第6章-电子与微电子材料-6.2-介电材料概要.ppt

1、1，6。催化裂化结构中镍的原子半径为0.1243纳米。试求镍的晶格参数和密度。铀具有正交结构，晶格参数a=0.2854nm纳米，b=0.5869nm纳米，c=0.4955纳米。原子半径为0.138纳米，密度为19.05立方厘米。试着找出每个单元的原子数和堆积系数。正交系统：ABC，=，3，4，15。解释为什么只有置换固溶体的两种组分能完全相互溶解，而间隙固溶体不能。答：置换固溶体：由溶质原子而不是占据溶剂晶格某些节点位置的某些溶剂原子组成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶体的间隙位置形成的固溶体。因为溶剂的晶体间隙是有限的，并且可以填充的外来原子或离子的数量是有限的，所以间隙固溶体是有限

2、的固溶体。主链结构当主链含有碳氧键、碳氮键和硅氧键时，柔韧性好。因为o和n原子周围的原子比c原子少，所以内旋转的空间位阻很小；硅氧硅键的键角大于碳碳键的键角，因此其内部旋转位阻较小，即使在低温下也具有良好的柔韧性。例如：影响聚合物链柔性的因素，6，苯环或共轭双键：当主链由共轭双键组成时，由于P电子云的重叠，共轭双键不能在内部旋转，所以柔性差，是刚性链。例如：聚乙炔和聚苯，7，实施例1:顺式聚丁二烯=1.68，聚乙烯=1.84，孤立双键：实施例2:聚氯丁二烯(氯丁二烯橡胶)聚氯乙烯，8，取代基(侧基)，极性：取代基的极性越大，极性基团的数目越多，相互作用越强，在单键内越难旋转。如：9，非极性，空

3、间位阻分子链间距，取代基是刚性的，空间位阻越大，柔性越低。10，取代基是柔性的，分子链间距越大，柔性越高。11，对称取代基，可以增加分子链之间的距离，削弱相互作用，并具有很大的灵活性。侧基的对称性越高，分子链的柔韧性越好。例如，(3)氢键如果氢键可以在聚合物链的分子内部或分子之间形成，氢键的影响比极性更显著，这可以大大增加分子链的刚性并降低它们的柔性。(4)交联，柔韧性下降，低交联密度对交联密度影响不大，柔韧性急剧增加，交联密度极硬，如：1硫化橡胶2热固性塑料，12，6.2介电材料，介电材料的介电特性：结合电荷，电荷中心重合，电荷中心不重合，介电磁化概念的极化类比，两个问题，13，介电材料是指

4、电阻率较高的材料，相对于金属材料。金属材料：共享电子半导体材料：载体介电材料：束缚电荷，14。介电材料、绝缘材料的分类及应用：电阻率高，能承受强电场，不易被击穿。主要是聚合物电介质和无碱玻璃。电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种是具有严格温度系数的高频稳定陶瓷，另一种是具有极大介电系数的铁电陶瓷。压电材料：它是一种能转换机械能和电能的材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶瓷，它广泛应用于情感元件、电声器件等。介电材料的分类，15，在外电场的作用下，材料有两种响应：导电电感使满足电容功能的器件绝缘，32种点群-20个点群具有压电特性，10个点群具有单对称轴，并具有自发极化(热电)，自发

5、极化能可由电场(铁电)转换，16，介电材料的应用，17，6.2.1介电常数1)材料因子：材料在电场中极化的能力2)尺寸因子：D和A:板之间的距离和面积。如果电介质是真空的，在平行板电容之间放置一些材料，18，极化：电介质中粒子的正负电荷中心被分离并转变成偶极子；电偶极子距离：极化率：单位电场强度下粒子电偶极子距离的大小，代表电介质的极化能力，只与材料的性质有关，单位为F.m2:极化强度：每单位体积电介质的电偶极子距离之和，与表面电荷密度单位c/m2相同；介质极化系数：将宏观电场E与宏观物理量P联系起来；极化现象及其物理量，电介质：无自由电荷的绝缘体。电介质极化特性：内部场强一般不为零。1。极性

6、分子和非极性分子电介质，极性分子：分子的正电荷中心和负电荷中心不重合。负电荷中心、正电荷中心、非极性分子：分子的正电荷中心和负电荷中心与氦(he)、氢(H2)、甲烷(CH4)等重合。介电极化和静态介电常数，当没有外部电场时，极性分子具有不同的电矩取向，并且整个介质不带电。(2)极性分子被定向和极化，极性分子的内禀电矩受外电场中的力矩作用，电矩方向与外电场方向一致。2。电介质的极化，(1)非极性分子的位移极化。当外加电场时，介电分子的正负电荷中心不再重合，分子电矩出现。21，22，微观机制(类型)介电极化，弹性位移极化(瞬时极化)，取向极化(弛豫极化)，电子位移极化响应快，小离子极化响应慢，偶极

7、极化响应仍慢，空间电荷极化响应静慢，大离子极化，弛豫极化，电子弛豫极化，离子弛豫极化，23，极化类型，电子云和原子核的相对位移诱导电偶极，阴离子和阳离子的相对位移诱导离子极化， 固有电偶极子在外场中的取向，空间电荷极化在绝缘体界面移动载流子形成的极化，电介质的极化，24，25，位移极化，取向极化，位移极化，主要指电子位移和取向极化。 由于热运动，这个方向只能是部分的，这符合统计规律。26，27，电子云位移极化的特征：a)极化时间很短，在一般的频率范围内可以认为与频率无关；b)具有弹性，无能量损失。c)温度对电子极化几乎没有影响。(1)电子位移极化：当施加电场时，正负电荷中心相对位移(电子云变化

8、和正负电荷中心分离的物理过程)。电子云位移极化存在于所有气体、液体和固体介质中。28，另一方面，壳层电子和原子核之间的相互作用是使正负中心重合。正是在这两种力的作用下，原子处于新的平衡状态。在这个新的平衡态，原子有一个有限的感应偶极矩，用Pe表示。Pe与电场的关系是：其中E称为电子位移极化率。29，的大小可以用玻尔原子模型来估计，也就是结论：电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关，30，31，正，负，e，p，32，离子位移极化的特性：a)时间很短，B)它属于弹性极化，能量损失很小。c)离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时，离子间的结合力降低，极化程度增加；然而，随着温度的升高，离子密

9、度降低，极化程度降低。一般来说，前一个因素影响很大。33，(3)弛豫极化，弛豫粒子：材料中存在弱束缚电子、离子和偶极。弛豫极化：弛豫粒子由于热运动而无序，34，35，离子弛豫极化率：T=2 x2/12kT温度越高，热运动越强，阻碍粒子的规则运动，极化率越低。离子弛豫极化率比电子位移极化率大一个数量级，这可以导致材料的大介电常数。36，37，38，在离子晶体中的转向极化的应用，一对晶格空位的取向，39，40，外电场中的介电分子，无电极分子只有位移极化，并且感应电矩的方向是沿着外电场的方向。没有外场的电偶极矩称为固有电偶极矩。它在外部电场中产生感应电偶极矩(约为前者的10-5)。极性分子具有上述两

10、种极化机制。高频时只有位移极化。空间电荷极化的特征：时间更长；它属于非弹性极化，有能量损失；它随着温度的升高而降低。它主要存在于DC和低频，在高频没有或很少极化现象，因为空间电荷太晚移动。自发极化如果晶胞在其结构中不仅没有对称中心，而且当没有外力时，晶胞的正负电荷中心也不重合，即晶胞具有极性，那么由于晶体结构的周期性和重复性。电池固有的电矩将排列在同一方向，这使得晶体处于高度极化状态。由于这种极化状态是在外场为零时自发形成的，因此称为自发极化。43，各种极化形式的比较，44，各种极化机制的频率范围，45，相对介电常数的频率依赖性，46，47，48，影响介电常数的因素：介电型温度系数介电常数与温

11、度有很强的非线性关系，很难用温度系数来描述温度特性。介电常数与温度呈线性关系，可以用来描述介电常数与温度的关系。49材料的介电性质、介电的物理参数、介电损耗以及电能在电场的作用下往往会转化为其他形式的能量(如热能)，即会发生电能损耗。电介质在电场作用下每单位时间消耗的电能通常称为介质损耗。介电损耗，损耗的能量与通过它的电流有关。施加电场后通过介质的总电流包括：位移电流或电容电流，由样品的几何电容充电引起，不损失能量；由各种电介质极化的建立引起的电流与弛豫极化或惯性极化、共振等有关。造成的损耗称为极化损耗；由介质电导(泄漏电导)引起的电流，与自由电荷有关，称为电导损失。51、介质损耗、电导(或漏

12、电)损耗、缺陷的存在，产生带弱束缚的带电粒子。在外部电场的作用下，带电粒子沿平行于电场的方向穿过电极。本质上，它相当于交流和DC电流流经电阻做功。在DC或交流电场的作用下，所有实际工程介质材料都会发生泄漏损耗。52，由各种电介质极化的建立引起的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般指弛豫型。结论：当外加电场的频率很低，即0时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大而不引起损耗；当外加电场的频率逐渐增加时，弛豫极化不能跟上外加电场从某一频率开始的变化。此时，弛豫极化对介电常数的贡献随着频率的增加而显著降低，同时出现介电损耗。那时，损失达到最大；当外部电场的频率非

13、常高时，弛豫极化太晚而不能建立，这对电介质没有贡献当固体绝缘体含有孔隙时，由于气体的耐压能力一般低于正常情况下的固体绝缘体，且介电常数也小于固体绝缘体，介质中的孔隙必须尽可能减少。54，2)高频和低温下的结构损耗，这与介质内部结构的紧密性密切相关。实验表明，致密晶体或玻璃体的结构损失很小。一般材料，在高温和低频下，主要遭受导电性损失；在常温和高频下，主要是弛豫极化损耗；主要是高频和低温时的结构损失。材料的介电损耗，电场中55，1介质的损伤，介质的击穿：当外加电场强度超过某一临界值时，介质从介电状态变为导电状态的现象。相应的临界电场强度。热击穿和热击穿的本质：电场中的介质由于介质损耗而被加热；当

14、施加的电压足够高时，散热和加热将从平衡状态变为非平衡状态，并且介质的温度将变得越来越高，直到发生永久损坏。电介质强度，56，电击穿，57，电介质材料的类型是什么？气体电介质、液体电介质、固体电介质、无机电介质、有机电介质、低电介质器件陶瓷、高电介质电容器、单片电容器、陶瓷铁电陶瓷、压电和电光陶瓷、微波电介质陶瓷、玻璃电介质、58、低电介质器件陶瓷、用于绝缘陶瓷器件部件的陶瓷材料、电子技术、微电子技术和光电子技术中的陶瓷衬底和多层陶瓷封装。陶瓷基板、电子陶瓷部件、59、应用：高频绝缘框架、电子管基座、电阻基板、厚膜混合集成电路基板、微波集成电路基板等。典型材料：氧化铝滑石堇青石镁橄榄石、氧化铍B

15、eO氮化铝AlN氮化硼BN透明陶瓷LTCC基板瓷、低介电器件陶瓷、60、LTCC基板、低温陶瓷共烧技术(LTCC)是一种先进的混合电路封装技术，可以将无源元件埋在基板中，将有源元件附着在基板表面，共同实现一定的功能。低介电器件陶瓷、61、飞利浦的SIP全功能蓝牙模块、环路滤波器和天线滤波器等无源元件集成在LTCC多层基板中。ST公司的三频段GSM/GPRS收发模块，将L手机的外围组件数量从80个减少到5个，封装面积减少了5倍。低介电器件陶瓷、62、FERRO公司的ULF系列粉末制成的LTCC电容器、实验室制造的NiZnCu铁氧体粉末制成的LTCC电感器、低介电器件陶瓷、63、LTCC叠层芯片低通滤波器，有效图形层为32层，三维尺寸为2.0 m 1.2 m 0.9 m，低介电器件陶瓷、64、陶瓷封装、多芯片模块MCM、MCM集成多个半导体集成电路和裸芯片，MCM的核心是多层衬底技术。多芯片组件的应用：武器系统、航天电子、高