La plupart des conceptions de modules de puissance sont aujourd'hui basées sur des céramiques en oxyde d'aluminium (Al2O3) ou AlN, mais à mesure que les exigences de performances augmentent, les concepteurs se tournent vers d'autres substrats. Dans les applications EV, par exemple, les pertes de commutation diminuent de 10 % lorsque la température de la puce passe de 150 °C à 200 °C. De plus, les nouvelles technologies de conditionnement telles que les modules sans soudure et les modules sans fil font des substrats existants le maillon le plus faible.
Un autre facteur important est que le produit doit durer plus longtemps dans des conditions difficiles, comme celles rencontrées dans les éoliennes. La durée de vie estimée des éoliennes dans toutes les conditions environnementales est de quinze ans, incitant les concepteurs de cette application à rechercher des technologies de substrat supérieures.
L'utilisation croissante des composants SiC est un troisième facteur entraînant des alternatives de substrat améliorées. Par rapport aux modules conventionnels, les premiers modules SiC avec un conditionnement optimal ont démontré une réduction des pertes de 40 à 70 %, mais ont également démontré la nécessité de techniques de conditionnement innovantes, y compris les substrats Si3N4. Toutes ces tendances limiteront la fonction future des substrats traditionnels en Al2O3 et AIN, alors que les substrats à base de Si3N4 seront le matériau de choix pour les futurs modules de puissance hautes performances.
Le nitrure de silicium (Si3N4) est bien adapté aux substrats électroniques de puissance en raison de sa résistance à la flexion supérieure, de sa ténacité élevée à la rupture et de sa conductivité thermique élevée. Les caractéristiques de la céramique et une comparaison des variables critiques, telles que la décharge partielle ou la formation de fissures, ont un effet majeur sur le comportement final du substrat, comme la conductivité thermique et le comportement de cyclage thermique.
La conductivité thermique, la résistance à la flexion et la ténacité à la rupture sont les propriétés les plus importantes lors de la sélection des matériaux isolants pour les modules de puissance. Une conductivité thermique élevée est essentielle pour la dissipation rapide de la chaleur dans un module de puissance. La résistance à la flexion est importante pour la manière dont le substrat céramique est manipulé et utilisé pendant le processus d'emballage, tandis que la ténacité à la rupture est importante pour déterminer sa fiabilité.
Une faible conductivité thermique et de faibles valeurs mécaniques caractérisent Al2O3 (96%). Cependant, la conductivité thermique de 24 W/mK est suffisante pour la majorité des applications industrielles standard d'aujourd'hui. La conductivité thermique élevée de l'AlN de 180 W/mK est son plus grand avantage, malgré sa fiabilité modérée. Ceci est le résultat de la faible ténacité à la rupture de l'Al2O3 et de sa résistance à la flexion comparable.
La demande croissante d'une plus grande fiabilité a conduit à des progrès récents dans les céramiques ZTA (oxyde d'alumine renforcée de zircone). Ces céramiques ont une résistance à la flexion et une ténacité à la rupture nettement supérieures à celles des autres matériaux. Malheureusement, la conductivité thermique des céramiques ZTA est comparable à celle de l'Al2O3 standard ; par conséquent, leur utilisation dans les applications à haute puissance avec les densités de puissance les plus élevées est restreinte.
Alors que Si3N4 combine une excellente conductivité thermique et des performances mécaniques. La conductivité thermique peut être spécifiée à 90 W/mK et sa ténacité à la rupture est la plus élevée parmi les céramiques comparées. Ces caractéristiques suggèrent que Si3N4 présentera la plus grande fiabilité en tant que substrat métallisé.
