JP5341830B2 - 半導体スタック - Google Patents

Description

本発明は、平型半導体素子とヒートシンクとを積層した半導体スタックに関するものである。

半導体スタックは、少なくとも１個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層して構成される。この種の半導体スタックでは、平型半導体素子を規定圧接力に加圧して使用することが要求されるが、使用される平型半導体素子には、ＧＴＯ、ＩＥＧＴ、サイリスタ、ダイオードなどの様々な種類があり、その半導体素子の圧接面形状や圧接面積、圧接力なども様々であるので、加圧力も異ならせる必要がある。

従来の半導体スタックでは、半導体素子における規定圧接力を確保するための手段として、油圧プレス機のメーターによる管理や加圧支持板を介して半導体素子を締め付けるスタッドボルトの締め付けトルクにより管理する方法が適用されていた。また半導体素子およびヒートシンクの積層体と、この積層体を締め付ける加圧支持板の一方との間に介在させる皿バネの部分に、皿バネおよび加圧支持板を貫通するネジ部を設け、このネジ部に、加圧支持板により締め付けて加圧した際に形成されるギャップの大きさを測定する目盛円板を設けて皿バネの圧縮量から加圧力を測定し管理する方法も提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−６０１６１号公報

しかしながら、油圧プレス機により加圧力を管理する場合には、油圧機器およびメーター類の定期的な校正が必要であり、またスタッドボルトの締め付けトルクにより加圧力を管理する場合には、作業ばらつきが大きいなどの問題があった。さらに目盛円板により加圧後のギャップの大きさを測定し管理する方法においては、例えば半導体スタックの圧接組立完了後に、時間を経過した時点では、ギャップの大きさの変化を測定することが困難であり、積層体の半導体素子における残圧接力を読み取ることが困難であった。しかも皿バネが外気に曝されているために劣化し易いという課題もあった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、半導体スタックの組立時、組立後を問わず、積層体の半導体素子における圧接力の測定ないし管理が容易に実施でき、しかも皿バネの劣化を抑制することのできる半導体スタックを得ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体スタックの一つの態様は、少なくとも１個の平型半導体素子とヒートシンクとを積層して積層体を構成し、この積層体の積層方向両側に配設された一対の加圧支持板およびこの加圧支持板の少なくとも一方と前記積層体との間に介在された皿バネを介して前記積層体を締め付けてなる半導体スタックにおいて、前記皿バネを収納するカップ状の皿バネガイドを設けるとともに前記皿バネと前記加圧支持板の間に前記皿バネを圧縮する押し棒を設け、前記皿バネガイドと前記押し棒との隙間に、前記皿バネを外気から遮断するＯリングを設けたこと、を特徴とする。

本発明によれば、皿バネが皿バネガイドに覆われており、外気に触れることが少ないので、粉塵などの付着や酸化等による皿バネの劣化を抑制することができる。

本発明による第１の実施の形態に係る半導体スタックを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。 図１に示す半導体スタックで使用される皿バネガイドを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。 図１に示す半導体スタックで使用される押し棒を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 本発明による第２の実施の形態に係る半導体スタックで使用する押し棒を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 本発明による第３の実施の形態に係る半導体スタックで使用する皿バネガイドを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。 本発明による第４の実施の形態に係る半導体スタックの主要部を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明による第１の実施の形態に係る半導体スタックを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。図１において、本実施の形態では、平型半導体素子としてＩＥＧＴを採用した場合を例にとり説明する。

少なくとも１個の半導体素子１と、この半導体素子１を冷却するための少なくとも１個のヒートシンク２とが交互に積層され、さらにその積層方向両側に、外部端子として使用する導体３，３および電気回路を絶縁するための絶縁座４，４が配設されて積層体５が構成されている。この積層体５は、軸方向両側に設けられた一対の加圧支持板６，７により挟まれ、一対の加圧支持板６，７の平板方向両側に配設されたスタッドボルト８，９および固定ナット１０，１１により締め付けて加圧され固定される。

一方の加圧支持板６と積層体５との間には、積層体５に集中荷重を加えるための球面座１２が配設され、他方の加圧支持板７と積層体５との間には、温度変化による圧接力の変化を吸収するための皿バネ１３が配設されている。

本実施の形態では、この皿バネ１３と積層体５との間に、皿バネ１３を収納するカップ状の皿バネガイド１４が設けられ、また皿バネ１３と加圧支持板７との間に、皿バネ１３を押し付けて圧縮する押し棒１５が設けられている。皿バネガイド１４は、図２（ａ）ないし（ｃ）に示すように、皿バネ１３を収納しかつ包囲する深さを有する大きさのカップ状に金属等で形成されており、その開放端１４ａと反対側に位置する底部１４ｂの外側面には、積層体５に集中荷重を与えるための球面部１３ａが形成されている。押し棒１５は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、円柱状の金属棒等で構成されており、その先端部が皿バネガイド１４内に位置するように配設される。

このような構成を有する半導体スタックにおいては、たとえば一方の加圧支持板６を固定し、他方の加圧支持板７におけるスタッドボルト８，９の固定ナット１０，１１を緩めた状態で、油圧プレス機（図示せず）により一対の加圧支持板６，７を介して積層体５に所定の圧力を加え、この状態で固定ナット１０，１１を締め付けることにより組み立てられる。この際、加圧支持板７と皿バネガイド１４の開放端１４ａとの間のギャップＧの大きさをノギス等で容易に測定することができる。

これにより、半導体スタック組立時の皿バネ１３の圧縮量を知ることができ、皿バネ１３の圧縮量―加圧力の特性値から、このときの積層体５における半導体素子１の圧接力を知ることができる。しかもこのギャップＧの大きさの測定は、半導体スタック５の組立後も行なうことができる。

したがって本実施の形態によれば、半導体スタックの組立時、組立後と問わず、加圧支持板７と皿バネガイド１４の開放端１４ａとの間に形成されるギャップＧの大きさを測定することにより、積層体５における半導体素子１の圧接力を容易に測定し管理することができる。また本実施の形態によれば、皿バネ１３が皿バネガイド１４に覆われているために、外気に触れることが少なくなるので、粉塵などの付着や酸化等による皿バネ１３の劣化を抑制することができる。

なお、上記実施の形態において、押し棒１５の側面にひずみゲージを貼り付けたり、または押し棒１５に代えてロードセルを配設したりすることにより、電気的に圧接力を測定し、その測定値を外部に引き出して、半導体スタック組立時の圧接力の測定ないし管理や組立後の残圧接力の確認を行うこともできる。

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明による第２の実施の形態に係る半導体スタックで使用する押し棒２５を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。ここで、第１の実施の形態と同一端は類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。図４において、本実施の形態においては、円柱状の押し棒２５の側面に、軸方向に沿って目盛り２５ａを形成したところに特徴を有する。この押し棒２５を使用して皿バネ１３を圧縮させることにより、加圧支持板７と皿バネガイド１４の開放端１４ａとの間に形成されるギャップＧの大きさを目盛り２５ａで表示することができ、ノギス等を使用することなく、皿バネ１３の圧縮量を直接読み取ることができ、ひいてはそのときの積層体５における半導体素子１の圧接力を測定することができる。

図５（ａ）ないし（ｃ）は、本発明による第３の実施の形態に係る半導体スタックで使用する皿バネガイド２４を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。ここで、第１の実施の形態と同一端は類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。図５において、本実施の形態においては、カップ状の皿バネガイド２４の側面に、軸方向に延びるスリット２４ａを形成して内部に収納される皿バネの圧縮状態を目視確認できるようにしたところに特徴を有する。このスリット２４ａは、必要に応じて透明な樹脂などで閉塞することにより、塵埃などの侵入を阻止するように構成することもできる。

図６は、本発明による第４の実施の形態に係る半導体スタックの主要部を示す正面図である。ここで、第１の実施の形態と同一端は類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。図６において、本実施の形態においては、カップ状の皿バネガイド３４と円柱状の押し棒３５との間にＯリング１６を介在させて皿バネガイド３４の皿バネ収納空間を外気と遮断するようにしたところに特徴を有する。これにより、皿バネ１３は、塵埃の侵入、付着や酸化による劣化が一層抑制され、ヒステリシスが低減されることになる。

１…半導体素子
２…ヒートシンク
３…導体
４…絶縁座
５…積層体
６，７…加圧支持板
８，９…スタッドボルト
１０，１１…固定ナット
１２…球面座
１３…皿バネ
１３ａ…球面部
１４，２４，３４…皿バネガイド
１５，２５，３５…押し棒
２４ａ…スリット
２５ａ…目盛り
１６…Ｏリング

Claims (1)

1. 少なくとも１個の平型半導体素子とヒートシンクとを積層して積層体を構成し、この積層体の積層方向両側に配設された一対の加圧支持板およびこの加圧支持板の少なくとも一方と前記積層体との間に介在された皿バネを介して前記積層体を締め付けてなる半導体スタックにおいて、
   前記皿バネを収納するカップ状の皿バネガイドを設けるとともに前記皿バネと前記加圧支持板の間に前記皿バネを圧縮する押し棒を設け、
   前記皿バネガイドと前記押し棒との隙間に、前記皿バネを外気から遮断するＯリングを設けたこと、を特徴とする半導体スタック。

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