今日のほとんどのパワー モジュール設計は、酸化アルミニウム (Al2O3) または AlN で作られたセラミックに基づいていますが、性能要件が高まるにつれて、設計者は他の基板を検討しています。たとえば、EV アプリケーションでは、チップ温度が 150°C から 200°C になると、スイッチング損失が 10% 減少します。さらに、はんだを使用しないモジュールやワイヤ ボンドを使用しないモジュールなどの新しいパッケージング技術により、既存の基板が最も弱いリンクになります。

もう 1 つの重要な要素は、風力タービンに見られるような過酷な条件で製品が長持ちする必要があることです。すべての環境条件下での風力タービンの推定寿命は 15 年であり、このアプリケーションの設計者は優れた基板技術を探す必要があります。

SiC コンポーネントの使用率の増加は、強化された基板の代替を推進する 3 番目の要因です。従来のモジュールと比較して、最適なパッケージングを備えた最初の SiC モジュールは、40 ～ 70% の損失削減を実証しましたが、Si3N4 基板を含む革新的なパッケージング技術の必要性も実証しました。これらの傾向はすべて、従来の Al2O3 および AlN 基板の将来の機能を制限しますが、Si3N4 ベースの基板は、将来の高性能パワー モジュールに最適な材料となるでしょう。

窒化ケイ素 (Si3N4) は、その優れた曲げ強度、高い破壊靭性、および高い熱伝導率により、パワー エレクトロニクス基板に適しています。セラミックの特徴と、部分放電や亀裂形成などの重要な変数の比較は、熱伝導率や熱サイクル動作などの最終的な基板の動作に大きな影響を与えます。

パワーモジュールの絶縁材料を選択する際に最も重要な特性は、熱伝導率、曲げ強度、および破壊靭性です。パワーモジュールの熱を急速に放散するには、高い熱伝導率が不可欠です。曲げ強度は、セラミック基板がパッケージング プロセス中にどのように取り扱われ、使用されるかという点で重要ですが、破壊靭性は、その信頼性を把握するために重要です。

低い熱伝導率と低い機械的値が Al2O3 (96%) の特徴です。ただし、24 W/mK の熱伝導率は、今日の標準的な産業用途の大部分に適しています。 AlN の 180 W/mK という高い熱伝導率は、適度な信頼性にもかかわらず、最大の利点です。これは、Al2O3 の低い破壊靭性と同等の曲げ強度の結果です。

より高い信頼性に対する需要の高まりは、ZTA (ジルコニア強化アルミナ) セラミックスの最近の進歩につながりました。これらのセラミックスは、他の材料よりも大幅に高い曲げ強度と破壊靭性を備えています。残念ながら、ZTA セラミックの熱伝導率は、標準の Al2O3 の熱伝導率に匹敵します。その結果、最高の電力密度を持つ高電力アプリケーションでの使用が制限されます。

一方、Si3N4 は優れた熱伝導率と機械的性能を兼ね備えています。熱伝導率は90W/mKと規定でき、破壊靭性は比較対象セラミックスの中で最高です。これらの特性は、Si3N4 がメタライズ基板として最高の信頼性を示すことを示唆しています。