Die meisten Leistungsmoduldesigns basieren heute auf Keramiken aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder AlN, aber mit steigenden Leistungsanforderungen suchen Designer nach anderen Substraten. Bei EV-Anwendungen sinken beispielsweise die Schaltverluste um 10 %, wenn die Chiptemperatur von 150 °C auf 200 °C steigt. Darüber hinaus machen neue Verpackungstechnologien wie lötfreie Module und drahtbondfreie Module die vorhandenen Substrate zum schwächsten Glied.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass das Produkt unter rauen Bedingungen, wie sie in Windkraftanlagen vorkommen, länger halten muss. Die geschätzte Lebensdauer von Windkraftanlagen unter allen Umgebungsbedingungen beträgt fünfzehn Jahre, was die Designer dieser Anwendung veranlasst, nach überlegenen Substrattechnologien zu suchen.
Die zunehmende Nutzung von SiC-Komponenten ist ein dritter Faktor, der verbesserte Substratalternativen vorantreibt. Im Vergleich zu herkömmlichen Modulen zeigten die ersten SiC-Module mit optimalem Gehäuse eine Verlustreduzierung von 40 bis 70 Prozent, zeigten aber auch die Notwendigkeit innovativer Gehäusetechniken, einschließlich Si3N4-Substraten. All diese Tendenzen werden die zukünftige Funktion herkömmlicher Al2O3- und AlN-Substrate einschränken, während Substrate auf Basis von Si3N4 das Material der Wahl für zukünftige Hochleistungs-Leistungsmodule sein werden.
Siliziumnitrid (Si3N4) eignet sich aufgrund seiner überlegenen Biegefestigkeit, hohen Bruchzähigkeit und hohen Wärmeleitfähigkeit gut für Leistungselektroniksubstrate. Die Eigenschaften der Keramik und ein Vergleich kritischer Größen wie Teilentladung oder Rissbildung haben einen großen Einfluss auf das endgültige Substratverhalten wie Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselverhalten.
Wärmeleitfähigkeit, Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit sind die wichtigsten Eigenschaften bei der Auswahl von Isoliermaterialien für Leistungsmodule. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist für die schnelle Wärmeableitung in einem Leistungsmodul unerlässlich. Die Biegefestigkeit ist wichtig für die Handhabung und Verwendung des Keramiksubstrats während des Verpackungsprozesses, während die Bruchzähigkeit wichtig ist, um herauszufinden, wie zuverlässig es sein wird.
Niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedrige mechanische Werte zeichnen Al2O3 (96%) aus. Die Wärmeleitfähigkeit von 24 W/mK ist jedoch für die meisten industriellen Standardanwendungen der heutigen Zeit ausreichend. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK von AlN ist sein größter Vorteil, trotz seiner mäßigen Zuverlässigkeit. Dies ist das Ergebnis der geringen Bruchzähigkeit von Al2O3 und der vergleichbaren Biegefestigkeit.
Die zunehmende Nachfrage nach größerer Zuverlässigkeit führte zu jüngsten Fortschritten bei ZTA-Keramiken (Zirconia Toughened Alumina). Diese Keramiken haben eine deutlich höhere Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit als andere Materialien. Leider ist die Wärmeleitfähigkeit von ZTA-Keramik vergleichbar mit der von Standard-Al2O3; dadurch ist ihr Einsatz in Hochleistungsanwendungen mit höchsten Leistungsdichten eingeschränkt.
Während Si3N4 hervorragende Wärmeleitfähigkeit und mechanische Leistung kombiniert. Die Wärmeleitfähigkeit kann mit 90 W/mK spezifiziert werden, und die Bruchzähigkeit ist die höchste unter den verglichenen Keramiken. Diese Eigenschaften legen nahe, dass Si3N4 als metallisiertes Substrat die höchste Zuverlässigkeit aufweisen wird.
