פלטת BeO בעלת מוליכות תרמית גבוהה, גיליון קרמיקה של חומצת בריליום

הפיתוח של לוחות קרמיקה מאוקסיד בריליום מחוץ לארץ החל בשנות ה-30, אך התקופה של התפתחות מהירה הייתה מסוף שנות ה-50 עד סוף שנות ה-70. קרמיקה מאוקסיד בריליום שונה מקерמיות אלקטרוניות אחרות. עד כה, הקושי להחליף את המוליכות התרמית הגבוהה והתכונות של איבוד נמוך בחומרים אחרים הוא גדול.

מצד אחד, זה נובע מהדרישה המשמעותית במגוון תחומי המדע והטכנולוגיה, ומצד שני, בגלל שאוקסיד הבריליום הוא חומר רעיל, הדורש אמצעי הגנה חמירים וקשים, ישנן מעט מאוד מפעלים בעולם שמסוגלים לייצר אותו בצורה בטוחה.

סובסטרטים קרמיים של אוקسيد ברייליום הם חומרים קרמיים שברזיליום הוא הרכיב העיקרי שלהם. הם משמשים בעיקר כסובסטרטים למעגלים משולבים בקנה מידה גדול, צינורות לייזר גזיים בעלי הספק גבוה, דפנות פליטה עבור טרנזיסטורים, חלונות פליטה למיקרוגל, וממירים נייטרוניים.

היא מותכת על ידי הוספת חומרים כגון אוקسيد אלומיניום לאבקת אוקسيد בריליום ושריפה בטמפרטורות גבוהות. ייצור של סוג זה של חומר קרמי דורש אמצעי הגנה מתאימים. בתווכים בעלי טמפרטורה גבוהה שמכילים לחות, נדידות של אוקسيد בריליום עולה, והיא מתחילה להתנדף ב-1000° צלזיוס ועולה ככל שהטמפרטורה עולה, מה שמייצר קשיים בייצור, ובחלק מהמדינות כבר לא מייצרים אותו. עם זאת, למוצרים יש תכונות מצוינות, ובשל מחירם הגבוה הם עדיין пользות בביקוש גדול.

השימוש בלוחות BeO כחומר מבודד החל בשנת 1928, אך רק עד 1930, BeO השתמש בעיקר במיקס עם חומרים אחרים כחומר פלורסצנטי.

במהלך מלחמת העולם השנייה יוצרו לוחות קרמיקה מבריליה בעלת ניקיון גבוה. בשנת 1946 התגלה שתחמוצת הבריליום היא חומר בעל מוליכות תרמית גבוהה במיוחד. באותו זמן, נעשה בו שימוש בעיקר במכשירים גרעיניים. רק באמצע שנות ה-50 של המאה העשרים החלה תחמוצת הבריליום להיות מיושמת באלקטרוניקה, מכשירי מדידה, תקשורת וטכנולוגיית חלל.

טווח טמפרטורת ההיתוך של תחתית תחמוצת הבריליום הוא בין 2530°C ל-2570°C, עם צפיפות תיאורטית של 3.02 גרם/סמ"ק. ניתן להשתמש בו לאורך זמן בטמפרטורה של 1800°C בסביבה של ואקום, 2000°C בגases אינרטים, והוא מתחיל להתאדות בטמפרטורה של 1800°C באטמוספרה מחמצנת. התכונה המרשימה ביותר של קרמיקה מתחמוצת הבריליום היא המוליכות התרמית הגבוהה שלה, השווה למוליכות של אלומיניום מתכתי, וגדולה פי 6–10 ממוליכות התרמית של תחמוצת האלומיניום. זהו חומר דיאלקטרי בעל תכונות חשמליות, תרמיות ומיכניות ייחודיות, ואין חומר אחר שמפגין טווח מקיף כל כך של תכונות.

לקרמיקה של חומרי אוקסיד הבריליום יש ערך גבוה ויישומים בטכנולוגיה מיקרוגלית, אלקטרוניקה וואקוםית, טכנולוגיה גרעינית, מיקרואלקטרוניקה ואופטואלקטרוניקה, בזכות מוליכות תרמית גבוהה, נקודת התכה גבוהה, חוזק, בידוד גבוה, מקדם דיאלקטרי נמוך, איבוד דיאלקטרי נמוך והתאמה טובה לתהליכי אריזה. במיוחד, הם הפכו לחומרי קרמיקה דומיננטיים לייצור רכיבים בעלי מוליכות תרמית גבוהה בהתקני סמי-מוליכים בעלי הספק גבוה, מעגלים משולבים בעלי הספק גבוה, התקני מיקרוגל בעלי הספק גבוה ובמכשור גרעיני, ומשלימים תפקיד חשוב מאוד הן בשדה הצבאי והן בכלכלת המדינה.

בטכנולוגיה האלקטרונית של תעופה וחלל, במעגלי המרה וכן במערכות תקשורת של מטוסים ולוויינים, משמשת לוחית BeO באופן נרחב כרכיבי שילוב והרכבה; לה יש גם יישומים פוטנציאליים באלקטרוניקה של חלליות. לקלפי ה-BeO תכונות עמידות חריפות בפני זריקות חום, ובשל כך ניתן להשתמש בהן במופרי מטוסי קרב. נעשה שימוש בלוחות BeO עם ציפוי מתכת במערכות הבקרה של התקני דחיפה של מטוסים, וכיסויי אוקסיד בריליום מוזרקים נמצאים בשימוש במכשירי הצתה של רכב.

ללוחות קרמיקה של BeO יש מוליכות תרמית מעולה וקל למזער אותם, מה שמראה על תחזית יישום רחבה בתחום הלייזר; למשל, לייזרים של BeO יעילים יותר ובעלי עוצמת פלט גבוהה יותר מאשר לייזרים של קוורץ. השימוש בחומרי קרמיקה של BeO בתחומי האווירונאוטיקה, החלל והציוד הצבאי ממלא תפקיד שאין להחליפו, ולכן הביקוש ל-BeO גדל משנה לשנה.

בארצות הברית, ייצור של לוחות BeO בסוף שנות ה-90 של המאה העשרים היה פי 3 עד 5 ממה שהיה בסוף שנות ה-80, והוא גדל כיום בקצב של 8–12%, ועומד על יותר מ-200 טון. לפני מספר שנים, מרכז האספקה להאלקטרוניקה של המערך הציע לתעשייה תוכנית לפיתוח חומרים קרמיים מתקדמים של BeO, ובשלב זה כבר נעשו בה התקדמות. קטלוג החומרים של מרכז האספקה מציג עלייה בהדרגתיות במצבו של לוח חומר אוקסיד הבריליום, ובשנים הקרובות אוקסיד הבריליום יהפוך לחומר המועדף במודולים צבאיים בעלי הספק גבוה (MCMs).

מפרטים טכניים