Väčšina návrhov výkonových modulov je dnes založená na keramike vyrobenej z oxidu hlinitého (Al2O3) alebo AlN, ale s rastúcimi požiadavkami na výkon dizajnéri hľadajú iné substráty. Napríklad v aplikáciách EV klesnú spínacie straty o 10 %, keď teplota čipu prejde zo 150 °C na 200 °C. Navyše nové baliace technológie, ako sú bezspájkovacie moduly a bezdrôtové moduly, robia z existujúcich substrátov najslabší článok.
Ďalším dôležitým faktorom je, že výrobok musí vydržať dlhšie v drsných podmienkach, aké sa vyskytujú vo veterných turbínach. Odhadovaná životnosť veterných turbín za všetkých podmienok prostredia je pätnásť rokov, čo núti dizajnérov tejto aplikácie hľadať špičkové technológie substrátov.
Zvyšujúce sa využitie komponentov SiC je tretím faktorom, ktorý riadi vylepšené alternatívy substrátov. V porovnaní s konvenčnými modulmi preukázali prvé SiC moduly s optimálnym balením zníženie strát o 40 až 70 percent, ale tiež preukázali potrebu inovatívnych baliacich techník, vrátane substrátov Si3N4. Všetky tieto tendencie obmedzia budúcu funkciu tradičných substrátov Al2O3 a AlN, zatiaľ čo substráty založené na Si3N4 budú materiálom voľby pre budúce vysokovýkonné výkonové moduly.
Nitrid kremíka (Si3N4) je vhodný pre výkonové elektronické substráty vďaka svojej vynikajúcej pevnosti v ohybe, vysokej lomovej húževnatosti a vysokej tepelnej vodivosti. Charakteristiky keramiky a porovnanie kritických premenných, ako je čiastočný výboj alebo tvorba trhlín, majú veľký vplyv na konečné správanie substrátu, ako je tepelná vodivosť a správanie sa tepelných cyklov.
Tepelná vodivosť, pevnosť v ohybe a lomová húževnatosť sú najdôležitejšie vlastnosti pri výbere izolačných materiálov pre výkonové moduly. Vysoká tepelná vodivosť je nevyhnutná pre rýchle rozptýlenie tepla vo výkonovom module. Pevnosť v ohybe je dôležitá pre to, ako sa s keramickým substrátom manipuluje a ako sa používa počas procesu balenia, zatiaľ čo lomová húževnatosť je dôležitá pre zistenie, ako bude spoľahlivý.
Nízka tepelná vodivosť a nízke mechanické hodnoty charakterizujú Al2O3 (96 %). Tepelná vodivosť 24 W/mK však postačuje pre väčšinu bežných priemyselných aplikácií súčasnosti. Vysoká tepelná vodivosť AlN 180 W/mK je jeho najväčšou výhodou aj napriek strednej spoľahlivosti. Je to výsledok nízkej lomovej húževnatosti Al2O3 a porovnateľnej pevnosti v ohybe.
Zvyšujúci sa dopyt po väčšej spoľahlivosti viedol k nedávnemu pokroku v keramike ZTA (zirkónom tvrdený oxid hlinitý). Táto keramika má výrazne väčšiu pevnosť v ohybe a lomovú húževnatosť ako iné materiály. Žiaľ, tepelná vodivosť keramiky ZTA je porovnateľná so štandardným Al2O3; v dôsledku toho je ich použitie vo vysokovýkonných aplikáciách s najvyššou hustotou výkonu obmedzené.
Zatiaľ čo Si3N4 kombinuje vynikajúcu tepelnú vodivosť a mechanické vlastnosti. Tepelnú vodivosť možno špecifikovať na 90 W/mK a jej lomová húževnatosť je najvyššia spomedzi porovnávanej keramiky. Tieto charakteristiky naznačujú, že Si3N4 bude vykazovať najvyššiu spoľahlivosť ako metalizovaný substrát.
