Atualmente, a maioria dos projetos de módulos de potência é baseada em cerâmica feita de óxido de alumínio (Al2O3) ou AlN, mas conforme os requisitos de desempenho aumentam, os projetistas estão procurando outros substratos. Em aplicações EV, por exemplo, as perdas de comutação diminuem em 10% quando a temperatura do chip vai de 150°C para 200°C. Além disso, novas tecnologias de embalagem, como módulos sem solda e sem fio, tornam os substratos existentes o elo mais fraco.

Outro fator importante é que o produto precisa durar mais em condições adversas, como as encontradas em aerogeradores. A vida útil estimada das turbinas eólicas sob todas as condições ambientais é de quinze anos, levando os projetistas desta aplicação a buscar tecnologias de substrato superiores.

O aumento da utilização de componentes de SiC é um terceiro fator que impulsiona alternativas de substrato aprimoradas. Em comparação com os módulos convencionais, os primeiros módulos de SiC com embalagem ideal demonstraram uma redução de perda de 40 a 70 por cento, mas também demonstraram a necessidade de técnicas de embalagem inovadoras, incluindo substratos de Si3N4. Todas essas tendências limitarão a função futura dos substratos tradicionais Al2O3 e AlN, enquanto os substratos baseados em Si3N4 serão o material de escolha para futuros módulos de potência de alto desempenho.

O nitreto de silício (Si3N4) é adequado para substratos eletrônicos de potência devido à sua resistência superior à flexão, alta tenacidade à fratura e alta condutividade térmica. As características da cerâmica e uma comparação de variáveis ​​críticas, como descarga parcial ou formação de trincas, têm um efeito importante no comportamento do substrato final, como condutividade térmica e comportamento de ciclagem térmica.

Condutividade térmica, resistência à flexão e tenacidade à fratura são as propriedades mais importantes ao selecionar materiais isolantes para módulos de potência. A alta condutividade térmica é essencial para a rápida dissipação de calor em um módulo de potência. A resistência à flexão é importante para a forma como o substrato cerâmico é manuseado e usado durante o processo de embalagem, enquanto a tenacidade à fratura é importante para descobrir o quão confiável será.

Baixa condutividade térmica e baixos valores mecânicos caracterizam o Al2O3 (96%). No entanto, a condutividade térmica de 24 W/mK é adequada para a maioria das aplicações industriais padrão dos dias atuais. A alta condutividade térmica do AlN de 180 W/mK é sua maior vantagem, apesar de sua confiabilidade moderada. Este é o resultado da baixa tenacidade à fratura do Al2O3 e resistência à flexão comparável.

A crescente demanda por maior confiabilidade levou a avanços recentes na cerâmica ZTA (alumina temperada com zircônia). Essas cerâmicas têm resistência à flexão e tenacidade à fratura significativamente maiores do que outros materiais. Infelizmente, a condutividade térmica da cerâmica ZTA é comparável à do padrão Al2O3; como resultado, seu uso em aplicações de alta potência com as maiores densidades de potência é restrito.

Enquanto o Si3N4 combina excelente condutividade térmica e desempenho mecânico. A condutividade térmica pode ser especificada em 90 W/mK, e sua tenacidade à fratura é a mais alta entre as cerâmicas comparadas. Essas características sugerem que o Si3N4 exibirá a maior confiabilidade como substrato metalizado.