混合电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板。在基板上，通过某种膜技术制作金属化图形以形成安装焊盘和电路布线，并用来键合互连必要的有源器件和无源元件。

　　混合电路的定义：在通过某种膜技术（图8.1所示）制作的金属化陶瓷基板上，含有至少两个元器件，其中之一必须是有源器件。

　　多芯片模组(MCM)与混合电路密切相关，它采用了更广泛的基板材料和金属化工艺，从而可以获得高得多的封装密度。

　　本章主要介绍用于制造混合电路和MCM的各种材料的方法和性能、金属化工艺和组装方法，也包括混合电路的设计指南、可靠性的讨论及应用。

　　它起着元器件安装平台的作用，必须与基板金属化工艺以及元器件与金属化布线附接工艺相兼容。

　　耐化学腐蚀，溶剂、焊剂等类似材料都是有侵蚀性的，一定不能腐蚀基板的化学结构；

　　陶瓷就其本质来说是带有非常少自由电子的晶体，具有很高的电阻、热学和化学性能稳定，并具有很高的熔点。

　　复合材料：两种或两种以上材料的混合物，它不仅保持其原来材料的特性，而且其性能参数还要优于其中任何一种材料。

　　金属陶瓷（cermet）复合材料常具有较低的热膨胀系数和比陶瓷更高的热导率，韧性更好，更能抗应力。因此成为在热管理非常关键的大功率应用中非常理想的材料。

　　表面粗糙度和挠曲度是人们关心的陶瓷表面性能。它们高度依赖于颗粒的尺寸与加工方法。

　　表面粗糙度是表面微观结构的度量，可以采用电学（尖细金属针、压电晶体或小磁体，表面变化大小与电压正比）或光学（相干光束，干涉图像，分辨力更高）的手段测量；挠曲度是偏离平面度的度量（把基板放在相距一定距离的平行板之间形成的最长尺度为基准）。

　　大多数金属和陶瓷在有意义的温度范围内显示了一种线性的各向同性的关系，而某些塑料本质上可能是各向异性的。

　　在切线方向上施加在陶瓷基板上的力可以产生拉伸力或压缩力，当力增加达到称之为抗拉强度或抗压强度这个数值时，发生断裂。

　　由于加工过程中造成材料里面存在着小裂纹，所以陶瓷基板发生断裂所需要的力要比理论预测的值低得多。

　　基于这种分析，引入一种称之为平面应变断裂韧性的材料参数，即一种材料抵抗断裂能力的度量，它可定义为

　　当基板暴露于冷热两个极端温度很短时间时发生冷热冲击，在这种情况下基板并未处于热平衡，因此内应力足以引起断裂。

　　基板耐热冲击的能力是几个参数包括热导率、热膨胀系数以及比热的函数，Winkleman和Schott提出了一个称之为耐热系数的一个参数，可定性表征基板耐热应力的能力。

　　电阻率是材料在外电场作用下输送电荷能力的度量，这种能力更经常用电导率来表示，它是电阻率的倒数。

　　陶瓷基板的电导率很低，主要是由于存在杂质和晶体缺陷的结果。它是温度的函数，随温度增加，热载流子与注入的载流子之比增加，电导率增加。

　　当施加足够高的电位时，陶瓷材料的绝缘性能被破坏，电流可以流动，提高温度可以加速这种现象，此时的电压可称之为击穿电压。

　　击穿电压是很多参数的函数，包括可动离子杂质的浓度、晶界、偏离化学计量比的程度等。

　　需要注意的是当环境温度很高或者材料被水分所污染时，实际击穿电压会大大降低。

　　一种材料吸引电荷的相对能力被称为相对介电常数或相对电容率，通常用符号K表示。

　　按照定义，自由空间的相对介电常数为1，绝对介电常数为ε0=（1/36π）×10-9（F/m）。

　　改变偶极子的极性需要一定的能量和时间。能量以内热的形式耗散，用介质损耗、损耗角正切或耗散因子来量化。

　　耗散角正切强烈依赖于外加频率，随频率的增加而增加。它也可认为是极化所需要时间的度量。

　　力学、热、电性能优异，价格低廉，原料丰富，是目前电子工业最常用的基板材料。

　　氧化铝是密排六方的刚玉结构，也存在某些亚稳结构，但它们最终都会不可逆转的转变成六方的α相。

　　氧化铝作为厚膜、薄膜电路和电路封装以及多芯片模组的多层结构的基板材料，广泛地用于微电子工业。

　　有不同的成分可分别用于高温工艺和低温工艺。高温共烧陶瓷HTCC使用难熔金属W或Mo/Mn作为导体在1600℃烧结；低温共烧陶瓷LTCC使用传统的Au或Pa/Ag作为导体，在850℃烧结。

　　BeO具有密排立方闪锌矿结构，其具有极高的导热率，比金属铝还高，但在超过300℃以上迅速降低。

　　共价键铅锌矿结构。超过700℃时易发生氧化；在温度不高于980℃不受氢、水蒸气或碳的氧化物的影响。

　　AIN有两个很重要的性能值得关注。一个是高的热导率；一个是与硅的CTE非常匹配，这一点在安装大功率器件时是非常重要。

　　其主要应用是功率器件的封装，然而金刚石的比热容较低，作为散热片与热沉一起工作时效果最好。

　　BN有两种基本类型，六方(α)BN较软，结构类似石墨，它是白色的，有时称作为白石墨，立方(β)BN是由六方BN用类似于制造合成工业金刚石使用的工艺在极高的温度和压力下形成的。

　　可加入氧化钙使其包住氧化硼以尽量减少水吸附。当暴露在1100℃以上时，BO会在表面形成很薄的一层覆盖层，减缓进一步的氧化。

　　热压态的BN易机加工，可形成各种形状。其性能是各向异性的，在压力法向或切向上完全不同。法向上热导率非常高，CTE非常低。

　　陶瓷一般具有低的热导率和CTE，而金属具有高的热导率和CTE，将这些性能综合起来得到一种具有高热导率和低CTE的材料在逻辑上是可行的。

　　粉末形态或连续纤维形态的陶瓷与金属混合在一起可将两者的优良特性综合在一起，这样得到的结构被称为金属基复合材料（MMC）。

　　常用金属有铝和铜，前者由于成本低而用的更多。添加物包括SiC、AlN、BeO、石墨和金刚石。

　　得到的复合材料具有几乎与纯铝一样高的热导率，CTE为6.1×10-6/℃，导电性好（不宜做传统基板），能作为陶瓷基板的底板使用。

　　Al/SiC 由于其导电性好很容易镀铝，可提供良好的表面以便后续工艺， Al/SiC的另外两个优点是强度和重量。

　　厚膜混合电路是用丝网印刷方法把导体浆料、电阻浆料和绝缘材料浆料转移到一个陶瓷基板上来制造的。印刷的膜经过烘干以去除挥发性的成分，然后暴露在较高的温度下以活化粘结剂，完成膜与基板的粘接。

　　它们是有两种不同的多组分相组成，一个是功能相，提供最终膜的电和力学性能，另一个是载体相（运载剂），提供合适的流变能力。

　　难熔材料厚膜：特殊，独立的一类，要在比传统的金属陶瓷材料更高的温度（1500~1600℃）、还原气氛中烧结。

　　聚合物厚膜包含带有导体、电阻或绝缘颗粒的聚合物材料的混合物。在85~300℃区间固化。聚合物导体主要是银和碳，而碳是最常用的电阻材料。较常用在有机基板上。

　　烧结态的金属陶瓷厚膜材料是微晶玻璃（玻璃陶瓷）与金属的混合物，常在850~1000℃烧结。

　　如果是金属则烧结膜是导体，如果是导电的金属氧化物则是一种电阻，如果是一种绝缘材料则是一种介质电体。

　　粘接成分：主要有两类物质用于厚膜与基板的粘接，玻璃和金属氧化物，它们可以单独使用或者一起使用。

　　使用玻璃或釉料的膜称之为烧结玻璃材料，具有较低熔点（500~600℃），通过化学反应和物理反应进行粘接。

　　玻璃也为有效物质颗粒提供基体，使它们彼此保持接触，有利于烧结并为膜的一端到另一端提供三维连续通路。

　　主要厚膜玻璃是基于B2O3-SiO2，并添加PbO、Al2O3、Bi2O3、ZnO、BaO和CdO等对熔点、黏度和热膨胀系数进行改性。

　　金属（Cu、Cd）氧化物通过与基板表面上断开的氧键反应形成尖晶石结构。粘结性更好。一般在950~1000℃下烧结。不希望。

　　氧化物和玻璃一起使用时氧化物一般为ZnO或CaO，再加入玻璃以增加附着力，可结合两者的优点并可在较低温度下烧结。

　　通常是一种触变的流体，两种作用：①可以使有效物质和粘接成分保持悬浮态直到膜烧成；②赋予浆料良好的流动特性以进行丝网印刷。

　　自然形态的有机粘结剂太粘稠不能进行丝网印刷，需要使用溶剂或稀释剂，稀释剂比粘结剂较容易挥发，在大约100℃以上就会迅速蒸发。

　　此外，加入改变浆料触变性能的增塑剂、表面活性剂和一些试剂到溶剂中以改善浆料的特性和印刷性能。

　　制造过程开始于粉末态的物质，通过从化学溶液中沉淀出来的金形成的金粉末与细筛的玻璃粉混合（注意控制两者的比例），加入运载剂（由适当的溶剂、增稠剂或胶混合）后用球磨机使混合物充分混合来减小玻璃料和其他脆性材料的颗粒尺寸，最后由三辊轧膜机将浆料的组分最大限度的弥散开并去除夹带的气体。

　　固体粉末百分比含量（85-92wt%）：是有效物质与粘接成分的质量与浆料总质量的比值。以维持可印性与烧成膜的密度之间的最佳平衡。

　　为适应丝网印刷，浆料需具有下述特性：流体必须具有一个屈服点（使浆料在静止条件下不流动）；流体应该具有某种触变性；流体应该具有某种程度的滞后作用（黏度随压力降低而增加）。

　　它们必须提供安装区域，以便通过钎料、环氧树脂或直接共晶键合来安装元器件；

　　可空气烧结的：由不容易形成氧化物的贵金属制成，主要是金和银，或与钯、铂合金化的形式；

　　必须在还原气氛中烧结的：难熔材料钼、锰和钨应在氮、氢混合的还原性气氛中烧结。

　　金易与锡合金化，溶入到含锡的钎料，并能形成高电阻率的脆性金属间化合物。 金必须与铂或钯合金化。

　　金和铝（在半导体器件中常作为连接材料和键合引线）也易形成金属间化合物；且铝易扩散到金内，在界面键合强度降低，电阻增加。 加入钯与金合金化。

　　可作为金的低成本替代物使用。目前，在需要可焊性、耐熔入性和低电阻时铜是优选对象。

　　材料被设计成高达1600℃的温度与陶瓷基板共烧，然后镀Ni、镀Au，以便芯片安装和引线键合。

　　把金属氧化物颗粒与玻璃颗粒混合，在足够的温度/时间进行烧结，以使玻璃熔化并把氧化物颗粒烧结在一起，所得到的结构具有一系列三维的金属氧化物颗粒的链，嵌入在玻璃基体中。

　　大致可以按Lichtenecker的对数混合规律把厚膜电阻材料混合在一起。

　　温度和在该温度下停留时间微小的变化将引起电阻平均值和数值分布的明显变化。

　　一般，电阻欧姆值越高，变化越剧烈。较高的欧姆值随温度和/或时间增加而减少，非常低的欧姆值（100Ω)往往增加。

　　对空气烧结的电阻系统，关键要形成氧化气氛；在中性或还原性气氛中，金属氧化物可被还原为金属，降低电阻值。

　　作为一种经验，烧结炉周围不能有任何溶剂、卤化物或碳基的物质存在（分解）。

　　厚膜介质材料主要是以简单的交叠结构或复杂的多层结构用作导体间的绝缘体。可以在介质层留有小的开口区或通孔以便与相邻的导体层互连。

　　用于厚膜的介质材料必须是结晶的或可再结晶的类型，是在相对低温下熔化的玻璃混合物。非晶玻璃不可作为厚膜介质材料。

　　厚膜介质材料的CTE必须尽可能的接近基板材料以避免在加工几层后基板过分弯曲和翘曲；

　　与电阻系统的兼容性，因为电路的复杂性，需要把电阻印刷到介质上而不直接印刷到基板上。

　　生产厚膜电路需要三个基本工艺：丝网印刷、干燥和烧结。丝网印刷把浆料涂布在基板上；干燥工艺是在烧结前从浆料中去除挥发性溶剂；烧结工艺使粘接机构发挥作用，把印刷图形粘接到基板上。

　　进行丝网印刷前，须先设计原图，使涂有感光胶的丝网曝光，产生图形，没有被掩膜暗区保护的感光胶受到紫外线作用而交联硬化，受到保护的部分用水直接冲洗掉，留下与掩膜暗区对应的感光胶里的开口图形区。

　　刮板在丝网的表面运动，迫使浆料通过开口图形区落到基板上（浆料的触变性）。

　　印刷后先在空气中“流平”一段时间（通常5~15 min），然后在70~150℃的温度范围内强制性干燥大约15分钟，通常在低温的链式烘干炉中进行的。

　　为了符合第一和第三个要求，现代的厚膜烧结炉都设有密封炉管，可以使用金属炉管和石英炉管。

　　金属陶瓷厚膜材料在结构上和电学上都是非常复杂的，仅厚膜电阻而言，与材料的性能和工艺有关的参数就超过了120个。

　　用户不一定需要知道浆料的成分和配比，但是要知道各要素是如何相互作用的及在最终产品中所起的作用。

　　与厚膜技术不同，薄膜技术是一种减法技术，整个基板用几种金属化层淀积，再采用一系列的光刻工艺把不需要的材料蚀刻掉。

　　与厚膜工艺相比，使用光刻工艺形成的图形具有更窄、边缘更清晰的线条，这一特点促进了薄膜技术在高密度和高频率的使用。

　　中间层起电阻层与导体层之间界面的作用， ①通过改善导体的粘接或②是通过防止电阻材料扩散到导体中。

　　基板和靶材之间形成电场，靶材电位高，把等离子体中的气体离子吸引到靶材上。

　　气体离子具有足够的动能，与靶材碰撞出具有足够残余动能的微粒，使其运动到基板并黏附其上。

　　膜与基板粘接的机理:在界面形成一层氧化物，故底层必须是一种易氧化的材料。可通过预溅射的办法。

　　在氩气中加入其他气体，如氧和氮，可在基板上形成某些靶材的氧化物或氮化物。这称之为反应溅射法。

　　可通过减少室内气体分子引起的散射，增加所蒸发颗粒平均自由程。且颗粒以直线形式运动，改善沉积的均匀性；

　　电镀比较经济，沉积金时，可以先溅射只有几个埃厚的金膜，再通过电镀使金膜增厚。

　　未用光刻胶保护的不想要的部分可通过湿法（化学）蚀刻或干法（溅射）蚀刻去除。

　　由于不需要使用烈性化学物质，所以对人员的危害较小，且没有污水处理的问题。

　　具有2种特点：①薄膜电阻应提供与基板粘接的能力，因此只能选择可形成氧化物的材料；②薄膜电阻具有比厚膜电阻更好的稳定性、噪声和TCR特性。

　　NiCr：优良的稳定性和TCR特性，需用溅射的石英或蒸发的SiO钝化，否则对潮湿引起的腐蚀非常敏感。

　　TaN：可直接把膜在空气中烘烤几分钟就可钝化，其稳定性可与钝化的NiCr相比，但TCR稍差，可代替NiCr。