Korkea lämmönjohtavuus BeO levy, berylliumoksidikeraaminen levy

Berylliumoksidikeramiikka-levyn kehittäminen ulkomailla alkoi 1930-luvulla, mutta sen nopea kehitysvaihe kului vuodesta 1950-luvun lopulta 1970-luvun loppuun. Berylliumoksidikeramiikka eroaa muista elektroniikkakeramiikoista. Tähän päivään asti niiden korkea lämmönjohtavuus ja alhaiset häviöt ovat vaikeasti korvattavissa muilla materiaaleilla.

Toisaalta tämä johtuu merkittävästä kysynnästä eri tieteellisissä ja teknisissä sovelluksissa, ja toisaalta siitä, että berylliumoksidi on myrkyllistä ja edellyttää tiukkoja ja vaativia suojatoimenpiteitä, maailmassa on hyvin vähän tehtaita, jotka pystyvät tuottamaan sitä turvallisesti.

Berylliumoksidi-keramiikkasubstraatit ovat keramiikkaa, jonka pääkomponentti on berylliumoksidi. Niitä käytetään pääasiassa alustoina suurille integroiduille piireille, suuritehoisille kaasulaserputkille, transistorien lämmönjohtokoteloinneille, mikroaalttojen lähtöikkunoille ja neutronien hidastimille.

Sen valmistetaan lisäämällä berylliumoksidijauheeseen ainesosia, kuten alumiinioksidia, ja sintreroimalla korkeassa lämpötilassa. Tämän tyyppisen keramiikan valmistus edellyttää asianmukaisia suojatoimenpiteitä. Kosteissa korkean lämpötilan väliaineissa berylliumoksidin haihtuvuus kasvaa, ja se alkaa haihtua 1000 °C:ssa ja nousee lämpötilan noustessa, mikä aiheuttaa tuotantovaikeuksia, ja jotkut maat eivät enää valmista sitä. Tuotteilla on kuitenkin erinomaiset ominaisuudet, ja huolimatta niiden korkeasta hinnasta, kysyntä on edelleen merkittävää.

BeO-levyn käyttö eristemateriaalina alkoi vuonna 1928, mutta vuoteen 1930 asti BeO:ta sekoitettiin pääasiassa muihin materiaaleihin fosforesoivan aineen muodossa.

Toisen maailmansodan aikana valmistettiin ensimmäiset korkeapuhdasta berylliumoksidia sisältävät keraamiset levyt. Vuonna 1946 havaittiin, että berylliumoksidi on erittäin hyvä lämmönjohtaja. Tuohon aikaan sitä käytettiin pääasiassa ydinlaitteissa. Vasta vuosien 1950 keskivaiheilla berylliumoksidia alettiin käyttää elektroniikassa, mittauslaitteissa, viestinnässä ja avaruustekniikassa.

Berylliumoksidi-substraatin sulamislämpötila vaihtelee 2530 °C:sta 2570 °C:seen, ja sen teoreettinen tiheys on 3,02 g/cm³. Sitä voidaan käyttää pitkäaikaisesti 1800 °C:ssa tyhjiössä, 2000 °C:ssa inerttikaasussa, ja se alkaa haihtua 1800 °C:ssa hapetusilmapiirissä. Berylliumoksidin keraamisten materiaalien huomattavin ominaisuus on niiden korkea lämmönjohtavuus, joka on vertailukelpoinen alumiinin kanssa ja 6–10-kertainen alumiinioksidin lämmönjohtavuuteen nähden. Se on dielektrinen materiaali, jolla on ainutlaatuiset sähköiset, lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet, eikä muita materiaaleja ole olemassa, joilla olisi vastaava laaja ominaisuusvalikoima.

Berylliumoksidi-keramiikkalevyjä arvostetaan ja niitä käytetään mikroaaltotekniikassa, tyhjiöelektroniikassa, ydinteknologiassa, mikroelektroniikassa ja optoelektroniikassa niiden korkean lämmönjohtavuuden, korkean sulamispisteen, lujuuden, korkean eristyskyvyn, alhaisen dielektrisen vakion, alhaisen dielektrisen häviön ja hyvän sopeutumiskyvyn pakkausprosesseihin. Erityisesti ne ovat olleet pääasiallisia keramiikkamateriaaleja tehokkaiden lämmönjohtavien komponenttien valmistuksessa suurtehosisissä puolijohdelaitteissa, suurtehosisissä integroiduissa piireissä, suurtehosisissä mikroaaltotyhiölaiteissa ja ydinreaktoreissa, ja niillä on tärkeä rooli sekä sotilaallisella että kansantaloudellisella alalla.

Ilmailuelektroniikan teknologian muuntopiireissä sekä lentokoneiden ja satelliittien viestintäjärjestelmissä BeO-levyjä käytetään laajalti tukirakenteisiin ja kokoonpanokomponentteihin; niillä on myös mahdollisia sovelluksia avaruusalusten elektroniikassa. BeO-keramiikalla on erittäin korkea lämpöshokin kestävyys, ja sitä voidaan käyttää suihkukoneiden sytytyslaitteissa. Metallipinnoitettuja BeO-levyjä on käytetty lentokoneiden voimalaitteiden ohjausjärjestelmissä, ja suihutettuja metallilla pinnoitettuja berylliumoksidi-linerssä on käytetty auton sytytyslaitteissa.

BeO-keramiikkalevyt omaavat erinomaisen lämmönjohtavuuden ja niiden miniatyrisointi on helppoa, mikä tarjoaa laajat sovellusmahdollisuudet laseralueella; esimerkiksi BeO-laserit ovat tehokkaampia ja tuottavat suurempaa tehoa kuin kvartsilaserit. BeO-keramiikkamateriaalien käytöllä ilmailussa, avaruustekniikassa ja sotilasvarusteissa on korvaamaton rooli, minkä vuoksi BeO:n kysyntä on kasvanut vuosi vuodelta.

Yhdysvalloissa BeO-levyn tuotanto vuosina 1990 loppupuolella oli 3–5 kertaa suurempaa kuin vuosina 1980 loppupuolella, ja sitä lisätään tällä hetkellä nopeudella 8–12 %, saavuttaen yli 200 tonnia. Muutama vuosi sitten Yhdysvaltain puolustuselektroniikan toimituskeskus esitti teollisuudelle suunnitelman kehittää suorituskykyisiä BeO-keramiikka materiaaleja ja on siitä lähtien edistynyt. Toimituskeskuksen materiaaliluettelossa berylliumoksidi-levyn asema nousee vähitellen, ja tulevina vuosina berylliumoksidi tulee olemaan ensisijainen materiaali sotilaallisissa suurtehoteho MCM-moduuleissa (monipistemoduulit).

Tekniset tiedot