(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイリスタをパワー素子として主回路を開閉する無接点式半導体接触器であり、絶縁基板上にサイリスタ，主回路端子フレームを半田付け実装してなるパワー部を、ケース側面に主回路端子台を形成した外囲樹脂ケース内に組み込み、その上部に制御部，およびケースカバーを取付けて組立て構成したものにおいて、前記の主回路端子フレームを起立延長してその先端に外部接続用の端子部を形成するとともに、外囲樹脂ケースには端子台の背面壁部を切欠して端子導出窓を開口し、パワー部を外囲樹脂ケースに組み込んだ状態で、前記の端子導出窓を通して主回路端子フレームの端子部を外側へＬ字形に折り曲げ、主回路端子台上に直接引出したことを特徴とする無接点式半導体接触器。
【請求項２】
請求項１記載の半導体接触器において、外囲樹脂ケースの端子導出窓を端子台から起立する左右の相間隔壁の間に切欠き形成し、該端子導出窓をケースカバーの周壁から下方に延長した垂下壁部で閉塞したことを特徴とする無接点式半導体接触器。
【請求項３】
請求項２記載の半導体接触器において、端子台から起立する相間隔壁の後端部に縦向きの凹溝を形成し、該凹溝にケースカバーの垂下壁部の左右側縁を嵌め込んで固定したことを特徴とする無接点式半導体接触器。
【請求項４】
請求項１記載の半導体接触器において、主回路端子フレームのチップマウント部に対し、その周縁から起立してパワー素子を包囲する側壁部を形成したことを特徴とする無接点式半導体接触器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイリスタをパワー素子として主回路を開閉する無接点式半導体接触器，特にその組立構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
在来の電磁接触器（有接点式接触器）に置き代わる無接点式接触器として、サイリスタを主回路の開閉素子として採用した通称ソリッドステートコンタクタと呼ばれる半導体接触器が公知であり、その具体的な構成が例えば特公平４−３１４４２号公報に開示されている。
【０００３】
かかる半導体接触器は、電磁接触器の主接点に相当するパワー素子（開閉素子）からなるパワー部と、パワー素子の制御部と、パワー部，制御部を組み込んだケースとの組立体からなる。ここで、主回路のパワー素子には、１相当たり２個の逆阻止３端子サイリスタを逆並列に接続したもの，もしくは２方向性３端子サイリスタ（トライアック）を採用し、このサイリスタチップの主面（アノード，カソード端子、あるいはトライアックのT1端子, T2端子）にモリブデン，銅板などのヒートスプレッダを半田付けした上で主回路端子フレームとともにセラミックス基板などの絶縁基板上に半田付け実装し、これを放熱用の金属ベース上に搭載してパワー部を構成している。なお、基板として放熱用の金属ベース上に絶縁層，導体層を積層した構造の絶縁金属基板を採用したものもある。また、制御部は入力モジュール，点弧モジュール，スナバモジュールなどからなり、各モジュールは別々なプリント板として構成し、前記パワー部の上に積み重ねて配置する。なお、パワー部１，制御部２はそれぞれ別々な工程で製作され、製品の組立工程でケースと組合せて組み立て構成される。
【０００４】
次に、前記半導体接触器（３相回路用）の従来構造を図８〜図１０に示す。各図において、１はパワー部、２は制御部、３はパワー部１を組み込んだ外囲樹脂ケース、４は制御部２を収容して外囲樹脂ケース３の上に被せたケースカバーである。
ここで、パワー部１は放熱用の金属ベース５と、金属ベース上に搭載した絶縁基板６と、絶縁基板６の導体パターン上に主回路端子フレーム７と重ねて半田付け実装したサイリスタ（パワー素子）８との組立体からなる。また、制御部２は入力モジュール，点弧モジュール，スナバモジュールの各プリント板を上，中，下の３段に重ねた組立体としてなり、その上部には制御回路の端子台２ａを備えている。一方、外囲樹脂ケース３はその対向二辺の周壁から側方に主回路端子台３ａが突き出した樹脂成形品としてなり、主回路端子台３ａには外部接続用の端子金具（ねじ付き端子）９が装着してあり、該端子金具９はその後端がケースの周壁を貫通して内方に突き出している。なお、主回路端子台３ａには各相ごとに左右から上方に起立する仕切用の相間隔壁３ｂを備えている。また、ケースカバー４はその頂部の一辺に前記の制御回路端子台２ａを引き出す窓穴が開口した樹脂成形品であり、外囲樹脂ケース３の上に被せた上でケース側壁に形成した係合爪３ｃに係止固定される。
【０００５】
かかる構成の半導体接触器を組み立てるには、まず、前記パワー部１の組立体に対して、上方から外囲樹脂ケース３を被せてパワー部１の金属ベース５との間を接着固定した上で、主回路端子台３ａに設けたねじ付き端子金具９の後端と主回路端子フレーム７の立ち上がり端部との間を半田接合する。さらに、主回路端子台３ａに組み込んだ内部配線リード１５（制御部２との渡り接続用のリード片であり、上端にクリップ式のコネクタが形成されている）とサイリスタ８のゲート端子との間を配線し、その後に外囲樹脂ケース３の内部にシリコーンゲル，エポキシ樹脂などの封止樹脂（図示せず）を充填してパワー素子を封止する。
【０００６】
次に、外囲樹脂ケース３の上に制御部２の組立体を搭載した上で、制御部２と前記した内部配線リード１５との間をプラグイン式に接続し、最後にケースカバー４を外囲樹脂ケース３の上に被せて製品が完成する。なお、半導体接触器の実使用時には、前記した金属ベース５の下面側に放熱フィンなどのヒートシンクを伝熱結合してサイリスタ８の通電に伴う発熱を放熱するようにしている。
なお、図１１は、従来の半導体接触器におけるサイリスタのゲート電極に対するリード接続図であり、(a) はゲート電極の端子リードと内部配線リードとの接続構造図、(b) は(a) 図における絶縁金属基板との間に形成される漂遊容量の等価回路図である。図１１(a) で示すように、絶縁基板６の導体パターン６ａ上にサイリスタ８のゲート電極から引き出した端子リード８ａ，および内部配線リード１５に接続するリードピン１５ａとを並べて半田付けした構成では、図１１(b) の等価回路図で表すように、サイリスタ８（トライアック）の各電極Ｔ1--,Ｔ2，Ｇと絶縁基板６を挟んで対向する設置側の金属ベース５との間に、漂遊容量ＣT1，ＣT2，ＣG が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の組立構成になる従来の半導体接触器では、次記のような解決すべき問題点がある。すなわち、
(1) パワー部１の組立体を外囲樹脂ケース３に組み込んだ状態で、主回路端子フレーム７とケース側の端子台３ａに配した端子片９との間を半田接合するには、半田付け箇所に予備半田を施すなどした上で、組立体全体を加熱炉内に通して半田付けを行うようにしている。しかして、パワー部１の端子フレーム７，サイリスタ８はあらかじめパワー部の組立工程で絶縁基板６の上に半田付けされており、前記の製品組立工程で改めて加熱炉を通して端子フレームと外部接続用の端子片との間の半田付けを行うと、パワー素子であるサイリスタには高温加熱による熱ストレスが２回加わることになる。そのためにサイリスタ素子が劣化して信頼性が低下する。
【０００８】
また、先記のようにサイリスタ８を周囲環境から保護するために外囲樹脂ケース３内には封止樹脂を充填しているが、半導体接触器の製品テスト，および実使用時に加わるヒートサイクルに伴って封止樹脂が膨張，収縮すると、熱膨張率の差からサイリスタチップに応力が加わり、これが原因でサイリスタのチップにクラック，割れなどが生じて破損することがある。
【００１０】
本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、その目的は前記の課題を解決して信頼性の高い無接点式半導体接触器，特にその組立構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、絶縁基板上にサイリスタ，主回路端子フレームを半田付け実装してなるパワー部を、ケース側面に主回路端子台を形成した外囲樹脂ケース内に組み込み、その上部に制御部，ケースカバーを取付けて組立てた半導体接触器を対象に、次記のように構成するものとする。
【００１２】
(1) 前記の主回路端子フレームを起立延長してその先端に外部接続用の端子部を形成するとともに、外囲樹脂ケースには端子台の背面壁部を切欠して端子導出窓を開口し、パワー部に外囲樹脂ケースを被せた状態で前記の端子導出窓を通して主回路端子フレームの端子部を外側へＬ字形に折り曲げ、主回路端子台上に直接引出すものとする。
【００１３】
かかる構成によれば、パワー部の主回路端子フレームと外部接続用端子片との間の半田付け工程が不要となり、製品の全組立工程を通じてサイリスタに加わる熱的ストレスは１回のみであり、それだけパワー部の信頼性が向上する。
(2) また、前記の構成において、パワー部を外囲樹脂ケースに組み込んだ状態で主回路端子フレームの先端に形成した端子部を外囲樹脂ケースの端子台へ引き出せるようにするために、本発明では、外囲樹脂ケースの端子導出窓を端子台から起立する左右の相間隔壁の間に切欠き形成し、該端子導出窓をケースカバーの周壁から下方に延長した垂下壁部で閉塞した組立て構造とし、さらに前記の端子台から起立する相間隔壁の後端部に縦向きの凹溝を形成しておき、該凹溝にケースカバーの垂下壁部の左右側縁を嵌め込んで固定するようにしている。
【００１４】
かかる構成でパワー部を外囲樹脂ケースに組み込む際には、主回路端子フレームはその外部接続用の端子部を起立させたままでパワー部に上方から外囲樹脂ケースを被せ、しかる後に端子フレームの先端端子部を外方に折り曲げ、前記の端子導出窓を通して端子台の上に導出することができる。なお、この組立状態では端子台の背面側に開口した端子導出窓が明いたままであるが、外囲樹脂ケースの上にケースカバーを被せることによりその垂下壁部で前記の端子導出窓が塞がれることになる。
【００１５】
(3) さらに、本発明によれば、先記した主回路端子フレームのチップマウント部について、その周縁から起立してパワー素子を包囲する側壁部を形成することができる。かかる構成により、サイリスタの周域に充填した封止樹脂の膨張，収縮に伴って生じた熱的応力が端子フレームの側壁部で分散され、これによりサイリスタのチップに直接加わるストレスが緩和されるので信頼性が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図８〜図１１に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
〔実施例１〕
図１〜図３において、パワー部１に設けた主回路端子フレーム７は、その詳細構造を図２(a),(b) で示すように全体形状がＬ字形になり、その上端部には端子ねじ穴を開口した外部接続用の端子部７ａが形成され、その基部には後工程で端子部７ａを折り曲げ易くするために切り込み溝７ｂが形成されている。また、底部側のチップマウント部７ｃにはその周縁から上方へＬ字形に起立する側壁７ｄを形成しており、この側壁７ｄでマウント部７ｃに半田マウントしたサイリスタ８のチップ周域を包囲するようにしている。なお、図１においては制御部２（図９参照）が省略して描かれてない。
【００１９】
また、パワー部１を組み込んだ外囲樹脂ケース３には、図３で示すように、主回路端子台３ａの各相ごとに相間を仕切る隔壁３ｂの間の後面壁を切り欠き、ここにケースの内側から端子台３ａの上面側に通じる端子導出窓３ｄを開口している。また、この端子導出窓３ｄに対応して左右の仕切り隔壁３ｂに縦向きの凹溝３ｅを形成し、この凹溝にケースカバー４の周壁から前記の端子導出窓３ｄに対応して下方へ延在する櫛歯状の垂下壁部４ａを差し込んで保持するようにしている。なお、図１において、１０は外囲樹脂ケース３に充填した封止樹脂、１１は主回路端子台３ａの穴に圧入して固定した端子のねじ座片である。
【００２０】
かかる構成の半導体接触器を組立てる際には、図３で示すように、まずパワー部１の組立体に上方から外囲樹脂ケース３を被せ、該ケースの底面を金属ベース５の上に重ね合わせて接着剤で接合する。続いて主回路端子フレーム７の上部先端に形成した端子部７ａを前記の切り込み溝７ｂを境に外側へＬ字状に屈曲させて前記端子導出窓３ｄを通して端子台３ａの上面に引き出し、ねじ座片１１の上に重ねる。次いで、樹脂ケース３内に封止樹脂１０を充填してサイリスタ８を樹脂封止した後、樹脂ケース３の上に制御部２（図９参照）の組立体を載置固定し、最後にケースカバー４を被せて樹脂ケース３の係合爪３ｃに係止固定する。この場合に、前記したケースカバー４の周壁から下方に延在する垂下壁部４ａの左右側縁が樹脂ケース３の端子台隔壁３ｂに形成した凹溝３ｅへ嵌合し、この位置で垂下壁部４ａが樹脂ケース３の端子導出窓３ｄを塞いで図１の組立状態となる。
【００２１】
そして、半導体接触器の実使用時には、前記の金属ベース５に放熱フィンなどのヒートシンクを結合し、電源側，負荷側の主回路導体を主回路端子台３ａに引出した主回路端子フレーム７の端子部７ａに直接ねじ止めして接続する。
〔実施例２〕
図４，図５は本発明の応用実施例を示すものであり、その基本構造は先記した実施例１と略同様であるが、サイリスタ８，主回路端子フレーム７を実装する基板として、伝熱性のよい銅板などの金属ベースに絶縁層，および銅箔を積層した放熱用金属ベース兼用の絶縁金属基板１２を採用し、銅箔に形成した導体パターン上に熱容量の大きな銅板１３（ヒートスプレッダ）を介してサイリスタ８を半田付けし、さらにサイリスタ８の側方位置で金属絶縁基板１２上に図５に示すような主回路端子フレーム７を半田付けしてパワー部１を構成している。ここで、端子フレーム７はその上端部に図２で述べたと同様な外部接続用の端子部７ａを形成し、実施例１と同様に外囲樹脂ケース３の周壁に開口して端子導出窓を通して端子部７ａを端子台３ａの上面に引出すようにしているのに対して、端子フレーム７の下端部は図示のようにＵ字形に屈曲してベンド部７ｆを形成し、その底面を前記した絶縁金属基板１２の導体パターンに半田付けしている。
【００２２】
〔実施例３〕
次に、サイリスタのゲート電極から引出した端子リードと制御部への接続用にパワー部内に組み込んだ内部配線リードの接続構造について、本発明の一実施例を図６に示す。この実施例においては、実施例２と同様にパワー部の基板として、金属ベース１２ａに絶縁層１２ｂ，銅箔１２ｃを積層した絶縁金属基板１２を採用し、銅箔１２ａで形成した導体パターンの上にヒートスプレッダとしての銅板１３を介してサイリスタ８を半田付けしており、さらに銅板１３の側方にはセラミックスなどの絶縁板の両面にメタライズを施した小片の絶縁基板１４を絶縁金属基板１２の上に半田付けし、該絶縁板１４を半田付け用のパッドとして、ここにサイリスタ８のゲート電極から引出した端子リード８ａ（図１１(a) 参照），および制御部２（図９参照）に通じる内部配線リード１５から分岐したリードピン１５ａの先端を並べて半田付け接続している。
【００２３】
かかる構成によれば、サイリスタ８のゲート電極から引出した端子リード８ａの接続部と絶縁金属基板１２の金属ベース１２ａとの間には、絶縁金属基板１２の絶縁層１２ｂと前記した小片の絶縁基板１４とが直列に介挿されることになり、これにより図１１(b) で述べた漂遊容量ＣG が図１１(a) の従来構造と比べて半減し、その分だけゲート電極に流れ込むノイズ電流ｉG （図１１(b) 参照）が小さく抑えられてノイズ耐量が向上する。
【００２４】
〔実施例４〕
図７は、前記実施例３とは異なる一実施例を示すものである。この実施例においては、サイリスタ８のゲート電極から引出した端子リード８ａを絶縁金属基板１２の上へ落とさずにそのまま上方に立ち上がらせ、サイリスタ８の上方に敷設した内部配線リード１５に直接半田付けして接続している。かかる構成によれば、サイリスタ８のゲート電極と絶縁金属基板１２の金属ベース１２ａとの間には、図１１(b) で述べた漂遊容量ＣG を含む閉ループが形成されず、これにより従来構造と比べてノズル耐量が向上する。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、次記の効果を奏する。
(1) 請求項１の構成によれば、パワー部を外囲樹脂ケースに組み込んだ状態で、従来の製品組立てに実施していた主回路端子フレームと外部接続用端子片との間の半田付け工程が不要となる。したがって、半導体接触器の全組立工程を通じてサイリスタに加わる熱ストレスは、パワー部の組立工程でサイリスタを絶縁基板に半田付けする際の１回のみで済み、その分だけ従来と比べて製品の信頼性が向上する。
【００２６】
(2) また、請求項２，３の構成を採用することにより、パワー部に外囲樹脂ケースを上方から被せた組立後の状態で、主回路端子フレームの端子部を樹脂ケースに開口した端子導出窓を通して主回路端子台上に引き出すことができて組立てが簡単に行えるとともに、パワー部の樹脂ケースにケースカバーを被せた状態では前記端子導出窓がケースカバーの垂下壁部で塞がれ、かつこの垂下壁部を樹脂ケース側の凹溝に嵌め込んで安定よく固定することができる。
【００２７】
(3) さらに、請求項４の構成によれば、サイリスタの周域に充填した封止樹脂の膨張，収縮に伴って生じた熱的応力が端子フレームのチップマウント部周縁に形成した側壁部で分散され、これによりサイリスタのチップに直接加わる熱的ストレスを緩和して信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に対応する半導体接触器の構成断面図
【図２】図１における主回路端子フレームの構造図であり、(a) は正面図、(b) は側面図、(c) は平面図
【図３】図１の半導体接触器の組立手順を表すパワー部，外囲樹脂ケース，ケースカバーの分解斜視図
【図４】本発明の実施例２に対応する半導体接触器の構成断面図
【図５】図４における主回路端子フレームの構造図であり、(a) は正面図、(b) は側面図
【図６】本発明の実施例３に対応するサイリスタのゲート電極から引出した端子リードの接続構造図
【図７】本発明の実施例４に対応するサイリスタのゲート電極から引出した端子リードの接続構造図
【図８】従来における半導体接触器の外観斜視図
【図９】図８の内部構造を表す構成断面図
【図１０】図８におけるパワー部と外囲樹脂ケースとの組立状態を表す斜視図
【図１１】従来の半導体接触器におけるサイリスタのゲート電極に対するリード接続図であり、(a) はゲート電極の端子リードと内部配線リードとの接続構造図、(b) は(a) 図における絶縁金属基板との間に形成される漂遊容量の等価回路図
【符号の説明】
１    パワー部
２    制御部
３    外囲樹脂ケース
３ａ  主回路端子台
３ｂ  相間隔壁
３ｄ  端子導出窓
３ｅ  凹溝
４    ケースカバー
４ａ  垂下壁部
５    金属ベース
６    絶縁基板
７    主回路端子フレーム
７ａ  端子部
７ｃ  チップマウント部
７ｄ  側壁部
８    サイリスタ（パワー素子）
８ａ  ゲート電極の端子リード
１０    封止樹脂
１２    絶縁金属基板
１２ａ  金属ベース
１２ｂ  絶縁層
１２ｃ  銅箔
１４    絶縁板
１５    内部配線リード
１５ａ  リードピン
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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