JPS6334625B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、半導体素子のためのアセンブリお
よびヒートシンクに関するものである。

〔従来技術〕

半導体素子のための圧接型アセンブリは例えば
米国特許第3447118号のスタツク・アセンブリお
よび第4313128号のアセンブリのように従来から
周知である。

前者のアセンブリはアセンブリとして働くだけ
でヒートシンクとしては機能しない。

後者のアセンブリは構造がむしろ複雑でかつこ
の発明のように３つの側面から冷却できない。

米国特許第4047197号は従来周知のアセンブリ
のうちの代表的な例である。そのようなアセンブ
リでは、金属製の台を有するプラスチツク・ハウ
ジング中に半導体素子が収容される。冷却は台の
１つの側面沿いだけに行われ得る。更に、半導体
素子はハウジング内のコンタクトへ圧接ではなく
てろう着で行われるので簡単に解体できない。

〔発明の概要〕

この発明の目的は、半導体ウエーハの冷却を改
善することである。

この発明は、その広い意味で、円形の断面を有
して半導体ウエーハおよび圧接手段を受け入れる
ための空洞を形成する金属体と、前記空洞内に配
置された複数個の金属製円筒状部材と、これらの
円筒状部材および前記半導体ウエーハを前記金属
体から電気的に絶縁するための絶縁体と、前記半
導体ウエーハと電気的接触をなすための回路装置
とを備え、前記半導体ウエーハは前記空洞内で隣
接する円筒状部材間に配置され、前記圧接手段は
前記隣接する円筒状部材と電気的かつ熱的に伝導
関係に前記半導体ウエーハを保持する半導体モジ
ユラ・アセンブリにある。

この発明は、頂面（その中央部は頂面に対して
凹面状をしている）、底面および２つの端面を有
する金属製台部材と、頂面、底面（その中央部は
底面に対して凹面状をしている）および２つの端
面を有する金属製ほろ部材と、前記ほろ部材が前
記台部材の上に置かれる時に前記台部材の頂面の
凹面状部分と前記ほろ部材の底面の凹面状部分と
が空洞を形成し、この空洞が円形の断面を有して
前記台部材および前記ほろ部材の端面間に延び、
更に、前記空洞内に配置された複数個の金属製円
筒状部材と、前記空洞内で隣接する円筒状部材間
に配置された半導体ウエーハと、前記隣接する円
筒状部材と電気的かつ熱的に伝導関係で前記半導
体ウエーハを保持する圧接手段と、前記円筒状部
材および前記半導体ウエーハを前記台部材および
前記ほろ部材から電気的に絶縁するための手段
と、前記円筒状部材を介して前記半導体ウエーハ
と電気的接触をなすための手段とを備えた半導体
モジユラ・アセンブリ兼ヒートシンクに向けられ
る。

この発明の電力用半導体モジユラ・アセンブリ
は、収容した半導体ウエーハを電気的に絶縁する
と共に半導体ウエーハからケースまで熱的伝導路
を提供し、従つて普通のアセンブリ兼ヒートシン
ク中に複雑な回路を装架しかつ冷却するための手
段を提供する。

使用した半導体ウエーハすなわち半導体ヒユー
ジヨン（fusions）はサイリスタ、トランジスタ、
整流器またはそれらの組合わせ用のもので良い。

〔発明の実施例〕

この発明の性質を良く理解するには、以下の詳
しい説明および図面を参照されたい。

台部材１０（第１図） 第１図は、この発明を具体化した電力用半導体
のためのアセンブリ兼ヒートシンクの台部材１０
を示す。

この台部材１０は、底面１２並びにこの底面１
２と垂直である第１の垂直縁部１４および第２の
垂直縁部１６を有する。第２の垂直縁部１６は、
底面１２と事実上平行である水平ステツプ部分１
８だけ第１の垂直縁部１４から離れている。

台部材１０の頂面２０は、第２の垂直縁部１６
から内へ延びる２つの水平縁部２２およびこれら
の水平縁部２２間に延びて凹面状に湾曲した部分
２４から成る。水平縁部２２は水平ステツプ部分
１８および底面１２と事実上平行している。

一連の外側溝１２６および内側溝２６は湾曲部
分２４に形成されてこの湾曲部分２４の全長を横
切つて延びる。内側溝２６の数は２個からアセン
ブリ兼ヒートリンクに含まれた半導体ウエーハす
なわち半導体ヒユージヨンの数と通常等しい必要
な数まで変えることができる。内側溝２６および
外側溝１２６の機能については後で説明する。

台部材１０は２つの端面２８および３０を有す
る。台部材１０は、水平ステツプ部分１８から底
面１２まで台部材１０の全長に亘つて延び、台部
材１０を母線バー、別なヒートシンク部材などへ
装架するための複数個の孔３２を有する。第１図
にはこれらの孔３２を４個示すが、その数は機能
さえ達するならば重要でないことを理解された
い。孔３２の物理的な位置も、機能さえ達するな
らば、重要でない。

別な複数個の孔３４は、頂面２０の水平縁部２
２から台部材１０の中へ延びる。これらの孔３４
にはネジをきることが望ましい。６個の孔３４を
図示したが、何個でも良い。孔３４の物理的位置
は後述する機能が果されるかぎり重要でない。

台部材１０はその全てが金属望ましくはアルミ
ニウムで作られるが、銅、鋼、陽極酸化したアル
ミニウム、ニツケル被覆した鋼などのように電力
用半導体ウエーハから後述する放熱をさせるもの
なら良い。全金属製の台部材１０を使用すると、
金属と或る種の他の材料例えば金属と樹脂から成
る台部材よりも放熱が良くなる。

ほろ部材３６（第２図） 第２図はこの発明のアセンブリ兼ヒートシンク
のほろ部材３６を示す。

このほろ部材３６は頂面３８、垂直縁部４０底
面４２および端面４３を有する。

２つの垂直縁部４０間でその各々から内へ延び
る底面４２は、第１の水平部分４４、垂直部分４
６、第２の水平部分４８および２つの第２の水平
部分４８間に延びる凹面状に湾曲した部分５０か
ら成る。

第１の水平部分４４、第２の水平部分４８およ
び頂面３８は事実上平行である。

湾曲部分５０は、台部材１０の湾曲部分２４と
同一半径を有する円の一部でありかつ端面４３間
に延びる。湾曲部分５０は、台部材１０の湾曲部
分２４を延長することによつて形成される円と一
致する。

台部材１０の湾曲部分２４とほろ部材３６の湾
曲部分５０とは、台部材１０とほろ部材３６が一
緒にされる時に円形断面の孔を形成する。この円
形断面の孔は端面間に延びる。

ほろ部材３６は第１複数個例えば６個の孔５２
を有し、これらの孔５２はほろ部材３６を貫通し
て延びかつ台部材１０とほろ部材３６が一緒にさ
れる時に台部材１０にあけた孔３４と垂直方向で
そろう。孔５２はほろ部材３６にさら穴をあけて
作られる。

ほろ部材３６は第２複数個例えば４個の孔５４
を有し、これらの孔５４はほろ部材３６を貫通し
て延びかつ台部材１０とほろ部材３６が一緒にさ
れる時に台部材１０にあけた孔３２と垂直方向で
そろう。

孔５４はほろ部材３６にさら穴をあけて作ら
れ、このさら穴部分５８はほろ部材３６の垂直縁
部４０の一部沿いに露出される。

ほろ部材３６の孔５２の数が台部材１０の孔３
４の数に一致し、孔５４の数が孔３２の数に一致
することは明らかである。

第３複数個例えば３個の孔６０は、事実上円形
であり、ほろ部材３６を貫通して延びる。孔６０
は事実上等間隔にあけられ、それらの中心は頂面
３８の中心軸（端面４３間に延びる）上にある。

ほろ部材３６の底面４２の湾曲部分５０には複
数個の溝（図示しない）がある。底面４２の溝の
数は台部材１０の頂面２０の湾曲部分２４におけ
る内側溝２６および外側溝１２６の数に等しく、
これらの溝はほろ部材３６と台部材１０が一緒に
される時に連続して円を形成するように垂直方向
で整列させられる。

ほろ部材３６は金属望ましくは台部材１０と同
じ金属で作られる。

台部材１０とほろ部材３６の両方に金属望まし
くは陽極酸化したアルミニウムを使用すると、ア
センブリ兼ヒートシンク内に収容された半導体ウ
エーハからの放熱を確実に良くしかつアセンブリ
兼ヒートシンク自体をその側面または底面沿いに
或はこれらの面のうちの３面全部沿いに他の部材
へ接続させてアセンブリ兼ヒートシンクから熱を
出させる。

台部材１０およびほろ部材３６をそれぞれの端
面間で測定したような長さは同じである。

円筒状部材（第３図および第４図） 第３図、第４図は、この発明のアセンブリ兼ヒ
ートシンクの一部を構成する円筒状部材すなわち
スラグ６２のそれぞれ正面図、頂面図である。

円筒状部材６２は、例えば銅で作つた固い金属
部材でありかつ例えば電気分解したニツケルのよ
うな別な金属でメツキされ得る。

円筒状部材６２は前面６４および後面６６を有
する。これらの各々は延長部分すなわちコンタク
ト面６８，７０をそれぞれ有する。

前面６４と後面６６の間に延びる縁部７２があ
る。

円筒状の第１の孔７４は縁部７２の大体真中に
設けられ、縁部７２の表面から円筒状部材６２の
内部へ所定距離だけ垂直に延びる。孔７４はさら
穴部分７６を有し、このさら穴部分７６は縁部７
２と交叉して肩部７８を形成する。

第２の相対的に小さい孔８０は、肩部７８から
円筒状部材６２の中へ垂直に延び、第３の孔８２
と交叉して終る。第３の孔８２は前面６４の延長
部分すなわちコンタクト面６８から円筒状部材６
２の中へ延びる。第３の孔８２は前面６４のコン
タクト面６８の中心に設けられかつ第２の孔８０
と直角に交叉することが望ましい。

キー溝８４は縁部７２から切り出されかつ第１
の孔７４と交叉する。

円筒状部材６２の直径“ｄ”は、円筒状部材６
２が台部材１０、ほろ部材３６のそれぞれ湾曲部
分２４，５０と適合するようなものである。

端部材８６（第５図および第６図） 第５図、第６図は金属製の端部材すなわち保持
部材８６のそれぞれ側断面図、正面図である。端
部材８６は例えばアルミニウム、銅または鋼のよ
うな任意適当な金属で作ることができかつ錫メツ
キした鋼が望ましい。

端部材８６の直径“ｄ”は、端部材８６のリム
８８が台部材１０の外側溝１２６およびほろ部材
３６の垂直に整列した溝にはまるようなものであ
る。端部材８６、面９２の中央に配設されたリン
グ状ニツプル９０を有する。端部材８６、面９２
とリム８８の間に延びる肩部９４を有する。

座金９６（第７図） 第７図は、例えばマイカまたは適当な樹脂含浸
フアイバのような電気的に絶縁性の材料で作つた
座金９６を示す。

スラスト座金（第８図） 第８図は、例えば鋼で作つたベルビル
（Belleville）座金９８のようなスラスト座金を示
す。

絶縁円板１００（第９図） 第９図は、例えばマイカで作つた電気的に絶縁
性の円板１００を示す。この絶縁円板１００は、
円筒状部材６２のコンタクト面６８または７０よ
りも大きいが、端部材８６の直径“ｄ”よりも小
さい直径を有する。

誘電シート１３０（第１０図） 第１０図は、フアイバ例えばガラス・フアイバ
で強化したシリコン・ゴム・シート或はフアイ
バ、充填材などで強化しても良いししなくても良
いテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロ
エチレンまたはトリフルオロクロロエチレンのシ
ートのような電気的に絶縁性の材料で作つた誘電
シート１３０を示す。

この誘電シート１３０は、外側溝１２６間の距
離に等しい長さ“Ｌ”を有し、また円筒状部材６
２を完全に囲むような幅“Ｗ”を有する。誘電シ
ート１３０の切り出した部分１３２は円筒状部材
６２の第１の孔７４のまわりに適合する。誘電シ
ート１３０は第１１図では所定位置にある。

一部組立てたアセンブリ兼ヒートシンク（第１１
図） 第１１図はこの発明の一部組立てたアセンブリ
兼ヒートシンクを示す。

絶縁性の座金９６は端部材８６のニツプル９０
のまわりに配置された。２枚以上のベルビル座金
９８は座金９６の上または周囲に配置される。端
部材８６のリム８８は台部材１０の一方の外側溝
１２６の中に挿入され、端部材８６のニツプル側
は内を向いている、すなわち他方の外側溝１２６
に面している。

絶縁円板１００はベルビル座金９８に接触して
挿入される。誘電シート１３０は台部材１０の湾
曲部分２４に配置され、その中心軸１３４は湾曲
部分２４の中心軸に沿つて延びかつ切り出した部
分１３２は大体垂直方向に延びる。誘電シート１
３０は外側溝１２６間に延びる。第１の円筒状部
材６２は台部材１０の湾曲部分２４中の誘電シー
ト１３０上に置かれ、そのコンタクト面が絶縁円
板１００に接触する。

例えばサイリスタ用ウエーハすなわちヒユージ
ヨン１０２のような半導体ウエーハすなわち半導
体ヒユージヨンは、第１の円筒状部材６２のコン
タクト面６８と物理的かつ電気的に接触して位置
決めされる。アセンブリ兼ヒートシンクをサイリ
スタに関して説明するが、もちろんトランジス
タ、整流器またはそれらの組合わせにも使用でき
る。

誘電シート１３０で覆われる内側溝２６には、
アセンブリ兼ヒートシンクのクレープ抵抗を増す
ために例えばRTVシリコン樹脂が充填される。

第１のゲート・コンタクト（図示しない）は第
１の円筒状部材６２の第３の孔８２中に先に挿入
され、第１のゲート・コンタクトと電気的に接触
する導線１０４は第１の円筒状部材６２の第２の
孔８０に通される。

第２の円筒状部材６２は台部材１０の湾曲部分
２４に挿入され、そのコンタクト面７０はサイリ
スタ用ウエーハ１０２と物理的かつ電気的に接触
する。

第２のゲート・コンタクト（図示しない）は第
２の円筒状部材６２の第３の孔８２の中に挿入さ
れ、第２のゲート・コンタクトと電気的に接触す
る導線２０４は第２の円筒状部材６２の第２の孔
８０に通される。

別なサイリスタ用ウエーハ２０２が挿入され、
そのゲート領域は第２のゲート・コンタクトと電
気的かつ物理的に接触しそしてそのエミツタ領域
は第２の円筒状部材６２のコンタクト面６８と電
気的かつ物理的に接触する。

第３の円筒状部材６２が台部材１０の湾曲部分
２４に挿入され、そのコンタクト面６８は別なサ
イリスタ用ウエーハ２０２と物理的かつ電気的に
接触する。

サーミスタ（図示しない）を第３の円筒状部材
６２の第３の孔８２に挿入しても良く、導線３０
４はサーミスタと電気的に接触しかつ第３の円筒
状部材６２の第２の孔８０を通して直立してい
る。

他方の端部材８６は座金９６、ベルビル座金９
８および絶縁円板１００と一緒に上述したように
組立てられ、端部材８６のリム８８は外側溝１２
６へ挿入される。

複数個のベルビル座金９８は２個の端部材８６
と一緒に使用され、サイリスタ用ウエーハと円筒
状部材６２の電気的接触を確実にするのに充分な
圧接を行うことができる。

実例では、上述したアセンブリは治具の中に通
常運び入れられ、その後台部材１０中で位置決め
される。誘電シート１３０は円筒状部材および半
導体ウエーハを台部材１０から電気的に絶縁す
る。

アセンブリ兼ヒートシンク（第１２図） 第１２図において、誘電シート１３０は円筒状
部材６２のまわりに配置され、ほろ部材３６は台
部材１０の上に置かれかつ両者はほろ部材の孔５
２および台部材の孔３４を通して挿入したボルト
１０６によつて接合される。台部材１０の孔３４
にはボルトを受け入れるためにねじがきつてあ
る。ベルビル座金１０８はほろ部材３６を台部材
１０へしつかりと締め付けるために使用され得
る。ほろ部材３６を台部材１０へ緊着する際に絶
縁座金１１０も使用される。ねじ或は他のばね型
固着具もほろ部材３６を台部材１０へ緊着するた
めに使用され得る。

誘電シート１３０は円筒状部材６２の頂部のま
わりに置かれ、これによりほろ部材３６から円筒
状部材６２を電気的に絶縁する。

ほろ部材および台部材からサイリスタ用ウエー
ハをそして周囲からほろ部材および台部材を更に
確実に電気的に絶縁するために、ほろ部材および
台部材の内面および外面は、テトラフルオロエチ
レンが含浸された陽極酸化アルミニウムであるハ
ードコート（hardcoat）または別な絶縁体とな
る絶縁材料で被覆されることができる。

台部材１０の頂面の垂直部分および水平部分を
ほろ部材３６の底面の垂直部分および水平部分と
一致させると、どんな漏れ電流に対しても回り道
を作る。その上、確実にシールして漏れ電流を防
ぐために、表面にRTU化合物、エポキシまたは
他のそのような化合物を被覆することができる。

プラグ１１２は例えば銅、アルミニウムおよび
ニツケルメツキした銅のような導電性金属で作ら
れる。プラグ１１２は大きい部分１１４、小さい
部分１１６および肩部１１８を有する。プラグ１
１２の肩部１１８から頂面１２２まで延びるキー
溝１２０がある。頂面１２２から肩部１１８近く
まで延びる中央孔１２４がある。この中央孔１２
４にはねじがきつてある。

肩部１１８が第１の孔７４のまわりのさら穴部
分７６と接触するように、大きい部分１１４の長
さに大体等しい深さまでプラグ１１２は円筒状部
材６２の第１の孔７４の中に押圧、挿入される。

導線１０４，２０４および３０４はキー溝１２
０の中に引つぱり込まれる。

プラグ１１２は一方のサイリスタ用ウエーハの
ためのアノード・エミツタ導線および他方のサイ
リスタ用ウエーハのためのカソード・エミツタ導
線である。２枚のサイリスタ用ウエーハは電気的
に直列接続されている。

電気的絶縁ポスト１２６（これにはその全長の
一部にねじ１２８がきつてあり、このねじ１２８
はプラグ１１２の孔１２４のねじに整合する）は
各プラグ１１２にねじ込まれる。

接続ポスト１２６の付加的な長さおよび円筒状
部材６２が回転できることは、アセンブリ兼ヒー
トシンク内のサイリスタ用ウエーハ１０２に電気
的接触をさせる際に融通性を持たせる。

絶縁材料で作つたプリント配線基板１４０はほ
ろ部材３６の頂面３８上に置かれてこれと接合さ
れる。プリント配線基板１４０は例えばエポキシ
接着剤のような適当な接着剤で頂面３８へ接合す
ることができる。

プリント配線基板１４０は３つの孔１４２を有
し、これらの孔１４２はほろ部材３６の孔６０と
重畳し、両方の孔にプラグ１１２が入る。プリン
ト配線基板１４０は孔５４の上方に切り出した部
分１４３を有する。

プリント配線基板１４０はその表面１４６に金
属化した導電路１４４を有して、アセンブリ兼ヒ
ートシンク内のサイリスタ用ウエーハのゲート領
域およびサーミスタとの電気的接触を容易にす
る。

コンタクト部材１４８は導電路１４４へ被着さ
れてプリント配線基板１４０と外部部材または電
源装置との電気的接続をさせる。

この発明のアセンブリ兼ヒートシンクと一緒に
使用するのに特に適したウエーハすなわちヒユー
ジヨンは米国特許第4235645号および第4329707号
に開示されている。

ハーメチツクシールした環境を必要としない他
の型式のパツシベートしたウエーハすなわちヒユ
ージヨンはこの発明のアセンブリ兼ヒートシンク
に使用するのに適することにも注目されたい。

この発明のアセンブリ兼ヒートシンクは、ベル
ビル座金または他の適当なスラスト型座金が圧接
を行う圧接構造であることに注目されたい。

アセンブリ兼ヒートシンクはウエーハすなわち
ヒユージヨンの交換のために容易に解体できるこ
とに注目されたい。

〔発明の効果〕

この発明は、圧接構造のため組立作業性や放熱
に優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のアセンブリ兼ヒートシンク
の台部材の斜視図、第２図はこの発明のアセンブ
リ兼ヒートシンクのほろ部材の斜視図、第３図、
第４図はこの発明のアセンブリ兼ヒートシンクの
円筒状部材のそれぞれ正面図、頂面図、第５図、
第６図はこの発明のアセンブリ兼ヒートシンクの
端部材のそれぞれ側断面図、正面図、第７図はこ
の発明のアセンブリ兼ヒートシンクで使用した座
金の正面図、第８図はこの発明のアセンブリ兼ヒ
ートシンクで使用したスラスト座金の正面図、第
９図はこの発明のアセンブリ兼ヒートシンクに使
用するのに適した絶縁円板の正面図、第１０図は
この発明のアセンブリ兼ヒートシンクに使用する
のに適した誘電シートの頂面図、第１１図は一部
組立てたアセンブリ兼ヒートシンクの斜視図、第
１２図はプリント配線基板を頂面に配置したこの
発明のアセンブリ兼ヒートシンクの斜視図であ
る。 １０……台部材、２０……頂面、１２……底
面、２８と３０……端面、３６……ほろ部材、３
８……頂面、４２……底面、４３……端面、１０
６……ボルト、１０２と２０２……サイリスタ用
ウエーハ、６２……円筒状部材、１３０……誘電
シート、９８と１０８……ベルビル座金、７４…
…円筒状部材の第１の孔、１１２……プラグ、１
２４……プラグの孔、１２６……接続ポスト、１
４０……プリント配線基板である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円形の断面を有して半導体ウエーハおよび圧
   接手段を受け入れるための空洞を形成する金属体
   と、前記空洞内に配置された複数個の金属製円筒
   状部材と、これらの円筒状部材および前記半導体
   ウエーハを前記金属体から電気的に絶縁するため
   の絶縁体と、前記半導体ウエーハと電気的接触を
   なすための回路装置とを備え、前記半導体ウエー
   ハは前記空洞内で隣接する円筒状部材間に配置さ
   れ、前記圧接手段は前記隣接する円筒状部材と電
   気的かつ熱的に伝導関係に前記半導体ウエーハを
   保持する半導体モジユラ・アセンブリ。 ２ 圧接手段はスラスト座金から成る特許請求の
   範囲第１項記載の半導体モジユラ・アセンブリ。 ３ 半導体ウエーハと電気的接触をなすための回
   路装置は、円筒状部材の孔にプレスはめ込みされ
   た導電性のプラグと、このプラグの孔の中にある
   導電性のポストと、金属体の一部を形成する金属
   製ほろ部材の頂面に被着されたプリント配線基板
   とから成る特許請求の範囲第１項記載の半導体モ
   ジユラ・アセンブリ。 ４ 金属体は金属製台部材および金属製ほろ部材
   から成り、前記台部材は頂面、底面および２つの
   端面を有し、前記ほろ部材は頂面、底面および２
   つの端面を有し、前記台部材の頂面の中央部は前
   記頂面に対して凹面状であり、前記ほろ部材の底
   面の中央部は前記底面に対して凹面状であり、こ
   れにより前記ほろ部材が前記台部材の上に置かれ
   てボルトで留められる時に、前記台部材と前記ほ
   ろ部材の凹面状部分は前記台部材および前記ほろ
   部材の端面間で空洞を形成する特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれか記載の半導体モジユ
   ラ・アセンブリ。 ５ ほろ部材および台部材の凹面の各壁は各端面
   の近くで溝を形成し、前記ほろ部材が前記台部材
   の上に置かれる時に前記ほろ部材の底面の溝は前
   記台部材の頂面の溝と垂直方向で整列する特許請
   求の範囲第４項記載の半導体モジユラ・アセンブ
   リ。