تعتمد معظم تصميمات وحدات الطاقة اليوم على السيراميك المصنوع من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) أو AlN ، ولكن مع ارتفاع متطلبات الأداء ، يبحث المصممون في ركائز أخرى. في تطبيقات EV ، على سبيل المثال ، تنخفض خسائر التبديل بنسبة 10٪ عندما تنتقل درجة حرارة الرقاقة من 150 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقنيات التغليف الجديدة مثل الوحدات الخالية من اللحام والوحدات الخالية من الروابط السلكية تجعل الركائز الموجودة هي الحلقة الأضعف.
عامل مهم آخر هو أن المنتج يحتاج إلى أن يستمر لفترة أطول في الظروف القاسية ، مثل تلك الموجودة في توربينات الرياح. يبلغ العمر التقديري لتوربينات الرياح في جميع الظروف البيئية خمسة عشر عامًا ، مما دفع مصممي هذا التطبيق إلى البحث عن تقنيات الركيزة الفائقة.
زيادة استخدام مكونات كربيد السيليكون هي عامل ثالث يقود بدائل الركيزة المحسنة. بالمقارنة مع الوحدات التقليدية ، أظهرت وحدات SiC الأولى ذات التغليف الأمثل انخفاضًا في الخسارة بنسبة 40 إلى 70 بالمائة ، ولكنها أظهرت أيضًا ضرورة تقنيات التغليف المبتكرة ، بما في ذلك ركائز Si3N4. ستحد كل هذه الاتجاهات من الوظيفة المستقبلية لركائز Al2O3 و AlN التقليدية ، في حين أن الركائز القائمة على Si3N4 ستكون المادة المفضلة لوحدات الطاقة عالية الأداء في المستقبل.
نيتريد السيليكون (Si3N4) مناسب تمامًا للركائز الإلكترونية للطاقة نظرًا لقوة الانحناء الفائقة ، وصلابة الكسر العالية ، والتوصيل الحراري العالي. إن ميزات السيراميك ومقارنة المتغيرات الحرجة ، مثل التفريغ الجزئي أو تكوين الكراك ، لها تأثير كبير على سلوك الركيزة النهائية ، مثل التوصيل الحراري وسلوك التدوير الحراري.
تعتبر الموصلية الحرارية وقوة الانحناء ومتانة الكسر من أهم الخصائص عند اختيار المواد العازلة لوحدات الطاقة. تعتبر الموصلية الحرارية العالية ضرورية للتبديد السريع للحرارة في وحدة الطاقة. تعتبر قوة الانحناء مهمة في كيفية التعامل مع الركيزة الخزفية واستخدامها أثناء عملية التعبئة والتغليف ، في حين أن متانة الكسر مهمة لمعرفة مدى موثوقيتها.
الموصلية الحرارية المنخفضة والقيم الميكانيكية المنخفضة تميز Al2O3 (96٪). ومع ذلك ، فإن الموصلية الحرارية لـ 24 W / mK كافية لمعظم التطبيقات الصناعية القياسية في الوقت الحاضر. تعتبر الموصلية الحرارية العالية لـ AlN البالغة 180 واط / مللي كلفن أكبر ميزة لها ، على الرغم من موثوقيتها المعتدلة. هذا هو نتيجة انخفاض صلابة الكسر وقوة الانحناء المماثلة لـ Al2O3.
أدى الطلب المتزايد على قدر أكبر من الاعتمادية إلى التطورات الأخيرة في سيراميك ZTA (الألومينا المقوى بالزركونيا). تتمتع هذه الخزفيات بقوة ثني أكبر بكثير وصلابة للكسر مقارنة بالمواد الأخرى. لسوء الحظ ، فإن الموصلية الحرارية لسيراميك ZTA مماثلة لتلك الخاصة بمعيار Al2O3 ؛ نتيجة لذلك ، يتم تقييد استخدامها في التطبيقات عالية الطاقة ذات كثافة الطاقة الأعلى.
بينما يجمع Si3N4 بين التوصيل الحراري الممتاز والأداء الميكانيكي. يمكن تحديد الموصلية الحرارية عند 90 واط / مللي كلفن ، ومتانة الكسر هي الأعلى بين السيراميك المقارن. تشير هذه الخصائص إلى أن Si3N4 سيظهر أعلى موثوقية كركيزة معدنية.
