แผ่น BeO นำความร้อนสูง แผ่นเซรามิกเบริลเลียมออกไซด์

การพัฒนาแผ่นเซรามิกเบอริลเลียมออกไซด์ในต่างประเทศเริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษ 1930 แต่ช่วงที่พัฒนาอย่างรวดเร็วคือตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1950 ถึงปลายทศวรรษ 1970 เซรามิกเบอริลเลียมออกไซด์แตกต่างจากเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ชนิดอื่น ๆ จนถึงปัจจุบัน คุณสมบัติการนำความร้อนสูงและการสูญเสียพลังงานต่ำของมันยังยากที่จะถูกแทนที่ด้วยวัสดุอื่น

ในด้านหนึ่งเกิดจากความต้องการที่สูงมากในหลากหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และอีกด้านหนึ่งเนื่องจากเบอริลเลียมออกไซด์มีพิษ จึงจำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันที่เข้มงวดและท้าทาย ทำให้มีโรงงานไม่กี่แห่งทั่วโลกที่สามารถผลิตวัสดุนี้ได้อย่างปลอดภัย

เซรามิกส์ซับสเตรตออกไซด์เบอริลเลียมเป็นเซรามิกส์ที่มีเบอริลเลียมออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก โดยส่วนใหญ่ใช้เป็นซับสเตรตสำหรับวงจรอินทรีย์ขนาดใหญ่ หลอดเลเซอร์ก๊าซกำลังสูง ตัวเรือนแผ่นระบายความร้อนสำหรับทรานซิสเตอร์ หน้าต่างนำคลื่นไมโครเวฟ และสารชะลอความเร็วของนิวตรอน

ผลิตโดยการเติมส่วนผสม เช่น อลูมินา ลงในผงเบอริลเลียมออกไซด์แล้วเผาที่อุณหภูมิสูง การผลิตเซรามิกส์ชนิดนี้จำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันที่เหมาะสม ในสื่ออุณหภูมิสูงที่มีความชื้น ความสามารถในการกลายเป็นไอของเบอริลเลียมออกไซด์จะเพิ่มขึ้น เริ่มกลายเป็นไอที่อุณหภูมิ 1000°C และเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งทำให้เกิดความยากลำบากในการผลิต จึงทำให้บางประเทศเลิกผลิตไปแล้ว อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม แม้จะมีราคาสูงแต่ก็ยังคงมีความต้องการอยู่มาก

การใช้แผ่นเบอริลเลียมออกไซด์ (BeO) เป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าเริ่มขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1928 แต่จนถึงปี ค.ศ. 1930 เบอริลเลียมออกไซด์ส่วนใหญ่ยังถูกผสมกับวัสดุอื่นๆ เพื่อใช้เป็นสารเรืองแสง

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง มีการผลิตแผ่นเซรามิกเบอริลเลียมออกไซด์ความบริสุทธิ์สูงเป็นครั้งแรก ในปี ค.ศ. 1946 พบว่าเบอริลเลียมออกไซด์มีความสามารถในการนำความร้อนสูงมาก ในขณะนั้นใช้เป็นหลักในอุปกรณ์นิวเคลียร์ จนกระทั่งกลางทศวรรษ 1950 เบอริลเลียมออกไซด์จึงเริ่มถูกนำไปใช้ในอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือวัด การสื่อสาร และเทคโนโลยีการบินและอวกาศ

ช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวของซับสเตรตเบอริลเลียมออกไซด์อยู่ที่ 2530°C ถึง 2570°C โดยมีความหนาแน่นตามทฤษฎีที่ 3.02 กรัม/ซม.³ สามารถใช้งานได้ยาวนานที่อุณหภูมิ 1800°C ในสภาพสุญญากาศ และที่ 2000°C ในก๊าซเฉื่อย ส่วนในบรรยากาศที่มีการออกซิเดชันจะเริ่มระเหยที่ 1800°C คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของเซรามิกเบอริลเลียมออกไซด์คือการนำความร้อนสูง ซึ่งเทียบเท่ากับอลูมิเนียมโลหะ และสูงกว่าอลูมิเนียมออกไซด์ถึง 6-10 เท่า เป็นวัสดุไดอิเล็กตริกที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และเชิงกลที่เป็นเอกลักษณ์ โดยไม่มีวัสดุอื่นใดที่แสดงช่วงคุณสมบัติดังกล่าวอย่างครอบคลุมเท่ากัน

แผ่นเซรามิกส์ออกไซด์เบอริลเลียมได้รับความนิยมและถูกนำไปใช้ในด้านเทคโนโลยีไมโครเวฟ อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศ เทคโนโลยีนิวเคลียร์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำความร้อนสูง จุดหลอมเหลวสูง ความแข็งแรงดี ฉนวนไฟฟ้าสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ การสูญเสียพลังงานไดอิเล็กตริกต่ำ และสามารถเข้ากันได้ดีกับกระบวนการบรรจุหีบห่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซรามิกส์ชนิดนี้ได้กลายเป็นวัสดุเซรามิกส์หลักสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการการนำความร้อนสูงในอุปกรณ์กึ่งตัวนำกำลังสูง วงจรรวมกำลังสูง อุปกรณ์สุญญากาศไมโครเวฟกำลังสูง และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มีบทบาทสำคัญมากทั้งในด้านการทหารและเศรษฐกิจของชาติ

ในวงจรแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์การบินและอวกาศ รวมถึงระบบการสื่อสารของเครื่องบินและดาวเทียม พลาต BeO ถูกใช้อย่างแพร่หลายสำหรับชิ้นส่วนโครงยึดและประกอบ; นอกจากนี้ยังมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอิเล็กทรอนิกส์ของยานอวกาศ อีกทั้งเซรามิก BeO มีความต้านทานต่อการแตกจากความร้อนสูงมาก และสามารถใช้ในตัวจุดระเบิดของเครื่องบินเจ็ตได้ พลาต BeO ที่เคลือบผิวด้วยโลหะถูกใช้ในระบบควบคุมอุปกรณ์ขับเคลื่อนของเครื่องบิน ในขณะที่ซับไลเนอร์ออกไซด์เบริลเลียมที่พ่นด้วยโลหะถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์จุดระเบิดของรถยนต์

แผ่นเซรามิก BeO มีความสามารถในการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม และสามารถทำให้มีขนาดเล็กลงได้ง่าย แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวางในด้านเลเซอร์ ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ BeO มีประสิทธิภาพสูงกว่าและให้กำลังขับออกมากกว่าเลเซอร์ควอตซ์ การใช้วัสดุเซรามิก BeO ในการบินและอวกาศ อวกาศ และอุปกรณ์ทางทหาร มีบทบาทที่ไม่สามารถทดแทนได้ ดังนั้นความต้องการใช้ BeO จึงเพิ่มขึ้นทุกปี

ในสหรัฐอเมริกา การผลิตแผ่น BeO ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 สูงกว่าช่วงปลายทศวรรษ 1980 ถึง 3 ถึง 5 เท่า และปัจจุบันยังคงเพิ่มขึ้นในอัตรา 8–12% จนเกินกว่า 200 ตัน เมื่อไม่กี่ปีก่อน ศูนย์จัดหาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหารของสหรัฐฯ ได้เสนอแผนงานให้กับอุตสาหกรรมในการพัฒนาวัสดุเซรามิก BeO ประสิทธิภาพสูง และได้มีความคืบหน้ามาตั้งแต่นั้น ในแคตตาล็อกวัสดุของศูนย์จัดหานี้ สถานะของแผ่นออกไซด์เบริลเลียมกำลังเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ และในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ออกไซด์เบริลเลียมจะกลายเป็นวัสดุหลักสำหรับโมดูลหลายชิป (MCM) กำลังสูงทางการทหาร

ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิค