Hochleitfähige BeO-Platte aus Berylliumoxid-Keramik

Die Entwicklung von Berylliumoxid-Keramikplatten im Ausland begann in den 1930er Jahren, ihre rasante Entwicklungsphase erstreckte sich jedoch vom Ende der 1950er bis zum Ende der 1970er Jahre. Berylliumoxid-Keramiken unterscheiden sich von anderen elektronischen Keramiken. Bis heute sind ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und geringen Verlusteigenschaften durch andere Materialien kaum zu ersetzen.

Zum einen liegt dies an der erheblichen Nachfrage in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik, zum anderen daran, dass Berylliumoxid toxisch ist und strenge sowie anspruchsvolle Schutzmaßnahmen erfordert, weshalb es weltweit nur sehr wenige Fabriken gibt, die es sicher herstellen können.

Berylliumoxid-Keramiksubstrate sind Keramiken, deren Hauptbestandteil Berylliumoxid ist. Sie werden hauptsächlich als Substrate für großskalige integrierte Schaltungen, Hochleistungsgaslaserrohre, Kühlkörpergehäuse für Transistoren, Mikrowellen-Ausgangsfenster und Neutronenmoderatoren verwendet.

Sie wird hergestellt, indem Zusätze wie Aluminiumoxid zu Berylliumoxid-Pulver gegeben und bei hohen Temperaturen gesintert werden. Bei der Herstellung dieser Keramikart sind geeignete Schutzmaßnahmen erforderlich. In feuchten Hochtemperaturmedien steigt die Flüchtigkeit von Berylliumoxid; sie beginnt bei 1000 °C zu verdampfen und nimmt mit steigender Temperatur weiter zu, was die Produktion erschwert. Einige Länder stellen dieses Material daher nicht mehr her. Dennoch weisen die Produkte hervorragende Eigenschaften auf, weshalb trotz des hohen Preises weiterhin eine beträchtliche Nachfrage besteht.

Die Verwendung von BeO-Platten als Isoliermaterial begann 1928, bis 1930 wurde BeO jedoch hauptsächlich mit anderen Materialien als phosphoreszierende Substanz gemischt.

Während des Zweiten Weltkriegs wurden erstmals keramische Platten aus hochreinem Berylliumoxid hergestellt. 1946 wurde entdeckt, dass Berylliumoxid eine äußerst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Zu dieser Zeit wurde es hauptsächlich in nuklearen Geräten eingesetzt. Erst Mitte der 1950er Jahre begann die Anwendung von Berylliumoxid in der Elektronik, Messtechnik, Kommunikation sowie der Raumfahrttechnologie.

Der Schmelztemperaturbereich des Berylliumoxid-Substrats liegt zwischen 2530 °C und 2570 °C, bei einer theoretischen Dichte von 3,02 g/cm³. Es kann langfristig bei 1800 °C im Vakuum und bei 2000 °C in Inertgasen eingesetzt werden, während es in oxidierender Atmosphäre ab 1800 °C zu verdampfen beginnt. Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Berylliumoxid-Keramik ist ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, die mit der von metallischem Aluminium vergleichbar ist und das 6- bis 10-fache der von Aluminiumoxid beträgt. Es handelt sich um ein dielektrisches Material mit einzigartigen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften, und kein anderes Material weist ein derart umfassendes Eigenschaftsspektrum auf.

Berylliumoxid-Keramikplatten werden aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ihres hohen Schmelzpunkts, ihrer Festigkeit, hohen Isolationsfähigkeit, niedrigen Dielektrizitätskonstante, geringen dielektrischen Verluste und guten Verträglichkeit mit Verpackungsprozessen in den Bereichen Mikrowellentechnik, Vakuumelektronik, Kerntechnik, Mikroelektronik und Optoelektronik geschätzt und eingesetzt. Insbesondere haben sie sich als Standard-Keramikmaterialien für die Herstellung von bauteilen mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Leistungs-Halbleiterbauelementen, Leistungs-Integrierten Schaltungen, Hochleistungs-Mikrowellen-Vakuumgeräten und Kernreaktoren etabliert und spielen sowohl im militärischen Bereich als auch in der Volkswirtschaft eine sehr wichtige Rolle.

In der Umwandlungsschaltungstechnologie für die Luft- und Raumfahrt, sowie in Flugzeug- und Satellitenkommunikationssystemen wird BeO-Platte umfangreich für Halterungen und Baugruppenkomponenten verwendet; sie besitzt außerdem potenzielle Anwendungen in der Elektronik von Raumfahrzeugen. Berylliumoxid-Keramiken weisen eine außergewöhnlich hohe thermische Schockbeständigkeit auf und können in Zündern von Düsenflugzeugen eingesetzt werden. BeO-Platten mit Metallbeschichtungen wurden bereits in Steuersystemen von Flugzeugantriebsgeräten verwendet, und gespritzte metallisierte Berylliumoxid-Auskleidungen kamen in Zündvorrichtungen von Automobilen zum Einsatz.

BeO-Keramikplatten weisen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf und lassen sich leicht miniaturisieren, wodurch sie im Laserbereich breite Anwendungsperspektiven bieten; beispielsweise sind BeO-Laser effizienter und haben eine höhere Ausgangsleistung als Quarz-Laser. Der Einsatz von BeO-Keramikmaterialien in der Luft- und Raumfahrt, im Weltraum und in militärischer Ausrüstung spielt eine unersetzliche Rolle, weshalb die Nachfrage nach BeO von Jahr zu Jahr steigt.

In den Vereinigten Staaten betrug die Produktion von BeO-Platten in den späten 1990er Jahren das 3- bis 5-fache der späten 1980er Jahre und steigt derzeit mit einer Rate von 8–12 % auf über 200 Tonnen an. Vor mehreren Jahren schlug das Defense Electronics Supply Center der Industrie einen Plan zur Entwicklung leistungsstarker keramischer BeO-Materialien vor und hat seitdem Fortschritte erzielt. In dem Materialkatalog des Versorgungszentrums steigt der Stellenwert von Berylliumoxid-Platten kontinuierlich, und in den kommenden Jahren wird Berylliumoxid das bevorzugte Material für militärische Hochleistungs-MCMs (Mehrchipmodule) sein.

Technische Spezifikationen