氧化铍陶瓷是以
氧化铍为主要成分的
陶瓷。主要用作
大规模集成电路基板,大功率气体激光管,
晶体管的
散热片外壳,
微波输出窗和
中子减速剂等
材料。
简介
纯氧化铍(BeO)属
立方晶系,其密度3.03g/cm3。熔点2570℃,具有很高的
导热性,几乎与紫铜
纯铝相等,
导热系数λ为200-250W/(m.K),还有很好的
抗热震性。其
介电常数6~7(0.1MHz)。
介质损耗角正切值约为
4×10-4(0.1GHz)。最大缺点是
粉末有剧毒性,且使接触伤口难于愈合。以氧化铍粉末为原料加入
氧化铝等配料经高温烧结而成。制造这种陶瓷需要良好的防护措施。氧化铍在含有水气的高温介质中,
挥发性会提高,1000℃开始挥发,并随温度升高挥发量增大,这就给生产带来困难,有些国家已不生产。但制品性能优异,虽价格较高,仍有相当大的需求量。
历史
BeO作为绝缘材料始于1928年,不过直到1930年为止,BeO主要是混以其他材料作为荧光物质使用,在
第二次世界大战期间首次制造出高纯氧化铍瓷。1946年了解到氧化铍具有极高的导热系数。并且当时主要用在原子核装置中。直到50年代中期,氧化铍在电子学、测量仪器、
通信和航天技术中出现应用。
氧化铍的熔化温度范围为2530℃~2570℃,其理论密度为3.02g/㎝3,在真空中可在1800℃下长期使用,在
惰性气体中可在2000℃下使用,在氧化气氛中1800℃才挥发。氧化铍陶瓷的最突出性能是导热系数大,与金属铝相近,是氧化铝6~10倍,是一种具有独特的电的、热的和机械性能的介质材料,没有其他任何材料显示出这样全面的综合性能。氧化铍与其他绝缘材料性能对比列于表1。
氧化铍陶瓷因其具有高导热系数、高熔度、强度、高绝缘、低电介常数、低介质损耗以及良好的封装工艺适应性等特点,在微波技术、电真空技术、核技术、微电子与光电子技术领域受到重视和应用,尤其是在大功率半导体器件、大功率集成电路、大功率微波真空器件及核反应堆中一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料,在军事领域及国民经济中起到十分重要的作用。
氧化铍陶瓷毒性
氧化铍陶瓷由于其机电特性、热特性是其他陶瓷无法比拟的,因此得到了广泛应用。特别是在一些特殊应用领域,其他陶瓷材料是不可取代的。然而,氧化铍的毒性是不可忽略的,随着世界各国对环境保护的日趋重视,氧化铍陶瓷的使用今后可能会受到一定的限制和影响。2012年,瑞典爱立信公司制定了“爱立信产品生产者延伸责任战略”。它列出了公司在生产和产品中禁止使用和限制使用物质的名单,制定了淘汰合金焊料、淘汰氧化铍陶瓷(BeO)的计划。
氮化铝陶瓷材料是有望部分取代氧化铍陶瓷应用的高导热性陶瓷材料。近年来,有关氮化铝陶瓷的研究一直很活跃,我国有不少大学和研究所从事这方面的研究工作。研究和开发主要以基板材料为中心,但也有探讨高温结构应用的研究动向。如何提高氮化铝陶瓷的
热传导率问题已在很大程度上得到解决,如何降低氮化铝陶瓷的烧结温度和改善机械性能方向还有待进一步研究。
应用
BeO陶瓷产品还是一种难熔材料。BeO陶瓷坩埚可用于熔融稀有金属和贵金属,特别是用在要求高纯金属或合金的场合下。
坩埚的工作温度可以达到2000℃。由于其高的熔融温度(约为2550℃)、高的化学稳定性(耐碱)、热稳定性和纯度,BeO陶瓷也可用来熔融铀和钚。此外,这些坩埚还成功地被用来制造银、金和铂的标准样品。BeO对于电磁辐射的高度“透明”性允许采用感应加热的方式来熔炼其中的金属样品。
在航空电子技术转换电路中以及飞机和卫星通讯系统中大量用BeO来作托架部件和装配件;在飞船电子学方面也有应用前景。利用BeO陶瓷具有特别高的耐热冲击性,可在喷气式飞机的导火管中使用。经
金属涂层的BeO板材已用于飞机驱动装置的控制系统;福特和
通用汽车公司在汽车
点火装置中使用了喷涂金属的氧化铍衬片[13]。BeO陶瓷的导热性能良好,而且易于小型化,在激光领域的应用前景广阔,如BeO激光器比石英激光器的效率高,输出功率大。
国内外氧化铍陶瓷公司简介
国内
公司是国内最早研制和生产氧化铍陶瓷的专业厂家,具有40多年的生产历史;是全国唯一军用氧化铍陶瓷定点生产商,生产的氧化铍陶瓷及其金属化系列产品,生产能力和技术水平在国内处于领先地位;近年来,从美国引进了氧化铍陶瓷基础生产技术,经过与电子科大的联合攻关,通过消化吸收进行国产化,形成了一套具有自主创新、自主知识产权的氧化铍陶瓷生产工艺技术。目前该技术已应用于国家多个“高新工程”配套项目的研制,生产的氧化铍陶瓷制品某些性能指标已接近美国标准,且部分指标已超过美国标准。
上海飞星电子
上海飞星特种陶瓷厂,地处上海市松江区李塔汇甘德路820号,是专业生产氧化铍陶瓷已有二十多年的科研及生产实践经验,积累了一定的理论和科技进步的成果,培养了相当熟练的操作员工,特别对氧化铍陶瓷精细加工,具有独特的专业技术,满足了航天航空,雷达,导弹,行波管,发射管及高科技领域等使用产品。
国外
氧化铍陶瓷在国外的研制始于二十世纪三十年代,但其快速发展阶段是在五十年代末到七十年代末。
美国是世界上氧化铍陶瓷产量最大,生产技术最高,产品性能最好的国家。
布鲁布·威尔曼公司是美国乃至世界最大的氧化铍粉料及陶瓷产品制造公司之一。该公司创建于1930年,现有职工1000余人,年销量8500万美元。主要生产纯铍金属、
铍铝合金、
铍铜合金,高品质BeO陶瓷粉料,各种99.5%BeO陶瓷产品,BeO陶瓷封装外壳。其产品广泛用于皮肤整容、白内障去除、肾结石破碎及无痛手术用激光器,以及军事国防系统。该公司在日本等其他国家和地区设有办事机构。
美国氧化铍股份有限公司始建于1956年,是研究与开发高纯度氧化铍陶瓷的先驱。六十年代初,开发出标准和通用形状BeO陶瓷产品和干压、挤制及烧结工艺技术,以满足各种不同应用的要求。在六十年代末及七十年代初期,该公司配备了精密研磨设备,并同时配置和采用了钻孔、金属化、抛光、切片等设备和技术。
现在,新更名美国氧化铍公司坐落在新泽西州,生产厂房超过35000平方英尺,公司现有职工200余人,销售额约为1100万美元。
英国古徳费罗集团,该集团从事氧化铍陶瓷产品的生产和销售,它由以下几个公司组成:
1)古徳费罗剑桥有限公司
该公司建于1946年,职工人数为500余人,年销售量约为3000万美元。
2)古徳费罗GmbH公司
该公司1989年建于德国,职工人数为200余人,年销售额为2000万美元,其氧化皮产品主要针对欧洲各国用户。
3)古徳费罗SARL(萨尔)公司
该公司于1993年建于法国,主要销售和生产BeO陶瓷及相关产品。
古徳费罗在印度、意大利、日本、韩国、西班牙以及台北设有办事处。
哈萨克斯坦,乌尔斯基金属冶炼厂(Y M 3)该厂隶属于哈萨克斯坦国家原子能股份有限公司,主要生产BeO粉料,Be金属粉、铜-铍合金、铝-铍合金、镍-铍合金等原材料,该厂生产的激光器用BeO放电管,其长度可达到1.5米。
氧化铍陶瓷和其他电子陶瓷不一样,迄今为止它的高热导和低损耗特性是其他材料难以替代的,一方面由于许多科学技术领域的大量需要,另一方面又由于氧化铍具有毒性,防护措施性当严格和困难,致使世界上能安全生产的工厂为数不多,国外有些发达的工业国家(如日本)则完全靠进口。美国是世界上BeO陶瓷产量最大,生产技术最高,产品性能最好的国家,其次是英国、哈萨克斯坦。
于BeO陶瓷材料在航空、航天及军事装备的应用中起着其他材料不可替代的作用,因此,BeO的需求正在逐年增加。美国九十年代末BeO的产量是八十年代末的3~5倍,目前正以8~12%的速度增加,其产量达到200多吨。美国国防电子供货中心几年前就向工业界提出开发高性能BeO陶瓷材料的计划。并已取得进展在该供货中心的材料单中,氧化铍的地位正在逐步提高,在今后若干年内氧化铍将是军用大功率MCM(多芯片组件)的首选材料。