오늘날 대부분의 전력 모듈 설계는 산화알루미늄(Al2O3) 또는 AlN으로 만든 세라믹을 기반으로 하지만 성능 요구 사항이 높아지면서 설계자는 다른 기판을 고려하고 있습니다. 예를 들어 EV 애플리케이션에서 칩 온도가 150°C에서 200°C로 올라가면 스위칭 손실이 10% 감소합니다. 또한 솔더 프리 모듈 및 와이어 본드 프리 모듈과 같은 새로운 패키징 기술은 기존 기판을 가장 취약한 링크로 만듭니다.

또 다른 중요한 요소는 제품이 풍력 터빈과 같은 열악한 조건에서 더 오래 지속되어야 한다는 것입니다. 모든 환경 조건에서 풍력 터빈의 예상 수명은 15년이므로 이 애플리케이션의 설계자는 우수한 기판 기술을 찾아야 합니다.

SiC 구성 요소의 활용도 증가는 향상된 기판 대안을 주도하는 세 번째 요인입니다. 기존 모듈과 비교하여 최적의 패키징을 갖춘 최초의 SiC 모듈은 40~70%의 손실 감소를 입증했지만 Si3N4 기판을 포함한 혁신적인 패키징 기술의 필요성도 입증했습니다. 이러한 모든 경향은 전통적인 Al2O3 및 AlN 기판의 미래 기능을 제한하는 반면 Si3N4 기반 기판은 미래의 고성능 전력 모듈을 위한 선택 재료가 될 것입니다.

실리콘 질화물(Si3N4)은 우수한 굽힘 강도, 높은 파괴 인성 및 높은 열 전도성으로 인해 전력 전자 기판에 매우 적합합니다. 세라믹의 특징과 부분 방전 또는 균열 형성과 같은 중요한 변수의 비교는 열전도율 및 열 순환 동작과 같은 최종 기판 동작에 중요한 영향을 미칩니다.

열전도율, 굽힘 강도 및 파괴 인성은 전력 모듈용 절연 재료를 선택할 때 가장 중요한 특성입니다. 높은 열전도율은 전력 모듈에서 열을 빠르게 소산시키는 데 필수적입니다. 굽힘 강도는 패키징 공정 중에 세라믹 기판을 취급하고 사용하는 방법에 중요하며 파괴 인성은 얼마나 신뢰할 수 있는지 파악하는 데 중요합니다.

낮은 열전도율과 낮은 기계적 값은 Al2O3(96%)의 특징입니다. 그러나 24W/mK의 열전도율은 오늘날 대부분의 표준 산업 응용 분야에 적합합니다. AlN의 180W/mK의 높은 열전도율은 적당한 신뢰성에도 불구하고 가장 큰 장점입니다. 이는 Al2O3의 낮은 파괴 인성과 유사한 굽힘 강도의 결과입니다.

더 큰 신뢰성에 대한 요구가 증가함에 따라 최근 ZTA(지르코니아 강화 알루미나) 세라믹의 발전이 이루어졌습니다. 이 세라믹은 다른 재료보다 굽힘 강도와 파괴 인성이 훨씬 더 큽니다. 불행히도 ZTA 세라믹의 열전도율은 표준 Al2O3와 비슷합니다. 결과적으로 전력 밀도가 가장 높은 고전력 애플리케이션에서의 사용이 제한됩니다.

Si3N4는 우수한 열 전도성과 기계적 성능을 결합합니다. 열전도율은 90W/mK로 규정할 수 있으며, 파괴인성은 비교 세라믹 중에서 가장 높습니다. 이러한 특성은 Si3N4가 금속화된 기판으로서 가장 높은 신뢰성을 나타낼 것임을 시사합니다.