Plaque de conductivité thermique élevée en oxyde de béryllium BeO, feuille céramique

Le développement à l'étranger de la plaque céramique en oxyde de béryllium a commencé dans les années 1930, mais sa phase de croissance rapide s'est déroulée de la fin des années 1950 à la fin des années 1970. Les céramiques à base d'oxyde de béryllium se distinguent des autres céramiques électroniques. À ce jour, leurs caractéristiques de haute conductivité thermique et de faibles pertes sont difficiles à remplacer par d'autres matériaux.

D'une part, cela est dû à la demande importante dans divers domaines scientifiques et technologiques, et d'autre part, parce que l'oxyde de béryllium est toxique, nécessitant des mesures de protection strictes et complexes, il existe très peu d'usines dans le monde capables de le produire en toute sécurité.

Les substrats en céramique à base d'oxyde de béryllium sont des céramiques dont l'oxyde de béryllium est le composant principal. Ils sont principalement utilisés comme substrats pour les circuits intégrés de grande échelle, les tubes laser à gaz de haute puissance, les boîtiers dissipateurs de chaleur pour transistors, les fenêtres de sortie micro-ondes et les modérateurs de neutrons.

Ils sont fabriqués en ajoutant des ingrédients tels que de l'oxyde d'aluminium à de la poudre d'oxyde de béryllium, puis en frittant à haute température. La fabrication de ce type de céramique nécessite des mesures de protection appropriées. Dans les milieux à haute température contenant de l'humidité, la volatilité de l'oxyde de béryllium augmente, commençant à se volatiliser à partir de 1000 °C et croissant avec la température, ce qui rend la production difficile, et certains pays ne le produisent plus. Toutefois, ces produits possèdent d'excellentes propriétés, et malgré leur prix élevé, la demande reste considérable.

L'utilisation de feuilles de BeO comme matériau isolant a commencé en 1928, mais jusqu'en 1930, l'oxyde de béryllium était principalement mélangé à d'autres matériaux en tant que substance phosphorescente.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, des plaques en céramique de bérylle de haute pureté ont été fabriquées pour la première fois. En 1946, on a découvert que l'oxyde de béryllium possède une conductivité thermique extrêmement élevée. À cette époque, il était principalement utilisé dans les dispositifs nucléaires. Ce n'est qu'au milieu des années 1950 que l'oxyde de béryllium a commencé à être appliqué dans l'électronique, les instruments de mesure, les télécommunications et la technologie aérospatiale.

La plage de température de fusion du substrat d'oxyde de béryllium se situe entre 2530 °C et 2570 °C, avec une densité théorique de 3,02 g/cm³. Il peut être utilisé durablement à 1800 °C sous vide, à 2000 °C dans des gaz inertes, et commence à se volatiliser à 1800 °C dans une atmosphère oxydante. La propriété la plus remarquable des céramiques à base d'oxyde de béryllium est leur haute conductivité thermique, comparable à celle de l'aluminium métallique, et 6 à 10 fois supérieure à celle de l'oxyde d'aluminium. C'est un matériau diélectrique doté de propriétés électriques, thermiques et mécaniques uniques, et aucun autre matériau ne présente un éventail aussi complet de caractéristiques.

Les feuilles de céramique à base d'oxyde de béryllium sont appréciées et utilisées dans les domaines de la technologie micro-ondes, de l'électronique sous vide, de la technologie nucléaire, de la microélectronique et de l'optoélectronique en raison de leur haute conductivité thermique, de leur point de fusion élevé, de leur résistance, de leur forte isolation, de leur faible constante diélectrique, de leurs faibles pertes diélectriques et de leur bonne adaptabilité aux procédés d'emballage. En particulier, elles constituent depuis longtemps les matériaux céramiques dominants pour la fabrication de composants à haute conductivité thermique destinés aux dispositifs semiconducteurs de forte puissance, aux circuits intégrés de forte puissance, aux dispositifs sous vide micro-ondes de forte puissance et aux réacteurs nucléaires, jouant ainsi un rôle très important tant dans le domaine militaire que dans l'économie nationale.

Dans les circuits de conversion de technologie électronique aérospatiale, ainsi que dans les systèmes de communication des avions et des satellites, la plaque de BeO est largement utilisée pour les composants de support et d'assemblage ; elle présente également des applications potentielles dans l'électronique spatiale. Les céramiques à base de BeO possèdent une résistance exceptionnellement élevée au choc thermique et peuvent être utilisées dans les détonateurs d'avions à réaction. Des plaques de BeO avec des revêtements métalliques ont été utilisées dans les systèmes de commande des dispositifs de propulsion d'avions, et des doublures en oxyde de béryllium projeté ont été appliquées dans les dispositifs d'allumage automobile.

Les plaques de céramique BeO présentent une excellente conductivité thermique et sont faciles à miniaturiser, offrant ainsi de vastes perspectives d'application dans le domaine laser ; par exemple, les lasers au BeO sont plus efficaces et offrent une puissance de sortie plus élevée que les lasers au quartz. L'utilisation de matériaux céramiques en BeO dans l'aérospatial, l'espace et les équipements militaires joue un rôle irremplaçable, et par conséquent, la demande en BeO augmente d'année en année.

Aux États-Unis, la production de feuilles de BeO à la fin des années 1990 était 3 à 5 fois supérieure à celle de la fin des années 1980, et elle augmente actuellement à un rythme de 8 à 12 %, dépassant les 200 tonnes. Il y a plusieurs années, le centre d'approvisionnement en électronique de défense des États-Unis a proposé une initiative au secteur industriel afin de développer des matériaux céramiques à base de BeO haute performance et a depuis réalisé des progrès. Dans le catalogue des matériaux du centre d'approvisionnement, le statut de la feuille d'oxyde de béryllium est progressivement en hausse, et dans les années à venir, l'oxyde de béryllium sera le matériau privilégié pour les MCM militaires (modules multi-puces) à haute puissance.

Spécifications techniques