A maioría dos deseños de módulos de potencia hoxe en día baséanse en cerámicas feitas de óxido de aluminio (Al2O3) ou AlN, pero a medida que aumentan os requisitos de rendemento, os deseñadores están a buscar outros substratos. Nas aplicacións de vehículos eléctricos, por exemplo, as perdas de conmutación diminúen un 10 % cando a temperatura do chip pasa de 150 °C a 200 °C. Ademais, as novas tecnoloxías de envasado, como os módulos sen soldadura e os módulos sen conexión de fíos, fan dos substratos existentes o elo máis débil.
Outro factor importante é que o produto ten que durar máis tempo en condicións duras, como as que se atopan nos aeroxeradores. A vida útil estimada dos aeroxeradores en todas as condicións ambientais é de quince anos, o que levou aos deseñadores desta aplicación a buscar tecnoloxías de substrato superiores.
O aumento da utilización de compoñentes de SiC é un terceiro factor que impulsa alternativas de substrato melloradas. En comparación cos módulos convencionais, os primeiros módulos de SiC cunha embalaxe óptima demostraron unha redución de perdas do 40 ao 70 por cento, pero tamén demostraron a necesidade de técnicas de envasado innovadoras, incluíndo substratos Si3N4. Todas estas tendencias limitarán a función futura dos substratos tradicionais de Al2O3 e AlN, mentres que os substratos baseados en Si3N4 serán o material de elección para futuros módulos de potencia de alto rendemento.
O nitruro de silicio (Si3N4) é moi axeitado para substratos electrónicos de potencia debido á súa resistencia á flexión superior, á súa alta tenacidade á fractura e á súa elevada condutividade térmica. As características da cerámica e unha comparación de variables críticas, como a descarga parcial ou a formación de fendas, teñen un efecto importante no comportamento final do substrato, como a condutividade térmica e o comportamento do ciclo térmico.
A condutividade térmica, a resistencia á flexión e a tenacidade á fractura son as propiedades máis importantes á hora de seleccionar materiais illantes para módulos de potencia. A alta condutividade térmica é esencial para a rápida disipación da calor nun módulo de potencia. A resistencia á flexión é importante para a forma en que se manexa e usa o substrato cerámico durante o proceso de envasado, mentres que a tenacidade á fractura é importante para determinar a súa fiabilidade.
Baixa condutividade térmica e baixos valores mecánicos caracterizan Al2O3 (96%). Non obstante, a condutividade térmica de 24 W/mK é adecuada para a maioría das aplicacións industriais estándar actuais. A alta condutividade térmica de AlN de 180 W/mK é a súa maior vantaxe, a pesar da súa moderada fiabilidade. Este é o resultado da baixa tenacidade á fractura de Al2O3 e unha resistencia á flexión comparable.
A crecente demanda de maior fiabilidade levou a avances recentes na cerámica ZTA (alúmina endurecida con circonio). Estas cerámicas teñen unha resistencia á flexión e unha tenacidade á fractura significativamente maiores que outros materiais. Desafortunadamente, a condutividade térmica da cerámica ZTA é comparable á do Al2O3 estándar; como resultado, o seu uso en aplicacións de alta potencia coas densidades de potencia máis altas está restrinxido.
Mentres que Si3N4 combina unha excelente condutividade térmica e rendemento mecánico. A condutividade térmica pódese especificar en 90 W/mK, e a súa tenacidade á fractura é a máis alta entre as cerámicas comparadas. Estas características suxiren que o Si3N4 presentará a maior fiabilidade como substrato metalizado.
