Siliciumnitridsubstrater for forbedret ydeevne i kraftelektronik

Nutidens strømmoduldesign er primært baseret på aluminiumoxid (Al2O3) eller AlN-keramik, men stigende krav til ydeevne får designere til at overveje avancerede substratalternativer. Et eksempel ses i xEV-applikationer, hvor en stigning i chiptemperaturen fra 150°C til 200°C reducerer koblingstab med 10%. Derudover gør nye emballageteknologier som lodde- og wire-bond-frie moduler de nuværende substrater til det svage led.

En anden væsentlig drivkraft af særlig betydning er behovet for en øget levetid under barske forhold som for eksempel med vindmøller. Vindmøller har en forventet levetid på 15 år uden fejl under alle miljøforhold, hvilket får designere af denne applikation til også at lede efter forbedrede substratteknologier.

En tredje driver for forbedrede substratmuligheder er den nye brug af SiC-komponenter. De første moduler, der brugte SiC og optimeret emballage viste en tabsreduktion på mellem 40 til 70 % sammenlignet med traditionelle moduler, men viste også behovet for nye emballeringsmetoder, herunder Si3N4-substrater. Alle disse tendenser vil begrænse den fremtidige rolle for traditionelle Al2O3- og AlN-substrater, mens substrater baseret på Si3N4 vil være designerens valg til højtydende strømmoduler i fremtiden.

Den fremragende bøjningsstyrke, høje brudsejhed og gode termiske ledningsevne gør siliciumnitrid (Si3Ni4) velegnet til strømelektroniske substrater. Keramikkens egenskaber og en detaljeret sammenligning af nøgleværdier som delvis udledning eller revnevækst viser en betydelig indflydelse på den endelige substratadfærd som varmeledningsevne og termisk cyklusadfærd.