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內容簡介

　　《創新材料學》和《材料學概論》作為材料學組閤教材，係統鳥瞰學科概況。《創新材料學》按10條縱綫介紹各類材料在半導體集成電路、微電子封裝、平闆顯示器（包括觸控屏和3D電視）、白光LED固體照明、化學電池、太陽電池、核能利用、能量及信號轉換、電磁屏蔽、環境保護等領域的應用，推薦作為研究生新生教材，以《材料學概論》為輔；《材料學概論》按10條橫綫討論緒論、元素周期錶、金屬、粉體、玻璃、陶瓷、聚閤物、復閤材料、磁性材料、薄膜材料，說明每一類材料從原料到成品的全過程、相關性能及應用，推薦作為本科新生入門教材，以《創新材料學》為輔。縱橫交叉，旁及上下左右，共涉及百餘個重要知識點，力圖以快捷、形象的方式把讀者領入材料學知識的浩瀚海洋。
　　這套材料學組閤教材既不是海闊天空的漫談，也不是《材料科學基礎》課程的壓縮，更不是甲、乙、丙、丁開中藥鋪。在內容上避免深、難、偏、窄、玄，強調淺、寬、新、活、鮮。在匯集大量資料的前提下，采用圖文並茂的形式，全麵且簡明扼要地介紹各類材料的新進展、新性能、新應用，力求深入淺齣，通俗易懂。韆方百計使知識新起來、動起來、活起來，做到有聲有色，栩栩如生。
　　本書可作為材料、機械、精密儀器、化工、能源、汽車、環境、微電子、計算機、物理、化學、光學等學科本科生及研究生教材，對於從事相關行業的科技工作者和工程技術人員，也具有極為難得的參考價值。

作者簡介

　　田民波，男，1945年12月生，研究生學曆，清華大學材料學院教授。

　　1964年8月考入清華大學工程物理係。1970年畢業留校一直任教於清華大學工程物理係、材料科學與工程係、材料學院等。1981年在工程物理係獲得改革開放後**批研究生學位。自1994年起，數十次赴日本京都大學等從事閤作研究三年以上。

　　長期從事材料科學與工程領域的教學科研工作，曾任副係主任等。承擔包括國傢自然科學基金重點項目在內的科研項目多項，在國內外刊物發錶論文120餘篇，正式齣版著作38部（其中10部在颱灣以繁體版齣版），多部被海峽兩岸選為大學本科及研究生用教材。

　　擔任大學本科及研究生課程數十門。主持並主講的《材料科學基礎》先後被評為清華大學精品課、北京市精品課，並於2007年獲得***精品課稱號。

目錄

第 1章半導體和集成電路材料

1.1 何謂集成電路（IC） 2

1.1.1 從分立元件到集成電路

1.1.2 由矽圓片到芯片再到封裝

1.1.3 三極管的功能——可以比作通過水閘的水路

1.1.4 MOS型與雙極性晶體管的比較

1.2 存儲器 IC（DRAM）和邏輯LSI的進展 4

1.2.1 半導體集成電路的功能及按規模的分類

1.2.2 從存儲器到CPU和係統 LSI（SoC）

1.2.3 存儲器IC按功能的分類

1.2.4 DRAM中電容結構的變遷和三維結構存儲單元

1.3 集成電路發明逾50年——兩人一小步，人類一大步 6

1.3.1 CMOS構造的斷麵模式圖（p型矽基闆）

1.3.2 快閃存儲器單元三極管“寫入”、“擦除”、“讀齣”的工作原理

1.3.3 集成電路發明逾半個世紀曆史迴眸

1.3.4 新器件靠材料和製程的革新而不斷進展

1.4 從矽石到金屬矽，再到 99.999999999%的高純矽 8

1.4.1 “矽是上帝賜給人類的寶物”

1.4.2 從矽石原料到半導體元器件的製程

1.4.3 從矽石還原為金屬矽

1.4.4 多晶矽的析齣和生長

1.5 從多晶矽到單晶矽棒 10

1.5.1 改良西門子法生産多晶矽

1.5.2 直拉法（Czochralski法）拉製矽單晶

1.5.3 區熔法製作單晶矽

1.5.4 拋光片、外延片和 SOI

1.6 從單晶矽棒到晶圓 12

1.6.1 先要進行取嚮標誌的加工

1.6.2 將矽坯切割成一片一片的矽圓片

1.6.3 按電阻對絕緣體、半導體、導體的分類

1.6.4 pn結中雜質的能級

1.7 從晶圓到IC（1）——氧化與擴散工藝 14

1.7.1 塗布光刻膠——製作圖形的第一步

1.7.2 曝光，顯影

1.7.3 絕緣膜的作用——絕緣、隔離、LSI的保護

1.7.4 熱氧化法——製取優良的絕緣膜

1.8 從晶圓到IC（2）——掩模與蝕刻工藝 16

1.8.1 雜質的擴散法之一——熱擴散法

1.8.2 雜質的擴散法之二——離子注入法

1.8.3 圖形加工方法之一——濕法刻蝕

1.8.4 圖形加工方法之二——乾法刻蝕

1.9 DRAM元件和邏輯LSI元件中使用的各種薄膜18

1.9.1 DRAM元件結構及使用的各種薄膜

1.9.2 邏輯LSI元件的結構和使用的各種薄膜

1.9.3 用於VLSI的薄膜種類和製作方法

1.9.4 用於VLSI製作的CVD法

1.10 IC製作中的薄膜及薄膜加工——PVD法 20

1.10.1 真空蒸鍍

1.10.2 離子濺射和濺射鍍膜

1.10.3 平麵磁控濺射

1.10.4 晶圓流程中的各種處理室方式

1.11 IC製作中的薄膜及薄膜加工——CVD法 22

1.11.1 用於VLSI製作的CVD法分類

1.11.2 CVD中主要的反應裝置

1.11.3 等離子體CVD（PCVD）過程中傳輸、反應和成膜的過程

1.11.4 離子注入原理

1.12 Cu布綫代替Al布綫 24

1.12.1 影響電子元器件壽命的大敵——電遷移

1.12.2 斷綫和電路缺陷的形成原因和預防、修補措施

1.12.3 Cu布綫代替Al布綫的理由

1.12.4 用電鍍法即可製作Cu布綫

1.13 曝光光源嚮短波長進展和乾法刻蝕代替濕法刻蝕 26

1.13.1 步進重復曝光機光源嚮短波長的進展

1.13.2 曝光波長的變遷

1.13.3 圖形曝光裝置的分類

1.13.4 乾法刻蝕裝置的種類及刻蝕特徵

1.14 光學曝光技術 28

1.14.1 薄膜圖形加工概要

1.14.2 對基闆的曝光及曝光波長的變遷

1.14.3 近接曝光和縮小投影曝光

1.14.4 曝光中的各種位相補償措施

1.15 電子束曝光和離子注入 30

1.15.1 電子束曝光

1.15.2 LEEPL（低加速電子束近接）曝光

1.15.3 離子注入裝置

1.15.4 低能離子注入和高速退火

1.16 單大馬士革和雙大馬士革工藝 32

1.16.1 大馬士革工藝即中國的景泰藍金屬鑲嵌工藝

1.16.2 Al布綫與Cu大馬士革布綫的形成方法比較

1.16.3 Cu雙大馬士革布綫的結構和形成方法

1.16.4 由大馬士革（鑲嵌）工藝在溝槽中埋置金屬製作導體布綫的實例

1.17 多層化布綫已進入第四代 34

1.17.1 第一代多層化布綫技術——逐層沉積

1.17.2 第二代多層化布綫技術——玻璃流平

1.17.3 第三代多層化布綫技術——導入CMP

1.17.4 第四代多層化布綫技術——導入大馬士革工藝

1.18 摩爾定律繼續有效 36

1.18.1 半導體器件嚮巨大化和微細化發展的兩個趨勢

1.18.2 “摩爾定律並非物理學定律”

1.18.3 “摩爾定律是描述産業化的定律”

1.18.4 “踮起腳來，跳起來摘蘋果”

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第2章微電子封裝和封裝材料

2.1 微電子封裝的定義和範疇 40

2.1.1 微電子封裝的發展過程

2.1.2 前工程和後工程，電子封裝的功能

2.1.3 電子封裝工程的範圍

2.1.4 微電子封裝的定義

2.2 電子封裝的分類 42

2.2.1 一級封裝和二級封裝

2.2.2 引綫鍵閤（WB）連接方式

2.2.3 倒裝芯片（flip chip）連接方式

2.2.4 TAB連接方式

2.3 一級封裝工藝（1）44

2.3.1 引綫鍵閤方式及連接結構

2.3.2 金絲引綫鍵閤的工藝過程

2.3.3 倒裝芯片（flip-chip）凸點形成方法

2.3.4 利用FCB的連接方法

2.4 一級封裝工藝（2）46

2.4.1 TAB中的內側引綫鍵閤（ILB）和外側引綫鍵閤（OLB）

2.4.2 采用TAB的IC封裝組裝（TBGA）

2.4.3 藉由ACP/ACF粘結實現的COF模式

2.4.4 采用FCB的IC封裝組裝（FCBGA）

2.5 傳遞模注封裝和環氧塑封料（EMC）48

2.5.1 DIP型陶瓷封裝的結構

2.5.2 球柵陣列封裝（BGA）的結構

2.5.3 傳遞模注塑封工藝流程

2.5.4 環氧塑封料（EMC）及各種組分的效果

2.6 從半導體二級封裝看電子封裝技術的變遷 50

2.6.1 半導體封裝外部形狀的變遷

2.6.2 LSI封裝按與印製綫路闆安裝（連接）方式的變遷

2.7 三維（3D）封裝 52

2.7.1 何謂三維封裝？

2.7.2 芯片疊層的三維封裝

2.7.3 封裝疊層的三維封裝

2.7.4 矽圓片疊層的三維封裝

2.8 絲網印刷及在電子封裝中的應用 54

2.8.1 電路圖形（pattern）的各種形成方法

2.8.2 印刷圖形的各種不同方法

2.8.3 絲網漏印網版構成及絲網印刷工藝

2.8.4 絲網印刷電子漿料及製作工藝

2.9 高密度封裝對封裝材料的要求 56

2.9.1 倒裝芯片（FC）封裝的結構

2.9.2 倒裝芯片封裝結構中采用的各種新材料

2.9.3 按絕緣（介質）材料對電子基闆的分類

2.9.4 不同介質材料介電常數、熱導率、熱膨脹係數高低的比較

2.10 印製綫路闆（PCB）技術的最新動嚮 58

2.10.1 對印製綫路闆的要求

2.10.2 高密度化的發展方嚮

2.10.3 積層式印製綫路闆的結構及製作工藝

2.11 印製綫路闆的交流特性 60

2.11.1 印製綫路闆的交流特性（1）——特性阻抗

2.11.2 印製綫路闆的交流特性（2）——集膚效應

2.11.3 印製綫路闆的交流特性（3）——高頻信號的延遲與失真

2.11.4 印製綫路闆的交流特性（4）——交叉噪聲（串擾）

2.12 印製綫路闆用材料 62

2.12.1 作為基材的玻璃布

2.12.2 熱固性樹脂材料（1）——酚醛樹脂和環氧樹脂

2.12.3 熱固性樹脂材料（2）——聚酰亞胺、BT樹脂和 A-PPE樹脂

2.12.4 熱塑性樹脂材料

2.13 電解銅箔和壓延銅箔 64

2.13.1 電解銅箔的製作工藝

2.13.2 壓延銅箔的製作工藝

2.13.3 銅箔的錶麵處理工程

2.13.4 電解銅箔和壓延銅箔各有長短，分彆適用於不同領域

2.14 積層式印製綫路闆（1）66

2.14.1 積層法印製綫路闆（built-up PCB）的模式圖及斷麵照片

2.14.2 樹脂覆銅箔（RCC）方式

2.14.3 熱固性樹脂方式

2.14.4 感光性樹脂方式

2.15 積層式印製綫路闆（2）68

2.15.1 ALIVH方式

2.15.2 B2it方式

2.15.3 轉印法實現多層積層的工藝過程

2.15.4 積層法中多層間的連接方式

2.16 撓性基闆（FPC）70

2.16.1 三層法和兩層法撓性基闆

2.16.2 兩層法FPC——鑄造法、濺鍍/電鍍法、疊層熱壓法製作工藝

2.16.3 連接用和補強用撓性基闆

2.16.4 用於手機和液晶電視封裝的撓性基闆

2.17 錶麵貼裝技術（SMT）及無鉛焊料 72

2.17.1 何謂SMD和SMT

2.17.2 錶徵可靠性隨時間變化的浴缸麯綫

2.17.3 貼裝器件故障分析

2.17.4 無鉛焊料的分類及其特性

2.18 無源元器件嵌入（EPD）和有源元器件嵌入（EAD）74

2.18.1 從MCM到SiP，SoC和SiP的對比

2.18.2 電子元器件內藏（嵌入）基闆的定義和分類

2.18.3 無源元器件嵌入

2.18.4 有源元器件嵌入

2.19 利用Boss B2it技術進行無源和有源元器件嵌入76

2.19.1 電子元器件內藏（嵌入）技術發展簡介

2.19.2 利用SIMPACT技術進行無源器件和有源器件的嵌入

2.19.3 利用WABE Package.技術進行無源器件和有源器件的嵌入

2.19.4 利用Boss B2it技術進行無源器件和有源器件的嵌入

2.20 半導體封裝的設計 78

2.20.1 半導體器件的分類

2.20.2 對半導體封裝的要求

2.20.3 半導體封裝設計中需要考慮的因素

2.20.4 半導體封裝的設計項目

2.21 電子封裝發展路綫圖 80

2.21.1 印製綫路闆的發展趨勢

2.21.2 微電子封裝的發展經曆和開發動嚮

2.21.3 LSI封裝的發展動嚮

2.21.4 SiP路綫圖

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第3章平闆顯示器及相關材料

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第4章半導體固體照明及相關材料

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

彩色插頁 225

第5章化學電池及電池材料

SOFC燃料電池

5.21.3 可利用煤炭的

MCFC燃料電池

5.21.4 可利用廢棄物的

PAFC燃料電池

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第6章光伏發電和太陽電池材料

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第7章核能利用和核材料

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第8章能量、信號轉換及傳感器材

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第9章電磁兼容——電磁屏蔽及RFID用材料

X射綫激光

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

第10章環境友好和環境材料

名詞術語和基本概念

思考題及練習題

參考文獻

前言/序言

　　材料一般指具有特定性質，能用於製造有用物品的物質。材料的獲得離不開人的勞動。人們在追求材料更高性價比的同時，在原料、製備、使用、迴收再利用等各個環節 ,必須考慮資源、節能、環境友好等因素。

　　最早為人類所用的材料，比如石塊、木棒、陶罐、青銅器具、鐵製武器、農具等，種類單一、形式簡單;而今天的汽車、飛機、計算機、平闆電視、智能手機等，無一不是各種材料的最佳集成，不僅涉及種類繁多的材料、各種材料的性能都發揮到極緻，而且處於激烈的競爭和日新月異的變化之中。

　　材料伴隨著人類社會的進步而進展。由於發展初期的粗放經營，加之近年來環境汙染的現狀，一提到材料，人們往往會聯想到鋼鐵、水泥、電解鋁、平闆玻璃、多晶矽等，給人的印象是粗放、耗能、低效、汙染，似乎與創新和高新技術相距甚遠。因此，無論對於學生還是普通民眾，必須消除對材料的誤解與偏見。

　　材料是人類一切生産和生活活動的物質基礎，是生産力的體現，被看成是人類社會進步的標誌。在人類發展的曆史長河中，材料起著舉足輕重的作用。對材料的認識和利用的能力，決定著社會的形態和人類生活的質量，曆史學傢往往用製造工具的原材料作為曆史分期的標誌。例如石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、半導體及高分子時代、復閤材料及先進功能材料時代等。一部人類文明史，從某種意義上說，也可以稱為世界材料發展史。

　　材料既古老又年輕，既普通又深奧。說“古老”，是因為它的曆史和人類社會的曆史同樣悠久；說“年輕”，是因為時至今日，它依然保持著蓬勃發展的生機；說“普通”，是因為它與每一個人的衣食住行信息相關；說“深奧”，是因為它包含著許多讓人充滿希望又充滿睏惑的難解之謎。可以毫不誇張地說，世界上的萬事萬物，就其和人類社會生存與發展關係密切的程度而言，沒有任何東西堪與“材料”相比。

　　“材料科學與工程”包括四個基本要素，即材料的成分和結構、材料的製備與加工、材料的性能和材料的應用行為。這四要素之間的密切結閤決定瞭材料科學的發展方嚮。性質是確定材料功能特性和應用的基準；組成與結構是構成任何一種材料的基礎；而材料的閤成、加工與使用性能則是其能否發展的最關鍵的環節。所以材料科學與工程既包括基礎研究和應用研究兩個方麵，同時還具有許多學科交叉的特點。

　　有人常用“一流的設備，二流的人纔，三流的管理，四流的材料”來形容某些企業。意思是說，不少新建企業“不差錢”，用大把的人民幣購進嶄新的裝備,用大把的美元從國外購進先進的關鍵設備。同一些國傢和地區的企業相比，我們後建的企業，設備普遍比它們的新，有的比它們的更先進，但同樣規模的企業，我們的效益卻望塵莫及。這樣的企業當然生産不齣一流的産品。生産不齣一流産品的企業，又如何會有一流的人員和一流的管理呢？

　　影響創新的其他原因暫且不談，單就材料而言，“巧婦難為無米之炊”，在科學發展史上，新材料的齣現促使高技術誕生的實例屢見不鮮。例如，20世紀50年代鎳基超級閤金的齣現，將材料使用溫度由原來的700℃提高到900℃，從而促成超音速飛機問世；而高溫陶瓷的齣現則促進瞭錶麵溫度高達 1000℃的航天飛機的發展。與之相似，矽、鍺、化閤物半導體材料對於計算機，熒光體材料、液晶材料、各種膜層、特殊玻璃對於顯示器，正極材料、負極材料、電解液、隔離層對於各類電池，猶如水之源、木之本。無一撇一捺，何談人字？

　　新材料是指新齣現或已在發展中的、具有傳統材料所不具備的優異性能和特殊功能的材料。新材料更新換代快、式樣多變，其製備和生産往往與新技術、新工藝緊密相連，其製備及在高技術中的應用需要更綜閤的知識和能力。每一種新材料的發現，每一項新材料技術的應用，都會給社會生産和人類的生活帶來巨大改變，把人類文明推嚮前進。材料工業始終是世界經濟的重要基礎和支柱，隨著社會的進步，材料的內容正在發生重大變化，一些新材料和相應技術正在不斷替代或局部替代傳統

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