(57)【要約】【課題】  半導体素子が積層される構成を備え、積層される方向のサイズを小さくすることのできる半導体装置を提供することにある。【解決手段】  積層方向に積層された複数の平型素子８と、積層方向に加圧する皿バネ４と、絶縁物で形成され、皿バネ４の加圧により、積層方向に平型素子８を球面形状の押圧面で押圧する皿バネガイド部５と、皿バネガイド部５の押圧面と凹面形状の接触面で接触し、皿バネガイド部５による押圧力を受け、複数の平型素子８を密着させるように力を伝達する金属製球面受け座６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向に積層された複数の半導体素子と、
前記積層方向に加圧する皿バネと、
絶縁物で形成され、前記皿バネの加圧により、前記積層方向に前記半導体素子を球面形状の押圧面で押圧する押圧手段と、
前記押圧手段の前記押圧面と凹面形状の接触面で接触し、前記押圧手段による押圧力を受け、前記複数の半導体素子を密着させるように力を伝達する押圧力受け手段と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記複数の半導体素子と積層され、前記複数の半導体素子を冷却するヒートシンク
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記押圧手段は、セラミックスで形成されたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記押圧手段は、前記押圧面の先端部分が平面であり、
前記押圧力受け手段は、前記接触面と前記押圧手段の前記押圧面が密着した状態で、前記接触面と前記押圧面の前記先端部分との間に空間がある形状であること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記押圧手段は、前記積層方向の絶縁距離が長くなるような凹凸が形成されたこと
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体素子が積層され、両端を加圧した状態で留める構造の半導体装置が知られている。
【０００３】
例えば、平型半導体素子及び水冷フィンを台座間に複数組積層し、これらを、絶縁座用金具を介して円錐加圧体又は球面加圧体で加圧する際、絶縁座用金具にザグリを設け、平型半導体素子の外周部に圧力を加えることにより、外周部での熱破壊を防止するスタックユニットを備えた電力変換装置が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、半導体基体を挟んで、その表裏にそれぞれ設けられた第１冷却機構及び第２冷却機構と、第１冷却機構の表面、及び第２冷却機構の裏面にそれぞれ設けられた第１絶縁部材及び第２絶縁部材と、第１絶縁部材と第２絶縁部材を表裏面から挟み、第１絶縁部材と第２絶縁部材の間に所定の圧力で押圧する押圧機構と、を備え、第１冷却機構の第１絶縁部材に接する第１圧接面と第２冷却機構の第２絶縁部材に接する第２圧接面のいずれか、あるいは双方に凹部が設けられている圧接型半導体装置が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１３０７１８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３６００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体素子が積層される構成の半導体装置は、積層される方向にサイズが大きくなる。したがって、積層される方向のサイズを小さくすることが要求される。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、半導体素子が積層される構成を備え、積層される方向のサイズを小さくすることのできる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の観点に従った半導体装置は、積層方向に積層された複数の半導体素子と、前記積層方向に加圧する皿バネと、絶縁物で形成され、前記皿バネの加圧により、前記積層方向に前記半導体素子を球面形状の押圧面で押圧する押圧手段と、前記押圧手段の前記押圧面と凹面形状の接触面で接触し、前記押圧手段による押圧力を受け、前記複数の半導体素子を密着させるように力を伝達する押圧力受け手段とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体素子が積層される構成を備え、積層される方向のサイズを小さくすることのできる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す構成図。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の上部の構成を示す構成図。
【図３】第１の実施形態に係る皿バネガイド部の構成を示す構成図。
【図４】第１の実施形態に係る皿バネガイド部の球面部と金属製球面受け座との接触状態を示す模式図。
【図５】第１の実施形態に係る球面部と金属製球面受け座との接触状態を示す模式図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る皿バネガイド部の構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置２０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１２】
半導体装置２０は、電力変換装置で用いる平型素子スタックである。平型素子スタックは、電力変換回路を構成する構成部品である。
【００１３】
半導体装置２０は、２つの押え板１、４つのスタッド２、８つのナット３、複数の皿バネ４、皿バネガイド部５、２つの金属製球面受け座６、２つの銅ブロック７、５つの平型素子８、４つのヒートシンク９、球面部１０、及び、５つの端子１１を備える。
【００１４】
上側の押え板１の下側（内側）には、上下動に可動するように、皿バネガイド部５が取り付けられる。複数の皿バネ４は、皿バネガイド部５に貫通された状態で設けられる。下側の押え板１の上側（内側）には、球面部１０が取り付けられる。
【００１５】
皿バネ４は、リング形状である。皿バネ４の中央の穴に、皿バネガイド部５が通される。皿バネ４は、伸長することにより、下側に力を加える弾性体である。皿バネ４は、金属製であり、表面には、錆止め塗装がされる。
【００１６】
２つの押え板１の間は、４つのスタッド２と８つのナット３により締め付けられる。押え板１のそれぞれの４隅には、穴が設けられる。押え板１の４隅に設けられた穴には、４つのスタッド２の端部がそれぞれの２つの押え板１の間の内側から挿入される。押え板１の４隅の穴からそれぞれ外側に突き出たスタッド２の端部をナット３により締め付ける。これにより、２つの押え板１の間が縮まり、皿バネ４により加圧されて、２つの押え板１の間にある構成部品が密着状態に維持される。
【００１７】
皿バネガイド部５と球面部１０との間には、２つの金属製球面受け座６で挟まれた、積層状態の構成部品が配置される。積層状態の構成部品は、上から順に、銅ブロック７、端子１１、平型素子８、ヒートシンク９、端子１１、平型素子８、ヒートシンク９、端子１１、平型素子８、ヒートシンク９、端子１１、平型素子８、ヒートシンク９、平型素子８、端子１１、銅ブロック７となるように積み重ねられる。
【００１８】
上側の金属製球面受け座６は、皿バネ４による加圧により、皿バネガイド部５が下方向に押圧する力を受け、積層状態の構成部品を密着させるように力を伝達する。下側の金属製球面受け座６は、球面部１０から上方向に押圧する力を受け、積層状態の構成部品を密着させるように力を伝達する。
【００１９】
平型素子８は、電力変換回路（電気回路）を構成する半導体素子である。例えば、平型素子８は、スイッチング素子である。
【００２０】
ヒートシンク９は、平型素子８に隣接して設けられる。ヒートシンク９は、隣接する平型素子８から発生する熱を冷却する。ヒートシンク９は、外側の表面が外気と触れることにより、平型素子８を冷却する。なお、ヒートシンク９は、外気と触れる外側表面の面積を広くして冷却効果を向上させるために、又は、積層方向の絶縁距離を実際の積層方向の長さ（高さ）よりも長くするために、側面が凹凸状に形成されてもよい。
【００２１】
端子１１は、電力変換回路に接続される端子である。例えば、端子１１は、直流端子、交流端子、又はゲート端子などである。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る半導体装置２０の上部の構成を示す構成図である。図３は、本実施形態に係る皿バネガイド部５の構成を示す構成図である。
【００２３】
皿バネガイド部５は、球面部５１とガイド部５２とからなる。
【００２４】
球面部５１は、平たい円柱形状の一方の面を球面形状にした形状で、さらに球面形状の先端部分を平面にした形状である。球面部５１の円柱形状の部分の直径は、皿バネ４の穴の直径よりも大きい。球面部５１の平面部分の円周方向の外側は、皿バネ４と接触する。したがって、球面部５１の平面部分は、皿バネ４と平面的に接触するような形状に加工がされる。球面部５１は、平型素子８と押え板１との間（又は、金属製球面受け座６とガイド部５２との間）の絶縁距離が確保できる高さである。球面部５１は、セラミックスなどの絶縁物で形成される。
【００２５】
ガイド部５２は、皿バネ４の穴の直径よりも一回り小さい直径の円柱形状である。ガイド部５２の一方の面は、球面部５１の平面部分と接着される。ガイド部５２は、金属製である。
【００２６】
皿バネ４が伸長する力により、皿バネガイド部５の球面部５１が金属製球面受け座６を押圧することにより、積層状態の構成部品が密着状態になる。
【００２７】
図４は、本実施形態に係る皿バネガイド部５の球面部５１と金属製球面受け座６との接触状態を示す模式図である。
【００２８】
球面部５１の金属製球面受け座６と接触する表面は、球面形状に膨らんでいるが、先端は平らである。金属製球面受け座６の球面部５１と接触する面は、球面部５１の表面の球面形状の部分と一致するような凹面形状である。これにより、球面部５１の先端部分と金属製球面受け座６の表面の最深部分との間には、球面部５１と金属製球面受け座６が完全に密着した状態でも、空間ＳＰができる。したがって、球面部５１は、表面の円周側（外側）にある球面形状の部分でのみ、金属製球面受け座６を押圧し、表面の先端部分では、金属製球面受け座６を押圧しない。
【００２９】
図５は、本実施形態に係る球面部１０と金属製球面受け座６との接触状態を示す模式図である。
【００３０】
球面部１０は、皿バネガイド部５の球面部５１と同形状で金属製である。球面部１０と金属製球面受け座６との接触状態は、図４に示す皿バネガイド部５の球面部５１と金属製球面受け座６との接触状態と、位置が上下反対である点以外は同じである。したがって、球面部１０の先端部分と金属製球面受け座６の表面の最深部分との間には、球面部１０と金属製球面受け座６が完全に密着した状態でも、空間ＳＰができる。
【００３１】
本実施形態によれば、皿バネガイド部５の球面部５１を絶縁物にすることで、平型素子８と押え板１との間に、絶縁物を別途設ける必要がないため、積層される構成部品の積層方向（高さ方向）のサイズを小さくすることができる。また、絶縁物を別途設ける必要がないため、半導体装置２０の構成部品を減らすことができる。これにより、半導体装置２０の製造コストを低減することができる。
【００３２】
また、皿バネガイド部５の球面部５１の先端部分と金属製球面受け座６の表面の最深部分との間に、球面部５１と金属製球面受け座６が完全に密着した状態でも、空間ＳＰができるようにすることで、金属製球面受け座６の表面を球面部５１の先端部分で押圧することを避けることができる。これにより、球面部５１の先端部分に押圧力が集中することをさけ、球面部５１の表面の円周側で金属製球面受け座６の表面を押圧することができる。これにより、皿バネガイド部５による押圧力を、金属製球面受け座６の表面で全体的に均一に分散するように力を受けることができる。
【００３３】
さらに、球面部５１をセラミックスなどの加工のし易い絶縁物とすることで、金属と比較して、Ｒ加工などの成形加工をし易くすることができる。これにより、皿バネ４との接触面の加工精度が向上させることができる。したがって、球面部５１が金属である場合と比較して、皿バネ４と球面部５１を面積のより広い平面で接触させることができるため、錆止め塗装を剥がれ難くすることができる。錆止め塗装の剥がれを防止することで、錆の発生を防止し、塗装剥がれによる積層方向のサイズの減少を防止できる。積層方向のサイズの減少を防止することで、平型素子８などの積層される構成部品の面圧低下を防止することができる。したがって、面圧低下による平型素子８の接続不良又は冷却効果の低減などのトラブルを軽減することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る皿バネガイド部５Ａの構成を示す構成図である。
【００３５】
本実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態に係る半導体装置２０において、皿バネガイド部５を皿バネガイド部５Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る半導体装置２０と同様である。
【００３６】
皿バネガイド部５Ａは、図３に示す第１の実施形態に係る皿バネガイド部５において、球面部５１を球面部５１Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る皿バネガイド部５と同様である。
【００３７】
球面部５１Ａは、第１の実施形態に係る球面部５１において、円周面（積層方向を垂直とした場合の側面）に、積層方向の絶縁距離が、実際の積層方向の長さ（高さ）よりも長くなるような溝などの凹凸を形成し、高さを低くした形状である。その他の点は、第１の実施形態に係る球面部５１と同様である。
【００３８】
なお、球面部５１Ａの円周面の形状は、積層方向の絶縁距離が長くなるような凹凸が形成されていれば、波形状、蛇腹形状、螺旋形状、ひだ形状など、どのような形状でもよい。
【００３９】
本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、皿バネガイド部５の球面部５１Ａの側面に、積層方向（高さ方向）の絶縁距離が長くなるような凹凸を形成することで、絶縁距離を変えずに、球面部５１Ａの高さを低くすることができる。これにより、平型素子８と押え板１との絶縁を維持し、半導体装置の高さを低くすることができる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１…押え板、２…スタッド、３…ナット、４…皿バネ、５…皿バネガイド部、６…金属製球面受け座、７…銅ブロック、８…平型素子、９…ヒートシンク、１０…球面部、１１…端子、２０…半導体装置。
【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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