JPH0610696Y2 - 半導体スタック - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［考案の目的］ （産業上の利用分野） 本考案はサイリスタやＧＴＯ等の平形半導体素子を複数
個同時にスタッキングする半導体スタックの実装構造に
関するものである。

（従来の技術） 半導体変換装置において、複数個の半導体素子とヒート
シンクをスタッキングした半導体スタックが使用されて
いる。

近時、半導体の大容量化がめざましく、数千アンペア定
格の半導体素子が一般に使用されるようになってきてい
る。それに伴ない、半導体素子から発生するロスも千ワ
ットを超える大きなものとなってきており、半導体素子
を冷却するためのヒートシンクに対しては熱抵抗の非常
に小さいものが求められている。そのため、風冷ヒート
シンクでは必要とされる熱抵抗を満足出来なかったり、
半導体スタックが大きくなりすぎたりするために水で冷
却する水冷ヒートシンクを使用した半導体スタックを使
用するケースが増えてきている。

第４図に示した回路は電圧形インバータの主回路の一部
でＧＴＯ２が２直列で各々にダイオード３が逆並列に接
続している回路である。従来このような半導体素子４個
の回路を一つの半導体スタックとして構成する場合は第
６図に示すようなスタッキングがされている。第７図は
第６図のＣ−Ｃ矢視図である。

水冷ヒートシンク４とＧＴＯ２、ダイオード３が交互に
積層され、押え板５，６，７、球面座８、サラバネ９、
絶縁座１０と共にスタッド１１（２本）と締付ナット１
２で圧接されている。

ＧＴＯ２、ダイオード３の電気的な接続は導体１３で行
なわれ、冷却水１４は水冷ヒートシンク４間をつないで
いる絶縁パイプ１５を通り、水冷シートシンク４を順次
流れるような構成となっている。

（考案が解決しようとする問題点） このような従来の半導体スタックにおいては、次のよう
な問題があった。

水冷ヒートシンク４と半導体素子２，３が総べて直列構
成であるため、圧接力の異なる半導体素子の場合、一緒
にスタッキング出来なく、半導体スタック１が長く、不
安定な構造となる。また、半導体素子２，３間を電気的
に接続するための導体１３が必要となるため、スペース
及び接続作業が増える。さらに、水冷ヒートシンク４間
をつなぐ絶縁パイプ１５が半導体素子２，３と同数必要
であり、パイプの接合部が多くなり、冷却水の漏れ等の
危険が増え、装置の信頼性を低下させる問題があった。

本考案はこのような問題を解決するためになされたもの
で、取付スペースが小さく、部品点数が少なくて作業工
数が少なく、圧接力の異なる半導体素子でも一緒にスタ
ッキング出来る半導体スタックを提供することを目的と
する。

［考案の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために本考案においては、冷却水パ
イプと導体を兼ねたヒートシンクと同じ材質のパイプと
で２個のヒートシンクを接続して一体化し、１本の加圧
用スタッドで半導体素子を並列にスタッキングしたこと
を特徴とするものである。

（作用） このように半導体素子をスタッキングした場合、パイプ
により半導体素子間の電気的接続は行なわれるために半
導体素子間の接続用導体が不要となり、そのためのスペ
ース及び接続するための作業も省略できる。また、半導
体素子を並列に１本のスタッドで圧接しているためにス
タッドの位置を変えることにより圧接力の異なる半導体
素子でもいっしょに圧接することが可能であり、スタッ
ク長も短かくなる。さらに、水冷ヒートシンク間を接続
する絶縁パイプは半導体素子の半数となり、スペース、
作業工数が減るばかりでなく、冷却水の漏れに対して絶
縁パイプが半数になることから、パッキン等で接合部を
シールする部分が半分となり、他はロー付により一体化
するため、長期的な信頼性が向上することになる。

（実施例） 以下本考案を第１図乃至第４図により説明する。

第１図は本考案により半導体素子をスタッキングした半
導体スタックの正面図であり、第２図は第１図のＡ−Ａ
矢視図、第３図は第１図のＢ−Ｂ矢視図で第４図は回路
図である。

ヒートシンクとフレキ性を持たせた銅製のバイプ１６で
つながった銅製の水冷ヒートシンク１７の片側にＧＴＯ
２が、別な片側にダイオード３が積層され、押え板１
８，１９、サラバネ９のガイドピンが付いた球面座２
０、サラバネ９、絶縁座１０が付き、スタッド２１と締
付ナット２２でＧＴＯ２、ダイオード３と水冷ヒートシ
ンク１７が圧接されている。冷却水１４は水冷ヒートシ
ンク１７ａの入水口２３から入り、ＧＴＯ２のアノード
側、ダイオード３のカソード側を冷却後、絶縁パイプ１
５で順次水冷ヒートシンク１７ｂ，１７ｃに渡り、水冷
ヒートシンク１７ｃの出水口２４から出る構成となって
いる。

このような構成によれば、スタッド２１と球面座２０
ａ，２０ｂ間の寸法Ｐ，Ｑの比を変化させることにより
圧接力の異なる半導体素子が同時にスタッキング可能と
なる。つまり、例えばダイオード３の圧接力が2000kgで
ＧＴＯ２の圧接力が3000kgであるならばＰとＱの比を
３：２とし、5000kgの圧接力をスタッド２１と締付けナ
ット２２とにより与えれば、はりのつりあいの条件か
ら、ダイオード３、ＧＴＯ２にはそれぞれ2000kg,3000k
gの圧接力が得られる。また、ＧＴＯ２、ダイオード３
間の電気的な接続は銅ヒートシンクと銅パイプ１６が冷
却水を通す役目と兼用して行なうため、水冷ヒートシン
ク１７ａ，１７ｂ，１７ｃ間を接続する導体が無くな
り、スペース及び接続作業が不要となる。また、銅パイ
プ１６は水冷導体となるため、自冷の導体の数十倍の電
流が流すことができる。

従って、銅パイプ１６のサイズは自冷導体の数十分の１
ですむことになる。また、ＧＴＯ２、ダイオード３、水
冷ヒートシンク１７ａ，１７ｂ，１７ｃ等の厚さ寸法の
公差により生ずるＧＴＯ側ヒートシンクとダイオード側
ヒートシンクのズレに対しては銅パイプ１６にフレキ性
を持たせることにより、銅パイプが簡単に変形し、パイ
プ及びパイプのロー付部に無理な応力が生じることはな
い。

本考案は前記実施例に限定されず、第５図のように銅フ
レキパイプを使用しない風冷ヒートシンク２５を使用す
る半導体スタックにも適用可能である。

なお、本考案はＧＴＯ２個、ダイオード２個の並列のス
タック例で説明してあるが半導体の種類、個数及び並列
数には当然左右されず、同様の構造が適用できることは
言うまでもない。

［考案の効果］ 以上のように本考案によれば、圧接力の異なる半導体素
子をいっしょに圧接でき、取付スペースが小さく、作業
工数が少ない、信頼性の高い半導体スタックを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す正面図、第２図は第１
図のＡ−Ａ矢視図、第３図は第１図のＢ−Ｂ矢視図、第
４図は第１図の回路図で、第５図は本考案の他実施例を
示す図、第６図は従来の半導体スタック構成図、第７図
は第６図のＣ−Ｃ矢視図である。 １……半導体スタック、２……ＧＴＯ、３……ダイオー
ド、４，１７ａ，ｂ，ｃ……水冷ヒートシンク、５，
６，７，１８，１９……押え板、８，２０a,b……球面
座、９……サラバネ、１０……絶縁座、１１，２１……
スタッド、１２，２２……締付ナット、１３……導体、
１４……冷却水、１５……絶縁パイプ、１６……銅フレ
キパイプ、２３……入水口、２４……出水口、２５……
風冷ヒートシンク。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】スタッドの一端が一方の押え板に固定さ
   れ、他方の押え板を貫通する前記スタッドの他端に締付
   けナットを取付け、この締付けナットを締付けることに
   より、前記スタッドの両側にそれぞれ配置されるヒート
   シンクと半導体素子の積層体に前記押え板を介して圧接
   力を与えるようにし、且つ前記圧接力を前記スタッドの
   中心と前記それぞれの積層体の中心までの距離を変える
   ことにより調整するようにしたことを特徴とする半導体
   スタック。
2. 【請求項２】前記ヒートシンクを水冷ヒートシンクと
   し、且つ対を成す両側の水冷ヒートシンク間を内部を水
   路とする導電性のフレキシブルパイプとしたことを特徴
   とする実用新案登録請求の範囲第１項記載の半導体スタ
   ック。