De flesta kraftmodulkonstruktioner idag är baserade på keramik gjord av aluminiumoxid (Al2O3) eller AlN, men när prestandakraven ökar tittar designers på andra substrat. I EV-applikationer, till exempel, minskar kopplingsförlusterna med 10 % när chiptemperaturen går från 150°C till 200°C. Dessutom gör nya förpackningsteknologier som lödfria moduler och trådbundna moduler de befintliga substraten till den svagaste länken.
En annan viktig faktor är att produkten behöver hålla längre under tuffa förhållanden, som de som finns i vindkraftverk. Den beräknade livslängden för vindturbiner under alla miljöförhållanden är femton år, vilket föranleder konstruktörerna av denna applikation att söka efter överlägsen substratteknologi.
Ökad användning av SiC-komponenter är en tredje faktor som driver förbättrade substratalternativ. Jämfört med konventionella moduler visade de första SiC-modulerna med optimal förpackning en förlustreduktion på 40 till 70 procent, men visade också på nödvändigheten av innovativa förpackningstekniker, inklusive Si3N4-substrat. Alla dessa tendenser kommer att begränsa den framtida funktionen hos traditionella Al2O3- och AlN-substrat, medan substrat baserade på Si3N4 kommer att vara det valda materialet för framtida högpresterande kraftmoduler.
Kiselnitrid (Si3N4) är väl lämpad för kraftelektroniska substrat på grund av sin överlägsna böjhållfasthet, höga brottseghet och höga värmeledningsförmåga. Keramikens egenskaper och en jämförelse av kritiska variabler, såsom partiell urladdning eller sprickbildning, har en stor effekt på det slutliga substratets beteende, såsom värmeledningsförmåga och termiskt cykliskt beteende.
Värmeledningsförmåga, böjhållfasthet och brottseghet är de viktigaste egenskaperna vid val av isoleringsmaterial för kraftmoduler. Hög värmeledningsförmåga är avgörande för snabb bortledning av värme i en kraftmodul. Böjhållfastheten är viktig för hur det keramiska underlaget hanteras och används under förpackningsprocessen, medan brottsegheten är viktig för att ta reda på hur tillförlitligt det blir.
Låg värmeledningsförmåga och låga mekaniska värden kännetecknar Al2O3 (96%). Den termiska ledningsförmågan på 24 W/mK är dock tillräcklig för de flesta industriella standardapplikationer i dag. AlN:s höga värmeledningsförmåga på 180 W/mK är dess största fördel, trots dess måttliga tillförlitlighet. Detta är resultatet av Al2O3:s låga brottseghet och jämförbara böjhållfasthet.
Den ökande efterfrågan på större pålitlighet ledde till de senaste framstegen inom ZTA (zirconia toughened alumina) keramik. Dessa keramer har betydligt större böjhållfasthet och brottseghet än andra material. Tyvärr är värmeledningsförmågan hos ZTA-keramik jämförbar med den för standard Al2O3; som ett resultat är deras användning i högeffektapplikationer med de högsta effekttätheterna begränsad.
Medan Si3N4 kombinerar utmärkt värmeledningsförmåga och mekanisk prestanda. Värmeledningsförmågan kan specificeras till 90 W/mK, och dess brottseghet är den högsta bland de jämförda keramerna. Dessa egenskaper tyder på att Si3N4 kommer att uppvisa högsta tillförlitlighet som ett metalliserat substrat.
