第1章 电子材料概论

课程名称：电子材料 主讲教师：刘丽英 材料与能源学院 02039323232 ,课程内容,第1章 电子材料概论 第2章 超导材料 第3章 半导体材料 第4章 电介质材料 第5章 磁性材料,教学及参考教材,1 李言荣等，电子材料导论，清华大学出版社，2010年. 2 陈鸣等，电子材料，北京邮电大学出版社 ，2006年. 3 焦宝祥，功能与信息材料 ，华东理工大学出版社，2011年. 4 杨树人等，半导体材料，科学出版社，2006年.,第一章 电子材料概论,电子材料是当前材料科学的一个重要方面，品种多、用途广、涉及面宽。 是制作电子元器件和集成电路的基础，是获得高性能高可靠先进电子元器件和系统的保证。 还广泛应用于印制电路板和微线板、封装用材料、元器件和整机、电信电缆和光纤、各种显示器及显示板，以及各种控制和显示仪表等等。,分类与特点 应用与发展动态,1.1 电子材料的分类与特点,1.1.1 在国民经济中的地位 1.1.2 电子材料的分类 1.1.3 电子材料对环境的要求 1.1.4 电子材料与元器件,1.1.1 在国民经济中的地位,材料是人类赖以生存和发展、征服自然的物质基础，是人类社会发展的先导，是人类进步的里程碑。,电子材料 指与电子工业有关的、在电子学与微电子学中使用的材料，是制作电子元器件和集成电路的物质基础。,1.1.1 在国民经济中的地位,人类正在进入信息社会； 材料、能源和信息技术新科技革命的三大支柱。 电子材料处于材料科学与工程最前沿。电子材料的优劣直接影响电子产品的质量，与电子工业的经济效益有密切关系。 一个国家电子材料的品种数量和质量，是衡量该国科学技术、国民经济水平和军事国防力量的主要标志。,1.1.2 电子材料的分类,电子材料种类繁多，用途广泛 可从不同的角度对电子材料进行分类 按电子材料的用途分类： 结构电子材料 指能承受一定压力和重力，并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。 在电子元器件中用来制作外壳、基片、框架、散热片，以及用于加固和包装等。,1.1.2 电子材料的分类,电子材料种类繁多，用途广泛 可从不同的角度对电子材料进行分类 按电子材料的用途分类： 功能电子材料 指除强度性能外，还有特殊功能，或能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料。 在应用中主要是利用其功能而不是机械力学性能。 例如，太阳能电池具有将太阳能（光、热能）转换为电能的功能。,1.1.2 电子材料的分类,电子材料种类繁多，用途广泛 可从不同的角度对电子材料进行分类 按电子材料的用途分类： 功能电子材料 一般来说，功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力，即对电、磁、光、热、压力、气氛等各种刺激，可以有选择地作出反应。在电子领中，通常功能电子材料被加工成一定的形状，配以必要的连接，具有将各种形态的能量互相转换的功能。在电子元器件、集成电路中，就是选用了相应的功能材料来工作的。可以认为，没有许多功能材料的出现，就不可能有现代电子科学技术的发展。,1.1.2 电子材料的分类,2. 按组成分类： 无机电子材料 可分金属材料(以金属键结合）和非金属材料（以离子键和共价键结合，如硅等元素半导体、金属的氧化物、碳化物、氮化物等）； 有机电子材料 主要是由碳、氢、氧、氮、氯、氟等组成的指高分子材料（以共价键和分子键结合）。,1.1.2 电子材料的分类,3. 按材料的物理性质和应用领域分: 按材料的物理性质分：导电材料、超导材料、半导体材料、绝缘材料、压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等。 按应用领域分：微电子材料（硅、锗、砷化镓等制作半导体器件与集成电路的材料）、电阻器材料、电容器材料、磁性材料、光电子材料、压电材料、电声材料等；,1.1.2 电子材料的分类,4. 传统电子材料与先进电子材料 传统电子材料指已在大量生产，价格一般较低，在工业应用上已有较长期使用的经验和数据。 先进电子材料则指具有优异的性能的高科技产品，正在进行商业化或研制中，并具有一定的保密性。,1.1.3 电子材料对环境的要求,电子材料在做成元器件和集成电路之后，还应具备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环境。目前对电子材料的环境要求越来越严格，主要表现在以下几方面： 温度 压力 湿度 环境中的化学颗粒及尘埃 霉菌和昆虫 辐射 机械因素,1.1.3 电子材料对环境的要求,1、温度 电子产品一般要在-55-+55 范围内使用，若用于航天装置，低温会延伸到-190 或接近热力学温度的零度（-273 ）；在汽车电子装置中，工作温度可达500-700 ；在反应堆中，工作温度可高达700 ，甚至到1200 。,1.1.3 电子材料对环境的要求,2、压力 电子产品一般在一个大气压下工作，但也有处于真空中的，而用于航天设备中，真空度约为10-11Pa。但在海洋深处压力可达上千个大气压。由于压力的改变，会引起电子材料耐压强度下降、密封外壳变形和散热效率降低，器件性能劣化等现象。,1.1.3 电子材料对环境的要求,3、湿度 温带地区相对湿度（RH）平均为65-75%，沙漠地区则不高于5%；而靠近海洋、湖泊的地区，湿度经常可达饱和状态（100%）。测量中发现，在相对湿度为65-80%的空气中，物体上水膜的厚度为0.001-0.1微米；而在100%湿度下，水膜厚达几十微米，这对电子材料会产生不良影响。水分还会引起一些电子材料（特别是化工材料）尺寸变化，绝缘性能下降，发生击穿和短路等现象。,1.1.3 电子材料对环境的要求,4、环境中的化学颗粒和尘埃 工业区的空气中往往含有多种成分的酸、碱、盐等颗粒，这些颗粒能腐蚀电子材料，降低绝缘电阻和击穿电压。海面及沿海地区空气中的盐雾含量一般为2-53/m3，这能在材料的表面覆盖一层导电层，使材料表面的漏电导增加，并能引起材料腐蚀和加速材料的老化。空气中的尘埃含量一般为20-60 3/m3，沉积在材料表面会使水气凝结，劣化介电性能。,1.1.3 电子材料对环境的要求,5、霉菌和昆虫 在温度25-35 、相对湿度RH超过70%、缺少日光照射的阴暗地区，霉菌和昆虫容易大量繁殖，造成电子材料介电特性的下降，器件或包封材料的腐蚀和损坏。,1.1.3 电子材料对环境的要求,6、辐射 太阳中的紫外线，潮湿条件下的日光照射，都能引起材料的氧化；雷雨时产生的臭氧以及宇宙空间的、等高能粒子的辐射等，都会使电子材料蜕化、变质或分解。,1.1.3 电子材料对环境的要求,7、机械因素 运载环境中的机械因素是指冲击、振动和离心力等。这些机械的作用将会降低材料的耐疲劳强度和加速元器件老化。,1.2 电子材料的应用与发展动态,为适应电子整机和设备小型化、轻量化、薄型化、数字化、多功能，现在社会要求电子元器件的开发生产必须向小型化、高集成化、片式化发展；电子材料今后将尽可能长适应电子元器件的这些要求。,现代社会对电子材料的要求 电子材料的要求和选用原则 纳米电子材料、复合材料等新型电子材料 电子材料的发展动态,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,结构与功能相结合 智能材料 减少污染 节省能源 长寿命与可控寿命,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,1、结构与功能相结合 要求有些电子材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的功能或多种功能，正在开发研制隐身材料、绝热材料、抗红外探测、抗激光和梯度功能材料。,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,2、智能材料 要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，具有敏感和驱动的双重功能，如电流变体材料，灵巧窗材料等。,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,3、减少污染 现代文明社会，人类既希望获得大量高性能和多功能材料，又迫切要求有一个良好的生态环境，实现可持续发展。实际上这两种要求在某种程度上是不协调的。,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,3、减少污染 以往材料工程学的出发点是力求最大限度地发挥材料的潜在性能和功能，对环境的影响考虑较少，如一些含铅的介质材料和高温PTC材料等，在生产过程中都会排出对人体有严重影响的含铅物质；一些电镀废液、有机溶剂也对人体有害。 为了人类的健康和生存，要求在电子材料的制作和废弃过程中对环境产生的污染尽可能少，以满足绿色电子元器件的要求。,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,4、节约能源 制造材料时耗能尽可能少，同时又可利用新开发的能源。 5、长寿命与可控寿命 要求电子材料能长期保持其基本特性，稳定可靠，用来制造的设备和元器件能少维修或不维修。除了一般要求电子材料能够有足够长的寿命外，在有些电子设备（如一些家用电器）使用到一定期限后，要能自行失效，防止因元器件老化而发生事故。为此，要对设备强行限时更新。,1.2.1 现代社会对电子材料的要求,以上对新一代电子材料开发、研制时的总体要求，是从最佳状态来考虑的。实际上，很难同时得到满足，往往只能采用折衷方案来实施。,1.2.2 电子材料的选用原则,根据元器件性能参数 根据元器件结构特点 根据元器件工艺特点 按经济原则,为使元器件具有尽可能好的性能和结构、合理的工艺和较低的成本，在选用电子材料时，一般应遵循以下的原则。,1.2.2 电子材料的选用原则,1、根据元器件性能参数选用材料 不同的场合对电子元器件的性能有不同的要求，应根据这些要求选择所用此类（介质材料、导电材料及包封材料等）。,1.2.2 电子材料的选用原则,2、根据元器件结构特点选用材料 由于电子元器件用途各异，使用环境有很大差别，因此元器件的结构方式各不相同。例如，在高湿度下使用的电容器和电阻器，需要进行全密封结构，这时除了选择介质材料、电阻材料之外，还要考虑合适的包封材料。,1.2.2 电子材料的选用原则,3、根据元器件工艺特点选用材料 对于一些厚膜、薄膜电子元器件，要考虑到基片材料与使用的薄膜状材料之间的结合力、晶体结构、晶向、晶格参数、热膨胀系数等之间的匹配，以及基片的介电性质。,1.2.2 电子材料的选用原则,4、按已知定律或法则选用材料。 例如，用“混合法则”可以选择和设计复合介质材料，“中和效应”和“抑制效应”可用来指导玻璃材料的配制。,1.2.2 电子材料的选用原则,5、按经济原则选用材料。 任何电子元器件，其使用价值不仅取决于它能满足一定要求的性能参数，而且还取决于它的生产成本。在满足所需要的性能和可靠性的条件时，选此类应以价格低廉为原则，这样电子产品才有竞争能力。,1.2.3 纳米电子材料,纳米电子材料被认为是使功能电子材料 发生跃变的关键，是21世纪最有前途的材料。 1、 纳米材料的特征 纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。 包括：纳米微粒、纳米结构、纳米复合材料； 纳米效应：表面效应、小尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应。,1.2.3 纳米电子材料,1、纳米材料的特征 物质尺度到了纳米级后，由于表面电子能级（费米面）的变化（Kubo效应）导致了纳米材料具有许多奇特的性能，从而使其具备奇异性和反常性，能使多种多样的材料改性，用途极为广泛。 上述五种效应是纳米材料的基本特性，它使纳米粒子和纳米固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质。,2、纳米材料的基本单元包括： 零维：纳米尺寸的粒子 一维：纳米粗细尺寸的棒、碳管、线 二维：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、 多层膜、超晶格对应称为：量子点、量子 线、量子阱 三维：纳米尺寸晶粒的三维块材料,1.2.3 纳米电子材料,也称界面效应，指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,1.2.3 纳米电子材料- 1. 表面效应,随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定，具有较高的化学活性。,1.2.3 纳米电子材料- 1. 表面效应,表1-1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,1.2.3 纳米电子材料- 1. 表面效应,表面原子数占全部原子数的 比例和粒径间的关系,1.2.3 纳米电子材料- 1. 表面效应,例如，许多金属的纳米粒子室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧； 无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 很多催化剂的催化效率随尺寸减小到纳米量级而得到显著提高。 对于纳米结构气敏材料也具有类似的现象，随着颗粒尺寸的减小，材料的气孔率、选择性以及响应和恢复速率等都得以显著提高。,1.2.3 纳米电子材料- 1. 表面效应,当粒子尺寸下降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。,1.2.3 纳米电子材料- 2.量子尺寸效应,能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，但只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。,1.2.3 纳米电子材料- 2.量子尺寸效应,对于宏观物体包含无限个原子，由久保式可得，能级间距Eg0；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致Eg有一定的值，即能级间距发生分裂。 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。,1.2.3 纳米电子材料- 2.量子尺寸效应,当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或 超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应，这会导致纳米 微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著 的不同。,1.2.3 纳米电子材料- 2.量子尺寸效应,例如 纳米微粒的比热、磁化率与所含的电子奇偶性有关； 导体转变为绝缘体。如，普通银为良导体，而纳米 银在粒径小于20nm时却是绝缘体等。,1.2.3 纳米电子材料- 2.量子尺寸效应,当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，导致声、光、磁、热、力等特性呈现新的效应。这种因尺寸的减小而导致的变化称为体积效应，也叫小尺寸效应。 纳米铜晶体的自扩散是传统晶体的1016-1019倍。,1.2.3 纳米电子材料- 3. 体积效应,例如，纳米材料的光吸收明显加大，并产生吸收峰的等离子共振频移； 纳米微粒的熔点可远低于块状金属（如金的熔点本是1064，但2nm的金粉末熔点只有330）； 磁有序态向磁无序态转化； 超导相向正常相的转变等。,1.2.3 纳米电子材料- 3. 体积效应,人们可利用这些特性来改变以往的金属冶炼工艺，通过改变颗粒大小控制材料吸收波长的位移，以制得具有一定吸收频宽的纳米吸波材料，用于电磁波屏蔽、防射线辐射、隐形飞机等领域；还可根据这一效应设计许多优越特性的器件等。,1.2.3 纳米电子材料- 3. 体积效应,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。 事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的白金变成铂黑，金属铬变成铬黑。 由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低。,1.2.3 纳米电子材料- 3. 体积效应,近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。,微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。,1.2.3 纳米电子材料- 4. 宏观量子隧道效应,宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应。,例如: 磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。,1.2.3 纳米电子材料- 4. 宏观量子隧道效应,限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限 确立了现在微电子器件进一步微型化的极限,由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比，纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相；出现超强度、超硬度、超塑性等。,1.2.3 纳米电子材料- 5. 界面相关效应,1.2.3 纳米电子材料- 5. 界面相关效应,1.2.4 电子材料发展动态,先进电子材料 纳米材料、仿生智能材料、先进复合材料、 生物电子材料等 有机电子材料 有机导电、压电、光电、磁电等 电子薄膜(主流) 计算机技术与电子材料,1.2.4 电子材料发展动态,1、