Günümüzde çoğu güç modülü tasarımı, alüminyum oksit (Al2O3) veya AlN'den yapılan seramiklere dayanmaktadır, ancak performans gereksinimleri arttıkça, tasarımcılar diğer alt tabakalara bakmaktadır. Örneğin EV uygulamalarında, çip sıcaklığı 150°C'den 200°C'ye çıktığında anahtarlama kayıpları %10 azalır. Ek olarak, lehimsiz modüller ve telsiz modüller gibi yeni paketleme teknolojileri, mevcut alt tabakaları en zayıf halka haline getirir.
Bir diğer önemli faktör ise, ürünün rüzgar türbinlerinde bulunanlar gibi zorlu koşullarda daha uzun süre dayanması gerektiğidir. Tüm çevresel koşullar altında rüzgar türbinlerinin tahmini kullanım ömrü on beş yıldır ve bu uygulamanın tasarımcılarını üstün alt tabaka teknolojileri aramaya sevk etmektedir.
SiC bileşenlerinin artan kullanımı, geliştirilmiş alt tabaka alternatiflerini yönlendiren üçüncü bir faktördür. Geleneksel modüllerle karşılaştırıldığında, optimum paketlemeye sahip ilk SiC modülleri, yüzde 40 ila 70'lik bir kayıp azalması gösterdi, ancak aynı zamanda Si3N4 substratları da dahil olmak üzere yenilikçi paketleme tekniklerinin gerekliliğini de gösterdi. Tüm bu eğilimler, geleneksel Al2O3 ve AlN alt tabakaların gelecekteki işlevini sınırlarken, Si3N4 tabanlı alt tabakalar, geleceğin yüksek performanslı güç modülleri için tercih edilen malzeme olacaktır.
Silikon nitrür (Si3N4), üstün bükülme mukavemeti, yüksek kırılma tokluğu ve yüksek termal iletkenliği nedeniyle güç elektroniği alt tabakaları için çok uygundur. Seramiğin özellikleri ve kısmi boşalma veya çatlak oluşumu gibi kritik değişkenlerin karşılaştırılması, ısı iletkenliği ve termal döngü davranışı gibi nihai alt tabaka davranışı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Güç modülleri için yalıtım malzemeleri seçilirken termal iletkenlik, eğilme mukavemeti ve kırılma tokluğu en önemli özelliklerdir. Bir güç modülünde ısının hızlı bir şekilde dağılması için yüksek termal iletkenlik gereklidir. Eğilme mukavemeti, paketleme işlemi sırasında seramik alt tabakanın nasıl işlendiği ve kullanıldığı için önemlidir, kırılma tokluğu ise ne kadar güvenilir olacağını anlamak için önemlidir.
Düşük termal iletkenlik ve düşük mekanik değerler Al2O3'ü (%96) karakterize eder. Bununla birlikte, 24 W/mK'lik termal iletkenlik, günümüzün standart endüstriyel uygulamalarının çoğu için yeterlidir. AlN'nin 180 W/mK'lik yüksek termal iletkenliği, orta düzeyde güvenilirliğine rağmen en büyük avantajıdır. Bu, Al2O3'ün düşük kırılma tokluğunun ve kıyaslanabilir eğilme mukavemetinin sonucudur.
Daha fazla güvenilirlik için artan talep, ZTA (zirkonya sertleştirilmiş alümina) seramiklerinde son gelişmelere yol açtı. Bu seramikler, diğer malzemelere göre önemli ölçüde daha fazla bükülme direncine ve kırılma tokluğuna sahiptir. Ne yazık ki, ZTA seramiklerinin termal iletkenliği, standart Al2O3'ünkiyle karşılaştırılabilir; sonuç olarak, en yüksek güç yoğunluklarına sahip yüksek güçlü uygulamalarda kullanımları kısıtlanmıştır.
Si3N4 ise mükemmel termal iletkenliği ve mekanik performansı birleştirir. Termal iletkenlik 90 W/mK olarak belirtilebilir ve kırılma tokluğu karşılaştırılan seramikler arasında en yüksektir. Bu özellikler, Si3N4'ün metalize bir substrat olarak en yüksek güvenilirliği sergileyeceğini göstermektedir.
