第一章 電子材料概論

第一章電子材料概論第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月課程性質(zhì)和任務本科生專業(yè)基礎主干課程掌握電子材料的基本理論、特點和應用了解電子材料的設計、制備和測試等

2023/9/42第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月章節(jié)基本內(nèi)容計劃學時1第一章電子材料概論42第二章電子材料的分析和表征自學3第三章薄膜工藝自學4第四章厚膜工藝自學5第五章陶瓷工藝自學6第六章導電材料和電阻材料67第七章超導材料自學8第八章半導體材料69第九章電介質(zhì)材料810第十章磁性材料811第十一章光電材料與熱電材料812第十二章敏感材料與吸波材料自學13第十三章電子封裝材料614期末復習22023/9/43第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月考核要求

平時成績的構(gòu)成比例和考核方式；40％，由出勤、作業(yè)和課堂回答問題等構(gòu)成期末成績的構(gòu)成比例和考核方式；60％，閉卷考試2023/9/44第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月面向：電子信息產(chǎn)業(yè)，電子陶瓷、集成電路、芯片、電子元器件企業(yè)：主要在廣東、長江三角洲，中西部較少，新型產(chǎn)業(yè)、附加值高就業(yè)2023/9/45第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月信息化社會與IC62023/9/46第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月電腦主板=印刷電路板+電子元器件+集成電路2023/9/47第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月電腦主板=印刷電路板+電子元器件+集成電路2023/9/48第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月CPU是集成電路的一種2023/9/49第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月手機主板=印刷電路板+電子元器件+集成電路+微波發(fā)射元件；手機還需要顯示器件等2023/9/410第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)碼相機主板，數(shù)碼相機還需要顯示系統(tǒng)+光學系統(tǒng)+感光系統(tǒng)2023/9/411第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月MP4主板2023/9/412第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月硬盤=磁性電子材料+主板（。。。）2023/9/413第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月過去和現(xiàn)在的比較晶體管電容晶體管配線印刷版電容單晶硅電阻晶體管氧化層Al配線多晶硅擴散層電阻占用面積只有原來的四億分之一2023/9/414第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月15集成電路組成材料金屬：Al，Cu，AuSiO2P型硅N型硅多晶硅最基本的NMOS單元其它：有機材料、封裝陶瓷、塑料等2023/9/415第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月外腿封裝樹脂金屬引線芯片金屬襯底內(nèi)腿金線芯片塑封樹脂引線框架導電性粘接劑引線框架型封裝材料162023/9/416第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月BGA（BallGridArray)型封裝材料塑封樹脂BGA基板焊球芯片金絲與引線框架型封裝不同的地方172023/9/417第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月焊料及焊球ChipDIEChipPCBPCBSnPbPlatedLeadBT(BismaleimideTriazine)SubstrateAuWireSolderJointSolderBallSolderPaste

焊料作為電子封裝技術(shù)中最基本的互連材料，在實現(xiàn)封裝和保證可靠性方面承擔著極為重要的角色焊料182023/9/418第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月電子材料的含義概念：

電子材料是指與電子工業(yè)有關(guān)的，在電子技術(shù)和微電子技術(shù)中使用的材料。包括：

導電金屬及其合金材料、介電材料、半導體材料、壓電與鐵電材料、磁性材料、光電子材料以及其他相關(guān)材料。地位：

是制作電子元器件及集成電路的物質(zhì)基礎。材料、能源和信息技術(shù)是當前國際公認的新科技革命的三大支柱。192023/9/419第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月材料是現(xiàn)代文明的基石現(xiàn)代文明生物技術(shù)信息技術(shù)能源技術(shù)材料科學與工程2023/9/420第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月用事實說話—國內(nèi)高?？蒲屑熬蜆I(yè)電子科技大學-微固學院-信息材料科學與工程系-固體電子工程專業(yè)核心課程，電子材料主要研究方向：集成電路（功率、數(shù)字電路ASIC，模擬集成電路）電子材料（信息存儲材料，納米信息材料，薄膜材料，電子陶瓷材料，磁性材料等）中華英才網(wǎng)：“電子材料”得到五萬多條結(jié)果。212023/9/421第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月22電子材料分類—用途結(jié)構(gòu)材料：

指能承受一定壓力和重力，并能保持尺寸和大部分力學性質(zhì)（強度、硬度及韌性等）穩(wěn)定的一類材料；常用于制作外殼、基片、框架、散熱片以及加固等功能材料：

除具備強度性能外，還能具有特殊的性能，如可以實現(xiàn)光、電、熱、磁、力等不同形式的交換作用。常被加工成不同的形狀，配以必要的連接，具有將各種形態(tài)的能量互相轉(zhuǎn)換的功能，例如各種傳感器，電子元器件等。2023/9/422第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月23電子材料分類—組成無機材料：

金屬材料、半導體材料以及它們的氧化物材料，如陶瓷材料。

有機材料：

高分子材料，例如聚合物材料。2023/9/423第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月24電子材料分類—先進性傳統(tǒng)材料：

指已大批量生產(chǎn)，價格一般比較低，在工業(yè)應用上已經(jīng)有較長的時間和數(shù)據(jù)。例如常規(guī)的硅材料，陶瓷材料等。先進材料：

指具有優(yōu)異性能的高科技產(chǎn)品，正在進行商業(yè)化或研制之中，并具有一定的保密性。例如納米材料，聚合物材料等。2023/9/424第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月25電子材料分類—物理性質(zhì)導電材料：超導材料半導體材料絕緣體材料壓電鐵電材料磁性材料光電材料。。。2023/9/425第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月26電子材料對環(huán)境的要求溫度：一般在-55~55°C使用，特別用途除外壓力：一般工作在一個大氣壓下，特別用途除外濕度：65%~75%相對濕度下，避免擊穿或短路環(huán)境中的化學顆粒及塵埃霉菌和昆蟲輻射機械因素。。。2023/9/426第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月27現(xiàn)代社會對電子材料的要求結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合2023/9/427第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月28現(xiàn)代社會對電子材料的要求智能化含偶氮苯聚氨酯的形狀記憶效應：（a）25℃下的原始形變；（b）75℃下暫時形變；（c）25℃回復到原始形變2023/9/428第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月29現(xiàn)代社會對電子材料的要求減少污染節(jié)省能源長壽命和可控壽命長期的穩(wěn)定可靠性2023/9/429第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月30電子材料的選用原則性能參數(shù)元器件結(jié)構(gòu)特點元器件的工藝特點已知定律或法則經(jīng)濟原則2023/9/430第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月31電子材料發(fā)展動態(tài)先進電子材料石墨烯半導體量子點能實現(xiàn)單分子傳感器如果將石墨烯上的氦原子島移除，余下的就是石墨烯量子阱最新研制的新型生物計算機可讓科學家對分子進行“編程”，并由活細胞執(zhí)行“命令”。2023/9/431第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月32電子材料發(fā)展動態(tài)有機電子材料

有機導電、壓電、光電、磁性材料等白色有機發(fā)光二極管科學家期望，在不久的將來，房間將會逐漸被這些白色薄嵌板照亮2023/9/432第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月33電子材料發(fā)展動態(tài)電子薄膜材料計算機輔助設計電子材料納米材料2023/9/433第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/434第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/435第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/436第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月參考資料參考書：朱建國，電子與光電子材料，國防工業(yè)出版社黃運添等，電子材料與工藝學，西安交大出版社呂文中，電子材料物理，電子工業(yè)出版社參考網(wǎng)站：中國電子頂級開發(fā)網(wǎng)：中國電子材料網(wǎng)/電子科技大學電子材料22/wlxt/ncourse/em/web/重慶郵電大學電子材料/dzcl/index.asp372023/9/437第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月38課堂小結(jié)掌握：電子材料概念？電子材料包含哪些內(nèi)容？什么是結(jié)構(gòu)材料？什么是功能材料？請舉例說明了解：電子材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2023/9/438第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月無機電子材料晶體的特征：晶胞、空間點陣和晶面無機晶體的分類：離子晶體、金屬晶體、共價晶體、分子晶體和氫鍵晶體密堆積和空隙同構(gòu)晶體和多晶型轉(zhuǎn)變固溶體金屬間化合物實際晶體、非晶體和準晶體2023/9/439第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月物質(zhì)和物質(zhì)接觸的界面(interface)可分為如下六種情形：

電子材料的表面與界面2023/9/440第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月界面是指物質(zhì)相與相之間交界的區(qū)域，存在于兩相之間，厚度約為幾個分子層到幾十分子層（它不同于幾何中說“面”的概念，幾何中的面是抽象得到的，沒有厚度的，對于具體圖形所限定的面還可以進行面積計算；這里的面是有厚度的，是具體物質(zhì)相之間的交界區(qū)域）。物質(zhì)間的相界面有氣液界面、氣固界面、液固界面、液液界面、固固界面五種。習慣上將氣相與液相、固相的界面稱為表面，如固體表面、液體表面。其他的稱為界面。一般兩者可以通用。

電子材料的表面與界面2023/9/441第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/442第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月除氣體-固體的交界面（稱為表面）外，還包括陶瓷內(nèi)部的氣孔與晶粒形成的界面。液體-固體界面在陶瓷液相燒結(jié)時能看到。對于固體-固體界面，當這些固體屬同一晶相，僅結(jié)晶取向不同時，這種界面稱為晶界(grainboundary)或晶體邊界(crystalboundary)，當這些固體晶相不同，即組成和晶體構(gòu)造都不相同時，其界面稱為相界(phaseboundary)。2023/9/443第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面的定義和種類1、理想表面理想表面是為分析問題方便而設定的一種理想的表面結(jié)構(gòu)。理想表面實際上在自然界中并不存在。d內(nèi)部表面理想表面示意圖理論前提：1、不考慮晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷的影響；2、不考慮表面原子的熱運動、熱擴散、熱缺陷等；3、不考慮外界對表面的物理-化學作用等；4、認為體內(nèi)原子的位置與結(jié)構(gòu)是無限周期性的，則表面原子的位置與結(jié)構(gòu)是半無限的，與體內(nèi)完全一樣。2023/9/444第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月表面的定義和種類

2、實際表面在自然界中存在的表面稱為實際表面，實際表面的性質(zhì)、狀態(tài)同加工方式、周圍環(huán)境等有密切的關(guān)系。通常按照其清潔程度分為：未清潔表面、清潔表面和真空清潔表面等三種類型。2023/9/445第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、表面的范圍從原子排列的角度來看，表面區(qū)原子的排列大概在幾層原子厚度的范圍內(nèi)與體內(nèi)有差別，金屬約1-3層，半導體為4-6層，絕緣體要厚一些，約十到幾十層。通常認為，距表面處5-100?范圍內(nèi)，原子排列與體內(nèi)有所不同。表面的定義和種類2023/9/446第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月單個原子在物質(zhì)表面的排列砷化鎵表面砷原子排列圖2023/9/447第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月蚊子體表面結(jié)構(gòu)2023/9/448第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

不存在吸附物也不存在氧化層的固體表面，稱為清潔面。相對于理想表面而言，處于清潔表面的原子組分與位置往往發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為偏析（或分凝）、馳豫、重構(gòu)等。因為清潔表面的上方?jīng)]有原子存在，表面原子會受到下層原子的拉力。如果表面原子沒有足夠的附加能量的話，將被拉到下面去，這部分附加能量稱為表面能，也稱為表面張力。清潔表面的原子排布2023/9/449第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/450第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、表面原子排列的調(diào)整表面質(zhì)點間的垂直距離為ds，與體內(nèi)質(zhì)點間距do相比有所膨脹。發(fā)生弛豫現(xiàn)象的原因是由于表面質(zhì)點受力的情況不對稱，它可以波及幾個質(zhì)點層，而每一層間的膨脹（或壓縮）程度可能是不同的，而且越接近最表層變化越顯著。馳豫

馳豫結(jié)構(gòu)是指表面區(qū)晶格結(jié)構(gòu)保持不變，只是晶格常數(shù)變化,可大于零（晶格常數(shù)增加），也可以小于零。ds內(nèi)部表面d02023/9/451第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)：是指表面結(jié)構(gòu)和體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了本質(zhì)的不同。重構(gòu)通常表現(xiàn)為表面超結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，即兩維晶胞的基矢按整數(shù)倍擴大。表面重構(gòu)現(xiàn)象在硅半導體中經(jīng)常出現(xiàn)，這可能和硅半導體的鍵合方向性和四面體配位有關(guān)。1、表面原子排列的調(diào)整d0內(nèi)部表面d02023/9/452第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸附表面在清潔表面上有來自體內(nèi)擴散到表面的雜質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點所構(gòu)成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置：頂吸附、橋吸附、填充吸附、中心吸附

頂吸附橋吸附填充吸附中心吸附俯視圖剖面圖2023/9/453第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月超結(jié)構(gòu)在一些單晶金屬的表面區(qū)原子的重新排列時，它與內(nèi)部（襯底）原子的排列無直接關(guān)系，這種表面結(jié)構(gòu)稱超結(jié)構(gòu)。1、表面原子排列的調(diào)整2023/9/454第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、外來因素引起的調(diào)整（1）吸附（2）合金合金：通過一些外來原子與襯底原子間的互擴散，可以使系統(tǒng)的熵增加，從而減小表面能，這個過程就是合金2023/9/455第55頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月實際表面是指材料經(jīng)過一般的加工（切割、研磨、拋光、清洗）后，保持在常溫、常壓下的表面，當然有時也可能在低真空或高溫之下。3、實際表面的特征1、表面外形和表面粗糙度表面的不平整程度（最高點與最低點間的距離）大于10mm時，稱為形狀誤差；1－10mm時稱為波紋度；小于1mm則稱為表面粗糙