JP2004335777A

JP2004335777A - 平型半導体素子用スタック

Info

Publication number: JP2004335777A
Application number: JP2003130328A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Yano; 利行矢野; Masayuki Imura; 正幸伊村
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】小さな力で大きな圧接力を人力で加えることができる構造を持つ平型半導体素子用スタックを提供する。
【解決手段】複数個の半導体素子３とヒートシンク４が交互に同軸上に積層された積層体と、この積層体を両端から支持する１対の加圧支持板８、１２と、前記加圧支持板の外周部を貫通し、前記加圧支持板を互いに接続支持する複数本のスタッドボルト２と、前記積層体と前記加圧支持板に挟まれるように設けられた弾性体７と、前記加圧支持板の外側に設けられ、一端が前記スタッドボルト用ナット１０で締め付け固定された複数個の加圧ブロック９と、この加圧ブロック９の各々の他端を前記加圧支持板の中心から等距離の位置にねじ込んで締め付け固定する加圧ボルト１１とで構成し、前記複数個の加圧ブロック９は、前記加圧支持板と接触する底面を、支点部を有する略Ｖ字形状に形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体変換装置に使用されるのに適した平型半導体素子用スタックに関する。
【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型半導体素子から構成された平型半導体素子用スタックが用いられるようになってきている。平型半導体素子用スタックは、複数個の平型半導体素子と、その平型半導体素子を冷却するため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加圧機構部、フレームとしての金属スタッドボルトと加圧支持板等から構成される。
【０００３】
この平型半導体素子用スタックは、平型半導体素子の機能を確保するため、加圧機構部を強い圧力で押圧して使用する必要がある。従来この押圧力を確保するため、スタッドボルトに取付けた固定ナットを締めて加圧支持板を固定した後、プレス機により所定の加圧力を上部加圧支持板加え、この状態で固定ナットを更に締め、プレス機の加圧を抜き、プレス機を取り去るという手法が採用されていた。これは、スタッドボルトの固定ナットをスパナ等の工具を用いて人力で直接締め付けようとしても、必要とされる締め付けトルクが大きく、ネジの回転角度が思うようにとれず、締めこむことが困難なためである。
【０００４】
上記を解決する一つの手法として、加圧機構部を工夫し、スタッドボルトとは別の加圧用ボルトを設け、これをスパナ等の工具を用いて人力で締め付けて加圧する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５７７６９号公報（第５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示されている手法は、煩雑なプレス機による押圧工程を不要とするという課題に対する１つの解決策ではあるが、加圧用ボルトの締め付け作業にかなりの力を要するという問題がある。従ってより小さな締め付けトルクで必要な加圧を、しかも均等に行うことができるようにすることが課題であった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、小さな力で大きな圧接力を人力で加えることができる構造を持つ平型半導体素子用スタックを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の平型半導体素子用スタックは、複数個の半導体素子とヒートシンクを交互に同軸上に積層して構成した積層体と、この積層体を軸方向両端から加圧、支持する１対の加圧支持板と、前記加圧支持板の外周部を貫通し、前記加圧支持板を互いに接続支持する複数本のスタッドボルトと、
前記積層体の少なくとも一端と前記加圧支持板に挟まれるように設けられた弾性体と、前記加圧支持板の軸方向外側に設けられ、一端が前記スタッドボルト用ナットで前記加圧支持板と共に締め付け固定された複数個の加圧ブロックと、この複数個の加圧ブロックの各々の他端を、前記加圧支持板の中心から等距離の位置にねじ込んで締め付け固定する加圧ボルトとから構成され、前記複数個の加圧ブロックは、前記加圧支持板と接触する底面を、支点部を有する略Ｖ字形状に形成したことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、スタックの圧接力はスタッドボルトの数に分担され、さらにその分担された力を加圧ブロックのてこ構造によってさらに小さな力に減少できるので、人力によって平型半導体素子に大きな圧接力を加えることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に本発明による平型半導体素子用スタックの第１の実施の形態を図１乃至、図４を参照して説明する。図１は、本発明の平型半導体素子用スタックの構成図であり、図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が平面図である。
【００１１】
スタック１は、４本のスタッドボルト２でスタッキングのためのフレームを構成し、このフレームの内側に複数個の平型半導体素子３とヒートシンク４とを交互に同軸上に積層し、両端部に電気回路接続端子となる導体５と、その外側に絶縁スペーサ１３を装着した積層体を配置している。絶縁スペーサ１３は、金属製のスタッドボルト２を用いた場合の回路絶縁を目的としており、必ずしも積層体の両端に装着する必要はなく、片端だけでも良い。
【００１２】
この積層体の上部に、球面座６とさらばね７と金属製の上部加圧支持板８を取付ける。上部加圧支持板８には、詳細を後述する底面の形状を略Ｖ字形に形成した加圧ブロック９の一端を４個のスタッドボルト２のナット１０と上部加圧支持板８との間に取付け、上部加圧支持板８の中央部付近に設けた夫々の加圧ブロック９に対応する夫々の加圧ボルト１１で加圧ブロック９の他端部を締め付け固定する。すなわち、各々の加圧ブロック９は上部加圧支持板８の対角線上に位置するように配置されている。スタック１のフレームは、上部加圧支持板８と下部加圧支持板１２とをスタッドボルト２を用いて接続固定することにより形成されている。ここで、４本のスタッドボルト２は、矩形の上下部加圧支持板８及び下部加圧支持板１２の夫々の角部内側に設けた貫通孔を貫通するように設けてある。
【００１３】
図２は加圧ブロック９の形状を示す斜視図である。前述したように底面の断面形状を略Ｖ字形に形成した加圧ブロック９の一方の端部にはスタッドボルト２と嵌合するＵ字状の溝９１を設け、他方の端部には圧接力を加える加圧ボルト１１が挿通する長円状の穴９２を有し、底面のＶ字形頂点には「てこ」となる支点部Ａを形成するように傾斜部９３を設けている。また、Ｂはナット部を、Ｃは加圧ボルト部を形成している。尚、Ｕ字状の溝９１は組み立て性を考慮したものであるが、これは貫通孔であっても良い。
【００１４】
図３は圧接力を加える前後の構成図である。すなわち図３（ａ）は圧接力を加える前の状態、図３（ｂ）は圧接力を加えた後の状態を示す。図３（ａ）の状態ではナット１０は一定のトルクで加圧ブロック９を締め付けている状態で、圧接力はほとんど加えていない。これに対し図３（ｂ）は加圧ボルト１１を締め付けた後の状態を示す。加圧ボルト１１を締め付けると上部加圧支持板８を押し下げ、さらばね７を圧縮しその反力が平型半導体素子３やヒートシンク４などを圧接する圧接力となる。
【００１５】
加圧ブロック９は上部加圧支持板８に当接する部分に「てこ」の支点を持つ形状となっている。この支点は図２に示す支点部Ａの部分である。従って、図２に示すように、加圧力は支点部Ａを支点とし、加圧ブロック９のナット部Ｂと加圧ボルト部Ｃで分担される。加圧ボルト部Ｃにおける加圧ボルト１１の締め込み力は、支点部Ａまわりのモーメントのつりあいを考えると、支点部Ａとナット部Ｂ間の距離に比べて支点部Ａと加圧ボルト部Ｃ間の距離が長いほど加圧ボルト部Ｃにかかる力は少なくてすむ。例えば支点部Ａとナット部Ｂ間の距離と支点部Ａと加圧ボルト部Ｃ間の距離の比を１：３とし、全圧接力を１００としたとき、４本の各スタッドボルト２では２５ずつの分担になるが、この「てこ」構造により加圧ボルト１１に掛かる力は、各スタッドボルト１１が分担する圧接力の１／３の８．３と非常に小さい値となる。
【００１６】
このように加圧ブロック９を介してスタック１を圧接することにより、人力で数十ｋＮの圧接力を容易に加えることが可能となる。
【００１７】
次に、図３（ａ）における加圧ブロック９の形状の特徴部分について以下説明する。
【００１８】
通常、加圧ボルト１１で圧接力を加える前に、スタッドボルト２用のナット１０をねじ込んで加圧ブロック９を定位置に固定する。この時、図示したように加圧ブロック９が上部加圧支持板８と接する面とナット１０と接する面が平行であれば、ナット１０をねじ込んだ状態で、４個の加圧ブロック９の位置が決まる。そして加圧ブロック９の厚みＬが４本のスタッドボルト２の加圧力設定のための初期設定寸法となり、その後加圧ボルト１１を締め付けて加圧する時、４本のスタッドボルト２に加わる圧接力を均等化することが容易になる。
【００１９】
図４は加圧ブロック９の配置の変形例を示す構成図である。この図４の各部は図１（ｂ）の各部と同一部分は同一符号で示してある。図４に示すように、加圧ブロック９の配置は必ずしもスタッドボルト２の対角線上に設ける必要はない。すなわち、上部加圧支持板８上にスタック１の加圧中心から等しい距離に加圧ボルト１１の取付け用ねじ穴を設けることにより、締め付けトルクが小さくかつ均等に加圧するという同様の効果を得ることができる。
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、小さな力で大きな圧接力を人力で加えることができる構造を持つ平型半導体素子用スタックを提供することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図であり、図５（ａ）が平面図、図５（ｂ）が側面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックと同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、加圧ブロック９の長さを長くし、加圧ボルト１１を上部加圧支持板８のスタック軸心となる中心に取付け、４個の加圧ブロック９の端部を１本の加圧ボルト１１で同時に締め付けて加圧するようにした点である。
【００２２】
この第２の実施の形態における加圧ブロック９は、図２に示したように、一方の端部にスタッドボルト２と嵌合するＵ字状の溝９１を設けることは同様であるが、他方の端部には圧接力を負荷する加圧ボルト１１を取付ける長円状の穴ではなく、図５に示したように１本の加圧ボルトで共締めが可能なように端部を細くている。
【００２３】
この第２の実施の形態によれば、図２における加圧ブロック９の支点部Ａと加圧ボルト部Ｃ間の距離を第１の実施の形態より長くすることができるので、加圧ボルト１１の締め込み力も第１の実施の形態の場合より小さな力で良い。この構成により１本の加圧ボルト１１で４本の加圧ブロック９を人力で同時に締め込んで圧接することが可能となる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図である。この第３の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックと同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第３の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、加圧ブロック９の端部が加圧ボルト１１と接触する面の形状を平面から曲面形状に変更した点と、加圧ブロック９の底面が上部加圧支持板８の上面と接触する部分に位置決めピン１４を設けた点である。
【００２５】
本実施の第３の形態によれば、加圧ブロック９を締め込む場合に常に加圧ブロック９の曲面部と加圧ボルト頭部が接触するため、締め込むときの摩擦力を最小にすることができる。
【００２６】
また、位置決めピン１４を設けることによって、加圧ブロック９が加圧力を加えているときに、図２の支点部Ａの部分の位置ずれが生じないため、各スタッドボルト２に均等に加圧力を加えることが可能となる。位置決めピン１４を１個の加圧ブロック９に対して複数個配置すれば、位置ずれを防止する力を更に強くすることができる。また、位置決めピン１４の代わりに止めねじボルトをねじ込んで用いても同様の効果が得られる。尚、位置決めピン１４は加圧ブロック９，上部加圧支持板８のどちら側に設けてもその効果は基本的に変わらない。
【００２７】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図を示す。この第４の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックと同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第４の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、上部加圧支持板８の形状を変更した点である。すなわち、図１では、スタッドボルト２が矩形の上部加圧支持板８の角部近傍を貫通する構造となっていたのに対し、図７では円盤状の上部加圧支持板８の外径寸法はスタッドボルト２の中心からの寸法より小さく、従って上部加圧支持板８にはスタッドボルト２の貫通孔はない。
【００２８】
本実施の形態によれば、上部加圧支持板８をスタッドボルト２で囲まれた空間の内側の大きさとすることにより上部加圧支持板８を軽量化することが可能となる。また上部加圧支持板８が小さくなり、ねじ込む加圧ボルト１１の軸力も小さくなるため、ねじ穴をヘリサートねじとするなどして、上部加圧支持板８の材料をアルミニウム、またプラスチックやセラミックなどの絶縁物、あるいはこれらを積層した材料を使用することが可能となる。また、下部加圧支持板１２についても、図７の上部加圧支持板８と同様に、スタッドボルト２で囲まれた空間の内側の大きさにすれば、上記効果を更に高めることができる。
【００２９】
尚、以上の説明は、スタッドボルト２を４本で構成する平型半導体素子用スタックについて行ったが、スタッドボルト２を一線上に対向して配置した２本、更には正三角形の各頂点に配置した３本で構成するスタックにおいても同様の効果が得られる。また、スタッドボルト２の材料を金属のほかにＦＲＰなどの絶縁丸棒両端部にネジ加工したものを用いても同様の効果が得られる。スタッドボルト２に絶縁物を使用すれば、絶縁スペーサ１３は省略できる。更に、下部加圧支持板１２に上部加圧支持板８と同一の加圧ブロック９を使用し、上下両加圧支持板を上下対称の構成としても良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小さな力で大きな圧接力を人力で加えることができる構造を持つ平型半導体素子用スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平型半導体素子用スタックの構成図。
【図２】加圧ブロックの形状を示す斜視図。
【図３】圧接力を加える前後の構成図。
【図４】加圧ブロックの配置の変形例を示す平面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る平型半導体素子用スタックの構成図。
【符号の説明】
１スタック
２スタッドボルト
３平型半導体素子
４ヒートシンク
５導体
６球面座
７さらばね
８上部加圧支持板
９加圧ブロック
１０ナット
１１加圧ボルト
１２下部加圧支持板
１３絶縁スペーサ
１４位置決めピン

Claims

複数個の半導体素子とヒートシンクを交互に同軸上に積層して構成した積層体と、
この積層体を軸方向両端から加圧、支持する１対の加圧支持板と、
前記加圧支持板の外周部を貫通し、前記加圧支持板を互いに接続支持する複数本のスタッドボルトと、
前記積層体の少なくとも一端と前記加圧支持板に挟まれるように設けられた弾性体と、
前記加圧支持板の軸方向外側に設けられ、一端が前記スタッドボルト用ナットで前記加圧支持板と共に締め付け固定された複数個の加圧ブロックと、
この複数個の加圧ブロックの各々の他端を、前記加圧支持板の中心から等距離の位置にねじ込んで締め付け固定する加圧ボルトと
から構成され、
前記複数個の加圧ブロックは、前記加圧支持板と接触する底面を、支点部を有する略Ｖ字形状に形成したことを特徴とする平型半導体素子用スタック。
複数個の半導体素子とヒートシンクを交互に同軸上に積層して構成した積層体と、
この積層体を軸方向両端から加圧、支持する１対の加圧支持板と、
前記積層体の少なくとも一端と前記加圧支持板に挟まれるように設けられた弾性体と、
前記加圧支持板の軸方向外側に設けられた複数個の加圧ブロックと、
加圧支持板の外周部より外側において前記各加圧ブロックの一端と夫々締め付け接続される複数本のスタッドボルトと
前記加圧ブロックの他端を前記加圧支持板の中心から等距離の位置にねじ込んで締め付け固定する加圧ボルトと、
から構成され、
前記複数個の加圧ブロックは、前記加圧支持板と接触する底面を、支点部を有する略Ｖ字形状に形成したことを特徴とする平型半導体素子用スタック。
前記加圧ブロックの一端に、スタッドボルトと嵌合するためのＵ字状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。
前記加圧ボルトを、前記加圧支持板の中心部近辺に取付け、前記複数の加圧ブロックの他端を同時に加圧、固定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。
前記複数の加圧ブロックの他端に設けられた前記加圧ボルトの取付け穴の座面を、凸状の曲面形状としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。
前記複数個の加圧ブロックは圧接方向の相対する上下２面に平面部を有するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。
前記複数個の加圧ブロックが前記加圧支持板に接する面に位置決めピンを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。