JP2000357769A - 半導体スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、プレス機や特殊工具を使用せず
に人力により圧接可能な圧接機構部を有する半導体スタ
ックを提供する。 【解決手段】 本発明は、スタック１は複数個の冷却
体であるヒートシンク２と半導体素子３とが軸心線上に
積層して配置され、両端に絶縁碍子４、球面座５ａ，５
ｂと同一軸心上に重ねられ、スタック１の両端は圧接支
持体１０，１１に狭持され、固定ボルト１２と固定ナッ
ト１３によりスタッキングされている。そして、スタッ
ク１の両端又は何れか一方には、スタック１の中心から
等距離に円周上に複数の皿ばね８及び複数の締付ボルト
９ａ〜９ｄが配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の半導体素子
とヒートシンクなどが交互に重ねられた半導体スタック
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体変換装置は大容量化（高電圧化）
の傾向にあり、それに伴い多数個の平形半導体素子が用
いられるようになってきている。半導体変換装置は複数
個の平形半導体素子と、その平形半導体素子を冷却する
ための冷却体としてのヒートシンクを交互に積層し弾性
的な押圧力を負荷する圧接機構部、固定ボルトと圧接支
持板、ばね等から構成している半導体スタック（以下、
単にスタックと言う）を半導体変換装置の主回路を構成
する上で多数使用している。

【０００３】以下、半導体変換装置に使用している従来
のスタックを図９を用いて説明する。図９に示すよう
に、スタックの左右の圧接支持板１０Ａ，１１Ａには一
対の固定ボルト１２Ａが貫挿され、左右の圧接支持板１
０Ａ，１１Ａの間に後術するように重ねられた平形半導
体素子３Ａやヒートシンク２Ａを左右の固定ナット１３
Ａによって所定の圧力で締め付けている。

【０００４】即ち、左側の圧接支持板１１Ａの右側に
は、円錐座５Ｃの底部が重ねられ、この円錐座５Ｃの右
端には、絶縁碍子４Ａに続いてヒートシンク２Ａが重ね
られている。このヒートシンク２Ａの右側には、平形半
導体素子３Ａが重ねられ、更にヒートシンク２Ａ、絶縁
スペーサ１４、ヒートシンク２Ａ、平形半導体素子３
Ａ、ヒートシンク２Ａ及び絶縁碍子４Ａなどが同一軸心
上に続いて重ねられている。

【０００５】右端の絶縁碍子４Ａの右側には、円錐座５
Ｃの頂部が接していて、この円錐座５Ｃの右側の底部に
は帯板上の加圧板７Ａが重ねられている。この加圧板７
Ａを貫通した一対の固定ボルト１２Ａには、加圧板７Ａ
とこの加圧板７Ａの右側の圧接支持板１０Ａの左側面と
の間に、破線で示す円筒状のばねガイド８Ｂがそれぞれ
設置され、このばねガイドは背中合わせに重ねられた複
数枚のさらばね８Ａを貫通している。

【０００６】このように構成されたスタックに弾性的な
圧接力を保持させるため、プレス機（図示省略）により
所定の圧接力を加え、その後固定ナット１３Ａを圧接支
持板１０Ａに接触するまで回す。この状態では固定ボル
ト１２Ａには力は加わっていなく、プレス機を取り去る
と固定ボルト１２Ａには圧接力の反力として引張力が加
わる。従って、プレス機を取り去った際に加わる固定ボ
ルト１２Ａの伸び分見込んで所定の増し締めを行うか、
伸び分を加味したプレス値にしておく必要があった。

【０００７】また、従来のスタック構造の場合、高圧接
力を必要とする平形半導体素子を使用する際には、２点
のさらばねで高圧接力を保持しているため、どうしても
皿ばね個々の強さ（ばね定数）を高める必要がある。そ
のためには、皿ばねを大型化し、皿ばね個々のバネ性を
アップさせるか、皿ばねを同方向に重ね合わせることに
より、皿ばねの組み合わせでばね定数をアップさせる
（図１０参照）の２通りがある。

【０００８】しかしながら、前者の場合は、皿ばねばか
りでなく、皿ばね周りの用品が外形アップとなりメリッ
トはない。また、後者の場合は、皿ばねにはヒステリシ
ス特性（非線形特性）というものがあり、これは、「皿
ばねの弾性特性（変位と力）が全くの比例関係ではなく
加圧時（圧縮時）と減圧時（引張時）とで特性カーブが
かわる」というもので図１０のように同方向に皿ばねを
重ねた場合、ばね性をアップさせても、重ねた分だけ
（重ねた皿ばねの枚数分だけ）ヒステリシス特性が顕著
に出てしまい、スタックの熱応力による皿ばねの伸縮の
ために圧接力が安定しなり、場合により素子の上限圧接
力以上、または下限圧接力以下になる恐れがある（図１
１参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、サイリスタ素子
等の半導体素子は、その大容量化に伴って直径が大きく
なり、スタック構成時の素子の所定の単位面積加圧力を
保つために、直径の２乗倍で圧接力も増大している。そ
れに伴い下記問題点があげられる。 （１）圧接後の力を保持するためにボルト及びばねが大
型化する。 （２）圧接力の増大により、汎用のスパナ・トルクレン
チ等の工具での人力締付作業が不可能になる。 （３）その回避策の第１手段として、スパナ等の締め付
け工具を大型の物を使用すれば良いが、その工具の回転
角度が思うようにとれず、締め込むことが困難になる。 （４）その回避策の第２手段として、特殊工具の使用も
考えられるが、特殊工具に付き保守・管理が面倒で、コ
ストアップを伴う。

【００１０】そこで、この回避策として圧接を人力で容
易に行うことができ、スタックに対し、所要の圧接力を
容易に且つ均等に負荷することができ、平形半導体素子
に過大な圧接力が負荷されるのを防止できる圧接機構と
する。

【００１１】また、従来のスタック構成で挙げたばねの
ヒステリシス特性についても、各ばねにかかる力が小さ
ければヒステリシス特性も小さく抑えることができるた
め、スタックに負荷される大きな圧接力を複数のボルト
とばねに分散させ、ボルト１本及びばね１カ所当たりに
かかる締付力（圧接力）を低減することにより、ばねの
ヒステリシス特性を最小限に押さえ込める。

【００１２】従って、本発明の目的は、非常に大きなの
圧接力を必要とする素子を使用するスタックにおいて
も、プレス機や特殊工具を使用せずに人力により圧接可
能な圧接機構部を有する半導体スタックを提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、２つの圧接支持板の間に少
なくとも加圧板を介して複数の半導体素子とヒートシン
クが同軸に重ねられ、上記圧接支持板の一方とこの一方
の圧接支持板の内側に設けられた加圧板の間に挟持され
たばね部を介して上記半導体素子及び前記ヒートシンク
が締め付けられた半導体スタックにおいて、上記ばね部
がスタックの圧接力の負荷を分担する複数のボルトとば
ねで構成され、上記複数のボルトと上記ばねを上記加圧
板の中心から等距離の円周上に配置したことを特徴とす
る。

【００１４】従って、このように構成された請求項１に
係る発明においては、電力変換装置の容量が大きくなれ
ばなるほど、より大容量の電気部品が必要となり、より
大容量の平形半導体素子はより大きな圧接力を必要とし
ているような状況下においても、当該半導体スタックに
負荷される圧接力が複数のボルトに均等に分散され、ボ
ルト一本当たりの締付力（圧接力）が小さくできる。ボ
ルト複数本分で大きな圧接力を容易に人力により生み出
すことができる。

【００１５】また、請求項２に係る発明は、上記加圧板
は、上記複数のボルトと同数のネジ穴を形成し、上記複
数のボルトは、上記ネジ穴を介して上記加圧板から貫通
され、上記加圧板と上記圧接支持板間に配置させた上記
ばねを圧縮させたことを特徴とする。

【００１６】従って、このように構成された請求項２に
係る発明においては、上記加圧板が複数のボルトに対し
共通のナットとして機能し、ボルト締付力（圧接力）×
ボルト本数分の圧接力を当該半導体スタックに与えるこ
とができ、ボルト複数本分で大きな圧接力を容易に人力
により生み出すことができる。また、上記加圧板は複数
のボルトに対し共通のナットとして構成しているため、
ある一点のボルトのみ締め付けた場合、上記加圧板に傾
きが生じ、ボルトは少量しか締め付けられず、少量ずつ
のボルト締め付けの繰り返しで、均等な各ばねの反力を
生じさせることができる。

【００１７】また、請求項３に係る発明は、上記複数の
ボルトの先端を球状にしていることを特徴とする。従っ
て、請求項３に係る発明においては、上記複数のボルト
の先端を球状にしていることにより、各ばねの反力を素
子の中心により正確に上記加圧板に伝えることができ、
スタックとして最適な圧接状態を作り出すことができ
る。

【００１８】更に、請求項４に係る発明は、上記圧接支
持板の少なくとも一方に貫通孔を形成し、この貫通孔に
ゲージを設けたことを特徴とする。従って、請求項４に
係る発明においては、当該半導体スタック内加圧ばね部
のセンターの圧縮量、すなわち加圧板の変位量を上記ゲ
ージにより管理し、素子の圧力管理を行うことができ
る。

【００１９】また、請求項５に係る発明は、上記複数の
ボルトにゲージ表示を施したことを特徴とする。従っ
て、請求項５に係る発明においては、当該半導体スタッ
クの圧接力につながるばねの圧縮量をそれぞれのボルト
に表示されているゲージにより管理することにより、よ
り精度の高い素子の圧力管理を行うことができる。

【００２０】更に、請求項６に係る発明は、上記ばねに
皿ばねを使用することを特徴とする。従って、請求項６
に係る発明においては、圧接機構のばねに皿ばねを使用
することにより、締付箇所を複数化しているために、コ
ンパクトな皿ばね（個々の皿ばねは低荷重）を使用でき
るため、スタックがコンパクトになり、スペース的に有
利である。

【００２１】また、請求項７に係る発明は、上記ばねに
板ばねを使用することを特徴とする。従って、請求項７
に係る発明においては、板ばねの有する線形的な特性に
より、より一層ヒステリシスを回避でき、安定した荷重
特性が得られる。

【００２２】また、請求項８に係る発明は、上記ばねに
コイルばねを使用することを特徴とする。従って、請求
項７に係る発明においては、圧接機構のばねにコイルば
ねを使用することにより、タワミ量が多くとれ熱応力等
でばねの伸縮率が大きい場合に適用できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）まず、本発明の第１の実施の形態
について、図面を用いて説明する。

【００２４】図１は、本実施の形態のスタック構造の平
面図、図２は、その正面図である。尚、本実施の形態
は、複数個の締付ボルト９ａ〜９ｄが４本の場合を例に
図示している。

【００２５】図１及び図２において、平形半導体素子用
スタック１は複数個の冷却体であるヒートシンク２と平
形半導体素子３とが軸心線上に積層して配置され、両端
に絶縁碍子４、球面座５ａ，５ｂと同一軸心上に重ねら
れ、スタック１の両端は圧接支持体１０，１１に狭持さ
れ、固定ボルト１２と固定ナット１３によりスタッキン
グが保持されている。そして、スタック１の両端又は何
れか一方にはスタック１の加圧機構である複数個の皿ば
ね８、複数個の締付ボルト９ａ〜９ｄ、加圧板７、圧接
球面座６が配置され、スタック１を構成している。複数
個の締付ボルト９ａ〜９ｄ及び複数個の皿ばね８は、ス
タック１の中心から等距離に円周上に配置されている。

【００２６】そこで、上記のような加圧機構とすること
により、大きな圧接力を複数の締付ボルト９ａ〜９ｄで
作り出すことができ、ボルトの本数を増加することによ
り非常に大きな圧接力も人力のレベルで対応でき、特殊
なプレス機等が不要になる。

【００２７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について、図３を用いて説明する。図３
は、スタック内加圧機構部詳細図（図１のＡ−Ａ断面
図）である。

【００２８】図３に示すように、加圧板７は複数の締付
ボルト９ａ〜９ｄの共通のナットとして機能し、加圧板
７には複数の締付ボルト９ａ〜９ｄに対応するネジ穴が
切ってあり、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄを締め込んで
いくとそのネジ穴に締付ボルト９ａ〜９ｄはネジ込ま
れ、加圧板７は上方向に押し上げられる。それにより、
複数の締付ボルト９ａ〜９ｄが個々に貫通している皿ば
ね８が圧縮され、長さＧ１が縮んでいき、その反力Ｆ１
で複数の締付ボルト９ａ〜９ｄが圧接球面座６を押し下
げ、スタックの圧接力が生まれている。

【００２９】この構成により、複数の締付ボルト９ａ〜
９ｄの締付力（圧接力）×ボルト本数分の圧接力をスタ
ックに与えることができ、ボルト複数本分で大きな圧接
力を容易に人力により生み出すことができる。また、加
圧板７は複数のボルト９ａ〜９ｄに対し共通のナットと
して構成しているため、ある一点のボルトのみ締め付け
た場合、加圧板７に傾きが生じ、加圧板７に切っている
ネジ穴のネジ山とボルトのネジ山が噛んでしまい、少量
しか締め付けられず、少量ずつの各ボルト９ａ〜９ｄの
締め付けの繰り返しで、均等な各皿ばね８の反力を生じ
させている。

【００３０】上記構成とすることによって、最適な均等
圧接状態が実現できるスタック構造となる。 （第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態
について、図４を用いて説明する。

【００３１】図４に示すように、本実施の形態は、複数
の締付ボルト９ａ〜９ｄの先端を球状にしている。従っ
て、上記構成とすることにより、複数の締付ボルト９ａ
〜９ｄは球状の一点で圧接球面座６と接し、より理想的
に各皿ばね８からの反力を圧接球面座６に伝え、スタッ
クとして最適な圧接状況を作り出すことが可能となる。

【００３２】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態について、図５を用いて説明する。図５に
示すように、本実施の形態は、スタック加圧機構部のセ
ンター（圧接支持体１０）に貫通穴をあけていて、そこ
にゲージ１５を装着し、圧接力を生み出す皿ばね８の圧
縮変位量Ｇ１をそのゲージ１５により測定し、管理する
ことができる。

【００３３】従って、上記構成とすることにより、圧接
力のトルク管理ではなく締付量のゲージ管理により圧接
力を容易に管理することができ、トルク管理で行ってい
た場合に起こる可能性があった作業者による締付誤差を
最低限に抑えることが可能となる。

【００３４】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６に
示すように、本実施の形態は、複数の締付ボルト９ａ〜
９ｄにゲージ１６を切っておき、圧接力を生み出す皿ば
ね８の圧縮変位量Ｇ１を複数の締付ボルト９ａ〜９ｄの
それぞれのゲージで均等に管理することにより、各締付
ボルト９ａ〜９ｄの締付量のレベルを合わせることがで
きる。

【００３５】従って、上記構成とすることにより、先の
実施の形態に比べ、更にバランスのとれた圧接力を容易
に管理することができ、トルク管理で行っていた場合に
起こる可能性があった作業者による締付誤差をより一層
抑えることが可能となる。

【００３６】（その他の実施の形態）以上述べた第１乃
至第５の実施の形態においては、皿ばねを適用したが、
図７に示すように第６の実施の形態として板ばねを、ま
た、図８に示すように第７の実施の形態としてコイルば
ねをそれぞれ適用しても、本発明は実現できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高圧接力仕様の半導体素子を用いた場合においても、特
殊なプレス機や締め付け治具を使用することなしに、数
本の締付ボルトで並列的に締め付けることにより、大き
な圧接力を人力により生み出せる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す平面図。

【図２】 本発明の第１の実施の形態を示す正面図。

【図３】 本発明の第２の実施の形態を示す図１のＡ
−Ａ矢視図。

【図４】 本発明の第３の実施の形態を示す図。

【図５】 本発明の第４の実施の形態を示す図１のＡ
−Ａ矢視図。

【図６】 本発明の第５の実施の形態を示す図１のＡ
−Ａ矢視図。

【図７】 本発明の第６の実施の形態を示す図１のＡ
−Ａ矢視図。

【図８】 本発明の第７の実施の形態を示す図１のＡ
−Ａ矢視図。

【図９】 従来の半導体スタックを示す構成図。

【図１０】 同方向に重ね合わせた複数の皿ばねを示
す構成図。

【図１１】 ばねのヒステリシス特性を示すグラフ。

【符号の説明】

１…スタック、２，２Ａ…ヒートシンク、３，３Ａ…平
形半導体素子、４，４Ａ…絶縁碍子、５ａ，５ｂ…球面
座、５Ｃ…円錐座、６…圧接球面座、７，７Ａ…加圧
板、８，８Ａ…皿ばね、８Ｂ…ばねガイド、９ａ〜９ｄ
…締付ボルト、１０，１０Ａ，１１，１１Ａ…圧接支持
体、１２，１２Ａ…固定ボルト、１３，１３Ａ…固定ナ
ット、１４…絶縁スペーサ、１５…ゲージ、１６…締付
ボルト上のゲージ、２０…板ばね、２１…コイルばね。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 和弘 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 松本 寿彰 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA04 BA26 BB01 BC08 BC09 BE06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの圧接支持板の間に少なくとも加
   圧板を介して複数の半導体素子とヒートシンクが同軸に
   重ねられ、前記圧接支持板の一方とこの一方の圧接支持
   板の内側に設けられた加圧板の間に挟持されたばね部を
   介して前記半導体素子及び前記ヒートシンクが締め付け
   られた半導体スタックにおいて、前記ばね部が当該半導
   体スタックの圧接力の負荷を分担する複数のボルトとば
   ねで構成され、前記複数のボルトと前記ばねを前記加圧
   板の中心から等距離の円周上に配置したことを特徴とす
   る半導体スタック。
2. 【請求項２】 前記加圧板は、前記複数のボルトと同
   数のネジ穴を形成し、前記複数のボルトは、前記ネジ穴
   を介して前記加圧板から貫通され、前記加圧板と前記圧
   接支持板間に配置させた前記ばねを圧縮させたことを特
   徴とする請求項１記載の半導体スタック。
3. 【請求項３】 前記複数のボルトの先端を球状にして
   いることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体スタ
   ック。
4. 【請求項４】 前記圧接支持板の少なくとも一方に貫
   通孔を形成し、この貫通孔にゲージを設けたことを特徴
   とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体スタッ
   ク。
5. 【請求項５】 前記複数のボルトにゲージ表示を施し
   たことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
   半導体スタック。
6. 【請求項６】 前記ばねに皿ばねを使用することを特
   徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体スタ
   ック。
7. 【請求項７】 前記ばねに板ばねを使用することを特
   徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体スタ
   ック。
8. 【請求項８】 前記ばねにコイルばねを使用すること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体
   スタック。