JP4516237B2 - 半導体スタック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層し、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材間を締め付けボルトで一体的に固定する半導体スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、溶接トランス等に使用される半導体スタックは、平形状の半導体素子を複数の冷却フィン間に加圧挟持するように構成されており、前記冷却フィン内の流路を流れる冷却水(冷却媒体)を介して、前記半導体素子から発生する熱を冷却している。
【0003】
この種の半導体スタックでは、通常、各冷却フィンの水路同士がゴムホースにより接続されているため、前記冷却フィンの側面から前記ゴムホースの湾曲部分が大きく突出して前記半導体スタック全体が大型化するとともに、該ゴムホースの湾曲部分に亀裂等が発生し易いという不具合があった。
【0004】
そこで、この種の不具合を回避するために、種々の提案がなされており、例えば、特許第2529628号公報に開示されている半導体スタック装置が知られている。この従来技術では、図5に示すように、半導体素子1と水冷フィン2とが積層されるとともに、各水冷フィン2に設けられた冷却用流路2aの連結孔2bに連結短管3が接続されている。連結短管3は、柔軟な素材で形成された内管3aの外側に、堅牢な耐圧管3bが被膜された2重管構造を採用している。これにより、冷却水循環用のゴムホースが不要になって嵩張る部分が存在することがなく、装置全体のコンパクト化が図られる、としている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、水冷フィン2同士の間に半導体素子1と連結短管3を配設しながら、これらを積み重ねる作業が行われるため、半導体スタック装置全体の組み立て作業が相当に困難なものとなっている。特に、水冷フィン2に対する半導体素子1の位置決めが難しく、例えば、前記半導体素子1が前記水冷フィン2に形成された冷却用流路2aに対応する位置からずれて固定された場合、半導体素子1の冷却効率が低下してしまうという問題が指摘されている。
【0006】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、冷却フィンに対して半導体素子を簡単かつ高精度に位置決めするとともに、容易に小型化を図ることが可能な半導体スタックを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体スタックでは、互いに隣接する冷却フィンには、積層方向に沿って冷却媒体用流路の出口と入口とが対向して設けられており、互いに隣接する前記冷却フィン間に絶縁部材が介装されるとともに、前記絶縁部材は、半導体素子の外形形状と同一形状の開口部と、締め付けボルトが挿入される孔部と、前記出口および前記入口を連通する連結通路とを備えている。さらに、冷却フィンは、出口および入口を囲繞して溝部を形成しており、前記溝部には、絶縁部材よりも軟質なシール部材が装着されて前記出口、連結通路および前記入口を液密に維持している。
【0008】
そこで、絶縁部材の開口部に半導体素子を嵌挿した状態で、前記絶縁部材と冷却フィンとが重ね合わされた後、締め付けボルトが該絶縁部材の孔部に挿入される。このため、冷却フィンおよび絶縁部材は、締め付けボルトを介して一体的に固定されるとともに、前記締め付けボルトを基準にして、前記絶縁部材が前記冷却フィンに位置決めされる。
【0009】
これにより、簡単な作業で、半導体素子を冷却フィンの所望の部分に高精度かつ確実に配設することができ、前記半導体素子の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。しかも、締め付けボルトを基準にして、絶縁部材の連結通路により、互いに隣接する冷却フィンの出口と入口とを確実に連通させることができる。
【0010】
さらに、半導体素子が絶縁部材の開口部に嵌入されるため、この半導体素子の防塵が有効になされるとともに、前記絶縁部材の連結通路が冷却フィンの出口および入口に確実に連通する。従って、構成を簡素化することができ、しかも半導体スタック全体の小型化が有効に図られる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体スタック10の分解斜視図であり、図2は、前記半導体スタック10の概略正面説明図である。
【0012】
半導体スタック10は、短形状の第1乃至第3冷却フィン12、14および16と、前記第1乃至第3冷却フィン12、14および16間に絶縁部材18を介して配置される半導体素子20とを備えるとともに、その積層方向(矢印A方向)両側から第1および第2支持板(固定部材)22、24が配置され、前記第1および第2支持板22、24間は複数本、例えば、4本の締め付けボルト26により一体的に固定されている。
【0013】
第1冷却フィン12は、内部に冷却媒体(例えば、冷却水)用流路28が形成されており、この流路28の入口28aが前記第1冷却フィン12の側面12bに開口している。流路28の出口28bは、第2冷却フィン14に対向する第1冷却フィン12の面12aに開口される。第2冷却フィン14は、内部に冷却媒体用流路30を設けるとともに、この流路30の入口30aが第1冷却フィン12の面12aに対向する面14aに設けられる一方、前記流路30の出口30bは、第3冷却フィン16に対向する面14cに形成される。
【0014】
同様に、第3冷却フィン16の内部に冷却媒体用流路32が形成され、この流路32の入口32aが第2冷却フィン14に対向する面16aに形成されるとともに、前記流路32の出口32bが前記第3冷却フィン16の側面16bに開口している。第1乃至第3冷却フィン12、14および16の四隅には、締め付けボルト26を挿入するための孔部33が形成される。
【0015】
絶縁部材18は、樹脂系材料で形成された板状を有しており、その中央部には、半導体素子20の外形形状と同一形状の開口部34が形成される。絶縁部材18の四隅には、開口部34の外方に位置して締め付けボルト26を挿入するための孔部36が形成される。この絶縁部材18には、第1冷却フィン12の出口28bと第2冷却フィン14の入口30a、および前記第2冷却フィン14の出口30bと第3冷却フィン16の入口32aを、それぞれ連通するための連結通路38が所定の位置に対応して貫通形成される。
【0016】
図3に示すように、第1および第2冷却フィン12、14の面12a、14aには、出口28bおよび入口30aを囲繞して周溝(溝部)40、42が形成され、前記周溝40、42には、絶縁部材18よりも軟質なOリング(シール部材)44が装着される。第2冷却フィン14の側面14cと第3冷却フィン16の面16aには、出口30bおよび入口32aを囲繞して周溝(溝部)46、48が形成され、前記周溝46、48には、絶縁部材18よりも軟質なOリング(シール部材)50が装着される。
【0017】
第1および第3冷却フィン12、16には、絶縁板52、54を介装して第1および第2支持板22、24が配置される。第1および第2支持板22、24は、ステンレス鋼(JIS規格SUS)で構成されており、この第1支持板22の四隅には、締め付けボルト26を挿入するための孔部56が形成される。第2支持板24の中央には、大径な凹部58が形成されており、この凹部58に皿ばね60が配置される。この第2支持板24の四隅には、締め付けボルト26の先端が螺合するねじ孔62が形成されている。絶縁板52、54の四隅には、締め付けボルト26を挿入するための孔部64が設けられている。
【0018】
次に、このように構成される半導体スタック10を組み立てる作業について説明する。
【0019】
まず、絶縁部材18の開口部34に半導体素子20が嵌入された後、この絶縁部材18が、第1冷却フィン12と第2冷却フィン14との間、および前記第2冷却フィン14との第3冷却フィン16との間に配置される。そこで、第1および第3冷却フィン12、16の積層方向両側に、絶縁板52、54を介装して第1および第2支持板22、24が配設される。この第2支持板24では、凹部58に皿ばね60が配置されている。
【0020】
次いで、締め付けボルト26が第1支持板22の孔部56から第1乃至第3冷却フィン12、14および16に形成された孔部33と、各絶縁部材18に形成された孔部36と、絶縁板52、54に形成された孔部64とに一体的に挿入される。さらに、締め付けボルト26の先端部が、第2支持板24に形成されているねじ孔62に螺合することにより、半導体スタック10が一体的に組み付けられる。
【0021】
そして、半導体スタック10の使用時に半導体素子20を冷却する際には、図3に示すように、第1冷却フィン12の側面12bに形成される入口28aに冷却水等の冷却媒体が導入される。この冷却媒体は、第1冷却フィン12の内部に形成された流路28を通って出口28bから絶縁部材18の連結通路38に導入され、この連結通路38に連通する入口30aを介して第2冷却フィン14の流路30に導入される。冷却媒体は、流路30の出口30bから絶縁部材18の連結通路38を介して入口32aに導入され、第3冷却フィン16の流路32を通って出口32bから外部に排出される。
【0022】
この場合、第1の実施形態では、半導体素子20が絶縁部材18の開口部34に嵌入された状態で、この絶縁部材18が第1冷却フィン12と第2冷却フィン14との間、および前記第2冷却フィン14と第3冷却フィン16との間に配置され、締め付けボルト26が前記絶縁部材18の孔部36に挿入される。
【0023】
このため、絶縁部材18は、締め付けボルト26を基準にして、第1乃至第3冷却フィン12、14および16に対して位置決めされ、前記絶縁部材18の開口部34に嵌入して位置決め保持されている半導体素子20が、前記第1乃至第3冷却フィン12、14および16に対して位置決めされる。
【0024】
これにより、第1の実施形態では、簡単な構成で、半導体素子20を第1乃至第3冷却フィン12、14および16の所望の部分に対して高精度かつ確実に配置することができ、前記半導体素子20の冷却効率を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【0025】
さらに、半導体素子20が絶縁部材18の開口部34に嵌入されるため、半導体スタック10を、例えば、溶接機に用いた際に、前記半導体素子20にスパッタが付着することを防止する等、防塵性を有効に確保するとともに、前記絶縁部材18に設けられた連結通路38を介して、半導体スタック10内に冷却用の流路が連続して構成されることになる。このため、単一の絶縁部材18が半導体素子20の防塵機能と冷却用流路形成機能とを備えることができ、構成を有効に簡素化するとともに、半導体スタック10全体の小型化が図られるという利点が得られる。
【0026】
さらにまた、図3に示すように、例えば、第1および第2冷却フィン12、14では、出口28bおよび入口30aを囲繞して周溝40、42が形成され、前記周溝40、42には、絶縁部材18よりも軟質なOリング44が装着されている。従って、第1および第2冷却フィン12、14と絶縁部材18との間から冷却媒体が漏洩することがなく、簡単な構成で、所望の液密性を確保することが可能になる。
【0027】
図4は、本発明の第2の実施形態に係る半導体スタック80が組み付けられた溶接トランス82の一部断面正面図である。なお、第1の実施形態に係る半導体スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0028】
溶接トランス82は、積層鋼板からなる一対のカットコア84を備え、このカットコア84には、一次コイル86と二次コイル88とが巻き付けられている。二次コイル88のマイナス側の端部88a、88bには、それぞれ第2冷却フィン14の端部90が固定されている。
【0029】
半導体スタック80は、中央の絶縁板54を挟んで左右対称に構成されており、それぞれ対をなす第1および第3冷却フィン12、16に電極板92が一体的に連結される。この電極板92の端部には、プラス側の出力端子部94が設けられる。溶接トランス82では、マイナス側の出力端子部96が設けられており、出力端子部94と出力端子部96とには、図示しない溶接ガンアームが接続されている。
【0030】
このように構成される第2の実施形態では、積層方向(矢印A方向)に4つの半導体素子20がそれぞれ対をなす第1乃至第3冷却フィン12、14および16に挟持されて重ね合わされている。その際、各半導体素子20が絶縁部材18に保持されて配置されるため、前記半導体素子20を所望の位置に容易かつ高精度に位置決めすることができ、前記半導体素子20の冷却効率が有効に向上する等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0031】
特に、多数(例えば、4個)の半導体素子20を備える半導体スタック80では、組み立て作業を一挙に簡単かつ迅速に遂行することができ、高品質な半導体スタック80を容易に製造し得るという利点がある。
【0032】
【発明の効果】
本発明に係る半導体スタックでは、絶縁部材の開口部に半導体素子が嵌挿された状態で、前記絶縁部材と冷却フィンとが重ね合わされ、締め付けボルトを介して前記冷却フィンおよび前記絶縁部材が一体的に固定される。これにより、締め付けボルトを基準にして、絶縁部材が冷却フィンに対し位置決めされるため、前記絶縁部材に位置決めされている半導体素子を前記冷却フィンの所望の部分に高精度かつ確実に配設することができる。
【0033】
これにより、簡単な作業で、半導体素子と冷却フィンとを高精度に重ね合わせて、前記半導体素子の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体スタックの分解斜視図である。
【図2】前記半導体スタックの概略正面説明図である。
【図3】図2中、III−III線に示す前記半導体スタックの冷却媒体用流路の説明図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る半導体スタックが組み付けられた溶接トランスの一部断面正面図である。
【図5】従来技術に係る半導体スタックの説明図である。
【符号の説明】
10、80…半導体スタック 12、14、16…冷却フィン
12a、14a、14c、16a…面 12b、14b、16b…側面
18…絶縁部材 20…半導体素子
22、24…支持板 26…締め付けボルト
28、30、32…冷却媒体用流路 28a、32a…入口
28b、32b…出口 34…開口部
36…孔部 38…連結通路
40、42、46、48…周溝 44、50…Oリング
52、54…絶縁板
Claims (1)
- 内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、複数の平形状の半導体素子とを交互に積層し、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材に形成された締め付けボルトを挿入するための孔部に該締め付けボルトを螺合することにより、前記固定部材間を一体的に固定する半導体スタックであって、
互いに隣接する前記冷却フィンには、積層方向に沿って前記冷却媒体用流路の出口と入口とが対向して設けられており、
互いに隣接する前記冷却フィン間には、前記半導体素子の外形形状と同一形状の開口部と、前記締め付けボルトが挿入される孔部と、前記出口および前記入口を連通する連結通路と、を備える絶縁部材が配設されるとともに、
前記冷却フィンは、前記出口および前記入口を囲繞して溝部を形成し、前記溝部には、前記絶縁部材よりも軟質なシール部材が装着され、
前記半導体素子が前記絶縁部材の前記開口部に嵌入された状態で、隣接する前記冷却フィンとの間に該絶縁部材が配置され、
前記締め付けボルトが前記固定部材および前記絶縁部材の孔部に挿入されることにより、前記冷却フィンおよび前記絶縁部材は、前記締め付けボルトを介して前記固定部材間に一体的に固定されるとともに、
当該半導体スタックの一端側に皿ばねが前記半導体素子に対応して配設され、前記締め付けボルトを基準にして、前記絶縁部材が前記冷却フィンに位置決めされることを特徴とする半導体スタック。
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