JP2014203903A - 圧接型電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平型半導体素子の表裏にそれぞれ放熱器を圧接するように当該平型半導体素子を挟み込んでクランプする構造を有した圧接型電力用半導体装置において、平型半導体素子の定格電力の増大に伴う放熱器の大型化、圧接力の増大、電気絶縁耐圧の増大に対し柔軟かつ低コストに対応できる構造を実現する。
【解決手段】圧接型電力用半導体装置１０は、クランプ用の受台１１に対し放熱器２のボルト挿通孔２ｂの軸方向（Ｙ方向）に隣接して放熱器と受台との間に介装された絶縁プレート２１と、絶縁シート２２とを備える。絶縁シートは、受台に対しボルト挿通孔の軸方向に隣接して放熱器と受台との間に介装された基底部２２ａと、当該基底部からボルト挿通孔２ｂ，２ｂが並んだ方向（Ｘ方向）に延在する折り目で平型半導体素子１から離れる方向（−Ｙ方向）に曲げられて放熱フィン２ｄと受台との間に延設された両側部２２ｂ，２２ｂとからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平型半導体素子の表裏にそれぞれアルミ押出成形により作製された放熱器を圧接するように当該平型半導体素子を挟み込んでクランプする構造を有した圧接型電力用半導体装置に関する。

図４に従来の一例の圧接型電力用半導体装置を示す。図４に示すように、従来例の圧接型電力用半導体装置１００は、平型半導体素子１０１と、これを挟み付ける１対の放熱器１０２，１０２とを備える。それぞれ電極が形成されている平型半導体素子１０１の表裏に放熱器１０２，１０２を所定の加圧力で圧接することで、放熱器１０２を介して所望の電気的導通をとることができ、また、電力変換のために駆動中の平型半導体素子１０１から発生する熱を放熱器１０２，１０２に効率良く伝導させて放熱させ、平型半導体素子１０１の高温化を抑えて良好に駆動することができる。
その圧接を実現するために圧接型電力用半導体装置１００は、受台１１１と、１対のスタッドボルト１１２，１１２と、絶縁チューブ１１３，１１３と、絶縁ケース１１４と、板バネ１１５と、インジケータ１１６と、調心錘１１７と、ナット１１８，１１８とからなるクランプ装置を含んでいる。このクランプ装置の基本構成は特許文献１にも記載される。

各放熱器１０２，１０２には、中央部に設けられた圧接面１０２ａの両側にボルト挿通孔１０２ｂ，１０２ｂが形成されている。図示するように一対のボルト挿通孔１０２ｂ，１０２ｂが並んだ方向をＸ方向、ボルト挿通孔１０２ｂ，１０２ｂの軸方向をＹ方向、Ｘ−Ｙに垂直な方向をＺ方向とする。各放熱器１０２，１０２は、圧接面１０２ａの逆側においてクランプ用凹部１０２ｃを構成している。クランプ用凹部１０２ｃはＸ方向の一端から逆端まで開通するように形成されており、クランプ用凹部１０２ｃに対してＺ方向の両側に放熱フィン１０２ｄが配置される。また放熱フィン１０２ｄは、圧接面１０２ａより突出しない範囲で形成されている。板バネ１１５は、中央部に調心錘１１７が付設され、調心錘１１７に対してＸ方向の両側にボルト挿通孔１１５ａ，１１５ａが形成されている。調心錘１１７は垂直荷重のみを伝達する継ぎ手機構である。

一端が受台１１１に連結されたスタッドボルト１１２，１１２が絶縁チューブ１１３，１１３に挿入される。絶縁ケース１１４に収まった受台１１１が一方のクランプ用凹部１０２ｃに配置されるとともに、スタッドボルト１１２，１１２及び絶縁チューブ１１３，１１３がそれぞれボルト挿通孔１０２ｂ，１０２ｂに通され、さらに他方のクランプ用凹部１０２ｃに配置された板バネ１１５のボルト挿通孔１１５ａ，１１５ａに通されて、スタッドボルト１１２，１１２の他端にナット１１８，１１８が締結されることで、１対の放熱器１０２，１０２間に平型半導体素子１０１がＹ方向に挟まれて圧接される。なお、平型半導体素子１０１は図示しない位置決めピンを介して圧接面１０２ａに位置決め保持されている。
板バネ１１５に、所定の加圧力に対応した撓みを生じさせて保持することで、当該所定の加圧力を平型半導体素子１０１に負荷することができる。インジケータ１１６は、板バネ１１５の撓みに連動して、板バネ１１５の加圧力の指標を表示するものである。
絶縁チューブ１１３，１１３は、放熱器１０２，１０２とスタッドボルト１１２，１１２との絶縁を確保するためのものである。絶縁ケース１１４は放熱器１０２と受台１１１との絶縁を確保するためのものである。これにより、一方の放熱器１０２と他方の放熱器１０２とが電気的に絶縁される。

実公平０２−０２２９９０号公報

以上の従来例の圧接型電力用半導体装置１００にあっては、１対のスタッドボルト１１２，１１２を介して締結され平型半導体素子１０１に加圧力を与える部材である受台１１１や板バネ１１５のＺ方向の両側にも放熱フィン１０２ｄが配置されるため、スタッドボルト１１２，１１２があまり長くならず、かつ、クランプ装置が放熱器１０２の外形からはみ出すことなく放熱フィン１０２ｄを延設することができる。クランプ装置が放熱器１０２の外形からはみ出していないから、このような圧接型電力用半導体装置１００を複数構成し、スペース効率よく並べて配置し接続することができるという利点がある。
その一方で、受台１１１と放熱フィン１０２ｄとが近接するから、受台１１１と放熱フィン１０２ｄとの間の狭い隙間に絶縁材を配置して受台１１１と放熱器１０２との絶縁を確保しなければならないという課題が生じる。このような課題に対し従来例の圧接型電力用半導体装置１００にあっては、絶縁ケース１１４を用いている。絶縁ケース１１４に設けられた周壁部１１４ａ，１１４ｂによって受台１１１が囲まれることで、受台１１１と放熱フィン１０２ｄとの絶縁が確保されている。

近年、以上説明したような圧接型電力用半導体装置にあっては、平型半導体素子の定格電力の増大に伴い、平型半導体素子からの発熱を十分に放熱するための放熱器の大型化、平型半導体素子を圧接する加圧力の向上、絶縁耐圧の向上が高く求められるようになってきた。
しかし、従来例の圧接型電力用半導体装置１００にあっては、絶縁ケースを樹脂成型により作製する。したがって、放熱器の大型化に伴って絶縁ケースの寸法や形状を変更する必要が生じたり、より高い加圧力に耐える耐力やより高い絶縁耐圧を実現するためにより長大重厚な絶縁ケースに変更する必要が生じたりしたときに、成形金型の設計から変更する必要があるとともに成形金型も大型化するからコスト高となってしまう。
また、樹脂成型品は大型化するほど成形精度及び均質性が悪化し、歩留まり良くより高い加圧力に耐えるものを成形することが難しいからコスト高をもたらすし、加圧力に耐えられずにひび割れやクラック等の損傷が発生すると絶縁性を失うこととなる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、平型半導体素子の表裏にそれぞれ放熱器を圧接するように当該平型半導体素子を挟み込んでクランプする構造を有した圧接型電力用半導体装置において、平型半導体素子の定格電力の増大に伴う放熱器の大型化、圧接力の増大、電気絶縁耐圧の増大に対し柔軟かつ低コストに対応できる構造を実現することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、電力用の平型半導体素子と、１対の放熱器と、１対のボルトと、受台と、板バネと、絶縁チューブとを備え、
前記放熱器は、前記平型半導体素子に圧接される圧接面の両側にボルト挿通孔が設けられ、前記圧接面の逆側において前記ボルト挿通孔が並んだ方向の一端から逆端まで開通し、前記ボルト挿通孔の軸方向及び前記ボルト挿通孔が並んだ方向に垂直な方向の両側に放熱フィンが配置されたクランプ用凹部を構成し、
前記１対の放熱器の前記ボルト挿通孔同士が対向するように配置され、
前記１対の放熱器の前記圧接面同士が前記平型半導体素子を介して対向するように配置され、
一方の前記クランプ用凹部に前記受台が配置され、
他方の前記クランプ用凹部に前記板バネが配置され、
前記ボルトがそれぞれに前記絶縁チューブに挿入され、
前記ボルトが前記絶縁チューブにより絶縁されて前記ボルト挿通孔にそれぞれ挿通され、
前記受台と前記板バネとが前記ボルトを介して締結されることにより前記１対の放熱器が前記平型半導体素子に圧接された圧接型電力用半導体装置において、
前記受台に対し前記ボルト挿通孔の軸方向に隣接して前記放熱器と前記受台との間に介装された絶縁プレートと、
絶縁シートと、を備え、
前記絶縁シートは、前記受台に対し前記ボルト挿通孔の軸方向に隣接して前記放熱器と前記受台との間に介装された基底部と、当該基底部から前記ボルト挿通孔が並んだ方向に延在する折り目で前記平型半導体素子から離れる方向に曲げられて前記放熱フィンと前記受台との間に延設された両側部とからなることを特徴とする圧接型電力用半導体装置である。

請求項２記載の発明は、前記ボルト挿通孔が並んだ方向についての前記絶縁シートの寸法が前記受台のそれより長くされ、当該方向の両方向において前記受台に対し前記絶縁シートが延び出していることを特徴とする請求項１に記載の圧接型電力用半導体装置である。

請求項３記載の発明は、前記絶縁シートが重ねて設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧接型電力用半導体装置である。

本発明によれば、平型半導体素子の定格電力の増大に伴う放熱器の大型化、圧接力の増大、電気絶縁耐圧の増大に対し、絶縁プレートと絶縁シートの選択により柔軟かつ低コストに対応できるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る圧接型電力用半導体装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る圧接型電力用半導体装置のＸ方向視の平面図である。但し、平型半導体素子を図示しない。 本発明の一実施形態に係る圧接型電力用半導体装置のＹ方向視の平面図である。 従来の一例に係る圧接型電力用半導体装置の分解斜視図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１から図３に本発明の一実施形態に係る圧接型電力用半導体装置を示す。図１に示すように、本圧接型電力用半導体装置１０は、平型半導体素子１と、これを挟み付ける１対の放熱器２，２とを備える。それぞれ電極が形成されている平型半導体素子１の表裏に放熱器２，２を所定の加圧力で圧接することで、放熱器２を介して所望の電気的導通をとることができ、また、電力変換のために駆動中の平型半導体素子１から発生する熱を放熱器２，２に効率良く伝導させて放熱させ、平型半導体素子１の高温化を抑えて良好に駆動することができる。
その圧接を実現するために圧接型電力用半導体装置１０は、受台１１と、１対のスタッドボルト１２，１２と、絶縁チューブ１３，１３と、板バネ１５，１５と、調心錘１７と、ナット１８，１８と、ナット１９，１９と、絶縁プレート２１と、絶縁シート２２，２２とからなるクランプ装置を含んでいる。

各放熱器２，２には、中央部に設けられた圧接面２ａの両側にボルト挿通孔２ｂ，２ｂが形成されている。図示するように一対のボルト挿通孔２ｂ，２ｂが並んだ方向をＸ方向、ボルト挿通孔２ｂ，２ｂの軸方向をＹ方向、Ｘ−Ｙに垂直な方向をＺ方向とする。各放熱器２，２は、圧接面２ａの逆側においてクランプ用凹部２ｃを構成している。クランプ用凹部２ｃはＸ方向の一端から逆端まで開通するように形成されており、クランプ用凹部２ｃに対してＺ方向の両側に放熱フィン２ｄが配置される。また放熱フィン２ｄは、圧接面２ａより突出しない範囲で形成されている。板バネ１５は、中央部に調心錘１７が付設され、調心錘１７に対してＸ方向の両側にボルト挿通孔１５ａ，１５ａが形成されている。調心錘１７は垂直荷重のみを伝達する継ぎ手機構である。なお、本実施形態にあっては、圧接のための高荷重に対応できるように２枚の板バネ１５，１５を重ねて適用するが、１枚で置き換えてもよいことは勿論である。

１対の放熱器２，２のボルト挿通孔同士２ｂ，２ｂが対向するように配置される。１対の放熱器２，２の圧接面２ａ，２ａ同士が平型半導体素子１を介して対向するように配置される。一方のクランプ用凹部２ｃに受台１１及びナット１９，１９が配置され、他方のクランプ用凹部２ｃに板バネ１５，１５及びナット１８，１８が配置される。
一端が受台１１にナット１９、１９によって連結されたスタッドボルト１２，１２が絶縁チューブ１３，１３に挿入される。受台１１が一方のクランプ用凹部２ｃに配置されるとともに、スタッドボルト１２，１２及び絶縁チューブ１３，１３がそれぞれボルト挿通孔２ｂ，２ｂに通され、さらに他方のクランプ用凹部２ｃに配置された板バネ１５のボルト挿通孔１５ａ，１５ａに通されて、スタッドボルト１２，１２の他端にナット１８，１８が締結されることで、１対の放熱器２，２間に平型半導体素子１がＹ方向に挟まれて圧接される。なお、平型半導体素子１は図示しない位置決めピンを介して圧接面２ａに位置決め保持されている。
板バネ１５に、所定の加圧力に対応した撓みを生じさせて保持することで、当該所定の加圧力を平型半導体素子１に負荷することができる。上述の従来例のようにインジケータ１１６を付設することも可能である。インジケータ１１６が無くても、プレス機によって所定の加圧力に対応した荷重でプレスした状態で締結固定することで所定の加圧力を平型半導体素子１に負荷した状態とすることができる。
絶縁チューブ１３，１３は、放熱器２，２とスタッドボルト１２，１２との絶縁を確保するためのものである。絶縁プレート２１及び絶縁シート２２は放熱器２と受台１１との絶縁を確保するためのものである。これにより、一方の放熱器２と他方の放熱器２とが電気的に絶縁される。

さらに、絶縁プレート２１及び絶縁シート２２につき詳細に説明する。
絶縁プレート２１は、Ｘ−Ｚ平面において受台１１と同程度の外形で、クランプ用凹部２ｃに収まる外形を有し、放熱器２のボルト挿通孔２ｂ，２ｂに対応する位置にボルト挿通孔２１ａ，２１ａが形成された板状部材であり、絶縁性能の良好な樹脂材料から構成される。絶縁プレート２１は、素材メーカーから提供される絶縁性能の良好な樹脂製プレートを加工することで容易に構成でき、低コストに絶縁性、耐加圧力の良好なものが構成できる。
絶縁プレート２１は、受台１１に対しＹ方向に隣接して放熱器２と受台１１との間に介装され、ボルト挿通孔２１ａ，２１ａにスタッドボルト１２，１２及び絶縁チューブ１３，１３が挿通される。

絶縁シート２２は、ポリカーボネート等の樹脂材料からなり、折り曲げ加工が可能なシート状部材である。絶縁シート２２は、素材メーカーから提供される絶縁性能の良好な樹脂製シート（樹脂製フィルム）を加工することで容易に構成でき、低コストに絶縁性、耐加圧力の良好なものが構成できる。
絶縁シート２２は、受台１１に対しＹ方向に隣接して放熱器２と受台１１との間に介装された基底部２２ａと、基底部２２ａからＸ方向に延在する折り目で平型半導体素子１から離れる方向（＝Ｙ軸の負の方向）に曲げられて放熱フィン２ｄと受台１１との間に延設された両側部２２ｂ，２２ｂとからなる。
すなわち、絶縁シート２２は、一枚の樹脂製シートの外形をカットし、基底部２２ａと両側部２２ｂ，２２ｂとの境界部分の２箇所で折り曲げ加工したものである。基底部２２ａには、放熱器２のボルト挿通孔２ｂ，２ｂに対応する位置に図示しないボルト挿通孔が形成されており、これにスタッドボルト１２，１２が挿通している。
図２に示すように、受台１１の外形に沿うように絶縁シート２２は折り曲げられている。絶縁シート２２としては、薄板状又はフィルム状であって折り曲げ可能な絶縁材であれば足りる。組立てに先立って絶縁シート２２を折り曲げ加工しておくことは必須ではない。
本実施形態では、絶縁シート２２の基底部２２ａが絶縁プレート２１と受台１１との間に介装されている。絶縁シート２２の基底部２２ａを放熱器２と絶縁プレート２１との間に介装しても実施可能であるが、本実施形態の方が絶縁シート２２のサイズが小さくて済む。

また、図３に示すようにＸ方向についての絶縁シート２２の寸法が受台１１のそれより長くされ、Ｘ方向の両方向において受台１１に対し絶縁シート２２が延び出している。これにより、受台１１のＸ方向の両端部における絶縁性を向上することができ、上述の従来例の絶縁ケース１１４の壁部１１４ｂに相当する部分がなくても、十分な絶縁性を確保することができる。
絶縁シート２２は重ねて設けられることで、より高く絶縁信頼性を確保することができる。本実施形態では、２重の絶縁シート２２，２２を用いる。１枚の絶縁シート２２で十分な絶縁性を有していても、このように２重にすることによって１枚の絶縁シート２２が破損しても、十分な絶縁性を維持することが可能である。

以上説明した構成の圧接型電力用半導体装置１０によれば、放熱器の大型化や、より高い加圧力、より高い絶縁耐圧が求められても、絶縁プレート２１及び絶縁シート２２の材料及び／又は加工寸法の変更によって対応することができるため、低コストに変更への対応が可能であり、素材メーカーから提供される素材により絶縁性能や機械的性質が良好で品質の高い絶縁プレート２１及び絶縁シート２２を構成することが容易である。

１ 平型半導体素子
２ 放熱器
２ａ 圧接面
２ｂ，２ｂ ボルト挿通孔
２ｃ クランプ用凹部
２ｄ 放熱フィン
１０ 圧接型電力用半導体装置
１１ 受台
１２ スタッドボルト
１３ 絶縁チューブ
１５ 板バネ
１５ａ，１５ａボルト挿通孔
１７ 調心錘
１８ ナット
１９ ナット
２１ 絶縁プレート
２１ａ，２１ａボルト挿通孔
２２ 絶縁シート
２２ａ 基底部
２２ｂ，２２ｂ両側部

Claims (3)

1. 電力用の平型半導体素子と、１対の放熱器と、１対のボルトと、受台と、板バネと、絶縁チューブとを備え、
   前記放熱器は、前記平型半導体素子に圧接される圧接面の両側にボルト挿通孔が設けられ、前記圧接面の逆側において前記ボルト挿通孔が並んだ方向の一端から逆端まで開通し、前記ボルト挿通孔の軸方向及び前記ボルト挿通孔が並んだ方向に垂直な方向の両側に放熱フィンが配置されたクランプ用凹部を構成し、
   前記１対の放熱器の前記ボルト挿通孔同士が対向するように配置され、
   前記１対の放熱器の前記圧接面同士が前記平型半導体素子を介して対向するように配置され、
   一方の前記クランプ用凹部に前記受台が配置され、
   他方の前記クランプ用凹部に前記板バネが配置され、
   前記ボルトがそれぞれに前記絶縁チューブに挿入され、
   前記ボルトが前記絶縁チューブにより絶縁されて前記ボルト挿通孔にそれぞれ挿通され、
   前記受台と前記板バネとが前記ボルトを介して締結されることにより前記１対の放熱器が前記平型半導体素子に圧接された圧接型電力用半導体装置において、
   前記受台に対し前記ボルト挿通孔の軸方向に隣接して前記放熱器と前記受台との間に介装された絶縁プレートと、
   絶縁シートと、を備え、
   前記絶縁シートは、前記受台に対し前記ボルト挿通孔の軸方向に隣接して前記放熱器と前記受台との間に介装された基底部と、当該基底部から前記ボルト挿通孔が並んだ方向に延在する折り目で前記平型半導体素子から離れる方向に曲げられて前記放熱フィンと前記受台との間に延設された両側部とからなることを特徴とする圧接型電力用半導体装置。
2. 前記ボルト挿通孔が並んだ方向についての前記絶縁シートの寸法が前記受台のそれより長くされ、当該方向の両方向において前記受台に対し前記絶縁シートが延び出していることを特徴とする請求項１に記載の圧接型電力用半導体装置。
3. 前記絶縁シートが重ねて設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧接型電力用半導体装置。

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