(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の平型半導体素子と複数個のヒートシンクとを交互に積層して構成された積層体と、
前記積層体の少なくとも一端に加圧のために設けられた弾性体と、
前記積層体及び前記弾性体を間に対向配置された加圧支持板と、
対向配置された前記加圧支持板にそれぞれ嵌挿して設けられ、内面中間部に雌ねじ部を有する円筒に形成された接続金具と、
前記接続金具の前記雌ねじ部とねじ結合する雄ねじ部が端部に形成され、前記接続金具間を連結する絶縁スタッドボルトとを備え、
前記絶縁スタッドボルトの前記雄ねじ部と前記接続金具の前記雌ねじ部とのねじ結合部の長さを引張荷重によるせん断応力に耐えられるようにねじ直径の１．５倍〜５倍の長さとしたこと
を特徴とする平型半導体素子用スタック。
【請求項２】
前記接続金具は、円筒部の内径を前記絶縁スタッドボルトの前記雄ねじ部につながる部分の外径と嵌め合い関係にあるようにしたこと
を特徴とする請求項１に記載の平型半導体素子用スタック。
【請求項３】
前記接続金具は、前記雌ねじ部の両側を前記雌ねじ部の谷の径以上の円筒部としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平型半導体素子用スタック。
【請求項４】
前記接続金具は、一端に前記加圧支持板で支持される段付き部を有すること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平型半導体素子用スタック。
【請求項５】
一方の加圧支持板に対向させて配置され、前記接続金具が嵌挿されたボルト加圧支持板と、
前記積層体を圧接するために１本の両側に各１本が前記ボルト加圧支持板に貫挿して設けられた３本のボルトと
を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の平型半導体素子用スタック。
【請求項６】
前記接続金具は、前記ボルト加圧支持板に嵌挿して設けられ、一端に前記ボルト加圧支持板で支持される段付き部を有すること
を特徴とする請求項５に記載の平型半導体素子用スタック。
【請求項７】
前記絶縁スタッドボルトは、ガラス繊維強化プラスチックであること
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の平型半導体素子用スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平型半導体素子とヒートシンクを交互に積層した積層体を弾性的な押圧力（加圧力）を加えて構成する平型半導体素子用スタックに係り、特に圧接力を保持する構造と圧接力を加える構造を改良した平型半導体素子用スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体変換装置は大容量化（高電圧化）の傾向にあり、それに伴い多数個の平型半導体素子が用いられるようになってきている。半導体変換装置は複数個の平型半導体素子と、その平型半導体素子を冷却するためのヒートシンクを交互に積層し弾性的な押圧力を負荷する加圧機構部、フレームとしての絶縁スタッドボルトと加圧支持板等から構成してなる平型半導体素子用スタック（以下単にスタックと言う）を半導体変換装置の回路構成要素として多数使用している。
【０００３】
以下、半導体変換装置に使用している従来のスタック例を、図６を用いて説明する。スタック１は複数個の平型半導体素子３及びヒートシンク４を交互に積層し、更にその両端に電気回路接続端子となる導体５とその外側に絶縁スペーサ１２を配置して積層体を構成している。積層体の一方の端部にばねの取付け座も兼ねた球面座６と皿ばね７が配置され、これらを両端部で支持する加圧支持板８、９間を連結締付ける為の絶縁スタッドボルト２、固定ナット１３Ａ、１３Ｂとから構成されている。
【０００４】
このように構成されたスタック１に弾性的な加圧力を保持させる方法として以下の手段が採用されている。一つは絶縁スタッドボルト２に取付けた固定ナット１３Ｂを締めて下部の加圧支持板９を固定した後、図示しないプレス機により所定の加圧力を上部の加圧支持板８に加える。この状態では絶縁スタッドボルト２には引張力は加わっていない。
【０００５】
次に固定ナット１３Ａをプレス機で加圧した状態で締付け、プレス機の加圧を抜き、プレス機を取り去る。これによって絶縁スタッドボルト２には加圧力の反力としての引張力と伸びが生じる。その為、絶縁スタッドボルト２の伸び分を見込んで所定の押圧力を加える。もう一つの方法は、絶縁スタッドボルト２の固定ナット１３Ａを規定の締付けトルクで直接加圧するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電力変換装置に用いられているＧＴＯやＩＧＢＴやサイリスタ等の平型半導体素子は、冷却のためのヒートシンクや通電のための導体と共に積層され数十ｋＮという高荷重で加圧して使用する。近年、特に設置場所、スペースの制限から装置のコンパクト化が要求されているが、装置の大容量化は部品の大型化ばかりでなく部品間の絶縁距離確保の点からコンパクト化と相反する要因となっている。
【０００７】
従来、半導体素子用スタックの圧接力を長期間保持するため絶縁スタッドボルトが使用されている。この絶縁スタッドボルト材料は一般的にガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が多く用いられている。この材料はガラス繊維に樹脂を含浸し棒状にしたものや引き抜きによって製造され、ガラス繊維方向の強度は金属より高いものが多い。
【０００８】
しかし構造部材として使用するために、ねじや穴加工を施すとガラス繊維を切断することになり強度が低下するという特性がある。このように絶縁スタッドボルトとして使用する場合には、他の部品との結合が不可欠である為、その結合や接続構造の最適化が要求されるようになってきている。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑みてなされたもので、圧接力を長期間に亘り保持することができる絶縁スタッドボルトを用いた平型半導体素子用スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に本発明における平型半導体素子用スタックは、複数個の平型半導体素子と複数個のヒートシンクとを交互に積層して構成された積層体と、前記積層体の少なくとも一端に加圧のために設けられた弾性体と、前記積層体及び前記弾性体を間に対向配置された加圧支持板と、対向配置された前記加圧支持板にそれぞれ嵌挿して設けられ、内面中間部に雌ねじ部を有する円筒に形成された接続金具と、前記接続金具の前記雌ねじ部とねじ結合する雄ねじ部が端部に形成され、前記接続金具間を連結する絶縁スタッドボルトとを備え、前記絶縁スタッドボルトの前記雄ねじ部と前記接続金具の前記雌ねじ部とのねじ結合部の長さを引張荷重によるせん断応力に耐えられるようにねじ直径の１．５倍〜５倍の長さとしている。
【００１１】
この構成により絶縁スタッドボルトのねじ部強度を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態を示す図である。図１において、平型半導体素子用スタック１は以下のように構成されている。即ち、複数個の平型半導体素子３とヒートシンク４とを交互に積層して構成した積層体Ａの両側に夫々電気回路接続端子となる導体５を配置し、一方の導体５に上部加圧支持板８を当接する。
【００２１】
他方の導体５には球面座６及び皿ばね７を介して下部加圧支持板９を当接し、両加圧支持板８、９を対向配置する。両加圧支持板８、９の夫々例えば４隅には貫通穴を設けてある。この貫通穴に詳細を図２に示す接続金具１０を夫々嵌挿する。尚、両加圧支持板８、９の対向する2箇所に貫通穴を設けるものであっても良い。
【００２２】
接続金具１０は、一端に加圧支持板に当接係合する段付き部１０Ａを有する円筒状に形成されている。そして円筒部１０Ｂの中間部にはねじ部１０Ｃを形成してある。このように上、下の加圧支持板８、９に夫々嵌挿した接続金具１０間に両端にねじ部を形成した絶縁スタッドボルト２のねじ部を接続金具１０のねじ部１０Ｃにねじ込み締付けることにより、上、下の加圧支持板８、９間に配置された積層体Ａ、球面座６、及び皿ばね７を充分な圧接力をもって締付けることができる。
【００２３】
ここで絶縁スタッドボルト２の接続金具１０にねじ込む長さを、ねじの直径の１．５倍から５倍の長さとしてある。この実施の形態によれば、素子圧接力がそのまま絶縁スタッドボルト２のねじ山にせん断応力として作用する。そのせん断応力に耐えるようにするため、ねじ込むねじ山の数を多くする。
【００２４】
つまりねじ込む長さを長くすることが必要である。絶縁スタッドボルト２の場合、ねじ部のせん断強度とねじ込む長さの間には図３に示すような関係があり、ねじ込む長さがねじ直径の１．５倍でねじ部に生じるせん断応力＝許容応力となり、ねじがせん断しなくなり、１．５倍以上であれば十分な強度となる。
【００２５】
このように絶縁スタッドボルト２を接続金具１０にねじ込む長さをねじ直径の１．５倍以上に設定すれば、ねじ部がせん断しないことがわかる。そして５倍以上ではほぼ一定の値となるため１．５〜５倍の間でねじ部の長さを設定すれば数十ｋＮの圧接力によっても十分な強度を有した絶縁スタッドボルト２のねじ接合が可能となる。
【００２６】
絶縁スタッドボルト２と接続金具１０の連結部分において、絶縁スタッドボルト２の先端ねじ部につながる接続金具１０の円筒部１０Ｂ内に位置する部分の外径を、円筒部１０Ｂの内径と略同径となるように機械加工し、両者を嵌め合い関係にすることで、絶縁スタッドボルト２のねじ部に生じる曲げ方向の動きを前記嵌め合い部分で拘束することができる。
【００２７】
このように構成すれば、最大曲げ応力部分が接続金具１０端部となり、ねじ部には曲げ応力が生じにくくなるので、絶縁スタッドボルト２のねじ部の強度が向上する。
【００２８】
上記実施の形態による平型半導体素子用スタック１によれば、全ての部品が絶縁スタッドボルト２と接続金具１０のみのねじ結合で組み立てられており、それ以外の部品は接触或いは嵌合した状態で構成されている。即ち、接続金具１０は加圧支持板８、９を貫挿させるだけ、絶縁スタッドボルト２端部を接続金具１０にねじ込んだ個所以外には締付けて固定しているところがないため、スタック軸心の多少の芯ずれをこの接触部の微妙な動きで吸収することができ、また分解、組立が容易となる利点がある。
【００２９】
更に、圧接力を接続金具１０の段付き部１０Ａで支持する構造とすることで、絶縁スタッドボルト２に引張荷重が生じると接続金具１０の段付き部１０Ａ以外の部分も引張られて伸びるため絶縁スタッドボルト２のねじ山に生じるせん断応力が緩和できる。
【００３０】
また図２に示した接続金具１０において、ねじ部１０Ｃは接続金具１０の中間部（図においては中央部）のみで、両端はめねじ加工を施さない円筒のままの円筒部１０Ｂとしている。この円筒部１０Ｂの特に段付き部１０Ａ側の円筒部の内径を、ねじ部１０Ｃのめねじの谷の径（おねじの外径）以上の直径とすることによって、段付き部１０Ａ側の円筒部１０Ｂは引張り荷重をこの円筒部１０Ｂで支持する。
【００３１】
従って外径を圧接荷重に合わせ選定することで、この部分の弾性伸びにより絶縁スタッドボルト２のねじ山に生じるせん断応力を緩和できる。
【００３２】
図４、図５は、本発明の他の実施の形態を示す図である。図においては、先に説明した実施の形態と同一部分には同一符号を記し、その説明は省略する。平型半導体素子用スタック１の上部加圧支持板８の上に、ボルト１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの３本を貫通して取付けたボルト加圧支持板８０を配置させる。これ等ボルト１１は、ボルト１１Ｂがスタック１の中心に位置するように配置され、その両側に等間隔でボルト１１Ａ、１１Ｃが配置されている。
【００３３】
接続金具１０は、ボルト加圧支持板８０と上部加圧支持板８を貫挿して取り付けてあり、この接続金具１０に絶縁スタッドボルト２にねじ込み、平型半導体素子用スタック１を構成している。
【００３４】
このような実施の形態によれば、ボルト加圧支持板８０にねじ込まれているボルト１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを交互にねじ込むことでスタック１の圧接を行なうことができる。３本のボルト１１のうち２本例えば１１Ａ、１１Ｃをねじ込むと必ず１本即ちボルト１１Ａが緩くなるので、次にそのボルト１１Ａをねじ込むと他の１本が緩む。これを繰返すことで平型半導体素子３とヒートシンク４を圧接することができる。
【００３５】
このような圧接機構を備えた構造にすることで、３本のボルト１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃをねじ込むことによりその反力でスタック１は圧接されるため、絶縁スタッドボルト２にねじりや曲げを生じさせることなく圧接ができるようになる。
以下に、本出願の当初の明細書の［課題を解決するための手段］に記載された内容を付記する。
上記目的を達成する為に第１の発明における平型半導体素子用スタックによれば、複数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した積層体をこの積層体の少なくとも一端に加圧のために設けた弾性体を介して対向配置した加圧支持板間に配置し、この加圧支持板間を、加圧支持板に支持され且つ嵌挿して設けられた接続金具およびこの接続金具間を接続する絶縁スタッドボルトにより連結し、前記接続金具は内面中間部にねじ部を有する筒状に形成され、この接続金具のねじ部に前記絶縁スタッドボルトの端部に形成したねじ部をねじ結合して成り、前記絶縁スタッドボルトと接続金具とのねじ結合部の長さをねじ直径の１．５倍〜５倍の長さとしたことを特徴とする。
この構成により絶縁スタッドボルトのねじ部強度を高めることができる。
第２の発明における平型半導体素子用スタックによれば、筒状の接続金具の円筒部の内径を、絶縁スタッドボルトのねじ部につながる部分の外径と嵌め合い関係にあるようにしたことを特徴とする。
この構成により絶縁スタッドボルトのねじ部に曲げ方向の力などの無理な力が掛からないようにすることができる。
第３の発明における平型半導体素子用スタックによれば、絶縁スタッドボルトがねじ込まれる接続金具が加圧支持板を貫挿して配置され、接続金具端部を加圧支持板で支持することを特徴とする第１の発明として記載の平型半導体素子用スタック。
この構成により圧接力（絶縁スタッドボルトには引張力が生じる）が接続金具を介して加圧支持板に伝わり、接続金具も絶縁スタッドボルトと共に引張り弾性変形するため絶縁スタッドボルトのねじ部に生じる応力を緩和できる。
第４の発明における平型半導体素子用スタックによれば、絶縁スタッドボルトがねじ込まれる筒状の接続金具のねじ部は中間部のみとし、その両側はねじ加工を施さないねじの谷の径以上の円筒部としたことを特徴とする。
この構成により接続金具のねじ部を挟んで形成した両端部の円筒部は、一方では絶縁スタッドボルトの曲げ防止を、他方の円筒部では引張り荷重を受ける部分が金属部分の円筒のみとなるため、円筒の厚みを調整することで引張力による弾性伸びを利用し、絶縁スタッドボルトに無理な力が生じないようにすることができる。
第５の発明における平型半導体素子用スタックによれば、一方の加圧支持板に対向させてボルト加圧支持板を配置し、このボルト加圧支持板の中央に１本とその両側に等間隔に各１本のボルトをねじ込み、接続金具はボルト加圧支持板を貫挿して設けたことを特徴とする。
この構造により３本のボルトをねじ込むことにより、その反力で平型半導体素子用スタックが圧接されるため絶縁スタッドボルトにはねじりや曲げが生じない圧接ができるようになる。また圧接機構を備えた平型半導体素子用スタックとなる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、絶縁スタッドボルトとして例えばＦＲＰ製の絶縁棒をねじ結合によって平型半導体素子用スタックのフレームとして構成し、長期間に亘り使用することができる平型半導体素子用スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態を示す平型半導体素子用スタックの構成図。
【図２】平型半導体素子用スタックの絶縁スタッドボルトと結合する接続金具の形状を示す断面図
【図３】絶縁スタッドボルトねじ部の長さとせん断応力との関係を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す平型半導体素子用スタックの圧接機構部の平面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す平型半導体素子用スタックの構造を示す正面図。
【図６】従来の平型半導体素子用スタックの構成図。
【符号の説明】
１…スタック
３…平型半導体素子
５…導体
７…さらばね
８Ｂ…ボルト加圧支持板
１１Ａ，Ｂ，Ｃ…ボルト
２…絶縁スタッドボルト
４…ヒートシンク
６…球面座
８…上部加圧支持板
９…下部加圧支持板
１０…接続金具
１１…ボルト
８０…ボルト加圧支持板
【図１】
0004546008.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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