(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電極に放熱部が設けられた半導体素子と、
前記半導体素子に制御信号を与えるための制御回路が配設された制御基板と、
前記放熱部と前記制御基板とを連結して固定する固定部材と
を備え、
前記放熱部は冷却フィンであって、
前記固定部材の前記放熱部への取り付け部は、前記冷却フィンの少なくとも一つを挟み込んで前記冷却フィンに固着する半導体装置。
【請求項２】
主電極に放熱部が設けられた半導体素子と、
前記半導体素子に制御信号を与えるための制御回路が配設された制御基板と、
前記放熱部と前記制御基板とを連結して固定する固定部材と
を備え、
前記放熱部は冷却フィンであって、
前記冷却フィンの複数が前記固定部材の前記放熱部への取り付け部を挟み込んで前記固定部材を固着する半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記冷却フィンと前記固定部材とを貫通する連結部材により、前記固定部材の前記取り付け部が前記冷却フィンに固着される
半導体装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記固定部材は、
前記制御基板に固着される第１固定部材と、
前記第１固定部材に連結可能で、前記固定部材の前記放熱部への前記取り付け部たる第２固定部材と
を含む
半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子および制御基板は複数であって、
前記複数の半導体素子および制御基板は圧接されてスタック構造を構成する
半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置であって、
前記複数の制御基板を連結する他の固定部材
をさらに備える半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ゲート転流形ターンオフ（Gate Commutated Turn-off：以下ＧＣＴと称する）サイリスタ等の電力用の半導体素子を含む半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＴＯ（Gate Turn-Off）サイリスタやＧＣＴサイリスタは、ゲートに制御信号を与えることでアノード−カソード間に流れる電流を制御することが可能な電力用の半導体素子である。このような半導体素子には、そのゲートに制御信号を与えるための制御回路が設けられた制御基板が固定されて一体化されていることが多い。そして、半導体素子のアノードおよびカソードに冷却フィン付きの電極が接続されて、一つの半導体装置を構成する。
【０００３】
半導体素子および制御基板を含む半導体装置の従来例を図１３〜図１５に示す。なお、図１４は図１３中の切断線Ｙ−Ｙにおける断面図である。ここでは、半導体素子の例としてＧＣＴサイリスタ１が採用されている。
【０００４】
図１３および図１４に示す通り、ＧＣＴサイリスタ１には、表面に制御回路が形成された制御基板２がビス３により固定されている。より具体的には、制御基板２を貫通する孔部にＧＣＴサイリスタ１が挿入され、ＧＣＴサイリスタ１の周囲に突起状に張り出したカソード端子１ａ１およびゲート端子１ｂ１が制御基板２にビス止めされることによって、ＧＣＴサイリスタ１に制御基板２が固定されている。
【０００５】
なお、制御基板２上には、制御回路を構成するコンデンサ４やトランジスタ５、プリント配線等が配設されている。またここでは、トランジスタ５は壁状部材６の壁面に設けられている。
【０００６】
制御基板２が固定されたＧＣＴサイリスタ１のカソード１ａおよびアノード１ｃには、図１５に示すように、放熱部たる複数枚の冷却フィン７が周囲に設けられた電極８が接続され、一つの半導体装置を構成する。なお、図１５においてはＧＣＴサイリスタ１が２つ直列接続される場合が示されている。
【０００７】
電極８は各ＧＣＴサイリスタ１の間およびその外側に設けられ、ＧＣＴサイリスタ１および電極８全体でスタック構造の半導体装置を構成している。そして、２つ一組の圧接機構９から両外側の電極８が圧力を受けることで、電極８がＧＣＴサイリスタ１のカソード１ａおよびアノード１ｃに圧接される。なお、２つの圧接機構９は、スタック構造の両端の長さと同程度に亘る複数のシャフト９ａにより連結されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
さて、実際の制御基板２の長さＬの値は３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度と比較的長い。よって、スタック構造を組み上げると、図１５に示すように、制御基板２のうち壁状部材６等の存在する部分がスタック構造から外に突出しやすい。そのため、スタック構造に強い衝撃や継続的な振動などが与えられると、制御基板２が特に図１５中の方向Ａの応力を受けやすい。その結果、制御基板２にクラックが発生してその表面のプリント配線が切れてしまったり、制御基板２とＧＣＴサイリスタ１との接続部分であるカソード端子１ａ１やゲート端子１ｂ１が折れてしまうことがあった。このような場合、ＧＣＴサイリスタ１は正常に作動しなくなり、最悪の場合にはＧＣＴサイリスタ１が破壊に至ることもあった。
【０００９】
このように従来の半導体装置は、使用条件について耐衝撃性や耐振動性を十分考慮しておく必要があり、使用に際して制約があった。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、制御基板が固定された半導体素子を含むスタック構造の半導体装置であって、強い衝撃や継続的な振動などが与えられた場合であっても、制御基板にクラックが発生したり、制御基板と半導体素子との接続部分が折れてしまったりしにくいものを実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、主電極に放熱部が設けられた半導体素子と、前記半導体素子に制御信号を与えるための制御回路が配設された制御基板と、前記放熱部と前記制御基板とを連結して固定する固定部材とを備え、前記放熱部は冷却フィンであって、前記固定部材の前記放熱部への取り付け部は、前記冷却フィンの少なくとも一つを挟み込んで前記冷却フィンに固着する半導体装置である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、主電極に放熱部が設けられた半導体素子と、前記半導体素子に制御信号を与えるための制御回路が配設された制御基板と、前記放熱部と前記制御基板とを連結して固定する固定部材とを備え、前記放熱部は冷却フィンであって、前記冷却フィンの複数が前記固定部材の前記放熱部への取り付け部を挟み込んで前記固定部材を固着する半導体装置である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、前記冷却フィンと前記固定部材とを貫通する連結部材により、前記固定部材の前記取り付け部が前記冷却フィンに固着される半導体装置である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、前記固定部材は、前記制御基板に固着される第１固定部材と、前記第１固定部材に連結可能で、前記固定部材の前記放熱部への前記取り付け部たる第２固定部材とを含む半導体装置である。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置であって、前記半導体素子および制御基板は複数であって、前記複数の半導体素子および制御基板は圧接されてスタック構造を構成する半導体装置である。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体装置であって、前記複数の制御基板を連結する他の固定部材をさらに備える半導体装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
本実施の形態は、制御基板が固定された半導体素子を含むスタック構造の半導体装置であって、半導体素子のアノードまたはカソードに接続された電極の冷却フィンと制御基板とを連結することにより、制御基板にクラックが発生したり、制御基板と半導体素子との接続部分が折れてしまったりしにくいものを実現したものである。
【００２０】
本実施の形態に係る半導体装置を図１〜図９に示す。なお、図２は図１中の切断線Ｘ−Ｘにおける断面図である。ここでも従来の技術の説明におけると同様、半導体素子の例としてＧＣＴサイリスタ１が採用されている。
【００２１】
図１および図２に示す通り、ＧＣＴサイリスタ１には、表面に制御回路が形成された制御基板２がビス３により固定されている。より具体的には、制御基板２を貫通する孔部にＧＣＴサイリスタ１が挿入され、ＧＣＴサイリスタ１の周囲に突起状に張り出したカソード端子１ａ１およびゲート端子１ｂ１が制御基板２にビス止めされることによって、ＧＣＴサイリスタ１に制御基板２が固定されている。
【００２２】
なお、制御基板２上には、制御回路を構成するコンデンサ４やトランジスタ５、プリント配線等が配設されている。また、トランジスタ５は壁状部材６の壁面に設けられている。
【００２３】
そしてさらに制御基板２上には、Ｌ字形固定部材１０が、ビス１１、スペーサ１２およびナット１３により、ＧＣＴサイリスタ１を挟むように並行に２本取り付けられている。
【００２４】
制御基板２が固定されたＧＣＴサイリスタ１のカソード１ａおよびアノード１ｃには、図３に示すように、複数枚の冷却フィン７が周囲に設けられた電極８が接続され、一つの半導体装置を構成する。なお、図３においてはＧＣＴサイリスタ１が２つ直列接続される場合が示されている。
【００２５】
電極８は各ＧＣＴサイリスタ１の間およびその外側に設けられ、ＧＣＴサイリスタ１および電極８全体でスタック構造の半導体装置を構成している。そして、２つ一組の圧接機構９から両外側の電極８が圧力を受けることで、電極８がＧＣＴサイリスタ１のカソード１ａおよびアノード１ｃに圧接される。なお、２つの圧接機構９は、スタック構造の両端の長さと同程度に亘る複数のシャフト９ａにより連結されている。
【００２６】
さて、冷却フィン７の周縁部には、制御基板２と冷却フィン７とを連結するための固定部材が取り付けられている。具体的には、図３中の向かって左側の制御基板２については、ブロック状固定部材１８が冷却フィン７を挟み込むことにより、ブロック状固定部材１８が冷却フィン７に固着されている。また、図３中の向かって右側の制御基板２については、Ｌ字形固定部材２０が２枚の冷却フィン７に挟み込まれることによりＬ字形固定部材２０が冷却フィン７に固着されている。そして、このブロック状固定部材１８およびＬ字形固定部材２０にそれぞれ、Ｌ字形固定部材１０に固着された板状部材１５が連結されることより、冷却フィン７と制御基板２とが連結して固定される。
【００２７】
なお図４は、ブロック状固定部材１８と板状部材１５とが連結される様子を示す斜視図である。また、図５はブロック状固定部材１８の斜視図であり、図６は図４における方向Ｂから見た冷却フィン７とブロック状固定部材１８との固着状態を示す図である。
【００２８】
図５に示すように、ブロック状固定部材１８には、冷却フィン７への固着のためのねじ切りされたビス孔１８ａと、板状部材１５との連結のためのねじ切りされたビス孔１８ｂと、一枚の冷却フィン７を挟み込むためのスリット１８ｃとが設けられている。そして図６に示すように、スリット１８ｃの幅Ｔ１は一枚の冷却フィン７の厚さと略一致するように設定され、スリット１８ｃの側部の厚さＴ２は各冷却フィン７の間隔と略一致するように設定されている。
【００２９】
そして、図４および図６に示すように、ブロック状固定部材１８は、そのスリット１８ｃにおいて冷却フィン７を挟み込むようにして冷却フィン７に固着されている。またスリット１８ｃ以外の部分においては、冷却フィン７がブロック状固定部材１８を挟み込んでブロック状固定部材１８を固着しているともいえる。
【００３０】
この固着は、冷却フィン７の周縁部に設けられたビス孔７ａとビス孔１８ａとが一致するようにブロック状固定部材１８が配置され、ビス孔７ａおよびビス孔１８ａにビス１９が螺着されることで行われる。なお、ビス１９の長さは冷却フィン７とブロック状固定部材１８とを貫通する程度の長さにしておけばよい。
【００３１】
また、板状部材１５は、ビス１７およびナット１４によって２本のＬ字形固定部材１０に固着されている。そして、板状部材１５に設けられたビス孔１５ａをビス１６が貫通して、ブロック状固定部材１８のビス孔１８ｂに螺着されることで、冷却フィン７と制御基板２とが連結される。なお、ビス孔１５ａを小判形状にしておけば、この半導体装置の組み立て時に電極８の位置の微調整を行うことができる。
【００３２】
なお、図７にブロック状固定部材１８の変形例であるブロック状固定部材１８１を示す。このブロック状固定部材１８１にはスリットは設けられず、冷却フィン７への固着のためのねじ切りされたビス孔１８１ａと、板状部材１５との連結のためのねじ切りされたビス孔１８１ｂとだけが設けられている。
【００３３】
そして、図８に示すように、ブロック状固定部材１８１は冷却フィン７にビス１９により固定される。ただし、この場合はスリットが設けられていないので、ブロック状固定部材１８１が冷却フィン７を挟み込むことはなく、冷却フィン７がブロック状固定部材１８１を挟み込んでブロック状固定部材１８１を固着するのみである。
【００３４】
また、スリットが設けられていないために、冷却フィン７のうちブロック状固定部材１８１が挿入される部分の冷却フィン７１は、他の冷却フィン７の外縁部分よりもブロック状固定部材１８１が挿入される長さＬ１だけ奥まった位置に、その外縁を有する。
【００３５】
一方、図９は、Ｌ字形固定部材２０と板状部材１５とが連結される様子を示す斜視図である。
【００３６】
図９に示すように、Ｌ字形固定部材２０には、冷却フィン７への固着のためのねじ切りされたビス孔２０ｂと、板状部材１５との連結のためのねじ切りされたビス孔２０ａとが設けられている。
【００３７】
そして、図９に示すように、Ｌ字形固定部材２０は、冷却フィン７により挟み込まれて冷却フィン７に固着されている。
【００３８】
この固着は、冷却フィン７の周縁部に設けられたビス孔７ａとビス孔２０ｂとが一致するようにＬ字形固定部材２０が配置され、ビス孔７ａおよびビス孔２０ｂにビス２１が螺着されることで行われる。なお、ビス２１の長さは２枚の冷却フィン７とＬ字形固定部材２０とを貫通する程度の長さにしておけばよい。
【００３９】
また、板状部材１５は、ビス１７およびナット１４によって２本のＬ字形固定部材１０に固着されている。そして、板状部材１５に設けられた小判形状のビス孔１５ａをビス１６が貫通して、Ｌ字形固定部材２０のビス孔２０ａに螺着されることで、冷却フィン７と制御基板２とが連結される。
【００４０】
このように、冷却フィン７と制御基板２とが各部材１０〜２１により連結して固定されることにより、強い衝撃や継続的な振動などが与えられて制御基板２が応力を受けたとしても制御基板２が変位しにくい。よって、制御基板２にクラックが発生したり、制御基板２とＧＣＴサイリスタ１との接続部分が折れてしまったりしにくい。すなわち、スタック構造において、冷却フィン７と制御基板２とが各部材により連結されるので、制御基板２をスタック構造に強固に固定することができる。
【００４１】
また、ブロック状固定部材１８およびＬ字形固定部材２０のように、冷却フィン７を挟み込んで、または、冷却フィン７に挟み込まれて、冷却フィン７に固着されておれば、例えば、固定部材を溶接等で冷却フィン７の外縁に固着させただけの場合に比べ、冷却フィン７と固定部材とが離れにくく、制御基板２がより変位しにくい。
【００４２】
さらに、ビス１９，２１のように、ブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０と冷却フィン７とを貫通する連結部材を用いて、ブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０の冷却フィン７への固着を行うことにより、例えば、挟み込み部分に接着剤を塗っておき、ブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０を冷却フィン７に挟み込んで冷却フィン７に固着させただけの場合に比べ、冷却フィン７とブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０とがより離れにくく、制御基板２がより変位しにくい。
【００４３】
さらに、冷却フィン７と制御基板２とを連結して固定する固定部材を、制御基板２側に固着したＬ字形固定部材１０および板状部材１５と、冷却フィン７に固着した、板状部材１５に連結可能なブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０とに分けていることにより、これら各部材の形状を組み立て時に連結しやすい形状にして製造を容易にすることができる。
【００４４】
例えば、Ｌ字形固定部材１０および板状部材１５とブロック状固定部材１８またはＬ字形固定部材２０とが一体化した形状の固定部材を用いても、冷却フィン７と制御基板２とを連結して固定することは可能である。しかしその場合、ビスの取り付けが行いにくかったり、固定部材の位置を微調整したりすることが難しいといった製造工程上の問題が生じやすい。
【００４５】
上記のように、制御基板２側の部材と冷却フィン７側の部材とを分けておれば、このような問題を回避することが可能となる。
【００４６】
なお、冷却フィン７に固着するＬ字形固定部材の他の取り付け例を図１０および図１１に示す。
【００４７】
まず、図１０においては、板状部材１５が省略されてＬ字形固定部材１０に直接、Ｌ字形固定部材２０と同様のＬ字形固定部材２２が取り付けられている。そして、Ｌ字形固定部材２２とねじ切りされたビス孔を備える板状部材２３とで最もカソード側に近い冷却フィン７を挟み込み、冷却フィン７と制御基板２とが連結される。なお、Ｌ字形固定部材２２とＬ字形固定部材１０とはビス１７およびナット１４により固着され、Ｌ字形固定部材２２と板状部材２３とはビス２１により固着される。
【００４８】
なお、ビス２１の長さは冷却フィン７とＬ字形固定部材２２と板状部材２３とを貫通する程度の長さにしておけばよい。
【００４９】
また、図１１においても、板状部材１５が省略されてＬ字形固定部材１０に直接、Ｌ字形固定部材２０と同様のＬ字形固定部材２４が取り付けられている。そして、Ｌ字形固定部材２４が２枚の冷却フィン７に挟み込まれ、冷却フィン７と制御基板２とが連結される。なお、Ｌ字形固定部材２４とＬ字形固定部材１０とはビス１７およびナット１４により固着され、Ｌ字形固定部材２４と冷却フィン７とはビス２１により固着される。
【００５０】
なお、ビス２１の長さは２枚の冷却フィン７とＬ字形固定部材２４とを貫通する程度の長さにしておけばよい。
【００５１】
図１０および図１１に示すような半導体装置の場合も、上記と同様の効果を有する。
【００５２】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１にかかる半導体装置の変形例である。本実施の形態においては、実施の形態１にかかる半導体装置の構成に加えて、複数の制御基板同士を固定部材で連結することにより、制御基板がより変位しにくいものを実現する。
【００５３】
図１２に本実施の形態にかかる半導体装置を示す。図１２を見ればわかるようにこの半導体装置は、図３に示した半導体装置に板状部材２６およびビス２５が加わった構成となっている。そして、制御基板２上の壁状部材６の端部側面にねじ切りされたビス孔６ａが設けられて、このビス孔６ａにビス２５が板状部材２６を介して螺着されることにより、板状部材２６が壁状部材６に固着される。
【００５４】
これにより隣り合う２枚の制御基板２が連結され、強い衝撃や継続的な振動などが与えられて制御基板２が応力を受けたとしても、制御基板２が変位しにくく、制御基板２にクラックが発生したり、制御基板２とＧＣＴサイリスタ１との接続部分が折れてしまったりしにくくすることができる。
【００５５】
その他の構成は実施の形態１にかかる半導体装置と同様のため、説明を省略する。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、放熱部と制御基板とを固定部材が連結して固定するので、強い衝撃や継続的な振動などが与えられて制御基板が応力を受けたとしても、制御基板が変位しにくく、制御基板にクラックが発生したり、制御基板と半導体素子との接続部分が折れてしまったりしにくい。
【００５７】
また請求項１に記載の発明によれば、固定部材の放熱部への取り付け部が冷却フィンの少なくとも一つを挟み込んで冷却フィンに固着するので、冷却フィンと固定部材とが離れにくく、制御基板がより変位しにくい。
【００５８】
また請求項２に記載の発明によれば、冷却フィンの複数が固定部材の放熱部への取り付け部を挟み込んで固定部材を固着するので、冷却フィンと固定部材とが離れにくく、制御基板がより変位しにくい。
【００５９】
請求項３に記載の発明によれば、冷却フィンと固定部材とを貫通する連結部材により固定部材の取り付け部が冷却フィンに固着されるので、冷却フィンと固定部材とがより離れにくく、制御基板がより変位しにくい。
【００６０】
請求項４に記載の発明によれば、固定部材が第１および第２固定部材を含むので、第１および第２固定部材の形状を、組み立て時に連結しやすい形状にしておくことで、製造を容易にすることができる。
【００６１】
請求項５に記載の発明によれば、複数の半導体素子および制御基板が圧接されて構成されるスタック構造において、放熱部と制御基板とが固定部材により連結されるので、制御基板をスタック構造に強固に固定することができる。
【００６２】
請求項６に記載の発明によれば、他の固定部材が複数の制御基板を連結するので、強い衝撃や継続的な振動などが与えられて制御基板が応力を受けたとしても、制御基板が変位しにくく、制御基板にクラックが発生したり、制御基板と半導体素子との接続部分が折れてしまったりしにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１に係る半導体装置における制御基板が固定された半導体素子を示す図である。
【図２】  実施の形態１に係る半導体装置における制御基板が固定された半導体素子を示す断面図である。
【図３】  実施の形態１に係る半導体装置を示す図である。
【図４】  実施の形態１に係る半導体装置において制御基板と冷却フィンとがブロック状固定部材により固着される様子を示す図である。
【図５】  実施の形態１に係る半導体装置において用いられるブロック状固定部材を示す図である。
【図６】  ブロック状固定部材と冷却フィンとが固着される様子を示す図である。
【図７】  実施の形態１に係る半導体装置において用いられるブロック状固定部材の他の例を示す図である。
【図８】  ブロック状固定部材の他の例と冷却フィンとが固着される様子を示す図である。
【図９】  実施の形態１に係る半導体装置において制御基板と冷却フィンとがＬ字形固定部材により固着される様子を示す図である。
【図１０】  実施の形態１に係る半導体装置において制御基板と冷却フィンとがＬ字形固定部材の他の例により固着される様子を示す図である。
【図１１】  実施の形態１に係る半導体装置において制御基板と冷却フィンとがＬ字形固定部材のさらなる他の例により固着される様子を示す図である。
【図１２】  実施の形態２に係る半導体装置を示す図である。
【図１３】  従来の半導体装置における制御基板が固定された半導体素子を示す図である。
【図１４】  従来の半導体装置における制御基板が固定された半導体素子を示す断面図である。
【図１５】  従来の半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
１  ＧＣＴサイリスタ、２  制御基板、３，１１，１６，１７，１９，２１，２５  ビス、４  コンデンサ、５  トランジスタ、６  壁状部材、７  冷却フィン、８  電極、９  圧接機構、１０  Ｌ字形固定部材、１２  スペーサ、１３，１４  ナット、１５，２３，２６  板状部材、１８，１８１  ブロック状固定部材、２０，２２，２４  Ｌ字形固定部材。
【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】
0004077152.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0004077152.tif 000013
【図１３】
0004077152.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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