Siliciumnitridesubstraten voor betere prestaties in vermogenselektronica

De huidige ontwerpen van voedingsmodules zijn voornamelijk gebaseerd op aluminiumoxide (Al2O3) of AlN-keramiek, maar de toenemende prestatie-eisen zorgen ervoor dat ontwerpers geavanceerde substraatalternatieven overwegen. Een voorbeeld zien we in xEV-toepassingen waarbij een verhoging van de chiptemperatuur van 150°C naar 200°C de schakelverliezen met 10% vermindert. Bovendien maken nieuwe verpakkingstechnologieën zoals soldeer- en draadvrije modules de huidige substraten tot de zwakke schakel.

Een andere belangrijke drijfveer van bijzonder belang is de behoefte aan een langere levensduur onder zware omstandigheden, zoals bij windturbines. Windturbines hebben een verwachte levensduur van 15 jaar zonder storingen onder alle omgevingsomstandigheden, waardoor ontwerpers van deze toepassing ook op zoek gingen naar verbeterde substraattechnologieën.

Een derde drijfveer voor verbeterde substraatopties is het opkomende gebruik van SiC-componenten. De eerste modules die SiC en geoptimaliseerde verpakkingen gebruikten, vertoonden een verliesreductie van 40 tot 70% vergeleken met traditionele modules, maar presenteerden ook de behoefte aan nieuwe verpakkingsmethoden, waaronder Si3N4-substraten. Al deze trends zullen de toekomstige rol van traditionele Al2O3- en AlN-substraten beperken, terwijl substraten op basis van Si3N4 in de toekomst de keuze van ontwerpers zullen zijn voor hoogwaardige vermogensmodules.

De uitstekende buigsterkte, hoge breuktaaiheid en goede thermische geleidbaarheid maken siliciumnitride (Si3Ni4) zeer geschikt voor substraten voor vermogenselektronica. De kenmerken van het keramiek en een gedetailleerde vergelijking van sleutelwaarden zoals gedeeltelijke ontlading of scheurgroei tonen een significante invloed op het uiteindelijke substraatgedrag, zoals warmtegeleidingsvermogen en thermisch cyclisch gedrag.