Sustratos de nitruro de silicio para mejorar el rendimiento en electrónica de potencia

2021-06-15

Los diseños de módulos de potencia actuales se basan principalmente en óxido de aluminio (Al2O3) o cerámica AlN, pero las crecientes demandas de rendimiento están haciendo que los diseñadores consideren alternativas de sustrato avanzadas. Un ejemplo se ve en aplicaciones xEV donde un aumento en la temperatura del chip de 150°C a 200°C reduce las pérdidas de conmutación en un 10%. Además, las nuevas tecnologías de embalaje, como la soldadura y los módulos sin unión de cables, están convirtiendo a los sustratos actuales en el eslabón débil.

Otro factor importante de especial importancia es la necesidad de una mayor vida útil en condiciones duras, como en el caso de las turbinas eólicas. Las turbinas eólicas tienen una vida útil esperada de 15 años sin fallas en todas las condiciones ambientales, lo que llevó a los diseñadores de esta aplicación a buscar también tecnologías de sustrato mejoradas.

Un tercer impulsor de mejores opciones de sustratos es el uso emergente de componentes de SiC. Los primeros módulos que utilizaban SiC y embalaje optimizado mostraron una reducción de pérdidas de entre un 40 y un 70 % en comparación con los módulos tradicionales, pero también plantearon la necesidad de nuevos métodos de embalaje, incluidos sustratos de Si3N4. Todas estas tendencias limitarán el papel futuro de los sustratos tradicionales de Al2O3 y AlN, mientras que los sustratos basados ​​en Si3N4 serán la elección del diseñador para los módulos de potencia de alto rendimiento en el futuro.

La excelente resistencia a la flexión, la alta tenacidad a la fractura y la buena conductividad térmica hacen que el nitruro de silicio (Si3Ni4) sea muy adecuado para sustratos de electrónica de potencia. Las características de la cerámica y una comparación detallada de valores clave como la descarga parcial o el crecimiento de grietas muestran una influencia significativa en el comportamiento final del sustrato, como la conductividad térmica y el comportamiento del ciclo térmico.