Większość projektów modułów zasilających jest obecnie oparta na ceramice wykonanej z tlenku glinu (Al2O3) lub AlN, ale wraz ze wzrostem wymagań dotyczących wydajności projektanci szukają innych podłoży. Na przykład w aplikacjach EV straty przełączania spadają o 10%, gdy temperatura chipa wzrasta ze 150°C do 200°C. Ponadto nowe technologie pakowania, takie jak moduły bez lutowania i bez łączenia przewodów, sprawiają, że istniejące podłoża są najsłabszym ogniwem.
Innym ważnym czynnikiem jest to, że produkt musi wytrzymać dłużej w trudnych warunkach, takich jak te panujące w turbinach wiatrowych. Szacowany czas życia turbin wiatrowych we wszystkich warunkach środowiskowych wynosi piętnaście lat, co skłoniło projektantów tej aplikacji do poszukiwania lepszych technologii substratów.
Rosnące wykorzystanie komponentów SiC jest trzecim czynnikiem napędzającym udoskonalone alternatywy substratów. W porównaniu z konwencjonalnymi modułami, pierwsze moduły SiC z optymalnym opakowaniem wykazały redukcję strat od 40 do 70 procent, ale wykazały również konieczność zastosowania innowacyjnych technik pakowania, w tym substratów Si3N4. Wszystkie te tendencje będą ograniczać przyszłe funkcje tradycyjnych podłoży Al2O3 i AlN, podczas gdy podłoża oparte na Si3N4 będą materiałem z wyboru dla przyszłych wysokowydajnych modułów zasilających.
Azotek krzemu (Si3N4) dobrze nadaje się do podłoży energoelektronicznych ze względu na jego doskonałą wytrzymałość na zginanie, wysoką odporność na pękanie i wysoką przewodność cieplną. Cechy ceramiki i porównanie krytycznych zmiennych, takich jak wyładowania niezupełne lub powstawanie pęknięć, mają duży wpływ na końcowe zachowanie podłoża, takie jak przewodność cieplna i cykle termiczne.
Przewodność cieplna, wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie to najważniejsze właściwości przy wyborze materiałów izolacyjnych do modułów mocy. Wysoka przewodność cieplna jest niezbędna do szybkiego rozpraszania ciepła w module mocy. Wytrzymałość na zginanie jest ważna dla sposobu obchodzenia się z podłożem ceramicznym podczas procesu pakowania, podczas gdy odporność na pękanie jest ważna dla ustalenia, na ile będzie ono niezawodne.
Niska przewodność cieplna i niskie wartości mechaniczne charakteryzują Al2O3 (96%). Jednak przewodność cieplna na poziomie 24 W/mK jest wystarczająca dla większości standardowych zastosowań przemysłowych współczesności. Wysoka przewodność cieplna AlN wynosząca 180 W/mK jest jego największą zaletą, pomimo umiarkowanej niezawodności. Jest to wynikiem niskiej odporności Al2O3 na pękanie i porównywalnej wytrzymałości na zginanie.
Rosnące zapotrzebowanie na większą niezawodność doprowadziło do ostatnich postępów w ceramice ZTA (tlenek glinu utwardzany tlenkiem cyrkonu). Te ceramiki mają znacznie większą wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie niż inne materiały. Niestety przewodność cieplna ceramiki ZTA jest porównywalna z przewodnością standardowego Al2O3; w rezultacie ich użycie w aplikacjach o dużej mocy i najwyższych gęstościach mocy jest ograniczone.
Podczas gdy Si3N4 łączy w sobie doskonałe przewodnictwo cieplne i właściwości mechaniczne. Przewodność cieplną można określić na poziomie 90 W/mK, a odporność na pękanie jest najwyższa spośród porównywanych ceramik. Te cechy sugerują, że Si3N4 będzie wykazywał najwyższą niezawodność jako metalizowane podłoże.
