Većina današnjih dizajna modula napajanja temelji se na keramici izrađenoj od aluminijevog oksida (Al2O3) ili AlN, ali kako zahtjevi za performansama rastu, dizajneri traže druge podloge. U EV aplikacijama, na primjer, gubici pri prebacivanju se smanjuju za 10% kada temperatura čipa prijeđe sa 150°C na 200°C. Osim toga, nove tehnologije pakiranja kao što su moduli bez lemljenja i moduli bez žica čine postojeće podloge najslabijom karikom.
Drugi važan čimbenik je da proizvod treba dulje trajati u teškim uvjetima, poput onih u vjetroturbinama. Procijenjeni životni vijek vjetroturbina u svim uvjetima okoline je petnaest godina, što je navelo dizajnere ove aplikacije da potraže vrhunske tehnologije supstrata.
Povećanje korištenja SiC komponenti je treći faktor koji pokreće poboljšane alternative supstrata. U usporedbi s konvencionalnim modulima, prvi SiC moduli s optimalnim pakiranjem pokazali su smanjenje gubitaka od 40 do 70 posto, ali su također pokazali potrebu za inovativnim tehnikama pakiranja, uključujući Si3N4 supstrate. Sve ove tendencije ograničit će buduću funkciju tradicionalnih Al2O3 i AlN supstrata, dok će supstrati temeljeni na Si3N4 biti materijal izbora za buduće energetske module visokih performansi.
Silicijev nitrid (Si3N4) vrlo je prikladan za supstrate energetske elektronike zbog svoje vrhunske čvrstoće na savijanje, visoke otpornosti na lom i visoke toplinske vodljivosti. Značajke keramike i usporedba kritičnih varijabli, kao što je djelomično pražnjenje ili stvaranje pukotina, imaju veliki učinak na konačno ponašanje podloge, kao što je toplinska vodljivost i ponašanje toplinskih ciklusa.
Toplinska vodljivost, čvrstoća na savijanje i otpornost na lom najvažnija su svojstva pri odabiru izolacijskih materijala za energetske module. Visoka toplinska vodljivost neophodna je za brzu disipaciju topline u modulu snage. Čvrstoća na savijanje važna je za način na koji se rukuje keramičkim supstratom i kako se koristi tijekom procesa pakiranja, dok je žilavost loma važna za određivanje njegove pouzdanosti.
Niska toplinska vodljivost i niske mehaničke vrijednosti karakteriziraju Al2O3 (96%). Međutim, toplinska vodljivost od 24 W/mK dovoljna je za većinu današnjih standardnih industrijskih primjena. Visoka toplinska vodljivost AlN-a od 180 W/mK njegova je najveća prednost, unatoč umjerenoj pouzdanosti. To je rezultat niske lomne žilavosti Al2O3 i usporedive čvrstoće na savijanje.
Sve veća potražnja za većom pouzdanošću dovela je do nedavnog napretka u ZTA (zirconia toughened alumina) keramici. Ova keramika ima znatno veću čvrstoću na savijanje i otpornost na lom od drugih materijala. Nažalost, toplinska vodljivost ZTA keramike je usporediva s onom standardnog Al2O3; kao rezultat toga, njihova je uporaba u aplikacijama velike snage s najvećom gustoćom snage ograničena.
Dok Si3N4 kombinira izvrsnu toplinsku vodljivost i mehaničku izvedbu. Toplinska vodljivost može se specificirati na 90 W/mK, a njena lomna žilavost najveća je među uspoređivanim keramikama. Ove karakteristike sugeriraju da će Si3N4 pokazati najveću pouzdanost kao metalizirana podloga.
