Většina návrhů výkonových modulů je dnes založena na keramice vyrobené z oxidu hlinitého (Al2O3) nebo AlN, ale s rostoucími požadavky na výkon hledají konstruktéři jiné substráty. Například v aplikacích EV se spínací ztráty sníží o 10 %, když teplota čipu přejde ze 150 °C na 200 °C. Navíc nové obalové technologie, jako jsou bezpájecí moduly a bezdrátové moduly, činí ze stávajících substrátů nejslabší článek.
Dalším důležitým faktorem je, že výrobek musí vydržet déle v drsných podmínkách, jako jsou ty, které se nacházejí ve větrných turbínách. Odhadovaná životnost větrných turbín za všech podmínek prostředí je patnáct let, což vede konstruktéry této aplikace k hledání lepších technologií substrátů.
Zvyšující se využití komponent SiC je třetím faktorem, který řídí vylepšené alternativy substrátů. Ve srovnání s konvenčními moduly prokázaly první moduly SiC s optimálním obalem snížení ztrát o 40 až 70 procent, ale také prokázaly nutnost inovativních balicích technik, včetně substrátů Si3N4. Všechny tyto tendence omezí budoucí funkci tradičních substrátů Al2O3 a AlN, zatímco substráty na bázi Si3N4 budou materiálem volby pro budoucí vysoce výkonné výkonové moduly.
Nitrid křemíku (Si3N4) je vhodný pro výkonové elektronické substráty díky své vynikající pevnosti v ohybu, vysoké lomové houževnatosti a vysoké tepelné vodivosti. Vlastnosti keramiky a srovnání kritických proměnných, jako je částečný výboj nebo tvorba trhlin, mají velký vliv na chování konečného substrátu, jako je tepelná vodivost a chování tepelného cyklu.
Tepelná vodivost, pevnost v ohybu a lomová houževnatost jsou nejdůležitější vlastnosti při výběru izolačních materiálů pro výkonové moduly. Vysoká tepelná vodivost je nezbytná pro rychlý odvod tepla ve výkonovém modulu. Pevnost v ohybu je důležitá pro to, jak se s keramickým substrátem manipuluje a jak se používá během procesu balení, zatímco houževnatost v lomu je důležitá pro zjištění, jak spolehlivý bude.
Nízká tepelná vodivost a nízké mechanické hodnoty charakterizují Al2O3 (96 %). Tepelná vodivost 24 W/mK je však dostatečná pro většinu standardních průmyslových aplikací současnosti. Vysoká tepelná vodivost AlN 180 W/mK je jeho největší předností i přes střední spolehlivost. To je výsledkem nízké lomové houževnatosti Al2O3 a srovnatelné pevnosti v ohybu.
Rostoucí poptávka po větší spolehlivosti vedla k nedávnému pokroku v keramice ZTA (zirkonem tvrzený oxid hlinitý). Tato keramika má výrazně větší pevnost v ohybu a lomovou houževnatost než jiné materiály. Bohužel tepelná vodivost keramiky ZTA je srovnatelná se standardním Al2O3; v důsledku toho je jejich použití ve vysoce výkonných aplikacích s nejvyššími výkonovými hustotami omezeno.
Zatímco Si3N4 kombinuje vynikající tepelnou vodivost a mechanické vlastnosti. Tepelnou vodivost lze specifikovat na 90 W/mK a jeho lomová houževnatost je nejvyšší mezi srovnávanou keramikou. Tyto charakteristiky naznačují, že Si3N4 bude vykazovat nejvyšší spolehlivost jako metalizovaný substrát.
