મોટા ભાગના પાવર મોડ્યુલ ડિઝાઇન્સ આજે એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al2O3) અથવા AlN થી બનેલા સિરામિક્સ પર આધારિત છે, પરંતુ કામગીરીની જરૂરિયાતો વધતાં, ડિઝાઇનર્સ અન્ય સબસ્ટ્રેટને શોધી રહ્યા છે. EV એપ્લિકેશન્સમાં, ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે ચિપનું તાપમાન 150°C થી 200°C સુધી જાય છે ત્યારે સ્વિચિંગ નુકસાન 10% ઓછું થાય છે. વધુમાં, સોલ્ડર-ફ્રી મોડ્યુલ્સ અને વાયર-બોન્ડ-ફ્રી મોડ્યુલ્સ જેવી નવી પેકેજીંગ ટેકનોલોજી હાલના સબસ્ટ્રેટને સૌથી નબળી કડી બનાવે છે.
બીજું મહત્ત્વનું પરિબળ એ છે કે ઉત્પાદનને વિન્ડ ટર્બાઈનમાં જોવા મળતી કઠોર પરિસ્થિતિઓમાં લાંબા સમય સુધી ટકી રહેવાની જરૂર છે. તમામ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ હેઠળ વિન્ડ ટર્બાઇન્સનું અંદાજિત આયુષ્ય પંદર વર્ષ છે, જે આ એપ્લિકેશનના ડિઝાઇનરોને શ્રેષ્ઠ સબસ્ટ્રેટ તકનીકો શોધવા માટે પ્રોત્સાહિત કરે છે.
SiC ઘટકોનો વધતો ઉપયોગ એ ઉન્નત સબસ્ટ્રેટ વિકલ્પોને ચલાવવાનું ત્રીજું પરિબળ છે. પરંપરાગત મોડ્યુલોની સરખામણીમાં, શ્રેષ્ઠ પેકેજીંગ સાથેના પ્રથમ SiC મોડ્યુલોએ 40 થી 70 ટકાના નુકશાનમાં ઘટાડો દર્શાવ્યો હતો, પરંતુ Si3N4 સબસ્ટ્રેટ સહિત નવીન પેકેજીંગ તકનીકોની આવશ્યકતા પણ દર્શાવી હતી. આ તમામ વૃત્તિઓ પરંપરાગત Al2O3 અને AlN સબસ્ટ્રેટ્સના ભાવિ કાર્યને મર્યાદિત કરશે, જ્યારે Si3N4 પર આધારિત સબસ્ટ્રેટ ભાવિ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન પાવર મોડ્યુલો માટે પસંદગીની સામગ્રી હશે.
સિલિકોન નાઈટ્રાઈડ (Si3N4) પાવર ઈલેક્ટ્રોનિક સબસ્ટ્રેટ માટે તેની શ્રેષ્ઠ બેન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ, હાઈ ફ્રેક્ચર ટફનેસ અને હાઈ થર્મલ વાહકતાને કારણે સારી રીતે અનુકૂળ છે. સિરામિકની વિશેષતાઓ અને નિર્ણાયક ચલોની સરખામણી, જેમ કે આંશિક સ્રાવ અથવા ક્રેક રચના, અંતિમ સબસ્ટ્રેટ વર્તણૂક પર મોટી અસર કરે છે, જેમ કે ગરમી વાહકતા અને થર્મલ સાયકલિંગ વર્તન.
પાવર મોડ્યુલ્સ માટે ઇન્સ્યુલેટીંગ સામગ્રી પસંદ કરતી વખતે થર્મલ વાહકતા, બેન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ અને ફ્રેક્ચર ટફનેસ એ સૌથી મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મો છે. પાવર મોડ્યુલમાં ગરમીના ઝડપી વિસર્જન માટે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા આવશ્યક છે. પેકેજિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન સિરામિક સબસ્ટ્રેટને કેવી રીતે હેન્ડલ કરવામાં આવે છે અને તેનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે તેના માટે બેન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ મહત્ત્વપૂર્ણ છે, જ્યારે ફ્રેક્ચરની કઠિનતા તે કેટલી વિશ્વસનીય હશે તે જાણવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે.
ઓછી થર્મલ વાહકતા અને નીચા યાંત્રિક મૂલ્યો Al2O3 (96%) ની લાક્ષણિકતા ધરાવે છે. જો કે, 24 W/mK ની થર્મલ વાહકતા હાલના મોટાભાગના પ્રમાણભૂત ઔદ્યોગિક કાર્યક્રમો માટે પર્યાપ્ત છે. AlN ની 180 W/mK ની ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા તેની મધ્યમ વિશ્વસનીયતા હોવા છતાં તેનો સૌથી મોટો ફાયદો છે. આ Al2O3 ની ઓછી અસ્થિભંગની કઠિનતા અને તુલનાત્મક બેન્ડિંગ તાકાતનું પરિણામ છે.
વધુ નિર્ભરતાની વધતી માંગને કારણે ZTA (ઝિર્કોનિયા ટફન એલ્યુમિના) સિરામિક્સમાં તાજેતરની પ્રગતિ થઈ. આ સિરામિક્સમાં અન્ય સામગ્રીઓ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ બેન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ અને ફ્રેક્ચર ટફનેસ હોય છે. કમનસીબે, ZTA સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા પ્રમાણભૂત Al2O3 સાથે તુલનાત્મક છે; પરિણામે, સૌથી વધુ પાવર ડેન્સિટી સાથે હાઇ-પાવર એપ્લીકેશનમાં તેમનો ઉપયોગ પ્રતિબંધિત છે.
જ્યારે Si3N4 ઉત્તમ થર્મલ વાહકતા અને યાંત્રિક કામગીરીને જોડે છે. થર્મલ વાહકતા 90 W/mK પર નિર્દિષ્ટ કરી શકાય છે, અને તેની ફ્રેક્ચર ટફનેસ તુલનાત્મક સિરામિક્સમાં સૌથી વધુ છે. આ લાક્ષણિકતાઓ સૂચવે છે કે Si3N4 મેટલાઇઝ્ડ સબસ્ટ્રેટ તરીકે સૌથી વધુ વિશ્વસનીયતા પ્રદર્શિત કરશે.
