JP2010080956A - 半導体素子を実装した積層体 - Google Patents

Abstract

【課題】積層された半導体素子を効果的に冷却出来る手段を提供する。
【解決手段】好ましくは開放構成をもつ少なくとも一つの半導体素子２ａ〜２ｄをヒートシンク２０ａ〜２０ｅ間に介在配置するとともに、液状誘電体冷却材に少なくとも部分的に浸漬した積層体。開放構成とは、上記の少なくとも一つの半導体素子が、液状誘電体冷却材に浸漬され、かつ充填されることを意味する。即ち、少なくとも一つの半導体素子の各種構成部品間に空間や間隙がある場合、これが液状誘電体冷却材で満たされ、好適な誘電体環境を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を実装した積層体、具体的には、液状誘電体に浸漬される積層体に関する。

本発明は、ヒートシンク間に実装配置され、液状誘電体に少なくとも部分的に（最適には完全に）浸漬される少なくとも一つの半導体素子からなる積層体を提供するものである。

本発明の積層体は、複数の半導体素子からなり、各半導体素子を一対のヒートシンクの間に実装配置することが好ましい。

本発明の積層体は、各種広範な異なる半導体素子を使用して形成できるが、（例えばサイリスター、ゲートターンオフサイリスター（ＧＴＯ）、ゲート整流サイリスターやゲート制御サイリスター（ＧＣＴ）およびダイオードなどの）全ウェファー素子が好適である。（絶縁ゲートバイポーラトランジスター（ＩＧＢＴ）およびダイオードなどの）ダイ系素子やこれら素子のハイブリッドも利用可能である。積層体が一つの場合、半導体素子を任意に組み合わせて実装配置することができ、これらすべてに同じ接触圧縮力を加えて、以下詳しく説明するように、半導体素子およびヒートシンクを圧縮状態に維持する。

半導体素子は、例えば、半導体ウェファーまたは半導体要素、オーム接触金属化層、圧力接触系、不活性化層（例えば、ガラス、ポリアミド、ポリイミド、シリコーンラバーやその他の適当な材料からなる単独層または複層構成体）および熱補償した機械的接触プレートからなるものである。

ＵＳＰ６４４１４０７

従来のプレスパック構成の場合、半導体要素およびコンタクトプレートを一対の銅ポールピース間にプレスする。従来のプレスパック構成の具体例は、ＵＳＰ６４４１４０７に開示されている。より具体的には、ＵＳＰ６４４１４０７の図２ｃおよび図３ａには、半導体要素３１をコンタクトプレート３２間に実装配置し、これを絶縁ハウジング３０に気密シールしたＧＴＯ３３の斜視図が示されている。半導体要素３１およびコンタクトプレート３２は、銅ポールピース３３、３４間にプレスされている。

各半導体素子は、状況に応じて、構成を“開放”構成、即ち従来のプレスパック構成にできる。ここでの“開放”構成の半導体素子は、一般的にいって、ハウジングに気密シールされていないため、構成部品が液状誘電体に直接接触する素子を意味する。この素子は、圧縮タイプの積層体に使用するのが好ましい。

積層体は、少なくとも一つの“開放”構成の半導体素子および少なくとも一つのプレスパック構成の少なくとも一つの半導体素子を実装配置できる。従って、同じ積層体内に、異なる半導体素子構成を組み合わせて実装配置できる。

なお、“開放”構成の半導体素子については、液状誘電体に浸漬されることから最大限の作用効果を得ることができると考えられる。即ち、半導体素子のそれぞれの構成部品間にある空間や間隙が、液状誘電体で満たされ、好適な誘電体環境を与えるからである。半導体素子に使用される材料については、半導体素子あるいは液状誘電体が接触する結果劣化しないように、化学的に、構造的に、および誘電体的に液状誘電体に適合するものでなければならない。なお、このような半導体素子については、半導体要素のすべての領域を加圧状態が中程度の適当な誘電体、例えば無水窒素によって取り囲み、かつこれが浸透できる従来のプレスパック構成との間に差異があることは容易に理解できるはずである。また、この半導体素子には、従来のプレスパック半導体素子に伴う銅ポールピースがない。これら銅ポールピースは、ヒートシンクによって有効に置換できる。従来の封止部品は、通常、従来のプレスパック半導体素子のコスト全体のおよそ半分を占める。従って、“開放”構成の半導体素子の従来の封止部品を無くすことができることは、コストの大幅な削減を意味する。

“開放”構成の半導体素子は、周囲をカプセル化するか、あるいはその他の手段でシールすると、保存時に、あるいは積層体への実装時に、汚染物質の侵入を制限することができる。さらに、半導体素子を機械的取り扱い時に衝撃などから保護するために、（例えば、ゴムや他のコンプライアンスをもつ外側リングなどで）カプセル化することも可能である。半導体素子周囲をカプセル化することは、上記の“開放”構成の作用効果を損なわないという意味でも重要である。

接触圧縮力（締め付け力）については、実質的に積層体の軸線にそって作用させ、各半導体素子と隣接ヒートシンクとの間の熱的電気的接触を適正化するのが好ましい。また、接触圧縮力により、半導体素子の電気プレートと半導体ウェファーまたは半導体要素との間の熱的電気的接触が適正化する。半導体要素の両面の接触領域を金属化し、それぞれの接触領域が異なり、従って異なる接触圧力が作用することを考慮して、熱的電気的接触の信頼性を高めることが好適である。複数の個々の凸状エミッターメサ、即ち接触面積が対応する陽極接触面積よりかなり小さい凸状陰極接触アイランドの配列を利用するＧＴＯの場合、それぞれの接触圧力が実質的に異なるため、これに応じて接触圧縮力を選択する必要がある。

積層体については、共通の圧力接触系（締め付け系）によって圧縮状態に維持するのが好ましい。接触圧縮力については、正確に決定し、実質的に積層体の軸線にそって圧力接触系によって実質的に一定の状態で作用させる。また、圧力接触系については、隣接金属化面の小さな凹凸が塑性変形し、これによって必要に応じて金属間接触領域を拡大し、熱的接触抵抗および電気的接触抵抗を抑制するように構成する。圧力接触系によって作用させる接触圧縮力は、実際は、半導体ウェファーまたは半導体要素の破断力のおよそ５０％である。接触抵抗を抑制する点からは、接触圧縮力をさらに強くすることは、通常効果がない。最初の圧縮後で、対応する塑性流れが生じた後、接触圧縮力を無理な接触抵抗劣化が生じない程度に小さく抑えることができる。即ち、ヒステリシスにゆだねる。圧力接触系それ自体については、正確にトレランス化しておく必要がある。

共通な圧力接触系としては、任意の好適な系を利用することができる。

積層体については、弾性的に適当な支持体に実装され、各半導体素子を衝撃から実質的に分離した状態で、使用時に積層体を位置決めできる剛性のある構造体を有することができる。必要に応じて、外力を積層体に作用させ、これを位置決め配置できるようにヒートシンクを構成することができる。滑り界面を介して剛性のある構造体によって半径方向整列配置を実現することができる。例えば、剛性のある構造体は、ヒートシンクの接触面と滑り接触する一つか複数の剛性のある長手方向部材を有することができる。

主に引っ張り負荷を支える支持ロッドをヒートシンクの角度的に離間した開口に挿入することができる。支持ロッドの端部は、積層体の剛性のある構造体に固定するのが好ましい。

半導体素子については、任意の好適なパワー回路位相幾何学構成として、例えば電流源インバーターとして、電圧源インバーターとして、マトリックスコンバーターとして、また整流器として構成することができる。パワー回路位相幾何学構成は、対応する受動構成部品に一体化できる。完成したパワー回路位相幾何学構成は、一つの積層体内に実装でき、あるいは任意の好適な数の積層体内に分配実装できる。同じ積層体か異なる積層体内の半導体素子は、直列接続あるいは並列接続することができる。パワー回路位相幾何学構成は、任意の好適な数の積層体を使用して実装することができ、また各積層体には、任意の好適な数の半導体素子を実装することができ、また各積層体の物理的なサイズについては任意のサイズを選択することができる。“開放”構成と完全に取り囲むプレスパック構成の半導体を組み合わせることも可能である。

ケーブルまたは母線を使用して特定の積層体内の半導体素子を接続すると、目的のパワー回路位相幾何学構成を実現できる。例えば、６パルスＧｒｅａｔｚブリッジダイオード整流器の場合には、第１母線を使用して、３つのダイオード素子の陽極を結合し、負の直流端子を形成するとともに、第２母線を使用して他の３つのダイオード素子の陰極を結合し、正の直流端子を形成する。また、ケーブルまたは母線を使用して、一つの積層体内の半導体素子を別な積層体内の半導体素子に接続することも可能である。

一つの積層体、あるいは複数の積層体は、自立形パワーコンバーターか、あるいは(例えば、パワー電子素子を一体化した電気機械などの)他の装置に物理的に一体化したパワーコンバーターの基本構成部品を構成することができる。

積層体を液状誘電体に浸漬すると、効果が非常に高く、コンパクトな熱的界面を利用することができ、しかも通常は、空気絶縁半導体素子に伴う絶縁破壊の恐れもない。このため、積層体構成により所与の空間内において実現することができる電流定格、電圧定格および電力定格を最大化することができる。また、積層体構成を使用すると、特に構成部品およびシステムを広い範囲で一体化した場合に、パワー変換装置が極めて高い電力密度およびコスト低下を実現することができる。液状誘電体は、冷却作用をもち、積層体を安全に運転できる誘電体環境を確保するものである。

液状誘電体を使用すると、積層体に密接して浸漬され、かつこれに接続されるスイッチング補助ネットワーク構成部品、ゲートドライブ構成部品やその他の対応受動構成部品の電気的絶縁および冷却に対して有利である。

好適ならば、任意の液状誘電体を利用することができる。ここで“液状誘電体”は、それ自体市場に出回っている液状誘電体製品だけでなく、十分な絶縁耐力を有する液状誘電体を包含するものである。例示すれば、脱イオン水、ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴやその他の等価物であるパーフルオロカーボン液体、無機変圧器油、シリコーン変圧器油、合成油、合成エステル、塩化メチレンなどである。特に好適な冷却材流体は、ＭＩＤＥＬなどの変圧器絶縁流体やその等価物である。他の冷却材流体については、種々の環境的適合性および化学的適合性を考慮して使用すればよい。

ヒートシンクには、積層体の動作時に発生する熱を周囲の液状誘電体に放熱する複数の放射状の冷却フィンを配設することができる。ヒートシンクは、アルミ、銅、これらの合金などの任意の適当な材料から、押出し成形、焼結、焼結鍛造、鋳造、機械加工などの任意の好適な方法によって製造することができる。さらに、ヒートシンクの表面を任意の好適な方法によって組織化すると、表面積を拡大でき、また液状誘電体との境界層流れおよび熱交換挙動に好影響を与えることができる。ヒートシンクは、従来のプレスパック半導体素子に存在する銅ポールピースの圧縮コンプライアンスやこれらの熱的電気的接続を確保するものであるが、付随的に、各半導体素子と濡れている大きな金属熱交換面積との間に短い伝熱路を確保するものである。半導体素子の動作時に発生する熱を、従って、積層体を取り囲む液状誘電体に効率的に伝熱できる。

積層体を取り囲む液状誘電体は静止状態にあるが、一般的に、液状誘電体が、積層体を超えて流れ、冷却効率を改善できるようにすることが好ましい。ヒートシンクが放射状フィンを含む場合、積層体の軸線に対して実質的に平行な方向に流れて、液状誘電体が放射状フィンの周りで、かつこれらの間に流れるようにすることが好ましい。なお、実際には、液状誘電体は、積層体の軸線に対して任意の方向に流れる。

積層体を超えて流れる液状誘電体の流れは、例えば、好適なポンプ系によって、あるいは自然対流（サーモサイホン）によって発生することができる。バッフルやダクトを設けると、液状誘電体の流れを整流し、積層体の冷却を最適化することができる。

液状誘電体については、実質的に脱気かつ脱ガス処理する必要がある。空気／ガスバブル分離器を備えた自己ブリーディング（ｓｅｌｆ−ｂｒｅｅｄｉｎｇ）流体回路を利用できる。

さらに、本発明は、上記積層体が液状誘電体に少なくとも部分的に（好適には完全に）浸漬されるように液状誘電体を容れたチャンバーまたは容器内に上記積層体を設けた構成体を提供するものである。例えば、電気機械の流体冷却回路内の好適な予め存在しているか、あるいは用途に応じたチャンバーまたは容器に積層体を浸漬できる。

あるいは、積層体は、液状誘電体が供給され、かつパイプまたはマニホルドによって取り出される液密ハウジング内に設けることができる。一つか複数の積層体を実装した複数のハウジングは、角度的に離間した位置であって、空冷式電気機械の固定子周囲に配置することができる。ケーブルまたは母線を介して各ハウジングに交流電力または直流電力を供給し、各半導体素子を動作させることができる。各液密ハウジングは、任意の好適な材料から構成することができる。ハウジングを金属材料で構成した場合、適当な絶縁ブシュなどを利用してアースするのが好ましい。着脱自在な蓋を設けると、積層体の保守修理を目的として、ハウジングの内部にアクセスすることが可能である。

一つか複数の放射状フィンを設けると、補助電気構成部品（例えば、ゲートドライブ電子部品やスイッチング補助ネットワークなど）をヒートシンクに取り付けることができ、また例えばケーブルや母線によって、ヒートシンク間を電気的に接続できるとともに、外部部品に電気的に接続できる。

“開放”構成の４つの半導体素子を５つのヒートシンク間に設けた、本発明の基本的な積層体を示す展開斜視図である。 図１の積層した積層体を示す横断面図である。 共通の圧力接触系、支持ロッド、母線、補助電気構成部品などを使用して完成した本発明の細部にわたる積層体を示す斜視図である。 剛性のある支持構造体を示す、図３の細部にわたる積層体の斜視図である。 剛性のある支持構造体を示す、図３の細部にわたる積層体の側面図である。 ４相ブリッジを示す概略図である。 １２パルス列サイリスター整流器を示す概略図である。 積層体に一定の圧縮力を作用させるために利用できる共通の圧力接触系を示す詳細な図である。 積層体に一定の圧縮力を作用させるために利用できる共通の圧力接触系を示す詳細な図である。 積層体に一定の圧縮力を作用させるために利用できる共通の圧力接触系を示す詳細な図である。

本発明の基本的な積層体について、図１および図２を参照して以下説明する。

この積層体は、任意の好適な位相幾何学構成をもつ４つの半導体素子２ａ〜２ｄで構成する。例えば、半導体素子２ｄがゲートターンオフサイリスター（ＧＴＯ）の場合、陰極層を複数の独立した凸状メサによって形成した半導体要素またはウェファー４を使用する。凸状メサの外面を金属層で被覆し、複数の独立した陰極電極を形成する。ベース層の外面を連続金属層で被覆し、陰極層の凸状メサを有効に取り囲むゲート電極を形成する。

モリブデンディスク状の陰極プレート６は半導体要素４の独立した陰極電極に接触する。また、モリブデンディスク状の陽極プレート８は半導体要素４の陽極層の外面に接触する。

半導体要素４は、コンプライアントな外側リング１０および陰陽極プレート６、８でカプセル化する。外側リング１０は、保存時や積層体内への実装時に汚染物質が半導体素子に侵入することを制限し、かつ機械的取り扱い時の衝撃から半導体要素４を保護するものである。

ゲートドライブ接続部１２を設ける。この接続部にそって、ゲート電流および補助陰極電流が半導体素子と外部ゲートドライブ回路１４との間に流れる。

５つの同じ構成のヒートシンク２０ａ〜２０ｅの間に半導体素子２ａ〜２ｄを介在配置する。各ヒートシンクは、従来のプレスパック構成における銅ポールピースと等価な部材である。隣接ヒートシンクに形成した開口２２内にゲートドライブ接続部１２を設ける。具体的には、第１半導体素子２ａを対象とするゲートドライブ接続部は、第１ヒートシンク２０ａに形成した開口に設ける。同様に、第２半導体素子２ｂを対象とするゲートドライブ接続部は、第２ヒートシンク２０ｂに形成した開口に、第３半導体素子２ｃを対象とするゲートドライブ接続部は、第４ヒートシンク２０ｄに形成した開口に、そして第４半導体素子２ｄを対象とするゲートドライブ接続部は、第５ヒートシンク２０ｅに形成した開口に設ける。このように、積層体が第３ヒートシンク２０ｃを中心にして対称配置になっていることを容易に理解できるはずである。第３ヒートシンク２０ｃに形成した開口にはゲートドライブ接続部はなく、現実には、この開口を完全に省略することができる。

第１ヒートシンク２０ａは、第１半導体素子２ａの陰極側ポールピースとして動作する。第２ヒートシンク２０ｂは、第１半導体素子２ａの陽極側ポールピースとして、また第２半導体素子２ｂの陰極側ポールピースとして動作する。第３ヒートシンク２０ｃは、第２、第３の半導体素子２ｂ、２ｃの陽極側ポールピースとして動作する。第４ヒートシンク２０ｄは、第３半導体素子２ｃの陰極側ポールピースとして、また第４半導体素子２ｄの陽極側ポールピースとして動作する。第５ヒートシンク２０ｅは、第４半導体素子２ｄの陰極側ポールピースとして動作する。

各ヒートシンク２０ａ〜２０ｅの開口２２から半径方向外側に外面まで狭いスロット２４を延設することができる。これらスロット２４内にゲートドライブ接続部１２の半径方向に延設した導体要素を設け、ヒートシンクの外面から突出させているため、ゲートドライブ回路１４に接続できる。これら導体要素については、図１および図２に一つのみを図示してある。

ヒートシンク２０ａ〜２０ｑの開口２２およびスロット２４のサイズについては、ゲートドライブ接続部１２がヒートシンクから離間し、電気的接触を防止できるサイズにする。図示していないが、ゲートドライブ接続部１２とヒートシンクとの間の間隙は、誘電体材料で充填することができる。

第１、第２、第４および第５のヒートシンクに形成した開口２２内に圧縮性絶縁ディスク１６を設ける。各絶縁ディスクの一方の側は、対応するゲートドライブ接続部１２に直接接触し、そして他方の側は、隣接半導体素子の陽極プレートまたは（図示していない）絶縁パッドに直接接触する。絶縁ディスクの厚みについては、ゲートドライブ接続部１２に対して所望の軸方向接触圧力を与えるように選択する。換言すれば、絶縁ディスク１６を厚くすればすれ程、より大きな軸方向接触圧力がゲートドライブ接続部１２と半導体要素４との間に作用することになる。逆の関係も成立する。

ヒートシンク２０ａ〜２０ｅには、半導体素子２ａ〜２ｄの正常な動作時に発生する熱を周囲の液状誘電体冷却材に放熱する複数の、円周方向に離間配置した放射状冷却フィン２６を設ける。ヒートシンク２０ａ〜２０ｑは、厚みの大きい、４つの等しい間隔をおいて設けたフィン２８を有する。各フィン２８は、以下に詳しく説明する支持ロッドを受け取る開口３０、および一対の取り付けアーム３２ａ、３２ｂを有する。

共通の接触圧力系（図示省略）が、積層体の軸線にそって接触圧縮力を作用させ、各半導体素子２ａ〜２ｅの陰陽極プレート６、８と隣接ヒートシンク２０ａ〜２０ｅの接触面との間に電気的熱的接触を維持する。この接触圧縮力は、各半導体素子２ａ〜２ｅの陰陽極プレート６、８と半導体要素４との間に電気的熱的接触を維持するものでもある。

積層体完成品の好ましい実施態様を図３〜６について説明する。この積層体は、１７のアルミヒートシンク２０ａ〜２０ｑの間に介在配置した１６の半導体素子からなる。なお、積層体を対称配置したヒートシンク２０ｉは、相互に直接接触する（即ち、半導体素子によって離間配置されていない）３つの独立したヒートシンクからなることは、容易に理解できるはずである。従って、本明細書で使用する“ヒートシンク”は、半導体素子によって離間配置されていない２つかそれ以上の独立したヒートシンクを含む用語である。一般的にいって、積層体は、ｎ＋１個のヒートシンクの間に介在配置したｎ個の半導体素子からなる。積層体を構成する半導体素子は、同じ位相幾何学構成、または異なる位相幾何学構成で構成できる。例えば、１６の半導体素子としてＧＴＯを使用できる。あるいは、積層体は、従来のパワー回路位相幾何学構成で構成した異なる半導体素子で構成してもよい。

図３〜５に示した半導体の具体的構成は、アームにつき２つの直列４．５ｋＶのＧＴＯを利用する４相ブリッジである。これの概略を図６Ａに示す。このブリッジは、２つの直流端子ＤＣ１、ＤＣ２および４つの交流端子〜１、〜２、〜３、〜４をもつ。それぞれ直流端子と交流端子との間にアームを配設する。例えば、第１直流端子ＤＣ１と第１交流端子〜１との間に第１アームを配設し、第１交流端子〜１と第２直流端子ＤＣ２との間に第２アームを配設する。第１アームと第２アームとが、４つの半導体素子をもつブリッジの第１位相を構成する。同様にして、第２、第３および第４位相が構成される。

古典的な１２パルス列サイリスター整流器の概略を図６Ｂに示す。図示していないが、このような積層体は、ヒートシンク間に１２のサイリスター半導体素子を介在配置して構成する。第１の３相交流端子〜１ａ、〜２ａおよび〜３ａが、直流端子ＤＣ１、ＤＣ２をもつ第１整流器ブリッジに電力を供給する。第２の３相交流端子〜１ｂ、〜２ｂおよび〜３ｂが第１の交流端子に対して３０°だけ位相シフトし、直流端子ＤＣ２およびＤＣ３をもつ第２整流器ブリッジに電力を供給する。従って、直流端子ＤＣ２は、２つの整流器ブリッジに対して共通であり、このため第１、第２の整流器ブリッジのそれぞれの直流出力が直列に接続され、その合成出力が直流端子ＤＣ３（正）とＤＣ１（負）との間に発生する。中間点の直流端子ＤＣ２も用途に応じて利用できる。

各ヒートシンク２０ａ〜２０ｑの放射状フィン２６、２８は、軸方向に列を作るように配列する。従って、放射状フィン２６、２８の間に軸方向流路が形成し、この流路にそって液状誘電体冷却材が、積層体を使用できるように位置決めしたときに、流れる。積層体の可使寿命にわたってヒートシンク２０ａ〜２０ｑの放射配列を維持する方法について、以下詳しく説明する。

図３に、各種の異なる母線、機械的支持体および補助電気構成部品(例えば、スナッバー回路)を放射状フィン２８のアーム３２ａ、３２ｂに接続する方法を示す。例えば、電気的接続を確保するとともに、機械的支持を確保するＵ字形母線３６によって、一連のスナッバーキャパシター３４をヒートシンク２０ａ〜２０ｈおよび２０ｊ〜２０ｑの放射状フィン２８のいずれか一つのアームに接続する。

４つの母線３８が、（図示してはいないが、概略的には図６Ａに交流端子〜１、〜２、〜３および〜４によって示されている）積層体の出力交流端子への電気的接続および機械的支持を確保する。他の母線４０は、（図示してはいないが、概略的には図６Ａに直流端子ＤＣ１、ＤＣ２によって示されている）積層体側面にそって延設し、出力直流母線に接続する一対の直流母線４２への電気的接続および機械的支持を確保する。図６Ａに概略が示されているヒートシンク間の相互接続は、差分的な熱膨張の結果として発生するかなりの力の発生を避けるために、場合に応じて、十分な可撓性を担保する特徴をもつ母線によって確保する。このような特徴には、適正に形成された母線部分があるが、可撓性のブレイド処理した、あるいは積層箔リンクも場合に応じて使用可能である。

スレッド式ファスナーを使用して各種の母線３６、３８、４０をヒートシンクに固定し、また放射状フィン２８のアーム３２ａ、３２ｂには、スレッド式ファスナーを受け取るのに好適なスレッド式開口を形成する。

外部回路、直流母線４２と積層体の出力交流端子（図示省略）の間の接続は、クイックリリース式コネクターを用いて行うことができる。

ゲートドライブ接続部１２のゲートドライブ回路１４は、一対の放射状フィン２６の間の所定位置に小さなクリップ４４によって保持する。

図４および図５に示すように、積層体は、剛性のある外側支持フレーム４６によって取り囲む。このフレームは、一対のエンドプレート４８ａ、４８ｂを有し、間に４つの長手方向部材５０を接続する。長手方向部材５０は、固体部材で、第１エンドプレート４８ａに剛性接続し、また第２エンドプレート４８ｂを対象とする滑り界面をもつ。

長手方向部材５０は、放射状フィン２８のアーム３０ａ、３０ｂの間を通過し、第２エンドプレート４８ｂの対応する軸方向開口を通過して延設する。長手方向部材５０、ヒートシンク２０ａ〜２０ｑおよび第２エンドプレート４８ｂの間の滑り界面によって、積層体を半径方向に位置決めする。具体的には、放射状フィン２８は、長手方向部材５０に滑り接触するアーム３２ａ、３２ｂの間において平坦な表面２８ａを有する。第２エンドプレート４８ｂは、長手方向部材５０に滑り接触する対応する平坦な表面を有する。４つの長手方向部材５０からなり、相互に９０°連続的に角度的に変位させた構成により、任意の方向における半径方向力は、任意のヒートシンク２０ａ〜２０ｑおよびベクトル対の力として作用する第２エンドプレート４８ｂから対応する隣接長手方向部材５０に伝達する。場合にもよるが、滑り界面は、平坦な表面２８ａのいずれかの側の放射状フィンの表面にそって連続しているため、支持表面積をさらに大きく取ることができる。

任意の好適な手段によって、長手方向部材５０はヒートシンク２０ａ〜２０ｑから電気的に絶縁する。好適な実例を挙げれば、熱収縮スリーブや長手方向部材５０に塗布された他のコーティングなどである。あるいは、長手方向部材５０とヒートシンク２０ａ〜２０ｑとの間の間隙を正確に充填できるように形成された絶縁材料部材によって絶縁を確保してもよい。絶縁材料は、耐摩耗性を必要とし、十分に低い摩擦係数を示し、ヒートシンク２０ａ〜２０ｑが長手方向部材５０および絶縁材料に対して軸方向に滑り、積層体の全長にわたって意図する接触圧縮力を大きく妨害しないものでなければならない。ヒートシンク２０ａ〜２０ｑとは異なり、長手方向部材５０と第２エンドプレート４８ｂとの間の滑り界面については、電気的に絶縁する必要はないが、便宜的な理由や、例えば、摩擦を抑えることによって滑り界面の性能を改善するために、絶縁してもよい。

４つの支持ロッド５２は、放射状フィン２８それぞれに形成した開口３０に延設する。これら支持ロッド５２は、主に引っ張り負荷を支えるもので、ヒートシンク２０ａ〜２０ｑの放射配列および積層体全体には大きく寄与しない。エンドプレート４８ａおよび４８ｂは、支持ロッド５２を受け取る４つの開口をもつ。エンドプレート４８ａおよび４８ｂに形成した開口に延設する支持ロッド５２の端部は雄ねじをもち、ナットやその他の好適な機械的固定手段を利用して、剛性のある外側支持フレーム４６に支持ロッドを固定する。

任意の好適な手段によって、支持ロッド５２をヒートシンク２０ａ〜２０ｑから電気的に絶縁する。好適な実例を挙げれば、熱収縮スリーブや支持ロッド５２に塗布された他のコーティングなどである。あるいは、支持ロッド５２とヒートシンク２０ａ〜２０ｑとの間の間隙を正確に充填できるように形成された絶縁材料部材によって絶縁を確保してもよい。絶縁材料は、耐摩耗性を必要とし、十分に低い摩擦係数を示し、ヒートシンク２０ａ〜２０ｑが支持ロッド５２および絶縁材料に対して軸方向に滑り、積層体の全長にわたって意図する接触圧縮力を大きく妨害しないものでなければならない。

共通の接触圧力系（締め付け系）１００が、積層体の軸線にそって接触圧縮力を作用させ、適正な電気的熱的接触の維持を確保する。接触圧力系は、積層体の可使寿命の全体を通じて接触圧縮力を設定調節するものである。この接触圧力系１００の詳細な図面を図７、図８および図９に示す。

図７は、外部工具を固定し、接触圧力を設定する組み立て時の接触圧力系１００を示す図である。接触圧力系１００は、負荷ピン１０４を受け取る凹部をもつ負荷パッド１０２からなる。負荷ピン１０４は、負荷フランジ１０６および雄ネジ領域１０８をもつ。圧縮ばね１１０の代表例は、直並列ディスクばね系（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅワッシャー）であるが、もちろん他の好適なばね系も利用可能である。

ロックカラー１１２を内部加工し、負荷ピン１０４に正確に嵌合するように構成するとともに、加工界面１１４をハイライト処理する。ロックカラー１１２は、任意の好適なリムにより負荷ピン１０４の周りで回転できるように構成する。この場合、ロックカラー１１２は、Ｇスパナーやその他の適当な工具を受け取るように設計した一連の角度的に離間配置したホールまたは開口を有する。ロックカラー１１２は、エンドプレート４８ａに滑り嵌合する円形横断面領域、およびエンドプレートの対応する面に係合する平坦な圧力面を有する。

外部工具は、力設定フィクスチュア１１６を有する。このフィクスチュアにより負荷ピン１０４の端部に圧縮力Ｆｊを加え、引っ張り力Ｆｊ／２をエンドプレート４８ａの端部に加えて、力のバランスを維持する。明示を目的として、図７〜図９のエンドプレート４８ａは、端部が２つのみ、また対応する力も２つとして示す。なお、実際には、エンドプレート４８ａの端部数は任意の好ましい数でよく、また図３〜図５に示す好適な積層体では、端部数は４で、対応する圧縮力−Ｆｊ／４の数も４であることを容易に理解できるはずである。これらの力は、較正油圧ジャッキやその他の好ましい装置によって発生できる。

負荷パッド１０２が、絶縁パッド（図示せず）に係合し、これが次にヒートシンク２０ｑに係合して、積層体を接触圧力系１００および支持構造体から電気的に絶縁した状態で、接触圧縮力を積層体に伝達する。また、積層体を接触圧力系１００および支持構造体から電気的に絶縁した状態で、積層体が接触圧力系１００とエンドプレート４８ｂとの間で有効に締め付けられるように、ヒートシンク２０ａとエンドプレート４８ｂとの間において積層体の他端に対応する絶縁パッド１１８（図３）を設ける。

図７に、負荷パッドに作用する所望の接触圧縮力Ｆｃを示す。ただし、Ｆｃ＝Ｆｊである。図示のように、ロックカラー１１２とエンドプレート４８ａの対応する面の間には、間隙、即ちクリアランスが存在する。対応する引っ張り力Ｆｔ／２が支持ロッド５２内に発生し、力のバランスを保存する。ここでも同様に、明示を目的として、図７〜図９のエンドプレート４８ａは、端部が２つのみ、また支持ロッドも２つとして示す。なお、実際には、エンドプレート４８ａの端部数は任意の好ましい数でよく、また図３〜図５に示す好適な積層体では、端部数は４で、支持ロッド５２の数も４である。

図８は、ロックカラー１１２を回転させて、ロックカラーとエンドプレート４８ａの対応する面間の軸方向間隙またはクリアランスをなくした後の接触圧力系１００を示す図である。この段階では、ロックカラー１１２と負荷ピン１０４の間のスレッド係合は、ほぼ剛性であるため、力設定フィクスチュア１１６を取り外すことができ(図９)、接触圧縮力Ｆｃにはほとんど影響がない。なお、実際には、スレッド係合はわずかに弾性を示し、力設定フィクスチュア１１６を取り外した場合には、締め付け力Ｆｃは、接触圧縮力Ｆｊに対してわずかに小さくなる。この弾性を見込んで、圧縮力Ｆｊを設定すればよい。

図９に示すように、力設定フィクスチュア１１６の取り外し後、引っ張り力Ｆｔ／２に相当する反動力Ｆｒ／２がロックカラー１１２によって発生し、ハイライト処理したスレッド係合１１４によって負荷ピン１０４内部の圧縮力Ｆｃに転換する。

代表的な接触圧縮力は、室温および全動作条件下で約３２ｋＮ±１０％であればよい。また、接触圧縮力は、各半導体素子の陰陽極プレート６、８の全面に均一に分布するのが好ましい。

なお、多数の作用効果が複合化し、積層体に発生する接触圧縮力に影響することが容易に理解できるはずである。例えば、接触圧縮力が大きくなる要因には、ヒートシンク、各半導体素子の陰陽極プレート、半導体要素、および圧縮状態に保持される他の部品における熱膨張がある。また、接触圧縮力が小さくなる要因には、張力を受けている状態の任意の部品の熱膨張またはクリープ、エンドプレートのクリープ、ヒートシンクの塑性流れ、ねじスレッドやＢｅｌｌｅｖｉｌｌｅワッシャー受け部材などの負荷が局部的に強い締め付け部材の塑性流れがある。上記滑り界面の摩擦の接触圧縮力への作用については最小限に抑える必要があるが、現実には、この摩擦の接触圧縮力への影響（差分的熱膨張のサイクル挙動によって支配されるヒステリシスをもつ影響）はきわめて小さいものである。

図３〜図５に示す積層体全体は、電気機械のチャンバーまたは容器（図示せず）内に設けることができる。あるいは、電気機械に連動して、あるいはこれとは独立して設けてもよい。上記チャンバーには、ＭＩＤＥＬなどの液状誘電体冷却材を満たす。液状誘電体冷却材は、積層体の長手軸線と平行な方向に、積層体を超えて流れる。例えば、このチャンバーが、液状誘電体冷却材がポンプ圧送される冷却材回路の一部を構成するようにしてもよい。従って、半導体素子の動作によって発生する熱は、ヒートシンク２０ａ〜２０ｑの放射状フィン２６、２８を過ぎてこれらの間に流れるさいに、液状誘電体冷却材に移されることになる。

また、積層体全体は、液密ハウジング（図示せず）内に配設することも可能である。電気機械の固定子体の周りに複数のハウジングを固定してもよい。冷却材マニホルドが、液状誘電体冷却材をハウジングに供給し、ハウジングからこれを取り出す。従って、ハウジングには、流動する液状誘電体冷却材が充填され、液状誘電体冷却材に積層体が、完全に浸漬される。液状誘電体は、冷却作用を確保するもので、積層体が安全に動作する誘電体環境を確保するものである。

剛性のある外側構造体の長手方向部材５０は、上記チャンバーまたは液密ハウジング内に積層体を支持する主手段である。液状誘電体冷却材の流れを配向させるシート表面またはボックス構成を利用することができる任意の好適な外部構造体(図示せず)によって、長手方向部材５０を支持できる。長手方向部材５０は、液状誘電体冷却材に浸漬されているゲートドライブ電子部品を空冷式電子回路に接続できるように、各種の信号レベルおよびパワー供給電気相互接続部を通すことができるペネトレーターに接続することができ、またこれによって支持することができる。液状誘電体冷却材に浸漬されているゲートドライブ電子部品は、任意の好適な構造体上に支持することができ、次に、この構造体を一つか複数の長手方向部材５０および／またはペネトレータープレート（図示省略）に固定すればよい。

半導体素子の全てが“開放”構成をもつため、液状誘電体冷却材は、パワー半導体素子の領域にある積層体に侵入できる。特に、液状誘電体冷却材は、ヒートシンク間を流れるため、半導体素子を取り囲み、半導体要素４、それぞれの接触プレート６、８および任意の対応するゲートドライブ回路接続部１２の間に発生する恐れのある何らかの空隙やキャビティに潜在的に侵入する。各半導体素子の陰陽極プレート６、８および半導体要素４を取り囲むコンプライアントな外側リング１０によって、液状誘電体冷却材の積層体への侵入が妨害、阻害されることはない。従って、半導体素子の全領域は、液状誘電体に化学的に適合するものでなければならない。また、締め付け力が加わり、この結果発生する締め付け圧力が上記接触凹凸間への液状誘電体の侵入を抑えるまで、液状誘電体を積層体に加えてはならない。

積層体全体が液状誘電体で満たされるため、対応するスナッバー、ゲート作用および電気的に相互接続する補助体を、誘電体および冷却材環境から好影響を受けることができる。

本発明の好適な実施態様は、“開放”構成をもつパワー半導体素子を利用しているが、同一の全体構成内部に完全に受け取られた従来のプレスパック半導体素子も利用可能である。

本発明は、半導体素子を実装した積層体、具体的には、液状誘電体に浸漬される積層体に適用できる。

２ａ〜２ｄ：半導体素子
４：半導体要素
６：陰極プレート
８：陽極プレート
１０：外側リング
１２：ゲートドライブ接続部
１４：外部ゲートドライブ回路
１６：絶縁ディスク
２０：ヒートシンク
２４：スロット
２８：フィン
３０：開口
３２：取り付けアーム
３８、４０：母線
５２：支持ロッド
１００：接触圧力系
１１６：力設定フィクスチュア

Claims (12)

1. ヒートシンク（２０ａ〜２０ｅ）間に介在配置され、液状誘電体に少なくとも部分的に浸漬される少なくとも一つの、開放構成をもつ半導体素子（２ａ〜２ｄ）、および積層体の軸線に実質的にそって接触圧縮力を加える圧力接触手段（１００）からなることを特徴とする積層体。
   
2. さらに複数の半導体素子（２ａ〜２ｄ）を有し、各半導体素子を一対のヒートシンク（２０ａ〜２０ｅ）間に設けた請求項１に記載の積層体。
   
3. さらに、積層体に放射状に配列させる力を作用させる手段（２８、２８ａ、５０）を有する請求項１または２に記載の積層体。
   
4. ヒートシンク（２０ａ〜２０ｄ）が、複数の放射状冷却フィン（２６、２８）を有する請求項１、２または３に記載の積層体。
   
5. 放射状冷却フィン（２８）の一つか複数が、補助電気部品を取り付けるためのものである請求項４に記載の積層体。
   
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層体を、液状誘電体を装入したチャンバー内に配設し、この積層体が液状誘電体に少なくとも部分的に浸漬されるように構成した構成体。
   
7. 上記液状誘電体が静止状態にある請求項６に記載の構成体。
   
8. 上記液状誘電体が、積層体を超えて流れるようにした請求項６に記載の構成体。
   
9. 上記液状誘電体が、積層体の軸線に対して実質的に平行な方向に、積層体を超えて流れるようにした請求項８に記載の構成体。
   
10. 上記チャンバーを液密ハウジングで構成した請求項６〜９のいずれか１項に記載の構成体。
    
11. 請求項１〜５のいずれか１項の積層体複数を上記チャンバー内に配設し、これら積層体が液状誘電体に少なくとも部分的に浸漬されるように構成した請求項６〜１０のいずれか１項に記載の構成体。
    
12. 一つの積層体の少なくとも一つの半導体素子を、少なくとも一つの異なる積層体の少なくとも一つの半導体素子に電気的に接続した請求項１１に記載の構成体。

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