Silisiumnitridsubstrater for forbedret ytelse i kraftelektronikk

Dagens kraftmoduldesign er primært basert på aluminiumoksid (Al2O3) eller AlN-keramikk, men økende ytelseskrav får designere til å vurdere avanserte substratalternativer. Et eksempel sees i xEV-applikasjoner der en økning i brikketemperaturen fra 150°C til 200°C reduserer koblingstapene med 10 %. I tillegg gjør nye emballasjeteknologier som loddemetall og wire-bond-frie moduler de nåværende substratene til det svake leddet.

En annen betydelig driver av spesiell betydning er behovet for økt levetid under tøffe forhold som for eksempel med vindturbiner. Vindturbiner har en forventet levetid på 15 år uten svikt under alle miljøforhold, noe som får designere av denne applikasjonen til å se etter forbedrede substratteknologier også.

En tredje driver for forbedrede substratalternativer er den nye bruken av SiC-komponenter. De første modulene som brukte SiC og optimalisert emballasje viste en tapsreduksjon på mellom 40 til 70 % sammenlignet med tradisjonelle moduler, men presenterte også behovet for nye emballasjemetoder, inkludert Si3N4-substrater. Alle disse trendene vil begrense den fremtidige rollen til tradisjonelle Al2O3- og AlN-substrater, mens substrater basert på Si3N4 vil være designerens valg for kraftmoduler med høy ytelse i fremtiden.

Den utmerkede bøyestyrken, høye bruddseigheten og den gode varmeledningsevnen gjør silisiumnitrid (Si3Ni4) godt egnet for kraftelektroniske underlag. Karakteristikkene til keramikken og en detaljert sammenligning av nøkkelverdier som delvis utladning eller sprekkvekst viser en betydelig innflytelse på det endelige underlagets oppførsel som varmeledningsevne og termisk syklus.