De fleste strømmoduldesigner i dag er baseret på keramik lavet af aluminiumoxid (Al2O3) eller AlN, men efterhånden som ydeevnekravene stiger, kigger designere på andre substrater. I EV-applikationer, for eksempel, falder koblingstabet med 10 %, når chiptemperaturen går fra 150°C til 200°C. Derudover gør nye emballeringsteknologier såsom loddefri moduler og wire-bond-fri moduler de eksisterende substrater til det svageste led.
En anden vigtig faktor er, at produktet skal holde længere under barske forhold, som dem der findes i vindmøller. Den estimerede levetid for vindmøller under alle miljøforhold er femten år, hvilket får designerne af denne applikation til at søge overlegne substratteknologier.
Øget udnyttelse af SiC-komponenter er en tredje faktor, der driver forbedrede substratalternativer. I sammenligning med konventionelle moduler viste de første SiC-moduler med optimal emballage en tabsreduktion på 40 til 70 procent, men demonstrerede også nødvendigheden af innovative pakketeknikker, herunder Si3N4-substrater. Alle disse tendenser vil begrænse den fremtidige funktion af traditionelle Al2O3- og AlN-substrater, hvorimod substrater baseret på Si3N4 vil være det foretrukne materiale til fremtidige højtydende strømmoduler.
Siliciumnitrid (Si3N4) er velegnet til kraftelektroniske substrater på grund af dets overlegne bøjningsstyrke, høje brudsejhed og høje termiske ledningsevne. Keramikkens egenskaber og en sammenligning af kritiske variabler, såsom delvis udledning eller revnedannelse, har en stor effekt på den endelige substratadfærd, såsom varmeledningsevne og termisk cyklusadfærd.
Termisk ledningsevne, bøjningsstyrke og brudsejhed er de vigtigste egenskaber ved valg af isoleringsmaterialer til effektmoduler. Høj varmeledningsevne er afgørende for hurtig afledning af varme i et strømmodul. Bøjningsstyrken er vigtig for, hvordan det keramiske underlag håndteres og bruges under pakkeprocessen, mens brudsejheden er vigtig for at finde ud af, hvor pålideligt det bliver.
Lav varmeledningsevne og lave mekaniske værdier karakteriserer Al2O3 (96%). Den termiske ledningsevne på 24 W/mK er dog tilstrækkelig til de fleste af de nuværende industrielle standardapplikationer. AlNs høje termiske ledningsevne på 180 W/mK er dens største fordel på trods af dens moderate pålidelighed. Dette er resultatet af Al2O3's lave brudsejhed og sammenlignelige bøjningsstyrke.
Den stigende efterspørgsel efter større pålidelighed førte til nylige fremskridt inden for ZTA (zirconia toughened alumina) keramik. Disse keramik har væsentligt større bøjningsstyrke og brudsejhed end andre materialer. Desværre er den termiske ledningsevne af ZTA keramik sammenlignelig med standard Al2O3; som følge heraf er deres brug i højeffektapplikationer med de højeste effekttætheder begrænset.
Mens Si3N4 kombinerer fremragende termisk ledningsevne og mekanisk ydeevne. Den termiske ledningsevne kan angives til 90 W/mK, og dens brudsejhed er den højeste blandt de sammenlignede keramik. Disse karakteristika tyder på, at Si3N4 vil udvise den højeste pålidelighed som et metalliseret substrat.
