Substratos de nitreto de silício para melhor desempenho em eletrônica de potência

Os projetos atuais de módulos de potência são baseados principalmente em óxido de alumínio (Al2O3) ou cerâmica AlN, mas as crescentes demandas de desempenho estão fazendo com que os projetistas considerem alternativas avançadas de substrato. Um exemplo é visto em aplicações xEV, onde um aumento na temperatura do chip de 150°C para 200°C reduz as perdas de comutação em 10%. Além disso, novas tecnologias de empacotamento, como módulos sem solda e sem ligação de fio, estão tornando os substratos atuais o elo mais fraco.

Outro fator significativo e de especial importância é a necessidade de uma maior vida útil sob condições adversas, como nas turbinas eólicas. As turbinas eólicas têm uma vida útil esperada de 15 anos sem falhas sob todas as condições ambientais, fazendo com que os projetistas desta aplicação também procurem tecnologias de substrato aprimoradas.

Um terceiro fator para melhores opções de substrato é o uso emergente de componentes de SiC. Os primeiros módulos utilizando SiC e empacotamento otimizado apresentaram uma redução de perdas entre 40 a 70% em comparação aos módulos tradicionais, mas também apresentaram a necessidade de novos métodos de empacotamento, incluindo substratos de Si3N4. Todas essas tendências limitarão o papel futuro dos substratos tradicionais de Al2O3 e AlN, enquanto os substratos baseados em Si3N4 serão a escolha do projetista para módulos de potência de alto desempenho no futuro.

A excelente resistência à flexão, alta tenacidade à fratura e boa condutividade térmica tornam o nitreto de silício (Si3Ni4) adequado para substratos de eletrônica de potência. As características da cerâmica e uma comparação detalhada de valores-chave como descarga parcial ou crescimento de fissuras mostram uma influência significativa no comportamento final do substrato, como condutividade térmica e comportamento de ciclagem térmica.