Mae'r rhan fwyaf o ddyluniadau modiwlau pŵer heddiw yn seiliedig ar gerameg a wneir o alwminiwm ocsid (Al2O3) neu AlN, ond wrth i ofynion perfformiad godi, mae dylunwyr yn edrych i mewn i swbstradau eraill. Mewn cymwysiadau EV, er enghraifft, mae colledion newid yn gostwng 10% pan fydd tymheredd y sglodion yn mynd o 150 ° C i 200 ° C. Yn ogystal, mae technolegau pecynnu newydd fel modiwlau di-sodro a modiwlau di-wifren yn golygu mai'r swbstradau presennol yw'r cyswllt gwannaf.
Ffactor pwysig arall yw bod angen i'r cynnyrch bara'n hirach mewn amodau garw, fel y rhai a geir mewn tyrbinau gwynt. Hyd oes amcangyfrifedig tyrbinau gwynt o dan yr holl amodau amgylcheddol yw pymtheg mlynedd, gan annog dylunwyr y cais hwn i chwilio am dechnolegau swbstrad uwchraddol.
Mae cynyddu'r defnydd o gydrannau SiC yn drydydd ffactor sy'n gyrru dewisiadau gwell o ran swbstrad. O'u cymharu â modiwlau confensiynol, dangosodd y modiwlau SiC cyntaf gyda phecynnu gorau posibl ostyngiad colled o 40 i 70 y cant, ond dangosodd hefyd yr angen am dechnegau pecynnu arloesol, gan gynnwys swbstradau Si3N4. Bydd yr holl dueddiadau hyn yn cyfyngu ar swyddogaeth swbstradau Al2O3 ac AlN traddodiadol yn y dyfodol, tra bydd swbstradau yn seiliedig ar Si3N4 yn ddeunydd o ddewis ar gyfer modiwlau pŵer perfformiad uchel yn y dyfodol.
Mae silicon nitrid (Si3N4) yn addas iawn ar gyfer swbstradau electronig pŵer oherwydd ei gryfder plygu uwch, caledwch torri asgwrn uchel, a dargludedd thermol uchel. Mae nodweddion y ceramig a chymhariaeth o newidynnau critigol, megis rhyddhau rhannol neu ffurfio crac, yn cael effaith fawr ar ymddygiad y swbstrad terfynol, megis dargludedd gwres ac ymddygiad beicio thermol.
Dargludedd thermol, cryfder plygu, a chaledwch torri asgwrn yw'r priodweddau pwysicaf wrth ddewis deunyddiau inswleiddio ar gyfer modiwlau pŵer. Mae dargludedd thermol uchel yn hanfodol ar gyfer afradu gwres yn gyflym mewn modiwl pŵer. Mae'r cryfder plygu yn bwysig ar gyfer sut mae'r swbstrad ceramig yn cael ei drin a'i ddefnyddio yn ystod y broses becynnu, tra bod y caledwch torri asgwrn yn bwysig ar gyfer darganfod pa mor ddibynadwy fydd hi.
Mae dargludedd thermol isel a gwerthoedd mecanyddol isel yn nodweddu Al2O3 (96%). Fodd bynnag, mae dargludedd thermol 24 W/mK yn ddigonol ar gyfer y mwyafrif o gymwysiadau diwydiannol safonol heddiw. Dargludedd thermol uchel AlN o 180 W/mK yw ei fantais fwyaf, er gwaethaf ei ddibynadwyedd cymedrol. Mae hyn o ganlyniad i galedwch torri asgwrn isel Al2O3 a chryfder plygu tebyg.
Arweiniodd y galw cynyddol am fwy o ddibynadwyedd at ddatblygiadau diweddar mewn cerameg ZTA (alwmina caled zirconia). Mae gan y cerameg hyn lawer mwy o gryfder plygu a chaledwch torri asgwrn na deunyddiau eraill. Yn anffodus, mae dargludedd thermol cerameg ZTA yn debyg i safon Al2O3; o ganlyniad, mae eu defnydd mewn cymwysiadau pŵer uchel gyda'r dwysedd pŵer uchaf wedi'i gyfyngu.
Er bod Si3N4 yn cyfuno dargludedd thermol rhagorol a pherfformiad mecanyddol. Gellir pennu'r dargludedd thermol ar 90 W / mK, a'i wydnwch torri asgwrn yw'r uchaf ymhlith y cerameg o'i gymharu. Mae'r nodweddion hyn yn awgrymu y bydd Si3N4 yn arddangos y dibynadwyedd uchaf fel swbstrad metelaidd.
