La majoria dels dissenys de mòduls de potència actuals es basen en ceràmiques fetes d'òxid d'alumini (Al2O3) o AlN, però a mesura que augmenten els requisits de rendiment, els dissenyadors estan buscant altres substrats. A les aplicacions de vehicles elèctrics, per exemple, les pèrdues de commutació es redueixen un 10% quan la temperatura del xip passa de 150 °C a 200 °C. A més, les noves tecnologies d'embalatge com els mòduls sense soldadura i els mòduls sense connexió de filferro fan que els substrats existents siguin l'enllaç més feble.
Un altre factor important és que el producte ha de durar més temps en condicions dures, com les que es troben a les turbines eòliques. La vida útil estimada de les turbines eòliques en totes les condicions ambientals és de quinze anys, el que va impulsar els dissenyadors d'aquesta aplicació a buscar tecnologies de substrat superiors.
L'augment de la utilització dels components de SiC és un tercer factor que impulsa alternatives de substrat millorades. En comparació amb els mòduls convencionals, els primers mòduls de SiC amb embalatge òptim van demostrar una reducció de pèrdues del 40 al 70 per cent, però també van demostrar la necessitat de tècniques d'envasament innovadores, inclosos els substrats Si3N4. Totes aquestes tendències limitaran la funció futura dels substrats tradicionals d'Al2O3 i AlN, mentre que els substrats basats en Si3N4 seran el material escollit per als futurs mòduls de potència d'alt rendiment.
El nitrur de silici (Si3N4) és adequat per a substrats electrònics de potència a causa de la seva resistència a la flexió superior, l'alta tenacitat a la fractura i l'alta conductivitat tèrmica. Les característiques de la ceràmica i una comparació de variables crítiques, com ara la descàrrega parcial o la formació d'esquerdes, tenen un efecte important en el comportament final del substrat, com ara la conductivitat tèrmica i el comportament del cicle tèrmic.
La conductivitat tèrmica, la resistència a la flexió i la tenacitat a la fractura són les propietats més importants a l'hora de seleccionar materials aïllants per als mòduls de potència. L'alta conductivitat tèrmica és essencial per a la ràpida dissipació de calor en un mòdul de potència. La resistència a la flexió és important per a com es manipula i s'utilitza el substrat ceràmic durant el procés d'embalatge, mentre que la resistència a la fractura és important per esbrinar la fiabilitat que serà.
La baixa conductivitat tèrmica i els baixos valors mecànics caracteritzen Al2O3 (96%). Tanmateix, la conductivitat tèrmica de 24 W/mK és adequada per a la majoria de les aplicacions industrials estàndard actuals. L'alta conductivitat tèrmica d'AlN de 180 W/mK és el seu major avantatge, malgrat la seva moderada fiabilitat. Aquest és el resultat de la baixa tenacitat a la fractura d'Al2O3 i la resistència a la flexió comparable.
La creixent demanda d'una major fiabilitat va conduir als avenços recents en ceràmica ZTA (alumina endurida amb zirconi). Aquestes ceràmiques tenen una resistència a la flexió i una resistència a la fractura significativament més grans que altres materials. Malauradament, la conductivitat tèrmica de la ceràmica ZTA és comparable a la de l'Al2O3 estàndard; com a resultat, el seu ús en aplicacions d'alta potència amb les densitats de potència més altes està restringit.
Mentre que Si3N4 combina una excel·lent conductivitat tèrmica i un rendiment mecànic. La conductivitat tèrmica es pot especificar a 90 W/mK, i la seva tenacitat a la fractura és la més alta entre les ceràmiques comparades. Aquestes característiques suggereixen que Si3N4 mostrarà la màxima fiabilitat com a substrat metalitzat.
