La mayoría de los diseños de módulos de potencia actuales se basan en cerámica hecha de óxido de aluminio (Al2O3) o AlN, pero a medida que aumentan los requisitos de rendimiento, los diseñadores buscan otros sustratos. En aplicaciones EV, por ejemplo, las pérdidas por conmutación se reducen en un 10 % cuando la temperatura del chip pasa de 150 °C a 200 °C. Además, las nuevas tecnologías de empaquetado, como los módulos sin soldadura y los módulos sin unión de cables, convierten a los sustratos existentes en el eslabón más débil.
Otro factor importante es que el producto debe durar más en condiciones adversas, como las que se encuentran en las turbinas eólicas. La vida útil estimada de las turbinas eólicas en todas las condiciones ambientales es de quince años, lo que llevó a los diseñadores de esta aplicación a buscar tecnologías de sustrato superiores.
El aumento de la utilización de componentes de SiC es un tercer factor que impulsa alternativas de sustrato mejoradas. En comparación con los módulos convencionales, los primeros módulos de SiC con empaque óptimo demostraron una reducción de pérdidas del 40 al 70 por ciento, pero también demostraron la necesidad de técnicas de empaque innovadoras, incluidos los sustratos de Si3N4. Todas estas tendencias limitarán la función futura de los sustratos tradicionales de Al2O3 y AlN, mientras que los sustratos basados en Si3N4 serán el material de elección para los futuros módulos de potencia de alto rendimiento.
El nitruro de silicio (Si3N4) es muy adecuado para sustratos de electrónica de potencia debido a su superior resistencia a la flexión, alta tenacidad a la fractura y alta conductividad térmica. Las características de la cerámica y una comparación de variables críticas, como la descarga parcial o la formación de grietas, tienen un efecto importante en el comportamiento final del sustrato, como la conductividad térmica y el comportamiento del ciclo térmico.
La conductividad térmica, la resistencia a la flexión y la tenacidad a la fractura son las propiedades más importantes al seleccionar los materiales aislantes para los módulos de potencia. La alta conductividad térmica es esencial para la rápida disipación del calor en un módulo de potencia. La resistencia a la flexión es importante para determinar cómo se manipula y utiliza el sustrato cerámico durante el proceso de envasado, mientras que la resistencia a la fractura es importante para determinar qué tan confiable será.
Baja conductividad térmica y bajos valores mecánicos caracterizan Al2O3 (96%). Sin embargo, la conductividad térmica de 24 W/mK es adecuada para la mayoría de las aplicaciones industriales estándar de la actualidad. La alta conductividad térmica de AlN de 180 W/mK es su mayor ventaja, a pesar de su moderada confiabilidad. Este es el resultado de la baja tenacidad a la fractura y la resistencia a la flexión comparable del Al2O3.
La creciente demanda de una mayor confiabilidad condujo a avances recientes en la cerámica ZTA (zirconia endurecida con alúmina). Estas cerámicas tienen una resistencia a la flexión y una tenacidad a la fractura significativamente mayores que otros materiales. Desafortunadamente, la conductividad térmica de las cerámicas ZTA es comparable a la del Al2O3 estándar; como resultado, se restringe su uso en aplicaciones de alta potencia con las más altas densidades de potencia.
Mientras que Si3N4 combina una excelente conductividad térmica y un rendimiento mecánico. La conductividad térmica se puede especificar en 90 W/mK y su tenacidad a la fractura es la más alta entre las cerámicas comparadas. Estas características sugieren que el Si3N4 exhibirá la mayor confiabilidad como sustrato metalizado.