Τα περισσότερα σχέδια μονάδων ισχύος σήμερα βασίζονται σε κεραμικά κατασκευασμένα από οξείδιο του αλουμινίου (Al2O3) ή AlN, αλλά καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις απόδοσης, οι σχεδιαστές εξετάζουν άλλα υποστρώματα. Σε εφαρμογές EV, για παράδειγμα, οι απώλειες μεταγωγής μειώνονται κατά 10% όταν η θερμοκρασία του τσιπ πάει από 150°C σε 200°C. Επιπλέον, οι νέες τεχνολογίες συσκευασίας, όπως οι μονάδες χωρίς συγκόλληση και οι μονάδες χωρίς σύρματα, καθιστούν τα υπάρχοντα υποστρώματα τον πιο αδύναμο κρίκο.
Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι ότι το προϊόν πρέπει να διαρκέσει περισσότερο σε σκληρές συνθήκες, όπως αυτές που βρίσκονται στις ανεμογεννήτριες. Η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής των ανεμογεννητριών υπό όλες τις περιβαλλοντικές συνθήκες είναι δεκαπέντε χρόνια, ωθώντας τους σχεδιαστές αυτής της εφαρμογής να αναζητήσουν ανώτερες τεχνολογίες υποστρώματος.
Η αυξανόμενη χρήση των συστατικών SiC είναι ένας τρίτος παράγοντας που οδηγεί σε βελτιωμένες εναλλακτικές λύσεις υποστρώματος. Σε σύγκριση με τις συμβατικές μονάδες, οι πρώτες μονάδες SiC με βέλτιστη συσκευασία επέδειξαν μείωση απώλειας από 40 έως 70 τοις εκατό, αλλά απέδειξαν επίσης την ανάγκη για καινοτόμες τεχνικές συσκευασίας, συμπεριλαμβανομένων των υποστρωμάτων Si3N4. Όλες αυτές οι τάσεις θα περιορίσουν τη μελλοντική λειτουργία των παραδοσιακών υποστρωμάτων Al2O3 και AlN, ενώ τα υποστρώματα που βασίζονται στο Si3N4 θα είναι το υλικό επιλογής για μελλοντικές μονάδες ισχύος υψηλής απόδοσης.
Το νιτρίδιο του πυριτίου (Si3N4) είναι κατάλληλο για ηλεκτρονικά υποστρώματα ισχύος λόγω της ανώτερης αντοχής σε κάμψη, της υψηλής αντοχής στη θραύση και της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Τα χαρακτηριστικά του κεραμικού και η σύγκριση κρίσιμων μεταβλητών, όπως η μερική εκκένωση ή ο σχηματισμός ρωγμών, έχουν σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά του τελικού υποστρώματος, όπως η θερμική αγωγιμότητα και η συμπεριφορά θερμικού κύκλου.
Η θερμική αγωγιμότητα, η αντοχή σε κάμψη και η αντοχή σε θραύση είναι οι πιο σημαντικές ιδιότητες κατά την επιλογή μονωτικών υλικών για μονάδες ισχύος. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα είναι απαραίτητη για την ταχεία διάχυση της θερμότητας σε μια μονάδα ισχύος. Η αντοχή σε κάμψη είναι σημαντική για τον τρόπο χειρισμού και χρήσης του κεραμικού υποστρώματος κατά τη διαδικασία συσκευασίας, ενώ η αντοχή στη θραύση είναι σημαντική για να υπολογίσετε πόσο αξιόπιστο θα είναι.
Η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και οι χαμηλές μηχανικές τιμές χαρακτηρίζουν το Al2O3 (96%). Ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητα των 24 W/mK είναι επαρκής για τις περισσότερες τυπικές βιομηχανικές εφαρμογές της σημερινής εποχής. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του AlN των 180 W/mK είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημά του, παρά τη μέτρια αξιοπιστία του. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της χαμηλής σκληρότητας του Al2O3 στη θραύση και της συγκρίσιμης αντοχής σε κάμψη.
Η αυξανόμενη ζήτηση για μεγαλύτερη αξιοπιστία οδήγησε σε πρόσφατες εξελίξεις στα κεραμικά ZTA (ζιρκονία σκληρυμένη αλουμίνα). Αυτά τα κεραμικά έχουν σημαντικά μεγαλύτερη αντοχή σε κάμψη και ανθεκτικότητα στη θραύση από άλλα υλικά. Δυστυχώς, η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών ZTA είναι συγκρίσιμη με αυτή του τυπικού Al2O3. Ως αποτέλεσμα, η χρήση τους σε εφαρμογές υψηλής ισχύος με τις υψηλότερες πυκνότητες ισχύος περιορίζεται.
Ενώ το Si3N4 συνδυάζει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και μηχανική απόδοση. Η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να καθοριστεί στα 90 W/mK και η ανθεκτικότητά του σε θραύση είναι η υψηλότερη μεταξύ των συγκριτικών κεραμικών. Αυτά τα χαρακτηριστικά υποδηλώνουν ότι το Si3N4 θα έχει την υψηλότερη αξιοπιστία ως επιμεταλλωμένο υπόστρωμα.
