JP6554234B2 - 最適化された熱膨張係数及び／又は熱伝達を用いたヒートスプレッダ - Google Patents

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関連出願の相互参照

本願は、２０１５年８月１７日に出願された、米国特許仮出願第６２／２０５，８５３号の利益を主張するものであり、上記仮出願は、参照によりあらゆる目的で本明細書に組み込まれる。

概して、ここで開示される技術の分野は、半導体パッケージングである。より具体的には、開示される技術は、パッケージングに使用される材料の熱膨張係数と熱源の熱膨張係数を一致させることに関連する。

半導体デバイスは、壊れやすく、典型的には熱的及び機械的応力、腐食、汚染などによる損傷からデバイスを保護するためにパッケージに組み入れられている。半導体パッケージングは、典型的には、放熱層、ヒートスプレッダ及び／又はヒートシンクなどの放熱コンポーネントを含む。

レーザーダイオードは、半導体デバイスの一種である。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）及びリン化インジウム（ＩｎＰ）ベースのレーザーパッケージでは、ＧａＡｓ及びＩｎＰ上に成長したレーザーをＣＴＥマッチしたサブマウントに接合して、熱を放散させる。このようなサブマウントは、典型的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び／又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）から作製される。しかしながら、これらの材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及びカプセル化された熱分解グラファイトと比較して熱伝導率が劣っている。上記のより高い熱伝導率材料の使用は、明らかな性能優位性を有するが、ＣＴＥミスマッチしたサブマウントは、半導体デバイスの信頼性を損なう原因になり得る。

ＳｉＣ、Ｃｕ、立方晶ＢＮ、グラファイト、グラフェン、ダイヤモンド及びカプセル化された熱分解グラファイトなどの材料のより高い熱伝導率の優位性を得るためには、ＣＴＥミスマッチしたヒートスプレッダと半導体デバイスなどの熱源との組合せは、ＣＴＥミスマッチによる、高熱伝導性材料から熱源への機械的応力の伝達を低減するための追加の手段を要することがある。そのような手段は、信頼性を欠く恐れがあり、機械的応力を低減するための手段を実装する時間及びコストが非常にかかる場合がある。

必要とされるものは、エレクトロニクスパッケージングで用いる熱源と実質的に同様のＣＴＥを有する高熱伝導性材料である。一例において、高熱伝導性材料は、必要とされる電気的分離性も有することが望ましい。実質的に材料の熱伝導性を維持しつつ、高熱伝導性材料を調節して熱源のＣＴＥにマッチさせることを可能にすることは有利にもなる。

本明細書で開示されるのは、熱源の熱膨張係数（ＨＳ ＣＴＥ）を有するヒートスプレッダの例であり、このヒートスプレッダは、高膨張軸（high expansion axis）を有する異方性材料、熱源に結合するヒートスプレッダの表面を含み、異方性材料の高膨張軸は、ヒートスプレッダの表面に対して斜めになってもよく、異方性材料の高膨張軸は、ヒートスプレッダの第１の軸の周りに第１の回転角度で配向されてもよく、第１の回転角度は、ヒートスプレッダの第１のＣＴＥとＨＳ ＣＴＥのマッチを最適化するように選択されてもよい。異方性材料の高膨張軸は、ヒートスプレッダの第２の軸の周りに第２の回転角度で配向されてもよく、第２の回転角度は、ヒートスプレッダの第１のＣＴＥとＨＳ ＣＴＥのマッチを最適化するように選択されてもよい。更に、異方性材料は、高膨張軸がヒートスプレッダの第３の軸の周りに第３の回転角度だけ回転することができるようにヒートスプレッダ内部に配向されてもよく、第３の回転角度は、ヒートスプレッダの第１のＣＴＥとＨＳ ＣＴＥとのマッチを最適化するように選択されてもよい。第１の回転角度、第２の回転角度、若しくは第３の回転角度、又はそれらの組み合わせは、ヒートスプレッダの第１のＣＴＥとＨＳ ＣＴＥとのマッチの最適化に従いヒートスプレッダの熱伝導率を最適化し得る。第１の回転角度、第２の回転角度若しくは第３の回転角度、又はそれらの組み合わせは、ヒートスプレッダの第１のＣＴＥ又は第２のＣＴＥと、熱源の第１のＨＳ軸に沿った第１のＣＴＥ、若しくは熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせのうちの対応のもののマッチを最適化し得る。第１の回転角度、第２の回転角度若しくは第３の回転角度、又はそれらの組み合わせは、熱源の第１のＨＳ軸に沿った第１のＣＴＥ、若しくは熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせのマッチングに従い、ヒートスプレッダの熱伝導率を最適化し得る。ヒートスプレッダは、異方性材料の配向に基づいて実質的に直交異方性であってもよい。異方性材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及び熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含んでもよい。ヒートスプレッダは、表面で熱源に、また熱源と反対側の表面でヒートシンクに結合されてもよい。

本明細書で開示されるのは、線熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する熱源と、異方性材料を含む熱源に結合されるヒートスプレッダであって、異方性材料が、１次軸であって、１次軸に沿って１次熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、１次ＣＴＥがその異方性材料中で最高ＣＴＥであってもよい１次軸と、２次軸であって、２次軸に沿って２次ＣＴＥを有し、２次軸が１次軸に直交してもよく、１次ＣＴＥが２次ＣＴＥと異なってもよい２次軸と、３次軸であって、３次軸に沿って３次ＣＴＥを有し、３次軸が２次軸及び１次軸に直交していてもよい３次軸と、を含むヒートスプレッダと、を備えるシステムの例である。熱源と接触するヒートスプレッダの表面は、１次軸に対して斜めの平面内に配向されていてもよい。ヒートスプレッダは、４次軸に沿って４次ＣＴＥを有する斜面に直交する４次軸、５次軸に沿って５次ＣＴＥを有する斜面にある５次軸、及び６次軸に沿って６次ＣＴＥを有する斜面にある６次軸を含んでもよく、異方性材料は、１次軸が５次軸の周りで４次軸に対して第１の回転角度で回転できるようにヒートスプレッダ内に配向されてもよく、第１の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源とのＣＴＥのマッチを最適化する。第１の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源のＣＴＥとのマッチの最適化に従い、４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化し得る。異方性材料は、１次軸が６次軸の周りで５次軸に対して第２の回転角度だけ回転できるようにヒートスプレッダ内に配向されてもよく、第２の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源のＣＴＥとのマッチを最適化し得る。第２の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源のＣＴＥのマッチとの最適化に従い、４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化し得る。異方性材料は、１次軸が４次軸の周りで６次軸に対して第３の回転角度だけ回転できるようにヒートスプレッダ内に配向されてもよく、第３の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源のＣＴＥとのマッチを最適化し得る。第３の回転角度は、４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと熱源のＣＴＥとのマッチの最適化に従い、４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化し得る。３次ＣＴＥは、１次ＣＴＥ及び２次ＣＴＥと異なってもよい。異方性材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及びカプセル化された熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含んでもよい。熱源は、レーザーダイオード、集積回路、若しくは発光ダイオード、又はそれらの任意の組み合わせであってもよい。

ここで開示されるのは、熱源の第１の熱膨張係数（ＣＴＥ）を、異方性材料を含むヒートスプレッダに結合される熱源の第１の軸において特定することと、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥとのマッチを最適化するように異方性材料の高膨張軸の第１の回転角度を選択することであって、その角度がヒートスプレッダの第１の軸を基準とすることと、第１の回転角度に対して異方性材料の高膨張軸を回転させることと、を行うための方法である。方法は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥとのマッチを最適化するように異方性材料の高膨張軸の第２の回転角度を選択することであって、その角度がヒートスプレッダの第２の軸を基準とすることと、第２の回転角度に対して異方性材料の高膨張軸を回転させることと、を更に含み得る。方法はまた、熱源の第２の軸において熱源の第２のＣＴＥを特定することと、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第２のＣＴＥとのマッチングを最適化するように第２の回転角度だけ異方性材料の高膨張軸を回転させることと、も含み得る。方法は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥとのマッチの最適化に従い、ヒートスプレッダの１つ又は２つ以上の軸に沿って熱伝導率を最適化するように第１の回転角度を選択することを追加的に含み得る。

開示された技術の前述（forgoing）及びその他の目的、特徴、及び利点は、添付図面を参照して進められる以下の「発明を実施するための形態」から、より明確になるであろう。

同様の参照番号が同様の要素を表す添付図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、記述とともに現在開示されている技術の利点及び原理を説明する。図面は以下の通りである。
レーザーダイオード及びサブマウントアセンブリの例を図示する。 カスタムサブマウントを形成することができる（熱伝導率及び熱膨張係数において）異方性の材料の例を図示する。 再配向された異方性材料から形成されたサブマウントの例を図示する。 熱源に結合されるサブマウントを含む例示のアセンブリを図示する。 サブマウント上の０．１ｍｍ×５．０ｍｍの寸法を有するレーザーダイオード熱源の例を図示する。 サブマウントを含むアセンブリの初期基準となる温度マップを図示する。 熱分解グラファイトを含むサブマウントの例を図示する。 サブマウントを含むアセンブリの温度マップを図示する。 熱分解グラファイトを含むサブマウントの例を図示する。 レーザーダイオード用のサブマウントを含むアセンブリの温度マップを図示する。 サブマウントのグローバル軸に対して回転した熱分解グラファイトを含むサブマウントの例を図示する。 サブマウントを含むアセンブリの温度マップを図示する。 サブマウントのグローバル軸に対して２方向に回転した熱分解グラファイトから形成されたサブマウントの例を図示する。 サブマウントを含むアセンブリの模擬温度上昇を図示する。 異方性材料からサブマウントを形成するプロセスを図示する。

本出願及び「特許請求の範囲」において使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別途明らかに示されない限り、複数の形態を含む。加えて、用語「含む（includes）」は、「含む（comprises）」を意味する。更に、用語「結合した」は、結合したアイテム間の中間要素の存在を除外しない。

本明細書で記載されたシステム、機器、及び方法は、いかなるようにも限定するものと解釈すべきでない。むしろ、本開示は、様々な開示された実施形態の、単独並びに相互の様々な組み合わせ及び部分的組み合わせでの、全ての新規かつ自明でない特徴及び態様に向けられる。開示されたシステム、方法、及び機器は、特定の態様若しくは特徴又はそれらの組み合わせに一切限定されず、また開示されたシステム、方法、及び機器は、１つ若しくは２つ以上の特定の利点が存在すること、又は１つ若しくは２つ以上の特定の問題が解決されることも必要としない。あらゆる動作の理論は、説明を容易にすることができるが、開示されたシステム、方法、及び機器は、そのような動作の理論に限定されない。

開示された方法のいくつかの動作は、利便性の良い表示のために特定の順序で説明されているが、下記に説明される特定の言語によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法が並べ替えを包含することを理解するべきである。例えば、順番に記載された動作は、場合によっては、並べ替えるか又は同時に実行してもよい。更に、簡略化のために、添付図面は、開示されたシステム、方法、及び機器を他のシステム、方法、及び機器と併用できる様々な方法を示さない場合がある。加えて、その説明は時として、「生じさせる」及び「提供する」などの用語を使用して、開示された方法を説明する。これらの用語は、実行される実際の動作の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装に応じて変化することになり、当業者によって認識可能である。

いくつかの例において、値、手順、又は機器の、は、「最低の」、「最良の」、「最小の」などと表現される。そのような説明は、多数の用いられる機能的選択肢から選択が行われ得ること、及びそのような選択が、他の選択より良い、小さい、ないしは別の方法で好ましい必要はないことを示すことを意図していることが理解されよう。例は、「上方」、「下方」、「上部」、「下部」などと示される方向を基準にして説明される。これらの用語は、利便性の良い説明のために使用されるが、何らかの特定の空間的定位を意味するものではない。

一般に、材料は、温度の変化に応じて伸縮する。材料の膨張又は収縮は、１つ又は２つ以上の方向に異なる比率で発生し得る。熱膨張係数（ＣＴＥ）は、１つ又は２つ以上の他の変数が一定に保たれている場合、寸法の単位あたりの寸法、及び温度の一単位変化あたりの寸法において、どのくらい材料が膨張するかの測度である。体積、面積、及び線熱膨張のＣＴＥが存在する。本説明において、線熱膨張係数は、様々な例で論じられる。しかしながら、面積熱膨張係数（coefficient of area thermal expansion）及び／又は体積熱膨張係数は、使用される材料及び本明細書に記載される技術の適用に依存して適切かつ適用可能であり得る。

ヒートスプレッダは、熱源から熱を逃がすことによって熱源を冷却するのに用いられる熱交換器である。熱伝導率は、材料が熱をどのくらいよく伝導するかの測度である。材料の熱伝導率が高ければ高いほど、材料にわたる伝熱速度が大きくなる。ヒートスプレッダは、様々なデバイスを冷却するために、またヒートシンクなどの他の熱伝導性デバイスに熱を伝達する、かつ／又は拡散させるために使用される。ヒートスプレッダは、熱源が結合される基材又はサブマウントであってもよい。例えば、集積回路、ダイオードレーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体デバイス、又はそれらの任意の組合せは、多くの場合、ヒートスプレッダに結合することによって冷却される。ヒートスプレッダの熱伝達容量は様々であり、ヒートスプレッダと接触する熱拡散材料及び他の導電性表面の熱伝導率、熱源をヒートスプレッダに結合する方法、並びに／又は冷却媒体と接触するヒートスプレッダの表面積の量を含む、多くの要因に依存する。

ヒートスプレッダは、多くの場合、熱源に接合されている、かつ／又は直接接触若しくは密着している。集積回路、ダイオードレーザー、ＬＥＤなどの熱源、又はそれらの任意の組み合わせは、壊れやすく、したがって機械的応力に影響されやすい。加えて、そのようなデバイスは、熱をあまりよく伝導しない傾向にあり、低いＣＴＥを有する傾向にある。当然のことだが、ＣＴＥミスマッチは、壊れやすい半導体材料に伝達される傾向にある機械的応力を与えるので、ヒートスプレッダ材料のＣＴＥは、そこに結合される熱源の信頼性に重大な影響を及ぼすことがある。

ヒートスプレッダより低いＣＴＥを有する熱源に結合される特定のＣＴＥを有するヒートスプレッダを含むアセンブリは、動作中に複数の加熱サイクル及び冷却サイクルを繰り返してもよい。加熱は、熱源の膨張よりも大幅にヒートスプレッダの膨張を引き起こし得るので、熱源を変形及び／又は破壊させる。理想的には、ヒートスプレッダのＣＴＥは、実質的に熱源のＣＴＥとマッチする。ヒートスプレッダのＣＴＥの熱源のＣＴＥに対するマッチングは、一般にヒートスプレッダの熱伝達能力において犠牲を伴う。逆に、より熱伝導性の良い材料を使用することによってヒートスプレッダの熱的性能を向上させることは、通常、機械的応力をアセンブリに導入する、ヒートスプレッダと熱源との間のＣＴＥミスマッチを増大させる。

場合によっては、熱源とＣＴＥミスマッチのヒートスプレッダとの間にインジウムなどの軟質はんだ材料を使用することによって、ＣＴＥミスマッチを管理することができる。しかしながら、軟質はんだを使用することの短所は、熱源が連続熱サイクルと不一致になる恐れがあること、はんだが落ちて壊れやすくなる恐れがあること、及び／又は軟質はんだが更にＣＴＥミスマッチしたヒートシンクから熱源に機械的応力を伝達する恐れがあることである。別の例では、ヒートスプレッダは、締め付け又はヒートスプレッダを熱源に結合する他の一時的な方法によって熱源に取り付けることができる。

ヒートスプレッダ材料は、等方性又は異方性である熱伝導性材料を含んでもよい。等方性材料は、全ての軸に沿って実質的に同じである材料特性を有する傾向にある。したがって、等方性材料は、全ての方向にほぼ同じ比率で膨張する。異方性材料は、少なくとも２つの異なる軸において異なる材料特性を有する。したがって、異方性材料は、少なくとも２つの異なる方向において異なる比率で膨張する。この議論は、均質である材料に関するが、それらに限定されず、特許請求される主題は、それほど限定されない。

一例において、ヒートスプレッダとして異方性材料を使用することは、多くの異方性材料が少なくとも１つの方向において熱伝導性が非常に高いという点で有利になり得る（即ち、少なくとも１つの軸に沿って）。そのような熱伝導性材料を使用することの短所は、１つ又は２つ以上の軸においてＣＴＥが、同様に高い場合があることである。このことは、少なくとも１つの軸においてヒートスプレッダと熱源との間のＣＴＥミスマッチにつながるであろう。

一例において、ヒートスプレッダ中の異方性材料の再配向は、ヒートスプレッダが熱源から効率よくかつより良好なＣＴＥマッチを用いて熱を放散できるようにし得る。一例において、異方性材料の軸は、ヒートスプレッダの表面及び／又はヒートスプレッダの表面に対して平行かつ／若しくは垂直の１つ若しくは２つ以上の軸に対して再配向することができ、その結果、異方性材料の再配向された軸が、ヒートスプレッダの表面に対して平行な平面に斜めになる。異方性材料の軸は、任意の軸であってもよい。例えば、最高のＣＴＥを有する軸（即ち、高膨張軸）は、再配向する軸として使用されてもよい。しかしながら、再配向のために高膨張軸を選択する必要はない。異方性材料の別の軸を使用してもよい。異方性材料の再配向は、ヒートスプレッダの１つ又は２つ以上の軸の周りで選択した軸を１回又は２回以上回転することによって達成され得る。このようにして異方性材料の再配向は、異方性材料の高い熱伝導率の利点を利用し続けながら、熱源／ヒートスプレッダアセンブリにおける機械的応力を低減し得る。異方性材料の再配向は、様々な方法で達成され得る。

図１は、レーザーダイオード及びサブマウントアセンブリ１００の例を図示する。サブマウント１１０は、レーザーダイオード１１４に結合されてもよい。一例において、サブマウント１１０は、異方性材料１１８を含む。自然形態の異方性材料１１８は、熱伝導率及び熱膨張係数において高い異方性であってもよい。異方性材料１１８は、次の材料特性を有し得る。
熱伝導率：
ｘ軸１０４＝ｋＸ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
ｙ軸１０６＝ｋＹ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
ｚ軸１０２＝ｋＺ＝７．０Ｗ／ｍ−Ｋ
線熱膨張係数（ＣＴＥ）：
ｘ軸１０４＝αｘ＝０．５Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ
ｙ軸１０６＝αｙ＝０．５Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ
ｚ軸１０２＝αｚ＝２５．０Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ

例において、元の配向１９０から、異方性材料１１８のｚ軸１０２は、サブマウント１１０のＹ軸１５６の周りで９０度回転する。したがって、サブマウント１１０の軸、Ｘ軸１５４、Ｙ軸１５６、及びＺ軸１５２は、次の特性を有する。
熱伝導率：
Ｘ軸１５４＝ｋＸ＝７Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｙ軸１５６＝ｋＹ＝１７００Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｚ軸１０２＝ｋＺ＝１７００Ｗ／ｍ−Ｋ
線熱膨張係数（ＣＴＥ）：
Ｘ軸１５４＝αＸ＝２５．０Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ
Ｙ軸１５６＝αＹ＝０．５Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ
Ｚ軸１５２＝αＺ＝０．５Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃ

代表的な例において、サブマウント１１０におけるＺ−Ｙ平面１２２（異方性材料１１８のｘ−ｙ平面）の高い熱伝導率の利点を利用すること、及びＺ−Ｙ平面１２２をレーザーダイオード１１４の下面に向けて垂直に揃えることが望ましい場合がある。Ｚ−Ｙ平面１２２は、例えば動作中にレーザーダイオード１１４からの熱伝達を促進するために、レーザーダイオード１１４の長さ１２０にわたって配置されてもよい。レーザーダイオード１１４から伝達された熱は、サブマウント１１０を通じて、レーザーダイオードアセンブリ１００内の次の導電インタフェース（図示せず）へ放散し得る。残念ながら、異方性材料１１８の熱拡散容量の利点を利用するために、レーザーダイオード１１４の長さ１２０に沿ってサブマウント１１０のＺ−Ｙ平面１２２を揃えることはまた、異方性材料１１８の高膨張軸（ｚ軸１０２）も、Ｘ軸１５４方向にレーザーダイオード１１４の長さ１２０に沿って平行に揃える。

一例において、レーザーダイオード１１４は、ＧａＡｓから作製されてもよく、異方性材料１１８は、熱分解グラファイトであってもよい。この構成では、サブマウント１１０は、Ｘ軸１５４方向のサブマウント１１０のＣＴＥと、Ｘ軸１５４方向のレーザーダイオード１１４のＣＴＥとの間の差により、動作中に著しい機械的応力をレーザーダイオード１１４に伝達する場合がある。完全に等方性ではないが、ＧａＡｓは、５．４Ｅ−６ｍ／ｍ−Ｃの概算のＣＴＥ及び約８５．０ＧＰａの弾性率を有するのに対し、熱分解グラファイトは、ｚ軸又は高膨張軸において５０．０ＧＰａ未満の報告された弾性率を有する。サブマウント１１０は、レーザーダイオード１１４よりも著しく大きな断面積を有する。したがって、サブマウント１１０対レーザーダイオード１１４の断面積の差に起因して、熱分解グラファイトのサブマウント１１０は、ＧａＡｓレーザーダイオード１１４より更に数倍硬い。したがって、アセンブリ１００における機械的歪みの大部分は、レーザーダイオード１１４によって吸収されるであろう。したがって、自然配向での熱分解グラファイトは、高性能ダイオードレーザーの動作には実用的でない。

例において、ＣＴＥミスマッチ及び場合によっては熱源によって吸収された機械的歪みを最小化するために、異方性材料１１８の軸、ｘ軸１０４、ｙ軸１０６又はｚ軸１０２のうち１つ又は２つ以上は、図２Ａに示されるように、サブマウント１１０の１つ又は２つ以上の軸に対して再配向することができる。

図２Ａは、カスタムサブマウントを形成することができる異方性の材料の例を図示する。サブマウントは、ダイオードレーザー又は他の半導体デバイスなどの熱源を固定するためのものであり得る。異方性材料２１８は、ｚ軸２０２に沿って第１のＣＴＥを有するｚ軸２０２、ｘ軸２０４に沿って第２のＣＴＥを有するｘ軸２０４、及びｙ軸２０６に沿って第３のＣＴＥを有するｙ軸２０６を含む。ｚ軸２０２、ｘ軸２０４、及びｙ軸２０６は、相互に直交する。一例では、異方性材料は、第１のＣＴＥ、第２のＣＴＥ、及び第３のＣＴＥが全て互いに異なる直交異方性であってもよい。別の例では、異方性材料２１８は、３つの軸のうち２つで同一又は同様のＣＴＥを有してもよいが、第３の軸は、異なるＣＴＥを有する。

異方性材料は、様々な物質のいずれかを含んでもよい。異方性材料２１８から形成されるサブマウントが、熱源に結合される場合、異方性材料２１８は、熱伝導率、ＣＴＥ及びサブマウントが結合される熱源の他の物理特性に基づいて選択されてもよい。そのような用途で使用され得る異方性材料のいくつかの例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド及びカプセル化された熱分解グラファイトＢＮなど、又はそれらの組み合わせが挙げられるがそれらに限定されない。

一例において、ｘ軸２０４及びｙ軸２０６は、異方性材料２１８の最も高い熱伝導率及び最も低いＣＴＥを有し得る。しかしながら、ｚ軸２０２は、３つの軸のうち最も低い熱伝導率を有してもよく、最も高いＣＴＥを有してもよい。しかしながら、別の例では、最も高い熱伝導率を有する軸はまた、最も大きなＣＴＥも有し得る。

現在の例では、ｚ軸２０２は、異方性材料２１８の軸のうち最も大きなＣＴＥを有し、本明細書において「ｚ軸」の表記と互換的に「高膨張軸」と呼ばれる。サブマウントは、異方性材料２１８から形成され、基材の表面で熱源に結合するように構成され得る。半導体材料を含む多くの熱源が、低いＣＴＥを有する。ｚ軸２０２は、ＣＴＥが、熱源のＣＴＥより大きくなると予想される高膨張軸であるため、ｚ軸２０２を熱源の表面に沿って揃えることは、ＣＴＥミスマッチによって誘発される機械的応力により、熱源の壊れやすいコンポーネントを損傷する恐れがある。

図２Ｂは、再配向された異方性材料２１８から形成されたサブマウント２１０を示す。一例では、ｚ軸２０２を再配向して、ｚ軸２０２に対して斜めの表面２１２を有するサブマウント２１０を形成することができる。サブマウント２１０の軸は、Ｚ軸２５２、Ｘ軸２５４、及びＹ軸２５６である。表面２１２は、Ｘ−Ｙ平面２５８内にある。Ｚ軸２５２、Ｘ軸２５４、及びＹ軸２５６は、相互に直交する。

ｚ軸２０２を再配向することによって、サブマウント２１０が、ｚ軸２０２の高いＣＴＥを軽減しつつ、表面２１２におけるｘ軸２０４及び／又はｙ軸２０６の高い熱伝導率の大部分を保持できるようにする。例において、最適な配向に達するために、ｚ軸２０２は、サブマウント２１０の様々な平面及び／又は軸に対して１回又は２回以上回転し得る。ｚ軸２０２の再配向の結果として、Ｚ軸２５２は、Ｚ軸２５２に沿って第４のＣＴＥを有し、Ｘ軸２５４は、Ｘ軸２５４に沿って第５のＣＴＥを有し、Ｙ軸２５６は、Ｙ軸２５６に沿って第６のＣＴＥを有する。

一例において、ｚ軸２０２は、サブマウント２１０の第１の軸を中心に第１の角度だけ回転し、またサブマウント２１０の第２の軸を中心に第２の角度だけ回転し得る。そうすることによって、放熱を改善し、熱源とサブマウント２１０とのＣＴＥマッチを更に最適化することができる。ｚ軸２０２が、Ｙ軸２５６の周りだけを回転するとき、Ｚ軸２５２は、ｚ軸２０２に対して斜めであり、Ｘ軸２５４は、ｘ軸２０４に対して斜めであり、Ｙ軸２５６は、ｙ軸２５６に対して平行である。ｚ軸２０２が、Ｘ軸２５４及びＹ軸２５６の周りを回転するとき、Ｚ軸２５２は、ｚ軸２０２に対して斜めであり、Ｘ軸２５４は、ｘ軸２０４に対して斜めであり、Ｙ軸２５６は、ｙ軸２０６に対して斜めである。

図２Ｃは、表面２１２で熱源２１４に結合されるサブマウント２１０を含むアセンブリ２００の例を図示する。熱源２１４は、集積回路、ダイオードレーザー、ＬＥＤ、超光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、太陽電池など、又はそれらの任意の組み合わせを含む半導体デバイスなど様々な熱源のいずれかを備え得る。

図２Ｂを再度参照すると、Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の１つ又は２つ以上の回転角度は、第４、第５、及び／又は第６のＣＴＥと熱源２１４のＣＴＥとのマッチングを最適化するようにそれぞれ選択され得る。このように、ＣＴＥミスマッチが低減され、したがってアセンブリ２００における機械的応力もまた低減されることになる。

一例において、サブマウント２１０は、Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の１つ又は２つ以上の回転角度（ｚ軸２０２が複数の回転角度について回転するとき）を選択することによるＣＴＥマッチの最適化に従い、熱伝導率に関して最適化され得る。ＣＴＥマッチの最適化は、基材２１０のＣＴＥと熱源２１４のマッチを最大化することへの２次的考慮事項として表面２１２で又はサブマウント２１０を通じて熱伝導率を最適化する。

Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の回転角度は、熱源２１４とサブマウント２１０とのＣＴＥマッチングのために最初に最適化するように選択され得る。Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の回転角度は、サブマウント２１０において軸の熱伝導率を向上するように修正され得る。

一例では、ＣＴＥミスマッチ許容性は、特定することができ、ＣＴＥミスマッチ許容性レベル内でｚ軸２０２に対する回転角度の範囲が、決定され得る。ｚ軸２０２の回転角度は、Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２に対する回転角度の決定された範囲内で、サブマウント２１０の１つ又は２つ以上の軸の熱伝導率を最適化するように修正され得る。別の例では、ｚ軸２０２は、Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２に対して１つ又は２つ以上の回転角度だけ回転することができ、複数の回転角度は、サブマウント２１０での、又はこのサブマウントを通じた熱伝導率の最適化に従いＣＴＥと熱源ＣＴＥとのマッチングを最適化するように選択される。

一例において、ＣＴＥミスマッチ許容性は、Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の回転角度の変化が、サブマウント２１０と熱源２１２とのＣＴＥマッチの近さに著しい変化をもたらさないように選択され得る。「著しい変化」は、業界標準に従って、かつ／又は個々の場合に応じて定義されてもよく、適用例、材料、並びに／又はＣＴＥミスマッチ及び／若しくは機械的歪みに耐えるアセンブリの能力に影響を及ぼす他の要因に依存してもよい。

例において、熱源２１４は、様々な軸に沿って異なるＣＴＥを有する異方性であり得る。Ｘ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２を軸とするｚ軸２０２の回転角度は、サブマウント２１０のＸ軸２５４、Ｙ軸２５６、及び／又はＺ軸２５２のＣＴＥと熱源２１４の対応の軸がマッチするように選択され得る。対応の軸は、サブマウント２１０の軸と整列する熱源２１４の軸である。

例示的実施形態

以下の図は、熱源に結合されるサブマウントを含むアセンブリの例の高度な熱伝達モデリングを図示する。熱伝達モデリングは、異方性材料が、サブマウントの１つ又は２つ以上のグローバル軸に対して１回又は２回回転するチップオンサブマウント（ＣＯＳ）構成の熱的性能を評価するために実行された。以下の例は、開示された技術の実例となるように、かつ決して限定しないように意図されている。

図３Ａは、レーザーダイオードなどの熱源（図示せず）に結合されるサブマウント３１０の区域を特定するフットプリント３５０を含むサブマウント３１０を含む例示のアセンブリ３００を図示する。フットプリント３５０は、約５．０ｍｍ×０．１ｍｍである。サブマウント３１０は、約０．５ｍｍの厚さである。サブマウント３１０は、約３．０ｍｍの厚さである熱伝達構造体３４４の導電性表面に結合されている。熱伝達構造体３４４は、１層又は２層以上の等方性及び／又は異方性材料を含み得る。

図３Ｂは、初期基準となる温度でのアセンブリ３００の初期基準となる温度マップを図示する。基準ランにおいて、サブマウント３１０は、ＡｌＮの伝導率を有する等方性材料で作られている。この分析では、フットプリント区域３５０で示された最大温度は、約５７．０℃であり、３０℃のヒートシンク温度の場合に得られた実験結果に厳密に一致する。

図４Ａは、熱分解グラファイト４１８を含むサブマウント４１０の例を図示する。一例において、元の配向４９０から、熱分解グラファイト４１８は、サブマウント４１０のＹ軸４５６を軸として高膨張軸（ｚ軸４０２）を９０度回転させて配向される。換言すれば、材料のｚベクトルは、サブマウントのグローバル軸、Ｚ軸４５２、Ｘ軸４５４、及びＹ軸４５６に対して配向される（１，０，０）。したがって、図４Ａにおいて、サブマウント４１０は、以下の特性を有する。
熱伝導率：
Ｘ軸４５４＝ｋＸ＝７．０Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｙ軸４５６＝ｋＹ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｚ軸４５２＝ｋＺ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
線熱膨張係数（ＣＴＥ）：
Ｘ軸４５４＝αＸ＝２．５ｅ−５／Ｋ
Ｙ軸４５６＝αＹ＝５．０ｅ−７／Ｋ
Ｚ軸４５２＝αＺ＝５．０ｅ−７／Ｋ

図４Ｂは、アセンブリ４００の温度マップを図示する。サブマウント４１０は、図４Ａに関して記載されたように回転した熱分解グラファイトを含む。フットプリント区域４５０で示される最大温度は、約５０．０℃である。

図５Ａは、熱分解グラファイト５１８を含むサブマウント５１０の例を図示する。一例において、元の配向５９０から、熱分解グラファイト５１８は、サブマウント５１０のＸ軸５５４を軸として高膨張軸（ｚ軸５０２）を９０度回転させて配向される。換言すれば、材料のｚベクトルは、サブマウント５１０のグローバル軸、Ｚ軸５５２、Ｘ軸５５４、及びＹ軸５５６に対して配向される（０，１，０）。したがって、図５Ａにおいて、サブマウント５１０は、以下の特性を有する。
熱伝導率：
Ｘ軸５５４＝ｋＸ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｙ軸５５６＝ｋＹ＝７．０Ｗ／ｍ−Ｋ
Ｚ軸５５２＝ｋＺ＝１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋ
線熱膨張係数（ＣＴＥ）：
Ｘ軸５５４＝αＸ＝５．０ｅ−７／Ｋ
Ｙ軸５５６＝αＹ＝２．５ｅ−５／Ｋ
Ｚ軸５５２＝αＺ＝５．０ｅ−７／Ｋ

図５Ｂは、アセンブリ５００の温度マップを図示する。サブマウント５１０は、図５Ａに関して記載されたように回転した熱分解グラファイトを含む。フットプリント区域４５０で示される最大温度は、約３８．０℃である。

図６Ａは、グローバル軸、Ｘ軸６５４、Ｙ軸６５６、及び／又はＺ軸６５２に対して回転した熱分解グラファイト６１８を含むサブマウント６１０の例を図示する断面図である。熱分解グラファイト６１８は、熱分解グラファイト６１８の最も高い膨張軸、ｚ軸６０２、及びｘ軸６０４又はｙ軸６０６のうち１つ又は２つ以上が、サブマウント６１０の表面６１２に対して斜めであるように配向されている。サブマウント６１０は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を含む熱源に結合される。一例において、サブマウント６１０は、サブマウント６１０のＺ軸６５２に対して１０２．５度の角度α６２２でｚ軸６０２を再配向することによって形成され得る。再配向の角度は、表面６１２でサブマウント６１０のＣＴＥとＧａＡｓ熱源のＣＴＥがＸ軸６５４の方向で実質的にマッチするように選択される。

このようにして熱分解グラファイト６１８の再配向は、サブマウント６１０のＺ軸６５２及びＸ軸６５４を通じてＣＴＥ及び熱伝導率の両方に影響を及ぼす。この例において、Ｘ軸６５４の熱伝導率は、約１０３３．０Ｗ／ｍ−Ｋ及びＺ軸６５２で３７４．０Ｗ／ｍ−Ｋである。Ｙ軸６５６を通じた熱伝導率は、１７００．０Ｗ／ｍ−Ｋで高いままである。Ｚ軸６５２のＣＴＥは、２．４４Ｅ−５／℃であり、Ｘ軸６５４は、５．４Ｅ−６／℃であるが、一方Ｙ軸６５６のＣＴＥは、５．０Ｅ−７／℃である。一例において、熱源がレーザーダイオードである場合、フットプリント６５０におけるレーザー光軸は、Ｘ軸６５４と一致し得る。この方向にＣＴＥミスマッチを低減することは、フットプリント６５０におけるレーザーダイオード光軸上の機械的応力を低減するであろう。

図６Ｂは、サブマウント６１０を含むアセンブリ６００の温度マップを図示する。フットプリント６５０は、ＧａＡｓ熱源に結合されるサブマウント６１０の区域を特定する。サブマウント６１０は、熱伝達構造体６４４の表面に結合されている。熱伝達構造体６４４は、１層又は２層以上の等方性及び／又は異方性材料を含み得る。図４Ｂの温度マップは、熱源から約１６．０Ｗの放熱で、ＧａＡｓ熱源における模擬温度上昇を図示する。温度上昇は、約４０．０℃である。対照的に、異方性のサブマウントではなく、ＡｌＮサブマウントを使用すると、約５７．０℃の温度上昇をもたらす。

図７Ａは、サブマウント７１０のグローバル軸に対して２方向に回転した熱分解グラファイト７１８から形成されたサブマウント７１０の例を図示する。サブマウント７１０は、軸、Ｚ軸７５２、Ｘ軸７５４、及びＹ軸７５６を有する。サブマウント７１０は、表面７１２及びレーザーダイオードに結合される区域を特定するフットプリント７５０を含む。レーザーダイオードは、フットプリント７５０の長さ７５８に沿ってレーザーを放出する。

一例において、熱分解グラファイト７１８は、最も高い膨張軸、ｚ軸７０２、及びｘ軸７０４又はｙ軸７０６のうち１つ又は２つ以上が、表面７１２に対して斜めであるように配向されている。異方性材料７１８のｚ軸７０２は、Ｚ軸７５２を軸として約１５３．２度だけ最初に回転し、次にＹ軸７５６を軸として約１５３．２度だけ回転する。この二重の回転は、長さ７５８に沿って、レーザー発振光軸（lasing optical axis）において所望のＣＴＥを実現する。Ｚ軸７５２及びＹ軸７５６の周りの約１５３．２度の等しい回転に関して、熱分解グラファイト７１８の熱伝導率は、サブマウント７１０のグローバル軸、Ｚ軸７５２、Ｘ軸７５４、及びＹ軸７５６に対して約７９０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率で本質的に等方性になることが数学的に示され得る。上記のように、Ｘ軸７５４方向におけるＣＴＥは、５．４Ｅ−６／℃のままであるが、この場合、Ｙ軸７５６のＣＴＥは、２２．４Ｅ−６／℃である。

図７Ｂは、熱源（図示せず）に結合されたサブマウント７１０を含むアセンブリ７００の模擬温度上昇を図示する。アセンブリ７００は、熱源（例えば、レーザーダイオード）に結合されるサブマウント７０２の区域を特定する熱源フットプリント７５０を含む。サブマウント７１０は、熱伝達構造体７４４の表面に結合されている。模擬温度上昇は、１６Ｗの放熱で熱源を仮定し、サブマウント７１０を使用して約４０℃の温度上昇を示す。

図８は、高膨張軸（ｚ軸２０２）がサブマウント２１０の表面２１２に対して斜めになるように、サブマウント２１０の軸に対して異方性材料２１８の最も高い膨張軸２０４を配向することによって異方性材料２１８からサブマウント２１０を形成するプロセス８００を図示する。プロセス８００は、熱源２１４の第１の熱膨張係数（ＣＴＥ）を、異方性材料２１８を含むヒートスプレッダ２１０に結合される熱源の第１の軸において特定するブロック８０２で開始する。プロセス８００は、異方性材料２１８の高膨張軸（ｚ軸２０２）の第１の回転角度が、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸（ｚ軸２０２、ｘ軸２０４及び／又はｙ軸２０６）の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥのマッチを最適化するように選択することができ、その角度が、ヒートスプレッダ２１０の第１の軸（Ｚ軸２５２）を基準とするブロック８０４に進んでもよい。ブロック８０６で、異方性材料の高膨張軸は、第１の角度まで回転してもよい。ブロック８０８で、異方性材料の高膨張軸（ｚ軸２０２）の第２の回転角度は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸（ｚ軸２０２、ｘ軸２０４、及び／又はｙ軸２０６）の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥのマッチを最適化するように選択されてもよく、その角度は、ヒートスプレッダ２１０の第２の軸（Ｙ軸２５６）を基準とする。ブロック８１０で、異方性材料の高膨張軸は、第２の回転角度まで回転してもよい。ブロック８１２で、熱源の第２の軸において熱源の第２のＣＴＥを特定してもよい。第１又は第２の回転角度のどちらかが、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸（ｚ軸２０２、ｘ軸２０４、及び／又はｙ軸２０６）の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第２のＣＴＥのマッチも最適化するように選択され得る。ブロック８１４で、異方性材料の高膨張軸（ｚ軸２０２）の第３の回転角度は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸（ｚ軸２０２、ｘ軸２０４、及び／又はｙ軸２０６）の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第２とのマッチを最適化するように選択されてもよい。ブロック８１６で、異方性材料の高膨張軸は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第２のＣＴＥのマッチングを最適化するように第３の回転角度だけ回転してもよい。第１、第２及び／又は第３の回転角度は、１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと第１のＣＴＥ及び／又は第２のＣＴＥのマッチの最適化に従い、ヒートスプレッダの１つ又は２つ以上の軸に沿って熱伝導率を最適化するように選択されてもよい。

プロセス８００は、幾つかの工程を有するように説明されてきたが、プロセスの工程の全てが実行される必要はなく、また想到される主題の範囲内で工程が実行されるべき特定の順序も存在しない。更に、未確認の介在工程が想到され、ここに開示された技術の範囲内で実行され得る。

ここに開示された技術の例の一般的又は特定の原理について説明し、例示してきたが、
これらの例は、そのような原理から逸脱することなく構成及び細部を変更できることが明
らかとなるはずである。出願人らは、次の「特許請求の範囲」の趣旨及び範囲内に入る全
ての修正及び変形を特許請求する。
［形態１］
熱源の熱膨張係数（ＨＳ ＣＴＥ）を有するヒートスプレッダであって、前記ヒートスプレッダが、高膨張軸を有する異方性材料を含む、ヒートスプレッダと、
熱源に結合される前記ヒートスプレッダの表面であって、前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの前記表面に対して斜めであり、前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの第１の軸の周りに第１の回転角度で配向され、前記第１の回転角度が前記ヒートスプレッダの第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとのマッチを最適化するように選択される、前記ヒートスプレッダの表面と、を備える機器。
［形態２］
前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの第２の軸の周りに第２の回転角度で配向され、前記第２の回転角度が、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとのマッチを最適化するように選択される、形態１に記載の機器。
［形態３］
高膨張軸が前記ヒートスプレッダの第３の軸の周りに第３の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダの内部に前記異方性材料が配向され、前記第３の回転角度が、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとの前記マッチを最適化するように選択される、形態２に記載の機器。
［形態４］
前記第１の回転角度、前記第２の回転角度、若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い前記ヒートスプレッダの熱伝導率を最適化する、形態３に記載の機器。
［形態５］
前記第１の回転角度、前記第２の回転角度若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥ又は第２のＣＴＥと、前記熱源の第１のＨＳ軸に沿った第１のＣＴＥ、若しくは前記熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせのうちの対応のものとのマッチを最適化する、形態４に記載の機器。
［形態６］
前記第１の回転角度、前記第２の回転角度若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記熱源の第１のＨＳ軸に沿った前記第１のＣＴＥ、若しくは前記熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせとのマッチングに従い、前記ヒートスプレッダの熱伝導率を最適化する、形態５に記載の機器。
［形態７］
前記ヒートスプレッダが、前記異方性材料の配向に基づいて実質的に等方性である、形態１に記載の機器。
［形態８］
前記異方性材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及び熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含む、形態１に記載の機器。
［形態９］
前記ヒートスプレッダが、前記表面で前記熱源に、また前記熱源と反対側の表面でヒートシンクに結合される、形態１に記載の機器。
［形態１０］
線熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する熱源と、
異方性材料を含む前記熱源に結合されるヒートスプレッダであって、前記異方性材料が、
１次軸であって、前記１次軸に沿って１次熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、前記１次ＣＴＥが前記異方性材料中で最も高いＣＴＥである１次軸と、
２次軸であって、前記２次軸に沿って２次ＣＴＥを有し、前記２次軸が前記１次軸に直交し、前記１次ＣＴＥが前記２次ＣＴＥと異なる２次軸と、
３次軸であって、前記３次軸に沿って３次ＣＴＥを有し、前記３次軸が前記２次軸及び前記１次軸に直交する３次軸と、を含む、ヒートスプレッダと、
前記熱源と接触する前記ヒートスプレッダの表面であって、前記表面が前記１次軸に対して斜めの平面内に配向され、前記ヒートスプレッダが、
４次軸であって、前記４次軸に沿って４次ＣＴＥを有する前記斜面に直交する４次軸と、
５次軸であって、前記５次軸に沿って５次ＣＴＥを有する前記斜面にある５次軸と、
６次軸であって、前記６次軸に沿って６次ＣＴＥを有する前記斜面にある６次軸と、
を含み、
前記１次軸が前記５次軸の周りで前記４次軸に対して第１の回転角度で回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第１の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源のＣＴＥとのマッチを最適化する、表面と、を備えるシステム。
［形態１１］
前記第１の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、形態１０に記載のシステム。
［形態１２］
前記１次軸が前記６次軸の周りで前記５次軸に対して第２の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第２の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源とのＣＴＥの前記マッチを最適化する、形態１０に記載のシステム。
［形態１３］
前記第２の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、形態１２に記載のシステム。
［形態１４］
前記１次軸が前記４次軸の周りで前記６次軸に対して第３の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第３の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源のＣＴＥとの前記マッチを最適化する、形態１２に記載のシステム。
［形態１５］
前記第３の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、形態１４に記載のシステム。
［形態１６］
前記３次ＣＴＥが、前記１次ＣＴＥ及び前記２次ＣＴＥとは異なる、形態１０に記載のシステム。
［形態１７］
前記異方性材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及びカプセル化された熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含む、形態１０に記載のシステム。
［形態１８］
前記熱源が、レーザーダイオード、集積回路、若しくは発光ダイオード、又はそれらの任意の組み合わせである、形態１４に記載のシステム。
［形態１９］
熱源の第１の熱膨張係数（ＣＴＥ）を、異方性材料を含むヒートスプレッダに結合される前記熱源の第１の軸において特定することと、
１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとのマッチを最適化するように前記異方性材料の高膨張軸の第１の回転角度を選択することであって、前記角度が前記ヒートスプレッダの第１の軸を基準とすることと、
前記第１の回転角度に対して前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を含む方法。
［形態２０］
１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとの前記マッチを最適化するように前記異方性材料の高膨張軸の第２の回転角度を選択することであって、前記角度が前記ヒートスプレッダの第２の軸を基準とすることと、
前記第２の回転角度に対して前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を更に含む、形態１９に記載の方法。
［形態２１］
前記熱源の第２の軸において前記熱源の第２のＣＴＥを特定することと、
１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の前記１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第２のＣＴＥとのマッチングを最適化するように第２の回転角度だけ前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を更に含む、形態１９に記載の方法。
［形態２２］
１つ又は２つ以上の異方性材料の軸の前記１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記ヒートスプレッダの１つ又は２つ以上の軸に沿って熱伝導率を最適化するように前記第１の回転角度を選択することを更に含む、形態１９に記載の方法。

Claims (21)

1. 熱源の熱膨張係数（ＨＳ ＣＴＥ）を有するヒートスプレッダであって、前記ヒートスプレッダが、高膨張軸と前記高膨張軸に対して傾いた低膨張軸を有する異方性材料を含む、ヒートスプレッダと、
   熱源に結合されるように構成された前記ヒートスプレッダの表面であって、前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの前記表面に対して斜めであり、前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの第１の軸の周りに第１の回転角度で配向され、前記第１の回転角度が前記ヒートスプレッダの第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとのマッチを最適化するように選択される、前記ヒートスプレッダの表面と、を備える機器。
2. 前記異方性材料の前記高膨張軸が、前記ヒートスプレッダの第２の軸の周りに第２の回転角度で配向され、前記第２の回転角度が、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとのマッチを最適化するように選択される、請求項１に記載の機器。
3. 高膨張軸が前記ヒートスプレッダの第３の軸の周りに第３の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダの内部に前記異方性材料が配向され、前記第３の回転角度が、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとの前記マッチを最適化するように選択される、請求項２に記載の機器。
4. 前記第１の回転角度、前記第２の回転角度、若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥと前記ＨＳ ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い前記ヒートスプレッダの熱伝導率を最適化する、請求項３に記載の機器。
5. 前記第１の回転角度、前記第２の回転角度若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記ヒートスプレッダの前記第１のＣＴＥ又は第２のＣＴＥと、前記熱源の第１のＨＳ軸に沿った第１のＣＴＥ、若しくは前記熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせのうちの対応のものとのマッチを最適化する、請求項４に記載の機器。
6. 前記第１の回転角度、前記第２の回転角度若しくは前記第３の回転角度、又はそれらの組み合わせが、前記熱源の第１のＨＳ軸に沿った前記第１のＣＴＥ、若しくは前記熱源の第２のＨＳ軸に沿った第２のＣＴＥ、又はそれらの組み合わせとのマッチングに従い、前記ヒートスプレッダの熱伝導率を最適化する、請求項５に記載の機器。
7. 前記異方性材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及び熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の機器。
8. 前記ヒートスプレッダが、前記表面で前記熱源に、また前記熱源と反対側の表面でヒートシンクに結合される、請求項１に記載の機器。
9. 熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する熱源と、
   異方性材料を含む前記熱源に結合されるヒートスプレッダであって、前記異方性材料が、
   １次軸であって、前記１次軸に沿って１次熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、前記１次ＣＴＥが前記異方性材料中で最も高いＣＴＥである１次軸と、
   ２次軸であって、前記２次軸に沿って２次ＣＴＥを有し、前記２次軸が前記１次軸に直交し、前記１次ＣＴＥが前記２次ＣＴＥと異なる２次軸と、
   ３次軸であって、前記３次軸に沿って３次ＣＴＥを有し、前記３次軸が前記２次軸及び前記１次軸に直交する３次軸と、を含む、ヒートスプレッダと、
   前記熱源と接触する前記ヒートスプレッダの表面であって、前記表面が前記１次軸に対して斜めの平面内に配向され、前記ヒートスプレッダが、
   ４次軸であって、前記４次軸に沿って４次ＣＴＥを有する、前記平面に直交する４次軸と、
   ５次軸であって、前記５次軸に沿って５次ＣＴＥを有する、前記平面にある５次軸と、
   ６次軸であって、前記６次軸に沿って６次ＣＴＥを有する、前記平面にある６次軸と、
   を含み、
   前記１次軸が前記５次軸の周りで前記４次軸に対して第１の回転角度で回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第１の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源のＣＴＥとのマッチを最適化する、表面と、を備えるシステム。
10. 前記第１の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記１次軸が前記６次軸の周りで前記５次軸に対して第２の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第２の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源とのＣＴＥの前記マッチを最適化する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記第２の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記１次軸が前記４次軸の周りで前記６次軸に対して第３の回転角度だけ回転するように前記ヒートスプレッダ内に前記異方性材料が配向され、前記第３の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源のＣＴＥとの前記マッチを最適化する、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記第３の回転角度が、前記４次ＣＴＥ、５次ＣＴＥ、若しくは６次ＣＴＥ又はそれらの任意の組み合わせと前記熱源の前記ＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記４次軸、５次軸、若しくは６次軸、又はそれらの任意の組み合わせに沿って熱伝導率を最適化する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記３次ＣＴＥが、前記１次ＣＴＥ及び前記２次ＣＴＥとは異なる、請求項９に記載のシステム。
16. 前記異方性材料が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）、グラファイト、グラフェン、グラフェン複合体、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ複合体、ダイヤモンド、及びカプセル化された熱分解グラファイトのうち少なくとも１つを含む、請求項９に記載のシステム。
17. 前記熱源が、レーザーダイオード、集積回路、若しくは発光ダイオード、又はそれらの任意の組み合わせである、請求項１３に記載のシステム。
18. 高膨張軸と前記高膨張軸に対して傾いた低膨張軸を有する異方性材料を含むヒートスプレッダに結合される熱源の第１の軸において前記熱源の第１の熱膨張係数（ＣＴＥ）を特定することと、
    １つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとのマッチを最適化するように前記異方性材料の高膨張軸の第１の回転角度を選択することであって、前記第１の回転角度が前記ヒートスプレッダの第１の軸を基準とすることと、
    前記第１の回転角度に前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を含む方法。
19. １つ又は２つ以上の異方性材料の軸の１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとの前記マッチを最適化するように前記異方性材料の高膨張軸の第２の回転角度を選択することであって、前記第２の回転角度が前記ヒートスプレッダの第２の軸を基準とすることと、
    前記第２の回転角度に前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記熱源の第２の軸において前記熱源の第２のＣＴＥを特定することと、
    １つ又は２つ以上の異方性材料の軸の前記１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第２のＣＴＥとのマッチングを最適化するように第２の回転角度だけ前記異方性材料の前記高膨張軸を回転させることと、を更に含む、請求項１８に記載の方法。
21. １つ又は２つ以上の異方性材料の軸の前記１つ又は２つ以上のＣＴＥと前記第１のＣＴＥとの前記マッチの最適化に従い、前記ヒートスプレッダの１つ又は２つ以上の軸に沿って熱伝導率を最適化するように前記第１の回転角度を選択することを更に含む、請求項１８に記載の方法。

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