ノートテキスト
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材料科學(Materials Science):綜合近代基礎科學(數學、物理、化學、生物學) 應用在工程方面(電子、機械、化工、土木、生醫)之新與科學, 主要目的在研究材料之各種性質和組成結構之關係,並配合適當之 製造和加工使用環境,得以選擇材料、改良材料,進而開發新材料 e.g. Starbuck熱咖啡杯蓋以前用PS (Polystyrene,聚苯乙烯), 只能耐70℃之高溫 ∵在80℃以上會釋出苯乙烯小分子 C=C (造成血癌之危害物) O 製程 fore-of 結構 (加工或使用) 環境 性質 ,現在熱茶或熱咖啡之杯蓋改用令之PP (Polypropylene,聚丙烯)可耐130℃之高温 C +c-c+ 若使用陶瓷杯盛熱咖啡必須用陶杯(Pottery),內含很多孔洞 隔熱良好 故杯子表面溫度不高,不會燙手。但若用瓷杯(procelain),只有少許孔洞⇒隔熱差,不適用 金属杯要盛熱咖啡,必須用双層金屈或抽真空,中間有空氣層或抽真空 <cf)單層金層杯盛熱咖啡熱傳導快∴手一定燙傷 100°C 內層金属95℃ 熱咖啡 外層金属30℃
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*開發新材料之原則:在安全,環保,經濟實用之條件下,朝輕薄短小方向發展 13 e.g. 交通工具機身部分和風力發電之風機葉片 6Fe-SPAC Alloy → CFRP 朝高強度重量比方向發展 ∵省燃料且減少空氣或水之摩擦⇒速度快 steel 鋁合金 Carbon Fiber 鋼鉄 ~50% CFRP Reinforce Plastics 碳纖維複合塑膠 20% #T可省10%~20%燃料 空中巴士A350 (dream liner, 夢幻飛機),機身含有一 波音787 15% 1³ Al 15% steel ⇒機身輕,更重要的是機艙內濕度可調高至30%以上,氣壓也可增至o.datm HD (∵∵鋼鉄含量大減,不易在20) 調高時發生腐蝕氧化,即鉄生鏽) 3C產品之手機,平板,Notebook也是朝輕薄短小方向發展(必須考慮實用性) 13 e.g.手機面板要>5吋,才有實用價值 #2 £ *Fe → "Mg & "Alè Alloy →"C
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*人類歷史就是材料組成元素發展史 距今10000年 6000年 5000年 2500年 石器時代 陶器時代→銅器時代→春秋戰國→西元後 40 29 56 82pb 5b Ba Ź H° Zr 9° Z n 19 Cu *Fe 22 插入人体可相容之元素 氧化物礦物 顏料 24 2℃r 不銹鋼之主要元素 作為滅火劑 彩陶 釉藥 Mg "Al → mg 3AQ 手機、平板, Notebook → ℃ 鑽石,石墨,碳纖維,奈米碳管 之金屈機殼 未來之超級電腦 14 Si 主要之元素半導体 5B、NBN耐極高溫 可作成< 立方晶系,類似鑽石硬度 六方晶系,類似石墨, 極佳之高溫潤滑劑(脫模) →'H燃料電池之陽極元素
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1940 1960 真空管 電晶体 * 電腦半導体元件(二極體、電晶体)之尺寸,也是朝輕薄短小方向發展 1965問世 10~100 1970 指甲大小已可塞入 100~1000 ~10000 10~10000個電晶体 cm (拳頭大小)(手指大小) cm cm² SSI MSI LSI SSI (Small Scale Integrated Circule) MSI (Medium Scale Integrated Circale) LSI (Large Scale Integrated Circale) 1970年後出現超大型積體電路> 10000 cm² -(Very large Scale Integrated Circuit, VLSI) 12 2000年後≈100㎡→2007年第一代iphone 問世100%,1個電晶体只有65mm 進入1個電晶体<100nm之奈米半導体時代 代表場效電晶體(FET) 之閘極寬度 自此以後,每隔1.5年~2年,電晶体可縮小化到原尺寸之7倍 相當於塞入之電晶體數目每1.5~2年會倍增,而使性能同時倍增,稱為Moore's law * 電路符號 寬度 Gate:控制電流或電子流之電極,為金属或半導体 sourcel Drain Substrate ≥ 16nm 之 FET用Gate length 代表電晶体尺寸 <16mm 已作成finFET,用電晶体之晶片性能取代實際尺寸,即3D FET 但排得太密也會漏電 e.g.3nm e. g. 2 nm IX F 可透過更多電流
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2007
第1代
晶片編號
年分
105 115 iphone 3G 3GS
AY
AY
2008 2009
2010
2011
iphone 4
iphone 4S
A6
2012
iphone 5
2G時代
晶片內
Speed 4G時代開始
Siri
開始使用>4吋面板
5吋LCD面板
電晶体
65mm
45nm
32nm
20nm
尺寸
進入finFET時代
A7
AB
A9
个 A10
All
A12
2013
2014
2015
2016
2017
2018
Iphone 5s
Iphone b
Iphone bs
Iphone 7
Iphone 8
XR
X
49 以後之晶片由
bs plus
台積電獨家製造 5.5吋面板
進入DLED(有機發光二極体)時代
16mm 台積電開始取代
且面板尺寸 5.8吋
14mm Samsung
10nm
7nm
A13
Aly
2020
真正之5G,應是毫米波 {
2019
6.507 Iphone 12
EBEC Imm 10mm
頻率300GHz ~ 30GHz)
XS XS, MAX
Max
開始進入5G時代
毫米波和4G之無線電波(RF)相比,
100mm(10cm)
5nm
| mm~10mm
∵波長太短波傳遞時易被粉塵微粒反射或吸收
⇒不能穿透,必須廣設基地台
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研究材料科學最終目的 process 製程 Structure 使用環境 environment *性質(property) 結構 property 性質 performance 性能 ① 物理性質(physical property):電磁、光、热、抗蝕性 ② 機械性質 (mechanical property):和力學有關之性質 強度、延性、抗衝擊性、耐疲勞性、抗潛受性 ③生醫性質,即生物相容性(biocompatability):排斥性,腫瘤,致癌,毒性 *製程(Process)可根據精密程度,分類為: 1. 傳統製程(traditional process. ①鑄造(casting):熔融液体注模後,冷卻固化後,脫膜後所得之鑄件 ②成型(forming):包括鍛造(forging),抽拉(daving),滾軋(rolling),弯曲(bending) 超過降伏強度以產生特定形狀大幅減少鋼板厚度 ③焊接(welding):有用焊料或連接(Joining):不需焊料 ④ 機械切削 (machīng or cutting) ④機械切削(machīng sol-gel method 溶膠凝膠法 ⑤壓實(Compacting) and燒結(sintering):對於高熔點金屈,尤其是高熔點陶瓷 可利用粉末冶金之方式
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液相燒結 固相燒結 粉体造粒(球型)→ 加壓成型(Compacting)→加熱至~号 利用高溫擴散消除粉体顆粒間之孔洞得到高緻密之固体(sintering) <Note> 業界在製造結構高精度,高複雜度之小型金屈,使用介於①~⑤之間之 金蛋粉体射出成型(Metal Injection Modeling, MIM) 2. 先進製程(advanced process) DCVD (Chemical Vapor Deposition Je.g. Si Cl+ 191 + 2H219) → Six + 4HClips PVD (Physical Vapor Deposition) eg. 濺度(sputtering):利用電壓高加速 Het 使He²+ 撞擊耙材,原子將會離開表面,進而沉積在基板上,形成薄膜 e.g. vacuum vapor (phase) deposition 真空氣相沉積 如Samsung 的DLED薄膜用PVD製造 熔融沉積 成型 3D列印:廉價的用ABS塑料製得,經由FDM (Fused Deposition Modeling) 或用高熔點金屈,陶瓷原料經由SLS (Selective Laser Sintering) 選擇性雷射 燒結 *使用環境(Working environment)包括: 緩慢拉伸,壓縮,弯曲,扭轉施力 O ① loading(荷重)) 非常快速施力,即衡擊(Iract) 忽高忽低之應力,即循環應力,易發生疲勞破壞
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② Temperature (溫度):同一材料在高溫下可能轉化,潛变,相变化,甚至熔化; 低溫下(低於常溫),可能發生脆性破裂 e.g. 塑膠使用溫度<Tg(glass transition temperature,玻璃轉化溫度); bcc hap 金屈或排列更差之金屈晶体,使用溫度<DBTT(Ductile to Brittle Transition Temperature) ,除了fec都有可能發生穿晶脆性破裂 ③氣氛(atmosphere):高濃度02或H20⇒金属易氧化; H2之還原氣体可避免氧化 PU環保鞋底,不穿易使水氣滲入,PU裂解 ·C=0 2+ 在NHs氣氛下,連貴重金屬eg. Cu、Ag. Au都會慢慢腐蝕→ Cu (NH3) 2t Ag (NH3). " 汁 Au(NH3)3 在海边附近,Nace 蒸氣濃度高,不宜使用“不銹鋼” e.g.304不銹鋼,Fe中含18wt% G 和8wt% Ni Cr2O3緻密保護膜 大氣中D2H2D無法滲入,但Nat ce 中的 (七)會变成 可順帶製造 0-0 (∵K大,表面引力小)E不行 F1 CX 平行板電容器 ce 多層串聯之 孔蝕(pitting) 最後穿孔 進入Crals保護膜,使其变得鬆散 St 而D2和H2D随之侵入接觸Fe +2!!!!!!! 8- H 184 +3 Fe+被H2O沿原路徑帶回至大氣中 使得CoOs緻密保護膜內之后不断腐蝕生鏽 Fe D₂ > Fett Fet 離子鍵 V 8- 偶 極 H 8+
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④ corrosion(腐蝕) 王水是用來溶解金屬鍵結 一般金屈在H+中易腐蝕 M+2H+ M²++H2变成金屈陽離子離開晶格發生腐蝕 Air St 氧化物陶瓷在叫中易腐蝕 Al2O3+20H+3H2D→ ALCOHOF SH- 8+ H 变成可溶於水之離子態,不断離開晶格點而發生腐蝕 有機高分子在有機溶劑易腐蝕eg. 丙酮可腐蝕一些油性高分子 ⑤輻射(Radiation) 使鍵振動 紅外光會被e.g. CHA.CO2等氣体吸收,造成溫室效應 微波會使含有H2D之有機食品內的H2D分子劇烈轉動,因而摩擦發熱 UV-c-type極短波長(100nm以下)之紫外光,會使核酸分子鍵被打断 ⇒細菌、病毒無法存活
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*使材料人備受重視之二大事件 (一)1912年Titanic失事-造成物理冶金學家或技師抬頭 以鉚釘連接 269m 53,3m 10.5m 1912年首航,撞到冰山使鉚釘破裂,兩鋼板滑開後海水大量注入 1只花了2hr 40min全船沉没 2224人中死亡1514人 Titanic 鋼板&鉚釘→未控制C濃度,有太多硬而脆之雪明碳鉄(Fe,C)存在 且Fe中含太高C濃度e.g高於0.3wt%,波來鉄晶粒粗大(∵熱軋後緩慢冷卻 任何bec金属,都有延性轉脆溫度,海水溫度<DBTT,衝撞到冰山時 很容易脆性破裂 DBTT取決於 ①晶粒大小 晶粒越粗大,晶界總面積越多,沒有足夠晶界阻止裂縫擴展 裂縫將快速傳遞,導致脆性破裂 ②硬而脆的顆粒數量 鋼板或鉚釘wt%C↑ FesC相第二相顆粒數目↑ ⇒越易脆性破裂(超過彈性範圍後,無法發生塑性变形)
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crack grain boundary NbC e.g. DBTT=10°C 晶粒粗大 DBTT=-10°C 晶粒細小 裂縫穿過一個晶界時,相對原平面會轉一個特定角度(215)才會繼續傳遞 越粗大晶粒,wt%C濃度越高,硬而脆之后C越多,越易脆性破裂 bcc 碳鋼 破 延性破裂 Titanic 粗晶粒 前 高卮C含量 吸 收 熊 √脆性破裂 Titanic 粗晶粒 高压C含量 溫度 海水溫度 DBTT: +10℃ -2°C~-5°C 即DBTT將越高
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若調整鉚釘,鋼板之碳濃度eg. wt%C降至0.2% 以下 將使硬而脆之FesC量大減,再利用製程使晶粒細小化,可使DBTT降至-10℃ √ 延性破裂(先弯曲才破裂) 受到重 裂前吸收. 衝 能 脆性 破裂 DBTT:-10℃↑ 溫度 海水溫度 -2°C~-5°C 為防止晶粒变粗大,加入少量(0.05wt%)之Nb金屈,會和C形成 NbC之細顆粒碳化合物而偏析在后之晶界,對企圖移動之晶界產生 drag stress 使晶界無法移動∴晶界無法成長,冷卻之常溫時仍是細晶粒 晶粒粗大可降低總表面積,Gsmt ↓,本應自然發生 NbC
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製程 熱軋溫度高 eg. 900℃ 且熱軋後冷卻速率緩慢 結構)容易使晶粒成長過於粗大 bec à Fe wt%C太高 且晶粒太粗e.g0.3% 環境 wt% C=0.2% 海水溫度 -2℃~-5℃ 且晶粒细小化 性質 DBTT過高eg.+10℃ 低於 DBTT 易發生脆性破裂 改良後 DBTT=-10℃<環境溫度 (二)1965年,Al製程之SSI,開關"on"時,很快断線,断裂面呈紫色, 被稱為紫害(purple plegue)—造成電子世界必須有材料人參與 1965年SSI問世,早期IC用AL連線,稱為Al製程 純金屈之導電度:Ag>Cu>Au=Al①便宜②導電度不錯 ↓ 地殼中含量最多之金屈 <Note>地殼中含量最多之元素: D2Si>A&
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1cm ee Q 完全密封(package)目的在隔絕H2D和D2,且耐震 Icm aga 開關 (Si太脆) 2 電晶体 Au線 大氣 IC之電子流e-電洞流片由Al傳導至Au線時, Al + →e- ht Au eht 很短時間內就會在A人端產生晶格空位 接合面 在電子電洞通過時電阻大增,局部發熱到100℃~200℃, Al Au 相當於Al断線⇒断訊⇒IC Chip毀掉⇒當機 断裂面呈紫色,此為 AleAu化合物之顏色,故稱紫害 [process] 焊接: Al和Au作接合(joining) environment Al之Tm = 660℃ 金属鍵較弱,在同一溫度 structure] Au之Tm=1064℃ 跳至速率快 A人和Au都是fcè 半徑相差不大 2 [property 有交互擴散特性 e和ht通過接合面發熱, 溫度上升至100℃以上 Al "An 若一開始使用Cu線,Gu之Tm=1089℃,就不會有嚴重交互擴散的問題
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* kirkendall effect:兩不同金属只能經由空位交互擴散, 遲早接合面左側第一排全变成空位 AX Al 繼續 AQ 交互擴散後回 Au Al ☐ Al ☐ Al Au 口交互擴散 □□□□ □ Au Al A& ARE 形成 Au □ Aw Al₂ Auz Al 金属間化合物 共價鍵⇒硬而脆 ↓ 解決之道:焊接時通入He,可填滿接合面附近之空位 ∵H2分子大小約等於Al和Au晶格空位大小,即只要通入H2 CH-HD | environment| H₂ □ □ 接合面附近所有晶格空位 Hz 。 1.432A 1.433A 全會被H2佔據 Hz Au Al Ma [process] 焊接時通入H2 structurel Al和Au都是fcc 半徑相差不大 抑制交互擴散 property Al Au
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<Note>西元2000年後,進入U(ultra) VLSI時代,1cm²可填入10~100個電晶体 IC 改用Cu製程,在大電流通過時較不會發熱,Si可維持半導体特性 但貴很多,且必須鍍上薄的擴散阻擋層e.g.TIN,防止Cu擴散至分晶格內 (iCa半徑只略大於Si半徑:很容易擴散至S;晶格內) Si Si Cu Tin Tin (離子晶格) <Note>台積電之S;半導体,頂多只能用到3nm。而2nm若仍用finFET, 則因電子具有波的特性,距離太近時,波會重疊排斥,造成訊號損失 真正3nm之2D FET 冖 Gate 3nm 2nm Gate 效能相當之3mm finFET 16mm 實際上2nm仍可用環繞式3D FET (Gate All Around, GAA) 00 Gate
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但 Inm~Å,必須改用其他材料e.g、石墨烯6℃ 152525 b 不能使用45; 1525205353P 第三週期半徑太大 或在1mm之微小空間,利用小的外加電磁場使e自旋 ⇒軌域、角動量全朝同一方向排列,產生自發磁化 現在實驗室小規模使用MoSz和Co作異質接合(晶格常數大小相似) 外加小的電磁場, Mosa Co 產生自發磁矩 ⇒記錄1bit 接合面 Inm 移除電磁場,磁矩消失(之向量和為)→記錄obit 利用此區域之内建交流磁場產生電場,驅動片和e
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<Note>若手機最外層之保護玻璃,要求更耐刮,Mohs硬度27, 觸控敏感度更佳,將不宜使用Al-Si玻璃(Mohs 硬度6.5), 雖表面作化學回火後,使玻璃表面殘留壓應力,可使Mohs硬度增至7, 但因介電常數只有4,滑動時偶有卡頓 e.g2018第6代 gorilla glass 故改用純AM2D3無色透明晶体(Mohs 硬度9),俗稱“藍寶石玻璃” (只是薄膜,又是電之絕緣體⇒一定很透明) (摻雜微量雜質會呈藍色) | Mohs scale|密度|折射率介電常數(K)/價格 藍寶石玻璃(Sapphire glass) 純A&D 透明晶体 9 cm 14.00 1.77 10 含AX+3之矽氧玻璃SiD4+ (gorilla glass) 4 便宜 7265號 1.5 1、耐刮(Mohs scale大)且耐摔(∵有晶界阻止裂縫擴展) 2. "A1-D 離子鍵強,相同體積內原子較多⇒密度大 #Si-90 共價鍵弱 3. 折射率大之缺點:玻璃表面反射光强,會產生眩光 4、介電常數較大,對於電容觸控手機,觸控敏感度較佳
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*材料之結構,由最細微到最巨觀,可分為4個層次 1. 原子的結構和鍵結 許多原子在空間排列 latomic structure and bonding) 主要影響材料之物理性質(電磁光) 2、原子排列 (atomic arrangement) 可根據相鄰原子排列 是否有次序分為三類 ①無序(No order):只有鈍氣,在常溫常壓下為單原子分子氣体 ②短程有序:不屈①③e.g.鈍氣以外之多原子分子氣体 H H H H H 所有之液体,非晶質之玻璃⇒只有在共價鍵內之原子,排列有次序 104.5° 107° (H) (H) ③ 長程有序——固体(晶体) crystal 長程有序晶体 e.g. Al 原子一直作週期性重現 fcc 具有微結構(microstructure) 主要影響材料之機械性質 3. 微結構(microstructure) ① crystal structure:單晶之晶格,包括14種Bravais lattice,七大晶系及内部缺陷 e.g.對金屈而言,影響金屋機械性質,最大之因素一定是差排(dislocation) ② grain structure:研究有晶界之多晶晶粒大小、形狀及缺陷 ③ phase structure:研究多相中每一相之形狀、大小,分佈 e.g.波來鉄(Pearlite)為d-Fe和FesC板層狀交替排列 厚度比7.4:1 α-Fe Fe₂ C 晶粒工 晶粒工 晶粒了 顯微鏡觀察區域 X-Fe Fe₂C α-Fe Fe,C ........
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<Note>奈米化後的Ag,因只有表面幾顆原子而表現不出晶体結構之金屈特性 (Ag) (Ag) Ag-Ag(Agz)氣体狀態⇒绝缘体 4、巨視結構(Macrostructure):用肉眼或簡單儀器就可看到 e.g变色(Ag表面变成Ag2S黑色)、氣泡(鋼水凝固化,鋼表面出現co氣泡 弯曲(500°C之AX合金快速冷卻至常溫) Al 7 表面有雜質顆粒:Fe Feads. HeD鉄銹 Oz 表面有明顯裂縫 Al
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