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内容简介

　　《创新材料学》和《材料学概论》作为材料学组合教材，系统鸟瞰学科概况。《创新材料学》按10条纵线介绍各类材料在半导体集成电路、微电子封装、平板显示器（包括触控屏和3D电视）、白光LED固体照明、化学电池、太阳电池、核能利用、能量及信号转换、电磁屏蔽、环境保护等领域的应用，推荐作为研究生新生教材，以《材料学概论》为辅；《材料学概论》按10条横线讨论绪论、元素周期表、金属、粉体、玻璃、陶瓷、聚合物、复合材料、磁性材料、薄膜材料，说明每一类材料从原料到成品的全过程、相关性能及应用，推荐作为本科新生入门教材，以《创新材料学》为辅。纵横交叉，旁及上下左右，共涉及百余个重要知识点，力图以快捷、形象的方式把读者领入材料学知识的浩瀚海洋。
　　这套材料学组合教材既不是海阔天空的漫谈，也不是《材料科学基础》课程的压缩，更不是甲、乙、丙、丁开中药铺。在内容上避免深、难、偏、窄、玄，强调浅、宽、新、活、鲜。在汇集大量资料的前提下，采用图文并茂的形式，全面且简明扼要地介绍各类材料的新进展、新性能、新应用，力求深入浅出，通俗易懂。千方百计使知识新起来、动起来、活起来，做到有声有色，栩栩如生。
　　本书可作为材料、机械、精密仪器、化工、能源、汽车、环境、微电子、计算机、物理、化学、光学等学科本科生及研究生教材，对于从事相关行业的科技工作者和工程技术人员，也具有极为难得的参考价值。

作者简介

　　田民波，男，1945年12月生，研究生学历，清华大学材料学院教授。

　　1964年8月考入清华大学工程物理系。1970年毕业留校一直任教于清华大学工程物理系、材料科学与工程系、材料学院等。1981年在工程物理系获得改革开放后**批研究生学位。自1994年起，数十次赴日本京都大学等从事合作研究三年以上。

　　长期从事材料科学与工程领域的教学科研工作，曾任副系主任等。承担包括国家自然科学基金重点项目在内的科研项目多项，在国内外刊物发表论文120余篇，正式出版著作38部（其中10部在台湾以繁体版出版），多部被海峡两岸选为大学本科及研究生用教材。

　　担任大学本科及研究生课程数十门。主持并主讲的《材料科学基础》先后被评为清华大学精品课、北京市精品课，并于2007年获得***精品课称号。

目录

第 1章半导体和集成电路材料

1.1 何谓集成电路（IC） 2

1.1.1 从分立元件到集成电路

1.1.2 由硅圆片到芯片再到封装

1.1.3 三极管的功能——可以比作通过水闸的水路

1.1.4 MOS型与双极性晶体管的比较

1.2 存储器 IC（DRAM）和逻辑LSI的进展 4

1.2.1 半导体集成电路的功能及按规模的分类

1.2.2 从存储器到CPU和系统 LSI（SoC）

1.2.3 存储器IC按功能的分类

1.2.4 DRAM中电容结构的变迁和三维结构存储单元

1.3 集成电路发明逾50年——两人一小步，人类一大步 6

1.3.1 CMOS构造的断面模式图（p型硅基板）

1.3.2 快闪存储器单元三极管“写入”、“擦除”、“读出”的工作原理

1.3.3 集成电路发明逾半个世纪历史回眸

1.3.4 新器件靠材料和制程的革新而不断进展

1.4 从硅石到金属硅，再到 99.999999999%的高纯硅 8

1.4.1 “硅是上帝赐给人类的宝物”

1.4.2 从硅石原料到半导体元器件的制程

1.4.3 从硅石还原为金属硅

1.4.4 多晶硅的析出和生长

1.5 从多晶硅到单晶硅棒 10

1.5.1 改良西门子法生产多晶硅

1.5.2 直拉法（Czochralski法）拉制硅单晶

1.5.3 区熔法制作单晶硅

1.5.4 抛光片、外延片和 SOI

1.6 从单晶硅棒到晶圆 12

1.6.1 先要进行取向标志的加工

1.6.2 将硅坯切割成一片一片的硅圆片

1.6.3 按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类

1.6.4 pn结中杂质的能级

1.7 从晶圆到IC（1）——氧化与扩散工艺 14

1.7.1 涂布光刻胶——制作图形的第一步

1.7.2 曝光，显影

1.7.3 绝缘膜的作用——绝缘、隔离、LSI的保护

1.7.4 热氧化法——制取优良的绝缘膜

1.8 从晶圆到IC（2）——掩模与蚀刻工艺 16

1.8.1 杂质的扩散法之一——热扩散法

1.8.2 杂质的扩散法之二——离子注入法

1.8.3 图形加工方法之一——湿法刻蚀

1.8.4 图形加工方法之二——干法刻蚀

1.9 DRAM元件和逻辑LSI元件中使用的各种薄膜18

1.9.1 DRAM元件结构及使用的各种薄膜

1.9.2 逻辑LSI元件的结构和使用的各种薄膜

1.9.3 用于VLSI的薄膜种类和制作方法

1.9.4 用于VLSI制作的CVD法

1.10 IC制作中的薄膜及薄膜加工——PVD法 20

1.10.1 真空蒸镀

1.10.2 离子溅射和溅射镀膜

1.10.3 平面磁控溅射

1.10.4 晶圆流程中的各种处理室方式

1.11 IC制作中的薄膜及薄膜加工——CVD法 22

1.11.1 用于VLSI制作的CVD法分类

1.11.2 CVD中主要的反应装置

1.11.3 等离子体CVD（PCVD）过程中传输、反应和成膜的过程

1.11.4 离子注入原理

1.12 Cu布线代替Al布线 24

1.12.1 影响电子元器件寿命的大敌——电迁移

1.12.2 断线和电路缺陷的形成原因和预防、修补措施

1.12.3 Cu布线代替Al布线的理由

1.12.4 用电镀法即可制作Cu布线

1.13 曝光光源向短波长进展和干法刻蚀代替湿法刻蚀 26

1.13.1 步进重复曝光机光源向短波长的进展

1.13.2 曝光波长的变迁

1.13.3 图形曝光装置的分类

1.13.4 干法刻蚀装置的种类及刻蚀特征

1.14 光学曝光技术 28

1.14.1 薄膜图形加工概要

1.14.2 对基板的曝光及曝光波长的变迁

1.14.3 近接曝光和缩小投影曝光

1.14.4 曝光中的各种位相补偿措施

1.15 电子束曝光和离子注入 30

1.15.1 电子束曝光

1.15.2 LEEPL（低加速电子束近接）曝光

1.15.3 离子注入装置

1.15.4 低能离子注入和高速退火

1.16 单大马士革和双大马士革工艺 32

1.16.1 大马士革工艺即中国的景泰蓝金属镶嵌工艺

1.16.2 Al布线与Cu大马士革布线的形成方法比较

1.16.3 Cu双大马士革布线的结构和形成方法

1.16.4 由大马士革（镶嵌）工艺在沟槽中埋置金属制作导体布线的实例

1.17 多层化布线已进入第四代 34

1.17.1 第一代多层化布线技术——逐层沉积

1.17.2 第二代多层化布线技术——玻璃流平

1.17.3 第三代多层化布线技术——导入CMP

1.17.4 第四代多层化布线技术——导入大马士革工艺

1.18 摩尔定律继续有效 36

1.18.1 半导体器件向巨大化和微细化发展的两个趋势

1.18.2 “摩尔定律并非物理学定律”

1.18.3 “摩尔定律是描述产业化的定律”

1.18.4 “踮起脚来，跳起来摘苹果”

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第2章微电子封装和封装材料

2.1 微电子封装的定义和范畴 40

2.1.1 微电子封装的发展过程

2.1.2 前工程和后工程，电子封装的功能

2.1.3 电子封装工程的范围

2.1.4 微电子封装的定义

2.2 电子封装的分类 42

2.2.1 一级封装和二级封装

2.2.2 引线键合（WB）连接方式

2.2.3 倒装芯片（flip chip）连接方式

2.2.4 TAB连接方式

2.3 一级封装工艺（1）44

2.3.1 引线键合方式及连接结构

2.3.2 金丝引线键合的工艺过程

2.3.3 倒装芯片（flip-chip）凸点形成方法

2.3.4 利用FCB的连接方法

2.4 一级封装工艺（2）46

2.4.1 TAB中的内侧引线键合（ILB）和外侧引线键合（OLB）

2.4.2 采用TAB的IC封装组装（TBGA）

2.4.3 藉由ACP/ACF粘结实现的COF模式

2.4.4 采用FCB的IC封装组装（FCBGA）

2.5 传递模注封装和环氧塑封料（EMC）48

2.5.1 DIP型陶瓷封装的结构

2.5.2 球栅阵列封装（BGA）的结构

2.5.3 传递模注塑封工艺流程

2.5.4 环氧塑封料（EMC）及各种组分的效果

2.6 从半导体二级封装看电子封装技术的变迁 50

2.6.1 半导体封装外部形状的变迁

2.6.2 LSI封装按与印制线路板安装（连接）方式的变迁

2.7 三维（3D）封装 52

2.7.1 何谓三维封装？

2.7.2 芯片叠层的三维封装

2.7.3 封装叠层的三维封装

2.7.4 硅圆片叠层的三维封装

2.8 丝网印刷及在电子封装中的应用 54

2.8.1 电路图形（pattern）的各种形成方法

2.8.2 印刷图形的各种不同方法

2.8.3 丝网漏印网版构成及丝网印刷工艺

2.8.4 丝网印刷电子浆料及制作工艺

2.9 高密度封装对封装材料的要求 56

2.9.1 倒装芯片（FC）封装的结构

2.9.2 倒装芯片封装结构中采用的各种新材料

2.9.3 按绝缘（介质）材料对电子基板的分类

2.9.4 不同介质材料介电常数、热导率、热膨胀系数高低的比较

2.10 印制线路板（PCB）技术的最新动向 58

2.10.1 对印制线路板的要求

2.10.2 高密度化的发展方向

2.10.3 积层式印制线路板的结构及制作工艺

2.11 印制线路板的交流特性 60

2.11.1 印制线路板的交流特性（1）——特性阻抗

2.11.2 印制线路板的交流特性（2）——集肤效应

2.11.3 印制线路板的交流特性（3）——高频信号的延迟与失真

2.11.4 印制线路板的交流特性（4）——交叉噪声（串扰）

2.12 印制线路板用材料 62

2.12.1 作为基材的玻璃布

2.12.2 热固性树脂材料（1）——酚醛树脂和环氧树脂

2.12.3 热固性树脂材料（2）——聚酰亚胺、BT树脂和 A-PPE树脂

2.12.4 热塑性树脂材料

2.13 电解铜箔和压延铜箔 64

2.13.1 电解铜箔的制作工艺

2.13.2 压延铜箔的制作工艺

2.13.3 铜箔的表面处理工程

2.13.4 电解铜箔和压延铜箔各有长短，分别适用于不同领域

2.14 积层式印制线路板（1）66

2.14.1 积层法印制线路板（built-up PCB）的模式图及断面照片

2.14.2 树脂覆铜箔（RCC）方式

2.14.3 热固性树脂方式

2.14.4 感光性树脂方式

2.15 积层式印制线路板（2）68

2.15.1 ALIVH方式

2.15.2 B2it方式

2.15.3 转印法实现多层积层的工艺过程

2.15.4 积层法中多层间的连接方式

2.16 挠性基板（FPC）70

2.16.1 三层法和两层法挠性基板

2.16.2 两层法FPC——铸造法、溅镀/电镀法、叠层热压法制作工艺

2.16.3 连接用和补强用挠性基板

2.16.4 用于手机和液晶电视封装的挠性基板

2.17 表面贴装技术（SMT）及无铅焊料 72

2.17.1 何谓SMD和SMT

2.17.2 表征可靠性随时间变化的浴缸曲线

2.17.3 贴装器件故障分析

2.17.4 无铅焊料的分类及其特性

2.18 无源元器件嵌入（EPD）和有源元器件嵌入（EAD）74

2.18.1 从MCM到SiP，SoC和SiP的对比

2.18.2 电子元器件内藏（嵌入）基板的定义和分类

2.18.3 无源元器件嵌入

2.18.4 有源元器件嵌入

2.19 利用Boss B2it技术进行无源和有源元器件嵌入76

2.19.1 电子元器件内藏（嵌入）技术发展简介

2.19.2 利用SIMPACT技术进行无源器件和有源器件的嵌入

2.19.3 利用WABE Package.技术进行无源器件和有源器件的嵌入

2.19.4 利用Boss B2it技术进行无源器件和有源器件的嵌入

2.20 半导体封装的设计 78

2.20.1 半导体器件的分类

2.20.2 对半导体封装的要求

2.20.3 半导体封装设计中需要考虑的因素

2.20.4 半导体封装的设计项目

2.21 电子封装发展路线图 80

2.21.1 印制线路板的发展趋势

2.21.2 微电子封装的发展经历和开发动向

2.21.3 LSI封装的发展动向

2.21.4 SiP路线图

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第3章平板显示器及相关材料

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第4章半导体固体照明及相关材料

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

彩色插页 225

第5章化学电池及电池材料

SOFC燃料电池

5.21.3 可利用煤炭的

MCFC燃料电池

5.21.4 可利用废弃物的

PAFC燃料电池

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第6章光伏发电和太阳电池材料

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第7章核能利用和核材料

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第8章能量、信号转换及传感器材

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第9章电磁兼容——电磁屏蔽及RFID用材料

X射线激光

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

第10章环境友好和环境材料

名词术语和基本概念

思考题及练习题

参考文献

前言/序言

　　材料一般指具有特定性质，能用于制造有用物品的物质。材料的获得离不开人的劳动。人们在追求材料更高性价比的同时，在原料、制备、使用、回收再利用等各个环节 ,必须考虑资源、节能、环境友好等因素。

　　最早为人类所用的材料，比如石块、木棒、陶罐、青铜器具、铁制武器、农具等，种类单一、形式简单;而今天的汽车、飞机、计算机、平板电视、智能手机等，无一不是各种材料的最佳集成，不仅涉及种类繁多的材料、各种材料的性能都发挥到极致，而且处于激烈的竞争和日新月异的变化之中。

　　材料伴随着人类社会的进步而进展。由于发展初期的粗放经营，加之近年来环境污染的现状，一提到材料，人们往往会联想到钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃、多晶硅等，给人的印象是粗放、耗能、低效、污染，似乎与创新和高新技术相距甚远。因此，无论对于学生还是普通民众，必须消除对材料的误解与偏见。

　　材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，是生产力的体现，被看成是人类社会进步的标志。在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用。对材料的认识和利用的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，历史学家往往用制造工具的原材料作为历史分期的标志。例如石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、半导体及高分子时代、复合材料及先进功能材料时代等。一部人类文明史，从某种意义上说，也可以称为世界材料发展史。

　　材料既古老又年轻，既普通又深奥。说“古老”，是因为它的历史和人类社会的历史同样悠久；说“年轻”，是因为时至今日，它依然保持着蓬勃发展的生机；说“普通”，是因为它与每一个人的衣食住行信息相关；说“深奥”，是因为它包含着许多让人充满希望又充满困惑的难解之谜。可以毫不夸张地说，世界上的万事万物，就其和人类社会生存与发展关系密切的程度而言，没有任何东西堪与“材料”相比。

　　“材料科学与工程”包括四个基本要素，即材料的成分和结构、材料的制备与加工、材料的性能和材料的应用行为。这四要素之间的密切结合决定了材料科学的发展方向。性质是确定材料功能特性和应用的基准；组成与结构是构成任何一种材料的基础；而材料的合成、加工与使用性能则是其能否发展的最关键的环节。所以材料科学与工程既包括基础研究和应用研究两个方面，同时还具有许多学科交叉的特点。

　　有人常用“一流的设备，二流的人才，三流的管理，四流的材料”来形容某些企业。意思是说，不少新建企业“不差钱”，用大把的人民币购进崭新的装备,用大把的美元从国外购进先进的关键设备。同一些国家和地区的企业相比，我们后建的企业，设备普遍比它们的新，有的比它们的更先进，但同样规模的企业，我们的效益却望尘莫及。这样的企业当然生产不出一流的产品。生产不出一流产品的企业，又如何会有一流的人员和一流的管理呢？

　　影响创新的其他原因暂且不谈，单就材料而言，“巧妇难为无米之炊”，在科学发展史上，新材料的出现促使高技术诞生的实例屡见不鲜。例如，20世纪50年代镍基超级合金的出现，将材料使用温度由原来的700℃提高到900℃，从而促成超音速飞机问世；而高温陶瓷的出现则促进了表面温度高达 1000℃的航天飞机的发展。与之相似，硅、锗、化合物半导体材料对于计算机，荧光体材料、液晶材料、各种膜层、特殊玻璃对于显示器，正极材料、负极材料、电解液、隔离层对于各类电池，犹如水之源、木之本。无一撇一捺，何谈人字？

　　新材料是指新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料更新换代快、式样多变，其制备和生产往往与新技术、新工艺紧密相连，其制备及在高技术中的应用需要更综合的知识和能力。每一种新材料的发现，每一项新材料技术的应用，都会给社会生产和人类的生活带来巨大改变，把人类文明推向前进。材料工业始终是世界经济的重要基础和支柱，随着社会的进步，材料的内容正在发生重大变化，一些新材料和相应技术正在不断替代或局部替代传统

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