רוב העיצובים של מודול הכוח כיום מבוססים על קרמיקה העשויה מאלומיניום אוקסיד (Al2O3) או AlN, אך ככל שדרישות הביצועים עולות, מעצבים בוחנים מצעים אחרים. ביישומי EV, למשל, הפסדי המיתוג יורדים ב-10% כאשר טמפרטורת השבב יורדת מ-150°C ל-200°C. בנוסף, טכנולוגיות אריזה חדשות כגון מודולים נטולי הלחמה ומודולים ללא קשרי חוט הופכות את המצעים הקיימים לחוליה החלשה ביותר.
גורם חשוב נוסף הוא שהמוצר צריך להחזיק מעמד זמן רב יותר בתנאים קשים, כמו אלה שנמצאים בטורבינות רוח. אורך החיים המשוער של טורבינות רוח בכל תנאי הסביבה הוא חמש עשרה שנים, מה שמניע את המתכננים של יישום זה לחפש טכנולוגיות מצע מעולות.
הגדלת השימוש ברכיבי SiC היא גורם שלישי המניע חלופות מצע משופרות. בהשוואה למודולים קונבנציונליים, מודולי ה-SiC הראשונים עם אריזה אופטימלית הפגינו הפחתה בהפסד של 40 עד 70 אחוז, אך גם הוכיחו את הצורך בטכניקות אריזה חדשניות, כולל מצעי Si3N4. כל הנטיות הללו יגבילו את התפקוד העתידי של מצעי Al2O3 ו-AlN המסורתיים, בעוד שמצעים המבוססים על Si3N4 יהיו החומר המועדף עבור מודולי כוח עתידיים עתידיים.
סיליקון ניטריד (Si3N4) מתאים היטב למצעים אלקטרוניים הודות לחוזק הכיפוף המעולה שלו, קשיחות השבר הגבוהה והמוליכות התרמית הגבוהה שלו. לתכונות הקרמיקה ולהשוואה של משתנים קריטיים, כגון פריקה חלקית או היווצרות סדקים, יש השפעה גדולה על התנהגות המצע הסופי, כגון מוליכות חום והתנהגות מחזוריות תרמית.
מוליכות תרמית, חוזק כיפוף וקשיחות שבר הם המאפיינים החשובים ביותר בעת בחירת חומרי בידוד עבור מודולי כוח. מוליכות תרמית גבוהה חיונית לפיזור מהיר של חום במודול כוח. חוזק הכיפוף חשוב לאופן הטיפול והשימוש במצע הקרמי במהלך תהליך האריזה, בעוד שקשיחות השבר חשובה כדי להבין עד כמה הוא אמין.
מוליכות תרמית נמוכה וערכים מכניים נמוכים מאפיינים את Al2O3 (96%). עם זאת, המוליכות התרמית של 24 W/mK מתאימה לרוב היישומים התעשייתיים הסטנדרטיים של ימינו. המוליכות התרמית הגבוהה של AlN של 180 W/mK היא היתרון הגדול ביותר שלה, למרות האמינות המתונה שלה. זוהי התוצאה של קשיחות השבר הנמוכה של Al2O3 וחוזק כיפוף דומה.
הדרישה ההולכת וגוברת לאמינות רבה יותר הובילה להתקדמות האחרונה בתחום הקרמיקה של ZTA (זירקוניה מחוסמת אלומינה). לקרמיקה אלו חוזק כיפוף וקשיחות שבר גדולים משמעותית מחומרים אחרים. למרבה הצער, המוליכות התרמית של קרמיקה ZTA דומה לזו של Al2O3 הסטנדרטי; כתוצאה מכך, השימוש בהם ביישומים בעלי הספק גבוה עם צפיפות ההספק הגבוהה ביותר מוגבל.
בעוד Si3N4 משלב מוליכות תרמית מצוינת וביצועים מכניים. ניתן לציין את המוליכות התרמית ב-90 W/mK, וקשיחות השבר שלה היא הגבוהה ביותר מבין הקרמיקה בהשוואה. מאפיינים אלה מצביעים על כך ש-Si3N4 יציג את המהימנות הגבוהה ביותר כמצע מתכתי.
