纽约州立大学Buffalo分校电子封装实验室正在为美国海军开发新型的功率电子封装，在一些极端苛刻的工作条件下（比如在军舰和战机上），它们能够解决大电流密度、高温和大的温度梯度所引起的种种问题。这类功率电子封装还有可能很快进入民用产品。

电子封装实验室主任Cemal Basaran解释说：“作为我们为海军提供的功率电子封装的一部分，我们正在设计和测试微米和纳米级的电子封装试验飞行器，它可以在由大电流密度、大功率、高温和不同的负载所带来的极端苛刻条件下仍然保持很高的可靠性。我们对在非常小的尺寸下、以更为可靠的方式运行的大功率电子器件很感兴趣。”

电流密度和温度梯度是Basaran及Buffalo分校的工程师们在开展该项研究时所面对的两大挑战。Basaran说：“如果在高电流密度下材料的表现象预期的一样，我们能够将器件设计得更小，而且可以毫无困难地这样做。然而，当器件的横截面变得更小而使电流密度过大时，除了电子在导体中移动以外，移动的电子所产生的“电子风”（windforce）会快速增强并开始推动所有的金属原子。然后原子开始随电子一起运动，我们可以看到从固体的一端到另一端的质量迁移 。这样的结果是阴极端出现空洞，而金属原子则堆积在阳极端。很快，由于阴极端剩余的原子太少，电流密度变得非常大（也叫做电流拥挤），以致于金属都被熔化了，从而使器件失效。

不幸的是，金属在小尺寸下的表现并不理想，或者说不能很好地适应大电流密度的工作条件。

因此，Basaran及其同事们在尝试改进金属的扩散性能以使它们能够承受大电流密度——实质上是将金属变成固溶体合金。Basaran说：“我们使用不同的固溶体将它们合金化，从而能够减缓扩散过程。这种方法能够提高现有金属技术在高温材料焊接和开发更好的固溶体以抑制性能退化等方面的表现。”

在金属的性能已经达到理论极限的情况下，Basaran等人将注意力转向新一代的材料：碳纳米管（如图所示），这正是该实验室的另一个研究前沿。Basaran认为：“金属的最大问题在于当有电流通过时就会产生焦耳热，这在所有的电子设备中都会引起问题。如果某种解决方案能够使电流通过系统而不产生热，它将是最令人期待的，特别是对于军用产品而言。在这方面，单壁碳纳米管表现出其非常良好的材料潜质。初步的研究表明，单壁碳纳米管能够承载的电流密度比金属大几个数量级，而且可能产生的焦耳热要比金属小得多。这种方案不但摆脱了热问题，而且也不再需要冷却机制。”

Basaran介绍说他们在碳纳米管方面的工作还处于预研阶段，目前正在进行分子动力模拟和大电流密度测试，以确定碳纳米管在不同的电压和功率条件下的表现是否相同。

我们离功率电子技术的实际应用还有多远？Basaran认为我们有可能在10年内看到完全基于碳纳米管的功率电子器件。或者在5年内将出现体积只是现有器件十分之一的功率电子器件。

虽然Buffalo分校的功率电子研究是由海军资助的，但它也具有广泛的民品应用前景。Basaran说：“我看不出有任何不将这项技术民品化的理由。使用半导体功率器件的最大好处是能够显著地节约能源，这与模拟开关不同，每次打开或关闭电源时都会造成大量的功耗损失。假如我们将全美家庭中的所有开关都替换成海军想要开发的器件，那么节约的能源将非常可观——超过十亿美元。而且借助于硅基VLSI，我们甚至可以通过中央电脑或PDA来控制想要的光或热的总量。”