氧化鈹陶瓷具有高導熱率、高強度、高熔點、高絕緣性、低介電常數、低介電損耗以及良好的工藝適應性等特點。在特種冶金、真空電子技術、核技術、微電子與光電子技術領域得到廣泛應用,尤其是在大功率半導體器件、集成電路、微波電真空器件及核反應堆中,氧化鈹陶瓷一直是制備高導熱元部件的主流陶瓷材料。
一、氧化鈹陶瓷的性能
BeO 晶體的晶格常數為 a=2.695?,c=4.390?,是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結構(Wurtzite)。由于 BeO 具有纖鋅礦型和強共價鍵結構,而且相對分子質量很低,因此,BeO 具有極高的熱導率。在現今使用的陶瓷材料中,室溫下 BeO 的熱導率最高,比 Al2O3陶瓷高一個數量級。

圖 氧化鈹瓷片,攝于五礦展臺
通常情況下,BeO 陶瓷的熱導率主要取決于材料的純度和致密度,純度和致密度越高其導熱性能越好。純度為 99% 以上、致密度達 99% 以上的 BeO 陶瓷室溫熱導率可達 310 W/(m·K),與金屬材料的熱導率十分相近。其禁帶寬度高達 10.6 eV,介電常數為 6.7,彈性模量為 350 GPa,抗彎強度為 200 MPa,具有良好的綜合性能。
BeO 存在一些不足:
(1) BeO 粉體具有毒性,人體大量吸入后將導致急性肺炎,長期吸入會引起慢性鈹肺病,因此在生產過程中要采用特殊防護措施;
(2) BeO 熔點為 2570±20℃,純 BeO 陶瓷的燒結溫度達 1900 ℃以上,使得其生產成本較高;
(3) 熱導率隨著溫度升高而降低,如在 0°C~ 600°C 溫度范圍內,BeO 陶瓷平均熱導率為 206.67 W/(m·K),但當溫度升高到 800°C 時,其熱導率降低為十分之一。
由于以上原因,BeO 的生產和推廣應用受到限制。雖然氧化鈹是一種有毒物質,氧化鈹粉塵和蒸汽對人體健康有害,但是只要加強防護,氧化鈹的危害是可以避免的。并且氧化鈹陶瓷基板用于混合電路制作過程是安全的。某些大功率、高頻半導體器件以及航空電子設備和衛星通訊中,為了追求高導熱和理想高頻特性,仍在采用 BeO 陶瓷基片。
二、氧化鈹陶瓷的應用
早期氧化鈹陶瓷多用于高級耐火材料,而后則擴展到原子能反應堆中,目前應用較多的是大功率電子器件,特別是半導體器件用熱沉材料,電阻基體、功率模塊和真空電子器件中行波管的夾持桿和輸出窗等。
1、大功率電子器件和集成電路
高的熱導率和低的介電常數是 BeO 陶瓷材料在電子技術領域得到廣泛應用重要原因。BeO 陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封裝件、高頻電子晶體管封裝、高電路密度的多片組件。
BeO 陶瓷還廣泛用于寬帶大功率的電子真空器件中,如行波管的輸能窗、夾持桿和降壓收集極。低的介電常數和損耗有利于獲得很好的寬頻匹配特性,同時也可減少功率損失。高的導熱率可以將大功率器件中產生的熱量及時地傳導出去,從而能夠保證器件的穩定性和可靠性。與 Al2O3 窗相比,BeO 陶瓷可以承受大得多的連續波輸出功率。例如:BeO 窗承受 263kW 的輸出功率沒有損壞,而 Al2O3 窗在 100kW 的輸出功率下即發生破裂。

圖 激光器 BeO 陶瓷部件,來源:Materion
2、核反應堆
BeO的熱中子吸收截面為0.0092x105Pa,散射截面9.8x105Pa,慢化比0.0706,擴散比0.0273,可用作原子反應堆的中子減速劑和防輻射材料。此外,BeO陶瓷高溫輻照穩定性比金屬鈹好,密度比金屬鈹大,高溫時有相當高的強度和熱導,而且,氧化鈹比金屬鈹價格便宜。這就使它更適于用作反應堆中的反射體、減速劑和彌散相燃料基體。
3、耐火材料
氧化鈹陶瓷作為耐火材料可用于加熱元件的耐火支持棒,保護屏蔽、爐襯、熱偶管以及陰極、熱子加熱基板和涂層等。氧化鈹陶瓷作為高級耐火材料最突出的優點在于抗熱震性優良。
國內外氧化鈹相關企業有美題隆(Materion)、哈薩克斯坦烏爾巴冶金廠、宜賓紅星電子、五礦鈹業、中鳴(寧德)等。
資料來源:
電子封裝陶瓷基片材料的研究進展,李婷婷,等.
氧化鈹陶瓷的應用綜述,李文芳,等.
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