1、第9 章,电子化学品,2019/3/16,1,2,3,概述,印制线路板（PCB)化学品,半导体化学品,电子 化学品,4,液晶材料,第9 章电子化学品,5,锂电池化学品,9.1 概 述,第9 章电子化学品,9.1.1,电子化学品的定义电子化学品(e l e c t r on i c chemi c a l s),也叫电子化工材料,泛指专为电子工业 配套的精细 化工材料,包括集成电路、电子元器件、印制线路板、工业及消费类整机生产 和包装用的各 种化学品及材料。电子化学品系化学、化工、材料科学、电子工程等多学 科结合的综合学科 领域。,9.1 概 述,第9 章电子化学品,9.1.2,电子化学品的特点
2、,子行业细分程度高、技术门槛高,技术密集、产品更新换代快,1,2,3,功能性强、附加值高、质量要求严,4,品种多、专用性强、专业跨度大,9.1 概 述,第9 章电子化学品,电子化学品85%以上的市场集中在美国、日本、西欧,无论从生产品种(约2万种)、数量和消费来说都是如此,但随着时间推移,这种情况已在缓慢改变。从区域上看,亚太地区包括韩国、马来西亚及我国电子工业的飞速增长,已形成了一定规模的生产和消费市场。尤其是中国,已经成为全球电子业及其化学品的主导市场。包括罗门哈斯(现陶氏)、霍尼 韦尔、三菱化学和巴斯夫等公司竞相将电子化学品业务重点放在包括中国在内的亚太地 区。中国丰富的原材料、相对低廉
3、的劳动力成本以及靠近下游需求等方面优势明显,电子 化学品 产能向国内转移已成为大势所趋。,9.1.3,电子化学品的发展概况,9.2 印制线路板（PCB)化学品,第9 章电子化学品,印制线路板(简称PCB)于1936 年诞生,美国于1943 年将该技术大量使用于军用收 音机内;自20世纪50年代中期起,PCB技术开始被广泛采用。目前,PCB板已 然成为“电子 产品之母”,其应用几乎渗透于电子产业的各个终端领域中,包括计算机、通信、消费电 子、工业控制、医疗仪器、国防军工、航天航空等诸多领域。PCB板在整机中 起着元器 件和芯片的支撑、层间互连和导通、防止焊接桥搭和维修识别等作用,其设计和制造质量
4、 直接影响到整个产品的质量和成本,甚至导致商业竞争的成败。而印制线路板的所有功能 及性能的稳定性、可靠性同印制线路板生产过程中的化学品都息息相关。,9.2.1,概述,第9 章电子化学品,9.2 印制线路板（PCB)化学品9.2.2 PCB 化学品的分类(1)印制线路板基材(2)线路成像用光致抗蚀剂和网印油墨(3)电镀用化学品(4)用于显影、蚀刻、黑化、除胶、清洗、保护、助焊等工艺的其他化学品,9.3,半导体化学品,第9 章电子化学品,半导体包括集成电路、分立器件、光电子器件和传感器等四大类,广泛应用于计算机、消 费电子、通信产品、汽车电子和工业控制等领域。半导体化学品是半导体制造和封装环 节
5、必不可少的原料,按照半导体在工艺流程的应用,可分为光刻胶及辅助原料、超净高纯 化学 品、电子气体、CMP材料、硅片(见图9-2)和硅基材料以及封装材料等几大类。,9.3.1,概述,9.3 半导体化学品,第9 章电子化学品,无机化合物半导体分二元系、三元系、四元系等。,9.3.2,半导体材料,（1）,元素半导体,（2）,无机化合物半导体,9.3 半导体化学品,第9 章电子化学品,这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排 列的晶体结构。,9.3.2,半导体材料,（3）,有机化合物半导体,（4）,非晶态与液态半导体,已知的有机化合物半导体有几十种,熟知的有萘、蒽、聚丙烯 腈、酞菁 和一些
6、芳香族化合物等,它们作为半导体尚未得到应用。,9.3,半导体化学品,第9 章电子化学品,9.3.3,半导体工艺化学品,9.3.3.1,液态化学品,在 半导体制造的湿法工艺步骤中使用了许多种液态化学品。在硅片加工厂减少使用化学 品是长期 的努力。许多液体化学品都是非常危险的,需要特殊处理和销毁手段。另外,化学品的残余不仅会 沾污硅片,还会产生蒸气通过空气扩散后沉淀在硅片表面。在硅片加工厂液态工艺用化学品主要有 以下几类:酸、碱、溶剂。液态化学品,酸,HF,HCl,H2SO4,H3PO4,HNO3,碱,NaOH,NH4OH,KOH,TMAM,溶剂,去离子水,异丙醇,三氯乙烯,丙酮,二甲苯,9.3,
7、半导体化学品,第9 章电子化学品,通用气体:对气体供应商来说就是相对简单的气体。被存放在硅片制造厂外面大型存储 罐 里,常分为惰性、还原性和氧化性三种气体。惰性 N2,Ar,He 还原性H2 氧化性O2特种气体:指供应量相对较少的气体。比通用气体更危险,是制造中所必须的材料来 源,大多 数是有害的,如HCl和Cl 2 具有腐蚀性,硅烷会发生自燃,砷化氢和磷化氢有毒,WF6 具有极 高的活性。常用特种气体有:氢化物 氟化物 酸性气体其他,9.3.3,半导体材料,9.3.3.2,气态化学品,9.4,液晶材料,第9 章电子化学品,液晶材料一般是指在一定的温度下既有液体的流动性又有晶体的各向异性的一类
8、有 机化合物,是液晶平板显示行业重要的基础材料,是生产液晶显示器(LCD)的关键性光电专 用 材料之一。LCD的结构如图9-3所示,9.4.1,概述,9.4 液晶材料,第9 章电子化学品,9.4.2,液晶的分类,9.4.2.1 溶致液晶溶致液晶是将某些有机物放在一定的溶剂中,由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶,被 称 为溶致液晶。比如:简单的脂肪酸盐、离子型和非离子型表面活性剂等。溶致液晶广泛存 在于自然界、生物体中,和生命息息相关,但在显示中尚无应用。,9.4 液晶材料,第9 章电子化学品,9.4.2,液晶的分类,9.4.2.2 热致液晶热 致液晶是由于温度变化而出现的液晶相。低温下是晶体结构
9、,高温时则变为液体,这 里 的温度用熔点(TM)和清亮点(TC)来表示。当处于熔点和清亮点的温度中间就以液晶 形 态存在。目前用于显示的液晶材料基本都是热致液晶。在热致液晶中,又根据液晶分子排 列结构分为三大类:近晶相、向列相和胆甾相。,9.4 液晶材料,第9 章电子化学品,(1)扭曲向列(Twi s t Nema t i c,TN)型液晶材料(2)超扭曲向列(Supe r TN,STN)相型液晶材料(3)薄膜晶体管(Th i n F i lm Tr ans i s t o r,TFT)显示型(4)液晶聚合物(L i qu i d Cr ys t a l Po l yme r,LCP),9.4
10、.3,液晶材料的主要分类,9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,目前我国主要生产的是用于移动电话的锂离子电池,用于笔记本电脑、摄像机和第三代移动通信设 备等的高档锂离子电池处于刚刚起步阶段,锂离子电池在我国还有极大的发展潜力。锂离子电池主要由4部分构成,即电极(正级和负极)、电解液、隔膜和包装材料。其中,包装材料和石墨负极技术相对成熟,成本占比不高。锂离子电池的核心材料主要是正极材料、负极 材 料、电解液和隔膜(见图9-4）,9.5.1,概述,9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,LCO 正极材料是由Goodenough 首次提出,并且由Sony 首先将其成功商业化。优 点是高比容量、
11、高电压、低自放电以及良好的循环性能,至今仍广泛应用。主要的缺点是 成本高、热稳定性差和高倍率和深循环的容量的快速衰减。虽然热稳 定性也在很大程度 上取决于非材料因素,例如电池设计和电池尺寸,但由于释放的氧和有机材料之间的放热 反应,LCO通常经历超过200的热失控。深循环(脱锂电位4.2V以上,意味着大约50%以 上的L i脱出)导致晶格畸变从而恶化循环性能。,9.5.2,正极材料,9.5.2.1 过渡金属氧化物,（1）,钴酸锂L iCoO2(LCO),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,LNO具有和L i CoO2 相同的晶体结构和275mAh/g的 类似理论比容量,与LCO相 比主要
12、在成本上低很多,但是LNO的问题在于Ni 2+有替代L i+的倾向,在脱嵌L i+的过 程中会堵住L i+的扩散通道。安全性和稳定性方面LNO比LCO 更容易造成热失控。另 外改性上,在高SOC条件下的热稳定性差可通过Mg 掺杂来改 善,添加少量Al 能提高其热 稳定性和电化学性能。,9.5.2,正极材料,9.5.2.1 过渡金属氧化物,（2）,镍酸锂L iNiO2(LNO),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,LMO 由于其稳定性和较低的成本优势也得到了广泛 的应用,但是其主要缺点是较 差的循环性能,原因是在L i脱出的过程中其层状结构有变为 尖晶石结构的趋势和循环过程 中Mn 的溶解
13、的不利影响。具体讲是由于Mn 3+的歧化反应形 成Mn 2+和Mn 4+,2 价 Mn 离子可以溶解在电解质中破坏负极的SEI,所有含Mn 的正极都存在这个反应。伴随着 含Mn 电极的电池老化,电解质和负极中Mn 的含量逐渐增加,石墨负极阻抗变大。在改性 方面一般采用阳离子参杂改善LMO的高温循环稳定性。,9.5.2,正极材料,9.5.2.1 过渡金属氧化物,（3）,锰酸锂L i CoMn 2O4(LMO),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,L iNi 0.8Co 0.15Al 0.05O2(NCA)目前已经被商业化应用,例如松下为Te s l a开发的动力电池。其优点在于拥有较高的比
14、容量200mAh/g和相对 LCO更 好的日历寿命。但在国内刚刚处于起步阶段。关于其失效模式在于其在高温下(40 70)由于 SEI和微裂纹的生长导致容量衰减,当然NCA这种材料从合成到电池生产对生产线的环境控制要 求极为苛刻,在国内大规模应用还需要时日,我们拭目以待。,9.5.2,正极材料,9.5.2.1 过渡金属氧化物,（4）,镍钴铝酸锂(NCA),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,NMC 是现今锂离子电池研究的一大热点,与钴酸锂相比,具有以下显著优势:成本低:由于含钴少,成本仅相当于钴酸锂的1/4 且更绿色环保。安全性好:安全工作温度可达170,而钴酸锂仅为130电池的循环使用寿
15、命延长,了45%。,另外值得一提的是与NCA类似的高Ni三元材料(L iNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O2)有更高的能 量/功率密度(能够在高Ni含量下会有更多的L i脱出而保持其结构稳定)。目前应用的常规523 和 622 体系则是为了更好地平衡安全和循环性能加入更多的Mn 和Co,9.5.2,正极材料,9.5.2.1 过渡金属氧化物,（5）,镍钴锰酸锂(NMC),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,LFP拥有良好的热稳定性和功率性能,其主要缺点是较低的电位和较差的离子导电性。对LFP 进行纳米化、碳包覆和金属掺杂是提高其性能的方法。如果不用碳包覆有纳米化的LFP,将性能较 好的
16、导电剂混合使用也同样可实现良好 的导电性。通常纳米化的LFP电极材料的低压实密度限制 了LFP电池的能量密度。其他橄 榄石结构包括L iMnPO4(LMP),比LFP提高了0.4V的平均电压,从 而提高了能量密度。此外还有L i 3V2(PO4)3(LVP)有相当高的工作电压(4.0V)和良好的容量(197mA h/g)。LVP/C纳米复合材料在5C的高倍率下也表现出95%的理论容量,低温下也表现出 比LFP好的性能。但是LVP没有大规模应用的原因主要在于:合成的成本和原材料的毒 性对环境 和人体的伤害;在高压下电解质的匹配问题。,9.5.2,正极材料,9.5.2.2 聚阴离子型化合物,（1）,磷酸铁锂L i FePO4(LFP),9.5,锂电池化学品,第9 章电子化学品,另外一种聚阴离子盐材料 LFSF,其具有 3.6V 平台和相对较高的理论比容量(151 mAh/g),而且L i FeSO4F 具有更好的离子/电子导电性,因此它基 本不需要碳涂层 或纳米化颗粒。,9.5.2,正极材料,9.5.2.2 聚阴离子型化合物,（2）,L i FeSO4F(LFSF),9.5,锂电池化学品,
