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集成電路材料科學與工程基礎 版權信息
- ISBN：9787030714237
- 條形碼：9787030714237 ; 978-7-03-071423-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
集成電路材料科學與工程基礎 內容簡介
材料作為當今社會現代文明的重要支柱之一，在科技發展的今天發揮著越來越重要地位。材料科學與工程基礎類課程是各高等院校材料專業的必修課和核心專業課。本書在材料科學與工程類課程基礎上，結合當今材料專業的現狀和材料人才的發展要求，以集成電路材料學科中的基礎理論和工程工藝問題為主線，與相關學科和學科分支交叉，應用于集成電路材料設計、制備、成型、性能和工藝等關鍵問題的求解。本書主要介紹材料化學方面的基礎知識，包括材料的組成、材料的結構、材料的性能、材料的制備與成型加工，以及集成電路襯底、工藝和封裝三大類材料與制備工藝。本書主要面向材料科學與工程專業學生、從事材料和集成電路相關領域的科技工作者。
集成電路材料科學與工程基礎 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 材料的定義、分類及基本性質 1
1.2.1 金屬材料 2
1.2.2 無機非金屬材料 2
1.2.3 高分子材料 3
1.2.4 復合材料 4
1.3 材料科學與工程的研究內容 4
1.4 集成電路材料科學與工程概述 9
習題 13
第2章 材料結構基礎 14
2.1 物質的組成與狀態 14
2.2 材料的原子結構 14
2.2.1 基本概念 14
2.2.2 原子中的電子 15
2.3 原子間相互作用和結合 18
2.3.1 鍵合力與鍵能 18
2.3.2 主價鍵 20
2.3.3 次價鍵 22
2.3.4 分子 25
2.4 固體中原子有序 25
2.4.1 結晶體的特點與性質 25
2.4.2 晶體學基礎 26
2.4.3 晶體的類型 33
2.5 固體中原子無序 42
2.5.1 固溶體 42
2.5.2 晶體結構缺陷 46
2.5.3 非晶體 51
2.5.4 擴散 57
習題 62
第3章 材料組成與結構 63
3.1 金屬材料的組成與結構 63
3.1.1 金屬材料 63
3.1.2 合金材料 64
3.1.3 鐵碳合金 67
3.1.4 非鐵金屬及合金 68
3.1.5 非晶態合金 73
3.1.6 金屬材料的再結晶 74
3.2 無機非金屬材料的組成與結構 74
3.2.1 無機非金屬材料的組成與結合鍵 74
3.2.2 無機非金屬材料中的簡單晶體結構 75
3.2.3 硅酸鹽結構 77
3.2.4 陶瓷 80
3.2.5 碳化合物 82
3.2.6 無機非金屬材料的非晶體結構 85
3.3 高分子材料的組成與結構 87
3.3.1 高分子材料定義及分類 87
3.3.2 高分子化合物的一級結構 88
3.3.3 高分子化合物的二級結構 94
3.3.4 高分子化合物的三級結構 96
3.3.5 高分子化合物的四級結構 98
3.3.6 聚合物共混材料 99
3.4 復合材料的組成與結構 99
3.4.1 復合材料的定義與分類 99
3.4.2 復合材料的組成 102
3.4.3 復合材料的結構與界面 109
習題 110
第4章 材料的性能 111
4.1 固體材料的力學性能 111
4.1.1 材料的彈性變形 111
4.1.2 材料的塑性變形 113
4.2 材料的熱性能 115
4.2.1 晶格熱振動 115
4.2.2 材料的熱容 118
4.2.3 材料熱膨脹 125
4.2.4 材料的導熱性 130
4.3 材料的電學性能 136
4.3.1 固體電子理論 136
4.3.2 材料電導性能 142
4.3.3 材料介電性能 149
4.3.4 材料鐵電性能 154
4.4 材料的磁學性能 157
4.4.1 材料的磁性 157
4.4.2 磁性材料的分類及其特點 160
4.4.3 其他磁性材料及應用 165
4.5 材料的光學性能 166
4.5.1 材料的線性光學性能 166
4.5.2 材料的非線性光學性能 171
4.6 材料的耐腐蝕性 173
4.7 復合材料的性能 174
4.7.1 功能復合材料 174
4.7.2 功能復合效應 180
4.8 納米材料及效應 180
4.8.1 納米材料簡介 180
4.8.2 納米材料的特性 182
習題 183
第5章 材料的制備與成型加工 185
5.1 材料的制備原理與技術基礎 185
5.2 材料的成型加工性 186
5.2.1 擠出成型 186
5.2.2 注射成型 187
5.2.3 壓延成型 188
5.2.4 吹塑成型 188
5.2.5 壓制成型 189
5.2.6 澆鑄成型 189
5.2.7 流延成型 189
5.2.8 手糊成型 190
5.2.9 噴射成型 190
5.3 典型金屬材料的制備工藝 190
5.3.1 火法冶金 190
5.3.2 濕法冶金 191
5.3.3 電冶金 192
5.4 無機非金屬材料的制備 193
5.5 高分子材料的制備與聚合物成型加工 195
5.5.1 本體聚合 195
5.5.2 溶液聚合 195
5.5.3 懸浮聚合 195
5.5.4 乳液聚合 196
5.5.5 聚合物的成型加工方式 196
習題 198
第6章 集成電路材料與制備工藝 199
6.1 集成電路制造工藝 199
6.2 集成電路襯底材料與工藝 201
6.2.1 半導體材料基礎 201
6.2.2 襯底材料的種類 205
6.2.3 襯底材料的制備原理與加工工藝 212
6.3 集成電路工藝材料與制備工藝 215
6.3.1 光刻膠 215
6.3.2 掩模版 217
6.3.3 工藝化學品 218
6.3.4 電子氣體 221
6.3.5 拋光材料 223
6.3.6 靶材 224
6.4 集成電路封裝材料與工藝 226
6.4.1 集成電路封裝概念與分類 226
6.4.2 集成電路封裝工藝流程 233
6.4.3 厚膜與薄膜 238
6.4.4 焊接材料與工藝 247
6.4.5 封膠材料與技術 254
6.4.6 陶瓷封裝 256
6.4.7 塑料封裝材料與工藝 260
習題 264
參考文獻 265
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 材料的定義、分類及基本性質 1
1.2.1 金屬材料 2
1.2.2 無機非金屬材料 2
1.2.3 高分子材料 3
1.2.4 復合材料 4
1.3 材料科學與工程的研究內容 4
1.4 集成電路材料科學與工程概述 9
習題 13
第2章 材料結構基礎 14
2.1 物質的組成與狀態 14
2.2 材料的原子結構 14
2.2.1 基本概念 14
2.2.2 原子中的電子 15
2.3 原子間相互作用和結合 18
2.3.1 鍵合力與鍵能 18
2.3.2 主價鍵 20
2.3.3 次價鍵 22
2.3.4 分子 25
2.4 固體中原子有序 25
2.4.1 結晶體的特點與性質 25
2.4.2 晶體學基礎 26
2.4.3 晶體的類型 33
2.5 固體中原子無序 42
2.5.1 固溶體 42
2.5.2 晶體結構缺陷 46
2.5.3 非晶體 51
2.5.4 擴散 57
習題 62
第3章 材料組成與結構 63
3.1 金屬材料的組成與結構 63
3.1.1 金屬材料 63
3.1.2 合金材料 64
3.1.3 鐵碳合金 67
3.1.4 非鐵金屬及合金 68
3.1.5 非晶態合金 73
3.1.6 金屬材料的再結晶 74
3.2 無機非金屬材料的組成與結構 74
3.2.1 無機非金屬材料的組成與結合鍵 74
3.2.2 無機非金屬材料中的簡單晶體結構 75
3.2.3 硅酸鹽結構 77
3.2.4 陶瓷 80
3.2.5 碳化合物 82
3.2.6 無機非金屬材料的非晶體結構 85
3.3 高分子材料的組成與結構 87
3.3.1 高分子材料定義及分類 87
3.3.2 高分子化合物的一級結構 88
3.3.3 高分子化合物的二級結構 94
3.3.4 高分子化合物的三級結構 96
3.3.5 高分子化合物的四級結構 98
3.3.6 聚合物共混材料 99
3.4 復合材料的組成與結構 99
3.4.1 復合材料的定義與分類 99
3.4.2 復合材料的組成 102
3.4.3 復合材料的結構與界面 109
習題 110
第4章 材料的性能 111
4.1 固體材料的力學性能 111
4.1.1 材料的彈性變形 111
4.1.2 材料的塑性變形 113
4.2 材料的熱性能 115
4.2.1 晶格熱振動 115
4.2.2 材料的熱容 118
4.2.3 材料熱膨脹 125
4.2.4 材料的導熱性 130
4.3 材料的電學性能 136
4.3.1 固體電子理論 136
4.3.2 材料電導性能 142
4.3.3 材料介電性能 149
4.3.4 材料鐵電性能 154
4.4 材料的磁學性能 157
4.4.1 材料的磁性 157
4.4.2 磁性材料的分類及其特點 160
4.4.3 其他磁性材料及應用 165
4.5 材料的光學性能 166
4.5.1 材料的線性光學性能 166
4.5.2 材料的非線性光學性能 171
4.6 材料的耐腐蝕性 173
4.7 復合材料的性能 174
4.7.1 功能復合材料 174
4.7.2 功能復合效應 180
4.8 納米材料及效應 180
4.8.1 納米材料簡介 180
4.8.2 納米材料的特性 182
習題 183
第5章 材料的制備與成型加工 185
5.1 材料的制備原理與技術基礎 185
5.2 材料的成型加工性 186
5.2.1 擠出成型 186
5.2.2 注射成型 187
5.2.3 壓延成型 188
5.2.4 吹塑成型 188
5.2.5 壓制成型 189
5.2.6 澆鑄成型 189
5.2.7 流延成型 189
5.2.8 手糊成型 190
5.2.9 噴射成型 190
5.3 典型金屬材料的制備工藝 190
5.3.1 火法冶金 190
5.3.2 濕法冶金 191
5.3.3 電冶金 192
5.4 無機非金屬材料的制備 193
5.5 高分子材料的制備與聚合物成型加工 195
5.5.1 本體聚合 195
5.5.2 溶液聚合 195
5.5.3 懸浮聚合 195
5.5.4 乳液聚合 196
5.5.5 聚合物的成型加工方式 196
習題 198
第6章 集成電路材料與制備工藝 199
6.1 集成電路制造工藝 199
6.2 集成電路襯底材料與工藝 201
6.2.1 半導體材料基礎 201
6.2.2 襯底材料的種類 205
6.2.3 襯底材料的制備原理與加工工藝 212
6.3 集成電路工藝材料與制備工藝 215
6.3.1 光刻膠 215
6.3.2 掩模版 217
6.3.3 工藝化學品 218
6.3.4 電子氣體 221
6.3.5 拋光材料 223
6.3.6 靶材 224
6.4 集成電路封裝材料與工藝 226
6.4.1 集成電路封裝概念與分類 226
6.4.2 集成電路封裝工藝流程 233
6.4.3 厚膜與薄膜 238
6.4.4 焊接材料與工藝 247
6.4.5 封膠材料與技術 254
6.4.6 陶瓷封裝 256
6.4.7 塑料封裝材料與工藝 260
習題 264
參考文獻 265
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集成電路材料科學與工程基礎 節選
第1章緒論 1.1引言 材料、能源和信息是構成社會文明和國民經濟的三大支柱。其中材料的革新是人類 技術進步的標志，常常被用來區分人類文明史的不同階段。早期人類文明由材料的發展 水平決定（石器時代、青銅時代、鐵器時代）。現代工農業生產的發展、科學技術的進步 和人民生活水平的提高，均離不開品種繁多且性能各異的材料。 材料既是國民經濟的物質基礎，也是保障國家安全的戰略支撐。進入21世紀以來， 在經濟全球化和社會信息化的背景下，國際制造業競爭日益激烈，對先進材料及制造技 術的需求更加迫切。 云計算、大數據、移動互聯網、物聯網、人工智能等新興信息技術與制造業的深度 融合，正在引發對制造業研發設計、生產制造、產業形態和商業模式的深刻變革，材料 的創新已成為推動制造業發展的主要驅動力。集成電路產業不僅是信息化社會的基石， 更是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。盡管我國集成 電路材料產業持續壯大，但相對我國市場的需求和發展，材料自給能力還遠遠不夠。近 幾年，受國家政策支持以及國內市場需求的雙重驅動，我國集成電路材料產業發展到了 一個新的高度，關鍵材料逐漸實現從無到有，產業增長進一步加快。 集成電路材料，按照產業鏈主要分為襯底材料（硅晶圓等）、工藝材料（光刻膠、掩模 版、工藝化學品、電子氣體、拋光材料、靶材等）以及封裝材料（引線框架、封裝基板、 陶瓷基板、鍵合絲、包封材料、芯片黏結材料等）三大板塊，涉及金屬材料、無機非金屬 材料、高分子材料、復合材料等，十分龐雜。人們在使用材料的同時，一直在不斷地研 究影響材料性能的各種因素和材料結構元素與其性能之間的關系。只有了解了這些，人 們才能有目的地塑造材料的特性。因此，發展集成電路材料，首先需要深入了解材料基 本結構和性質。 除了結構和性質外，在材料科學與工程中還有兩個重要的要素，即“加工”和“使 用性能”。這四要素之間的關系，可以描述為：材料的結構取決于它的加工方式，材料的 使用性能是它的性質的函數。我們將貫穿全書闡述材料四要素間的關聯，并結合集成電 路材料特點，講述制備與加工工藝。 1.2材料的定義、分類及基本性質 材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態和物理性狀的物質，是組成生產 工具的物質基礎。 材料有多種分類方法，包括按狀態、化學組成和結合鍵性能、性能以及應用領域分 類等。按材料狀態，材料分為氣態、液態和固態三類。按材料化學組成和結合鍵的性能， 將材料分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料以及復合材料四類。按材料性能， 將其分為金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料。金屬材料包括各種純金屬及其 合金。塑料、合成橡膠、合成纖維等稱為有機高分子材料。對于像陶瓷、玻璃、水泥等， 既不是金屬材料，又不是有機高分子材料，統稱為無機非金屬材料。按材料應用領域的 不同，則可分為建筑材料、醫用材料、能源材料、儀表材料、集成電路材料等。 1.2.1金屬材料 金屬材料通常由一種或多種金屬元素組成，其特征是存在大量的離域電子，也就是 說，這些電子并不鍵合在特定原子上。金屬的很多特性都可歸因于這些離域電子，例如 良好的導電性、導熱性、拋光表面的反光性、金屬光澤、延展性、可塑性等。除汞外， 所有金屬在常溫下都是固體。青銅和鐵作為金屬材料已有數千年的使用歷史。鋼材被廣 泛用作結構材料，銅材則常常作為導電材料。當今材料科學的發展賦予了金屬材料更多新 特性，能夠形成各種各樣的新型金屬材料，如超塑性合金、形狀記憶合金、儲氫合金等。 金屬材料通常分為黑色金屬材料和有色金屬材料（非鐵材料）兩類。黑色金屬材料包 括鋼和鑄鐵。鋼鐵是現代工業中的主要金屬材料，在機械產品中占整個用材消耗的60% 以上。有色金屬材料是指除鐵以外的其他金屬及其合金。這些金屬有80余種，分為輕金 屬、重金屬、貴金屬、類金屬和稀有金屬五類。工程上*重要的有色金屬包括鋁、銅、鋅、 錫、鉛、鎂、鎳、鈦及其合金。在集成電路產業領域，金屬材料常用在厚膜電路和焊料中。 金屬材料的基本特性： （1）結合鍵為金屬鍵，常規方法生產的金屬為晶體結構。 （2）在常溫下金屬一般為固體，熔點較高。 （3）具有金屬光澤。 （4）純金屬塑性大，展性、延性也大。 （5）強度較高。 （6）導熱和導電性好（存在自由電子）。 （7）在空氣中多數金屬易氧化。 1.2.2無機非金屬材料 無機非金屬材料又稱硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料，以及由無機 元素組成的單質材料，如單晶硅、金剛石、石墨，如圖1-1所示。陶瓷是*早使用的無機 材料。由于大多無機非金屬材料的生產過程與傳統的陶瓷生產過程類似，無機非金屬材 料又常被統稱為“陶瓷”。 陶瓷是由金屬與非金屬組成的化合物（氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、硅酸鹽以 及碳酸鹽等）。此類材料通常是電和熱的不良導體，材質硬而脆，可用作結構材料、光學 材料、電子材料等。傳統陶瓷材料一般以天然原料通過鍛燒等手段進行加工制造而得， 其制品如潔具、器皿等已在日常生活中廣泛應用。現今的陶瓷材料研究及應用側重于以精制的高純天然無機物或人工合成無機化合物為原料，采用特殊工藝燒結制造而成。此 類陶瓷稱為精細陶瓷，其具有各種優異性能或特殊應用功能，主要用于化工、機械、動 力、電子、能源等領域。在集成電路產業領域，無機非金屬材料主要應用于陶瓷封裝（氧 化鋁陶瓷封裝、陶瓷氣密封裝等）和刻蝕保護（玻璃粉）等。 無機非金屬材料的基本特性： （1）結合鍵主要是離子鍵、共價鍵以及它們的混合鍵。 （2）硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感。 （3）熔點較高，具有優良的耐高溫、抗氧化性能。 （4）導熱性和導電性較差。 （5）耐化學腐蝕性。 （6）耐磨損。 （7）成型方式為粉末制坯、燒結成型。 1.2.3高分子材料 高分子材料是指以碳、氫、氧、氮、硫等元素為基礎，由許多結構相同的小單位（鏈 節）重復連接組成，原子數目多、分子量足夠大的有機化合物。常用高分子材料的分子量 在幾千到幾百萬之間，一般為長鏈結構，以碳鏈居多。 高分子材料分類方法有多種。根據來源，分為天然和人工合成兩類。木材、天然橡 膠、棉花、動物皮毛等屬于天然高分子材料。人工合成高分子材料包括塑料、合成橡膠 和合成纖維三大類。根據使用性能，分為塑料、橡膠、纖維、黏合劑、涂料等。根據高 分子化合物的主鏈結構，分為碳鏈、雜鏈、元素高聚物三類。根據其對熱的性質，分為 熱塑性、熱固性及熱穩定性高聚物三類。按照材料的用途，分為高分子結構材料、高分子電絕緣材料、耐高溫高聚物、導電高分子、高分子建筑材料、生物醫用高分子材料、 離子交換樹脂、液晶高分子、高分子催化劑、包裝材料等。 塑料是極重要的一類高分子材料，除樹脂外，塑料還含有增塑劑、填料、防老劑、 固化劑等各種添加劑。從使用的角度，塑料分為通用塑料和工程塑料。通用塑料是指產 量大、用途廣、成型性好、價格低的一類塑料，主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、 聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料是指具有高強度、高模量，并能在較高溫度下 長期使用的塑料。常見的工程塑料有耐沖擊的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚體）、聚 酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯等。在集成電路產業領域，高分子材料主要應用于塑料封裝、 清潔清洗、封膠涂封、光固化樹脂等。 高分子材料的基本特性： （1）分子鏈內為共價鍵，分子間為范德華鍵和氫鍵。 （2）分子量大。 （3）力學狀態有玻璃態、高彈態和黏流態，強度較高。 （4）重量輕。 （5）良好的電絕緣性。 （6）良好的化學穩定性。 （7）成型方法較多。 1.2.4復合材料 復合材料是由兩種或多種不同材料組合而成的材料。復合材料中各組分在性能上互 相取長補短，產生協同效應，使復合材料既保留原組分材料特性，又具有單一組分材料 所無法獲得的或更優異的性能。 復合材料按性能分為結構復合材料和功能復合材料。前者的研究較充分、應用也較 多，后者近年來發展迅速。*常見的復合材料之一是玻璃纖維增強高分子復合材料（俗稱 玻璃鋼）。玻璃鋼就是將細小的玻璃纖維嵌入高分子材料中。玻璃纖維通常比較堅硬且脆， 而高分子材料韌性好。因此合成后的玻璃鋼既堅硬又有韌性。碳纖維增強高分子復合材 料是另一種典型復合材料。這種材料在高分子中嵌入了碳纖維，其硬度和強度比玻璃纖 維增強復合材料的還要高。碳纖維增強高分子復合材料主要應用在航天航空領域，以及 高科技體育用品和汽車保險杠，例如，波音787機身材料、比賽用自行車、網球拍等。 復合材料在集成電路領域有大量應用，例如，玻璃纖維強化材料（S1O2、AI2O3、CaO、 MgO、B2O3等復合物）和封裝漿料（陶瓷粉末、黏著劑、塑化劑與有機溶劑的混合）等。 1.3材料科學與工程的研究內容 “材料科學與工程”學科的明確提出要追溯到20世紀中葉。1957年蘇聯發射了** 顆人造衛星，重80 kg，同年11月又發射了第二顆人造衛星，重500 kg。美國于次年發 射的“探測者1號”人造衛星僅8 kg，重量遠不及蘇聯的衛星。對此美國有關部門聯合 向總統提出報告，認為在科技競爭中美國之所以落后于蘇聯，關鍵在先進材料的研究方面。1958年3月，美國總統艾森豪威爾通過科學顧問委員會發布“全國材料規劃”，決 定在12所大學成立材料研究實驗室，隨后又擴大到17所。從那時起出現了包括多領 域的綜合性學科一“材料科學與工程”。 “材料科學與工程”學科的形成主要歸功于如下五個方面的基礎發展： （1）各類材料大規模的應用發展是材料科學的重要基礎之一。18世紀蒸汽機的發明 和19世紀電動機的發明，使材料在新品種開發和規模生產等方面發生了飛躍，如1856 年和1864年先后發明了轉爐和平爐煉鋼，大大促進了機械制造、鐵路交通的發展。隨之 不同類型的特殊鋼種也相繼出現，如1887年高錳鋼、1903年硅鋼及1910年鎳鉻不銹鋼 等，與此同時，銅、鉛、鋅也得到大量應用，隨后鋁、鎂、鈦和稀有金屬相繼問世。20 世紀初，人工合成高分子材料問世，如1909年的酚醛樹脂（膠木），1925年的聚苯乙烯， 1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龍等，發展十分迅速。如今人工合成高分子材料世 界年產量在1億噸以上，年產量已超過鋼。無機非金屬材料門類較多，一直占有特殊的 地位，其中一些傳統材料資源豐富，性能價格比在所有材料中*有競爭力。20世紀中后 期，通過合成原料和特殊制備方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先進 結構材料，如電子陶瓷、鐵氧體、光學玻璃、透明陶瓷、敏感及光電功能薄膜材料等。 先進結構陶瓷由于高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及質輕等特點，在能源、信息等領 域具有廣泛的應用，成為近三四十年來研究的熱點，且用途還在不斷擴大。 （2）基礎學科發展為材料科學理論體系的形成打下了堅實的基礎。量子力學、固體物 理、斷裂力學、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發展，以及現代分析測試技術 和設備的更新，使人類對物質結構和物理化學性質有了更深層次的理解。同時，冶金學、 金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發展也對材料本身的研究大大加強和系統化，從而對材料 的組成、制備、結構與性能，以及它們之間的相互關系的研究也越來越深入系統。 （3）學科理論的交叉融合日益突出。在“材料科學與工程”學科確立以前，金屬材料、 無機非金屬材料與高分子材料等都已自成體系。但人們在長期研究中發現，它們在制備 和使用過程中許多概念、現象和變化都存在著頗多相似之處。例如，相變理論中，馬氏 體相變*初是金屬學
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