Sebagian besar desain modul daya saat ini didasarkan pada keramik yang terbuat dari aluminium oksida (Al2O3) atau AlN, tetapi seiring meningkatnya persyaratan kinerja, desainer mencari substrat lain. Dalam aplikasi EV, misalnya, kerugian peralihan turun sebesar 10% saat suhu chip berubah dari 150°C menjadi 200°C. Selain itu, teknologi pengemasan baru seperti modul bebas solder dan modul bebas ikatan kawat menjadikan substrat yang ada sebagai penghubung terlemah.
Faktor penting lainnya adalah produk harus bertahan lebih lama dalam kondisi yang keras, seperti yang ditemukan di turbin angin. Perkiraan umur turbin angin dalam semua kondisi lingkungan adalah lima belas tahun, mendorong para perancang aplikasi ini untuk mencari teknologi substrat yang unggul.
Peningkatan penggunaan komponen SiC merupakan faktor ketiga yang mendorong alternatif media yang lebih baik. Dibandingkan dengan modul konvensional, modul SiC pertama dengan pengemasan optimal menunjukkan pengurangan kerugian sebesar 40 hingga 70 persen, tetapi juga menunjukkan perlunya teknik pengemasan yang inovatif, termasuk substrat Si3N4. Semua kecenderungan ini akan membatasi fungsi substrat Al2O3 dan AlN tradisional di masa depan, sedangkan substrat berdasarkan Si3N4 akan menjadi bahan pilihan untuk modul daya berkinerja tinggi di masa mendatang.
Silicon nitride (Si3N4) sangat cocok untuk substrat elektronik daya karena kekuatan lenturnya yang unggul, ketangguhan retak yang tinggi, dan konduktivitas termal yang tinggi. Fitur keramik dan perbandingan variabel kritis, seperti pelepasan sebagian atau pembentukan retakan, memiliki pengaruh besar pada perilaku substrat akhir, seperti konduktivitas panas dan perilaku siklus termal.
Konduktivitas termal, kekuatan lentur, dan ketangguhan retak adalah sifat yang paling penting saat memilih bahan isolasi untuk modul daya. Konduktivitas termal yang tinggi sangat penting untuk pembuangan panas yang cepat dalam modul daya. Kekuatan lentur penting untuk bagaimana substrat keramik ditangani dan digunakan selama proses pengemasan, sedangkan ketangguhan retak penting untuk mengetahui seberapa andal substrat tersebut.
Konduktivitas termal yang rendah dan nilai mekanik yang rendah menjadi ciri Al2O3 (96%). Namun, konduktivitas termal 24 W/mK cukup untuk sebagian besar aplikasi industri standar saat ini. Konduktivitas termal AlN yang tinggi sebesar 180 W/mK adalah keuntungan terbesarnya, meskipun keandalannya sedang. Ini adalah hasil dari ketangguhan retak Al2O3 yang rendah dan kekuatan lentur yang sebanding.
Meningkatnya permintaan untuk ketergantungan yang lebih besar menyebabkan kemajuan terbaru dalam keramik ZTA (zirconia toughened alumina). Keramik ini memiliki kekuatan lentur dan ketangguhan retak yang jauh lebih besar daripada bahan lainnya. Sayangnya, konduktivitas termal keramik ZTA sebanding dengan Al2O3 standar; akibatnya, penggunaannya dalam aplikasi daya tinggi dengan kerapatan daya tertinggi dibatasi.
Sementara Si3N4 menggabungkan konduktivitas termal dan kinerja mekanik yang sangat baik. Konduktivitas termal dapat ditentukan pada 90 W/mK, dan ketangguhan retaknya adalah yang tertinggi di antara keramik yang dibandingkan. Karakteristik ini menunjukkan bahwa Si3N4 akan menunjukkan keandalan tertinggi sebagai substrat metalisasi.
