Substrati in nitruro di silicio per prestazioni migliorate nell'elettronica di potenza

I progetti odierni dei moduli di potenza si basano principalmente su ossido di alluminio (Al2O3) o ceramica AlN, ma le crescenti richieste di prestazioni stanno spingendo i progettisti a prendere in considerazione alternative di substrati avanzati. Un esempio è visto nelle applicazioni xEV dove un aumento della temperatura del chip da 150°C a 200°C riduce le perdite di commutazione del 10%. Inoltre, le nuove tecnologie di confezionamento, come i moduli senza saldatura e wire-bond, stanno rendendo gli attuali substrati l’anello debole.

Un altro fattore di particolare importanza è la necessità di una maggiore durata in condizioni difficili come nel caso delle turbine eoliche. Le turbine eoliche hanno una durata prevista di 15 anni senza guasti in tutte le condizioni ambientali, spingendo i progettisti di questa applicazione a cercare anche tecnologie di substrato migliorate.

Un terzo fattore determinante per il miglioramento delle opzioni di substrato è l’uso emergente di componenti SiC. I primi moduli che utilizzavano SiC e un imballaggio ottimizzato hanno mostrato una riduzione delle perdite compresa tra il 40 e il 70 % rispetto ai moduli tradizionali, ma hanno anche presentato la necessità di nuovi metodi di imballaggio, compresi i substrati Si3N4. Tutte queste tendenze limiteranno il ruolo futuro dei tradizionali substrati Al2O3 e AlN, mentre i substrati basati su Si3N4 saranno la scelta futura dei progettisti per i moduli di potenza ad alte prestazioni.

L'eccellente resistenza alla flessione, l'elevata tenacità alla frattura e la buona conduttività termica rendono il nitruro di silicio (Si3Ni4) particolarmente adatto per i substrati dell'elettronica di potenza. Le caratteristiche della ceramica e un confronto dettagliato di valori chiave come la scarica parziale o la crescita di crepe mostrano un'influenza significativa sul comportamento del substrato finale come la conduttività termica e il comportamento del ciclo termico.