Majoritatea modelelor de module de putere de astăzi se bazează pe ceramică din oxid de aluminiu (Al2O3) sau AlN, dar pe măsură ce cerințele de performanță cresc, designerii caută alte substraturi. În aplicațiile EV, de exemplu, pierderile de comutare scad cu 10% atunci când temperatura cipului trece de la 150°C la 200°C. În plus, noile tehnologii de ambalare, cum ar fi modulele fără lipire și modulele fără lipire de sârmă, fac din substraturile existente veriga cea mai slabă.
Un alt factor important este că produsul trebuie să reziste mai mult în condiții grele, cum ar fi cele găsite în turbinele eoliene. Durata de viață estimată a turbinelor eoliene în toate condițiile de mediu este de cincisprezece ani, ceea ce a determinat proiectanții acestei aplicații să caute tehnologii de substrat superioare.
Creșterea utilizării componentelor SiC este un al treilea factor care conduce la alternative de substrat îmbunătățite. În comparație cu modulele convenționale, primele module SiC cu ambalare optimă au demonstrat o reducere a pierderilor de 40 până la 70 la sută, dar au demonstrat și necesitatea unor tehnici de ambalare inovatoare, inclusiv substraturi Si3N4. Toate aceste tendințe vor limita funcția viitoare a substraturilor tradiționale de Al2O3 și AlN, în timp ce substraturile bazate pe Si3N4 vor fi materialul de alegere pentru viitoarele module de putere de înaltă performanță.
Nitrura de siliciu (Si3N4) este potrivită pentru substraturile electronice de putere datorită rezistenței sale superioare la încovoiere, durității ridicate la rupere și conductivității termice ridicate. Caracteristicile ceramicii și o comparație a variabilelor critice, cum ar fi descărcarea parțială sau formarea de fisuri, au un efect major asupra comportamentului final al substratului, cum ar fi conductivitatea termică și comportamentul ciclic termic.
Conductivitatea termică, rezistența la încovoiere și rezistența la rupere sunt cele mai importante proprietăți atunci când se selectează materiale izolante pentru modulele de putere. Conductivitatea termică ridicată este esențială pentru disiparea rapidă a căldurii într-un modul de putere. Rezistența la încovoiere este importantă pentru modul în care substratul ceramic este manipulat și utilizat în timpul procesului de ambalare, în timp ce duritatea la rupere este importantă pentru a afla cât de fiabil va fi.
Conductivitate termică scăzută și valori mecanice scăzute caracterizează Al2O3 (96%). Cu toate acestea, conductivitatea termică de 24 W/mK este adecvată pentru majoritatea aplicațiilor industriale standard ale zilelor noastre. Conductivitatea termică ridicată a lui AlN de 180 W/mK este cel mai mare avantaj al său, în ciuda fiabilității sale moderate. Acesta este rezultatul durității scăzute la rupere a Al2O3 și rezistenței comparabile la încovoiere.
Cererea tot mai mare pentru o fiabilitate mai mare a condus la progrese recente în ceramica ZTA (alumină întărită cu zirconiu). Aceste ceramice au o rezistență la încovoiere și o rezistență la rupere semnificativ mai mari decât alte materiale. Din păcate, conductivitatea termică a ceramicii ZTA este comparabilă cu cea a standardului Al2O3; ca urmare, utilizarea lor în aplicații de mare putere cu cele mai mari densități de putere este restricționată.
În timp ce Si3N4 combină conductivitate termică excelentă și performanță mecanică. Conductivitatea termică poate fi specificată la 90 W/mK, iar duritatea sa la rupere este cea mai mare dintre ceramicele comparate. Aceste caracteristici sugerează că Si3N4 va prezenta cea mai mare fiabilitate ca substrat metalizat.
