Silikonnitridsubstrat för förbättrad prestanda inom kraftelektronik

Dagens kraftmodulkonstruktioner är främst baserade på aluminiumoxid (Al2O3) eller AlN-keramik, men ökande prestandakrav får designers att överväga avancerade substratalternativ. Ett exempel ses i xEV-applikationer där en ökning av chiptemperaturen från 150°C till 200°C minskar kopplingsförlusterna med 10 %. Dessutom gör nya förpackningstekniker som lod och trådbundna moduler de nuvarande substraten till den svaga länken.

En annan betydande drivkraft av särskild vikt är behovet av en ökad livslängd under tuffa förhållanden som med vindkraftverk. Vindturbiner har en förväntad livslängd på 15 år utan fel under alla miljöförhållanden, vilket gör att konstruktörer av denna applikation också letar efter förbättrad substratteknologi.

En tredje drivkraft för förbättrade substratalternativ är den framväxande användningen av SiC-komponenter. De första modulerna som använde SiC och optimerad förpackning visade en förlustminskning på mellan 40 till 70 % jämfört med traditionella moduler, men visade också behovet av nya förpackningsmetoder, inklusive Si3N4-substrat. Alla dessa trender kommer att begränsa den framtida rollen för traditionella Al2O3- och AlN-substrat, medan substrat baserade på Si3N4 kommer att vara designerns val för högpresterande kraftmoduler i framtiden.

Den utmärkta böjhållfastheten, den höga brottsegheten och den goda värmeledningsförmågan gör kiselnitrid (Si3Ni4) väl lämpad för kraftelektroniska substrat. Keramikens egenskaper och en detaljerad jämförelse av nyckelvärden som partiell urladdning eller spricktillväxt visar en betydande inverkan på det slutliga substratets beteende som värmeledningsförmåga och termiskt cykliskt beteende.