صفحه BeO با هدایت حرارتی بالا، ورق سرامیکی اکسید بریلیوم

توسعه صفحه سرامیک اکسید بریلیوم در خارج از کشور از دهه 1930 آغاز شد، اما فاز توسعه سریع آن از اواخر دهه 1950 تا اواخر دهه 1970 بود. سرامیک اکسید بریلیوم با سایر سرامیک‌های الکترونیکی متفاوت است. تا کنون، ویژگی‌های هدایت حرارتی بالا و تلفات کم آن با مواد دیگر جایگزین‌شدنی نیست.

از یک سو به دلیل تقاضای قابل توجه در حوزه‌های مختلف علم و فناوری است و از سوی دیگر به این دلیل که اکسید بریلیوم سمی است و نیازمند اقدامات محافظتی سختگیرانه و چالش‌برانگیز می‌باشد، تعداد بسیار کمی از کارخانه‌ها در سراسر جهان قادر به تولید ایمن آن هستند.

زیرلایه‌های سرامیکی اکسید بریلیوم، سرامیک‌هایی هستند که دارای اکسید بریلیوم به عنوان مولفه اصلی می‌باشند. این مواد عمدتاً به عنوان زیرلایه در مدارهای مجتمع بزرگ‌مقیاس، لوله‌های لیزر گازی با توان بالا، پوسته‌های خنک‌کننده ترانزیستورها، پنجره‌های خروجی مایکروویو و کندکننده‌های نوترون استفاده می‌شوند.

این ماده با افزودن موادی مانند اکسید آلومینیوم به پودر اکسید بریلیوم و سینتر کردن در دمای بالا تولید می‌شود. تولید این نوع سرامیک مستلزم اقدامات محافظتی مناسب است. در محیط‌های دمای بالا که حاوی رطوبت هستند، فراریت اکسید بریلیوم افزایش می‌یابد و از دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد شروع به تبخیر شدن می‌کند و با افزایش دما، این پدیده بیشتر می‌شود که ایجاد مشکلاتی در تولید می‌کند و برخی کشورها دیگر این ماده را تولید نمی‌کنند. با این حال، این محصولات دارای خواص بسیار خوبی هستند و علیرغم قیمت بالای آن‌ها، تقاضای قابل توجهی برایشان وجود دارد.

استفاده از ورق BeO به عنوان ماده عایق از سال ۱۹۲۸ آغاز شد، اما تا سال ۱۹۳۰، BeO عمدتاً به صورت مخلوط با سایر مواد به عنوان ماده فسفرسانس استفاده می‌شد.

در جنگ جهانی دوم، صفحات سرامیکی اکسید بِریلیوم با خلوص بالا برای اولین بار تولید شدند. در سال 1946 کشف شد که اکسید بِریلیوم دارای هدایت حرارتی بسیار بالایی است. در آن زمان، عمدتاً در دستگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شد. تا اواسط دهه 1950 نبود که اکسید بِریلیوم در الکترونیک، ابزارهای اندازه‌گیری، مخابرات و فناوری هوافضا به کار گرفته شد.

دمای ذوب زیرلایه اکسید بِریلیوم بین 2530 درجه سانتی‌گراد تا 2570 درجه سانتی‌گراد است و چگالی نظری آن 3.02 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد. این ماده می‌تواند به‌صورت طولانی‌مدت در خلاء تا دمای 1800 درجه سانتی‌گراد، در گازهای بی‌اثر تا دمای 2000 درجه سانتی‌گراد استفاده شود و در محیط اکسیدکننده از دمای 1800 درجه سانتی‌گراد شروع به تبخیر می‌کند. برجسته‌ترین ویژگی سرامیک اکسید بِریلیوم، هدایت حرارتی بسیار بالای آن است که قابل مقایسه با آلومینیوم فلزی بوده و 6 تا 10 برابر هدایت حرارتی اکسید آلومینیوم دارد. این ماده یک عایق دی‌الکتریک با خواص منحصر به فرد الکتریکی، حرارتی و مکانیکی است و هیچ ماده دیگری چنین طیف جامعی از خواص را ارائه نمی‌دهد.

ورق‌های سرامیکی اکسید بریلیوم به دلیل هدایت حرارتی بالا، نقطه ذوب بالا، استحکام، عایقی بودن قوی، ثابت دی الکتریک پایین، تلفات دی الکتریک کم و سازگاری خوب با فرآیندهای بسته‌بندی، در زمینه‌های فناوری مایکروویو، الکترونیک خلاء، فناوری هسته‌ای، الکترونیک ریز و اپتوالکترونیک ارزشمند بوده و کاربرد دارند. به ویژه، این مواد سرامیکی به‌عنوان مواد اصلی برای ساخت مؤلفه‌های با هدایت حرارتی بالا در دستگاه‌های نیمهرسانای توان بالا، مدارهای مجتمع توان بالا، دستگاه‌های خلاء مایکروویو توان بالا و رآکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند و نقش بسیار مهمی در حوزه نظامی و اقتصاد ملی ایفا می‌کنند.

در مدارهای تبدیل فناوری الکترونیکی هوافضا، و همچنین در سیستم‌های ارتباطی هواپیما و ماهواره، صفحه BeO به‌طور گسترده‌ای برای براکت‌ها و قطعات مونتاژ استفاده می‌شود؛ همچنین کاربردهای بالقوه‌ای در الکترونیک فضایی دارد. سرامیک BeO مقاومت بسیار بالایی در برابر ضربه حرارتی دارد و می‌تواند در منفجرکننده‌های هواپیماهای جت استفاده شود. صفحات BeO با پوشش فلزی در سیستم‌های کنترل دستگاه‌های پیشرانه هواپیما استفاده شده‌اند و روکش‌های اکسید بریلیم فلزی پاشش‌شده در وسایل احتراق خودرو به کار رفته‌اند.

صفحات سرامیکی BeO هدایت حرارتی عالی دارند و به راحتی قابل کوچک‌سازی هستند و در زمینه لیزر چشم‌انداز گسترده‌ای دارند؛ به عنوان مثال، لیزرهای BeO نسبت به لیزرهای کوارتز کارآمدتر بوده و توان خروجی بالاتری دارند. استفاده از مواد سرامیکی BeO در تجهیزات هوافضا، فضایی و نظامی نقشی جایگزین‌ناپذیر ایفا می‌کند و بنابراین تقاضا برای BeO از سالی به سال دیگر افزایش یافته است.

در ایالات متحده، تولید ورق BeO در اواخر دهه ۱۹۹۰ حدود ۳ تا ۵ برابر نسبت به اواخر دهه ۱۹۸۰ افزایش یافته بود و در حال حاضر با نرخ ۸ تا ۱۲ درصد رشد دارد و از مرز ۲۰۰ تن فراتر رفته است. چندین سال پیش، مرکز تأمین الکترونیک دفاعی ایالات متحده طرحی را به صنعت پیشنهاد کرد تا مواد سرامیکی با عملکرد بالای BeO توسعه دهند و از آن زمان پیشرفت‌هایی حاصل شده است. وضعیت ورق اکسید بریلیوم در کاتالوگ مواد این مرکز به تدریج در حال ارتقا است و در سال‌های آینده، اکسید بریلیوم ماده ترجیحی برای ماژول‌های چند تراشه‌ای (MCM) با توان بالا در کاربردهای نظامی خواهد بود.

مشخصات فنی