(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの圧接支持板の間に少なくとも加圧板を介して複数の半導体素子とヒートシンクが同軸に重ねられ、前記圧接支持板の一方とこの一方の圧接支持板の内側に設けられた加圧板の間に挟持されたばね部を介して前記半導体素子及び前記ヒートシンクが締め付けられた半導体スタックにおいて、
前記加圧板の内側に圧接球面座を配置し、前記ばね部を当該半導体スタックの圧接力の負荷を分担する複数のボルトとばねで構成して前記複数のボルトと前記ばねを前記加圧板の中心から等距離の円周上に配置し、且つ前記加圧板は前記複数のボルトと同数のネジ穴を形成し、前記複数のボルトは前記ネジ穴を介して前記加圧板から前記圧接球面座に向けて貫通され、前記加圧板と前記圧接支持板間に配置した前記ばねを圧縮させ、その反力で前記圧接球面座を押圧することで前記半導体素子及び前記ヒートシンクを締め付けたことを特徴とする半導体スタック。
【請求項２】
前記複数のボルトの先端を球状にしていることを特徴とする請求項1記載の半導体スタック。
【請求項３】
前記圧接支持板の少なくとも一方に貫通孔を形成し、この貫通孔にゲージを設けたことを特徴とする請求項1又は２記載の半導体スタック。
【請求項４】
前記複数のボルトにゲージ表示を施したことを特徴とする請求項1又は２記載の半導体スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体素子とヒートシンクなどが交互に重ねられた半導体スタックに関する。
【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形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形半導体素子と、その平形半導体素子を冷却するための冷却体として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圧接機構部、固定ボルトと圧接支持板、ばね等から構成している半導体スタック（以下、単にスタックと言う）を半導体変換装置の主回路を構成する上で多数使用している。
【０００３】
以下、半導体変換装置に使用している従来のスタックを図９を用いて説明する。
図９に示すように、スタックの左右の圧接支持板１０Ａ，１１Ａには一対の固定ボルト１２Ａが貫挿され、左右の圧接支持板１０Ａ，１１Ａの間に後術するように重ねられた平形半導体素子３Ａやヒートシンク２Ａを左右の固定ナット１３Ａによって所定の圧力で締め付けている。
【０００４】
即ち、左側の圧接支持板１１Ａの右側には、円錐座５Ｃの底部が重ねられ、この円錐座５Ｃの右端には、絶縁碍子４Ａに続いてヒートシンク２Ａが重ねられている。このヒートシンク２Ａの右側には、平形半導体素子３Ａが重ねられ、更にヒートシンク２Ａ、絶縁スペーサ１４、ヒートシンク２Ａ、平形半導体素子３Ａ、ヒートシンク２Ａ及び絶縁碍子４Ａなどが同一軸心上に続いて重ねられている。
【０００５】
右端の絶縁碍子４Ａの右側には、円錐座５Ｃの頂部が接していて、この円錐座５Ｃの右側の底部には帯板上の加圧板７Ａが重ねられている。この加圧板７Ａを貫通した一対の固定ボルト１２Ａには、加圧板７Ａとこの加圧板７Ａの右側の圧接支持板１０Ａの左側面との間に、破線で示す円筒状のばねガイド８Ｂがそれぞれ設置され、このばねガイドは背中合わせに重ねられた複数枚のさらばね８Ａを貫通している。
【０００６】
このように構成されたスタックに弾性的な圧接力を保持させるため、プレス機（図示省略）により所定の圧接力を加え、その後固定ナット１３Ａを圧接支持板１０Ａに接触するまで回す。この状態では固定ボルト１２Ａには力は加わっていなく、プレス機を取り去ると固定ボルト１２Ａには圧接力の反力として引張力が加わる。従って、プレス機を取り去った際に加わる固定ボルト１２Ａの伸び分見込んで所定の増し締めを行うか、伸び分を加味したプレス値にしておく必要があった。
【０００７】
また、従来のスタック構造の場合、高圧接力を必要とする平形半導体素子を使用する際には、２点のさらばねで高圧接力を保持しているため、どうしても皿ばね個々の強さ（ばね定数）を高める必要がある。そのためには、皿ばねを大型化し、皿ばね個々のバネ性をアップさせるか、皿ばねを同方向に重ね合わせることにより、皿ばねの組み合わせでばね定数をアップさせる（図１０参照）の２通りがある。
【０００８】
しかしながら、前者の場合は、皿ばねばかりでなく、皿ばね周りの用品が外形アップとなりメリットはない。また、後者の場合は、皿ばねにはヒステリシス特性（非線形特性）というものがあり、これは、「皿ばねの弾性特性（変位と力）が全くの比例関係ではなく加圧時（圧縮時）と減圧時（引張時）とで特性カーブがかわる」というもので図１０のように同方向に皿ばねを重ねた場合、ばね性をアップさせても、重ねた分だけ（重ねた皿ばねの枚数分だけ）ヒステリシス特性が顕著に出てしまい、スタックの熱応力による皿ばねの伸縮のために圧接力が安定しなり、場合により素子の上限圧接力以上、または下限圧接力以下になる恐れがある（図１１参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、サイリスタ素子等の半導体素子は、その大容量化に伴って直径が大きくなり、スタック構成時の素子の所定の単位面積加圧力を保つために、直径の２乗倍で圧接力も増大している。それに伴い下記問題点があげられる。
（１）圧接後の力を保持するためにボルト及びばねが大型化する。
（２）圧接力の増大により、汎用のスパナ・トルクレンチ等の工具での人力締付作業が不可能になる。
（３）その回避策の第１手段として、スパナ等の締め付け工具を大型の物を使用すれば良いが、その工具の回転角度が思うようにとれず、締め込むことが困難になる。
（４）その回避策の第２手段として、特殊工具の使用も考えられるが、特殊工具に付き保守・管理が面倒で、コストアップを伴う。
【００１０】
そこで、この回避策として圧接を人力で容易に行うことができ、スタックに対し、所要の圧接力を容易に且つ均等に負荷することができ、平形半導体素子に過大な圧接力が負荷されるのを防止できる圧接機構とする。
【００１１】
また、従来のスタック構成で挙げたばねのヒステリシス特性についても、各ばねにかかる力が小さければヒステリシス特性も小さく抑えることができるため、スタックに負荷される大きな圧接力を複数のボルトとばねに分散させ、ボルト１本及びばね１カ所当たりにかかる締付力（圧接力）を低減することにより、ばねのヒステリシス特性を最小限に押さえ込める。
【００１２】
従って、本発明の目的は、非常に大きなの圧接力を必要とする素子を使用するスタックにおいても、プレス機や特殊工具を使用せずに人力により圧接可能な圧接機構部を有する半導体スタックを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、２つの圧接支持板の間に少なくとも加圧板を介して複数の半導体素子とヒートシンクが同軸に重ねられ、前記圧接支持板の一方とこの一方の圧接支持板の内側に設けられた加圧板の間に挟持されたばね部を介して前記半導体素子及び前記ヒートシンクが締め付けられた半導体スタックにおいて、前記加圧板の内側に圧接球面座を配置し、前記ばね部を当該半導体スタックの圧接力の負荷を分担する複数のボルトとばねで構成して前記複数のボルトと前記ばねを前記加圧板の中心から等距離の円周上に配置し、且つ前記加圧板は前記複数のボルトと同数のネジ穴を形成し、前記複数のボルトは前記ネジ穴を介して前記加圧板から前記圧接球面座に向けて貫通され、前記加圧板と前記圧接支持板間に配置した前記ばねを圧縮させ、その反力で前記圧接球面座を押圧することで前記半導体素子及び前記ヒートシンクを締め付けたことを特徴とする。
【００１４】
従って、このように構成された請求項１に係る発明においては、電力変換装置の容量が大きくなればなるほど、より大容量の電気部品が必要となり、より大容量の平形半導体素子はより大きな圧接力を必要としているような状況下においても、当該半導体スタックに負荷される圧接力が複数のボルトに均等に分散され、ボルト一本当たりの締付力（圧接力）が小さくできる。ボルト複数本分で大きな圧接力を容易に人力により生み出すことができる。
【００１６】
更に、上記加圧板が複数のボルトに対し共通のナットとして機能し、ボルト締付力（圧接力）×ボルト本数分の圧接力を当該半導体スタックに与えることができ、ボルト複数本分で大きな圧接力を容易に入力により生み出すことができる。また、上記加圧板は複数のボルトに対し共通のナットとして構成しているため、ある一点のボルトのみ締め付けた場合、上記加圧板に傾きが生じ、ボルトは少量しか締め付けられず、少量ずつのボルト締め付けの繰り返しで、均等な各ばねの反力を生じさせることができる。
【００１７】
また、請求項２に係る発明は、上記複数のボルトの先端を球状にしていることを特徴とする。従って、請求項２に係る発明においては、上記複数のボルトの先端を球状にしていることにより、各ばねの反力を素子の中心により正確に上記加圧板に伝えることができ、スタックとして最適な圧接状態を作りだすことができる。
【００１８】
更に、請求項３に係る発明は、上記圧接支持板の少なくとも一方に貫通孔を形成し、この貫通孔にゲージを設けたことを特徴とする。従って、請求項３に係る発明においては、当該半導体スタック内加圧ばね部のセンターの圧縮量、すなわち加圧板の変位量を上記ゲージにより管理し、素子の圧力管理を行うことができる。
【００１９】
また、請求項４に対応する発明は、上記複数のボルトにゲージ表示を施したことを特徴とする。従って、請求項４に係る発明においては、当該半導体スタックの圧接力につながるばねの圧縮量をそれぞれのボルトに表示されているゲージにより管理することにより、より精度の高い素子の圧力管理を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態のスタック構造の平面図、図２は、その正面図である。
尚、本実施の形態は、複数個の締付ボルト９ａ〜９ｄが４本の場合を例に図示している。
【００２５】
図１及び図２において、平形半導体素子用スタック１は複数個の冷却体であるヒートシンク２と平形半導体素子３とが軸心線上に積層して配置され、両端に絶縁碍子４、球面座５ａ，５ｂと同一軸心上に重ねられ、スタック１の両端は圧接支持体１０，１１に狭持され、固定ボルト１２と固定ナット１３によりスタッキングが保持されている。そして、スタック１の両端又は何れか一方にはスタック１の加圧機構である複数個の皿ばね８、複数個の締付ボルト９ａ〜９ｄ、加圧板７、圧接球面座６が配置され、スタック１を構成している。複数個の締付ボルト９ａ〜９ｄ及び複数個の皿ばね８は、スタック１の中心から等距離に円周上に配置されている。
【００２６】
そこで、上記のような加圧機構とすることにより、大きな圧接力を複数の締付ボルト９ａ〜９ｄで作り出すことができ、ボルトの本数を増加することにより非常に大きな圧接力も人力のレベルで対応でき、特殊なプレス機等が不要になる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図３を用いて説明する。
図３は、スタック内加圧機構部詳細図（図１のＡ−Ａ断面図）である。
【００２８】
図３に示すように、加圧板７は複数の締付ボルト９ａ〜９ｄの共通のナットとして機能し、加圧板７には複数の締付ボルト９ａ〜９ｄに対応するネジ穴が切ってあり、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄを締め込んでいくとそのネジ穴に締付ボルト９ａ〜９ｄはネジ込まれ、加圧板７は上方向に押し上げられる。それにより、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄが個々に貫通している皿ばね８が圧縮され、長さＧ１が縮んでいき、その反力Ｆ１で複数の締付ボルト９ａ〜９ｄが圧接球面座６を押し下げ、スタックの圧接力が生まれている。
【００２９】
この構成により、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄの締付力（圧接力）×ボルト本数分の圧接力をスタックに与えることができ、ボルト複数本分で大きな圧接力を容易に人力により生み出すことができる。また、加圧板７は複数のボルト９ａ〜９ｄに対し共通のナットとして構成しているため、ある一点のボルトのみ締め付けた場合、加圧板７に傾きが生じ、加圧板７に切っているネジ穴のネジ山とボルトのネジ山が噛んでしまい、少量しか締め付けられず、少量ずつの各ボルト９ａ〜９ｄの締め付けの繰り返しで、均等な各皿ばね８の反力を生じさせている。
【００３０】
上記構成とすることによって、最適な均等圧接状態が実現できるスタック構造となる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について、図４を用いて説明する。
【００３１】
図４に示すように、本実施の形態は、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄの先端を球状にしている。
従って、上記構成とすることにより、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄは球状の一点で圧接球面座６と接し、より理想的に各皿ばね８からの反力を圧接球面座６に伝え、スタックとして最適な圧接状況を作り出すことが可能となる。
【００３２】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について、図５を用いて説明する。
図５に示すように、本実施の形態は、スタック加圧機構部のセンター（圧接支持体１０）に貫通穴をあけていて、そこにゲージ１５を装着し、圧接力を生み出す皿ばね８の圧縮変位量Ｇ１をそのゲージ１５により測定し、管理することができる。
【００３３】
従って、上記構成とすることにより、圧接力のトルク管理ではなく締付量のゲージ管理により圧接力を容易に管理することができ、トルク管理で行っていた場合に起こる可能性があった作業者による締付誤差を最低限に抑えることが可能となる。
【００３４】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について、図６を用いて説明する。
図６に示すように、本実施の形態は、複数の締付ボルト９ａ〜９ｄにゲージ１６を切っておき、圧接力を生み出す皿ばね８の圧縮変位量Ｇ１を複数の締付ボルト９ａ〜９ｄのそれぞれのゲージで均等に管理することにより、各締付ボルト９ａ〜９ｄの締付量のレベルを合わせることができる。
【００３５】
従って、上記構成とすることにより、先の実施の形態に比べ、更にバランスのとれた圧接力を容易に管理することができ、トルク管理で行っていた場合に起こる可能性があった作業者による締付誤差をより一層抑えることが可能となる。
【００３６】
（その他の実施の形態）
以上述べた第１乃至第５の実施の形態においては、皿ばねを適用したが、図７に示すように第６の実施の形態として板ばねを、また、図８に示すように第７の実施の形態としてコイルばねをそれぞれ適用しても、本発明は実現できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高圧接力仕様の半導体素子を用いた場合においても、特殊なプレス機や締め付け治具を使用することなしに、数本の締付ボルトで並列的に締め付けることにより、大きな圧接力を人力により生み出せる。
【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面図。
【図２】    本発明の第１の実施の形態を示す正面図。
【図３】    本発明の第２の実施の形態を示す図１のＡ−Ａ矢視図。
【図４】    本発明の第３の実施の形態を示す図。
【図５】    本発明の第４の実施の形態を示す図１のＡ−Ａ矢視図。
【図６】    本発明の第５の実施の形態を示す図１のＡ−Ａ矢視図。
【図７】    本発明の第６の実施の形態を示す図１のＡ−Ａ矢視図。
【図８】    本発明の第７の実施の形態を示す図１のＡ−Ａ矢視図。
【図９】    従来の半導体スタックを示す構成図。
【図１０】    同方向に重ね合わせた複数の皿ばねを示す構成図。
【図１１】    ばねのヒステリシス特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１…スタック、２，２Ａ…ヒートシンク、３，３Ａ…平形半導体素子、４，４Ａ…絶縁碍子、５ａ，５ｂ…球面座、５Ｃ…円錐座、６…圧接球面座、７，７Ａ…加圧板、８，８Ａ…皿ばね、８Ｂ…ばねガイド、９ａ〜９ｄ…締付ボルト、１０，１０Ａ，１１，１１Ａ…圧接支持体、１２，１２Ａ…固定ボルト、１３，１３Ａ…固定ナット、１４…絶縁スペーサ、１５…ゲージ、１６…締付ボルト上のゲージ、２０…板ばね、２１…コイルばね。
【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】
0003768731.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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