Karamihan sa mga disenyo ng power module ngayon ay nakabatay sa mga ceramics na gawa sa aluminum oxide (Al2O3) o AlN, ngunit habang tumataas ang mga kinakailangan sa pagganap, tumitingin ang mga designer sa iba pang mga substrate. Sa mga EV application, halimbawa, bumababa ng 10% ang mga pagkalugi sa paglipat kapag ang temperatura ng chip ay mula 150°C hanggang 200°C. Bilang karagdagan, ang mga bagong teknolohiya sa packaging tulad ng mga solder-free na module at wire-bond-free na mga module ay ginagawang pinakamahinang link ang mga kasalukuyang substrate.
Ang isa pang mahalagang kadahilanan ay ang produkto ay kailangang tumagal nang mas matagal sa malupit na mga kondisyon, tulad ng mga matatagpuan sa wind turbine. Ang tinantyang buhay ng mga wind turbine sa ilalim ng lahat ng mga kondisyon sa kapaligiran ay labinlimang taon, na nag-udyok sa mga taga-disenyo ng application na ito na maghanap ng higit na mahusay na mga teknolohiya ng substrate.
Ang pagtaas ng paggamit ng mga bahagi ng SiC ay isang ikatlong salik na nagtutulak ng pinahusay na mga alternatibong substrate. Sa paghahambing sa mga maginoo na module, ang unang SiC module na may pinakamainam na packaging ay nagpakita ng pagbabawas ng pagkawala ng 40 hanggang 70 porsyento, ngunit nagpakita din ng pangangailangan para sa mga makabagong diskarte sa packaging, kabilang ang mga substrate ng Si3N4. Ang lahat ng mga tendensiyang ito ay maglilimita sa hinaharap na paggana ng tradisyonal na Al2O3 at AlN substrates, samantalang ang mga substrate na batay sa Si3N4 ay ang materyal na pipiliin para sa hinaharap na mga high-performance na power module.
Ang Silicon nitride (Si3N4) ay angkop na angkop para sa mga power electronic na substrate dahil sa napakahusay nitong lakas ng baluktot, mataas na tibay ng bali, at mataas na thermal conductivity. Ang mga tampok ng ceramic at isang paghahambing ng mga kritikal na variable, tulad ng partial discharge o crack formation, ay may malaking epekto sa panghuling pag-uugali ng substrate, tulad ng heat conductivity at thermal cycling behavior.
Ang thermal conductivity, lakas ng bending, at fracture toughness ay ang pinakamahalagang katangian kapag pumipili ng mga insulating material para sa power modules. Ang mataas na thermal conductivity ay mahalaga para sa mabilis na pagwawaldas ng init sa isang power module. Ang lakas ng baluktot ay mahalaga para sa kung paano pinangangasiwaan at ginagamit ang ceramic substrate sa panahon ng proseso ng packaging, habang ang tibay ng bali ay mahalaga para malaman kung gaano ito maaasahan.
Ang mababang thermal conductivity at mababang mekanikal na halaga ay nagpapakilala sa Al2O3 (96%). Gayunpaman, ang thermal conductivity na 24 W/mK ay sapat para sa karamihan ng mga karaniwang pang-industriya na aplikasyon sa kasalukuyang araw. Ang mataas na thermal conductivity ng AlN na 180 W/mK ang pinakamalaking bentahe nito, sa kabila ng katamtamang pagiging maaasahan nito. Ito ang resulta ng mababang fracture toughness ng Al2O3 at maihahambing na lakas ng baluktot.
Ang pagtaas ng demand para sa higit na pagiging maaasahan ay humantong sa mga kamakailang pagsulong sa ZTA (zirconia toughened alumina) ceramics. Ang mga keramika na ito ay may higit na mas mataas na lakas ng baluktot at tibay ng bali kaysa sa iba pang mga materyales. Sa kasamaang palad, ang thermal conductivity ng ZTA ceramics ay maihahambing sa karaniwang Al2O3; bilang resulta, ang kanilang paggamit sa mga high-power na application na may pinakamataas na densidad ng kapangyarihan ay pinaghihigpitan.
Habang pinagsasama ng Si3N4 ang mahusay na thermal conductivity at mekanikal na pagganap. Ang thermal conductivity ay maaaring tukuyin sa 90 W/mK, at ang fracture toughness nito ang pinakamataas sa mga inihambing na ceramics. Iminumungkahi ng mga katangiang ito na ang Si3N4 ay magpapakita ng pinakamataas na pagiging maaasahan bilang isang metalized na substrate.
