Повечето дизайни на захранващи модули днес са базирани на керамика, изработена от алуминиев оксид (Al2O3) или AlN, но тъй като изискванията за производителност нарастват, дизайнерите търсят други субстрати. В EV приложения, например, загубите при превключване намаляват с 10%, когато температурата на чипа се повиши от 150°C до 200°C. В допълнение, новите технологии за опаковане като модули без запояване и модули без свързване на кабели правят съществуващите субстрати най-слабото звено.
Друг важен фактор е, че продуктът трябва да издържи по-дълго при тежки условия, като тези във вятърните турбини. Очакваният живот на вятърните турбини при всякакви условия на околната среда е петнадесет години, което подтиква дизайнерите на това приложение да търсят по-добри субстратни технологии.
Увеличаването на използването на SiC компоненти е трети фактор, движещ подобрените алтернативи на субстрата. В сравнение с конвенционалните модули, първите SiC модули с оптимално опаковане демонстрираха намаляване на загубите от 40 до 70 процента, но също така демонстрираха необходимостта от иновативни техники за опаковане, включително Si3N4 субстрати. Всички тези тенденции ще ограничат бъдещата функция на традиционните субстрати от Al2O3 и AlN, докато субстратите, базирани на Si3N4, ще бъдат избраният материал за бъдещи високоефективни захранващи модули.
Силициевият нитрид (Si3N4) е много подходящ за захранващи електронни субстрати поради превъзходната си якост на огъване, висока якост на счупване и висока топлопроводимост. Характеристиките на керамиката и сравнението на критични променливи, като частично разреждане или образуване на пукнатини, имат голям ефект върху крайното поведение на субстрата, като топлопроводимост и термично циклично поведение.
Топлинната проводимост, якостта на огъване и якостта на счупване са най-важните свойства при избора на изолационни материали за силови модули. Високата топлопроводимост е от съществено значение за бързото разсейване на топлината в силовия модул. Якостта на огъване е важна за начина, по който се борави и използва керамичният субстрат по време на процеса на опаковане, докато якостта на счупване е важна, за да се разбере колко надежден ще бъде той.
Ниска топлопроводимост и ниски механични стойности характеризират Al2O3 (96%). Въпреки това, топлопроводимостта от 24 W/mK е достатъчна за повечето стандартни промишлени приложения в наши дни. Високата топлопроводимост на AlN от 180 W/mK е най-голямото му предимство, въпреки умерената му надеждност. Това е резултат от ниската якост на счупване на Al2O3 и сравнимата якост на огъване.
Нарастващото търсене на по-голяма надеждност доведе до неотдавнашен напредък в керамиката ZTA (циркониев закален алуминий). Тази керамика има значително по-голяма якост на огъване и якост на счупване в сравнение с други материали. За съжаление топлопроводимостта на ZTA керамиката е сравнима с тази на стандартния Al2O3; в резултат на това използването им в приложения с висока мощност с най-висока плътност на мощността е ограничено.
Докато Si3N4 съчетава отлична топлопроводимост и механични характеристики. Топлопроводимостта може да бъде определена на 90 W/mK, а нейната якост на счупване е най-високата сред сравняваната керамика. Тези характеристики предполагат, че Si3N4 ще прояви най-висока надеждност като метализиран субстрат.
