Podłoża z azotku krzemu dla lepszej wydajności w energoelektronice

Dzisiejsze konstrukcje modułów mocy opierają się głównie na tlenku glinu (Al2O3) lub ceramice AlN, ale rosnące wymagania dotyczące wydajności powodują, że projektanci rozważają zaawansowane alternatywne podłoża. Jeden przykład można zobaczyć w zastosowaniach xEV, gdzie wzrost temperatury chipa ze 150°C do 200°C zmniejsza straty przełączania o 10%. Ponadto nowe technologie pakowania, takie jak moduły lutowane i pozbawione połączeń drutowych, sprawiają, że obecne podłoża są słabym ogniwem.

Innym istotnym czynnikiem o szczególnym znaczeniu jest potrzeba wydłużenia żywotności w trudnych warunkach, takich jak turbiny wiatrowe. Turbiny wiatrowe mają oczekiwany czas życia bezawaryjny wynoszący 15 lat w każdych warunkach środowiskowych, co powoduje, że projektanci tego zastosowania szukają również ulepszonych technologii podłoża.

Trzecim czynnikiem wpływającym na ulepszone opcje podłoży jest pojawiające się zastosowanie komponentów SiC. Pierwsze moduły wykorzystujące SiC i zoptymalizowane opakowanie wykazały redukcję strat od 40 do 70% w porównaniu z tradycyjnymi modułami, ale wykazały także potrzebę opracowania nowych metod pakowania, w tym substratów Si3N4. Wszystkie te trendy ograniczą przyszłą rolę tradycyjnych substratów Al2O3 i AlN, natomiast podłoża na bazie Si3N4 będą w przyszłości wyborem projektantów dla wysokowydajnych modułów mocy.

Doskonała wytrzymałość na zginanie, wysoka odporność na pękanie i dobra przewodność cieplna sprawiają, że azotek krzemu (Si3Ni4) dobrze nadaje się na podłoża energoelektroniczne. Charakterystyka ceramiki i szczegółowe porównanie kluczowych wartości, takich jak wyładowanie niezupełne lub rozwój pęknięć, pokazują znaczący wpływ na końcowe zachowanie podłoża, takie jak przewodność cieplna i zachowanie podczas cykli termicznych.