Večina današnjih zasnov napajalnih modulov temelji na keramiki iz aluminijevega oksida (Al2O3) ali AlN, a ko zahteve glede zmogljivosti naraščajo, oblikovalci iščejo druge podlage. V aplikacijah EV se na primer izgube preklapljanja zmanjšajo za 10 %, ko temperatura čipa pade s 150 °C na 200 °C. Poleg tega nove tehnologije pakiranja, kot so moduli brez spajkanja in moduli brez žice, naredijo obstoječe podlage najšibkejši člen.
Drug pomemben dejavnik je, da mora izdelek trajati dlje v težkih pogojih, kot so tisti v vetrnih turbinah. Ocenjena življenjska doba vetrnih turbin v vseh okoljskih pogojih je petnajst let, kar je načrtovalce te aplikacije spodbudilo k iskanju vrhunskih tehnologij substrata.
Vse večja uporaba komponent SiC je tretji dejavnik, ki spodbuja izboljšane alternative substrata. V primerjavi z običajnimi moduli so prvi moduli SiC z optimalno embalažo pokazali zmanjšanje izgube od 40 do 70 odstotkov, vendar so tudi pokazali potrebo po inovativnih tehnikah pakiranja, vključno s substrati Si3N4. Vse te težnje bodo omejile prihodnjo funkcijo tradicionalnih substratov Al2O3 in AlN, medtem ko bodo substrati na osnovi Si3N4 izbrani material za prihodnje visoko zmogljive napajalne module.
Silicijev nitrid (Si3N4) je zaradi svoje vrhunske upogibne trdnosti, visoke lomne žilavosti in visoke toplotne prevodnosti zelo primeren za podlage močne elektronike. Značilnosti keramike in primerjava kritičnih spremenljivk, kot je delna razelektritev ali nastanek razpok, imajo velik vpliv na končno obnašanje substrata, kot sta toplotna prevodnost in toplotno kroženje.
Toplotna prevodnost, upogibna trdnost in lomna žilavost so najpomembnejše lastnosti pri izbiri izolacijskih materialov za močnostne module. Visoka toplotna prevodnost je bistvena za hitro odvajanje toplote v močnostnem modulu. Upogibna trdnost je pomembna za ravnanje s keramično podlago in uporabo med postopkom pakiranja, medtem ko je lomna žilavost pomembna za ugotovitev, kako zanesljiva bo.
Nizka toplotna prevodnost in nizke mehanske vrednosti so značilne za Al2O3 (96 %). Vendar je toplotna prevodnost 24 W/mK primerna za večino standardnih industrijskih aplikacij današnjega časa. Visoka toplotna prevodnost AlN 180 W/mK je kljub zmerni zanesljivosti njegova največja prednost. To je rezultat nizke lomne žilavosti Al2O3 in primerljive upogibne trdnosti.
Naraščajoče povpraševanje po večji zanesljivosti je pripeljalo do nedavnega napredka pri keramiki ZTA (cirkonij, kaljena aluminijev oksid). Ta keramika ima bistveno večjo upogibno trdnost in lomno žilavost kot drugi materiali. Žal je toplotna prevodnost ZTA keramike primerljiva s standardno Al2O3; posledično je njihova uporaba v visokozmogljivih aplikacijah z najvišjo gostoto moči omejena.
Medtem ko Si3N4 združuje odlično toplotno prevodnost in mehanske lastnosti. Toplotno prevodnost lahko določimo pri 90 W/mK, njena lomna žilavost pa je najvišja med primerjano keramiko. Te značilnosti kažejo, da bo Si3N4 pokazal največjo zanesljivost kot metaliziran substrat.
