軍艦や軍用機でみられるような、稼動状態の高電流密度や高温度勾配を管理できるパワーエレクトロニクスパッケージは、米国海軍向けに、ニューヨーク州立大学Buffalo校(UB)のElectronic Packaging Laboratoryによって開発されている。それらは近いうちに非軍事的なアプリケーションへと利用される可能性がある。

　「海軍向けパワーエレクトロニクスパッケージングの取り組みにおいて、我々は、高電流密度、高出力、高温および振動負荷に起因するきわめて厳しい条件下で、信頼性を維持するマイクロスケールとナノスケールのエレクトロニクスパッケージングの設計およびテストを行ってきた」と同ラボのディレクタCemal Basaran氏は説明する。

　Basaran氏とUBのエンジニアらが直面している2つの大きな課題は、電流密度と温度の傾きである。「材料が高電流密度で、我々が予想したように動作するのであれば、素子をさらに小さく設計して小型化することに問題はない」と同氏はいう。「しかし、導体内で移動する電子だけではなく、断面を縮小することで電流密度を大きくしすぎると、移動する電子の“風力”が増加するので、それらはすべての原子を吸い上げ始める。その結果、原子は電子を伴って移動し始め、一方の端部から他方へ集団移動することなる。これにより陽極側に空洞が生じ、陰極側で質量の蓄積が起こる。しばらくすると、陽極側に残る質量はなくなり、電流密度が非常に高くなり、メタルは単に溶けてデバイスが故障する」。

　そこでBasaran氏らはメタルを用いて、高電流密度を処理させるために、それらを固溶合金にして拡散特性を変化させた。「まず、拡散プロセスを低速化するために異なる固溶体を使用できるように合金にする。既存のメタル技術に高温材料をはんだ付けし、劣化を遅らせるための優れた溶液を開発する方法である」。

　Basaran氏らが直面しているもう一つの取り組みは、メタルが限度に達したことを理論づけることであり、新世代の材料としてカーボンナノチューブ(図参照)に目を向けた。「単壁カーボンナノチューブは優れた材料となる可能性を示している。単壁のカーボンナノチューブはメタルより数桁も高い電流密度レベルを伝搬でき、ジュール加熱の発生がメタルと比べてかなり小さいレベルを示す研究がある。これは熱の問題をなくして、冷却機構の必要性を排除する」。

　カーボンナノチューブの研究は予備試験の段階だが、Basaran氏は、分子力学のシミュレーションを経て、別の電圧と電力プロファイルに同じ動作を達成できるかどうかを判断するため、高電流密度下でナノチューブを試験していると述べる。

　海軍がUBでのパワーエレクトロニクス研究を後援していても、軍事的な用途を超えた魅力的な用途がある。「この技術が民間で使用されないわけがない」とBasaranはいう。「半導体をベースにしたパワーエレクトロニクスを使用するときに最も重要な利点は、エネルギーをオン、オフに切り替えるたびに大きな電力が失われるアナログスイッチとは対照的に、かなりの量のエネルギーが節約できるという点だ。例えば、米国のすべての家庭のスイッチを、海軍が開発しようとしているスイッチに置き換えると想像してほしい。その結果として生じる省エネは目覚しく、その効果は数十億ドル以上になるとみられる。また、VLSIを使用することで、中央コンピュータもしくはPDAから必要な光量や熱量を制御することができる」。