一文了解氧化铍陶瓷

氧化铍陶瓷具有高导热率、高强度、高熔点、高绝缘性、低介电常数、低介电损耗以及良好的工艺适应性等特点。在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用，尤其是在大功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中，氧化铍陶瓷一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料。

一、氧化铍陶瓷的性能

BeO 晶体的晶格常数为 a=2.695Å，c=4.390Å，是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构(Wurtzite)。由于 BeO 具有纤锌矿型和强共价键结构，而且相对分子质量很低，因此，BeO 具有极高的热导率。在现今使用的陶瓷材料中，室温下 BeO 的热导率最高，比 Al2O3陶瓷高一个数量级。

图 氧化铍瓷片，摄于五矿展台

通常情况下，BeO 陶瓷的热导率主要取决于材料的纯度和致密度，纯度和致密度越高其导热性能越好。纯度为 99% 以上、致密度达 99% 以上的 BeO 陶瓷室温热导率可达 310 W/(m·K)，与金属材料的热导率十分相近。其禁带宽度高达 10.6 eV，介电常数为 6.7，弹性模量为 350 GPa，抗弯强度为 200 MPa，具有良好的综合性能。

BeO 存在一些不足：

(1) BeO 粉体具有毒性，人体大量吸入后将导致急性肺炎，长期吸入会引起慢性铍肺病，因此在生产过程中要采用特殊防护措施；

(2) BeO 熔点为 2570±20℃，纯 BeO 陶瓷的烧结温度达 1900 ℃以上，使得其生产成本较高；

(3) 热导率随着温度升高而降低，如在 0°C~ 600°C 温度范围内，BeO 陶瓷平均热导率为 206.67 W/(m·K)，但当温度升高到 800°C 时，其热导率降低为十分之一。

由于以上原因，BeO 的生产和推广应用受到限制。虽然氧化铍是一种有毒物质，氧化铍粉尘和蒸汽对人体健康有害，但是只要加强防护，氧化铍的危害是可以避免的。并且氧化铍陶瓷基板用于混合电路制作过程是安全的。某些大功率、高频半导体器件以及航空电子设备和卫星通讯中，为了追求高导热和理想高频特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。

二、氧化铍陶瓷的应用

早期氧化铍陶瓷多用于高级耐火材料，而后则扩展到原子能反应堆中，目前应用较多的是大功率电子器件，特别是半导体器件用热沉材料，电阻基体、功率模块和真空电子器件中行波管的夹持杆和输出窗等。

1、大功率电子器件和集成电路

高的热导率和低的介电常数是 BeO 陶瓷材料在电子技术领域得到广泛应用重要原因。BeO 陶瓷目前已用于高性能、高功率微波封装件、高频电子晶体管封装、高电路密度的多片组件。

BeO 陶瓷还广泛用于宽带大功率的电子真空器件中，如行波管的输能窗、夹持杆和降压收集极。低的介电常数和损耗有利于获得很好的宽频匹配特性，同时也可减少功率损失。高的导热率可以将大功率器件中产生的热量及时地传导出去，从而能够保证器件的稳定性和可靠性。与 Al2O3 窗相比，BeO 陶瓷可以承受大得多的连续波输出功率。例如：BeO 窗承受 263kW 的输出功率没有损坏，而 Al2O3 窗在 100kW 的输出功率下即发生破裂。

图 激光器 BeO 陶瓷部件，来源：Materion

2、核反应堆

BeO的热中子吸收截面为0.0092x105Pa，散射截面9.8x105Pa，慢化比0.0706，扩散比0.0273，可用作原子反应堆的中子减速剂和防辐射材料。此外，BeO陶瓷高温辐照稳定性比金属铍好，密度比金属铍大，高温时有相当高的强度和热导，而且，氧化铍比金属铍价格便宜。这就使它更适于用作反应堆中的反射体、减速剂和弥散相燃料基体。

3、耐火材料

氧化铍陶瓷作为耐火材料可用于加热元件的耐火支持棒，保护屏蔽、炉衬、热偶管以及阴极、热子加热基板和涂层等。氧化铍陶瓷作为高级耐火材料最突出的优点在于抗热震性优良。

国内外氧化铍相关企业有美题隆（Materion）、哈萨克斯坦乌尔巴冶金厂、宜宾红星电子、五矿铍业、中鸣（宁德）等。

资料来源：

电子封装陶瓷基片材料的研究进展，李婷婷,等.

氧化铍陶瓷的应用综述，李文芳,等.

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：一文了解氧化铍陶瓷