DE112016003739T5 - Wärmespreizer mit optimiertem Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder Wärmeübergang - Google Patents

Abstract

Verfahren, Systeme und eine Einrichtung, betreffend einen an eine Wärmequelle zu koppelnden Wärmespreizer, der einen Wärmequelle-Wärmeausdehnungskoeffizienten (WQ-WAK) aufweist, wobei der Wärmespreizer ein anisotropes Material umfasst, welches eine Achse hoher Ausdehnung aufweist. Der Wärmespreizer, ferner umfassend eine Fläche, die an die Wärmequelle zu koppeln ist, wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials schräg zur Fläche des Wärmespreizers ist, und wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials in einem ersten Rotationswinkel um eine erste Achse des Wärmespreizers ausgerichtet ist, wobei der erste Rotationswinkel ausgewählt ist, um eine Übereinstimmung eines ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren.

Description

• QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
• Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.: 62/205,853 , eingereicht am 17. August 2015, die hierin durch Bezugnahme für alle Zwecke eingeschlossen ist.
• TECHNISCHES GEBIET
• Generell ist das technische Gebiet der vorliegend offenbarten Technologie das Halbleiter-Packaging. Insbesondere bezieht sich die offenbarte Technologie auf die Abstimmung eines Wärmeausdehnungskoeffizienten von beim Packaging verwendetem Material auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Wärmequelle.
• HINTERGRUND
• Halbleitervorrichtungen sind fragil und üblicherweise in einer Packung montiert, um die Vorrichtung vor Beschädigung durch thermische und mechanische Belastung, Korrosion, Verschmutzung usw. zu schützen. Halbleiter-Packaging schließt üblicherweise Wärmeableitungskomponenten wie Wärmeableitungsschichten, Wärmespreizer und/oder Wärmesenken ein.
• Laserdioden sind eine Art von Halbleitervorrichtung. In auf Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) basierten Laserpackungen werden die auf GaAS und InP gezüchteten Laser auf hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten abgestimmte Subträger geklebt, um Wärme abzuleiten. Solche Subträger sind üblicherweise aus Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Berylliumoxid (BeO) gefertigt. Diese Materialien weisen jedoch im Vergleich zu Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubischem Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterialien, Diamant und verkapseltem pyrolytischem Graphit eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Die Verwendung von vorgenannten Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit weist ausgeprägte Leistungsvorteile auf; jedoch können Subträger, die hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten falsch abgestimmt sind, zu Kompromissen bei der Zuverlässigkeit von Halbleitervorrichtungen führen.
• Um die Vorteile der höheren Wärmeleitfähigkeit von Materialien wie SiC, Cu, kubisches BN, Graphit, Graphen, Diamant und verkapseltes pyrolytisches Graphit nutzen zu können, kann die Paarung eines hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten falsch abgestimmten Wärmespreizers mit einer Wärmequelle wie einer Halbleitervorrichtung zusätzliche Maßnahmen erfordern, um die wegen der falschen Abstimmung hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte Übertragung von mechanischer Belastung von dem thermisch hoch leitfähigen Material auf die Wärmequelle zu reduzieren. Solche Maßnahmen können unzuverlässig sein und der zur Umsetzung solcher Maßnahmen zur Reduzierung mechanischer Belastung benötigte Zeit- und Kostenaufwand kann sich als untragbar erweisen.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Zur Verwendung beim elektronischen Packaging wird ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt, welches einen im Wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Wärmequelle aufweist. In einem Beispiel ist es wünschenswert, dass das Material mit der hohen Wärmeleitfähigkeit auch die erforderlichen elektrischen Isolationseigenschaften aufweist. Es wäre weiterhin vorteilhaft, das Material mit der hohen Wärmeleitfähigkeit so einstellen zu können, dass es mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Wärmequelle übereinstimmt und dabei im Wesentlichen die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften des Materials beibehält.
• Es werden hierin Beispiele eines Wärmespreizers offenbart, der einen Wärmequelle-Wärmeausdehnungskoeffizienten (WQ-WAK) aufweist, wobei der Wärmespreizer ein anisotropes Material mit einer Achse hoher Ausdehnung umfasst, und wobei eine Oberfläche des Wärmespreizers an eine Wärmequelle zu koppeln ist, wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials schräg zur Oberfläche des Wärmespreizers sein kann, und wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials in einem ersten Rotationswinkel um eine erste Achse des Wärmespreizers ausgerichtet sein kann, wobei der erste Rotationswinkel ausgewählt werden kann, um eine Übereinstimmung eines ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren. Die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials kann in einem zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse des Wärmespreizers ausgerichtet sein, wobei der zweite Rotationswinkel ausgewählt werden kann, um die Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren. Weiterhin kann das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet sein, dass die Achse hoher Ausdehnung um einen dritten Rotationswinkel um eine dritte Achse des Wärmespreizers gedreht werden kann, wobei der dritte Rotationswinkel ausgewählt werden kann, um die Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren. Der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon können die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizers optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK. Der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon können eine Übereinstimmung des ersten WAK oder eines zweiten WAK des Wärmespreizers mit den entsprechenden eines ersten WAK entlang einer ersten WQ-Achse der Wärmequelle oder eines zweiten WAK entlang einer zweiten WQ-Achse der Wärmequelle oder einer Kombination davon optimieren. Der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon können die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizers optimieren, nachgeordnet zur Übereinstimmung mit dem ersten WAK entlang einer ersten WQ-Achse der Wärmequelle oder einem zweiten WAK entlang einer zweiten WQ-Achse der Wärmequelle oder einer Kombination davon. Der Wärmespreizer kann im Wesentlichen otrop sein basierend auf der Ausrichtung des anisotropen Materials. Das anisotrope Material kann mindestens eines von Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubischem Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterialien, Diamant und pyrolytischem Graphit umfassen. Der Wärmespreizer kann an der Oberfläche mit der Wärmequelle und an einer der Wärmequelle entgegengesetzten Fläche mit einer Wärmesenke gekoppelt sein.
• Hierin werden Beispiele eines Systems offenbart, umfassend eine Wärmequelle, die einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist, einen mit der Wärmequelle zu koppelnden Wärmespreizer, welcher ein anisotropes Material umfasst, wobei das anisotrope Material Folgendes einschließt: eine Primärachse, welche einen primären Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) entlang der Primärachse aufweist, wobei der primäre WAK der höchste WAK im anisotropen Material sein kann, eine Sekundärachse, welche einen sekundären WAK entlang der Sekundärachse aufweist, wobei die Sekundärachse orthogonal zur Primärachse sein kann, und wobei der primäre WAK verschieden von dem sekundären WAK sein kann und eine Tertiärachse, welche einen tertiären WAK entlang der Tertiärachse aufweist, wobei die Tertiärachse orthogonal zur Sekundärachse und zur Primärachse sein kann. Eine Fläche des Wärmespreizers in Kontakt mit der Wärmequelle kann in einer schräg zur Primärachse ausgerichteten Ebene ausgerichtet sein. Der Wärmespreizer kann eine quaternäre Achse umfassen, die orthogonal zur schrägen Ebene ist und einen quaternären WAK entlang der quaternären Achse aufweist, eine quinäre Achse in der schrägen Ebene, die einen quinären WAK entlang der quinären Achse aufweist, und eine senäre Achse in der schrägen Ebene, die einen senären WAK entlang der senären Achse aufweist, wobei das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet sein kann, dass die Primärachse in einem ersten Rotationswinkel in Bezug auf die quaternäre Achse um die quinäre Achse gedreht werden kann, und wobei der erste Rotationswinkel eine Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimiert. Der erste Rotationswinkel kann die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle. Das anisotrope Material kann innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet sein, dass die Primärachse um einen zweiten Rotationswinkel in Bezug auf die quinäre Achse um die senäre Achse gedreht werden kann, und wobei der zweite Rotationswinkel eine Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimieren kann. Der zweite Rotationswinkel kann die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle. Das anisotrope Material kann innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet sein, dass die Primärachse um einen dritten Rotationswinkel in Bezug auf die senäre Achse um die quaternäre Achse gedreht werden kann, und wobei der dritte Rotationswinkel eine Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimieren kann. Der dritte Rotationswinkel kann die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle. Der tertiäre WAK kann verschieden vom primären WAK und vom sekundären WAK sein. Das anisotrope Material kann mindestens eines von Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubischem Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterialien, Diamant und verkapseltem pyrolytischem Graphit umfassen. Die Wärmequelle kann eine Laserdiode, ein integrierter Schaltkreis oder eine lichtemittierende Diode oder beliebige Kombinationen davon sein. Offenbart wird hier ein Verfahren zur Identifizierung eines ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) einer Wärmequelle in einer ersten Achse der Wärmequelle, die mit einem Wärmespreizer zu koppeln ist, welcher ein anisotropes Material umfasst, wobei ein erster Rotationswinkel einer Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials ausgewählt wird, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine erste Achse des Wärmespreizers bezieht und die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials im ersten Rotationswinkel gedreht wird. Das Verfahren kann ferner die Auswahl eines zweiten Rotationswinkels der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials umfassen, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine zweite Achse des Wärmespreizers bezieht und die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials im zweiten Rotationswinkel gedreht wird. Das Verfahren kann auch die Identifizierung eines zweiten WAK der Wärmequelle in einer zweiten Achse der Wärmequelle einschließen sowie das Drehen der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um einen zweiten Rotationswinkel, um die Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs von einer oder von mehreren Achsen des anisotropen Materials mit dem zweiten WAK zu optimieren. Das Verfahren kann zusätzlich die Auswahl des ersten Rotationswinkels einschließen, um die Wärmeleitfähigkeit entlang einer oder mehrerer Achsen des Wärmespreizers zu optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK.
• Das Vorstehende und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der offenbarten Technologie werden noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erfolgt.
• Figurenliste
• Die begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bezugselemente repräsentieren, stellen einen Teil dieser Patentschrift dar und sind in sie integriert und erklären, zusammen mit der Beschreibung, die Vorteile und Prinzipien der vorliegend offenbarten Technologie. In den Zeichnungen veranschaulicht:
• 1 ein Beispiel einer Laserdiode und einer Subträgerbaugruppe.
• 2A ein Beispiel eines anisotropen (in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient) Materials, aus dem ein kundenspezifischer Subträger gebildet werden kann.
• 2B ein Beispiel eines Subträgers, der aus einem neu ausgerichteten, anisotropen Material gebildet ist.
• 2C ein Beispiel einer Baugruppe, welche einen an eine Wärmequelle zu koppelnden Subträger umfasst.
• 3A ein Beispiel einer Laserdiode als Wärmequelle mit Abmessungen von 0,1 mm x 5,0 mm auf einem Subträger.
• 3B eine Karte einer anfänglichen Basislinientemperatur einer Baugruppe, die einen Subträger umfasst.
• 4A einen pyrolytisches Graphit umfassenden Subträger.
• 4B eine Temperaturkarte einer Baugruppe, die einen Subträger einschließt.
• 5A einen pyrolytisches Graphit umfassenden Subträger.
• 5B eine Temperaturkarte einer Baugruppe, die einen Subträger für eine Laserdiode umfasst.
• 6A ein Beispiel eines Subträgers, der pyrolytisches Graphit umfasst, welches in Bezug auf globale Achsen eines Subträgers gedreht wurde.
• 6B eine Temperaturkarte einer Baugruppe, die einen Subträger umfasst.
• 7A ein Beispiel eines Subträgers, der aus pyrolytischem Graphit gebildet wurde, welches in Bezug auf globale Achsen eines Subträgers in zwei Richtungen gedreht wurde.
• 7B einen simulierten Temperaturanstieg einer Baugruppe, die einen Subträger umfasst.
• 8 ein Verfahren zur Bildung eines Subträgers aus einem anisotropen Material.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• So wie sie in dieser Patentanmeldung und in den Ansprüchen verwendet werden, schließen die Singularformen „ein“, „eine“, „eines“ und „die“, „der“, „das“ auch die Pluralformen ein, es sei denn der Kontext gibt ausdrücklich Gegenteiliges an. Darüber hinaus hat der Terminus „schließt ein“ die Bedeutung „umfasst“. Ferner schließt der Terminus „gekoppelt“ die Gegenwart von Zwischenelementen zwischen den gekoppelten Gegenständen nicht aus.
• Die hierin beschriebenen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren sollten in keiner Weise als einschränkend aufgefasst werden. Stattdessen ist die vorliegende Offenbarung auf alle neuen und nicht offensichtlichen Merkmale und Aspekte der verschiedenen, offenbarten Ausführungsformen gerichtet, allein und in unterschiedlichen Kombinationen und Unterkombinationen miteinander. Die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf einen spezifischen Aspekt oder ein Merkmal oder Kombinationen davon beschränkt, noch erfordern die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen, dass ein oder mehrere spezifische Vorteile vorhanden sein müssen oder Probleme gelöst sein müssen. Etwaige Theorien zur Funktionsweise dienen dem Zweck, die Erklärung zu erleichtern, jedoch sind die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen nicht auf solche Theorien zur Funktionsweise beschränkt.
• Obwohl die Arbeitsabläufe einiger der offenbarten Verfahren in einer bestimmten, sequentiellen Reihenfolge beschrieben werden, um die Präsentation zu vereinfachen, sollte verstanden werden, dass diese Art der Beschreibung ein Neuordnen einschließt, es sei denn, das Vorhandensein einer bestimmten Anordnung wird durch den spezifischen Sprachgebrauch weiter unten nahe gelegt. Zum Beispiel können sequentiell beschriebene Arbeitsabläufe in manchen Fällen neu geordnet oder gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren können die angefügten Figuren der Einfachheit halber möglicherweise die unterschiedlichen Arten nicht zeigen, in denen die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen zusammen mit anderen Systemen, Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden können. Hinzu kommt, dass in der Beschreibung manchmal Termini wie „produzieren“ und „bereitstellen“ benutzt werden, um die offenbarten Verfahren zu beschreiben. Diese Termini beschreiben die tatsächlich ausgeführten Arbeitsabläufe auf einem hohen Abstraktionsniveau. Die diesen Termini entsprechenden tatsächlichen Arbeitsabläufe variieren in Abhängigkeit von der spezifischen Umsetzung und sind für den Fachmann leicht ersichtlich.
• In manchen Beispielen werden Werte, Vorgehensweisen oder Vorrichtungen als „am niedrigsten“, „am besten“, „minimal“ oder ähnlich bezeichnet. Es wird verstanden werden, dass solche Beschreibungen anzeigen sollen, dass eine Auswahl unter vielen verwendeten funktionellen Alternativen getroffen werden kann, und dass eine solche Auswahl nicht notwendigerweise besser, geringer oder anderweitig bevorzugt in Bezug auf eine andere Auswahl ist. Beispiele werden mit Bezug auf Richtungsangaben wie „oberhalb“, „unterhalb“, „obere“, „untere“ und dergleichen beschrieben. Diese Termini werden zur einfachen Beschreibung verwendet, implizieren jedoch nicht eine bestimmte räumliche Orientierung.
• Im Allgemeinen dehnen sich Materialien aus und schrumpfen als Reaktion auf Temperaturänderungen. Materialausdehnung oder Schrumpfung kann in unterschiedlichem Ausmaß in einer oder in mehreren Richtungen erfolgen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) ist ein Maß dafür, wie sehr sich ein Material in seiner Größe pro Größeneinheit und pro Temperaturänderungseinheit ausdehnt, wenn eine oder mehrere andere Variablen konstant gehalten werden. Es gibt WAKs für volumetrische, flächenmäßige und lineare Wärmeausdehnung. In der vorliegenden Beschreibung wird der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in verschiedenen Beispielen diskutiert. Es kann jedoch ein Koeffizient für flächenmäßige Wärmeausdehnung und/oder ein Koeffizient für volumetrische Wärmeausdehnung angemessen und anwendbar sein, je nach verwendeten Materialien und der Anwendung der hierin beschriebenen Technologie.
• Ein Wärmespreizer ist ein Wärmetauscher, der zur Kühlung einer Wärmequelle verwendet wird, indem er Wärme von der Wärmequelle weg leitet. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Material Wärme leitet. Je höher die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist, desto größer ist das Ausmaß der Wärmeübertragung durch das Material. Wärmespreizer werden zur Kühlung verschiedener Vorrichtungen verwendet, um Wärme zu anderen wärmeleitenden Vorrichtungen wie einer Wärmesenke abzuleiten und/oder zu verteilen. Ein Wärmespreizer kann ein Substrat oder Subträger sein, an das/den eine Wärmequelle gekoppelt ist. Halbleitervorrichtungen wie integrierte Schaltkreise, Diodenlaser, lichtemittierende Dioden (LEDs) und dergleichen oder beliebige Kombinationen davon werden oft durch Kopplung an einen Wärmespreizer gekühlt. Die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmespreizers ist unterschiedlich und hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Wärmeleitfähigkeit des Wärme übertragenden Materials und anderer leitfähiger Oberflächen, die mit dem Wärmespreizer in Kontakt sind, des Verfahrens zur Kopplung der Wärmequelle an den Wärmespreizer, und/oder des Oberflächenanteils, mit dem der Wärmespreizer in Kontakt mit einem Kühlmedium ist.
• Wärmespreizer sind oft mit einer Wärmequelle verklebt und/oder in direktem oder engem Kontakt mit ihr. Wärmequellen wie integrierte Schaltkreise, Diodenlaser, LEDs und dergleichen oder beliebige Kombinationen davon sind fragil und daher empfindlich gegenüber mechanischer Belastung. Zusätzlich dazu neigen solche Vorrichtungen dazu, keine sonderlich gute Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen und über eher niedrige WAKs zu verfügen. Es überrascht daher nicht, dass der WAK des Wärmespreizermaterials einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der daran gekoppelten Wärmequelle haben kann, weil eine WAK-Nichtübereinstimmung die mechanische Belastung erhöht, die üblicherweise auf die fragilen Halbleitermaterialien übertragen werden.
• Eine Baugruppe, die einen Wärmespreizer mit einem bestimmten WAK einschließt, der an eine Wärmequelle mit einem niedrigeren WAK als der Wärmespreizer gekoppelt ist, kann bei Betrieb mehrere Aufwärm- und Abkühlzyklen durchlaufen. Das Aufwärmen kann zur Ausdehnung des Wärmespreizers führen, welche die Ausdehnung der Wärmequelle übertrifft, was dazu führt, dass die Wärmequelle deformiert wird und/oder bricht. Im Idealfall sollte der WAK eines Wärmespreizers mit dem WAK der Wärmequelle im Wesentlichen übereinstimmen. Das Abstimmen des WAK eines Wärmespreizers auf den WAK einer Wärmequelle geschieht üblicherweise auf Kosten der Wärmeübertragungskapazität des Wärmespreizers. Im Gegenzug führt die Verbesserung der thermischen Leistung eines Wärmespreizers durch Verwendung eines Materials mit einer größeren Wärmeleitfähigkeit dazu, dass die WAK-Nichtübereinstimmung zwischen dem Wärmespreizer und der Wärmequelle erhöht wird und mechanische Belastung in die Baugruppe eingeführt wird.
• In manchen Fällen kann der WAK-Nichtübereinstimmung dadurch abgeholfen werden, dass ein weiches Lotmaterial wie Indium zwischen der Wärmequelle und dem Wärmespreizer mit dem nicht übereinstimmenden WAK verwendet wird. Die Verwendung von weichem Lotmaterial hat jedoch den Nachteil, dass sich die Wärmequelle im Laufe der fortdauernden thermischen Zyklen verschieben kann, das Lotmaterial kann zerfließen oder brüchig werden und/oder das weiche Lotmaterial kann immer noch mechanische Belastungen von der den nicht übereinstimmenden WAK aufweisenden Wärmesenke auf die Wärmequelle übertragen werden. In einem anderen Beispiel kann der Wärmespreizer an einer Wärmequelle durch Festklemmen oder andere nicht permanente Verfahren zur Kopplung des Wärmespreizers an die Wärmequelle befestigt werden.
• Wärmespreizermaterialien können wärmeleitende Materialien sein, die isotrop oder anisotrop sind. Isotrope Materialien neigen dazu, Materialeigenschaften aufzuweisen, die entlang aller Achsen im Wesentlichen gleich sind. Daher dehnen sich isotrope Materialien in alle Richtungen in etwa der gleichen Größenordnung aus. Anisotrope Materialien weisen in mindestens zwei verschiedenen Achsen unterschiedliche Materialeigenschaften auf. Daher dehnen sich anisotrope Materialien in mindestens zwei verschiedene Richtungen in unterschiedlichen Größenordnungen aus. Diese Erörterung bezieht sich auf Materialien, die homogen sind, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, und der beanspruchte Gegenstand ist nicht auf diese Weise eingeschränkt.
• In einem Beispiel kann die Verwendung eines anisotropen Materials als Wärmespreizer vorteilhaft sein, weil viele anisotrope Materialien eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit in mindestens einer Richtung (d. h. entlang mindestens einer Achse) aufweisen. Der Nachteil der Verwendung eines derart wärmeleitfähigen Materials besteht darin, dass der WAK in einer oder mehreren Achsen ebenfalls hoch sein kann. Es besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer WAK-Nichtübereinstimmung zwischen dem Wärmespreizer und der Wärmequelle in mindestens einer Achse kommt.
• In einem Beispiel kann die Neuausrichtung des anisotropen Materials in einem Wärmespreizer den Wärmespreizer in die Lage versetzen, Wärme in effizienter Weise und mit einer besseren WAK-Übereinstimmung von der Wärmequelle weg zu leiten. In einem Beispiel kann eine Achse des anisotropen Materials in Bezug auf eine Oberfläche des Wärmespreizers und/oder eine oder mehrere Achsen parallel und/oder senkrecht zur Oberfläche des Wärmespreizer dergestalt neu ausgerichtet werden, dass die neu ausgerichtete Achse des anisotropen Materials schräg zu einer parallel zur Oberfläche des Wärmespreizers verlaufenden Ebene verläuft. Die Achse des anisotropen Materials kann eine beliebige Achse sein. Zum Beispiel kann eine den höchsten WAK aufweisende Achse (d. h. die Achse hoher Ausdehnung) als die neu auszurichtende Achse verwendet werden. Es ist jedoch nicht notwendig, die Achse hoher Ausdehnung für die Neuausrichtung auszuwählen. Eine andere Achse des anisotropen Materials kann verwendet werden. Die Neuausrichtung des anisotropen Materials kann dadurch erreicht werden, dass die ausgewählte Achse einmal oder mehrere Male um eine oder um mehrere Achsen des Wärmespreizers gedreht wird. Die auf diese Weise vollzogene Neuausrichtung des anisotropen Materials kann mechanische Belastung in der Wärmequelle/Wärmespreizer-Baugruppe reduzieren und dabei dennoch die hohe Wärmeleitfähigkeit des anisotropen Materials ausnutzen. Die Neuausrichtung des anisotropen Materials kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden.
• 1 veranschaulicht ein Beispiel eine Laserdiode und einer Subträgerbaugruppe 100. Der Subträger 110 kann an die Laserdiode 114 gekoppelt sein. In einem Beispiel umfasst der Subträger 110 ein anisotropes Material 118. Das anisotrope Material 118 kann in seiner natürlichen Form in hohem Maße anisotrop in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeausdehnungskoeffizienten sein. Das anisotrope Material 118 kann die folgenden Materialeigenschaften aufweisen:
• Wärmeleitfähigkeit:
• $$\text{x}-\text{Achse }104=\text{kX}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{y}-\text{Achse }106=\text{kY}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{z-Achse }102=\text{kZ}=\mathrm{7,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  
• Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (WAK):
• $$\text{x}-\text{Achse }104=\mathrm{\alpha }\text{x}=\mathrm{0,5}\text{ E-6 m}/\text{m}-\text{C}$$

  

  $$\text{y}-\text{Achse }106=\mathrm{\alpha }\text{y}=\mathrm{0,5}\text{ E-6 m}/\text{m}-\text{C}$$

  

  $$\text{z}-\text{Achse }102=\mathrm{\alpha }\text{y}=\mathrm{25,0}\text{ E-6 m}/\text{m}-\text{C}$$

  
• In einem Beispiel wird von einer ursprünglichen Ausrichtung 190 aus die z-Achse 102 des anisotropen Materials 118 um 90° um die Y-Achse 156 des Subträgers 110 gedreht. Daher weisen die Achsen X-Achse 154, Y-Achse 156 und Z-Achse 152 des Subträgers 110 die folgenden Eigenschaften auf:
• Wärmeleitfähigkeit:
• $$\text{X}-\text{Achse }154=\text{kX}=7\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse }156=\text{kY}=1700\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse }102=\text{kZ}=1700\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  
• Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (WAK):
• $$\text{X}-\text{Achse }154=\mathrm{\alpha }\text{X}=\mathrm{25,0}\text{ E-6 m/m-C}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse }156=\mathrm{\alpha }\text{Y}=\mathrm{0,5}\text{ E-6 m/m-C}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse }152=\mathrm{\alpha }\text{Z}=\mathrm{0,5}\text{ E-6 m/m-C}$$

  
• In repräsentativen Beispielen kann es vorteilhaft sein, die hohe Wärmeleitfähigkeit der Z-Y-Ebene 122 zu nutzen (der x-y-Ebene des anisotropen Materials 118) in dem Subträger 110 und die Z-Y-Ebene 122 senkrecht zu einer Bodenfläche der Laserdiode 114 auszurichten. Die Z-Y-Ebene 122 kann über eine Länge 120 der Laserdiode 114 angeordnet werden, um die Wärmeübertragung weg von der Laserdiode 114 zu erleichtern, beispielsweise während des Betriebs. Die von der Laserdiode 114 weg übertragene Wärme kann durch den Subträger 110 hindurch zu einer nächsten leitfähigen Schnittstelle (nicht dargestellt) in einer Laserdiodenbaugruppe 100 abgeleitet werden. Unglücklicherweise zieht die Ausrichtung der Z-Y-Ebene 122 des Subträgers 110 entlang der Länge 120 der Laserdiode 114 zum Zwecke der Nutzung der Wärmeausbreitungskapazität des anisotropen Materials 118 ebenfalls nach sich, dass die Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 102) des anisotropen Materials 118 parallel zu und entlang der Länge 120 der Laserdiode 114 in Richtung der X-Achse 154 ausgerichtet wird.
• In einem Beispiel kann die Laserdiode 114 aus GaAs und das anisotrope Material 118 aus pyrolytischem Graphit gefertigt sein. In dieser Konfiguration kann der Subträger 110 eine erhebliche mechanische Belastung auf die Laserdiode 114 während des Betriebs übertragen, was dem Unterschied zwischen dem WAK des Subträgers 110 in Richtung der X-Achse 154 und dem WAK der Laserdiode 114 in Richtung der X-Achse 154 geschuldet ist. Obwohl nicht vollkommen isotrop, weist GaAs einen WAK von ungefähr 5,4 E-6 m/m-C und ein Elastizitätsmodul von etwa 85,0 GPa auf, während pyrolytisches Graphit ein nachgewiesenes Elastizitätsmodul von weniger als 50,0 GPa in der z-Achse oder der Achse hoher Ausdehnung aufweist. Der Subträger 110 weist eine erheblich größere Querschnittsfläche auf als die Laserdiode 114. Wegen der unterschiedlichen Querschnittsflächen von Subträger 110 und Laserdiode 114 ist ein Subträger 110 aus pyrolytischem Graphit immer noch um mehrere Größenordnungen steifer als eine Laserdiode 114 aus GaAs. Daher wird ein erheblicher Teil der mechanischen Belastung in der Baugruppe 100 von der Laserdiode 114 absorbiert. Daher ist pyrolytisches Graphit in seiner natürlichen Ausrichtung unpraktisch für die Verwendung bei Diodenlaserbetrieb mit hoher Leistung.
• In einem Beispiel ist es möglich, zum Zwecke der Minimierung der WAK-Nichtübereinstimmung und in manchen Fällen zum Zwecke der der Minimierung von einer Wärmequelle absorbierten, mechanischen Belastung, eine oder mehrere der Achsen x-Achse 104, y-Achse 106 oder z-Achse 102 des anisotropen Materials 118 in Bezug auf eine oder mehrere Achsen des Subträgers 110, wie in 2A dargestellt, neu auszurichten.
• 2A veranschaulicht ein Beispiel eines anisotropen Materials aus dem ein kundenspezifischer Subträger gebildet werden kann. Der Subträger kann zum Sichern einer Wärmequelle wie eines Diodenlasers oder einer anderen Halbleitervorrichtung verwendet werden. Das anisotrope Material 218 umfasst eine z-Achse 202, die einen ersten WAK entlang der z-Achse 202 aufweist, eine x-Achse 204, die einen zweiten WAK entlang der x-Achse 204 aufweist, und eine y-Achse 206, die einen dritten WAK entlang der y-Achse 206 aufweist. Die z-Achse 202, x-Achse 204 und y-Achse 206 sind zueinander orthogonal. In einem Beispiel kann das anisotrope Material orthotrop sein, wobei der erste WAK, der zweite WAK und der dritte WAK alle voneinander verschieden sind. In einem anderen Beispiel kann das anisotrope Material 218 den gleichen oder einen ähnlichen WAK in zwei der drei Achsen aufweisen, während die dritte Achse einen anderen WAK aufweist.
• Das anisotrope Materials kann eine beliebige Substanz aus einer Reihe von Substanzen umfassen. Wenn der aus einem anisotropen Material 218 zu bildende Subträger an eine Wärmequelle gekoppelt werden soll, kann das anisotrope Material 218 basierend auf der Wärmeleitfähigkeit, dem WAK und anderen physikalischen Eigenschaften der Wärmequelle ausgewählt werden, an welche der Subträger gekoppelt werden soll. Manche Beispiele anisotroper Materialien, die in einer solchen Anwendung verwendet werden können, schließen Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubisches Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Diamant und verkapseltes pyrolytisches Graphit, BN, oder dergleichen, oder Kombinationen davon ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
• In einem Beispiel können die x-Achse 204 und die y-Achse 206 die höchste Wärmeleitfähigkeit des anisotropen Materials 218 und den niedrigsten WAK aufweisen. Während die z-Achse 202 die niedrigste Wärmeleitfähigkeit der drei Achsen und den größten WAK aufweisen kann. In einem anderen Beispiel kann jedoch eine Achse, welche die höchste Wärmeleitfähigkeit aufweist, auch den größten WAK aufweisen.
• In dem aktuellen Beispiel weist die z-Achse 202 den größten WAK aller Achsen des anisotropen Materials 218 auf und wird hierin als „Achse hoher Ausdehnung“ bezeichnet, was mit der Bezeichnung „z-Achse“ austauschbar ist. Ein Subträger kann aus dem anisotropen Material 218 gebildet und dergestalt konfiguriert werden, dass er an eine Wärmequelle auf einer Oberfläche des Substrats gekoppelt wird. Viele Halbleitermaterialien umfassende Wärmequellen weisen einen niedrigen WAK auf. Weil die z-Achse 202 die Achse hoher Ausdehnung ist, bei welcher der WAK wahrscheinlich höher ist als der WAK der Wärmequelle, würde eine Ausrichtung der z-Achse 202 entlang einer Oberfläche der Wärmequelle wahrscheinlich fragile Komponenten der Wärmequelle beschädigen, was der durch die WAK-Nichtübereinstimmung verursachten, mechanischen Belastung geschuldet wäre.
• 2B zeigt einen Subträger 210, welcher aus neu ausgerichtetem, anisotropen Material 218 gebildet wurde. In einem Beispiel kann die z-Achse 202 neu ausgerichtet werden, um einen Subträger 210 zu bilden, welcher eine zur z-Achse 202 schräg ausgerichtete Fläche 212 aufweist. Die Achsen des Subträgers 210 sind die Z-Achse 252, die X-Achse 254 und die Y-Achse 256. Die Fläche 212 befindet sich in der X-Y-Ebene 258. Die Z-Achse 252, die X-Achse 254 und die Y-Achse 256 sind zueinander orthogonal.
• Die Neuausrichtung der z-Achse 202 gestattet es dem Subträger 210, einen erheblichen Teil der hohen Wärmeleitfähigkeit der x-Achse 204 und/oder der y-Achse 206 an der Fläche 212 beizubehalten und gleichzeitig den hohen WAK der z-Achse 202 abzumildern. In einem Beispiel kann die z-Achse 202 einmal oder mehrere Male in Bezug auf verschiedene Ebenen und/oder Achsen des Subträgers 210 gedreht werden, um eine optimale Ausrichtung zu erzielen. Infolge der Neuausrichtung der z-Achse 202, weist die Z-Achse 252 einen vierten WAK entlang der Z-Achse 252 auf, die X-Achse 254 weist einen fünften WAK entlang der X-Achse 254 auf, und die Y-Achse 256 weist einen sechsten WAK entlang der Y-Achse 256 auf.
• In einem Beispiel kann die z-Achse 202 um einen ersten Winkel um eine erste Achse des Subträgers 210 und auch um einen zweiten Winkel um eine zweite Achse des Subträgers 210 gedreht werden. Dadurch können die Wärmeableitung verbessert und die WAK-Übereinstimmung zwischen einer Wärmequelle und dem Subträger 210 weiter optimiert werden. Wenn die z-Achse 202 nur um die Y-Achse 256 rotiert wird, verläuft die Z-Achse 252 schräg zur z-Achse 202, die X-Achse 254 verläuft schräg zur x-Achse 204 und die Y-Achse 256 verläuft parallel zur y-Achse 256. Wenn die z-Achse 202 um die X-Achse 254 und die Y-Achse 256 rotiert wird, verläuft die Z-Achse 252 schräg zur z-Achse 202, die X-Achse 254 verläuft schräg zur x-Achse 204 und die Y-Achse 256 verläuft schräg zur y-Achse 206.
• 2C veranschaulicht ein Beispiel einer Baugruppe 200, welche einen an eine Wärmequelle 214 an der Fläche 212 gekoppelten Subträger 210 umfasst. Die Wärmequelle 214 kann eine beliebige aus einer Reihe von Wärmequellen umfassen, wie Halbleitervorrichtungen einschließlich integrierter Schaltkreise, Diodenlaser, LEDs, superlumineszenter lichtemittierender Dioden (SLEDs), Solarzellen, und dergleichen, oder Kombinationen davon.
• Wiederum mit Bezug auf 2B können ein oder mehrere Rotationswinkel der z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 jeweils ausgewählt werden, um die Übereinstimmung zwischen dem vierten, fünften und/oder sechsten WAK mit einem WAK der Wärmequelle 214 zu optimieren. Auf diese Weise wird die WAK-Nichtübereinstimmung reduziert und folglich wird die mechanische Belastung in der Baugruppe 200 ebenfalls reduziert.
• In einem Beispiel kann der Subträger 210 in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit optimiert werden, nachgeordnet zur Optimierung der WAK-Übereinstimmung, indem ein oder mehrere Rotationswinkel der z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 (wenn die z-Achse 202 um mehrere Rotationswinkel gedreht wird) ausgewählt werden, um die Wärmeleitfähigkeit an der Fläche 212 oder durch den Subträger 210 zu optimieren, als eine sekundäre Überlegung zur Maximierung einer Übereinstimmung des WAK des Substrats 210 mit der Wärmequelle 214.
• Rotationswinkel der z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 können ausgewählt werden, um zuerst die WAK-Übereinstimmung zwischen der Wärmequelle 214 und dem Subträger 210 zu optimieren. Die Rotationswinkel der z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 können modifiziert werden, um die Wärmeleitfähigkeit der Achsen im Subträger 210 zu verbessern.
• In einem Beispiel kann eine WAK-Nichtübereinstimmungstoleranz identifiziert werden, und ein Bereich von Rotationswinkeln für die z-Achse 202 innerhalb des Niveaus der WAK-Nichtübereinstimmungstoleranz kann bestimmt werden. Rotationswinkel der z-Achse 202 können innerhalb des bestimmten Bereichs von Rotationswinkeln für die z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 modifiziert werden, um die Wärmeleitfähigkeit einer oder mehrerer Achsen des Subträgers 210 zu optimieren. In einem anderen Beispiel kann die z-Achse 202 um einen oder mehrere Rotationswinkel in Bezug auf die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 gedreht werden, wobei die mehreren Rotationswinkel ausgewählt werden, um die Übereinstimmung des WAK mit dem WAK der Wärmequelle zu optimieren, nachgeordnet der Optimierung der Wärmeleitfähigkeit am oder durch den Subträger 210.
• In einem Beispiel kann die WAK-Nichtübereinstimmungstoleranz so ausgewählt werden, dass eine Änderung des Rotationswinkels der z-Achse 202 um die X-Achse 254, Y-Achse 256 und/oder Z-Achse 252 nicht zu einer erheblichen Veränderung der Nähe der WAK-Übereinstimmung zwischen dem Subträger 210 und der Wärmequelle 212 führt. Eine „erhebliche Veränderung“ kann gemäß den Industrienormen und/oder von Fall zu Fall definiert werden und kann von der Anwendung, den Materialien und/oder anderen Faktoren abhängen, die einen Einfluss auf die Fähigkeit der Baugruppe haben, einer WAK-Nichtübereinstimmung und/oder mechanischen Belastungen stand zu halten.
• In einem Beispiel kann die Wärmequelle 214 anisotrop sein und unterschiedliche WAKs entlang verschiedener Achsen aufweisen. Rotationswinkel der z-Achse 202 um die X-Achse 254, die Y-Achse 256 und/oder die Z-Achse 252 können ausgewählt werden, um die WAKs der X-Achse 254, der Y-Achse 256 und/oder der Z-Achse 252 des Subträgers 210 mit denen der entsprechenden Achsen der Wärmequelle 214 in Übereinstimmung zu bringen. Die entsprechenden Achsen sind die Achsen der Wärmequelle 214, die auf die Achsen des Subträgers 210 auszurichten sind.
• Beispielhafte Ausführungsformen
• Die folgenden Figuren veranschaulichen hoch entwickelte Wärmeübertragungsmodellierung von Beispielen einer Baugruppe, die einen an eine Wärmequelle zu koppelnden Subträger umfasst. Die Wärmeübertragungsmodellierung wurde durchgeführt, um die thermische Leistung einer Chip-auf-Subträger-Konfiguration (eng. Chip on Submount, COS) zu bewerten, in der das anisotrope Material einmal oder zweimal in Bezug auf eine oder mehrere globale Achsen des Subträgers gedreht wird. Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der offenbarten Technologie und haben keine einschränkende Funktion.
• 3A veranschaulicht eine Beispielbaugruppe 300, welche einen Subträger 310 einschließlich eines Fußabdrucks 350 umfasst, welcher einen Bereich des Subträgers 310 identifiziert, der an eine Wärmequelle (nicht dargestellt) wie eine Laserdiode gekoppelt werden soll. Der Fußabdruck 350 ist etwa 5,0 mm x 0,1 mm. Der Subträger 310 ist etwa 0,5 mm dick. Der Subträger 310 ist an eine leitfähige Oberfläche einer Wärmeübertragungsstruktur 344 gekoppelt, die etwa 3,0 mm dick ist. Die Wärmeübertragungsstruktur 344 kann eine oder mehrere Schichten von isotropem und/oder anisotropem Material umfassen.
• 3B veranschaulicht eine Karte einer anfänglichen Basislinientemperatur der Baugruppe 300 bei einer anfänglichen Basislinientemperatur. In dem Basisliniendurchlauf ist der Subträger 310 aus isotropem Material mit einer Leitfähigkeit von A1N gefertigt. Bei dieser Analyse beträgt die im Bereich des Fußabdrucks 350 angegebene maximale Temperatur etwa 57,0 °C, was annähernd mit dem experimentellen Ergebnis für den Fall mit einer Wärmesenkentemperatur von 30 °C übereinstimmt.
• 4A veranschaulicht einen pyrolytisches Graphit 418 umfassenden Subträger 410. In einem Beispiel wird von einer Ausgangsausrichtung 490 aus pyrolytisches Graphit 418 mit einer Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 402) um 90° um die Y-Achse 456 des Subträgers 410 gedreht. Mit anderen Worten wird der z-Vektor des Materials (1, 0, 0) ausgerichtet in Bezug auf die globalen Achsen des Subträgers, die Z-Achse 452, die X-Achse 454 und die Y-Achse 456. Folglich weist in 4A der Subträger 410 die folgenden Merkmale auf:
• Wärmeleitfähigkeit:
• $$\text{X}-\text{Achse 4}54=\text{kX}=\mathrm{7,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse 4}56=\text{kY}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse }452=\text{kZ}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  
• Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (WAK):
• $$\text{X}-\text{Achse 4}54=\mathrm{\alpha }\text{X}=\mathrm{2,5}\text{ e-5/K}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse 4}56=\mathrm{\alpha }\text{Y}=\mathrm{5,0}\text{ e-7/K}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse 4}52=\mathrm{\alpha }\text{Z}=\mathrm{5,0}\text{ e-7/K}$$

  
• 4B veranschaulicht eine Temperaturkarte der Baugruppe 400. Der Subträger 410 umfasst pyrolytisches Graphit, das entsprechend der Beschreibung in 4A gedreht wurde. Die im Fußabdruck 450 angegebene maximale Temperatur beträgt etwa 50,0°.
• 5A veranschaulicht einen pyrolytisches Graphit 518 umfassenden Subträger 510. In einem Beispiel wird von einer Ausgangsausrichtung 590 aus pyrolytisches Graphit 518 mit einer Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 502) um 90° um die X-Achse 554 des Subträgers 510 gedreht. Mit anderen Worten wird der z-Vektor des Materials (0,1,0) ausgerichtet in Bezug auf die globalen Achsen des Subträgers 510, die Z-Achse 552, die X-Achse 554 und die Y-Achse 556. Folglich weist in 5A der Subträger 510 die folgenden Merkmale auf:
• Wärmeleitfähigkeit:
• $$\text{X}-\text{Achse 554}=\text{kX}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse 5}56=\text{kY}=\mathrm{7,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse 552}=\text{kZ}=\mathrm{1700,0}\text{ W}/\text{m}-\text{K}$$

  
• Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (WAK):
• $$\text{X}-\text{Achse 554}=\mathrm{\alpha }\text{X}=\mathrm{5,0}\text{ e-7/K}$$

  

  $$\text{Y}-\text{Achse 556}=\mathrm{\alpha }\text{Y}=\mathrm{2,5}\text{ e-5/K}$$

  

  $$\text{Z}-\text{Achse 5}52=\mathrm{\alpha }\text{Z}=\mathrm{5,0}\text{ e-7/K}$$

  
• 5B veranschaulicht eine Temperaturkarte der Baugruppe 500. Der Subträger 510 umfasst pyrolytisches Graphit, das entsprechend der Beschreibung in 5A gedreht wurde. Die im Fußabdruck 450 angegebene maximale Temperatur beträgt etwa 38,0°.
• 6A ist eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Subträgers 610, welcher pyrolytisches Graphit 618 umfasst, welches in Bezug auf die globalen Achsen X-Achse 654, Y-Achse 656 und/oder Z-Achse 652 gedreht wurde. Das pyrolytische Graphit 618 ist dergestalt ausgerichtet, dass die Achse höchster Ausdehnung, die z-Achse 602, und eine oder mehrere der Achsen x-Achse 604 oder y-Achse 606 des pyrolytischen Graphits 618 schräg zu einer Fläche 612 des Subträgers 610 verlaufen. Der Subträger 610 ist mit einer Wärmequelle zu koppeln, welche Galliumarsenid (GaAs) umfasst. In einem Beispiel kann der Subträger 610 gebildet werden, indem die z-Achse 602 um einen Winkel α 622 von 102,5° in Bezug auf die Z-Achse 652 des Subträgers 610 neu ausgerichtet wird.
• Der Winkel der Neuausrichtung ist gewählt, um im Wesentlichen den WAK des Subträgers 610 an der Fläche 612 mit dem WAK einer GaAs-Wärmequelle in der Richtung der X-Achse 654 in Übereinstimmung zu bringen.
• Eine derartige Neuausrichtung des pyrolytischen Graphits 618 beeinflusst sowohl den WAK als auch die Wärmeleitfähigkeit durch die Z-Achse 652 und die X-Achse 654 von Subträger 610. In diesem Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit der X-Achse 654 etwa 1033,0 W/m-K und 374,0 W/m-K in der Z-Achse 652. Die Wärmeleitfähigkeit durch die Y-Achse 656 bleibt mit 1700,0 W/m-K hoch. Der WAK der Z-Achse 652 ist 2,44 E-5/°C und jener der X-Achse 654 ist 5,4 E-6/°C, während der WAK der Y-Achse 656 bei 5,0 E-7/°C liegt. In einem Beispiel, in dem die Wärmequelle eine Laserdiode ist, kann eine optische Achse des Lasers im Fußabdruck 650 mit der X-Achse 654 zusammenfallen. Eine Reduzierung der WAK-Nichtübereinstimmung in dieser Richtung wird die mechanische Belastung der optischen Achse der Laserdiode im Fußabdruck 650 reduzieren.
• 6B veranschaulicht eine Temperaturkarte einer Baugruppe 600, die einen Subträger 610 umfasst. Der Fußabdruck 650 identifiziert einen Bereich des Subträgers 610, der an eine GaAs-Wärmequelle gekoppelt werden soll. Der Subträger 610 ist an eine Fläche einer Wärmeübertragungsstruktur 644 gekoppelt. Die Wärmeübertragungsstruktur 644 kann eine oder mehrere Schichten von isotropem und/oder anisotropem Material umfassen. Die Temperaturkarte in 4B veranschaulicht einen simulierten Temperaturanstieg in der GaAs-Wärmequelle bei etwa 16,0 W Wärmeableitung von der Wärmequelle. Der Temperaturanstieg beträgt etwa 40,0 °C. Im Gegensatz dazu beträgt der Temperaturanstieg bei Verwendung eines AlN-Subträgers anstelle eines anisotropen Subträgers etwa 57,0 °C.
• 7A veranschaulicht ein Beispiel eines Subträgers 710, der aus pyrolytischem Graphit 718 gebildet wurde, welches in Bezug auf globale Achsen des Subträgers 710 in zwei Richtungen gedreht wurde. Der Subträger 710 weist als Achsen die Z-Achse 752, die X-Achse 754 und die Y-Achse 756 auf. Der Subträger 710 schließt eine Fläche 712 und einen Fußabdruck 750 ein, welcher einen an eine Laserdiode zu koppelnden Bereich identifiziert. Die Laserdiode würde entlang der Länge 758 des Fußabdrucks 750 lasern.
• In einem Beispiel ist das pyrolytische Graphit 718 dergestalt ausgerichtet, dass die Achse höchster Ausdehnung, die z-Achse 702, und eine oder mehrere der Achsen x-Achse 704 oder y-Achse 706 schräg zur Fläche 712 verlaufen. Die z-Achse 702 des anisotropen Materials 718 wird zuerst um die Z-Achse 752 um etwa 153,2° und danach um die Y-Achse 756 um etwa 153,2° gedreht. Diese zweifache Drehung erzielt einen erwünschten WAK in der optischen Laserachse entlang der Länge 758. Es kann mathematisch gezeigt werden, dass bei gleichen Drehungen um etwa 153,2° um die Z-Achse 752 und die Y-Achse 756 die Wärmeleitfähigkeit von pyrolytischem Graphit 718 im Wesentlichen isotrop in Bezug auf die globalen Achsen Z-Achse 752, X-Achse 754 und Y-Achse 756 des Subträgers 710 wird, mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 790 W/m-K. Wie oben, beträgt der WAK in Richtung der X-Achse 754 immer noch 5,4 E-6/°C, doch in diesem Fall weist der WAK der Y-Achse 756 den Wert 22,4 E-6/°C auf.
• 7B veranschaulicht einen simulierten Temperaturanstieg einer Baugruppe 700, welche einen an eine Wärmequelle (nicht dargestellt) gekoppelten Subträger 710 umfasst. Die Baugruppe 700 schließt den Fußabdruck 750 für die Wärmequelle ein, welcher einen Bereich des Subträgers 702 identifiziert, der an eine Wärmequelle (z. B. eine Laserdiode) zu koppeln ist. Der Subträger 710 ist an eine Oberfläche einer Wärmeübertragungsstruktur 744 gekoppelt. Der simulierte Temperaturanstieg geht von einer Wärmequelle mit 16 W Wärmeableitung aus und errechnet einen Temperaturanstieg von etwa 40 °C bei Verwendung des Subträgers 710.
• 8 veranschaulicht ein Verfahren 800 zur Bildung eines Subträgers 210 aus einem anisotropen Material 218 durch Neuausrichtung einer Achse höchster Ausdehnung 204 des anisotropen Materials 218 in Bezug auf die Achsen des Subträgers 210 dergestalt, dass die Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 202) schräg zu einer Fläche 212 des Subträgers 210 verläuft. Das Verfahren 800 beginnt mit Block 802, wo ein erster Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) einer Wärmequelle 214 in einer ersten Achse der Wärmequelle identifiziert wird, die an einen Wärmespreizer 210 zu koppeln ist, welcher ein anisotropes Material 218 umfasst. Das Verfahren 800 kann zu Block 804 fortschreiten, wo ein erster Rotationswinkel einer Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 202) des anisotropen Materials 218 ausgewählt werden kann, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials (z-Achse 202, x-Achse 204 und/oder y-Achse 206) mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine erste Achse (Z-Achse 252) des Wärmespreizers 210 bezieht. In Block 806 kann die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um den ersten Winkel gedreht werden. In Block 808 kann ein zweiter Rotationswinkel der Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 202) des anisotropen Materials ausgewählt werden, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials (z-Achse 202, x-Achse 204 und/oder y-Achse 206) mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine zweite Achse (Y-Achse 256) des Wärmespreizers 210 bezieht. In Block 810 kann die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um den zweiten Rotationswinkel gedreht werden. In Block 812 kann ein zweiter WAK der Wärmequelle in einer zweiten Achse der Wärmequelle identifiziert werden. Entweder der erste oder der zweite Rotationswinkel kann ausgewählt werden, um ferner die Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials (z-Achse 202, x-Achse 204 und/oder y-Achse 206) mit dem zweiten WAK zu optimieren. In Block 814 kann ein dritter Rotationswinkel der Achse hoher Ausdehnung (z-Achse 202) des anisotropen Materials ausgewählt werden, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials (z-Achse 202, x-Achse 204 und/oder y-Achse 206) mit dem zweiten zu optimieren. In Block 816 kann die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um den dritten Rotationswinkel gedreht werden, um die Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem zweiten WAK zu optimieren. Der erste, zweite und/oder dritte Rotationswinkel können ausgewählt werden, um die Wärmeleitfähigkeit entlang einer oder mehrerer Achsen des Wärmespreizers zu optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK und/oder dem zweiten WAK.
• Obwohl das Verfahren 800 als mehrere Schritte umfassend beschrieben wurde, ist es nicht notwendig, dass alle Schritte des Verfahrens durchgeführt werden, und es existiert auch keine bestimmte Reihenfolge, in der die Schritte innerhalb des Geltungsbereichs des betrachteten Gegenstandes zu praktizieren sind. Des Weiteren können nicht identifizierte Zwischenschritte innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegend offenbarten Technologie in Betracht gezogen und praktiziert werden.
• Da nun die allgemeinen und spezifischen Prinzipien von Beispielen der vorliegend offenbarten Technologie beschrieben und veranschaulicht wurden, sollte es sich verstehen, dass die Beispiele hinsichtlich ihrer Anordnung und ihrer Details modifiziert werden können, ohne von solchen Prinzipien abzuweichen. Wir beanspruchen, dass alle Modifikationen und Variationen unter den Gedanken und in den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche fallen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 62205853 [0001]

Claims (22)

1. Einrichtung, umfassend: einen Wärmespreizer, der einen Wärmequelle-Wärmeausdehnungskoeffizienten (WQ-WAK) aufweist, wobei der Wärmespreizer ein anisotropes Material umfasst, welches eine Achse hoher Ausdehnung aufweist; eine Fläche des Wärmespreizers, die an eine Wärmequelle zu koppeln ist, wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials schräg zur Fläche des Wärmespreizers ist, und wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials in einem ersten Rotationswinkel um eine erste Achse des Wärmespreizers ausgerichtet ist, wobei der erste Rotationswinkel ausgewählt ist, um eine Übereinstimmung eines ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials in einem zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse des Wärmespreizers ausgerichtet ist, wobei der zweite Rotationswinkel ausgewählt ist, um die Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet ist, dass die Achse hoher Ausdehnung um einen dritten Rotationswinkel um eine dritte Achse des Wärmespreizers gedreht ist, wobei der dritte Rotationswinkel ausgewählt ist, um die Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK zu optimieren.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizers optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des ersten WAK des Wärmespreizers mit dem WQ-WAK.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon eine Übereinstimmung des ersten WAK oder eines zweiten WAK des Wärmespreizers mit den entsprechenden eines ersten WAK entlang einer ersten WQ-Achse der Wärmequelle oder eines zweiten WAK entlang einer zweiten WQ-Achse der Wärmequelle oder einer Kombination davon optimieren.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Rotationswinkel, der zweite Rotationswinkel oder der dritte Rotationswinkel oder eine Kombination davon die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizers optimieren, nachgeordnet zur Übereinstimmung mit dem ersten WAK entlang einer ersten WQ-Achse der Wärmequelle oder einem zweiten WAK entlang einer zweiten WQ-Achse der Wärmequelle oder einer Kombination davon.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer basierend auf der Ausrichtung des anisotropen Materials im Wesentlichen isotrop ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das anisotrope Material mindestens eines von Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubischem Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterialien, Diamant und pyrolytischem Graphit umfasst.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmespreizer an der Fläche mit der Wärmequelle gekoppelt ist und an einer der Wärmequelle entgegengesetzten Fläche mit einer Wärmesenke gekoppelt ist.
10. System, umfassend: eine Wärmequelle, die einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist; einen ein anisotropes Material umfassenden Wärmespreizer, der an die Wärmequelle zu koppeln ist, wobei das anisotrope Material Folgendes einschließt: eine Primärachse, die einen primären Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) entlang der Primärachse aufweist, wobei der primäre WAK der höchste WAK des anisotropen Materials ist; eine Sekundärachse, die einen sekundären WAK entlang der Sekundärachse aufweist, wobei die Sekundärachse orthogonal zur Primärachse ist, und wobei der primäre WAK sich vom sekundären WAK unterscheidet; und eine Tertiärachse, die einen tertiären WAK entlang der Tertiärachse aufweist, wobei die Tertiärachse orthogonal zur Sekundärachse und zur Primärachse ist; und eine in Kontakt mit der Wärmequelle befindliche Fläche des Wärmespreizers, wobei die Fläche in einer Ebene schräg zur Primärachse ausgerichtet ist, wobei der Wärmespreizer Folgendes aufweist: eine zur schrägen Ebene orthogonale quaternäre Achse, die einen quaternären WAK entlang der quaternären Achse aufweist; eine in der schrägen Ebene verlaufende, quinäre Achse, die einen quinären WAK entlang der quinären Achse aufweist; und eine in der schrägen Ebene verlaufende, senäre Achse, die einen senären WAK entlang der senären Achse aufweist, wobei das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet ist, dass die Primärachse um einen ersten Rotationswinkel in Bezug auf die quaternäre Achse um die quinäre Achse gedreht ist, und wobei der erste Rotationswinkel eine Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimiert.
11. System nach Anspruch 10, wobei der erste Rotationswinkel die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimiert, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle.
12. System nach Anspruch 10, wobei das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet ist, dass die Primärachse um einen zweiten Rotationswinkel in Bezug auf die quinäre Achse um die senäre Achse gedreht ist, und wobei der zweite Rotationswinkel die Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimiert.
13. System nach Anspruch 12, wobei der zweite Rotationswinkel die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimiert, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle.
14. System nach Anspruch 12, wobei das anisotrope Material innerhalb des Wärmespreizers dergestalt ausgerichtet ist, dass die Primärachse um einen dritten Rotationswinkel in Bezug auf die senäre Achse um die quaternäre Achse gedreht ist, und wobei der dritte Rotationswinkel die Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit einem WAK der Wärmequelle optimiert.
15. System nach Anspruch 14, wobei der dritte Rotationswinkel die Wärmeleitfähigkeit entlang der quaternären Achse, der quinären Achse oder der senären Achse oder beliebiger Kombinationen davon optimiert, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des quaternären WAK, des quinären WAK oder des senären WAK oder beliebiger Kombinationen davon mit dem WAK der Wärmequelle.
16. System nach Anspruch 10, wobei der tertiäre WAK vom primären WAK und vom sekundären WAK verschieden ist.
17. System nach Anspruch 10, wobei das anisotrope Material mindestens eines von Siliziumkarbid (SiC), Kupfer (Cu), kubischem Bornitrid (c-BN), Graphit, Graphen, Graphen-Verbundmaterialien, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterialien, Diamant und verkapseltem pyrolytischem Graphit umfasst.
18. System nach Anspruch 14, bei dem die Wärmequelle eine Laserdiode, ein integrierter Schaltkreis oder eine lichtemittierende Diode oder beliebige Kombinationen davon ist.
19. Verfahren, umfassend: Identifizieren eines ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) einer Wärmequelle in einer ersten Achse der Wärmequelle, die an einen ein anisotropes Material umfassenden Wärmespreizer zu koppeln ist; Auswählen eines ersten Rotationswinkels einer Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials, um eine Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine erste Achse des Wärmespreizers bezieht; und Drehen der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um den ersten Rotationswinkel.
20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Auswählen eines zweiten Rotationswinkels der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials, um die Übereinstimmung eines oder mehrerer WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK zu optimieren, wobei der Winkel sich auf eine zweite Achse des Wärmespreizers bezieht; und Drehen der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um den zweiten Rotationswinkel.
21. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Identifizieren eines zweiten WAK der Wärmequelle in einer zweiten Achse der Wärmequelle; Drehen der Achse hoher Ausdehnung des anisotropen Materials um einen zweiten Rotationswinkel, um die Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem zweiten WAK zu optimieren.
22. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Auswählen des ersten Rotationswinkels, um die Wärmeleitfähigkeit entlang einer oder mehrerer Achsen des Wärmespreizers zu optimieren, nachgeordnet zur Optimierung der Übereinstimmung des einen oder der mehreren WAKs einer oder mehrerer Achsen des anisotropen Materials mit dem ersten WAK.

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