Useimmat tehomoduulimallit perustuvat nykyään alumiinioksidista (Al2O3) tai AlN:sta valmistettuun keramiikkaan, mutta suorituskykyvaatimusten noustessa suunnittelijat etsivät muita substraatteja. Esimerkiksi sähköautosovelluksissa kytkentähäviöt pienenevät 10 %, kun sirun lämpötila laskee 150°C:sta 200°C:een. Lisäksi uudet pakkausteknologiat, kuten juotteettomat moduulit ja lankaliitoksettomat moduulit, tekevät olemassa olevista alustoista heikoimman lenkin.
Toinen tärkeä tekijä on, että tuotteen on kestettävä pidempään ankarissa olosuhteissa, kuten tuulivoimaloissa. Tuuliturbiinien arvioitu käyttöikä kaikissa ympäristöolosuhteissa on viisitoista vuotta, mikä saa tämän sovelluksen suunnittelijat etsimään parempia substraattitekniikoita.
SiC-komponenttien käytön lisääminen on kolmas tekijä, joka ohjaa parempia substraattivaihtoehtoja. Verrattuna perinteisiin moduuleihin, ensimmäiset SiC-moduulit optimaalisella pakkauksella osoittivat 40–70 prosentin hävikin pienenemisen, mutta osoittivat myös innovatiivisten pakkaustekniikoiden tarpeen, mukaan lukien Si3N4-substraatit. Kaikki nämä suuntaukset rajoittavat perinteisten Al2O3- ja AlN-substraattien tulevaa toimintaa, kun taas Si3N4-pohjaiset substraatit ovat tulevaisuuden korkean suorituskyvyn tehomoduulien materiaali.
Piinitridi (Si3N4) soveltuu hyvin tehoelektroniikkaalustoille erinomaisen taivutuslujuutensa, suuren murtolujuutensa ja korkean lämmönjohtavuutensa ansiosta. Keramiikan ominaisuuksilla ja kriittisten muuttujien, kuten osittaisen purkauksen tai halkeaman muodostumisen, vertailulla on suuri vaikutus substraatin lopulliseen käyttäytymiseen, kuten lämmönjohtavuuteen ja lämpökiertokäyttäytymiseen.
Lämmönjohtavuus, taivutuslujuus ja murtolujuus ovat tärkeimmät ominaisuudet valittaessa tehomoduulien eristemateriaaleja. Korkea lämmönjohtavuus on välttämätöntä lämmön nopealle hajaantumiselle tehomoduulissa. Taivutuslujuus on tärkeä sille, miten keraamista alustaa käsitellään ja käytetään pakkausprosessin aikana, kun taas murtolujuus on tärkeä sen luotettavuuden arvioimiseksi.
Al2O3:lle (96 %) on ominaista alhainen lämmönjohtavuus ja alhaiset mekaaniset arvot. Lämmönjohtavuus 24 W/mK on kuitenkin riittävä useimpiin tämän päivän teollisuussovelluksiin. AlN:n korkea lämmönjohtavuus 180 W/mK on sen suurin etu kohtuullisesta luotettavuudesta huolimatta. Tämä on seurausta Al2O3:n alhaisesta murtolujuudesta ja vertailukelpoisesta taivutuslujuudesta.
Kasvava tarve suuremmalle luotettavuudelle johti viimeaikaisiin edistysaskeliin ZTA-keramiikassa (zirkoniakarkaistu alumiinioksidi). Näillä keramiikalla on huomattavasti suurempi taivutuslujuus ja murtolujuus kuin muilla materiaaleilla. Valitettavasti ZTA-keramiikan lämmönjohtavuus on verrattavissa tavallisen Al2O3:n lämmönjohtavuuteen; tämän seurauksena niiden käyttöä suuritehoisissa sovelluksissa, joissa on suurin tehotiheys, rajoitetaan.
Si3N4 yhdistää erinomaisen lämmönjohtavuuden ja mekaanisen suorituskyvyn. Lämmönjohtavuudeksi voidaan määrittää 90 W/mK, ja sen murtolujuus on vertailukeramiikasta korkein. Nämä ominaisuudet viittaavat siihen, että Si3N4:llä on suurin luotettavuus metalloituna alustana.
