De fleste kraftmoduldesignene i dag er basert på keramikk laget av aluminiumoksid (Al2O3) eller AlN, men etter hvert som ytelseskravene øker, ser designere på andre underlag. I EV-applikasjoner, for eksempel, går koblingstapene ned med 10 % når brikketemperaturen går fra 150 °C til 200 °C. I tillegg gjør nye emballasjeteknologier som loddefrie moduler og wire-bond-frie moduler de eksisterende substratene til det svakeste leddet.
En annen viktig faktor er at produktet må vare lenger under tøffe forhold, som de som finnes i vindturbiner. Den estimerte levetiden til vindturbiner under alle miljøforhold er femten år, noe som får designere av denne applikasjonen til å finne overlegne substratteknologier.
Økt bruk av SiC-komponenter er en tredje faktor som driver forbedrede substratalternativer. Sammenlignet med konvensjonelle moduler, viste de første SiC-modulene med optimal emballasje en tapsreduksjon på 40 til 70 prosent, men demonstrerte også nødvendigheten av innovative emballasjeteknikker, inkludert Si3N4-substrater. Alle disse tendensene vil begrense den fremtidige funksjonen til tradisjonelle Al2O3- og AlN-substrater, mens substrater basert på Si3N4 vil være det valgte materialet for fremtidige kraftmoduler med høy ytelse.
Silisiumnitrid (Si3N4) er godt egnet for kraftelektroniske underlag på grunn av sin overlegne bøyestyrke, høye bruddseighet og høye varmeledningsevne. Egenskapene til keramikken og en sammenligning av kritiske variabler, som delvis utladning eller sprekkdannelse, har en stor effekt på den endelige substratoppførselen, slik som varmeledningsevne og termisk syklus.
Termisk ledningsevne, bøyestyrke og bruddseighet er de viktigste egenskapene ved valg av isolasjonsmaterialer for kraftmoduler. Høy varmeledningsevne er avgjørende for rask spredning av varme i en kraftmodul. Bøyestyrken er viktig for hvordan det keramiske underlaget håndteres og brukes under pakkeprosessen, mens bruddseigheten er viktig for å finne ut hvor pålitelig det vil være.
Lav varmeledningsevne og lave mekaniske verdier kjennetegner Al2O3 (96%). Imidlertid er den termiske ledningsevnen på 24 W/mK tilstrekkelig for de fleste standard industrielle applikasjoner i dag. AlNs høye varmeledningsevne på 180 W/mK er dens største fordel, til tross for dens moderate pålitelighet. Dette er resultatet av Al2O3s lave bruddseighet og sammenlignbare bøyestyrke.
Den økende etterspørselen etter større pålitelighet førte til nylige fremskritt innen ZTA (zirconia toughened alumina) keramikk. Disse keramikkene har betydelig større bøyestyrke og bruddseighet enn andre materialer. Dessverre er den termiske ledningsevnen til ZTA-keramikk sammenlignbar med standard Al2O3; som et resultat er deres bruk i høyeffektapplikasjoner med de høyeste effekttetthetene begrenset.
Mens Si3N4 kombinerer utmerket termisk ledningsevne og mekanisk ytelse. Den termiske ledningsevnen kan spesifiseres til 90 W/mK, og dens bruddseighet er den høyeste blant sammenlignet keramikk. Disse egenskapene antyder at Si3N4 vil vise den høyeste påliteligheten som et metallisert substrat.