我々は電子機器内の必要なところで、必要なときに適切な冷却を行うことに焦点を当てた、電子的な熱管理という新しい方法を開発した。これは、システムから熱を取り除くために今でも必要なシステムレベルの冷却に取って代わるものではない。むしろ、チップや基板レベルで熱均一性を達成する、根本的に新しい方法を導入するものだ。この方法を使えば、システムレベルの熱管理もより効率的になるだろう。これらのソリューションはシステムの大きさによって拡大もしくは縮小し（大きいシステムには大きい送風機）、この新しい方法はチップレベルで適用される。

　この新しい方法では、フリップチップ実装をするはんだバンプに薄膜熱電材料を取り付ける。これによりチップ表面で能動的な熱管理、つまり発電を行うことができ、既に業界に受け入れられた製造方法を使うことで均一性を約束する。電気経路とメカ構造の従来のはんだバンプと違って、「サーマルバンプ」はミクロレベルで固体ヒートポンプとして機能する。

　電流が流れると、各バンプで熱電冷却（TEC：Thermoelectric Cooing）が起きる。言い換えれば、材料に電流が流されると、サーマルバンプが片側を冷却し、もう片側に熱を伝える。これはペルチェ効果として知られている。

　一方、熱電発電（TEG：Thermo-electric Power Generation）はサーマルバンプが温度勾配にさらされる（すなわち、上側は下側より熱い）とき起きる。この場合、デバイスが電流をつくり、熱を電気に変換する。これはゼーベック効果と呼ばれている。

　サーマルバンプは標準的なフリップチッププロセスの一部として統合できる（図1）。この機能性が設計と製造インフラに統合されるので、チップには（電力、アース、信号用）電気バンプと（冷却、温度制御、電荷による発電用）サーマルバンプが組み合わせられるだろう。このようにして、サーマルバンプはエレクトロニクス製品の設計に新たな機能性をもたらす。現在、トランジスタ、レジスタ、キャパシタが標準的な回路設計に統合されているのと同じ方法で、将来、回路に熱管理を設計することが可能になるだろう。

　薄膜熱電は、従来のバルクペレット熱電製品のキャパシタを大きく上回る、高いヒートポンプ能力を持つことが実証された。^2）熱電製造に使われる厚いバルク材料に対する薄膜のメリットは以下のように表される。

　この式はQ_max（熱電モジュールから送られた最大熱）が膜厚Lに反比例していることを示している。このように、薄膜で製造された熱電クーラー（TEC）は、特定の活性面Aにおいて10〜40倍高いQ_max量を容易に達成することができる。よって薄膜TECは、高い熱流束を伴うアプリケーションに適している。ヒートポンプ能力の向上に加え、薄膜を使用することで、熱電デバイスの真に新しい実装が可能となる。厚さ1〜3mmのバルクモジュールの代わりに薄膜TECだと膜厚100µm以下に作ることができる。その最もシンプルな形では、p型あるいはn型の脚部のような熱電対（すべての熱電素子の基本成分）は、上と下にはんだ層を持つ薄膜熱電材料の層で、電気トレースと電気的・熱的に結合する。

　サーマルCuピラーバンプ（TCPB）（図2）は、既存のフリップチップ製造インフラと互換性があり、従来のはんだバンプ配線が使用できる。広く受け入れられているCPBプロセスを使って、フリップチップ実装部品を能動的に統合された形で冷却するものだ。また、このプロセス向上によって、エネルギーリサイクル・アプリケーションのCPB内で発電が可能になる。

　この技術ではオンチップの熱と電力の問題に根本的に取り組んでいる。例えると、台所のクッキングヒーターの素子が過熱する問題を抱えた家のようなものだ。クッキングヒーター上面の温度を保つために家全体をエアコンで冷やすより、局所的に直接、過熱している素子を冷やす方が格段に効率的だろう。TCPBは電子回路に対し、ちょうどこの方法を利用できる。そうすると、すべて既存の半導体製造の枠組み内で、システムレベルの冷却をしなくても、高い性能と効率を達成する。

　この熱活性したCPBはすでにいくつかの世界初を実証している。たとえば、高さ60μmのTCPBに電流を流すことで、そのTCPBの周りに60℃の温度差を達成した。また、TCPBは最大で150 W/cm²を超す放熱能力を実証した。そして、熱にさらされたとき、TCPBは1バンプあたり最高で10mWの発電能力があることを示した。

　図2の熱電対SEM断面図は、熱電素子が、積層された追加的な熱電層1層を持つCPBと構造的に同じであることをはっきりと示している。熱電層が追加されると、標準的なCPBが活性化されたTCPBに変わる。この熱電素子が電子的・熱的に適切に設定されると、バンプの片方からもう片方へ熱が伝達される。熱の移動方向は、（n型半導体であれp型半導体であれ）熱電材料のドーピングタイプと材料を流れるときの電流の方向によって決まる（ペルチェ効果）。^3）逆に、熱電材料の片方からもう片方へ熱が伝わることができれば、材料中で電流を起こすだろう（ゼーベック効果）。この方法で、熱電素子中の熱の流れから発電される。図2で示す構造は、同時ではないが、ペルチェモードとゼーベックモードの両方で機能する。

　図3は標準的なCPBと薄膜TCPBの構造を比較したものである。どちらもCPBとはんだが接続された、似たような構造である。この2つの構造で最も大きな違いは、2つのはんだ層間にp型又はn型の熱電層が導入されていることだ。CPBとTCPBに使われるはんだは、共晶SnPb、SnAg、AuSnなど一般的に使用されるはんだであり、またそれらに限定もされない。

　図4にTCPBの拡大図を示す。この設計の追加的特質がいくつか描かれている。まず、デバイス中の熱フローは「熱」と表示された矢印で示されている。チップ上のメタルトレースはTCPBを通る熱フローの役に立っているかもしれない。厚さ数µmで相互にかみ合うように積層できるこれらのトレースは、下層の回路から熱を集めてTCPBに流す、非常に伝導性のある経路になる。

　図4に示したTCPBに電流を流すメタルトレースは、チップ回路に直接接続されていることもあれば、そうでないこともあるだろう。どちらにしろ、基板上の温度センサーとドライバ回路を使い、性能最適化のため、クローズドループ方式でTCPBを制御する。2つ目、TCPBで送り込まれた熱と、熱を送り込む過程でTCPBが発生させた追加的な熱は、基板で遮断される。その遮断された熱に適切な熱経路を与えることでTCPBの性能が向上するので、TCPBの裏面に熱伝導性の高い経路を備えることは有益である。基板は、絶縁膜を備えた、AlNやメタル（すなわちCu、CuW、CuMoなど）のような熱伝導性の高いものかもしれない。この場合、高い熱伝導性を持つ基板が遮断された熱を自然に放熱させるだろう。また、基板は、高密度配線をするため設計された、プリント回路基板（PCB）のような、多層基板かもしれない。この場合、PCBの熱伝導性は比較的低いかもしれず、ビア（すなわちメタルプラグ）を追加すると、遮断された熱を放熱する絶好の経路になる可能性がある。