Сегодня большинство конструкций силовых модулей основаны на керамике из оксида алюминия (Al2O3) или AlN, но по мере роста требований к производительности разработчики ищут другие подложки. Например, в приложениях для электромобилей потери при переключении снижаются на 10 %, когда температура кристалла повышается со 150 °C до 200 °C. Кроме того, новые технологии упаковки, такие как модули без пайки и без проволочных соединений, делают существующие подложки самым слабым звеном.
Еще одним важным фактором является то, что продукт должен дольше служить в суровых условиях, например, в ветряных турбинах. Предполагаемый срок службы ветряных турбин при любых условиях окружающей среды составляет пятнадцать лет, что побудило разработчиков этого приложения искать более совершенные технологии субстрата.
Расширение использования компонентов карбида кремния является третьим фактором, стимулирующим альтернативы улучшенным подложкам. По сравнению с обычными модулями первые модули SiC с оптимальной компоновкой продемонстрировали снижение потерь на 40–70 процентов, но также продемонстрировали необходимость в инновационных методах компоновки, включая подложки Si3N4. Все эти тенденции будут ограничивать будущие функции традиционных подложек из Al2O3 и AlN, тогда как подложки на основе Si3N4 будут предпочтительным материалом для будущих высокопроизводительных силовых модулей.
Нитрид кремния (Si3N4) хорошо подходит для подложек силовой электроники благодаря своей превосходной прочности на изгиб, высокой вязкости разрушения и высокой теплопроводности. Характеристики керамики и сравнение критических переменных, таких как частичный разряд или образование трещин, оказывают большое влияние на окончательное поведение подложки, например на теплопроводность и термоциклирование.
Теплопроводность, прочность на изгиб и вязкость разрушения являются наиболее важными свойствами при выборе изоляционных материалов для силовых модулей. Высокая теплопроводность необходима для быстрого рассеивания тепла в силовом модуле. Прочность на изгиб важна для того, как керамическая подложка обрабатывается и используется в процессе упаковки, в то время как вязкость разрушения важна для определения ее надежности.
Низкая теплопроводность и низкие механические показатели характеризуют Al2O3 (96%). Тем не менее, теплопроводность 24 Вт/мК достаточна для большинства стандартных промышленных применений в настоящее время. Высокая теплопроводность AlN, составляющая 180 Вт/мК, является его самым большим преимуществом, несмотря на умеренную надежность. Это результат низкой вязкости Al2O3 и сопоставимой прочности на изгиб.
Растущий спрос на большую надежность привел к недавним достижениям в керамике ZTA (оксид алюминия, упрочненный цирконием). Эта керамика обладает значительно большей прочностью на изгиб и вязкостью разрушения, чем другие материалы. К сожалению, теплопроводность ZTA-керамики сравнима со стандартным Al2O3; в результате их использование в приложениях высокой мощности с наивысшей плотностью мощности ограничено.
В то время как Si3N4 сочетает в себе отличную теплопроводность и механические характеристики. Теплопроводность может быть задана на уровне 90 Вт/мК, а его трещиностойкость является самой высокой среди сравниваемых керамик. Эти характеристики предполагают, что Si3N4 будет демонстрировать самую высокую надежность в качестве металлизированной подложки.
