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功率晶体管封装无法避免商业RF和微波市场面临的成本压力。RF功率晶体管供应商一直在寻求传统绝缘材料(如陶瓷，包括BeO)的替代材料。但BeO的特性出众，一直是频率高达4 GHz下最大功率级选择的材料，特别是在要求苛刻的军用和航天脉冲功率应用中。
BeO在室温下热传导率(TC)约为285 W/mK，是一种关键的绝缘材料。在绝缘材料中，这种热传导率除逊于钻石(热传导率高达1800 W/mK)外，可与任何其他材料相匹敌。与BeO最接近的竞争材料是氮化铝(AlN)，其热传导率约为185 W/mK，广泛应用的氧化铝(Al2O3)的热传导率只能达到25 W/mK。在热管理和电气隔离特性很重要的应用中，RF功率晶体管封装主要选用BeO就不足为奇了(见图1)。 除热传导率之外，BeO的热膨胀系数(TCE)为6.3 PPM/°C，位于硅(为3.3 PPM/°C)和砷化镓(5.8 PPM/°C)的之间。BeO的TCE与其它金属基复合材料(MMC)(如Cu/W、Cu/Mo和Al/SiC)也可相比。在其他相关领域，如电气阻抗和电介质强度方面，BeO的电气特性比AlN好，性能与氧化铝类似。BeO的介电常数低，为6.7，1 MHz下损失正切低，为0.0012，非常适合高频应用。BeO除具有这些特性之外，在氧化环境下也具有固有稳定性，相比较而言，氮化物(如AlN)与氧化物相比，随时间变化，容易分解(见表)。 由于氧化铍为氧化陶瓷，BeO成分在含氧/湿气环境下十分稳定。陶瓷与金属间的接合点及金属涂层强度通常很高并且非常可靠，在设计高可靠性军用系统中很重要。此外，BeO的抗热冲击性能大约为氧化铝的11倍。 与其它陶瓷材料一样，BeO的热传导率也随温度的升高而降低，相比较而言，金属的热传导率随温度的升高而恶化的程度要小。因此，使用BeO和金属混合薄膜证明对射频功率封装很有效。在RF功率晶体管工作的温度范围，BeO的散热性能也比AlN好30%。即使在低温条件下，氧化铍也优于其它任何陶瓷材料。 器件或子系统的散热能力对产品使用寿命特别重要。例如，基站电子设备的绝大多数故障都与热问题有关。如果器件封装的散热特性不好，器件将加速退化并最终无法工作，温度越高，这种情况出现的越早。因此，器件设计师认为总体热耗散和热管理越来越重要。在这么密集的环境下，BeO封装非常令人感兴趣，这毫不奇怪，在此种环境下，热管理的不断改进能在延长电子系统的工作寿命中发挥主要作用。 在更高频率应用中，在键合面附近要求有更高电流，这样就需要电阻低些的界面层。BeO能减小器件面积和尺寸，同时功耗未变，并且减小了电容。例如，在小型无引线封装中，BeO要优于AlN，在高频下，AlN无法提供所期望的达到使用BeO时所能达到的电气和热性能。 介电常数和损耗因子也是重要的参数，BeO的这两个特性也很理想。传输线和无源结构是射频和微波模块的关键部件。在许多应用中，都期望介电常数低，这是因为传输线损失更低，并且导体宽度增加了，这样使电路更容易制作。介电损失也随介电常数的减小而降低。 对微带电路，特定基片厚度的截止频率也随介电常数的减小而升高。因此，特定厚度的BeO基片可以使用的频率比相同厚度下氧化铝基片的要高20%。在BeO上制作的厚膜光刻腐蚀、金属化的基片具有这些重要特性，可以在高达44 GHz频率下工作。BeO上键合铜能传导大电流。除常规金属化技术之外，也可以通过直接键合铜(DBC)工艺，在BeO上覆铜。BeO上的DBC可使传导路径的电阻低于薄膜或厚膜传导线电阻。采用DBC工艺的晶体管封装直到8 GHz频率的特性都非常好，插入损耗小于1 dB。 最近取得了多项进展，进一步扩展了BeO的应用。对于射频功率晶体管，最重要的进展是，Brush Wellman公司的一个部门——Brush Ceramic Products(www.brushceramics.com)最近获得了325 W/mK的热传导率。这一进展拉大了竞争材料热传导率与BeO热传导率的差距，使BeO适合用于未来射频功率器件，未来射频功率器件的射频输出更大，相应地更需要耗散无用热。该材料目前正在多个用户处作Beta测试。 其它进展包括能够生产大至4.5英寸X 4.5英寸的BeO片，这就可以在一个片上构造更多的形状，因此降低了成本。此外，Brush Ceramics的新型BW1000基片使材料强度增加了25%，达到了38,000 磅/英寸2(262 MPa)，这一成果是通过加入专利添加剂，同时将纯度保持在99.5%水平，并且在烧结中精确控制颗粒增长及颗粒分布。 考虑到BeO的固有强度，一个明显问题是，为什么射频功率晶体管封装不专用BeO(曾经是专用)，虽然它在光学、汽车、电源以及其它领域也仍然特别流行，在这些领域里，BeO的高TC和其它理想特性仍然无可比拟(见图2)。答案有两点。第一，在所有商用射频和微波技术中，成本都是主要动力，BeO比氧化铝昂贵，在某些应用中比AlN更贵。如果AlN或氧化铝能满足器件的功耗和其它性能参数，绝缘材料很可能选择其中之一。此外，横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件不需要在电介质上附加冲模，就不需要BeO，广泛用于高达4 GHz频率。 其它问题涉及BeO对健康的潜在影响，长期以来表述的都不准确，并且常常夸大了对终端用户的危害。虽然细BeO微粒确实可能对一小部分工人的健康产生严重影响，但此危险主要存在于BeO以粉末形式处理的陶瓷制造场所。大多数BeO都是作为成品提供给终端用户的，在正常装配环境下不需要特殊处理。对于初级陶瓷制造工人，Brush Ceramic Products在世界上对铍相关工人的健康和安全都是处于领先地位，采取了特别措施保证工人安全，结果证明非常成功。就法律限制而言，BeO现在并且以后在世界上都可用，不存在如RoHS或WEEE的法律限制。 AlN虽具有诱人的电气特性，但需要的制造技术仍然妨碍了开发合算的产品。例如，AlN粉末合成和烧结需要氮气炉内有惰性气体，并且要求石墨炉温度达到+1870°C。AlN粉末的准备和烧结费用是氧化物陶瓷制备和烧结费用(如氧化铝或BeO)的3到4倍。 最后，由于AlN是一种人工材料，在自然界没有发现，所以，其寿命总是有限，并且在潮湿的空气中、特别是在较高温度下不稳定。因此，AlN在要求苛刻的航天和国防应用中不常选择，在这些应用中，环境恶劣条件下长期、稳定的性能很重要。 经过了50多年以后，BeO封装技术在微波和功率射频应用中耗散热量最大的最高功率应用中仍然价值突出。在差的氧化环境下，铍氧化物陶瓷材料的稳定性使其成为长寿命、高可靠性商用和国防应用的主要选择。BeO作为一种热管理陶瓷，在脉冲功率RF封装应用中也优于AlN。最后，BeO的特性和金属化技术随时间的变化非常一致。虽然不断遇到了来自其它绝缘材料的挑战，对需要利用BeO在许多关键参数中的固有优势的射频应用，BeO的使用仍然在增长，这一增长很可能将持续多年。
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