अधिकांश पावर मॉड्यूल डिजाइन आज एल्यूमीनियम ऑक्साइड (Al2O3) या AlN से बने सिरेमिक पर आधारित हैं, लेकिन जैसे-जैसे प्रदर्शन आवश्यकताओं में वृद्धि होती है, डिजाइनर अन्य सबस्ट्रेट्स की तलाश कर रहे हैं। ईवी अनुप्रयोगों में, उदाहरण के लिए, चिप तापमान 150 डिग्री सेल्सियस से 200 डिग्री सेल्सियस तक जाने पर स्विचिंग नुकसान 10% कम हो जाता है। इसके अलावा, नई पैकेजिंग प्रौद्योगिकियां जैसे सोल्डर-फ्री मॉड्यूल और वायर-बॉन्ड-फ्री मॉड्यूल मौजूदा सबस्ट्रेट्स को सबसे कमजोर लिंक बनाते हैं।
एक अन्य महत्वपूर्ण कारक यह है कि उत्पाद को कठोर परिस्थितियों में लंबे समय तक चलने की जरूरत है, जैसे पवन टर्बाइनों में पाए जाते हैं। सभी पर्यावरणीय परिस्थितियों में पवन टर्बाइनों का अनुमानित जीवनकाल पंद्रह वर्ष है, जो इस एप्लिकेशन के डिजाइनरों को बेहतर सब्सट्रेट प्रौद्योगिकियों की तलाश करने के लिए प्रेरित करता है।
SiC घटकों का बढ़ता उपयोग एक तीसरा कारक है जो उन्नत सब्सट्रेट विकल्पों को बढ़ाता है। पारंपरिक मॉड्यूल की तुलना में, इष्टतम पैकेजिंग वाले पहले SiC मॉड्यूल ने 40 से 70 प्रतिशत की हानि में कमी का प्रदर्शन किया, लेकिन Si3N4 सबस्ट्रेट्स सहित नवीन पैकेजिंग तकनीकों की आवश्यकता को भी प्रदर्शित किया। ये सभी प्रवृत्तियाँ पारंपरिक Al2O3 और AlN सबस्ट्रेट्स के भविष्य के कार्य को सीमित कर देंगी, जबकि Si3N4 पर आधारित सबस्ट्रेट्स भविष्य के उच्च-प्रदर्शन पावर मॉड्यूल के लिए पसंद की सामग्री होगी।
सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4) अपनी बेहतर बेंडिंग स्ट्रेंथ, हाई फ्रैक्चर टफनेस और हाई थर्मल कंडक्टिविटी के कारण पावर इलेक्ट्रॉनिक सबस्ट्रेट्स के लिए उपयुक्त है। सिरेमिक की विशेषताएं और महत्वपूर्ण चर की तुलना, जैसे आंशिक निर्वहन या दरार गठन, अंतिम सब्सट्रेट व्यवहार पर एक बड़ा प्रभाव पड़ता है, जैसे कि गर्मी चालकता और थर्मल साइकलिंग व्यवहार।
बिजली मॉड्यूल के लिए इन्सुलेट सामग्री का चयन करते समय थर्मल चालकता, झुकने की ताकत और फ्रैक्चर क्रूरता सबसे महत्वपूर्ण गुण हैं। पावर मॉड्यूल में गर्मी के तेजी से अपव्यय के लिए उच्च तापीय चालकता आवश्यक है। पैकेजिंग प्रक्रिया के दौरान सिरेमिक सब्सट्रेट को कैसे संभाला और उपयोग किया जाता है, इसके लिए झुकने की ताकत महत्वपूर्ण है, जबकि फ्रैक्चर की कठोरता यह पता लगाने के लिए महत्वपूर्ण है कि यह कितना विश्वसनीय होगा।
कम तापीय चालकता और कम यांत्रिक मूल्य Al2O3 (96%) की विशेषता है। हालाँकि, 24 W/mK की तापीय चालकता वर्तमान समय के अधिकांश मानक औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है। AlN की 180 W/mK की उच्च तापीय चालकता इसकी मध्यम विश्वसनीयता के बावजूद इसका सबसे बड़ा लाभ है। यह Al2O3 की कम फ्रैक्चर बेरहमी और तुलनीय झुकने की ताकत का परिणाम है।
अधिक निर्भरता की बढ़ती मांग ने हाल ही में ZTA (ज़िरकोनिया टफेंड एल्युमिना) सिरेमिक में प्रगति की है। इन सिरेमिक में अन्य सामग्रियों की तुलना में काफी अधिक झुकने की ताकत और फ्रैक्चर की कठोरता है। दुर्भाग्य से, ZTA सिरेमिक की तापीय चालकता मानक Al2O3 की तुलना में है; नतीजतन, उच्चतम शक्ति घनत्व वाले उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में उनका उपयोग प्रतिबंधित है।
जबकि Si3N4 उत्कृष्ट तापीय चालकता और यांत्रिक प्रदर्शन को जोड़ती है। तापीय चालकता को 90 W/mK पर निर्दिष्ट किया जा सकता है, और इसकी फ्रैक्चर बेरहमी की तुलना सिरेमिक में सबसे अधिक है। इन विशेषताओं से पता चलता है कि Si3N4 धातुयुक्त सब्सट्रेट के रूप में उच्चतम विश्वसनीयता प्रदर्शित करेगा।
