瓷基板中的其他原子發生電子云交互，由于晶界處原子排列不規則，存在較多的空位與位錯等缺陷，能量較高，鈰的氧化物偏聚后，其結構中的氧原子可與晶界處不飽和鍵結合，鈰原子則通過與周圍原子的電子交換，調整原子間的電荷分布，降低晶界區域的自由能；晶界能降低后，晶界處原子的擴散速率發生改變，原本因高能量而活躍的原子運動得到抑制，晶界的遷移與變形受到限制，從而使晶界更加穩定。ce3+與ce4+的變價特性，促使周圍原子填補空位，減少位錯密度，進一步優化晶界結構。

6、作為進一步的技術方案，所述三氧化二鈰和所述二氧化鈰的質量比為2:2~5，例如可以為1:1、2:3、2:4、2:5。

7、作為進一步的技術方案，所述三氧化二鈰的粒徑為10~90nm；所述二氧化鈰的粒徑為10~50nm。

8、本發明中，三氧化二鈰和二氧化鈰的粒徑均采用納米級，因為納米鈰的氧化物具有比較大的比表面積，表面的鈰原子與較少的氧原子相連，因此存在較多未滿足的化合鍵需求，這使得表面原子處于高能不穩定狀態，為降低自身能量，達到穩定狀態，當鈰的氧化物與氧化鋁混合時，表面的鈰原子和氧原子更容易與氧化鋁晶格中的氧原子形成新的化學鍵，引發電子交互作用，因此在高溫環境中，添加納米三氧化二鈰和二氧化鈰的陶瓷基板能夠保持較好的力學性能和結構完整性。

9、作為進一步的技術方案，所述二硼化鈦的粒徑為10~50nm，例如可以為10nm、20nm、30nm、40nm、50nm，優選為20nm；

10、所述氟化鎂的粒徑為50~90nm，例如可以為50nm、60nm、70nm、80nm、90nm，優選為50nm。

11、作為進一步的技術方案，所述分散劑包括聚丙烯酸銨、蓖麻油、硬脂酸中的一種或多種。

12、本發明中，分散劑的加入，有效改善了陶瓷基板原料在水中的分散效果，分散劑中一端親水，一端親油，親油的一端通過范德華力吸附在固體顆粒表面，親水性基團進入水中，極大的降低了固體顆粒與水之間的界面張力，分散劑吸附在固體顆粒表面也會形成相對穩定的分子層，阻止顆粒過度聚集，保持分散狀態，使得固體顆粒在水中能夠均勻的分散開，進而提升了整體材料的均一性，減少因分散不均導致的性能缺陷。

13、作為進一步的技術方案，所述粘結劑包括聚乙烯醇縮丁醛、羧甲基纖維素鈉中的一種或兩種。

14、本發明中，從微觀層面來看，粘結劑分子具有獨特的化學結構與物理特性，如聚乙烯醇縮丁醛，其分子結構中存在大量的羥基與丁醛基，羥基可與氧化鋁表面的活性位點發生氫鍵作用；羧甲基纖維素鈉分子中含有羧甲基，在水溶液環境中發生電離，與氧化鋁通過靜電作用吸附在一起；同時粘結劑中的分子鏈在體系中通過相互纏繞形成連續的網絡結構，提高粉末顆粒間的結合力，且該網絡結構具有一定的柔韌性和彈性，能夠在一定程度上緩沖外力沖擊，進而提高陶瓷基板的整體強度。

15、作為進一步的技術方案，所述增塑劑包括鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、聚乙烯醇中的一種或多種。

16、本發明中，增塑劑分子通常具有相對較小的分子量以及良好的柔韌性，在坯體成型之前的混合階段，增塑劑分子逐漸分散在粉末顆粒的間隙之中，通過加工，這些分子在粉末顆粒間形成柔性的連接介質，柔性連接介質可以提高坯體的抗彎曲能力，當坯體承受彎曲力時，柔性連接介質可以對外力進行緩沖和分散，使坯體能夠更好的適應外力的變化，避免應力在局部區域過度集中，導致坯體產生裂紋或斷裂，確保了陶瓷基板最后的成品率和質量。

17、本發明還提出一種高強度多層陶瓷基板的制備方法，用于制備所述一種高強度多層陶瓷基板，包括以下步驟：

18、s1、將原料混合后，經脫泡、流延、干燥得到陶瓷坯片；

19、s2、將所述陶瓷坯片進行沖孔、表面印刷、疊層壓合、上下導通、切割后，進行燒結得到高強度多層陶瓷基板；

20、所述燒結的氣氛為氬氣、氦氣中的一種或兩種。

21、作為進一步的技術方案，步驟s1中，所述混合具體為：將氧化鋁與氟化鎂、鈰的氧化物進行第一次球磨，加入二硼化鈦進行第二次球磨，加入剩余原料進行第三次球磨。

22、本發明中，通過將原料分為三次混合，先將氧化鋁與氟化鎂、鈰的氧化物球磨后，再加入二硼化鈦進行球磨，最后加入剩余原料進行球磨，使原料能更好的結合，提高陶瓷基板的強度；其中氟化鎂具有降低燒結溫度、改善微觀結構的作用，鈰的氧化物可以優化氧化鋁的晶界結構，通過將兩者先與氧化鋁混合，可以更好的對氧化鋁進行作用，再加入二硼化鈦進行混合，二硼化鈦可以嵌入到氧化鋁顆粒的間隙中，增強了原料之間的相互作用，最后加入剩余的其他原料，使其他原料能夠進一步填充到孔隙中，原料之間的結合更加緊密和均勻，在陶瓷基板燒結過程中，能夠形成更加致密的微觀結構，進而提高陶瓷基板的強度。

23、作為進一步的技術方案，所述第一次球磨的轉速為2000~3000r/min，所述第一次球磨的時間為0.5~1h；所述第二次球磨的轉速為800~1000r/min，所述第二次球磨的時間為0.5~1h；所述第三次球磨的轉速為400~500r/min，所述第三次球磨的時間為1~2h。

24、本發明中，氧化鋁、氟化鎂和鈰的氧化物顆粒在轉速為2000~3000r/min進行球磨，通過高速球磨，使得顆粒之間的碰撞頻率大幅增加，能夠迅速將大顆粒破碎成小顆粒，極大地增加了顆粒的比表面積，電子云分布發生改變，形成更多的活性位點，促進后續與其他原料的結合，加入二硼化鈦后在800~1000r/min轉速下球磨，較低的轉速可以使二硼化鈦顆粒在與前期混合體接觸時，能夠更溫和、更有序地嵌入到前期混合體的顆粒間隙中，若轉速過高，產生的過大沖擊力會對前期混合體形成的結構造成破壞，不能很好的結合在一起；加入剩余原料后，在400~500r/min轉速下球磨，低轉速可以使剩余原料在已形成的較為緊密的混合體系中緩慢、均勻地擴散和分布，使整個混合體系在微觀上達到高度均勻，從而提高陶瓷基板的一致性。

25、作為進一步的技術方案，所述燒結包括第一次燒結和第二次燒結；所述第一次燒結為熱壓燒結；所述第二次燒結為無壓燒結。

26、本發明中，在高溫環境下，氧化鋁等顆粒的原子活性顯著增強，原子的擴散速率加快。同時外界施加的壓力使這些活性增強的顆粒快速移動并相互靠近，能夠迅速填補坯體內部的孔隙，使得陶瓷基板的致密度大幅提高，使坯體在較短時間內達到較高的致密度并成型；但熱壓燒結會在陶瓷基板內部產生內部應力，易使陶瓷產生裂紋，降低陶瓷基板的強度，因此第二次采用無壓燒結，在高溫環境下，陶瓷內部的原子能夠通過擴散和重排來釋放熱壓燒結產生的內部應力。兩次燒結方式相互配合，協同作用使得陶瓷基板在致密度、微觀結構穩定性和晶界結合力等方面都得到了全面優化，從而顯著提高了陶瓷基板的強度。

27、作為進一步的技術方案，所述熱壓燒結的壓力為10~20mpa，所述熱壓燒結的溫度為500~600℃，所述熱壓燒結的時間為2~3h；

28、作為進一步的技術方案，所述無壓燒結的溫度為1200~1500℃，所述無壓燒結的時間為8~10h。

29、作為進一步的技術方案，所述無壓燒結后降溫至室溫，所述降溫的速率為10~30℃/min。

30、本發明中，在燒結后以10~30℃/min的速率進行降溫，原子有足夠時間在晶格中進行擴散和排列，從而形成尺寸較為均勻的晶粒，晶界的形成也會更加規則和均勻，這種均勻的晶粒生長和晶界形成方式，使得陶瓷基板在承受外力時，應力能夠在整個材料中均勻分布，有效避免了因晶粒大小不均或晶界缺陷導致的應力集中現象，從而提高了陶瓷基板的強度和韌性。若降溫速率低于10℃/min，在長時間的高溫環境下，雜質原子會在晶界處進行擴散，改變晶界的化學成分和結構，降低晶界的結合強度；若降溫速率高于30℃/min時，陶瓷基板內部會因溫度急劇變化產生較大的熱應力，導致晶格缺陷和應力集中點，從而降低了陶瓷的強度和韌性。

31、本發明的工作原理及有益效果為：

32、本發明中，以氧化鋁作為主要成分，為陶瓷基板提供了良好的基礎強度與穩定性。助劑中二硼化鈦、氟化鎂、鈰的氧化物按1:3:1~5的質量比搭配，在燒結過程中發揮協同作用。二硼化鈦可促進氧化鋁晶粒的均勻生長，抑制異常長大，優化微觀結構，減少晶粒間的孔隙；氟化鎂能夠降低燒結溫度，加快物質擴散速率，提高燒結致密度；鈰的氧化物則可凈化晶界，減少雜質影響，增強晶界結合力，減少孔隙。三者協同，大幅提升了陶瓷基板的燒結質量，使其致密度顯著提高，內部孔隙減少，從而極大地增強了基板的強度。