Hầu hết các thiết kế mô-đun nguồn ngày nay đều dựa trên sứ làm bằng oxit nhôm (Al2O3) hoặc AlN, nhưng khi yêu cầu về hiệu suất tăng lên, các nhà thiết kế đang xem xét các chất nền khác. Ví dụ, trong các ứng dụng EV, tổn thất chuyển mạch giảm 10% khi nhiệt độ chip tăng từ 150°C lên 200°C. Ngoài ra, các công nghệ đóng gói mới như mô-đun không hàn và mô-đun không dây liên kết làm cho các chất nền hiện tại trở thành liên kết yếu nhất.
Một yếu tố quan trọng khác là sản phẩm cần tồn tại lâu hơn trong các điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như các điều kiện được tìm thấy trong tua-bin gió. Tuổi thọ ước tính của tua-bin gió trong mọi điều kiện môi trường là mười lăm năm, khiến các nhà thiết kế của ứng dụng này phải tìm kiếm các công nghệ chất nền vượt trội.
Tăng cường sử dụng các thành phần SiC là yếu tố thứ ba thúc đẩy các lựa chọn thay thế chất nền nâng cao. So với các mô-đun thông thường, các mô-đun SiC đầu tiên có cách đóng gói tối ưu đã chứng minh mức giảm thất thoát từ 40 đến 70 phần trăm, nhưng cũng cho thấy sự cần thiết của các kỹ thuật đóng gói cải tiến, bao gồm cả chất nền Si3N4. Tất cả những xu hướng này sẽ hạn chế chức năng trong tương lai của chất nền Al2O3 và AlN truyền thống, trong khi chất nền dựa trên Si3N4 sẽ là vật liệu được lựa chọn cho các mô-đun năng lượng hiệu suất cao trong tương lai.
Silicon nitride (Si3N4) rất phù hợp cho các chất nền điện tử công suất nhờ độ bền uốn vượt trội, độ bền gãy cao và độ dẫn nhiệt cao. Các tính năng của gốm và so sánh các biến quan trọng, chẳng hạn như phóng điện cục bộ hoặc hình thành vết nứt, có ảnh hưởng lớn đến hành vi cuối cùng của chất nền, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt và hành vi chu kỳ nhiệt.
Độ dẫn nhiệt, độ bền uốn và độ bền gãy là những đặc tính quan trọng nhất khi lựa chọn vật liệu cách điện cho mô-đun nguồn. Độ dẫn nhiệt cao là điều cần thiết để tản nhiệt nhanh chóng trong mô-đun nguồn. Độ bền uốn rất quan trọng đối với cách xử lý và sử dụng chất nền gốm trong quá trình đóng gói, trong khi độ bền đứt gãy rất quan trọng để xác định độ tin cậy của nó.
Độ dẫn nhiệt thấp và giá trị cơ học thấp đặc trưng cho Al2O3 (96%). Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt 24 W/mK là đủ cho phần lớn các ứng dụng công nghiệp tiêu chuẩn ngày nay. Độ dẫn nhiệt cao 180 W/mK của AlN là ưu điểm lớn nhất của nó, mặc dù độ tin cậy vừa phải. Đây là kết quả của độ bền đứt gãy thấp và độ bền uốn tương đương của Al2O3.
Nhu cầu ngày càng tăng về độ tin cậy cao hơn đã dẫn đến những tiến bộ gần đây trong gốm sứ ZTA (nhôm cường lực zirconia). Những đồ gốm này có độ bền uốn và độ bền gãy lớn hơn đáng kể so với các vật liệu khác. Thật không may, độ dẫn nhiệt của gốm ZTA tương đương với độ dẫn nhiệt của Al2O3 tiêu chuẩn; do đó, việc sử dụng chúng trong các ứng dụng năng lượng cao với mật độ năng lượng cao nhất bị hạn chế.
Trong khi Si3N4 kết hợp tính dẫn nhiệt tuyệt vời và hiệu suất cơ học. Độ dẫn nhiệt có thể được chỉ định ở mức 90 W/mK và độ bền đứt gãy của nó là cao nhất trong số các loại gốm được so sánh. Những đặc điểm này cho thấy rằng Si3N4 sẽ thể hiện độ tin cậy cao nhất dưới dạng chất nền kim loại hóa.
