第一章 电子材料概论

7/27/20241课程性质和任务课程性质和任务本科生专业基础主干课程本科生专业基础主干课程 掌握电子材料的基本理论、特点和应用掌握电子材料的基本理论、特点和应用了解电子材料的设计、制备和测试等了解电子材料的设计、制备和测试等 7/27/20242章节基 本 内 容计划学时1第一章 电子材料概论42第二章 电子材料的分析和表征自学3第三章 薄膜工艺自学4第四章 厚膜工艺自学5第五章 陶瓷工艺自学6第六章 导电材料和电阻材料67第七章 超导材料自学8第八章 半导体材料69第九章 电介质材料810第十章 磁性材料811第十一章 光电材料与热电材料812第十二章 敏感材料与吸波材料自学13第十三章 电子封装材料614期末复习27/27/20243考核要求考核要求 平时成绩的构成比例和考核方式；平时成绩的构成比例和考核方式；40，由出勤、作业和课堂回答问题等，由出勤、作业和课堂回答问题等构成构成期末成绩的构成比例和考核方式；期末成绩的构成比例和考核方式；60，闭卷考试，闭卷考试7/27/20244面向面向：电子信息产业，电子陶瓷、集成电路、芯片、电子元器件企业企业：主要在广东、长江三角洲，中西部较少，新型产业、附加值高就业就业就业就业7/27/20245信息化社会与IC67/27/20246电脑主板电脑主板电脑主板电脑主板=印刷电路板印刷电路板印刷电路板印刷电路板+电子元器件电子元器件电子元器件电子元器件+集成电路集成电路集成电路集成电路7/27/20247电脑主板电脑主板电脑主板电脑主板=印刷电路板印刷电路板印刷电路板印刷电路板+电子元器件电子元器件电子元器件电子元器件+集成电路集成电路集成电路集成电路7/27/20248CPUCPU是集成电路的一种是集成电路的一种是集成电路的一种是集成电路的一种7/27/20249手机主板=印刷电路板+电子元器件+集成电路+微波发射元件；手机还需要显示器件等7/27/202410数码相机主板，数码相机还需要显示系统数码相机主板，数码相机还需要显示系统+光光学系统学系统+感光系统感光系统7/27/202411MP4主板主板7/27/202412硬盘硬盘=磁性电子材料磁性电子材料+主板（。）主板（。）7/27/202413过去和现在的比较晶体管晶体管电容电容晶体管晶体管配线配线印刷版印刷版电容电容单单 晶晶 硅硅电阻电阻晶体管晶体管氧化层氧化层Al配线配线多晶硅多晶硅扩散层扩散层电阻电阻占用面积只有原来的四亿分之一占用面积只有原来的四亿分之一7/27/20241415集成电路组成材料金属：Al，Cu，AuSiO2P型硅N型硅多晶硅最基本的NMOS单元其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等7/27/202415外腿外腿封装树脂封装树脂金属引线金属引线芯片芯片金属衬底金属衬底内腿内腿金金 线线芯芯 片片塑封树脂塑封树脂引线框架引线框架导电性粘接剂导电性粘接剂引线框架型封装材料引线框架型封装材料167/27/202416BGA（Ball Grid Array)型封装材料塑封树脂塑封树脂BGA基板基板焊焊 球球芯芯 片片金丝金丝与引线框架型封与引线框架型封装不同的地方装不同的地方177/27/202417焊料及焊球焊料及焊球ChipDIEChipPCBPCBSnPb Plated LeadBT(Bismaleimide Triazine)SubstrateAu WireSolder JointSolder BallSolder Paste 焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色焊焊 料料187/27/202418电子材料的含义概念概念：电子材料是指与电子工业有关的，在电子技术和微电子技术中使用的材料。包括包括包括包括：导电金属及其合金材料、介电材料、半导体材料、压电与铁电材料、磁性材料、光电子材料以及其他相关材料。地位地位地位地位：是制作电子元器件及集成电路的物质基础。材料、能源和信息技术是当前国际公认的新科技革命的三大支柱。197/27/202419材料是现代文明的基石现代文明现代文明生物技术生物技术信息技术信息技术能源技术能源技术材料科学与工程材料科学与工程7/27/202420用事实说话国内高校科研及就业电子科技大学电子科技大学-微固学院微固学院-信息材料科学与工程系信息材料科学与工程系-固体电子工程专业固体电子工程专业核心课程，电子材料核心课程，电子材料主要研究方向：集成电路（功率、数字电路主要研究方向：集成电路（功率、数字电路ASICASIC，模，模拟集成电路）电子材料（信息存储材料，纳米信息材拟集成电路）电子材料（信息存储材料，纳米信息材料，薄膜材料，电子陶瓷材料，磁性材料等料，薄膜材料，电子陶瓷材料，磁性材料等）中华英才网：中华英才网：“电子材料电子材料”得到五万多条结果。得到五万多条结果。217/27/20242122电子材料分类用途uu结构材料：指能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力指能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料；学性质（强度、硬度及韧性等）稳定的一类材料；常用于制作外壳、基片、框架、散热片以及加固等常用于制作外壳、基片、框架、散热片以及加固等uu功能材料：除具备强度性能外，还能具有特殊的性能，如可以实除具备强度性能外，还能具有特殊的性能，如可以实现光、电、热、磁、力等不同形式的交换作用。现光、电、热、磁、力等不同形式的交换作用。常被加工成不同的形状，配以必要的连接，具有将各常被加工成不同的形状，配以必要的连接，具有将各种形态的能量互相转换的功能，例如各种传感器，电子元种形态的能量互相转换的功能，例如各种传感器，电子元器件等。器件等。7/27/20242223电子材料分类组成uu无机材料：金属材料、半导体材料以及它们的氧化物材料，如陶金属材料、半导体材料以及它们的氧化物材料，如陶瓷材料。瓷材料。uu有机材料：高分子材料，例如聚合物材料。高分子材料，例如聚合物材料。7/27/20242324电子材料分类先进性uu传统材料：指已大批量生产，价格一般比较低，在工业应用上已指已大批量生产，价格一般比较低，在工业应用上已经有较长的时间和数据。例如常规的硅材料，陶瓷材料等。经有较长的时间和数据。例如常规的硅材料，陶瓷材料等。uu先进材料：指具有优异性能的高科技产品，正在进行商业化或研指具有优异性能的高科技产品，正在进行商业化或研制之中，并具有一定的保密性。例如纳米材料，聚合物材制之中，并具有一定的保密性。例如纳米材料，聚合物材料等。料等。7/27/20242425电子材料分类物理性质uu导电材料：uu超导材料uu半导体材料uu绝缘体材料uu压电铁电材料uu磁性材料uu光电材料 。7/27/20242526电子材料对环境的要求uu温度：一般在一般在-5555C-5555C使用，特别用途除外使用，特别用途除外uu压力：一般工作在一个大气压下，特别用途除外一般工作在一个大气压下，特别用途除外uu湿度：65%75%65%75%相对湿度下，避免击穿或短路相对湿度下，避免击穿或短路uu环境中的化学颗粒及尘埃环境中的化学颗粒及尘埃uu霉菌和昆虫霉菌和昆虫uu辐射辐射uu机械因素机械因素uu。7/27/20242627现代社会对电子材料的要求uu结构与功能相结合7/27/20242728现代社会对电子材料的要求uu智能化含偶氮苯聚氨酯的形状记忆效应：（a）25下的原始形变；（b）75下暂时形变；（c）25回复到原始形变7/27/20242829现代社会对电子材料的要求uu减少污染uu节省能源uu长寿命和可控寿命uu长期的稳定可靠性7/27/20242930电子材料的选用原则uu性能参数uu元器件结构特点uu元器件的工艺特点uu已知定律或法则uu经济原则7/27/20243031电子材料发展动态uu先进电子材料石墨烯半导体量子点 能实现单分子传感器如果将石墨烯上的氦原子岛移除，余下的就是石墨烯量子阱最新研制的新型生物计算机可让科学家对分子进行“编程”，并由活细胞执行“命令”。7/27/20243132电子材料发展动态uu有机电子材料 有机导电、压电、光电、磁性材料等有机导电、压电、光电、磁性材料等白色有机发光二极管科学家期望，在不久的将来，房间将会逐渐被这些白色薄嵌板照亮7/27/20243233电子材料发展动态uu电子薄膜材料uu计算机辅助设计电子材料uu纳米材料7/27/2024337/27/2024347/27/2024357/27/202436参考资料参考书：参考书：朱建国，电子与光电子材料，国防工业出版社 黄运添等，电子材料与工艺学，西安交大出版社 吕文中，电子材料物理，电子工业出版社参考网站：中国电子顶级开发网：中国电子材料网 http:/www.c-e- http:/202.202.43.4/dzcl/index.asp377/27/20243738课堂小结u掌握：电子材料概念？电子材料包含哪些内容？什么是结构材料？什么是功能材料？请举例说明u了解：电子材料的发展现状和趋势7/27/202438无机电子材料晶体的特征晶体的特征：晶胞、空间点阵和晶面无机晶体的分类无机晶体的分类：离子晶体、金属晶体、共价晶体、分子晶体和氢键晶体密堆积和空隙密堆积和空隙同构晶体和多晶型转变同构晶体和多晶型转变固溶体固溶体金属间化合物金属间化合物实际晶体、非晶体和准晶体实际晶体、非晶体和准晶体7/27/202439物质和物质接触的界面物质和物质接触的界面(interface)(interface)可分为如下六种情形：可分为如下六种情形：电子材料的表面与界面7/27/202440界面是指物质相与相之间交界的区域，存在面是指物质相与相之间交界的区域，存在于两相之间，厚度约为于两相之间，厚度约为几个分子层到几十分几个分子层到几十分子层子层（它不同于几何中说“面”的概念，几何中的面是抽象得到的，没有厚度的，对于具体图形所限定的面还可以进行面积计算；这里的面是有厚度的，是具体物质相之间的交界区域）。物质间的相界面有气液界面、气固界面、液固界面、液液界面、固固界面五种。习惯上将气相与液相、固相的界面称为表面，如固体表面、液体表面。其他的称为界面。一般两者可以通用。电子材料的表面与界面7/27/2024417/27/202442n除除气气体体-固固体体的的交交界界面面（称称为为表表面面）外外，还还包包括括陶陶瓷瓷内内部部的的气气孔与晶粒形成的界面。孔与晶粒形成的界面。n液体液体-固体界面在陶瓷液相烧结时能看到。固体界面在陶瓷液相烧结时能看到。n对对于于固固体体-固固体体界界面面，当当这这些些固固体体属属同同一一晶晶相相，仅仅结结晶晶取取向向不不同同时时，这这种种界界面面称称为为晶晶界界(grain(grain boundary)boundary)或或晶晶体体边边界界(crystal(crystal boundary)boundary)，当当这这些些固固体体晶晶相相不不同同，即即组组成成和和晶晶体体构构造都不相同时，其界面称为相界造都不相同时，其界面称为相界(phase boundary)(phase boundary)。7/27/202443表面的定义和种类表面的定义和种类1 1、理想表面、理想表面 理想表面是为分析问题方便而设定的一种理想的表面结构。理想表面实际上在自然界中并不存在。d内部内部表面表面理想表面示意图理想表面示意图理论前提：理论前提：1、不不考考虑虑晶晶体体内内部部周周期期性性势势场场在在晶晶体体表表面面中断的影响；中断的影响；2、不不考考虑虑表表面面原原子子的的热热运运动动、热热扩扩散散、热热缺陷缺陷等；等；3、不考虑、不考虑外界外界对表面的物理对表面的物理-化学作用等；化学作用等；4、认认为为体体内内原原子子的的位位置置与与结结构构是是无无限限周周期期性性的的，则则表表面面原原子子的的位位置置与与结结构构是是半半无无限限的的，与体内完全一样。与体内完全一样。7/27/202444表面的定义和种类表面的定义和种类 2 2、实际表面、实际表面 在自然界中存在的表面称为实际表面实际表面，实际表面的性质、状态同加工方式、周围环境等有密切的关系。通常按照其清洁程度分为：未清洁表面、清洁表面和真空清洁表面等三种类型。7/27/2024453 3、表面的范围表面的范围 从原子排列的角度来看，表面区原子的排列大概在几层原子厚度的范围内与体内有差别，金属约1-3层，半导体为4-6层，绝缘体要厚一些，约十到几十层。通常认为，距表面处5-100范围内，原子排列与体内有所不同。表面的定义和种类表面的定义和种类7/27/202446单个原子在物质表面的排列砷化镓表面表面砷原子排列图7/27/202447蚊子体表面结构蚊子体表面结构7/27/202448u 不不存存在在吸吸附附物物也也不不存存在在氧氧化化层层的的固固体体表表面面，称称为为清清洁洁面面。相相对对于于理理想想表表面面而而言言，处处于于清清洁洁表表面面的的原原子子组组分分与与位位置置往往往往发发生生变变化化，具具体体表表现现为为偏偏析析（或或分分凝凝）、驰豫驰豫、重构重构等。等。u 因因为为清清洁洁表表面面的的上上方方没没有有原原子子存存在在，表表面面原原子子会会受受到到下下层层原原子子的的拉拉力力。如如果果表表面面原原子子没没有有足足够够的的附附加加能能量量的的话话，将将被被拉拉到到下下面面去去，这这部部分分附附加加能能量量称称为为表表面能面能，也称为，也称为表面张力表面张力。清洁表面的原子排布清洁表面的原子排布7/27/2024497/27/2024501 1、表面原子排列的调整、表面原子排列的调整表面质点间的垂直距离为ds，与体内质点间距do相比有所膨胀。发生弛豫现象的原因是由于表面质点受力的情况不对称，它可以波及几个质点层，而每一层间的膨胀（或压缩）程度可能是不同的，而且越接近最表层变化越显著。驰豫驰豫 驰豫结构是指表面区晶格结构保持不变，只是晶格常数驰豫结构是指表面区晶格结构保持不变，只是晶格常数变化变化,可大于零（晶格常数增加），也可以小于零。可大于零（晶格常数增加），也可以小于零。ds内部内部表面表面d07/27/202451重构重构 表面结构重构：是指表面结构和体结构出现了本质的不同。重构通常表现为表表面面超超结结构构的出现，即两维晶胞的基矢按整数倍扩大。表表面面重重构构现现象象在在硅硅半半导导体体中中经经常常出出现现，这这可可能能和和硅硅半半导导体体的的键键合合方方向向性性和和四四面体配位有关。面体配位有关。1 1、表面原子排列的调整、表面原子排列的调整d0内部内部表面表面d07/27/202452吸附表面吸附表面在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。空间吸附在表面上的质点所构成的表面。吸附表面可分为四种吸附位置吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 顶吸附顶吸附桥吸附桥吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯视图俯视图剖面图剖面图7/27/202453超结构 在一些单晶金属的表面区原子的重新排列时，它与内部（衬底）原子的排列无直接关系，这种表面结构称超结构。1 1、表面原子排列的调整、表面原子排列的调整7/27/2024542 2、外来因素引起的调整、外来因素引起的调整（1）吸附（2）合金合金：通过一些外来原子与衬底原子间的互扩散，可以使系统的熵增加，从而减小表面能，这个过程就是合金7/27/202455 实际表面是指材料经过一般的加工（切割、研磨、抛光、清洗）后，保持在常温、常压下的表面，当然有时也可能在低真空或高温之下。3 3、实际表面的特征、实际表面的特征1、表面外形和表面粗糙度表面的不平整程度（最高点与最低点间的距离）大于10mm时，称为形状误差；110mm时称为波纹度；小于1mm则称为表面粗糙度（surface roughness).7/27/202456表面粗糙程度是用粗糙度系数表面粗糙程度是用粗糙度系数R R来量度的来量度的 其中：其中：Ar 几何表面面积几何表面面积Ag包括内表面等在内的实际表面积包括内表面等在内的实际表面积3 3、实际表面的特征、实际表面的特征7/27/2024572、表面的组织经过切磨、挤压、抛光等加工后材料的表面，在相当宽的范围内，晶粒的大小、结晶程度、应力畸变和显微组织等特征，有明显的不均一性。（1）晶粒尺寸的变化 在切磨、抛光等机械加工操作中会产生大量热能，往往能使表面区局部熔化，然后又迅速结晶，这样就带来了从表面到内部约1um左右范围内经历尺寸的不均匀性，特别是在距表面0.3um范围内更为明显。3 3、实际表面的特征、实际表面的特征7/27/202458（2）贝尔比层 材料经过抛光后，表面有一光亮而致密的、厚度约5100nm的表面层，称贝尔比层，这在金属合金材料中特别明显。（3）一个经抛光和机械加工后的金属的表面区金属需经过打磨获得平整的表面后，才能进行抛光，机械加工过程中还会形成各种损伤区。3 3、实际表面的特征、实际表面的特征7/27/2024593、表面的成分 由于吸附和不同相的化学势不同等因素，会形成表面区的主成分、杂质同体内的有明显差别。研究中发现，表面区的杂质浓度往往比体内大，称为偏析；相反，表面区杂质浓度低于体内，称为耗尽。由于表面存在的偏析（耗尽）效应，材料表面处的成分与配方上的会有所偏差。3 3、实际表面的特征、实际表面的特征7/27/202460