La maggior parte dei progetti di moduli di potenza oggi si basa su ceramiche fatte di ossido di alluminio (Al2O3) o AlN, ma con l'aumentare dei requisiti prestazionali, i progettisti stanno esaminando altri substrati. Nelle applicazioni EV, ad esempio, le perdite di commutazione diminuiscono del 10% quando la temperatura del chip passa da 150°C a 200°C. Inoltre, le nuove tecnologie di packaging, come i moduli senza saldatura ei moduli wire-bond-free, rendono i substrati esistenti l'anello più debole.
Un altro fattore importante è che il prodotto deve durare più a lungo in condizioni difficili, come quelle che si trovano nelle turbine eoliche. La durata stimata delle turbine eoliche in tutte le condizioni ambientali è di quindici anni, il che ha spinto i progettisti di questa applicazione a ricercare tecnologie di substrato superiori.
L'aumento dell'utilizzo dei componenti SiC è un terzo fattore alla base di migliori alternative di substrato. Rispetto ai moduli convenzionali, i primi moduli SiC con packaging ottimale hanno dimostrato una riduzione delle perdite dal 40 al 70 percento, ma hanno anche dimostrato la necessità di tecniche di packaging innovative, compresi i substrati Si3N4. Tutte queste tendenze limiteranno la funzione futura dei tradizionali substrati Al2O3 e AlN, mentre i substrati basati su Si3N4 saranno il materiale preferito per i futuri moduli di potenza ad alte prestazioni.
Il nitruro di silicio (Si3N4) è adatto per i substrati dell'elettronica di potenza grazie alla sua superiore resistenza alla flessione, all'elevata tenacità alla frattura e all'elevata conduttività termica. Le caratteristiche della ceramica e un confronto di variabili critiche, come la scarica parziale o la formazione di crepe, hanno un effetto importante sul comportamento finale del substrato, come la conduttività termica e il comportamento dei cicli termici.
Conduttività termica, resistenza alla flessione e tenacità alla frattura sono le proprietà più importanti nella scelta dei materiali isolanti per i moduli di potenza. L'elevata conducibilità termica è essenziale per la rapida dissipazione del calore in un modulo di potenza. La resistenza alla flessione è importante per come il substrato ceramico viene maneggiato e utilizzato durante il processo di confezionamento, mentre la tenacità alla frattura è importante per capire quanto sarà affidabile.
Bassa conducibilità termica e bassi valori meccanici caratterizzano Al2O3 (96%). Tuttavia, la conduttività termica di 24 W/mK è adeguata per la maggior parte delle applicazioni industriali standard dei giorni nostri. L'elevata conducibilità termica di AlN di 180 W/mK è il suo più grande vantaggio, nonostante la sua moderata affidabilità. Questo è il risultato della bassa tenacità alla frattura di Al2O3 e della resistenza alla flessione paragonabile.
La crescente domanda di maggiore affidabilità ha portato ai recenti progressi nella ceramica ZTA (allumina rinforzata con zirconia). Queste ceramiche hanno una resistenza alla flessione e alla frattura significativamente maggiore rispetto ad altri materiali. Sfortunatamente, la conduttività termica della ceramica ZTA è paragonabile a quella dell'Al2O3 standard; di conseguenza, il loro utilizzo in applicazioni ad alta potenza con le più alte densità di potenza è limitato.
Mentre Si3N4 combina un'eccellente conduttività termica e prestazioni meccaniche. La conduttività termica può essere specificata a 90 W/mK e la sua tenacità alla frattura è la più alta tra le ceramiche confrontate. Queste caratteristiche suggeriscono che Si3N4 mostrerà la massima affidabilità come substrato metallizzato.
