Piastra ad alta conducibilità termica in ossido di berillio (BeO), foglio ceramico

Lo sviluppo della piastra in ceramica di ossido di berillio all'estero è iniziato negli anni '30, ma la sua fase di rapido sviluppo si è verificata tra la fine degli anni '50 e la fine degli anni '70. Le ceramiche a base di ossido di berillio sono diverse da altre ceramiche elettroniche. Ad oggi, le loro caratteristiche di elevata conducibilità termica e basse perdite sono difficili da sostituire con altri materiali.

Da un lato, ciò è dovuto alla significativa domanda in vari settori della scienza e della tecnologia, e dall'altro, perché l'ossido di berillio è tossico, richiedendo misure protettive rigorose e complesse; al mondo esistono pochissime fabbriche in grado di produrlo in sicurezza.

I substrati ceramici in ossido di berillio sono ceramiche con l'ossido di berillio come componente principale. Sono utilizzati principalmente come substrati per circuiti integrati su larga scala, tubi laser a gas ad alta potenza, alloggiamenti dissipatori di calore per transistor, finestre di uscita per microonde e moderatori di neutroni.

Viene prodotto aggiungendo ingredienti come l'ossido di alluminio alla polvere di ossido di berillio e sinterizzando ad alte temperature. La produzione di questo tipo di ceramica richiede adeguate misure di protezione. In ambienti ad alta temperatura contenenti umidità, la volatilità dell'ossido di berillio aumenta, iniziando a volatilizzarsi a 1000°C e crescendo con l'aumentare della temperatura, il che crea difficoltà produttive, e alcuni paesi non lo producono più. Tuttavia, i prodotti possiedono eccellenti proprietà e, nonostante il prezzo elevato, la domanda rimane considerevole.

L'uso del foglio di BeO come materiale isolante ha avuto inizio nel 1928, ma fino al 1930 il BeO era principalmente miscelato con altri materiali come sostanza fosforescente.

Durante la seconda guerra mondiale, furono prodotte per la prima volta lastre di ceramica di berillia ad alta purezza. Nel 1946 si scoprì che l'ossido di berillio possiede un'elevatissima conducibilità termica. All'epoca era utilizzato principalmente in dispositivi nucleari. Solo a metà degli anni '50 l'ossido di berillio cominciò a essere impiegato nell'elettronica, negli strumenti di misura, nelle telecomunicazioni e nella tecnologia aerospaziale.

L'intervallo di temperatura di fusione del substrato di ossido di berillio è compreso tra 2530°C e 2570°C, con una densità teorica di 3,02 g/cm³. Può essere utilizzato a lungo termine fino a 1800°C in vuoto, fino a 2000°C in atmosfera inerte, mentre inizia a volatilizzarsi a 1800°C in atmosfera ossidante. La proprietà più notevole delle ceramiche a base di ossido di berillio è l'elevata conducibilità termica, paragonabile a quella dell'alluminio metallico, e da 6 a 10 volte superiore a quella dell'ossido di alluminio. È un materiale dielettrico dotato di proprietà elettriche, termiche e meccaniche uniche, e nessun altro materiale presenta una combinazione così completa di caratteristiche.

Le lastre in ceramica di ossido di berillio sono apprezzate e utilizzate nei settori della tecnologia microonde, dell'elettronica a vuoto, della tecnologia nucleare, della microelettronica e dell'optoelettronica grazie alla loro elevata conducibilità termica, alto punto di fusione, resistenza meccanica, elevata isolamento elettrico, bassa costante dielettrica, ridotta perdita dielettrica e buona adattabilità ai processi di confezionamento. In particolare, esse rappresentano i materiali ceramici principali per la produzione di componenti ad alta conducibilità termica destinati a dispositivi semiconduttori ad alta potenza, circuiti integrati ad alta potenza, dispositivi microonde a vuoto ad alta potenza e reattori nucleari, svolgendo un ruolo molto importante sia nel settore militare che in quello dell'economia nazionale.

Nelle circuiti di conversione della tecnologia elettronica aerospaziale, nonché nei sistemi di comunicazione di aerei e satelliti, la piastra in BeO è ampiamente utilizzata per supporti e componenti di assemblaggio; ha inoltre potenziali applicazioni nell'elettronica spaziale. Le ceramiche in BeO possiedono un'eccezionale resistenza al choque termico e possono essere utilizzate nei detonatori degli aerei a reazione. Piastre in BeO con rivestimenti metallici sono state utilizzate nei sistemi di controllo dei dispositivi di propulsione degli aerei, e rivestimenti in ossido di berillio spruzzati sono stati applicati nei dispositivi di accensione automobilistici.

Le piastre in ceramica BeO hanno un'eccellente conducibilità termica e sono facili da miniaturizzare, mostrando ampie prospettive di applicazione nel campo dei laser; ad esempio, i laser in BeO sono più efficienti e hanno una potenza di uscita superiore rispetto ai laser al quarzo. L'uso di materiali ceramici in BeO nell'aerospaziale, nello spazio e nelle attrezzature militari svolge un ruolo insostituibile e, pertanto, la domanda di BeO è in costante aumento anno dopo anno.

Negli Stati Uniti, la produzione di lastre di BeO alla fine degli anni '90 era da 3 a 5 volte superiore rispetto alla fine degli anni '80 e attualmente sta aumentando al tasso dell'8-12%, raggiungendo oltre 200 tonnellate. Alcuni anni fa, il Defense Electronics Supply Center statunitense ha proposto all'industria un piano per sviluppare materiali ceramici in BeO ad alte prestazioni e da allora sono stati compiuti progressi. Nel catalogo dei materiali del centro approvvigionamenti, lo stato delle lastre di ossido di berillio è gradualmente aumentato e nei prossimi anni l'ossido di berillio sarà il materiale preferito per i moduli multichip (MCM) militari ad alta potenza.

Specificativi tecnici