《电子材料概论》课件.ppt

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1、2023/5/30,1,电 子 材 料,王悦辉,2023/5/30,2,课程性质和任务,本科生专业基础主干课程 掌握电子材料的基本理论、特点和应用了解电子材料的设计、制备和测试等,2023/5/30,3,2023/5/30,4,考核要求,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构成期末成绩的构成比例和考核方式；60，闭卷考试,2023/5/30,5,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：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,2023/5/30,6,信息化社会与IC,6,2023/5/30,7,电脑主板=印刷电路板+电子元器

2、件+集成电路,2023/5/30,8,电脑主板=印刷电路板+电子元器件+集成电路,2023/5/30,9,CPU是集成电路的一种,2023/5/30,10,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,2023/5/30,11,数码相机主板，数码相机还需要显示系统+光学系统+感光系统,2023/5/30,12,MP4主板,2023/5/30,13,硬盘=磁性电子材料+主板（。）,2023/5/30,14,过去和现在的比较,2023/5/30,15,15,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

3、装陶瓷、塑料等,2023/5/30,16,外腿,封装树脂,金属引线,芯片,金属衬底,内腿,金 线,芯 片,塑封树脂,引线框架,导电性粘接剂,引线框架型封装材料,16,2023/5/30,17,BGA（Ball Grid Array)型封装材料,塑封树脂,BGA基板,焊 球,芯 片,金丝,与引线框架型封装不同的地方,17,2023/5/30,18,焊料及焊球,PCB,PCB,SnPb Plated Lead,BT(Bismaleimide Triazine)Substrate,Au Wire,Solder Joint,Solder Ball,Solder Paste,焊料作为电子封装技术中最基本

4、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 料,18,2023/5/30,19,电子材料的含义,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：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：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。,19,2023/5/30,20,材料是现代文明的基石,2023/5/30,21,用事实说话国内高校科研及就业,电子科技大学-微固学院-信息材料科学与工程系-固体电子工程专业核心课程，电子材料主要研究方向：

5、集成电路（功率、数字电路ASIC，模拟集成电路）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）中华英才网：“电子材料”得到五万多条结果。,21,2023/5/30,22,22,电子材料分类用途,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。,2023/5/30,23,23

6、,电子材料分类组成,无机材料：金属材料、半导体材料以及它们的氧化物材料，如陶瓷材料。有机材料：高分子材料，例如聚合物材料。,2023/5/30,24,24,电子材料分类先进性,传统材料：指已大批量生产，价格一般比较低，在工业应用上已经有较长的时间和数据。例如常规的硅材料，陶瓷材料等。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制之中，并具有一定的保密性。例如纳米材料，聚合物材料等。,2023/5/30,25,25,电子材料分类物理性质,导电材料：超导材料半导体材料绝缘体材料压电铁电材料磁性材料光电材料。,2023/5/30,26,26,电子材料对环境的要求,温度：一般在-5555C

7、使用，特别用途除外压力：一般工作在一个大气压下，特别用途除外湿度：65%75%相对湿度下，避免击穿或短路环境中的化学颗粒及尘埃霉菌和昆虫辐射机械因素。,2023/5/30,27,27,现代社会对电子材料的要求,结构与功能相结合,2023/5/30,28,28,现代社会对电子材料的要求,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,2023/5/30,29,29,现代社会对电子材料的要求,减少污染节省能源长寿命和可控寿命长期的稳定可靠性,2023/5/30,30,30,电子材料的选用原则,性能参数元器件结构特点元器件的工艺特点已知定

8、律或法则经济原则,2023/5/30,31,31,电子材料发展动态,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”。,2023/5/30,32,32,电子材料发展动态,有机电子材料 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,2023/5/30,33,33,电子材料发展动态,电子薄膜材料计算机辅助设计电子材料,纳米材料,2023/5/30,34,2023/5/30,35,2023/5/30,

9、36,2023/5/30,37,参考资料,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/电子科技大学电子材料重庆邮电大学电子材料,37,2023/5/30,38,38,课堂小结,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？请举例说明了解：电子材料的发展现状和趋势,2023/5/30,39,无机电子材料,晶体的特征：晶胞、空间点阵和晶面无机晶体的分类：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同构晶体和多晶型转变固溶体金

10、属间化合物实际晶体、非晶体和准晶体,2023/5/30,40,物质和物质接触的界面(interface)可分为如下六种情形：,电子材料的表面与界面,2023/5/30,41,界面是指物质相与相之间交界的区域，存在于两相之间，厚度约为几个分子层到几十分子层（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

11、面,2023/5/30,42,2023/5/30,43,除气体-固体的交界面（称为表面）外，还包括陶瓷内部的气孔与晶粒形成的界面。液体-固体界面在陶瓷液相烧结时能看到。对于固体-固体界面，当这些固体属同一晶相，仅结晶取向不同时，这种界面称为晶界(grain boundary)或晶体边界(crystal boundary)，当这些固体晶相不同，即组成和晶体构造都不相同时，其界面称为相界(phase boundary)。,2023/5/30,44,表面的定义和种类,1、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。,理论前提：,1、不考虑晶体内部周

12、期性势场在晶体表面中断的影响；2、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；3、不考虑外界对表面的物理-化学作用等；4、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。,2023/5/30,45,表面的定义和种类,2、实际表面 在自然界中存在的表面称为实际表面，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。,2023/5/30,46,3、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

13、，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,2023/5/30,47,单个原子在物质表面的排列,砷化镓表面砷原子排列图,2023/5/30,48,蚊子体表面结构,2023/5/30,49,不存在吸附物也不存在氧化层的固体表面，称为清洁面。相对于理想表面而言，处于清洁表面的原子组分与位置往往发生变化，具体表现为偏析（或分凝）、驰豫、重构等。因为清洁表面的上方没有原子存在，表面原子会受到下层原子的拉力。如果表面原子没有足够的附加能量的话，将被拉到下面去，这部分附加能量称为表面能，也称为表面张力。,清洁表面的原子排布,2023/5/30,50,20

14、23/5/30,51,1、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,驰豫结构是指表面区晶格结构保持不变，只是晶格常数变化,可大于零（晶格常数增加），也可以小于零。,2023/5/30,52,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。重构通常表现为表面超结构的出现，即两维晶胞的基矢按整数倍扩大。,表面重构现象在硅半导体中经常出现，这可能和硅半导体的键合方向性和四面体配位有关。,1、表面原子排列

15、的调整,2023/5/30,53,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：,顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附,顶吸附,桥吸附,填充吸附,中心吸附,俯视图,剖面图,2023/5/30,54,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、表面原子排列的调整,2023/5/30,55,2、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,2023/5/3

16、0,56,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、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).,2023/5/30,57,表面粗糙程度是用粗糙度系数R来量度的,其中：Ar 几何表面面积Ag包括内表面等在内的实际表面积,3、实际表面的特征,2023/5/30,58,2、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

17、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、实际表面的特征,2023/5/30,59,（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、实际表面的特征,2023/5/30,60,3、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、实际表面的特征,