JP2008016601A - Semiconductor element stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子スタックに関する。 The present invention relates to a semiconductor device stack.
一般に電力変換装置としてのインバータ装置にはパワー半導体を用いている。ところがパワー半導体チップを複数個圧接して通電する圧接型の半導体素子スタックでは、冷却のためのヒートシンクと共にパワー半導体チップを積層し、絶縁部材やバネなどの緩衝部材と共に圧接している。この圧接力を保持するのがフレームであり、通常は金属製のロッドで積層したパワー半導体素子の両端電極を、絶縁板を介して圧接する構造にすることが多い。このように圧縮方向に弾性的な加圧力を付加する構造を、平型半導体素子スタックと称する。 Generally, a power semiconductor is used for an inverter device as a power conversion device. However, in a pressure-contact type semiconductor element stack in which a plurality of power semiconductor chips are pressed and energized, the power semiconductor chips are stacked together with a heat sink for cooling, and are pressed together with a buffer member such as an insulating member or a spring. The frame holds this pressure contact force, and usually has a structure in which both end electrodes of a power semiconductor element laminated with metal rods are pressure-contacted via an insulating plate. Such a structure that applies elastic pressure in the compression direction is referred to as a flat semiconductor element stack.
インバータやコンバータ、サイリスタなどの電力変換装置などには、このような半導体素子スタックを半導体電力変換装置の回路構成要素として多数使用している。例えば、特開2000−245156号公報(特許文献1)に示されているサイリスタ半導体素子スタックは、板状のフレームの一部を開放して半導体素子やヒートシンク、皿バネなどを納めてスタックを構成し、板状のフレームにはアノードリアクトルや抵抗器、コンデンサなどの部品を取り付けている。 A large number of such semiconductor element stacks are used as circuit components of a semiconductor power converter for power converters such as inverters, converters, and thyristors. For example, a thyristor semiconductor element stack disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-245156 (Patent Document 1) is configured by opening a part of a plate-shaped frame and housing a semiconductor element, a heat sink, a disc spring, and the like. In addition, parts such as an anode reactor, a resistor, and a capacitor are attached to the plate-like frame.
電力変換装置に用いられているIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やIEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)等の平型半導体素子は、数千ボルト、数千アンペアという大容量であり、冷却のための冷却器や通電のための導体と共に数十kNという高荷重で圧接して使用する。 Flat type semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and IEGTs (Injection Enhanced Gate Transistors) used in power converters have large capacities of thousands of volts and thousands of amperes. It is used with a high load of several tens kN together with a conductor for energization.
近年、このような大容量のほかに、自動車などの小容量(数百ボルト・アンペア)のインバータには、半導体チップを実装したコンパクトな素子が適用されることが多くなってきている。 In recent years, in addition to such a large capacity, a compact element mounted with a semiconductor chip is often applied to an inverter having a small capacity (several hundred volts / ampere) such as an automobile.
半導体チップは一辺10〜15mm程度の四角形をしており、これを複数枚並べて均等に圧接するためには半導体チップ1枚あたり1kN以上の圧接力を必要とし、これらの荷重を付加して長期間保持する構造が半導体素子スタックには求められる。そのため、小容量半導体素子への適用はほとんどなく、実用化されていないのが現状である。 The semiconductor chip has a square shape with a side of about 10 to 15 mm. In order to arrange a plurality of semiconductor chips and press them evenly, a pressure contact force of 1 kN or more per semiconductor chip is required. A structure to be held is required for the semiconductor element stack. For this reason, there is almost no application to small-capacity semiconductor elements, and the current situation is that they have not been put into practical use.
しかし、半導体チップは電力損失による発熱をチップ両面から冷却できるため、小型化できる利点がある。またモジュールタイプの素子と比べて、通電のために半導体チップと電極とをつなぐ無数のボンディングワイヤなどが不要である利点もある。このため、小容量半導体素子スタックの実用化のためには、圧接力をいかに均等に付加して保持するかが重要なポイントとなっている。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、複数の半導体チップを偏りなく圧接し、長期間安定して圧接力を保持することのできる半導体素子スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a semiconductor element stack that can press-contact a plurality of semiconductor chips without unevenness and can maintain a press-contact force stably for a long period of time. To do.
本発明は、絶縁板の内部に空間を設けた絶縁フレームの前記空間内において、3個の導体ブロックを積層し、隣接する前記導体ブロック間それぞれに、両面にモリブデン板を取付けた半導体チップを挟み込み、前記導体ブロックそれぞれに、圧接方向と直角な方向に貫通穴を設け、前記導体ブロックのうちの外側に位置する導体ブロックのさらに外側に弾性体を配置し、前記弾性体を前記絶縁フレームの空間の内周面に圧接させ、当該圧接力の反作用力にて前記導体ブロック間に前記半導体チップを加圧状態で挟み込んだ半導体素子スタックを特徴とする。 According to the present invention, in the space of the insulating frame provided with a space inside the insulating plate, three conductor blocks are stacked, and a semiconductor chip having a molybdenum plate attached on both sides is sandwiched between the adjacent conductor blocks. In each of the conductor blocks, a through hole is provided in a direction perpendicular to the pressure contact direction, an elastic body is disposed further outside the conductor block located outside the conductor block, and the elastic body is disposed in the space of the insulating frame. And a semiconductor element stack in which the semiconductor chip is sandwiched between the conductor blocks by a reaction force of the pressure contact force.
また本発明は、絶縁板の内部に3つの空間を並列するように設けた絶縁フレームの前記空間各々において、3個の導体ブロックを積層し、隣接する前記導体ブロック間それぞれに、両面にモリブデン板を取付けた半導体チップを挟み込み、前記導体ブロックそれぞれに、圧接方向と直角な方向に貫通穴を設け、前記導体ブロックのうちの外側に位置する導体ブロックのさらに外側に弾性体を配置し、前記弾性体を前記絶縁フレームの空間の内周面に圧接させ、当該圧接力の反作用力にて前記導体ブロック間に前記半導体チップを加圧状態で挟み込んだ半導体素子スタックを特徴とする。 The present invention also provides a structure in which three conductor blocks are stacked in each of the spaces of the insulating frame provided so that three spaces are arranged in parallel inside the insulating plate, and a molybdenum plate is provided on both sides between the adjacent conductor blocks. Sandwiching the semiconductor chip to which each of the conductor blocks is inserted, a through hole is provided in each conductor block in a direction perpendicular to the pressure contact direction, and an elastic body is disposed on the outer side of the conductor block located outside the conductor block, and the elastic block A semiconductor element stack is characterized in that a body is pressed against an inner peripheral surface of the space of the insulating frame, and the semiconductor chip is sandwiched between the conductor blocks by a reaction force of the pressing force.
本発明の半導体素子スタックによれば、1相分あるいは3相分の複数の半導体チップを偏りなく圧接し、長期間安定して圧接力を保持することができる。 According to the semiconductor element stack of the present invention, a plurality of semiconductor chips for one phase or three phases can be pressure-contacted without unevenness, and the pressure-contact force can be stably maintained for a long time.
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)本発明の第1の実施の形態の半導体素子スタック1を、図1〜図6を用いて説明する。図1及び図2において、絶縁板の一部をくりぬいて空間30を形成し、半導体スタッキングのための絶縁フレーム2を構成している。この絶縁フレーム2のくりぬかれた空間30内に、IGBT、IEGT、ダイオードなどのスイッチング用半導体チップ3の表面と裏面にモリブデン(Mo)板4を設けた組体を収容し、導体ブロック5Aと中間導体ブロック5Bとのそれぞれの角柱状の突起6にて挟み込み、両外の導体ブロック5Aの外側面それぞれをコイルばね7で圧接して半導体素子スタック1が構成されている。この導体ブロック5A,5Bの材料には、半導体チップ3の圧接と共に通電も行うため銅やアルミニウムその他導電性の材料を用いる。
(First Embodiment) A
導体ブロック5A及び中間導体ブロック5Bには、並べて配置される半導体チップ3と半導体チップ3の境界位置に相当する部分に圧接付加方向に対して直角方向に貫通穴8を複数個設けてある。コイルばね7の片端部には、このコイルばね7と接触し、圧接力を保持するストッパ9を設けている。このストッパ9は、絶縁フレーム2の空間30の内周に設けたばねホルダ10A,10Bで保持してある。
In the
圧接方法は、図3に示すようなスリットの入った先が開いたコップ状のストッパ9をコイルばね7の先端に取り付け、図4のようにロッド11で押し込むと、ストッパ9の端部がばねホルダ10Bの内部の小径の穴21を通過するときはしぼんでいるが、図5のように大径の穴22に変化する部分で広がることで、コイルばね7を圧縮した状態で保持固定する。尚、ロッド11は、ストッパ9を図5のように押し込んだ後に取り外す。
As shown in FIG. 3, when the cup-
図6は本実施の形態の半導体素子スタック1の回路構成を示している。この図6に示す半導体素子スタック1の回路において、両端の導体ブロック5Aが本装置の入力側の直流電源で、中央部の中間導体ブロック5Bが交流出力である。このように1個の半導体素子スタック1で電力変換装置としてのインバータの1相分の回路を構成する。
FIG. 6 shows a circuit configuration of the
本実施の形態の半導体素子スタックによれば、各半導体チップ3をコイルばね7の弾性的な反発力を利用して加圧する場合、図7に示すように積層された半導体チップ3に対してコイルばね7を配置し、半導体チップ3やMo板4、導体ブロック5A,5Bの厚みの差を導体ブロック5A,5Bに設けた複数の貫通穴8の穴と穴との間の肉厚の薄くなった導体部分がたわむことで吸収し、隣接して配置された半導体チップ3の圧接力に影響を及ぼさずに圧接することができる。
According to the semiconductor element stack of the present embodiment, when each
このように半導体チップ3、Mo板4や導体ブロック5A,5Bの厚みの差による半導体チップ3の圧接力の偏りを無くし、圧接力を均等に半導体チップ3に付加することができる。また半導体チップ3を個別にコイルばね7で圧接でき、またコイルばね7を押し込むためのボルトなどをスタックに取り付けておく必要がないために半導体素子スタック1の軽量化を図ることができる。さらに半導体素子スタック1のフレーム2を絶縁物で構成するので、軽量化を図ることができる。
In this way, it is possible to eliminate the uneven pressure contact force of the
尚、導体ブロック5A,5Bの複数の貫通穴8の代わりに、ハニカム状の部材や板材で接合構成しても同様の効果が得られる。
It should be noted that the same effect can be obtained even if a honeycomb-like member or plate material is used in place of the plurality of through
また、コイルばね7は、角ばねや複数枚積層したさらばねを用いても同様の効果が得られる。そして角ばねを用いる場合、コイルばね7が丸断面であるのに対して、角ばねは角断面をしており、そのため、コイルばね7よりも大きな加圧力を得ることができる。また、さらばねも同様に少ない変位で大きな加圧力が得られる。また、コイルばね7を設ける位置は、スタック1の片端部のみに配置しても同等の効果が得られる。
Further, the
また、図8に示すようにストッパ9の形状として平板を端部が開いたコの字状に曲げたものを用いても同様の効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 8, the same effect can be obtained by using a
また絶縁フレーム2の材料はFRPやセラミックを用いる。金属とする場合は、コイルばね7と導体ブロック5Aとの間に絶縁材料を挟むことで同様の効果が得られる。さらに絶縁フレーム2を特開平08−111504号公報に記載されている絶縁バンドとしても同様の効果が得られる。
The material of the
(第2の実施の形態)本発明の第2の実施の形態の半導体素子スタック1について、図9、図10を用いて説明する。尚、本実施の形態にあって、図1、図2に示した第1の実施の形態と共通する要素については同一の符号を用いて説明する。
(Second Embodiment) A
図1、図2に示した第1の実施の形態では、導体ブロック5A,5Bには特に放熱用のフィンを設けてはいない。しかしながら、導体ブロック5A,5Bは半導体チップ3が通電損失により発生する熱を冷却するヒートシンクとしても作用する。
In the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the
そこで、図9、図10に示すように、本実施の形態の半導体素子スタック1では、導体ブロック5A,5Bの側面に冷却フィン12を設けることで放熱効果を高める構成にしている。
Therefore, as shown in FIGS. 9 and 10, in the
これにより、本実施の形態の半導体素子スタック1では、半導体チップ3が通電損失により発生する熱を冷却するヒートシンクとしても作用する導体ブロック5A,5Bの側面に冷却フィン12を設けたことで、その放熱効果を高めることができ、信頼性の向上が図れる。尚、他にもこの導体ブロック5A,5Bを水冷など冷媒による冷却を行っても同様の効果が得られる。
Thereby, in the
(第3の実施の形態)本発明の第3の実施の形態の半導体素子スタックについて、図11を用いて説明する。尚、図11は本実施の形態の半導体素子スタックの特徴を説明するために要部を示したものであり、本実施の形態の構造そのものは、図1及び図2に示した第1の実施の形態、図9に示した第2の実施の形態と共通である。したがって、以下、共通する要素について共通の符号を用いて説明する。 (Third Embodiment) A semiconductor element stack according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows a main part for explaining the characteristics of the semiconductor element stack of the present embodiment, and the structure itself of the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. This is the same as the second embodiment shown in FIG. Therefore, hereinafter, common elements will be described using common reference numerals.
本実施の形態では、半導体素子スタック1の片端部に設けたコイルばね7に、雌ねじ13Aを設けたフランジ13を嵌合させている。絶縁フレーム2の片端部のばねホルダ10Aには、コイルばね7を保持するざぐり穴14とボルト穴15が設けてある。そして、このざぐり穴14とボルト穴15の部分に絶縁フレーム2からボルト16を挿入し、フランジ13の雌ねじ13Aにねじ込むことでコイルばね7をさらに圧縮し、半導体チップ3にかかっていた圧接力を開放するようにしている。
In the present embodiment, a
本実施の形態の半導体素子スタックでは、上述した操作で半導体チップ3にかかっていた圧接力を開放することで、半導体チップ3や導体ブロック5A,5Bなどの交換が簡単にできる。そして交換後には、ボルト16を緩めて外すだけで所定の圧接力に戻すことができる。
In the semiconductor element stack of the present embodiment, the
(第4の実施の形態)本発明の第4の実施の形態の半導体素子スタックについて、図12を用いて説明する。尚、図12は本実施の形態の半導体素子スタックの特徴を説明するために要部を示したものであり、本実施の形態の構造そのものは、図1及び図2に示した第1の実施の形態、図9に示した第2の実施の形態と共通である。したがって、以下、共通する要素について共通の符号を用いて説明する。 (Fourth Embodiment) A semiconductor element stack according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 shows a main part for explaining the characteristics of the semiconductor element stack of the present embodiment. The structure of the present embodiment itself is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. This embodiment is common to the second embodiment shown in FIG. Therefore, hereinafter, common elements will be described using common reference numerals.
本実施の形態の特徴は、図12に示すように、中間導体ブロック5Bの一部を絶縁フレーム2に嵌合させた点にある。このように嵌合させることで、中間導体ブロック5Bの位置が決まるため、圧接時に半導体チップ3の圧接軸の中心位置決めを正確に行うことができるようになる。また、振動に対しても中間で保持されるために振動に対して揺れ難い安定した構成となる。また、図示しないが、中間導体ブロック5Bと絶縁フレーム2との間に隙間を設けその隙間にプラスチック系やゴム系の衝撃緩衝部材を挿入することによっても振動に対して同様の緩衝効果を得ることができる。
The feature of the present embodiment is that a part of the
(第5の実施の形態)図13〜図15を用いて、本発明の第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は、チップや導体ブロックを収納する1枚の絶縁フレーム20の3箇所をくりぬいて3つの空間30A,30B,30Cを形成し、当該3つの空間30A,30B,30Cに3相分の半導体素子スタック1A,1B,1Cそれぞれを収納した構成を特徴とする。これら3相分の半導体素子スタック1A,1B,1Cそれぞれの構成は、第1の実施の形態又は第2の実施の形態と共通であり、以下、共通する要素については同一の符号を用いて説明する。
(Fifth Embodiment) A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, three
本実施の形態の場合、直流入力部のエミッタ、コレクタ電極である導体ブロック5A,5Bは3相の導体ブロックを共通にすることで配線用の導体を不要にしている。また相間の圧接方向の位置ずれに対しては導体ブロック5A,5Bに多数設けた貫通穴8の部分で緩衝されるため半導体チップ3に無理な力はかからなくなる。
In the case of the present embodiment, the conductor blocks 5A and 5B, which are the emitter and collector electrodes of the DC input portion, share a three-phase conductor block, thereby eliminating the need for a wiring conductor. Further, since the displacement in the pressure contact direction between the phases is buffered by the portions of the through
図示しない直流端子との接続による外力も導体ブロック5Aの端子接続部近傍に同様の端子接続緩衝穴17を設けることで、端子接続による力も緩衝できるようにしている。また、図14に示すように絶縁フレーム20の表面側にエミッタ側の導体ブロック5Aの端部5A1を伸ばして端子とし、また裏面側に同様にコレクタ側の導体ブロック5Aの端部5A2を伸ばして端子としている。これにより、両端子間の絶縁を容易にすることができる。
A similar terminal
さらに、本実施の形態では、図13、図15に示すように、3相分の半導体チップ3それぞれに通電するための直流の入力端子や出力の交流端子との接続のための交流端子導体18を絶縁フレーム20に固着し、またスイッチングさせるためのゲート回路接続用導体19なども同様に取り付けている。
Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 13 and 15, an
尚、図示した本実施の形態では、導体ブロック5Aの端部5A1,5A2を直流の入力としたが、これは任意の場所から引き出すこともできる。
In the illustrated embodiment, the end portions 5A1 and 5A2 of the
本実施の形態によれば、3相分の半導体素子スタック1A,1B,1Cを1枚の絶縁フレーム20内に収容することで接続導体を共通にでき、装置がコンパクトになり軽量化できる。
According to the present embodiment, by accommodating the semiconductor element stacks 1A, 1B, and 1C for three phases in one insulating
また、本実施の形態によれば導体ブロック5A,5Bに入出力導体を取り付ける場合、導体を被覆絶縁しなくて接続できるようになる。また、配線の引き回しが自由に設定でき任意の場所から端子を取り出すことができる。またゲート回路などはこの絶縁フレーム2をプリント基板と同様に配線をプリントして構成することもできる。また導体を絶縁フレーム20の内部に含浸などにより設ければ、さらに絶縁性と配線の多様化を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, when the input / output conductors are attached to the conductor blocks 5A and 5B, the conductors can be connected without covering and insulating them. Further, the wiring can be freely set and the terminal can be taken out from an arbitrary place. A gate circuit or the like can also be configured by printing wiring on the insulating
このように絶縁フレーム20に取り付けるものは、導体のみならず、電気回路部品なども含み、絶縁フレーム20をプリント基板化することで軽量化することができる。
Thus, what is attached to the insulating
1…スタック
2,20…絶縁フレーム
3…半導体チップ
5A,5B…導体ブロック
5A1,5A2…延長端部
7…コイルばね
10A,10B…ホルダ
30 空間
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記弾性体を前記絶縁フレームの空間の内周面に圧接させ、当該圧接力の反作用力にて前記導体ブロック間に前記半導体チップを加圧状態で挟み込んだことを特徴とする半導体素子スタック。 Three conductor blocks are laminated in the space of the insulating frame provided with a space inside the insulating plate, and a semiconductor chip having a molybdenum plate attached on both sides is sandwiched between the adjacent conductor blocks, and the conductor block Each is provided with a through hole in a direction perpendicular to the pressure contact direction, and an elastic body is disposed on the outer side of the conductor block located outside the conductor block,
A semiconductor element stack, wherein the elastic body is pressed against an inner peripheral surface of the space of the insulating frame, and the semiconductor chip is sandwiched between the conductor blocks by a reaction force of the pressing force.
前記半導体チップを加圧する当該コイルばねの端部と絶縁フレームとの間にばねホルダを設け、当該ばねホルダに設けた穴を通過後に開くバネ性のある金属板にて前記コイルばねの端部を弾性的に受持したことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子スタック。 The elastic body is a coil spring;
A spring holder is provided between the end of the coil spring that pressurizes the semiconductor chip and the insulating frame, and the end of the coil spring is formed with a springy metal plate that opens after passing through a hole provided in the spring holder. 2. The semiconductor element stack according to claim 1, wherein the semiconductor element stack is elastically received.
前記絶縁フレームとばねホルダには、前記コイルばねを通して前記フランジの雌ねじにまでボルトを螺入させることができるボルト通し穴を設けたことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子スタック。 A flange having a female thread cut in the same direction as the central axis direction of the coil spring is fitted to the end of the coil spring that is in pressure contact with the conductor block,
The semiconductor element stack according to claim 2, wherein the insulating frame and the spring holder are provided with bolt through holes through which the bolts can be screwed into the female threads of the flanges through the coil springs.
6. The semiconductor element stack according to claim 5, wherein the insulating frame is provided with a conductive band that is electrically connected in common to the in-phase conductor blocks located in each of the three spaces.
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