Die meeste kragmodule-ontwerpe is vandag gebaseer op keramiek gemaak van aluminiumoksied (Al2O3) of AlN, maar namate prestasievereistes toeneem, kyk ontwerpers na ander substrate. In EV-toepassings, byvoorbeeld, daal skakelverliese met 10% wanneer die skyfietemperatuur van 150°C tot 200°C gaan. Boonop maak nuwe verpakkingstegnologieë soos soldeervrye modules en draadbindingvrye modules die bestaande substrate die swakste skakel.
Nog 'n belangrike faktor is dat die produk langer moet hou in moeilike toestande, soos dié wat in windturbines voorkom. Die geskatte leeftyd van windturbines onder alle omgewingstoestande is vyftien jaar, wat die ontwerpers van hierdie toepassing aangespoor het om voortreflike substraattegnologieë te soek.
Toenemende gebruik van SiC-komponente is 'n derde faktor wat verbeterde substraatalternatiewe aandryf. In vergelyking met konvensionele modules, het die eerste SiC-modules met optimale verpakking 'n verliesvermindering van 40 tot 70 persent getoon, maar het ook die noodsaaklikheid gedemonstreer vir innoverende verpakkingstegnieke, insluitend Si3N4-substrate. Al hierdie neigings sal die toekomstige funksie van tradisionele Al2O3- en AlN-substrate beperk, terwyl substrate gebaseer op Si3N4 die materiaal van keuse sal wees vir toekomstige hoëprestasie-kragmodules.
Silikonnitried (Si3N4) is goed geskik vir kragelektroniese substrate vanweë sy uitstekende buigsterkte, hoë breuktaaiheid en hoë termiese geleidingsvermoë. Die kenmerke van die keramiek en 'n vergelyking van kritieke veranderlikes, soos gedeeltelike ontlading of kraakvorming, het 'n groot effek op die finale substraatgedrag, soos hittegeleiding en termiese siklusgedrag.
Termiese geleidingsvermoë, buigsterkte en breuktaaiheid is die belangrikste eienskappe wanneer isolasiemateriaal vir kragmodules gekies word. Hoë termiese geleidingsvermoë is noodsaaklik vir die vinnige verspreiding van hitte in 'n kragmodule. Die buigsterkte is belangrik vir hoe die keramieksubstraat tydens die verpakkingsproses hanteer en gebruik word, terwyl die breuktaaiheid belangrik is om uit te vind hoe betroubaar dit sal wees.
Lae termiese geleidingsvermoë en lae meganiese waardes kenmerk Al2O3 (96%). Die termiese geleidingsvermoë van 24 W/mK is egter voldoende vir die meeste standaard industriële toepassings van vandag. AlN se hoë termiese geleidingsvermoë van 180 W/mK is sy grootste voordeel, ten spyte van sy matige betroubaarheid. Dit is die gevolg van Al2O3 se lae breuktaaiheid en vergelykbare buigsterkte.
Die toenemende vraag na groter betroubaarheid het gelei tot onlangse vooruitgang in ZTA (zirconia geharde alumina) keramiek. Hierdie keramiek het aansienlik groter buigsterkte en breuktaaiheid as ander materiale. Ongelukkig is die termiese geleidingsvermoë van ZTA-keramiek vergelykbaar met dié van standaard Al2O3; gevolglik word die gebruik daarvan in hoëkragtoepassings met die hoogste kragdigthede beperk.
Terwyl Si3N4 uitstekende termiese geleidingsvermoë en meganiese werkverrigting kombineer. Die termiese geleidingsvermoë kan op 90 W/mK gespesifiseer word, en die breuktaaiheid daarvan is die hoogste onder die vergelykende keramiek. Hierdie eienskappe dui daarop dat Si3N4 die hoogste betroubaarheid as 'n gemetalliseerde substraat sal vertoon.
