JPH0447962Y2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 所定の厚さの本体部分を含む発熱半導体１２
を付随するヒートシンクに装着するための組立
体であつて、該組立体が、 該半導体の平面寸法よりも大きい平面寸法を
有する熱消散基礎要素１４、 誘電性材料から形成され、該半導体を配置し
保持するための半導体空洞３６，３８を有する
リテーナ部材２２であつて、該半導体空洞と該
半導体の相対厚さが、該リテーナ部材が該基礎
要素に機械的に結合された場合に、該半導体と
該基礎要素とが互いに密接した熱移動接触にな
るように賦勢されるような厚さからなり、 該組立体は、更に、リテーナ部材が半導体空
洞に結合した複数のアーム２６，２８，３０，
３２を含み、該アームの半導体空洞及び半導体
に対する配置が、該リテーナが基礎要素に機械
的に結合された場合に、該アームの末端が撓む
ような配置にあり、そして該組立体は、更に、
該基礎要素と該リテーナ部材のアームとを機械
的に結合する装着受け台４４，４６，４８，５
０が設けられているハウジング部材４０を含ん
で成ることを特徴とする組立体。

２ 該半導体がその本体部分から延びている複数
の電気リード線を含み、そして該リテーナ部材
に該半導体リード線を取り付け整列する手段が
設けられている請求の範囲第１項に記載の組立
体。

〔技術分野〕

本考案は一般的に、トライアツク型半導体のよ
うな発熱性半導体を熱消散デバイス又はヒートシ
ンク上に装着するための構造物に関する。

近年、トライアツク半導体は種々の電気及び電
子構成部品にしばしば使用されている。このよう
な半導体デバイスは多量の熱を発生し、その熱は
半導体デバイスの劣化、最終的に、破壊を防ぐた
めに消散させなくてはならない。このような半導
体を、その高い熱伝導性のために、しばしば電気
伝導性金属板から形成され、半導体温度を許容限
界内に維持する、「シートシンク」のような熱消
散デバイス上に装着することが知られている。典
型的なトライアツクスイツチングデバイスは、半
導体を含む本体部分と、それから伸びる開口
（apertured）金属性装着タブとで形成されてい
る。このようなトライアツクにはまた、一般的に
本体部分の装着タブとは反対側から延びた複数の
電気リード線が設けられている。

〔背景技術〕

トライアツクにより発生する高熱のために、そ
れからの熱消散を確実にするために多数の装着方
法が開発されてきた。種々のこのような装着技術
は、半導体をヒートシンクに接合するために装着
タブを通して装着ネジを利用することを教示して
いる米国特許第3641474号を含む特許の主題であ
つた。装着ネジを使用する際に遭遇する一つの問
題点は、ネジが締め付けられており、半導体を含
む本体部分が回転して突き出た電気リード線が捻
れを起こし、短絡を起こす恐れがある傾向にある
ことである。この特許の教示は、この捻れ問題を
捻れ防止タブを設けることにより除くことができ
ることである。しかしながら、この装着方法の他
の問題点は、トライアツクの装着タブにしばしば
電気が通じており装着ネジから電気的に分離しな
くてはならないことから生じる。更に、装着ネジ
の締め付けによりタブが曲がり、本体部分をヒー
トシンクから浮き上がらせ、それにより熱消散能
力を減少させることが見出された。

このような発熱半導体デバイスの他の装着方法
は、米国特許第4259685号に示しており、そこで
は金属スプリングが半導体デバイスに結合してお
り、結合したヒートシンクと良好な熱伝導関係に
半導体デバイスを片寄らせている。しかしなが
ら、このようなスプリングの使用は、スプリング
がケースを破壊又は崩壊させトライアツク又は電
子組立体の他の部分を短絡させる恐れのような他
の問題点になる。これは余分な組立に加えてスプ
リングが半導体の伝導部分から電気的に絶縁され
ることを確実にしなくてはならないことに注意を
払う必要がある。

このような発熱半導体をヒートシンクに装着す
る更に他の方法は、米国特許第4199654号に示さ
れており、そこでは半導体ケースは半導体デバイ
スを受容するように配置された本体空洞を有する
ように作られている。この特許に開示されたデバ
イスに於て、ケースの本体空洞はトライアツクの
本体部分の厚さよりも僅かに大きい深さを有して
おり、そうして適当な熱除去を確実にするために
半導体とヒートシンクとの間の必要な良好な接触
を確実にする意図で、全ての力が装着タブにかけ
られる。しかしながら、タブは僅かに曲がること
ができ、そのためにタブ自身はヒートシンクと良
好に接触しているにもかかわらず、力がタブにか
けられるために半導体本体自身はヒートシンクと
接触していないことが見出された。これは半導体
本体に生じた熱が半導体本体からヒートシンクへ
直接にではなくてタブによつて伝導されねばなら
ないために、良好な熱力学的実施とは逆である。

発熱半導体をヒートシンクに接合する更に他の
方法は、米国特許第4449292号に開示されており、
そこでは半導体は半田付け又は接着剤を使用して
ヒートシンクに適用されている。理論的にはこの
方法は上記問題点の満足できる解決を提供する
が、実際には、接着剤又は半田接合部が発生する
熱により劣化して、接合部の伝導性を減少させ、
そして温度を上昇させ、結局は接合部及び半導体
を破壊させるために、半導体を接合するこれらの
方法は多くの場合に満足できないことが見出され
た。

発熱半導体からの熱除去の問題は半導体の破壊
につながり得るので重要であるが、このような半
導体が破損したとき破損により発生する煙及びす
すのために、半導体が組み込まれている全電力供
給装置を著しく損傷又は破壊するという更に重大
な問題点が生ずることが見出された。その結果、
半導体デバイスを交換しなくてはならないのみな
らず、全電力供給装置を洗浄、修理又は交換しな
くてはならず、このような破損のコストを著しく
増加させる。経験的に、このような発熱半導体を
組み立てる先行技術の方法では破損の割合は一ケ
月当り１〜６％の範囲であり、明らかに望ましく
ない費用の嵩む状態である。

〔考案の概要〕

従つて、本考案は、発熱半導体を付属するヒー
トシンクに装着し、それにより半導体を他の部材
から電気的に分離及び絶縁し同時に半導体をヒー
トシンク上に押さえつけるための圧力を配置し加
える要素により、半導体とヒートシンクとの間に
直接熱伝導接触を確保する組立体（アセンブリ
ー）を指向する。本考案は良好な熱接触を提供
し、作動の間システムの熱膨張に適応し、デバイ
ス内の温度変化に関係なく接触の保持を確保す
る。

本考案に従えば、付随するヒートシンクに発熱
（heat−generating）半導体１２を装着するため
の組立体が、所定の厚さの本体部分を含む半導体
のために提供される。この組立体は、半導体の平
面寸法よりも大きい平面寸法を有する熱消散基礎
要素１４を含む。リテーナ部材２２は誘電性材料
から形成され、半導体を配置し保持するための半
導体空洞３６，３８を有する。半導体空洞と半導
体の相対厚さは、リテーナ部材が基礎要素に機械
的に結合された場合に、半導体と基礎要素とが互
いに密接した熱移動接触になるように賦勢される
ような厚さである。この組立体は更に、リテーナ
部材が半導体空洞に結合した複数のアーム２６，
２８，３０，３２を含むことに特徴を有する。こ
れらのアームの半導体空洞及び半導体に対する配
置は、前記リテーナが基礎要素に機械的に結合さ
れた場合に、アームの末端が撓むように配置され
る。組立体は更に、基礎要素とリテーナ部材のア
ームとを機械的に結合する装着受け台４４，４
６，４８，５０が設けられているハウジング部材
又はケース部材４０から成る。

本考案を実施するための種々の手段及び他の特
徴及び利点は、本考案の代表的好適実施態様につ
いての下記詳細な説明から明らかになるであろ
う。参照は添付する図面についてなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半導体装着組立体の部分分解遠近図
である。第２図は、半導体装着組立体の第１図の
２−２線断面立面図である。第３図は、半導体装
着組立体の第１図の３−３線断面立面図である。 〔考案を実施するための最良の形態〕 第１〜３図は、本考案による半導体装着組立体
１０の好適態様を示し、トライアツクのような発
熱半導体１２は、ヒートシンクとして機能する熱
消散基礎要素１４と密接な熱移動接触で装着され
ている。トライアツクは本明細書を通して本考案
で有用な発熱半導体の代表例として参照される
が、この用語はSCR′S、サイリスター、パワート
ランジスター、電力整流器、電圧調整器、及び類
似物を含むがこれらに限定されない、発熱半導体
の他の形態を一般的に指す意図であることが認め
られるであろう。典型的なトライアツク半導体ス
イツチングデバイス１２には、それから複数の電
気リード線１８が延びている主スイツチ本体部分
１６が含まれる。金属熱伝導正装着タブ２０は、
本体１６に取り付けられ、図面に於て下側の表面
と同じ広がりであり、リード線１８とは反対方向
に本体から突き出している。ヒートシンクとして
作用する基礎要素又は基板１４は、好ましくは熱
伝導性であるのみならず熱源からの熱を拡散し得
る金属板のような高伝導性材料から形成される。
従つて、基礎要素は、この熱拡散を容易にするた
めに半導体１２の平面寸法よりも実質的に大きい
平面寸法を有する。 半導体１２は、耐熱、高強度誘電性材料から作
られたリテーナ部材２２によりヒートシンク１４
に密接熱伝導接触で保持されている。リテーナ部
材２２には、半導体をその中に位置させ保持する
ように配置された半導体空洞部２４が設けられて
いる。リテーナ部材にはまた、各対が半導体空洞
２４の反対側に配置されている二対のアーム２
６，２８及び３０，３２が設けられている。アー
ムはその間に延びる梁部材３４により半導体空洞
部に固着されている。リテーナ部材の半導体空洞
部２４には、半導体の本体の厚さよりも小さい深
さ又は厚さを有する半導体本体受容部３６、及び
発熱半導体の装着タブの厚さよりも大きい厚さ又
は深さを有する半導体タブ受容部２６が設けられ
ている。 中空体、一般的に長方形ケース部材４０（これ
も誘電性材料から形成される）は、基礎要素１４
の平面寸法と実質的に同じ広がりである平面寸法
で作られている。ケース部材の下側角には、ケー
ス部材を基礎要素に対して配置するために基礎要
素１４の上面に形成された共働溝４３と噛み合う
リブ４２が設けられている。ケース部材の中央部
は、半導体１２及びリテーナ部材２２を受容する
空洞を構成する。ケース部材の深さは、半導体と
リテーナ部材との合計深さよりも実質的に大き
い。ケース部材には、その内側隅に複数の一体に
形成された装着パツド４４，４６，４８及び５０
が設けられ、それらの各々には、ケースを取り付
けたとき、基礎要素１４に設けられたネジ孔４４
ｂ，４６ｂ，４８ｂおよび５０ｂと一致するよう
に配置された貫通孔４４ａ，４６ａ，４８ａおよ
び５０ａが設けられている。ケース部材の隅の装
着パツドの各々は、ケースが基礎要素１４に貫通
孔４４ａ，４６ａ，４８ａおよび５０ａを通して
ネジ５２をネジ孔４４ｂ，４６ｂ，４８ｂおよび
５０ｂにねじ込む方法によつて取り付けられると
き、各アーム２６，２８，３０又は３２の端部と
噛み合うように配置されている。 図示した態様に於て、組立体には半導体よりも
一般的に大きい平面寸法を有し、タブに電気が通
じており基礎要素が電気伝導性であるとき基礎要
素１４の上面とトライアツク１２の下面との間に
配置されている、平面状の誘電性シート５４が設
けられている。この誘電性シートは、基礎要素１
４からのトライアツクの基板の電気絶縁を確保
し、同時に両者の間の優れた熱伝導性を確保す
る。基礎要素１４には、その上に誘電性シートを
配置する手段を設けてもよい。このような発熱半
導体を装着する分野に於ける受容された実施に従
つて、電気絶縁性、熱伝導性「熱化合物
（thermal compound）」が、トライアツクと誘電
シートとの間及び誘電性シートと基礎要素との間
に薄い層状で広がり、優れた熱接触を確保し、そ
してそれらの間の生じ得る絶縁気泡を除く。 第２図に示すように、半導体本体受容部３６の
深さと同様に誘電性シート５４と半導体１２との
相対厚さ、及びそれに対するアーム２６〜３２の
位置は、リテーナ部材がケース部材４０を基礎要
素１４に取り付けることによつて位置を固定され
たとき、装着パツド４４〜５０がアームの末端を
歪ませて下向きの力を生じさせ、その力を梁部材
３４により半導体空洞２４に伝え、続いて全圧力
を半導体の本体１６に直接加え、半導体の本体と
誘電性シートとを基礎要素と密接した熱移動接触
状態に加圧する。 第１図及び第２図に示されるように、リテーナ
部材２２の半導体本体空洞３６の末端には、半導
体リード線１８を噛み合わせそして適切に方向を
合わせそして保持するために配置された配列及び
案内手段が設けられている。図示した態様に於
て、リード線は所定の空間に直立位置で保持さ
れ、それによつてリード線は、ケース４０の上部
に配設されリブ６０によりその中に支持されてい
る回路基板５８（第２図に影像で示す）と容易に
整列されその中に挿入される。このような回路基
板５８には、種々の電子構成部品とトライアツク
スイツチングデバイスを付随する電気構成部品に
接合するために必要な接合手段が含まれる。回路
基板５８により与えられるスイツチング回路の一
例は、トライアツク発熱半導体デバイスを使用す
るゼロ電圧スイツチングACリレー回路を開示し
ている。米国特許第3648075号に示されている。
回路基板がケース４０内に置かれるとき、リテー
ナ部材上の案内手段５６のために、半導体リード
線１８は、回路基板を通して形成されたリード線
孔と適当な位置及び整列で保持される。半導体装
着組立体の組立の最終工程の一つとして、半田付
け工程で半導体リード線を基板５８の回路の適当
な位置に結合する。 好適な実施態様に於て、ケース部材４０及びリ
テーナ部材２２は、共に、半導体デバイスの構造
元形維持性、電気抵抗性、及び強靱性が通常の操
作温度で維持されるように許容される最大温度よ
りも十分に高い変形温度を有するポリエーテルイ
ミドのような高温プラスチツクで形成され、アー
ム２６〜３２の撓みによつて与えられる弾性力は
高温でも確保される。図示された好適実施態様に
於て、リテーナ部材アームは、室温で約15ポンド
の下向きの力を与え、半導体本体をヒートシンク
と密接熱接触になるよう賦勢し、高い操作温度に
於いてもなお、半導体本体をヒートシンクに接触
するよう保持する少なくとも10ポンドの力があ
る。これは熱い組立体の耐熱性が、発熱性半導体
の稼動の信頼性及び寿命が十分増加される範囲に
調節されることを確実にする。好ましい態様の構
成の結果として、このデバイスの寿命がただ一個
の破損で約200000サイクルから６億サイクル以上
まで延びたことが見出された。他の項目で、発熱
半導体デバイスの寿命は発熱破損無しに200000時
間以上まで延びた。 〔産業上の利用性〕 本考案でリテーナ部材は発熱半導体又はトライ
アツクを他の伝導性部材から絶縁し隔離してい
る。リテーナ部材は半導体と組立体の全ての他の
伝導性部材との間の長い回路を作り、それによつ
て弧絡の機会を最小にし、組立体の元形維持性を
増強する。 本考案の半導体装着組立体で、リテーナ部材
は、組立体内の熱的変化に適応する方法でヒート
シンクと密接熱移動接触で半導体を保持する弾性
力を付与する。本考案の構成で発熱半導体とヒー
トシンクとの間の熱抵抗は、組立体の熱サイクル
で10％も実際に減少することが見出された。 本考案の半導体装着組立体はまた、種々の部材
が容易に配置、配向されるように各部品が組み立
てられ配列されるという利点を提供する。更に、
本考案の構成で、必要な部材を省いて組立体をう
まく組み立てることはできない。若しこのような
部材を省くと、それは直ちに明らかになり組立体
は機能しなくなり、こうしてフエイルセイフ組立
体作動になる。更になお、リテーナ部材の一部が
破損すると、その破損部分は、リテーナ部材が電
気伝導性材料で作られた場合のように短絡回路の
過度の危険を作らない。 かくして、本考案は従来このような組立体に見
られなかつた特徴と利点を有する発熱半導体を装
着するための組立体を提供する。最も重要なこと
は、本考案の組立体は、従前可能であると考えら
れたものの数倍の組立体の寿命の延長という結果
になる、これまで不可能であつた熱除去速度を与
えることである。