Більшість конструкцій модулів живлення сьогодні засновані на кераміці, виготовленій з оксиду алюмінію (Al2O3) або AlN, але зі зростанням вимог до продуктивності розробники шукають інші підкладки. Наприклад, у додатках EV втрати на комутацію зменшуються на 10%, коли температура мікросхеми підвищується від 150°C до 200°C. Крім того, нові технології упаковки, такі як модулі без пайки та модулі без дроту, роблять існуючі підкладки найслабшою ланкою.
Іншим важливим фактором є те, що виріб має довше служити в суворих умовах, як-от у вітрових турбінах. Розрахунковий термін служби вітрових турбін за будь-яких умов навколишнього середовища становить п’ятнадцять років, що спонукає розробників цього додатка шукати кращі технології підкладки.
Збільшення використання компонентів SiC є третім фактором, що стимулює покращені альтернативи підкладки. У порівнянні зі звичайними модулями, перші модулі SiC з оптимальною упаковкою продемонстрували зниження втрат на 40-70 відсотків, але також продемонстрували необхідність інноваційних методів упаковки, включаючи підкладки Si3N4. Усі ці тенденції обмежать майбутню функцію традиційних підкладок Al2O3 та AlN, тоді як підкладки на основі Si3N4 будуть обраним матеріалом для майбутніх високопродуктивних силових модулів.
Нітрид кремнію (Si3N4) добре підходить для підкладок силової електроніки завдяки своїй чудовій міцності на вигин, високій міцності на руйнування та високій теплопровідності. Характеристики кераміки та порівняння критичних змінних, таких як частковий розряд або утворення тріщин, мають великий вплив на кінцеву поведінку підкладки, таку як теплопровідність і температурний цикл.
Теплопровідність, міцність на вигин і в'язкість руйнування є найважливішими властивостями при виборі ізоляційних матеріалів для силових модулів. Висока теплопровідність необхідна для швидкого розсіювання тепла в силовому модулі. Міцність на вигин важлива для того, як керамічну підкладку обробляють і використовують під час процесу пакування, тоді як в’язкість до руйнування важлива для того, щоб визначити, наскільки вона буде надійною.
Низька теплопровідність і низькі механічні властивості характеризують Al2O3 (96%). Проте теплопровідність 24 Вт/мК є достатньою для більшості стандартних промислових застосувань на сьогоднішній день. Висока теплопровідність AlN 180 Вт/мК є його найбільшою перевагою, незважаючи на його помірну надійність. Це результат низької в'язкості Al2O3 і порівнянної міцності на вигин.
Зростаючий попит на більшу надійність призвів до нещодавніх досягнень у кераміці ZTA (цирконієвий загартований оксид алюмінію). Ця кераміка має значно більшу міцність на вигин і міцність на злам, ніж інші матеріали. На жаль, теплопровідність кераміки ZTA порівнянна зі стандартною Al2O3; як наслідок, їх використання у потужних програмах з найвищою щільністю потужності обмежено.
У той час як Si3N4 поєднує чудову теплопровідність і механічні характеристики. Теплопровідність може бути визначена на рівні 90 Вт/мК, а її міцність на руйнування є найвищою серед порівнюваної кераміки. Ці характеристики дозволяють припустити, що Si3N4 буде демонструвати найвищу надійність як металізована підкладка.
