Płyta o wysokiej przewodności cieplnej BeO, arkusz ceramiczny z tlenku berylu

Rozwój zagranicznych płyt z ceramiki tlenkowej berylu rozpoczął się w latach 30., jednak dynamiczny okres ich rozwoju trwał od końca lat 50. do końca lat 70. Ceramika z tlenku berylu różni się od innych ceramik elektronicznych. Do dziś jej cechy, takie jak wysoka przewodność cieplna i niskie straty, trudno jest zastąpić innymi materiałami.

Z jednej strony wynika to ze znaczącego zapotrzebowania w różnych dziedzinach nauki i techniki, a z drugiej – z powodu toksyczności tlenku berylu, wymagającego surowych i trudnych środków ochronnych, na świecie istnieje bardzo niewiele fabryk zdolnych do jego bezpiecznego wytwarzania.

Podłoża ceramiczne z tlenkiem berylu to ceramika, której głównym składnikiem jest tlenek berylu. Są głównie stosowane jako podłoża dla dużych układów scalonych, wysokomocnych rur laserowych gazowych, obudów radiatorów dla tranzystorów, okienek mikrofalowych oraz moderatorów neutronów.

Otrzymuje się ją poprzez dodanie składników takich jak tlenek glinu do proszku tlenku berylu i spiekanie w wysokiej temperaturze. Produkcja tego typu ceramiki wymaga odpowiednich środków ochrony. W środowiskach o wysokiej temperaturze zawierających wilgoć, lotność tlenku berylu wzrasta – zaczyna on parować powyżej 1000°C, a jej intensywność rośnie wraz z temperaturą, co utrudnia produkcję. Dlatego niektóre kraje już go nie produkują. Jednakże właściwości produktów są doskonałe, a pomimo wysokiej ceny nadal istnieje znaczne zapotrzebowanie.

Stosowanie płyt BeO jako materiału izolacyjnego rozpoczęto w 1928 roku, lecz aż do 1930 roku tlenek berylu był głównie mieszany z innymi materiałami jako substancja fosforyzująca.

Podczas II wojny światowej po raz pierwszy wyprodukowano płyty ceramiczne z wysokoczystej tlenku berylu. W 1946 roku odkryto, że tlenek berylu ma niezwykle wysoką przewodność cieplną. W tamtym czasie był on głównie stosowany w urządzeniach jądrowych. Dopiero w połowie lat 50. zaczęto wykorzystywać tlenek berylu w elektronice, przyrządach pomiarowych, technice komunikacyjnej oraz technologii lotniczej i kosmicznej.

Zakres temperatury topnienia podłoża z tlenku berylu wynosi od 2530°C do 2570°C, a gęstość teoretyczna to 3,02 g/cm³. Można go długotrwale użytkować w temperaturze 1800°C w próżni, 2000°C w gazach obojętnych, natomiast w atmosferze utleniającej zaczyna parować już w temperaturze 1800°C. Najbardziej charakterystyczną cechą ceramiki z tlenku berylu jest jej wysoka przewodność cieplna, porównywalna z przewodnością aluminium metalicznego i 6–10 razy większa niż przewodność tlenku glinu. Jest to materiał dielektryczny o unikalnych właściwościach elektrycznych, termicznych i mechanicznych, którego żaden inny materiał nie posiada w tak kompleksowym zakresie.

Płyty ceramiczne z tlenku berylu są cenione i stosowane w technologiach mikrofalowych, elektronice próżniowej, technologii jądrowej, mikroelektronice oraz optoelektronice ze względu na wysoką przewodność cieplną, wysoką temperaturę topnienia, wytrzymałość, wysoką izolacyjność, niską stałą dielektryczną, niskie straty dielektryczne oraz dobrą kompatybilność z procesami pakowania. Szczególnie są one głównym materiałem ceramicznym wykorzystywanym do produkcji elementów o wysokiej przewodności cieplnej w półprzewodnikowych urządzeniach mocy, scalonych obwodach mocy, mikrofalowych urządzeniach próżniowych mocy oraz reaktorach jądrowych, odgrywając bardzo istotną rolę zarówno w dziedzinie militarnej, jak i w gospodarce narodowej.

W obwodach konwersji technologii elektronicznej lotniczej, a także w systemach komunikacji samolotów i satelitów, płyta BeO jest szeroko stosowana jako element wsporczy i montażowy; ma również potencjalne zastosowania w elektronice statków kosmicznych. Ceramika BeO charakteryzuje się wyjątkowo wysoką odpornością na szok termiczny i może być używana w detonatorach samolotów odrzutowych. Płyty BeO z powłokami metalowymi były stosowane w systemach sterowania urządzeń napędowych samolotów, a natryskowe metalowe wkłady z tlenku berylu zostały wykorzystane w urządzeniach zapłonowych samochodów.

Płyty z ceramiki BeO mają doskonałą przewodność cieplną i łatwo poddają się miniaturyzacji, co otwiera szerokie perspektywy zastosowań w dziedzinie laserów; na przykład lasery BeO są bardziej wydajne i osiągają większą moc wyjściową niż lasery kwarcowe. Zastosowanie materiałów ceramicznych BeO w sprzęcie lotniczym, kosmicznym i wojskowym odgrywa niezastąpioną rolę, a tym samym popyt na BeO rośnie z roku na rok.

W Stanach Zjednoczonych produkcja płyt BeO pod koniec lat 90. była od 3 do 5 razy wyższa niż pod koniec lat 80., a obecnie rośnie w tempie 8–12%, osiągając ponad 200 ton. Kilka lat temu amerykański Ośrodek Zaopatrzenia dla Przemysłu Elektronicznego Obronnego przedstawił branży plan rozwoju wysokowydajnych materiałów ceramicznych na bazie tlenku berylu, co od tamtej pory przyniosło postępy. W katalogu materiałów ośrodka pozycja płyty z tlenku berylu systematycznie się umacnia, a w nadchodzących latach tlenek berylu stanie się materiałem preferowanym w wojskowych modułach wielopowierzchniowych MCM (multi-chip modules) o dużej mocy.

Specyfikacje techniczne