Siliziumnitrid-Substrate für verbesserte Leistung in der Leistungselektronik

Heutige Leistungsmoduldesigns basieren hauptsächlich auf Aluminiumoxid (Al2O3) oder AlN-Keramik, aber steigende Leistungsanforderungen veranlassen Entwickler, über fortschrittliche Substratalternativen nachzudenken. Ein Beispiel sind xEV-Anwendungen, bei denen eine Erhöhung der Chiptemperatur von 150 °C auf 200 °C die Schaltverluste um 10 % reduziert. Darüber hinaus machen neue Verpackungstechnologien wie löt- und drahtbondfreie Module die aktuellen Substrate zum schwachen Glied.

Ein weiterer wesentlicher Treiber von besonderer Bedeutung ist die Notwendigkeit einer längeren Lebensdauer unter rauen Bedingungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen. Windkraftanlagen haben unter allen Umgebungsbedingungen eine erwartete Lebensdauer von 15 Jahren ohne Ausfall, was Entwickler dieser Anwendung dazu veranlasst, auch nach verbesserten Substrattechnologien zu suchen.

Ein dritter Treiber für verbesserte Substratoptionen ist die zunehmende Verwendung von SiC-Komponenten. Die ersten Module mit SiC und optimierter Verpackung zeigten eine Verlustreduzierung von 40 bis 70 % im Vergleich zu herkömmlichen Modulen, zeigten aber auch den Bedarf an neuen Verpackungsmethoden, einschließlich Si3N4-Substraten. All diese Trends werden die zukünftige Rolle traditioneller Al2O3- und AlN-Substrate einschränken, während Substrate auf Basis von Si3N4 in Zukunft die Wahl der Designer für Hochleistungs-Leistungsmodule sein werden.

Aufgrund der hervorragenden Biegefestigkeit, der hohen Bruchzähigkeit und der guten Wärmeleitfähigkeit ist Siliziumnitrid (Si3Ni4) gut für leistungselektronische Substrate geeignet. Die Eigenschaften der Keramik und ein detaillierter Vergleich wichtiger Werte wie Teilentladung oder Risswachstum zeigen einen signifikanten Einfluss auf das endgültige Substratverhalten wie Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselverhalten.