集成电路材料科学与工程基础|中国科学技术大学|材料|材料科学|高分子

人类有目的地使用材料已有几万年的历史。从远古的石器时代、公元前的青铜时代和铁器时代，到 18 世纪引发工业革命的钢时代，再到 20 世纪中叶迎接信息技术革命到来的硅时代，人类社会的发展无不依赖材料的革新。材料、能源、信息被认为是现代国民经济的三大支柱。

进入 21 世纪以来，在经济全球化和社会信息化的背景下，国际制造业竞争日益激烈，对先进材料和制造技术的需求更加迫切。云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能等新兴信息技术与制造业的深度融合，正在引发对制造业研发设计、生产制造、产业形态和商业模式的深刻变革，材料革新已成为推动先进制造业发展的主要驱动力。

集成电路产业不仅是信息化社会的基石，更是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。2014 年，国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》，将集成电路产业发展上升为国家战略，明确了“十三五”期间国内集成电路产业发展的重点及目标。同年 9 月，国家集成电路产业投资基金设立，首期总金额超 1300 亿元。2018年政府工作报告提出“推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展”。集成电路产业排在实体经济第一位置，足见我国对其支持力度之大。我国集成电路产业正迈进实体经济新征程。

集成电路发展历程

集成电路技术发展(1939～2012 年)

为服务国家与地方产业和经济发展总体需求、贯彻落实《国务院关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知》，安徽大学于 2020 年初组建了“集成电路器件英才班”和“集成电路材料英才班”。“集成电路材料英才班”的专业核心课程群主要涉及集成电路材料物理、材料化学以及材料工程与工艺等。

材料科学与工程是一门通过对材料组织、结构、成分、合成、加工之间关系的了解和掌握，发现新材料、改善原有材料的多学科的交叉科学。结合集成电路材料的衬底、工艺和封装三大类特点，掌握并研究材料或构件的性能和微观组织、结构之间的关系，确立集成电路材料的成分与合成、加工之间的关系，是“集成电路材料英才班”学习材料科学与工程的重要任务。

集成电路工艺与材料框架图

目前国内外材料科学课程的内容并未成熟，针对集成电路材料的材料科学书籍十分缺乏，有的仅限材料科学和工程的基础理论；有的偏重集成电路材料工艺。我们的考虑是：将材料科学与工程的共性问题、基础理论作为研究集成电路材料的基础，针对集成电路材料的衬底、工艺和封装三大类，阐述一些关键材料性能和工艺问题。我们希望并相信，这样的体系和内容既可作为材料专业学生的教科书，也可作为从事材料和集成电路领域的科技工作者的参考书。由于知识覆盖面广，我们邀请了相关领域知名学者和企业技术人员参与编写工作。

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在材料科学与工程类课程基础上，结合当今材料专业的现状和材料人才的发展需求，以集成电路材料学科中的基础理论和工程工艺问题为主线，与相关学科和学科分支交叉，应用于集成电路材料设计、制备、成型、性能和工艺等关键问题的求解。

该书以材料科学与工程为基础，结合集成电路材料的特点，针对集成电路衬底、工艺和封装三大类材料，阐述材料关键性能和工艺问题。

内容简介

材料作为当今社会现代文明的重要支柱之一，在科技发展的今天发挥着越来越重要作用。材料科学与工程基础类课程是各高等院校材料专业的必修课和核心专业课。本书在材料科学与工程类课程基础上，结合当今材料专业的现状和材料人才的发展需求，以集成电路材料学科中的基础理论和工程工艺问题为主线，与相关学科和学科分支交叉，应用于集成电路材料设计、制备、成型、性能和工艺等关键问题的求解。本书主要介绍材料化学方面的基础知识，包括材料的组成、材料的结构、材料的性能、材料的制备与成型加工，以及集成电路衬底、工艺和封装三大类材料与制备工艺。

本书主要面向集成电路、材料科学与工程相关专业学生，以及从事材料和集成电路相关领域的科技工作者。

作者简介

孙松，男，汉族，党员。2005年于安徽大学获学士学位，2010年于中国科学技术大学获工学博士学位。2010~2013年在中国科学技术大学从事博士后研究，2013~2018年，中国科学技术大学，副研究员。2016~2017年，日本东京大学化学工程系，访问学者/客座研究员。2018年10月至今，安徽大学，副教授、教授。主要从事工业催化和化工新材料研究。获安徽省人才计划、安徽省“双创团队领军人才”支持；主持科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划等项目。

目录速览

前言

第1章　绪论　1
1.1　引言　1
1.2　材料的定义、分类及基本性质　1
1.2.1　金属材料　2
1.2.2　无机非金属材料　2
1.2.3　高分子材料　3
1.2.4　复合材料　4
1.3　材料科学与工程的研究内容　4
1.4　集成电路材料科学与工程概述　9
习题　13
第2章　材料结构基础　14
2.1　物质的组成与状态　14
2.2　材料的原子结构　14
2.2.1　基本概念　14
2.2.2　原子中的电子　15
2.3　原子间相互作用和结合　18
2.3.1　键合力与键能　18
2.3.2　主价键　20
2.3.3　次价键　22
2.3.4　分子　25
2.4　固体中原子有序　25
2.4.1　结晶体的特点与性质　25
2.4.2　晶体学基础　26
2.4.3　晶体的类型　33
2.5　固体中原子无序　42
2.5.1　固溶体　42
2.5.2　晶体结构缺陷　46
2.5.3　非晶体　51
2.5.4　扩散　57
习题　62
第3章　材料组成与结构　63
3.1　金属材料的组成与结构　63
3.1.1　金属材料　63
3.1.2　合金材料　64
3.1.3　铁碳合金　67
3.1.4　非铁金属及合金　68
3.1.5　非晶态合金　73
3.1.6　金属材料的再结晶　74
3.2　无机非金属材料的组成与结构　74
3.2.1　无机非金属材料的组成与结合键　74
3.2.2　无机非金属材料中的简单晶体结构　75
3.2.3　硅酸盐结构　77
3.2.4　陶瓷　80
3.2.5　碳化合物　82
3.2.6　无机非金属材料的非晶体结构　85
3.3　高分子材料的组成与结构　87
3.3.1　高分子材料定义及分类　87
3.3.2　高分子化合物的一级结构　88
3.3.3　高分子化合物的二级结构　94
3.3.4　高分子化合物的三级结构　96
3.3.5　高分子化合物的四级结构　98
3.3.6　聚合物共混材料　99
3.4　复合材料的组成与结构　99
3.4.1　复合材料的定义与分类　99
3.4.2　复合材料的组成　102
3.4.3　复合材料的结构与界面　109
习题　110
第4章　材料的性能　111
4.1　固体材料的力学性能　111
4.1.1　材料的弹性变形　111
4.1.2　材料的塑性变形　113
4.2　材料的热性能　115
4.2.1　晶格热振动　115
4.2.2　材料的热容　118
4.2.3　材料热膨胀　125
4.2.4　材料的导热性　130
4.3　材料的电学性能　136
4.3.1　固体电子理论　136
4.3.2　材料电导性能　142
4.3.3　材料介电性能　149
4.3.4　材料铁电性能　154
4.4　材料的磁学性能　157
4.4.1　材料的磁性　157
4.4.2　磁性材料的分类及其特点　160
4.4.3　其他磁性材料及应用　165
4.5　材料的光学性能　166
4.5.1　材料的线性光学性能　166
4.5.2　材料的非线性光学性能　171
4.6　材料的耐腐蚀性　173
4.7　复合材料的性能　174
4.7.1　功能复合材料　174
4.7.2　功能复合效应　180
4.8　纳米材料及效应　180
4.8.1　纳米材料简介　180
4.8.2　纳米材料的特性　182
习题　183
第5章　材料的制备与成型加工　185
5.1　材料的制备原理与技术基础　185
5.2　材料的成型加工性　186
5.2.1　挤出成型　186
5.2.2　注射成型　187
5.2.3　压延成型　188
5.2.4　吹塑成型　188
5.2.5　压制成型　189
5.2.6　浇铸成型　189
5.2.7　流延成型　189
5.2.8　手糊成型　190
5.2.9　喷射成型　190
5.3　典型金属材料的制备工艺　190
5.3.1　火法冶金　190
5.3.2　湿法冶金　191
5.3.3　电冶金　192
5.4　无机非金属材料的制备　193
5.5　高分子材料的制备与聚合物成型加工　195
5.5.1　本体聚合　195
5.5.2　溶液聚合　195
5.5.3　悬浮聚合　195
5.5.4　乳液聚合　196
5.5.5　聚合物的成型加工方式　196
习题　198
第6章　集成电路材料与制备工艺　199
6.1　集成电路制造工艺　199
6.2　集成电路衬底材料与工艺　201
6.2.1　半导体材料基础　201
6.2.2　衬底材料的种类　205
6.2.3　衬底材料的制备原理与加工工艺　212
6.3　集成电路工艺材料与制备工艺　215
6.3.1　光刻胶　215
6.3.2　掩模版　217
6.3.3　工艺化学品　218
6.3.4　电子气体　221
6.3.5　抛光材料　223
6.3.6　靶材　224
6.4　集成电路封装材料与工艺　226
6.4.1　集成电路封装概念与分类　226
6.4.2　集成电路封装工艺流程　233
6.4.3　厚膜与薄膜　238
6.4.4　焊接材料与工艺　247
6.4.5　封胶材料与技术　254
6.4.6　陶瓷封装　256
6.4.7　塑料封装材料与工艺　260
习题　264
参考文献　265