JPS62252957A - 半導体スタツク装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、複数の平型半導体素子を電気的に直列接続す
ると共に、それぞれ強制冷却し、且つ、抵抗器を含んで
なる電圧分担回路を半導体素子に並列接続して一体化し
た半導体スタック装置に関する。

（従来の技術） 近年、半導体製造技術の進歩により、ベレットの大口径
化と併せて、これを用いた半導体素子の大電流高耐圧化
が進んでいる。かかる半導体素子を複数個直列接続して
全体を一体化した半導体スタック装置は半導体素子と冷
却器とを順次、積層したものが多い。

このように、大口径のベレットを使用した半導体素子は
、小口径のベレットを使用した半導体素子に比べて逆回
復特性が大きく相巽し、逆回復時の電圧分担に差異を生
ずる。この差異を少なくするために、この種の半導体ス
タック装置の各半導体素子には、コンデンサおよび抵抗
器の直列回路でなるスナバ回路が並列接続されている。

このスナバ回路のコンデンサとしては比較的容量の大き
いものを用いる必要があり、これに応じて抵抗器も大容
量のものを用いなければならない状況にある。

また、スナバ回路を接続する場合でも、さらに、直流分
圧用抵抗器を並列接続するが、素子の高耐圧化に伴って
この直流分圧用抵抗器としても大容量のものを用いなけ
ればならなかった。

しかして、高耐圧の半導体スタック装置にあっては、素
子および抵抗器の電力損失が大きく発熱量ら大きいこと
から、上記冷却器として風冷方式から水冷方式に変えら
れている。

また、水冷方式を採用したとしても、半導体素子自体と
、スナバ回路および直流分圧用の抵抗器（本発明はこれ
らを電圧分担回路の抵抗器と称している）とをそれぞれ
別個の冷却器で冷却することが多い。

第７図（ａ）、（ｂ＞はこの種の従来の半導体スタック
装置の構成を示す側面図および平面図である。この第７
図において、半導体素子１は水冷ジャケットを備えだ液
冷ヒートシンク（以下単にヒートシンクと称する）６１
で挟まれる形で順に多段に＆１重ねら、れ、その外側か
ら押さえ金具６２で一体的に締め付けられている。また
、スナバ回路の抵抗器６３や直流分圧用抵抗器６４も、
その詳細を省略するが、水冷ジャケットを備えるヒート
シンク６５と一体化されている。そして、半導体素子１
用の′ヒートシンク６１と抵抗器用のヒートシンク６５
はそれぞれ冷却パイプ６６によって順次直列にして共通
母管６７に接続されるが、あるいは、共通母管６７に並
列接続されている。

しかして、共通母管６７がらヒートシンク６１゜６５に
給水することによって半導体素子１および抵抗器６３．
６４を十分に冷却することができる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のように構成された従来の半導体スタック装置にあ
っては、半導体素子およびヒートシンクを順次ｆａ重ね
ているため、特性の劣化等により１つの半導体素子を交
換する際、装置全体の分解および再組立を必要とする外
、抵抗器を冷却するヒートシンクと併せて多数の冷却パ
イプの取り外しおよび再接続を必要とするので、素子交
換の度毎に多大な労力と時間を費やさなければならない
という問題点があった。

また、電圧分担回路の抵抗器を個々に水冷する構成にな
っているため、冷却パイプの接続部が多く、これが外径
寸法を大型化させると共に、水漏れしやすいことから信
頼性を低下させるという問題点もあった。

本発明は上記の問題点食解決するためになされたもので
、素子交換の容易化を図り得ると共に、装置の小形化お
よび信頼性の向上を図り得る半導体スタック装置の提供
を目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、導電性部材で形成された２個の平板状の冷却
部を有し、その側端が導電性のパイプによって相互に接
続された第１の液冷ヒートシンクと、導電性部材で形成
された平板状の冷却部を有する第２の液冷ヒートシンク
と、平坦な取付面を有する架台と、相互に接続される一
方の半導体素子の電極に前記第１の液冷ヒートシンクの
一方の冷却部を、他方の半導体素子の電極にこの第１の
液冷ヒートシンクの他方の冷却部をそれぞれ接触させる
と共に、電気的に末端の半導体素子の電極に前記第２の
液冷ヒートシンクの冷却部を接触させて前記半導体素子
毎に前記架台の取付面に積層し、且つ、頭頂の冷却部に
電圧分担回路の抵抗器を熱的に接触させて一体化する締
結手段と、液冷媒が順次通過づるように前記第１、第２
の液冷ヒートシンクを接続する絶縁バイブとを備えたも
のである。

（作　用） この発囮においては、相互に接続される一方の半導体素
子の電極に第１の液冷ヒートシンクの一方の冷却部を、
他方の半導体素子の電極にこの第１の液冷ヒートシンク
の他方の冷却部をそれぞれ接触させると共に、電気的に
末端の半導体素子の電極に第２の液冷ヒートシンクを接
触させて、半導体素子毎に半導体素子と冷却部とを積層
して一体化することにより素子交換の容易化を図り、半
導体素子および冷却部を積層した頭頂の冷却部に電圧分
担回路の抵抗器を接触させることにより、抵抗器のみを
冷却するための液冷ヒートシンクを除去づ′ると共に、
絶縁バイブの本数を減らして装置の小形化および信頼性
の向上を図る。

〈実施例） 第１図は本発明の一実施例の構成を示す正面図、第２図
はこの実施例の一部を断面で示すと共に、拡大して示し
た側面図である。これら各図において、複数の半導体素
子１ａ〜１ｄのうち、電気的に相互接続されるものの電
極には液冷ヒートシンク（以下単にヒートシンクと言う
）２ａ〜２ｃの冷却部が接触せしめられ、電気的に末端
となるものの電極にはヒートシンク３の冷Ｗ部が接触せ
しめられた状態で架台５上に固定されている。

ここで、ヒートシンク２ａ〜２ｃは同一の形状を有し、
このうちの１っ２ａは第３図（ａ）〜（Ｃ）にそれぞれ
正面図、平面図および側面図を示すように、内部に冷媒
の流通路を有し、外径が平板状に形成された冷却部２１
と冷却部２２とが、冷媒を移動させる導電性のバイブ２
３によって接続されている。なお、ヒートシンク３ａ、
３ｂは前述した冷却部２１または２２と同一形状を有し
ている。

そして、半導体素子１ａは陽極にヒートシンク３ａを、
陰極にヒートシンク１ａの冷却部２１をそれぞれ接触さ
せたまま、架台５上に順次積層した形でボルト４１、ナ
ツト４２およびワッシャ４３等でなる締付固定部材４に
よって締結されている。また、半導体索子１ｂＧ、を陽
極にヒートシンク２ａの冷却部２２を、陰極にヒートシ
ンク２ｂの冷却部２１をそれぞれ接触さけた状態で、上
記半導体素子１ａと同様にして締付固定部材４によって
締結されている。半導体素子１ｃもまた、半導体素子１
ｂと同様な構造で締結されるが、半導体素子１ｂは陽極
にヒートシンク２ｃの冷却部２２を、陰極にヒートシン
ク３ｂをそれぞれ接触させた状態で締結される。

一方、上述したヒートシンク２ａ〜２ｃおよび３ａ、３
ｂは、冷媒が一巡するように絶縁バイブロによって接続
され、ヒートシンク３ａの冷媒注入ロアと、ヒートシン
ク２ａの冷却部２１の冷媒排出口８をそれぞれ図示しな
い共通母管に接続することによって半導体素子１ａ〜１
ｄは従来装置と同様にして冷却される。

次に、スナバ回路を構成する抵抗器９および直流分圧用
の抵抗器１０はいずれも平型に形成され、その平面部が
、絶縁部材１１を介して、ヒートシンク２８〜２ｃおよ
び３ｂの′Ｍ頂に取付けられており、さらに、架台５に
はコンデンサ１２が固定されている。また、これらの抵
抗５９．１０ｅにびコンデンサ１２と、ヒートシンク２
８〜２ｃ。

３ａ、３ｂは第４図の回路図で示すように電気的に接続
されている。

すなわち、半導体素子１８〜１ｄはヒートシンク２ａ〜
２Ｃを介して電気的に直列接続され、これら各半導体素
子に抵抗器９およびコンデンサ１２でなるスナバ回路と
、電圧分担用抵抗器１゜とが並グ１接続される一方、抵
抗器９および１ｏは半導体素子を冷却するヒートシンク
によって共通に冷却される。

なお、架台５は絶縁物でも金屈でもよいが、金属の場合
には架台５に接するヒートシンク２または３の間に適当
な絶縁物を介挿すればよい。

かくして、この実施例によれば半導体素子が架台上に並
べて配置されているので、半導体索子１ａ〜１ｄのうち
のいずれか１１［［ｉｌが不良となったとぎには、該当
する半導体素子を締結しているボルト、ナツトを緩める
ことにより目的とする半導体素子を極めて容易に交換す
ることができる。

また、相互に接続されるべき部分に、２つの冷却部が導
電性パイプによって接続されたヒートシンクを用いてい
るので、液冷媒の通路を形成するパイプの接続箇所が減
り、水漏れを生じ難くなる。

さらに、電圧分担回路の抵抗器を平型に形成して、半導
体素子を冷却するヒートシンクに接触させる構成になっ
ているため、これらの抵抗器に対する専用のヒートシン
クが不要化されると共にパイプの接続も不要となる。よ
って、従来装置に比較すれば、装置の小形化と信頼性の
向上を図ることができている。

なお、上記実施例では、冷却部２１と２２とを変形し難
い導電性パイプで接続したヒートシンクを用いたが、こ
の代わりに例えば、第５図に示すように冷却部２１と２
２とをフレキシブルな導電性パイプ２４で接続したヒー
トシンク２Ａを用いることによって半導体素子との密着
性、機械的変形や移動に対して柔軟に対処できる。

第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はヒートシンクのもう１
つの構成例を示す正面図、平面図および側面図である。

同図において、ヒートシンク２Ｂは、銅またはアルミニ
ウム等の導電性および熱伝導性に優れた、連続した１本
の角パイプで形成されており、冷却部２１および２２は
パイプの往路と復路とを共にうす巻き状に巻き込んだも
のになっている。かかる構成によれば、１本のパイプの
屈曲、巻き込み加工のみでヒートシンクが形成できるの
で、第３図に示したヒートシンク２ａと比較すれば経済
性と量産性に富むという効果がある。

また、このヒートシンク２Ｂは断面形状が矩形のパイプ
を使用しているので、例えば、断面形状が円形のパイプ
と比較すれば、巻き込みが容易であることの他、半導体
素子に対する有効接触面積を大きくできる。

なお、このヒートシンク２Ｂは、冷却部２１と冷却部２
２とを接続する部分が実質的に長くなっているため、こ
の部分をフレキシブルにした第５図のヒートシンク２Ａ
に近い効果が得られる。

ところで、上述した各実施例では複数の半導体素子１ａ
〜１ｄのすべてについて、その陽極を架台５側に向ける
と共に、冷却部が段違いに形成されたヒートシンクを用
いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えば、半導体素子の極性を順次反転させ、且つ、２つ
の冷却部が同一平面上にあるヒートシンクを用いても、
上述したと略同様な作用を行なわせることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかなように、本発明によれば電
極にそれぞれヒートシンクの冷却部を接触させた半導体
素子を架台に並べて配置しているので、半導体素子の交
換が茗しく容易になる。

また、相互接続される半導体素子を、２つの冷却部があ
らかじめ導電性パイプで接続されたヒートシンクによっ
て冷却するほか、半導体素子を冷却するヒートシンクを
用いて電圧分担回路の抵抗器をも冷却するようにしたの
で、従来装置と比較すれば部品数およびパイプ接続箇所
が少なくなり、その分だけ装置を小形化することができ
ると共に、信頼性を向上させることができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正面図、第２図は同実施例
の一部を断面で示すと共に、拡大して示した側面図、第
３図（ａ）〜（Ｃ）は同実施例の主要素の構成を示す正
面図、平面図および側面図、第４図は同実施例の電気接
続図、第５図および第６図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の他
の実施例の主要素の構成を示す正面図、平面図、および
側面図、第７図（ａ＞、（ｂ）は従来の半導体スタック
装置の構成を示す側面図および平面図である。 １ａ〜１ｄ・・・半導体素子、２ａ　〜２Ｃ，３ａ。 ３ｂ、２Ａ、２Ｂ・・・液冷ヒートシンク、４・・・締
付固定部材、５・・・架台、６・・・絶縁バイブ、９，
１０・・・抵抗器。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 汽　１　図 尾　２　図 も　３　図 も４　に 汽　５　図 も６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の平型半導体素子を電気的に直列接続すると共
   に、それぞれ強制冷却し、且つ、抵抗器を含んでなる電
   圧分担回路を前記半導体素子に並列接続して一体化する
   半導体スタック装置において、導電性部材で形成された
   ２個の平板状の冷却部を有し、その側端が導電性のパイ
   プによつて相互に接続された第１の液冷ヒートシンクと
   、導電性部材で形成された平板状の冷却部を有する第２
   の液冷ヒートシンクと、平坦な取付面を有する架台と、
   相互に接続される一方の前記半導体素子の電極に前記第
   １の液冷ヒートシンクの一方の前記冷却部を、他方の前
   記半導体素子の電極にこの第１の液冷ヒートシンクの他
   方の前記冷却部をそれぞれ接触させると共に、電気的に
   末端の前記半導体素子の電極に前記第２の液冷ヒートシ
   ンクの前記冷却部を接触させて前記半導体素子毎に前記
   架台の取付面に積層し、且つ、頭頂の前記冷却部に前記
   抵抗器を熱的に接触させて一体化する締結手段と、液冷
   媒が順次通過するように前記第１、第２の液冷ヒートシ
   ンクを接続する絶縁パイプとを具備したことを特徴とす
   る半導体スタック装置。 ２、前記第１の液冷ヒートシンクは、銅またはアルミニ
   ウム等、導電性および熱伝導性に優れた素材からなる１
   本のパイプを用い、前記冷却部はこのパイプをうず巻き
   状に巻いたものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の半導体スタック装置。