具有优化的热膨胀和/或热传递系数的热扩散器

摘要

本发明公开了涉及热扩散器的方法、系统和装置，所述热扩散器待耦合到具有热源热膨胀系数(HS CTE)的热源，所述热扩散器包括具有高膨胀轴的各向异性材料。所述热扩散器还包括待耦合到所述热源的表面，其中所述各向异性材料的所述高膨胀轴倾斜于所述热扩散器的所述表面，并且其中所述各向异性材料的所述高膨胀轴以围绕所述热扩散器的第一轴的第一旋转角度取向，其中所述第一旋转角度被选择为优化所述热扩散器的第一CTE与所述HS CTE的匹配。

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2015年8月17日提交的美国临时专利申请：62/205,853的权益，该美国临时专利申请以引用方式并入本文以用于所有目的。

技术领域

一般来讲，本发明所公开的技术的领域是半导体封装。更具体地，所公开的技术涉及使封装中所用的材料的热膨胀系数与热源的热膨胀系数匹配。

背景技术

半导体设备易碎，并且通常组装在封装中以保护设备免于因热和机械应力、腐蚀、污染等而损坏。半导体封装通常包括热耗散部件，诸如热耗散层、热扩散器和/或散热器。

激光二极管是一种半导体设备。在基于砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)的激光器封装中，GaAs和InP上生长的激光器粘结到CTE匹配的底座以耗散热量。这些底座通常由氮化铝(AlN)和/或氧化铍(BeO)制成。然而，这些材料与碳化硅(SiC)、铜(Cu)、立方氮化硼(c-BN)、石墨、石墨烯、石墨烯复合材料、碳纳米管、碳纳米管复合材料、金刚石和包封的热解石墨相比具有较差的热导率。使用上述较高热导率的材料具有明显的性能优势；然而，CTE失配的底座可导致半导体设备的可靠性受损。

为了利用诸如SiC、Cu、立方BN、石墨、石墨烯、金刚石和包封的热解石墨的材料的较高热导率，CTE失配的热扩散器与诸如半导体设备的热源的配对可能需要额外的措施来减少因CTE失配而引起的机械应力从高导热材料向热源的传递。这些措施可能不可靠，并且实施减少机械应力的措施可能需要过多时间和过高成本。

发明内容

所需要的是具有与用于电子封装中的热源基本上类似的CTE的高导热材料。在一个示例中，希望高导热材料还具有所需的电隔离特性。同样有利的是能够调整高导热材料，使之匹配热源的CTE，同时基本上保持该材料的导热特性。

本文公开了具有热源热膨胀系数(HS CTE)的热扩散器的示例，该热扩散器包括具有高膨胀轴的各向异性材料、待耦合到热源的该热扩散器的表面，其中各向异性材料的高膨胀轴可倾斜于热扩散器的表面，并且其中各向异性材料的高膨胀轴可以以围绕热扩散器的第一轴的第一旋转角度取向，其中第一旋转角度可被选择为优化热扩散器的第一CTE与HS CTE的匹配。各向异性材料的高膨胀轴可以以围绕热扩散器的第二轴的第二旋转角度取向，其中第二旋转角度可被选择为优化热扩散器的第一CTE与HS CTE的匹配。此外，各向异性材料可在热扩散器内取向，使得高膨胀轴可以围绕热扩散器的第三轴被旋转经过第三旋转角度，其中第三旋转角度可被选择为优化热扩散器的第一CTE与HS CTE的匹配。第一旋转角度、第二旋转角度或第三旋转角度或它们的组合可优化热扩散器的热导率，这从属于优化热扩散器的第一CTE与HS CTE的匹配。第一旋转角度、第二旋转角度或第三旋转角度或它们的组合可优化热扩散器的第一CTE或第二CTE与沿着热源的第一HS轴的第一CTE或沿着热源的第二HS轴的第二CTE或它们的组合中的相应一者的匹配。第一旋转角度、第二旋转角度或第三旋转角度或它们的组合可优化热扩散器的热导率，这从属于匹配沿着热源的第一HS轴的第一CTE或沿着热源的第二HS轴的第二CTE或它们的组合。基于各向异性材料的取向，热扩散器可基本上为各向同性的(otropic)。各向异性材料可包括碳化硅(SiC)、铜(Cu)、立方氮化硼(c-BN)、石墨、石墨烯、石墨烯复合材料、碳纳米管、碳纳米管复合材料、金刚石和热解石墨中的至少一者。热扩散器可在表面处耦合到热源，并且在与热源相对的表面处耦合到散热器。

本文公开了系统的示例，该系统包括具有线性热膨胀系数(CTE)的热源、待耦合到热源的具有各向异性材料的热扩散器，其中各向异性材料包括：具有沿着第一轴的第一热膨胀系数(CTE)的第一轴，其中第一CTE可为各向异性材料中的最高CTE；具有沿着第二轴的第二CTE的第二轴，其中第二轴可与第一轴正交并且其中第一CTE可与第二CTE不同；以及具有沿着第三轴的第三CTE的第三轴，其中第三轴可与第二轴和第一轴正交。与热源接触的热扩散器的表面可在倾斜于第一轴的平面中取向。热扩散器可包括与斜面正交的具有沿着第四轴的第四CTE的第四轴、斜面中具有沿着第五轴的第五CTE的第五轴以及斜面中具有沿着第六轴的第六CTE的第六轴，其中各向异性材料可在热扩散器内取向，使得第一轴可以以相对于第四轴的第一旋转角度围绕第五轴旋转，并且其中第一旋转角度优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。第一旋转角度可优化沿着第四轴、第五轴或第六轴或它们的任何组合的热导率，这从属于优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。各向异性材料可在热扩散器内取向，使得第一轴可以以相对于第五轴的第二旋转角度围绕第六轴旋转，并且其中第二旋转角度可优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。第二旋转角度可优化沿着第四轴、第五轴或第六轴或它们的任何组合的热导率，这从属于优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。各向异性材料可在热扩散器内取向，使得第一轴可以以相对于第六轴的第三旋转角度围绕第四轴旋转，并且其中第三旋转角度可优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。第三旋转角度可优化沿着第四轴、第五轴或第六轴或它们的任何组合的热导率，这从属于优化第四CTE、第五CTE或第六CTE或它们的任何组合与热源的CTE的匹配。第三CTE可与第一CTE和第二CTE不同。各向异性材料可包括碳化硅(SiC)、铜(Cu)、立方氮化硼(c-BN)、石墨、石墨烯、石墨烯复合材料、碳纳米管、碳纳米管复合材料、金刚石和包封的热解石墨中的至少一者。热源可为激光二极管、集成电路或发光二极管或它们的任何组合。

在此公开了一种方法，该方法用于在待耦合到包括各向异性材料的热扩散器的热源的第一轴中标识热源的第一热膨胀系数(CTE)；选择各向异性材料的高膨胀轴的第一旋转角度以优化一个或多个各向异性材料轴的一个或多个CTE与第一CTE的匹配，其中该角度是相对于热扩散器的第一轴所成的角度；以及将各向异性材料的高膨胀轴旋转到第一旋转角度。该方法还可包括选择各向异性材料的高膨胀轴的第二旋转角度以优化一个或多个各向异性材料轴的一个或多个CTE与第一CTE的匹配，其中该角度是相对于热扩散器的第二轴所成的角度；以及将各向异性材料的高膨胀轴旋转到第二旋转角度。该方法还可包括在热源的第二轴中标识热源的第二CTE，以及将各向异性材料的高膨胀轴旋转经过第二旋转角度以优化一个或多个各向异性材料轴的所述一个或多个CTE与第二CTE的匹配。该方法可另外包括选择第一旋转角度以优化沿着热扩散器的一个或多个轴的热导率，这从属于优化一个或多个各向异性材料轴的所述一个或多个CTE与第一CTE的匹配。

从下面参照附图进行的详细描述中，所公开技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

附图(其中类似的附图标记表示类似的元件)被并入本说明书并构成其一部分，并且与具体实施方式一起阐明本发明所公开的技术的优点和原理。在附图中，

图1示出了激光二极管和底座组件的示例。

图2A示出了可由其形成定制底座的各向异性(在热导率和热膨胀系数方面)材料的示例。

图2B示出了由重新取向的各向异性材料形成的底座的示例。

图2C示出了示例性组件，该示例性组件包括待耦合到热源的底座。

图3A示出了底座上尺寸为0.1mm×5.0mm的激光二极管热源的示例。

图3B示出了包括底座的组件的初始基线温度图。

图4A示出了包括热解石墨的底座的示例。

图4B示出了包括底座的组件的温度图。

图5A示出了包括热解石墨的底座的示例。

图5B示出了包括用于激光二极管的底座的组件的温度图。

图6A示出了底座的示例，该底座包括相对于底座的全局轴旋转的热解石墨。

图6B示出了包括底座的组件的温度图。

图7A示出了底座的示例，该底座由以在两个方向上相对于底座的全局轴旋转的热解石墨形成。

图7B示出了包括底座的组件的模拟温升。

图8示出了由各向异性材料形成底座的过程。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦合”不排除耦合项之间中间元件的存在。

在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。

尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。

在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，这样的描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或以其他方式优于其他选择。参照“上方”、“下方”、“上”、“下”等指示的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。

一般来讲，材料响应于温度变化而膨胀和收缩。材料膨胀或收缩在一个或多个方向上可能以不同速率进行。热膨胀系数(CTE)是在一个或多个其他变量保持恒定的情况下材料每单位尺寸和每单位温度变化在尺寸上有多大膨胀程度的量度。存在体积热膨胀、面积热膨胀和线性热膨胀的CTE。在本说明书中，在各个示例中讨论线性热膨胀系数。然而，面积热膨胀系数和/或体积热膨胀系数可为适当且适用的，具体取决于所使用的材料和本文所述技术的应用。

热扩散器是用于通过将热量从热源向外传递来冷却热源的换热器。热导率是材料传导热量的效果如何的量度。材料的热导率越高，跨越材料的热传递的速率就越大。热扩散器用于冷却多种设备并且将热量传递和/或扩散到其他导热设备诸如散热器。热扩散器可为热源与之耦合的基板或底座。通常通过耦合到热扩散器来冷却半导体设备，诸如集成电路、二极管激光器、发光二极管(LED)等或它们的任何组合。热扩散器的热传递能力有所不同，这取决于多种因素，包括热扩散材料及与热扩散器接触的其他传导表面的热导率、将热源耦合到热扩散器的方法、和/或与冷却介质接触的热扩散器的表面积大小。

热扩散器通常粘结到热源，和/或与热源直接或紧密接触。热源诸如集成电路、二极管激光器、LED等或它们的任何组合是易碎的，因此对机械应力较敏感。另外，这些设备往往不会特别充分地传导热量，并且往往具有较低CTE。不出所料，热扩散器材料的CTE对热扩散器材料与之耦合的热源的可靠性可具有重大影响，因为CTE失配增加了往往会传递到易碎半导体材料的机械应力。

包括耦合到具有比热扩散器更低的CTE的热源的、具有特定CTE的热扩散器的组件在操作期间可经历多个加热和冷却循环。加热可引起热扩散器的膨胀达到比热源的膨胀更大的程度，从而引起热源变形和/或破裂。理想情况下，热扩散器的CTE将与热源的CTE基本上匹配。使热扩散器的CTE与热源的CTE匹配通常以热扩散器的热传递能力为代价。相反，通过使用热导率更大的材料来改善热扩散器的热性能，通常会增加热扩散器与热源之间的CTE失配，在组件中引入机械应力。

在一些情况下，可通过在热源与CTE失配的热扩散器之间使用软焊料(诸如铟)来管理CTE失配。然而，使用软焊料的缺点是热源可变得与连续热循环不对准，焊料可流动或变为脆性，和/或软焊料仍可将机械应力从CTE失配的散热器传递到热源。在另一个示例中，热扩散器可通过夹紧来附接到热源，或通过其他将热扩散器耦合到热源的非永久方法附接。

热扩散器材料可包括各向同性或各向异性的导热材料。各向同性材料往往具有沿着所有轴基本上相同的材料特性。因此，各向同性材料在所有方向上以大约相同速率膨胀。各向异性材料在至少两个不同轴中具有不同材料特性。因此，各向异性材料在至少两个不同方向上以不同速率膨胀。该讨论涉及但不限于均质的材料，并且要求保护的主题不受此限制。

在一个示例中，使用各向异性材料作为热扩散器可为有利的，因为许多各向异性材料在至少一个方向上(即，沿着至少一个轴)具有非常高的热导率。使用这种导热材料的缺点是一个或多个轴中的CTE也可较高。这可能导致在至少一个轴中热扩散器与热源之间的CTE失配。

在一个示例中，使热扩散器中的各向异性材料重新取向可使热扩散器能够有效地将热量从热源向外耗散且具有更好的CTE匹配。在一个示例中，各向异性材料的轴可相对于热扩散器的表面和/或与热扩散器的表面平行和/或垂直的一个或多个轴重新取向，使得各向异性材料的重新取向的轴倾斜于与热扩散器的表面平行的平面。各向异性材料的轴可为任何轴。例如，具有最高CTE的轴(即，高膨胀轴)可用作待重新取向的轴。然而，不必选择高膨胀轴来重新取向。可使用各向异性材料的另一个轴。可通过使所选择的轴围绕热扩散器的一个或多个轴旋转一次或多次，而完成使各向异性材料重新取向。以这种方式使各向异性材料重新取向可减少热源/热扩散器组件中的机械应力，同时还利用各向异性材料的高热导率。使各向异性材料重新取向可以以多种方式完成。

图1示出了激光二极管和底座组件100的示例。底座110可耦合到激光二极管114。在一个示例中，底座110包括各向异性材料118。其自然形式的各向异性材料118在热导率和热膨胀系数方面可为高各向异性的。各向异性材料118可具有以下材料特性：

热导率：

x轴104＝kX＝1700.0W/m-K

y轴106＝kY＝1700.0W/m-K

z轴102＝kZ＝7.0W/m-K

线性热膨胀系数(CTE)：

x轴104＝αx＝0.5E-6m/m-C

y轴106＝αy＝0.5E-6m/m-C

z轴102＝αz＝25.0E-6m/m-C

在一个示例中，从初始取向190起，各向异性材料118的z轴102围绕底座110的Y轴156旋转90°。因此，底座110的X轴154、Y轴156和Z轴152这些轴具有以下特性：

热导率：

X轴154＝kX＝7W/m-K

Y轴156＝kY＝1700W/m-K

Z轴102＝kZ＝1700W/m-K

线性热膨胀系数(CTE)：

X轴154＝αX＝25.0E-6m/m-C

Y轴156＝αY＝0.5E-6m/m-C

Z轴152＝αZ＝0.5E-6m/m-C

在代表性示例中，可能期望的是利用底座110中的Z-Y平面122(各向异性材料118的x-y平面)的高热导率，并且使Z-Y平面122以与激光二极管114的底表面垂直的方式对准。Z-Y平面122可跨越激光二极管114的长度120设置，以便有利于例如在操作期间从激光二极管114向外的热传递。从激光二极管114向外传递的热量可经过底座110耗散到激光二极管组件100中的下一传导界面(未示出)。遗憾的是，使底座110的Z-Y平面122沿着激光二极管114的长度120对准以利用各向异性材料118的热扩散能力，也会使各向异性材料118的平行于且沿着激光二极管114的长度120的高膨胀轴(z轴102)在X轴154方向上对准。

在一个示例中，激光二极管114可由GaAs制成，并且各向异性材料118可为热解石墨。在该构型中，底座110在操作期间可将显著的机械应力传递到激光二极管114，这是由于在X轴154方向上底座110的CTE与在X轴154方向上激光二极管114的CTE之间存在差异。虽然并非完美各向同性的，但GaAs具有5.4E-6m/m-C的近似CTE和大约85.0GPa的弹性模量，而热解石墨在z轴或高膨胀轴中具有小于50.0GPa的所报告的弹性模量。底座110具有比激光二极管114显著更大的横截面积。因此，由于底座110与激光二极管114的横截面积存在差异，热解石墨的底座110仍然比GaAs激光二极管114要硬几个数量级。因此，组件100中的机械应变的很大一部分将被激光二极管114吸收。因此，处于其自然取向的热解石墨对于高功率二极管激光器操作不切实际。

在一个示例中，为了最大程度减少CTE失配以及在一些情况下被热源吸收的机械应变，各向异性材料118的x轴104、y轴106或z轴102中的一个或多个轴可相对于底座110的所述一个或多个轴重新取向，如图2A所示。

图2A示出了可由其形成定制底座的各向异性材料的示例。底座可用于固定热源，诸如二极管激光器或其他半导体设备。各向异性材料218包括具有沿着z轴202的第一CTE的z轴202、具有沿着x轴204的第二CTE的x轴204、以及具有沿着y轴206的第三CTE的y轴206。z轴202、x轴204和y轴206互相正交。在一个示例中，各向异性材料可为正交各向异性的，其中第一CTE、第二CTE和第三CTE全都彼此不同。在另一个示例中，各向异性材料218在这三个轴中的两个轴中可具有相同或类似的CTE，而第三轴具有不同CTE。

各向异性材料可包括多种物质中的任何一种。如果待由各向异性材料218形成的底座待耦合到热源，则可基于底座将与之耦合的热源的热导率、CTE和其他物理特性来选择各向异性材料218。可用于这种应用的各向异性材料的一些示例包括但不限于碳化硅(SiC)、铜(Cu)、立方氮化硼(c-BN)、石墨、石墨烯、石墨烯复合材料、碳纳米管、碳纳米管复合材料、金刚石和包封的热解石墨BN等或它们的组合。

在一个示例中，x轴204和y轴206可具有各向异性材料218的最高热导率和最低CTE。但是，z轴202可具有这三个轴的最低热导率，并且可具有最大CTE。然而，在另一个示例中，具有最高热导率的轴也可具有最大CTE。

在本示例中，z轴202具有各向异性材料218轴的最大CTE，并且在本文中称为“高膨胀轴”，它可与“z轴”名称互换。底座可由各向异性材料218形成，并且被配置为耦合到基板表面上的热源。包括半导体材料的许多热源具有低CTE。由于z轴202是高膨胀轴(其中CTE可能大于热源的CTE)，因此使z轴202沿着热源的表面对准可能会因CTE失配所引发的机械应力而损坏热源的易碎部件。

图2B示出了由重新取向的各向异性材料218形成的底座210。在一个示例中，z轴202可重新取向，以形成具有倾斜于z轴202的表面212的底座210。底座210的轴是Z轴252、X轴254和Y轴256。表面212位于X-Y平面258中。Z轴252、X轴254和Y轴256互相正交。

使z轴202重新取向能够使底座210在表面212处保留x轴204和/或y轴206的高热导率的很大一部分，同时减小z轴202的高CTE。在一个示例中，为了达到最佳取向，可使z轴202相对于底座210的各个平面和/或轴旋转一次或多次。作为使z轴202重新取向的结果，Z轴252具有沿着Z轴252的第四CTE，X轴254具有沿着X轴254的第五CTE，并且Y轴256具有沿着Y轴256的第六CTE。

在一个示例中，z轴202可以围绕底座210的第一轴被旋转经过第一角度，并且还围绕底座210的第二轴被旋转经过第二角度。这样做可改善热耗散并进一步优化热源与底座210之间的CTE匹配。当z轴202仅围绕Y轴256旋转时，Z轴252倾斜于z轴202，X轴254倾斜于x轴204，并且Y轴256平行于y轴256。当z轴202围绕X轴254和Y轴256旋转时，Z轴252倾斜于z轴202，X轴254倾斜于x轴204，并且Y轴256倾斜于y轴206。

图2C示出了组件200的示例，该组件包括在表面212处耦合到热源214的底座210。热源214可包括多种热源中的任何一种，诸如半导体设备，包括集成电路、二极管激光器、LED、超辐射发光二极管(SLED)、太阳能电池等或它们的任何组合。

再次参见图2B，z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的一个或多个旋转角度可各自被选择为优化第四、第五和/或第六CTE与热源214的CTE的匹配。这样，将减少CTE失配，因此也将减少组件200中的机械应力。

在一个示例中，底座210可通过以下方式对热导率进行优化(这从属于优化CTE匹配)：选择z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的一个或多个旋转角度(当z轴202被旋转大约多个旋转角度时)，从而优化在表面212处或经过底座210的热导率，以此作为最大程度提高基板210与热源214的CTE的匹配的次要考虑因素。

z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的旋转角度可被选择为首先对热源214与底座210之间的CTE匹配进行优化。可修改z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的旋转角度，以改善底座210中的轴的热导率。

在一个示例中，可标识CTE失配容限，并且可确定CTE失配容限水平内的z轴202的旋转角度范围。可在z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的所确定的旋转角度范围内修改z轴202的旋转角度，以对底座210的一个或多个轴的热导率进行优化。在另一个示例中，z轴202可以相对于X轴254、Y轴256和/或Z轴252被旋转经过一个或多个旋转角度，其中所述多个旋转角度被选择为优化CTE与热源CTE的匹配，这从属于优化底座210处或经过该底座的热导率。

在一个示例中，CTE失配容限可被选择为使得z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的旋转角度的变化不会导致底座210与热源212之间的CTE匹配接近度的显著变化。“显著变化”可根据行业标准和/或基于具体情况来定义，并且可取决于对组件承受CTE失配和/或机械应变的能力具有影响的应用、材料和/或其他因素。

在一个示例中，热源214可为各向异性的，其具有沿着各个轴的不同CTE。z轴202围绕X轴254、Y轴256和/或Z轴252的旋转角度可被选择为使底座210的X轴254、Y轴256和/或Z轴252与热源214的对应轴的CTE匹配。对应轴是将与底座210的轴对准的热源214的轴。

示例性实施方案

以下附图示出了包括待耦合到热源的底座的组件的各示例的高级热传递建模。执行热传递建模以评估带底座的芯片(COS)构型的热性能，其中各向异性材料相对于底座的一个或多个全局轴旋转一次或两次。以下示例意在举例说明所公开的技术，而非以任何方式进行限制。

图3A示出了包括底座310的示例性组件300，该底座包括覆盖区350，该覆盖区标识待耦合到热源(未示出)诸如激光二极管的底座310区域。覆盖区350为约5.0mm×0.1mm。底座310为约0.5mm厚。底座310耦合到热传递结构344的传导表面，该热传递结构为约3.0mm厚。热传递结构344可包括各向同性和/或各向异性材料的一个或多个层。

图3B示出了在初始基线温度下组件300的初始基线温度图。在基线运行中，底座310使用具有AlN传导性的各向同性材料制成。在该分析中，覆盖区350中所指示的最高温度为约57.0℃，该温度紧密匹配散热器温度为30℃的情况所得出的实验结果。

图4A示出了包括热解石墨418的底座410的示例。在一个示例中，从初始取向490起，热解石墨418以围绕底座410Y轴456旋转90°的高膨胀轴(z轴402)进行取向。换句话讲，材料z矢量相对于底座的全局轴(即，Z轴452、X轴454和Y轴456)取向为(1,0,0)。因此，在图4A中，底座410具有以下特性：

热导率：

X轴454＝kX＝7.0W/m-K

Y轴456＝kY＝1700.0W/m-K

Z轴452＝kZ＝1700.0W/m-K

线性热膨胀系数(CTE)：

X轴454＝αX＝2.5e-5/K

Y轴456＝αY＝5.0e-7/K

Z轴452＝αZ＝5.0e-7/K

图4B示出了组件400的温度图。底座410包括如相对于图4A所述的那样旋转的热解石墨。覆盖区450中所指示的最高温度为约50.0°。

图5A示出了包括热解石墨518的底座510的示例。在一个示例中，从初始取向590起，热解石墨518以围绕底座510X轴554旋转90°的高膨胀轴(z轴502)进行取向。换句话讲，材料z矢量相对于底座510的全局轴(即，Z轴552、X轴554和Y轴556)取向为(0,1,0)。因此，在图5A中，底座510具有以下特性：

热导率：

X轴554＝kX＝1700.0W/m-K

Y轴556＝kY＝7.0W/m-K

Z轴552＝kZ＝1700.0W/m-K

线性热膨胀系数(CTE)：

X轴554＝αX＝5.0e-7/K

Y轴556＝αY＝2.5e-5/K

Z轴552＝αZ＝5.0e-7/K

图5B示出了组件500的温度图。底座510包括如相对于图5A所述的那样旋转的热解石墨。覆盖区450中所指示的最高温度为约38.0°。

图6A是示出底座610的示例的剖面图，该底座包括相对于全局轴(即，X轴654、Y轴656和/或Z轴652)旋转的热解石墨618。热解石墨618被取向为使得热解石墨618的最高膨胀轴z轴602及X轴604或Y轴606中的一者或多者倾斜于底座610的表面612。底座610待耦合到包含砷化镓(GaAs)的热源。在一个示例中，可通过使z轴602以相对于底座610的Z轴652成102.5°的角度α622重新取向来形成底座610。重新取向的角度被选择为在X轴654方向上使表面612处的底座610的CTE与GaAs热源的CTE基本上匹配。

使热解石墨618以这种方式重新取向会影响CTE以及经过底座610的Z轴652和X轴654的热导率两者。在该示例中，X轴654的热导率为约1033.0W/m-K，而Z轴652中的热导率为374.0W/m-K。经过Y轴656的热导率保持较高，为1700.0W/m-K。Z轴652的CTE为2.44E-5/℃并且X轴654为5.4E-6/℃，而Y轴656的CTE为5.0E-7/℃。在一个示例中，在热源为激光二极管的情况下，覆盖区650中的激光光轴可与X轴654重合。减少在该方向上的CTE失配将减少覆盖区650中的激光二极管光轴上的机械应力。

图6B示出了包括底座610的组件600的温度图。覆盖区650标识待耦合到GaAs热源的底座610的区域。底座610耦合到热传递结构644的表面。热传递结构644可包括各向同性和/或各向异性材料的一个或多个层。图4B的温度图示出了在从GaAs热源的约16.0W热耗散下该热源的模拟温升。该温升为大约40.0℃。相比之下，使用AlN底座代替各向异性底座，会产生大约57.0℃的温升。

图7A示出了底座710的示例，该底座由以在两个方向上相对于底座710的全局轴旋转的热解石墨718形成。底座710具有Z轴752、X轴754和Y轴756这些轴。底座710包括表面712和覆盖区750，该覆盖区标识待耦合到激光二极管的区域。激光二极管将沿着覆盖区750的长度758发出激光。

在一个示例中，热解石墨718被取向为使得最高膨胀轴z轴702及x轴704或y轴706中的一者或多者倾斜于表面712。各向异性材料718的z轴702首先围绕Z轴752旋转约153.2°，然后围绕Y轴756旋转约153.2°。该双旋转实现了沿着长度758的激光光轴中的所需CTE。可在数学上表明，对于围绕Z轴752和Y轴756的约153.2°的相等旋转而言，热解石墨718的热导率相对于底座710的全局轴(即，Z轴752、X轴754和Y轴756)变为基本各向同性的，其中热导率为大约790W/m-K。如上所述，X轴754方向上的CTE仍为5.4E-6/℃，但在这种情况下，Y轴756的CTE为22.4E-6/℃。

图7B示出了组件700的模拟温升，该组件包括耦合到热源(未示出)的底座710。组件700包括热源覆盖区750，该热源覆盖区标识待耦合到热源(例如，激光二极管)的底座702的区域。底座710耦合到热传递结构744的表面。模拟温升假定热源处于16W的热耗散下，并且预测在使用底座710时温升为大约40℃。

图8示出了由各向异性材料218形成底座210的过程800，具体方式是使各向异性材料218的最高膨胀轴204相对于底座210的轴取向，使得高膨胀轴(z轴202)倾斜于底座210的表面212。过程800从框802处开始，在该框处，在待耦合到具有各向异性材料218的热扩散器210的热源214的第一轴中标识该热源的第一热膨胀系数(CTE)。过程800可进行到框804，在该框处，各向异性材料218的高膨胀轴(z轴202)的第一旋转角度可被选择为优化一个或多个各向异性材料轴(z轴202、x轴204和/或y轴206)的一个或多个CTE与第一CTE的匹配，其中该角度是相对于热扩散器210的第一轴(Z轴252)所成的角度。在框806处，各向异性材料的高膨胀轴可旋转到第一角度。在框808处，各向异性材料的高膨胀轴(z轴202)的第二旋转角度可被选择为优化一个或多个各向异性材料轴(z轴202、x轴204和/或y轴206)的一个或多个CTE与第一CTE的匹配，其中该角度是相对于热扩散器210的第二轴(Y轴256)所成的角度。在框810处，各向异性材料的高膨胀轴可旋转到第二旋转角度。在框812处，可标识热源的第二轴中的热源的第二CTE。第一旋转角度或第二旋转角度任一者可被选择为还优化一个或多个各向异性材料轴(z轴202、x轴204和/或y轴206)的一个或多个CTE与第二CTE的匹配。在框814处，各向异性材料的高膨胀轴(z轴202)的第三旋转角度可被选择为优化一个或多个各向异性材料轴(z轴202、x轴204和/或y轴206)的一个或多个CTE与第二的匹配。在框816处，各向异性材料的高膨胀轴可以被旋转经过第三旋转角度以优化一个或多个各向异性材料轴的一个或多个CTE与第二CTE的匹配。第一旋转角度、第二旋转角度和/或第三旋转角度可被选择为优化沿着热扩散器的一个或多个轴的热导率，这从属于优化一个或多个各向异性材料轴的一个或多个CTE与第一CTE和/或第二CTE的匹配。

虽然过程800已被描述为具有多个步骤，但不必执行该过程的所有步骤，这些步骤也不必按具体次序在所设想的主题的范围内实施。此外，可在本发明所公开的技术的范围内设想和实施未标识的中间步骤。

已经描述和示出了本发明所公开的技术的各示例的一般和具体原理，因此应当清楚，在不脱离这些原理的情况下可以在排列和细节上对这些示例加以修改。我们要求保护落入以下权利要求书的精神和范围内的所有修改和变化。