De meeste ontwerpen van vermogensmodules zijn tegenwoordig gebaseerd op keramiek gemaakt van aluminiumoxide (Al2O3) of AlN, maar naarmate de prestatie-eisen stijgen, kijken ontwerpers naar andere substraten. In EV-toepassingen dalen de schakelverliezen bijvoorbeeld met 10% wanneer de chiptemperatuur van 150°C naar 200°C gaat. Bovendien maken nieuwe verpakkingstechnologieën zoals soldeervrije modules en wire-bond-vrije modules de bestaande substraten tot de zwakste schakel.
Een andere belangrijke factor is dat het product langer mee moet gaan in zware omstandigheden, zoals die in windturbines. De geschatte levensduur van windturbines onder alle omgevingsomstandigheden is vijftien jaar, waardoor de ontwerpers van deze toepassing op zoek gingen naar superieure substraattechnologieën.
Het toenemende gebruik van SiC-componenten is een derde factor die verbeterde substraatalternatieven aandrijft. In vergelijking met conventionele modules toonden de eerste SiC-modules met optimale verpakking een verliesreductie van 40 tot 70 procent, maar toonden ook de noodzaak aan van innovatieve verpakkingstechnieken, waaronder Si3N4-substraten. Al deze tendensen zullen de toekomstige functie van traditionele Al2O3- en AlN-substraten beperken, terwijl substraten op basis van Si3N4 het materiaal bij uitstek zullen zijn voor toekomstige krachtige vermogensmodules.
Siliciumnitride (Si3N4) is zeer geschikt voor vermogenselektronische substraten vanwege zijn superieure buigsterkte, hoge breuktaaiheid en hoge thermische geleidbaarheid. De kenmerken van de keramiek en een vergelijking van kritische variabelen, zoals gedeeltelijke ontlading of scheurvorming, hebben een grote invloed op het uiteindelijke substraatgedrag, zoals warmtegeleiding en thermisch cyclusgedrag.
Thermische geleidbaarheid, buigsterkte en breuktaaiheid zijn de belangrijkste eigenschappen bij het selecteren van isolatiematerialen voor vermogensmodules. Een hoge thermische geleidbaarheid is essentieel voor de snelle afvoer van warmte in een vermogensmodule. De buigsterkte is belangrijk voor hoe het keramische substraat wordt gehanteerd en gebruikt tijdens het verpakkingsproces, terwijl de breuktaaiheid belangrijk is om uit te zoeken hoe betrouwbaar het zal zijn.
Lage thermische geleidbaarheid en lage mechanische waarden karakteriseren Al2O3 (96%). De thermische geleidbaarheid van 24 W/mK is echter voldoende voor de meeste standaard industriële toepassingen van vandaag. AlN's hoge thermische geleidbaarheid van 180 W/mK is het grootste voordeel, ondanks de matige betrouwbaarheid. Dit is het resultaat van de lage breuktaaiheid en vergelijkbare buigsterkte van Al2O3.
De toenemende vraag naar grotere betrouwbaarheid leidde tot recente ontwikkelingen in ZTA-keramiek (zirconia gehard aluminiumoxide). Deze keramiek heeft een aanzienlijk grotere buigsterkte en breuktaaiheid dan andere materialen. Helaas is de thermische geleidbaarheid van ZTA-keramiek vergelijkbaar met die van standaard Al2O3; als gevolg hiervan is hun gebruik in toepassingen met hoog vermogen met de hoogste vermogensdichtheden beperkt.
Terwijl Si3N4 uitstekende thermische geleidbaarheid en mechanische prestaties combineert. De thermische geleidbaarheid kan worden gespecificeerd op 90 W/mK en de breuktaaiheid is de hoogste van de vergeleken keramieken. Deze kenmerken suggereren dat Si3N4 de hoogste betrouwbaarheid zal vertonen als een gemetalliseerd substraat.
