(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、複数の平形状の半導体素子とを交互に積層し、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材に形成された締め付けボルトを挿入するための孔部に該締め付けボルトを螺合することにより、前記固定部材間を一体的に固定する半導体スタックであって、
互いに隣接する前記冷却フィンには、積層方向に沿って前記冷却媒体用流路の出口と入口とが対向して設けられており、
互いに隣接する前記冷却フィン間には、前記半導体素子の外形形状と同一形状の開口部と、前記締め付けボルトが挿入される孔部と、前記出口および前記入口を連通する連結通路と、を備える絶縁部材が配設されるとともに、
前記冷却フィンは、前記出口および前記入口を囲繞して溝部を形成し、前記溝部には、前記絶縁部材よりも軟質なシール部材が装着され、
前記半導体素子が前記絶縁部材の前記開口部に嵌入された状態で、隣接する前記冷却フィンとの間に該絶縁部材が配置され、
前記締め付けボルトが前記固定部材および前記絶縁部材の孔部に挿入されることにより、前記冷却フィンおよび前記絶縁部材は、前記締め付けボルトを介して前記固定部材間に一体的に固定されるとともに、
当該半導体スタックの一端側に皿ばねが前記半導体素子に対応して配設され、前記締め付けボルトを基準にして、前記絶縁部材が前記冷却フィンに位置決めされることを特徴とする半導体スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に冷却媒体用流路が形成される複数の冷却フィンと、平形状の半導体素子とを交互に積層し、その積層方向両側から固定部材で挟持するとともに、前記固定部材間を締め付けボルトで一体的に固定する半導体スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、溶接トランス等に使用される半導体スタックは、平形状の半導体素子を複数の冷却フィン間に加圧挟持するように構成されており、前記冷却フィン内の流路を流れる冷却水（冷却媒体）を介して、前記半導体素子から発生する熱を冷却している。
【０００３】
この種の半導体スタックでは、通常、各冷却フィンの水路同士がゴムホースにより接続されているため、前記冷却フィンの側面から前記ゴムホースの湾曲部分が大きく突出して前記半導体スタック全体が大型化するとともに、該ゴムホースの湾曲部分に亀裂等が発生し易いという不具合があった。
【０００４】
そこで、この種の不具合を回避するために、種々の提案がなされており、例えば、特許第２５２９６２８号公報に開示されている半導体スタック装置が知られている。この従来技術では、図５に示すように、半導体素子１と水冷フィン２とが積層されるとともに、各水冷フィン２に設けられた冷却用流路２ａの連結孔２ｂに連結短管３が接続されている。連結短管３は、柔軟な素材で形成された内管３ａの外側に、堅牢な耐圧管３ｂが被膜された２重管構造を採用している。これにより、冷却水循環用のゴムホースが不要になって嵩張る部分が存在することがなく、装置全体のコンパクト化が図られる、としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、水冷フィン２同士の間に半導体素子１と連結短管３を配設しながら、これらを積み重ねる作業が行われるため、半導体スタック装置全体の組み立て作業が相当に困難なものとなっている。特に、水冷フィン２に対する半導体素子１の位置決めが難しく、例えば、前記半導体素子１が前記水冷フィン２に形成された冷却用流路２ａに対応する位置からずれて固定された場合、半導体素子１の冷却効率が低下してしまうという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、冷却フィンに対して半導体素子を簡単かつ高精度に位置決めするとともに、容易に小型化を図ることが可能な半導体スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体スタックでは、互いに隣接する冷却フィンには、積層方向に沿って冷却媒体用流路の出口と入口とが対向して設けられており、互いに隣接する前記冷却フィン間に絶縁部材が介装されるとともに、前記絶縁部材は、半導体素子の外形形状と同一形状の開口部と、締め付けボルトが挿入される孔部と、前記出口および前記入口を連通する連結通路とを備えている。さらに、冷却フィンは、出口および入口を囲繞して溝部を形成しており、前記溝部には、絶縁部材よりも軟質なシール部材が装着されて前記出口、連結通路および前記入口を液密に維持している。
【０００８】
そこで、絶縁部材の開口部に半導体素子を嵌挿した状態で、前記絶縁部材と冷却フィンとが重ね合わされた後、締め付けボルトが該絶縁部材の孔部に挿入される。このため、冷却フィンおよび絶縁部材は、締め付けボルトを介して一体的に固定されるとともに、前記締め付けボルトを基準にして、前記絶縁部材が前記冷却フィンに位置決めされる。
【０００９】
これにより、簡単な作業で、半導体素子を冷却フィンの所望の部分に高精度かつ確実に配設することができ、前記半導体素子の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。しかも、締め付けボルトを基準にして、絶縁部材の連結通路により、互いに隣接する冷却フィンの出口と入口とを確実に連通させることができる。
【００１０】
さらに、半導体素子が絶縁部材の開口部に嵌入されるため、この半導体素子の防塵が有効になされるとともに、前記絶縁部材の連結通路が冷却フィンの出口および入口に確実に連通する。従って、構成を簡素化することができ、しかも半導体スタック全体の小型化が有効に図られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体スタック１０の分解斜視図であり、図２は、前記半導体スタック１０の概略正面説明図である。
【００１２】
半導体スタック１０は、短形状の第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６と、前記第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６間に絶縁部材１８を介して配置される半導体素子２０とを備えるとともに、その積層方向（矢印Ａ方向）両側から第１および第２支持板（固定部材）２２、２４が配置され、前記第１および第２支持板２２、２４間は複数本、例えば、４本の締め付けボルト２６により一体的に固定されている。
【００１３】
第１冷却フィン１２は、内部に冷却媒体（例えば、冷却水）用流路２８が形成されており、この流路２８の入口２８ａが前記第１冷却フィン１２の側面１２ｂに開口している。流路２８の出口２８ｂは、第２冷却フィン１４に対向する第１冷却フィン１２の面１２ａに開口される。第２冷却フィン１４は、内部に冷却媒体用流路３０を設けるとともに、この流路３０の入口３０ａが第１冷却フィン１２の面１２ａに対向する面１４ａに設けられる一方、前記流路３０の出口３０ｂは、第３冷却フィン１６に対向する面１４ｃに形成される。
【００１４】
同様に、第３冷却フィン１６の内部に冷却媒体用流路３２が形成され、この流路３２の入口３２ａが第２冷却フィン１４に対向する面１６ａに形成されるとともに、前記流路３２の出口３２ｂが前記第３冷却フィン１６の側面１６ｂに開口している。第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６の四隅には、締め付けボルト２６を挿入するための孔部３３が形成される。
【００１５】
絶縁部材１８は、樹脂系材料で形成された板状を有しており、その中央部には、半導体素子２０の外形形状と同一形状の開口部３４が形成される。絶縁部材１８の四隅には、開口部３４の外方に位置して締め付けボルト２６を挿入するための孔部３６が形成される。この絶縁部材１８には、第１冷却フィン１２の出口２８ｂと第２冷却フィン１４の入口３０ａ、および前記第２冷却フィン１４の出口３０ｂと第３冷却フィン１６の入口３２ａを、それぞれ連通するための連結通路３８が所定の位置に対応して貫通形成される。
【００１６】
図３に示すように、第１および第２冷却フィン１２、１４の面１２ａ、１４ａには、出口２８ｂおよび入口３０ａを囲繞して周溝（溝部）４０、４２が形成され、前記周溝４０、４２には、絶縁部材１８よりも軟質なＯリング（シール部材）４４が装着される。第２冷却フィン１４の側面１４ｃと第３冷却フィン１６の面１６ａには、出口３０ｂおよび入口３２ａを囲繞して周溝（溝部）４６、４８が形成され、前記周溝４６、４８には、絶縁部材１８よりも軟質なＯリング（シール部材）５０が装着される。
【００１７】
第１および第３冷却フィン１２、１６には、絶縁板５２、５４を介装して第１および第２支持板２２、２４が配置される。第１および第２支持板２２、２４は、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ）で構成されており、この第１支持板２２の四隅には、締め付けボルト２６を挿入するための孔部５６が形成される。第２支持板２４の中央には、大径な凹部５８が形成されており、この凹部５８に皿ばね６０が配置される。この第２支持板２４の四隅には、締め付けボルト２６の先端が螺合するねじ孔６２が形成されている。絶縁板５２、５４の四隅には、締め付けボルト２６を挿入するための孔部６４が設けられている。
【００１８】
次に、このように構成される半導体スタック１０を組み立てる作業について説明する。
【００１９】
まず、絶縁部材１８の開口部３４に半導体素子２０が嵌入された後、この絶縁部材１８が、第１冷却フィン１２と第２冷却フィン１４との間、および前記第２冷却フィン１４との第３冷却フィン１６との間に配置される。そこで、第１および第３冷却フィン１２、１６の積層方向両側に、絶縁板５２、５４を介装して第１および第２支持板２２、２４が配設される。この第２支持板２４では、凹部５８に皿ばね６０が配置されている。
【００２０】
次いで、締め付けボルト２６が第１支持板２２の孔部５６から第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６に形成された孔部３３と、各絶縁部材１８に形成された孔部３６と、絶縁板５２、５４に形成された孔部６４とに一体的に挿入される。さらに、締め付けボルト２６の先端部が、第２支持板２４に形成されているねじ孔６２に螺合することにより、半導体スタック１０が一体的に組み付けられる。
【００２１】
そして、半導体スタック１０の使用時に半導体素子２０を冷却する際には、図３に示すように、第１冷却フィン１２の側面１２ｂに形成される入口２８ａに冷却水等の冷却媒体が導入される。この冷却媒体は、第１冷却フィン１２の内部に形成された流路２８を通って出口２８ｂから絶縁部材１８の連結通路３８に導入され、この連結通路３８に連通する入口３０ａを介して第２冷却フィン１４の流路３０に導入される。冷却媒体は、流路３０の出口３０ｂから絶縁部材１８の連結通路３８を介して入口３２ａに導入され、第３冷却フィン１６の流路３２を通って出口３２ｂから外部に排出される。
【００２２】
この場合、第１の実施形態では、半導体素子２０が絶縁部材１８の開口部３４に嵌入された状態で、この絶縁部材１８が第１冷却フィン１２と第２冷却フィン１４との間、および前記第２冷却フィン１４と第３冷却フィン１６との間に配置され、締め付けボルト２６が前記絶縁部材１８の孔部３６に挿入される。
【００２３】
このため、絶縁部材１８は、締め付けボルト２６を基準にして、第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６に対して位置決めされ、前記絶縁部材１８の開口部３４に嵌入して位置決め保持されている半導体素子２０が、前記第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６に対して位置決めされる。
【００２４】
これにより、第１の実施形態では、簡単な構成で、半導体素子２０を第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６の所望の部分に対して高精度かつ確実に配置することができ、前記半導体素子２０の冷却効率を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００２５】
さらに、半導体素子２０が絶縁部材１８の開口部３４に嵌入されるため、半導体スタック１０を、例えば、溶接機に用いた際に、前記半導体素子２０にスパッタが付着することを防止する等、防塵性を有効に確保するとともに、前記絶縁部材１８に設けられた連結通路３８を介して、半導体スタック１０内に冷却用の流路が連続して構成されることになる。このため、単一の絶縁部材１８が半導体素子２０の防塵機能と冷却用流路形成機能とを備えることができ、構成を有効に簡素化するとともに、半導体スタック１０全体の小型化が図られるという利点が得られる。
【００２６】
さらにまた、図３に示すように、例えば、第１および第２冷却フィン１２、１４では、出口２８ｂおよび入口３０ａを囲繞して周溝４０、４２が形成され、前記周溝４０、４２には、絶縁部材１８よりも軟質なＯリング４４が装着されている。従って、第１および第２冷却フィン１２、１４と絶縁部材１８との間から冷却媒体が漏洩することがなく、簡単な構成で、所望の液密性を確保することが可能になる。
【００２７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体スタック８０が組み付けられた溶接トランス８２の一部断面正面図である。なお、第１の実施形態に係る半導体スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２８】
溶接トランス８２は、積層鋼板からなる一対のカットコア８４を備え、このカットコア８４には、一次コイル８６と二次コイル８８とが巻き付けられている。二次コイル８８のマイナス側の端部８８ａ、８８ｂには、それぞれ第２冷却フィン１４の端部９０が固定されている。
【００２９】
半導体スタック８０は、中央の絶縁板５４を挟んで左右対称に構成されており、それぞれ対をなす第１および第３冷却フィン１２、１６に電極板９２が一体的に連結される。この電極板９２の端部には、プラス側の出力端子部９４が設けられる。溶接トランス８２では、マイナス側の出力端子部９６が設けられており、出力端子部９４と出力端子部９６とには、図示しない溶接ガンアームが接続されている。
【００３０】
このように構成される第２の実施形態では、積層方向（矢印Ａ方向）に４つの半導体素子２０がそれぞれ対をなす第１乃至第３冷却フィン１２、１４および１６に挟持されて重ね合わされている。その際、各半導体素子２０が絶縁部材１８に保持されて配置されるため、前記半導体素子２０を所望の位置に容易かつ高精度に位置決めすることができ、前記半導体素子２０の冷却効率が有効に向上する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
特に、多数（例えば、４個）の半導体素子２０を備える半導体スタック８０では、組み立て作業を一挙に簡単かつ迅速に遂行することができ、高品質な半導体スタック８０を容易に製造し得るという利点がある。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係る半導体スタックでは、絶縁部材の開口部に半導体素子が嵌挿された状態で、前記絶縁部材と冷却フィンとが重ね合わされ、締め付けボルトを介して前記冷却フィンおよび前記絶縁部材が一体的に固定される。これにより、締め付けボルトを基準にして、絶縁部材が冷却フィンに対し位置決めされるため、前記絶縁部材に位置決めされている半導体素子を前記冷却フィンの所望の部分に高精度かつ確実に配設することができる。
【００３３】
これにより、簡単な作業で、半導体素子と冷却フィンとを高精度に重ね合わせて、前記半導体素子の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックの分解斜視図である。
【図２】前記半導体スタックの概略正面説明図である。
【図３】図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に示す前記半導体スタックの冷却媒体用流路の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体スタックが組み付けられた溶接トランスの一部断面正面図である。
【図５】従来技術に係る半導体スタックの説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…半導体スタック            １２、１４、１６…冷却フィン
１２ａ、１４ａ、１４ｃ、１６ａ…面    １２ｂ、１４ｂ、１６ｂ…側面
１８…絶縁部材                        ２０…半導体素子
２２、２４…支持板                    ２６…締め付けボルト
２８、３０、３２…冷却媒体用流路      ２８ａ、３２ａ…入口
２８ｂ、３２ｂ…出口                  ３４…開口部
３６…孔部                            ３８…連結通路
４０、４２、４６、４８…周溝          ４４、５０…Ｏリング
５２、５４…絶縁板
【図１】
0004516237.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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