Kebanyakan reka bentuk modul kuasa hari ini adalah berdasarkan seramik yang diperbuat daripada aluminium oksida (Al2O3) atau AlN, tetapi apabila keperluan prestasi meningkat, pereka bentuk sedang mengkaji substrat lain. Dalam aplikasi EV, sebagai contoh, kerugian pensuisan turun sebanyak 10% apabila suhu cip berubah dari 150°C kepada 200°C. Selain itu, teknologi pembungkusan baharu seperti modul bebas pateri dan modul bebas ikatan wayar menjadikan substrat sedia ada sebagai pautan paling lemah.
Satu lagi faktor penting ialah produk itu perlu bertahan lebih lama dalam keadaan yang teruk, seperti yang terdapat dalam turbin angin. Anggaran jangka hayat turbin angin dalam semua keadaan persekitaran ialah lima belas tahun, mendorong pereka aplikasi ini untuk mencari teknologi substrat yang unggul.
Meningkatkan penggunaan komponen SiC adalah faktor ketiga yang mendorong alternatif substrat yang dipertingkatkan. Berbanding dengan modul konvensional, modul SiC pertama dengan pembungkusan optimum menunjukkan pengurangan kerugian sebanyak 40 hingga 70 peratus, tetapi juga menunjukkan keperluan untuk teknik pembungkusan yang inovatif, termasuk substrat Si3N4. Kesemua kecenderungan ini akan mengehadkan fungsi masa depan substrat Al2O3 dan AlN tradisional, manakala substrat berdasarkan Si3N4 akan menjadi bahan pilihan untuk modul kuasa prestasi tinggi masa hadapan.
Silikon nitrida (Si3N4) sangat sesuai untuk substrat elektronik kuasa kerana kekuatan lenturannya yang unggul, keliatan patah yang tinggi dan kekonduksian terma yang tinggi. Ciri-ciri seramik dan perbandingan pembolehubah kritikal, seperti nyahcas separa atau pembentukan retak, mempunyai kesan besar pada tingkah laku substrat akhir, seperti kekonduksian haba dan tingkah laku kitaran haba.
Kekonduksian terma, kekuatan lenturan dan keliatan patah adalah sifat yang paling penting apabila memilih bahan penebat untuk modul kuasa. Kekonduksian terma yang tinggi adalah penting untuk pelesapan haba yang cepat dalam modul kuasa. Kekuatan lenturan adalah penting untuk cara substrat seramik dikendalikan dan digunakan semasa proses pembungkusan, manakala keliatan patah adalah penting untuk mengetahui sejauh mana ia boleh dipercayai.
Kekonduksian terma yang rendah dan nilai mekanikal yang rendah mencirikan Al2O3 (96%). Walau bagaimanapun, kekonduksian terma 24 W/mK adalah memadai untuk kebanyakan aplikasi industri standard pada masa kini. Kekonduksian haba AlN yang tinggi iaitu 180 W/mK adalah kelebihan terbesarnya, walaupun kebolehpercayaannya yang sederhana. Ini adalah hasil daripada keliatan patah rendah Al2O3 dan kekuatan lentur yang setanding.
Permintaan yang semakin meningkat untuk kebolehpercayaan yang lebih tinggi membawa kepada kemajuan terkini dalam seramik ZTA (zirkonia toughened alumina). Seramik ini mempunyai kekuatan lenturan dan keliatan patah yang jauh lebih besar daripada bahan lain. Malangnya, kekonduksian terma seramik ZTA adalah setanding dengan standard Al2O3; akibatnya, penggunaannya dalam aplikasi berkuasa tinggi dengan ketumpatan kuasa tertinggi adalah terhad.
Manakala Si3N4 menggabungkan kekonduksian terma dan prestasi mekanikal yang sangat baik. Kekonduksian terma boleh ditentukan pada 90 W/mK, dan keliatan patahnya adalah yang tertinggi di antara seramik yang dibandingkan. Ciri-ciri ini menunjukkan bahawa Si3N4 akan mempamerkan kebolehpercayaan tertinggi sebagai substrat berlogam.
