特許 6688198 圧接ユニットおよび電力用半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6688198

(24)【登録日】2020年4月7日

(45)【発行日】2020年4月28日

(54)【発明の名称】圧接ユニットおよび電力用半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20200421BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20200421BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

【請求項の数】6

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-188694(P2016-188694)

(22)【出願日】2016年9月27日

(65)【公開番号】特開2018-56244(P2018-56244A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年2月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 敬一

(72)【発明者】

【氏名】重松 良平

(72)【発明者】

【氏名】本宮 哲男

(72)【発明者】

【氏名】塩田 裕基

(72)【発明者】

【氏名】山口 義弘

【審査官】 川原 光司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２１６５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−００３９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１０７０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−００８８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４６１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２６９３２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２１／５８

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／００−２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１０−２５／１１

Ｈ０１Ｌ ２５／１６−２５／１８

Ｈ０１Ｒ ３３／００−３３／９７５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性を有する板状部材と、
前記板状部材に固定されており、前記板状部材への接続方向に沿って伸縮自在な複数の圧接部材と、
を備え、
前記圧接部材は、
当該圧接部材の伸縮方向に沿って延びる導電性の第１通電部と、
前記第１通電部の表面に対して摺動自在に接触するとともに、前記板状部材に固定された第２通電部と、
伸縮方向を揃えて前記第１通電部に配置される複数のコイルばねであって、前記圧接部材の伸縮方向に沿って伸縮自在な複数のコイルばねと、
を備えることを特徴とする圧接ユニット。

【請求項2】

前記第２通電部は、
前記板状部材に固定される基部と、
前記基部から延び、該第１通電部の表面に対して摺動可能な摺動部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の圧接ユニット。

【請求項3】

前記コイルばねは、長手方向と直交する断面が矩形をなす線材を巻回してなる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧接ユニット。

【請求項4】

前記コイルばねは、当該コイルばねの長手方向に沿った前記線材の幅が、巻回により形成される前記長手方向における前記線材のピッチよりも大きい
ことを特徴とする請求項３に記載の圧接ユニット。

【請求項5】

８００Ｎの荷重を加えた際の電気抵抗に対する１００Ｎの荷重を加えた際の電気抵抗の比が、１．０以上１．５以下である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の圧接ユニット。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧接ユニットと、
前記圧接ユニットの各第１通電部と電気的に接続する半導体チップと、
前記半導体チップを保持する第２の板状部材と、
を備えることを特徴とする電力用半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧接ユニットおよび電力用半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電力用半導体装置は、いわゆる圧力接触型の高出力半導体モジュールであって、ベースプレート、カバープレート、ベースプレートとカバープレートとの間で圧接する圧接ユニット、及び複数の半導体チップから構成されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載されている電力用半導体装置において、圧接ユニットの通電部材は、帯状の部材を湾曲させてなるばね部材、例えば、接続クリップを用いて構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−０４８２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、特許文献１に記載されている電力用半導体装置では、押圧によりベースプレートおよびカバープレートに荷重が加わると、この荷重に応じてばね部材が撓む。この際、ばね部材は、ベースプレートおよびカバープレートが対向する方向と垂直な方向に広がるように撓む。このため、電力用半導体装置を設計するうえで、ばね部材の撓みによるばね部材の広がりを考慮する必要があり、電力用半導体装置を小型化するのは難しかった。

【0005】

また、従来の電力用半導体装置では、複数の半導体チップの各々が電力を供給する。このため、複数の半導体チップのうちのいずれかが故障しても、他の半導体チップによってカバーすることができる。しかしながら、半導体チップが故障すると、アーク放電により爆風が発生することがあり、この爆風によりカバープレートと圧接ユニットとの間が離れてアーク放電が生じる状態が継続すると、電気的な導通を維持することができず、電力用半導体装置全体の機能復帰が迅速に行われなくなる。その結果、半導体装置が機能しなくなってしまうという問題があった。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、一部の半導体チップが故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置を小型化することができる圧接ユニットおよび電力用半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる圧接ユニットは、導電性を有する板状部材と、前記板状部材に固定されており、前記板状部材への接続方向に沿って伸縮自在な複数の圧接部材と、を備え、前記圧接部材は、当該圧接部材の伸縮方向に沿って延びる導電性の第１通電部と、前記第１通電部の表面に対して摺動自在に接触するとともに、前記板状部材に固定された第２通電部と、前記第１通電部に保持されており、前記伸縮方向に沿って伸縮自在な一つまたは複数のばね部材と、を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明にかかる圧接ユニットは、上記の発明において、前記第２通電部は、前記板状部材に固定される基部と、前記基部から延び、該第１通電部の表面に対して摺動可能な摺動部と、を有することを特徴とする。

【0009】

また、本発明にかかる圧接ユニットは、上記の発明において、前記ばね部材を複数有し、複数の前記ばね部材は、伸縮方向を揃えて前記第１通電部に配置され、前記ばね部材は、コイルばねであることを特徴とする。

【0010】

また、本発明にかかる圧接ユニットは、上記の発明において、前記コイルばねは、長手方向と直交する断面が矩形をなす線材を巻回してなることを特徴とする。

【0011】

また、本発明にかかる圧接ユニットは、上記の発明において、前記コイルばねは、当該コイルばねの長手方向に沿った前記線材の幅が、巻回により形成される前記長手方向における前記線材のピッチよりも大きいことを特徴とする。

【0012】

また、本発明にかかる圧接ユニットは、上記の発明において、８００Ｎの荷重を加えた際の電気抵抗に対する１００Ｎの荷重を加えた際の電気抵抗の比が、１．０以上１．５以下であることを特徴とする。

【0013】

また、本発明にかかる電力用半導体装置は、上記の発明にかかる圧接ユニットと、前記圧接ユニットの各第１通電部と電気的に接続する半導体チップと、前記半導体チップを保持する第２の板状部材と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、一部の半導体チップが故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置を小型化することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。

【図2】図２は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図3】図３は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図4】図４は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図5】図５は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図6】図６は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図7】図７は、図６のＡ−Ａ線部分断面図である。

【図8】図８は、従来の圧接ユニットの構成を説明する模式図である。

【図9】図９は、圧接ユニットに加わる荷重と、電気抵抗との関係を説明する図である。

【図10】図１０は、本発明にかかる圧接ユニットと、従来の圧接ユニットとにおいて１００Ｎの荷重が加わった場合の電気抵抗を説明する図である。

【図11】図１１は、本発明にかかる圧接ユニットと、従来の圧接ユニットとにおいて８００Ｎの荷重が加わった場合の電気抵抗を説明する図である。

【図12】図１２は、本発明の実施の形態の変形例１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図13】図１３は、本発明の実施の形態の変形例１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図14】図１４は、本発明の実施の形態の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図15】図１５は、本発明の実施の形態の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図16】図１６は、本発明の実施の形態の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図17】図１７は、本発明の実施の形態の変形例３にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図18】図１８は、本発明の実施の形態の変形例３にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図19】図１９は、本発明の実施の形態の変形例４にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図20】図２０は、本発明の実施の形態の変形例４にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図21】図２１は、本発明の実施の形態の変形例４にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図22】図２２は、本発明の実施の形態の変形例５にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図23】図２３は、本発明の実施の形態の変形例６にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【図24】図２４は、本発明の実施の形態の変形例７にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施するための形態を図面とともに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。また、同一の構成要素には、同一の符号が付してある。

【0017】

（実施の形態）
図１〜図３は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の構成を示す部分断面図である。図１は、電力用半導体装置１の構成を示す断面図である。図２は、電力用半導体装置１の圧接ユニットの構成を説明する斜視図である。図３は、図２に示す圧接ユニットを下方からみたときの構成を説明する平面図である。なお、図１に示す電力用半導体装置は、使用状態を示す図であり、後述する導電性カバープレートに荷重が加わっている状態である。電力用半導体装置は、スイッチングチップ、フリーホイールダイオードチップ、ワイドバンドギャップチップなどの複数の電力用半導体チップを用いた電力用半導体装置であり、各チップと導電性カバープレートの間には、複数の圧力接触用の圧接部材が配置されている。これと同時に、スイッチングチップやワイドバンドギャップチップを用いた電力用半導体装置においては、圧接部材以外に信号用の接続部材（図示せず）が配置されており、その接続部材の一端は、スイッチングチップやワイドバンドギャップチップの信号パッドに接続されるとともに、他端は導電性カバープレート下に配置されたゲート／エミッタ信号用基板に接続されている構造である。電力用半導体装置は、一つの電力用半導体装置を用いるものであってもよいし、複数個積層してもよい。

【0018】

図１に示す電力用半導体装置１は、略平板状の導電性ベースプレート２と、略平板状の導電性カバープレート３と、半導体チップ４と、圧接部材５と、金属板６と、内側樹脂フレーム７と、外側樹脂フレーム８とを備える。

【0019】

導電性ベースプレート２には、金属板６を介して複数の半導体チップ４が設けられている。半導体チップ４は、板状をなしている。半導体チップ４は、一方の主面に電極４ａが設けられており、この電極４ａを介して圧接部材５と電気的に接続している。また、半導体チップ４は、金属板６と電気的に接続している。なお、金属板６の板厚は適宜設計可能である。なお、本明細書において、板形状の「主面」とは、部材の表面を構成する複数の面のうちの一部の面であって最も広い面積を有する面のことをいう。また、側面（または側部）は、主面と交差する面（部分）のことをいう。

【0020】

導電性カバープレート３は、略板状をなしている。図１において、導電性カバープレート３は、側面側の端部が段付き形状をなしているが、これに限らず、一様な断面積で構成されていてもよい。導電性カバープレート３は、例えば、銀メッキを施した純銅を用いて形成される。

【0021】

本実施の形態では、導電性カバープレート３および圧接部材５により、圧接ユニット１０を構成している。圧接ユニット１０は、図２および図３に示すように、導電性カバープレート３が、複数の圧接部材５を保持してなる。本実施の形態では、九つの圧接部材５が導電性カバープレート３に取り付けられているものとして説明するが、この数に限らず、二つ以上の圧接部材５が取り付けられる。また、本実施の形態においては、各圧接部材５が、各々の向きを揃えて配列されている。

【0022】

図４〜７は、本発明の一実施の形態にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、圧接ユニット１０を説明する図である。図４は、圧接ユニット１０の構成を示す斜視図である。図５は、圧接ユニット１０の構成を示す側面図である。図６は、圧接ユニット１０の構成を示す部分断面図であり、図６の左側が側面図、右側が、後述するガイドピン５５を通過する平面を切断面とする断面図を示している。図７は、図６のＡ−Ａ線部分断面図である。圧接ユニット１０は、上述したように、導電性カバープレート３に複数の圧接部材５が取り付けられてなる。

【0023】

圧接部材５は、第１通電部５１と、第２通電部５２と、ばね部材５３と、固定ねじ５４と、ガイドピン５５とを有する。

【0024】

第１通電部５１は、角柱状をなす本体部５１１と、本体部５１１の表面からそれぞれ突出してなる二つの突出部５１２とを有する。第１通電部５１は、例えば純銅を用いて形成される。

【0025】

本体部５１１は、断面積が異なる段付き形状をなして延びるものとして説明するが、同一の断面積で延びる形状をなしていてもよい。本体部５１１には、一端側に開口を有し、複数のばね部材５３の一部を収容可能であり、各ばね部材５３の伸縮方向を揃えて保持可能な第１収容部５１１ａと、第１収容部５１１ａの他端に連なり、ガイドピン５５を収容可能な第２収容部５１１ｂとが形成されている（図６参照）。また、本体部５１１には、圧接部材５の伸縮方向に沿って延び、第２通電部５２と接触する表面をなす二つの平面部５１１ｃを有する（図６参照）。

【0026】

突出部５１２は、本体部５１１における第１収容部５１１ａの開口が形成されている面と交差する面のうち、対向する面の第１収容部５１１ａの開口側の端部からそれぞれ突出している。突出部５１２は、端部側が面取りされているものを例に説明するが、面取りを有さずに、角柱状をなして突出していたり、突出方向の先端側が球状をなしていたりしてもよい。

【0027】

第２通電部５２は、帯状の部材を略Ｃ字状に湾曲させてなる。第２通電部５２は、平板状をなす基部５２１と、基部５２１の互いに対向する側面から、基部５２１に対して屈曲してそれぞれ延び、第１通電部５１に対して摺動可能な摺動部５２２と、を有する。摺動部５２２は、基部５２１の互いに対向する側面から、基部５２１に対して屈曲してそれぞれ延出する二つの延出部５２２ａと、各延出部５２２ａの端部のうち基部５２１に連なる側と反対側の端部から、対向する延出部５２２ａ側に向けて湾曲して延びる二つの湾曲部５２２ｂとを有する。第２通電部５２は、二つの延出部５２２ａおよび湾曲部５２２ｂが、本体部５１１の突出部５１２が形成されている面を挟み込んでいる。本構成において、突出部５１２は、湾曲部５２２ｂが係止することによって第２通電部５２の抜け止め機能を担うことができる。第２通電部５２は、例えばコルソン銅を用いて形成される。

【0028】

ばね部材５３は、一端側が第１通電部５１に保持され、他端が基部５２１に当接している。ばね部材５３は、導電性カバープレート３と第１通電部５１とが互いに離れる方向に付勢している。ばね部材５３は、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねを用いて実現される。ばね部材５３は、絶縁性材料からなるものであってもよいし、導電性材料からなるものであってもよい。また、本実施の形態では、ばね部材５３が複数設けられるものとして説明するが、ガイドピン５５を挿通するばね部材、例えば一つの角線コイルばねや複数の皿ばねからなるものであってもよい。ばね部材５３は、例えば線材を巻回することにより延伸する方向である当該ばね部材５３の長手方向に伸縮する。

【0029】

複数のばね部材５３およびガイドピン５５は、図７に示すように、第１収容部５１１ａに収容されている。この際、複数のばね部材５３およびガイドピン５５は、各々の位置を固定して圧接する荷重を安定させるという観点で、第１収容部５１１ａに密に収容されていることが好ましい。

【0030】

ここで、導電性カバープレート３には、板厚方向に貫通する一つの第１貫通孔３ａ、および二つの第２貫通孔３ｂが形成されている（図４参照）。第１貫通孔３ａは、ガイドピン５５を挿通可能な径を有し、板厚方向に延びている。第２貫通孔３ｂは、固定ねじ５４を螺合可能な径を有し、板厚方向に延びている。なお、第１貫通孔３ａおよび第２貫通孔３ｂは、ガイドピン５５および固定ねじ５４を挿通可能であれば、板厚方向に貫通していなくてもよい。

【0031】

同様に、基部５２１には、板厚方向に貫通する一つの第１貫通孔５２１ａ、および二つの第２貫通孔５２１ｂが形成されている（図２，６参照）。第１貫通孔５２１ａは、ガイドピン５５を挿通可能な径を有し、板厚方向に貫通している。第２貫通孔５２１ｂは、固定ねじ５４を挿通可能な径を有し、板厚方向に貫通している。

【0032】

圧接部材５は、本体部５１１の側面に第２通電部５２の湾曲部５２２ｂが摺動自在に接触しているとともに、固定ねじ５４によって基部５２１と導電性カバープレート３とが固定されている。なお、基部５２１と導電性カバープレート３とを一体化できれば、固定ねじ５４による固定に限らず、ろう付け、または接合により基部５２１と導電性カバープレート３とを固定してもよい。

【0033】

このようにして基部５２１と導電性カバープレート３とを固定することによって、半導体チップ４が短絡破壊して爆風が生じた場合でも、両者の間の接触を維持することができる。この際、導電性カバープレート３が変形するなどして、導電性ベースプレート２から離間して、半導体チップ４と導電性カバープレート３との間の距離が大きくなったとしても、湾曲部５２２ｂが摺動して本体部５１１との接触を維持することができる。このため、本体部５１１の湾曲部５２２ｂの摺動面は、導電性カバープレート３の変形により離間する距離に対応できるように確保されていることが好ましい。これにより、半導体チップ４と導電性カバープレート３との間の電気的な接続を維持することができる。

【0034】

図１に戻り、内側樹脂フレーム７は、導電性ベースプレート２から立設されている。

【0035】

外側樹脂フレーム８は、導電性カバープレート３の両端部から、導電性カバープレート３の主面と直交する方向に延びている。外側樹脂フレーム８は、内側樹脂フレーム７の外周側を覆うように設けられている。外側樹脂フレーム８を設けることにより防爆性を向上することができる。

【0036】

続いて、本発明にかかる圧接ユニット１０と、従来の圧接ユニットとの荷重に対する電気抵抗の特性について説明する。電気抵抗は、圧接ユニットに所定の荷重を加えた状態において、４端子法により測定して得た値である。

【0037】

図８は、従来の圧接ユニットの構成を説明する模式図である。図８に示す圧接ユニット２０は、金属ブロック２００と、皿ばね２０１と、第１通電部２０２と、第２通電部２０３と、中間部材２０４〜２０６と、銅板２０７とを備える。圧接ユニット２０は、金属ブロック２００上に第１通電部２０２および第２通電部２０３が順に積層され、第２通電部２０３の金属ブロック２００側と反対側の端部に中間部材２０４が積層されている。中間部材２０４の第２通電部２０３側と反対側には、銅板２０７が積層されている。また、中間部材２０５，２０６は、金属ブロック２００と銅板２１１とに挟まれてなる。圧接ユニット２０を用いた４端子測定では、銅板２０７，２１１を電気的に接続して測定を行う。

【0038】

第１通電部２０２および第２通電部２０３は、導電性材料を用いて形成され、帯状の部材を湾曲してなる。第１通電部２０２および第２通電部２０３は、互いに対向する方向から皿ばねを挟み込むようにして設けられる。なお、本測定において、第１通電部２０２および第２通電部２０３は、第１通電部５１と同じ材料を用いた。第１通電部２０２および第２通電部２０３は、外部からの荷重Ｆによって銅板２０７が押し下げられることによる皿ばね２０１の収縮に追従して、図８の左右方向にそれぞれ広がるように変形する。

【0039】

図９は、圧接ユニットに加わる荷重と、電気抵抗との関係を説明する図である。図９では、曲線Ｌ₁が本発明にかかる圧接ユニット１０の電気抵抗曲線を示し、曲線Ｌ₁₀₀が従来の圧接ユニット２０の電気抵抗曲線を示している。図９に示すように、圧接ユニット１０の方が、小さい荷重で電気抵抗が安定していることがわかる。これは、圧接ユニット１０における電流の導通経路において、異なる部材が接触する接点箇所が、第１通電部５１と第２通電部５２との間、および第２通電部５２と導電性カバープレート３との間の二箇所しかないのに対し、圧接ユニット２０では九箇所あり、この接点箇所の差によるものと考えられる。接点箇所が多いほど、抵抗値が安定するまでに大きな荷重が必要であることがわかる。

【0040】

図１０は、本発明にかかる圧接ユニットと、従来の圧接ユニットとにおいて１００Ｎの荷重が加わった場合の電気抵抗を説明する図である。図１１は、本発明にかかる圧接ユニットと、従来の圧接ユニットとにおいて８００Ｎの荷重が加わった場合の電気抵抗を説明する図である。なお、荷重にかかわらず、圧接ユニット１０は０．００４７ｍΩの部材固有抵抗を有しており、従来の圧接ユニット２０は０．００３６ｍΩの部材固有抵抗を有している。電気抵抗は、この部材固有抵抗と、荷重に応じて変化する接触抵抗とからなる。

【0041】

図１０に示すように、１００Ｎの荷重が加わった状態において、圧接ユニット１０では電気抵抗が０．１６６ｍΩとなるのに対して、圧接ユニット２０では電気抵抗が０．３８１ｍΩとなっている。すなわち、圧接ユニット１０では接触抵抗が０．１１９ｍΩとなり、圧接ユニット２０では接触抵抗が０．３４５ｍΩとなっている。

【0042】

また、図１１に示すように、８００Ｎの荷重が加わった状態において、圧接ユニット１０では電気抵抗が０．１５２ｍΩとなるのに対して、圧接ユニット２０では電気抵抗が０．１５１ｍΩとなっている。すなわち、圧接ユニット１０では接触抵抗が０．１０５ｍΩとなり、圧接ユニット２０では接触抵抗が０．１１５ｍΩとなっている。

【0043】

荷重が１００Ｎの電気抵抗をΩ₁₀₀、８００Ｎの電気抵抗をΩ₈₀₀とすると、図１０及び図１１が示す値より、１００Ｎと８００Ｎとの電気抵抗比（Ω₁₀₀／Ω₈₀₀）は、圧接ユニット１０がおよそ１．０９となり、圧接ユニット２０がおよそ２．５２となる。また、８００Ｎの荷重を加えた際の接触抵抗に対する１００Ｎの荷重を加えた際の接触抵抗比（Ω₁₀₀／Ω₈₀₀）は、圧接ユニット１０がおよそ１．１３となり、圧接ユニット２０が３．００となる。本発明にかかる圧接ユニット１０は、上述した接触抵抗比が、１．０以上１．５以下であることが好ましく、１．０以上１．２以下であることがさらに好ましく、１．０以上１．１以下であることがさらに好ましい。このように、圧接ユニット１０は、圧接ユニット２０と比して荷重間の抵抗比が小さく、小さい荷重から安定した電気的導通を確保することができるといえる。一因として、圧接ユニット１０は、接点箇所が少ないことと、第２通電部５２が第１通電部５１の周面に対して摺動可能に接触していることとが挙げられる。摺動可能に接触することによって、荷重によらず一定の接触抵抗を維持することができる。なお、上述した接触抵抗比は、８００Ｎの荷重と１００Ｎの荷重との接触抵抗比を例に説明したが、８００Ｎおよび１００Ｎに限らず、それぞれ前後数十Ｎの荷重における接触抵抗の比としてもよい。例えば、８００Ｎの前後５０Ｎ（７５０Ｎ〜８５０Ｎ）の接触抵抗と、１００Ｎの前後５０Ｎ（５０Ｎ〜１５０Ｎ）の接触抵抗との比であってもよい。この場合の接触抵抗比についても、上述した範囲となる。

【0044】

上述した本発明の一実施の形態によれば、導電性カバープレート３と第２通電部５２とを固定ねじ５４で固定するとともに、第１通電部５１に対して第２通電部５２を摺動自在に接触させるようにしたので、一部の半導体チップ４が故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置１を小型化することができる。

【0045】

また、本実施の形態によれば、導電性カバープレート３と第２通電部５２とを固定ねじ５４で固定するとともに、第１通電部５１に対して第２通電部５２を摺動自在に接触させることにより、従来の構成と比して荷重間の抵抗比を小さくしたので、小さい荷重で圧接する場合であっても、安定した電気的導通を確保することができる。

【0046】

また、本実施の形態によれば、複数のばね部材５３を、一つの穴をなす第１収容部５１１ａに収容するようにしたので、第１通電部５１に対して、複数のばね部材５３を容易に組み付けることができる。この際、複数のばね部材５３を結束バンド等の保持部材によって保持した状態で、第１収容部５１１ａに収容するようにしてもよい。

【0047】

なお、本実施の形態において、第２通電部５２が、基部５２１と、複数の延出部５２２ａおよび湾曲部５２２ｂとを有するものとして説明したが、例えば、第２通電部５２が、基部５２１を有さずに、互いに別体で設けられる複数の延出部５２１および湾曲部５２２ｂからなり、延出部５２２ａが固定ねじ５４によって導電性カバープレート３に固定されるものであってもよい。この場合、ばね部材５３は、導電性カバープレート３に当接する。

【0048】

（実施の形態の変形例１）
図１２および図１３は、本発明の実施の形態の変形例１にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。図１２は、電力用半導体装置１の圧接ユニットの構成を説明する斜視図である。図１３は、図１２に示す圧接ユニットを下方からみたときの構成を説明する平面図である。上述した実施の形態では、各圧接部材５が、各々の向きを揃えて配列されているものとして説明したが、図１２および図１３に示すように、各圧接部材５が互い違いに向くように配列されてもよい。導電性カバープレート３の主面上において圧接部材５が占有する面積が長方形である場合、隣り合う圧接部材５の長辺と短辺とが互い違いとなるように配列することによって、複数の圧接部材５をより密に配列させることが可能となる。

【0049】

（実施の形態１の変形例２）
図１４〜図１６は、本発明の実施の形態の変形例２にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。図１４は、本変形例２にかかる圧接部材５Ａを斜め上方から見た斜視図である。図１５は、本変形例２にかかる圧接部材５Ａの側面図である。図１６は、本変形例２にかかる圧接部材５Ａを斜め下方から見た斜視図である。本変形例２にかかる圧接ユニット１０Ａは、導電性カバープレート３Ａに複数の圧接部材５Ａが取り付けられてなる。導電性カバープレート３Ａは、略板状をなしている。

【0050】

圧接部材５Ａは、第１通電部５１Ａと、第２通電部５２Ａと、ばね部材５３と、固定ねじ５４と、上述したガイドピン５５（図示せず）とを有する。

【0051】

第１通電部５１Ａは、円柱状をなす本体部５１３を有する。本体部５１３には、一端側に開口を有し、複数のばね部材５３の一部を収容可能な第１収容部５１３ａと、第１収容部５１３ａの他端に連なり、ガイドピン５５を収容可能な第２収容部５１３ｂとが形成されている（図１５参照）。第１通電部５１Ａは、例えば純銅を用いて形成される。本変形例２では、本体部５１３の側面部の表面において、第２通電部５２Ａが摺動する。

【0052】

第２通電部５２Ａは、平板状をなす基部５２３と、基部５２３の互いに対向する側面から、基部５２３に対して屈曲してそれぞれ延び、第１通電部５１Ａに対して摺動可能な三つの摺動部５２４と、を有する。摺動部５２２は、基部５２３の互いに異なる側面からそれぞれ延出する延出部５２４ａと、各延出部５２４ａの端部のうち基部５２３に連なる側と反対側の端部から、対向する延出部５２４ａ側に向けて湾曲して延びる湾曲部５２４ｂとを有する。第２通電部５２Ａは、三つの延出部５２４ａおよび湾曲部５２４ｂが、本体部５１３の周面を挟み込んでいる。なお、摺動部５２４の数は三つに限らず、三つ以上設けることによって電気的な信頼性を向上できることは言うまでもない。

【0053】

基部５２３には、上述した第１貫通孔５２１ａと同様に、ガイドピン５５を挿通可能な貫通孔が形成されている。また、基部５２３には、三つの延出部５２４ａの間からそれぞれ延びる三つの舌片部５２３ａを有し、各舌片部５２３ａには、上述した第２貫通孔５２１ｂと同様に、固定ねじ５４を挿通可能な貫通孔が形成されている。

【0054】

ここで、導電性カバープレート３Ａには、板厚方向に貫通する一つの第１貫通孔３ａ、および三つの第２貫通孔３ｃが形成されている（図１４参照）。第２貫通孔３ｃは、固定ねじ５４を螺合可能な径を有し、板厚方向に延びている。なお、第２貫通孔３ｃについても、固定ねじ５４を挿通可能であれば、板厚方向に貫通していなくてもよい。

【0055】

本変形例２においても、固定ねじ５４によって第２通電部５２Ａと導電性カバープレート３Ａとが固定されている。

【0056】

上述した変形例２によれば、導電性カバープレート３Ａと第２通電部５２Ａとを固定ねじ５４で固定するとともに、第１通電部５１Ａに対して第２通電部５２Ａを摺動自在に接触させるようにしたので、一部の半導体チップ４が故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置１を小型化することができる。

【0057】

また、上述した変形例２によれば、本体部５１３が円柱状をなすため、上述した角柱状をなす本体部５１１と比して加工が容易である。

【0058】

（実施の形態の変形例３）
図１７および図１８は、本発明の実施の形態の変形例３にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。図１７は、本変形例３にかかる圧接部材５Ｂを斜め上方から見た斜視図である。図１８は、本変形例３にかかる圧接部材５Ｂの側面図である。本変形例３にかかる圧接ユニット１０Ｂは、導電性カバープレート３Ｂに複数の圧接部材５Ｂが取り付けられてなる。導電性カバープレート３Ｂは、略板状をなしている。

【0059】

圧接部材５Ｂは、第１通電部５１と、第２通電部５２Ｂと、ばね部材５３と、固定ねじ５４Ａと、上述したガイドピン５５（図示せず）とを有する。

【0060】

第２通電部５２Ｂは、平板状をなす基部５２５と、基部５２５の互いに対向する側面から、基部５２１に対して屈曲してそれぞれ延び、第１通電部５１に対して摺動可能な摺動部５２６と、を有する。摺動部５２６は、基部５２５の互いに異なる側面からそれぞれ延出する四つの延出部５２６ａと、各延出部５２６ａの端部のうち基部５２５に連なる側と反対側の端部から、対向する延出部５２５ａ側に向けて湾曲して延びる四つの湾曲部５２６ｂとを有する。第２通電部５２Ｂは、四つの延出部５２６ａおよび湾曲部５２６ｂが、本体部５１１の周面を挟み込んでいる。本変形例３では、圧接部材５Ｂの伸縮方向に沿って延びる四つの面が、第２通電部５２Ｂと接触する表面をなす平面部５１１ｃとなる。

【0061】

基部５２５には、上述した第１貫通孔５２１ａと同様に、ガイドピン５５を挿通可能な貫通孔が形成されている。また、基部５２５には、四つの延出部５２６ａの間からそれぞれ延びる四つの舌片部５２５ａを有し、各舌片部５２５ａには、上述した第２貫通孔５２１ｂと同様に、固定ねじ５４Ａを挿通可能な貫通孔が形成されている。

【0062】

ここで、導電性カバープレート３Ｂには、板厚方向に貫通する一つの第１貫通孔３ａ、および四つの第２貫通孔３ｄが形成されている（図１７参照）。第２貫通孔３ｄは、固定ねじ５４Ａを螺合可能な径を有し、板厚方向に延びている。なお、第２貫通孔３ｄについても、固定ねじ５４Ａを挿通可能であれば、板厚方向に貫通していなくてもよい。

【0063】

本変形例３においても、固定ねじ５４Ａによって第２通電部５２Ｂと導電性カバープレート３Ｂとが固定されている。

【0064】

上述した変形例３によれば、導電性カバープレート３Ｂと第２通電部５２Ｂとを固定ねじ５４Ａで固定するとともに、第１通電部５１に対して第２通電部５２Ｂを摺動自在に接触させるようにしたので、一部の半導体チップ４が故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置１を小型化することができる。

【0065】

（実施の形態１の変形例４）
図１９〜図２２は、本発明の実施の形態の変形例４にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図である。図１９は、本変形例４にかかる圧接部材５Ｃを斜め上方から見た斜視図である。図２０は、本変形例４にかかる圧接部材５Ｃの側面図である。図２１は、本変形例４にかかる圧接部材５Ｃを斜め下方から見た斜視図である。本変形例４にかかる圧接ユニット１０Ｃは、導電性カバープレート３Ｃに複数の圧接部材５Ｃが取り付けられてなる。導電性カバープレート３Ｃは、略板状をなしている。

【0066】

圧接部材５Ｃは、第１通電部５１Ａと、第２通電部５２Ｃと、ばね部材５３と、固定ねじ５４と、上述したガイドピン５５（図示せず）とを有する。本変形例４では、本体部５１３の側面部の表面において、第２通電部５２Ｃが摺動する。

【0067】

第２通電部５２Ｃは、帯状の部材を周回させてなる基部５２７と、基部５２７の長手方向と直交する側面であって一方の側面から互いに近づく方向に屈曲してそれぞれ延び、第１通電部５１Ａに対して摺動可能な七つの摺動部５２８と、を有する。摺動部５２８は、基部５２７の同じ側の側面からそれぞれ延出する延出部５２８ａと、各延出部５２８ａの端部のうち基部５２７に連なる側と反対側の端部から、対向する延出部５２８ａ側に向けて湾曲して延びる湾曲部５２８ｂとを有する。第２通電部５２Ｃは、三つの延出部５２８ａおよび湾曲部５２８ｂが、本体部５１３の周面を挟み込んでいる。なお、摺動部５２８の数は七つに限らず、三つ以上設ければ電気的な信頼性を確保することが可能である。

【0068】

基部５２７には、上述した第１貫通孔５２１ａと同様に、ガイドピン５５を挿通可能な貫通孔が形成されている。また、基部５２７には、基部５２７の摺動部５２８が延びる側と反対側の側面からそれぞれ延びる三つの舌片部５２７ａを有し、各舌片部５２７ａには、上述した第２貫通孔５２１ｂと同様に、固定ねじ５４を挿通可能な貫通孔が形成されている。

【0069】

ここで、導電性カバープレート３Ｃには、板厚方向に貫通する一つの第１貫通孔３ａ、および三つの第２貫通孔３ｅが形成されている（図１４参照）。第２貫通孔３ｅは、固定ねじ５４を螺合可能な径を有し、板厚方向に延びている。なお、第２貫通孔３ｅについても、固定ねじ５４を挿通可能であれば、板厚方向に貫通していなくてもよい。

【0070】

本変形例４においても、固定ねじ５４によって第２通電部５２Ｃと導電性カバープレート３Ｃとが固定されている。

【0071】

上述した変形例４によれば、導電性カバープレート３Ｃと第２通電部５２Ｃとを固定ねじ５４で固定するとともに、第１通電部５１Ａに対して第２通電部５２Ｃを摺動自在に接触させるようにしたので、一部の半導体チップ４が故障しても導通を維持することができるとともに、電力用半導体装置１を小型化することができる。

【0072】

（実施の形態の変形例５）
図２２は、本発明の実施の形態の変形例５にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材の構成の他の例を示す図である。本変形例５にかかるばね部材５３Ａは、図２２に示すように、当該ばね部材５３Ａを構成し、断面が矩形をなす線材である帯状部材の幅ｄ₁が、巻回により延伸する方向の部材間の距離であるピッチｄ₂より大きい。また、ばね部材５３Ａは、図２３に示すように、帯状部材の長手方向および幅ｄ₁方向と垂直な方向の長さ（板厚）ｄ₃が、幅ｄ₁よりも小さい。

【0073】

本変形例５にかかるばね部材５３Ａのように、当該ばね部材５３Ａを構成する帯状部材の幅ｄ₁に対し、巻回により延伸する方向のピッチｄ₂を小さくすることによって、複数のばね部材５３Ａを束ねて一括して第１収容部５１１ａに収容する場合であっても、ばね部材５３Ａ同士が絡むことなく、容易に第１収容部５１１ａ内に収容させることができる。

【0074】

なお、上述した変形例５では、ばね部材５３Ａが、帯状部材の長手方向および幅ｄ₁方向と垂直な方向の長さ（板厚）が、幅ｄ₁よりも小さいものを例に説明したが、ｄ₁＞ｄ₂の関係を満たしていれば、当該ばね部材を構成する帯状部材の幅ｄ₁に対し、帯状部材の長手方向および幅ｄ₁方向と垂直な方向の長さ（板厚）が大きいものであってもよい。

【0075】

（実施の形態の変形例６）
図２３は、本発明の実施の形態の変形例６にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材の構成の他の例を示す図である。上述した実施の形態では、ばね部材５３が、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねであるものとして説明したが、図２３に示すばね部材５３Ｂのように、長手方向と直交する面を切断面とする断面が円をなす線材を巻回してなる丸線コイルばねであってもよい。

【0076】

（実施の形態の変形例７）
図２４は、本発明の実施の形態の変形例７にかかる電力用半導体装置の要部の構成を示す模式図であって、ばね部材の構成の他の例を示す図である。上述した実施の形態１では、ばね部材５３が、長手方向と直交する面を切断面とする断面が矩形をなす線材を巻回してなる角線コイルばねであるものとして説明したが、図２４に示すばね部材５３Ｃのように、帯状の材料が用いられ、主面に沿って湾曲された形状をなす板ばねであってもよい。ばね部材５３Ｃに用いられる帯状の材料は、一様な幅および均一な板厚を有する材料であってもよい。なお、幅とは、帯状の部材の主面において、長手方向と直交する方向の長さを指す。

【0077】

上述した実施の形態は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施の形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは、上記記載から自明である。

【産業上の利用可能性】

【0078】

以上のように、本発明にかかる圧接ユニットおよび電力用半導体装置は、一部の半導体チップが故障しても導通を維持するとともに、電力用半導体装置を小型化するのに有用である。

【符号の説明】

【0079】

１ 電力用半導体装置
２ 導電性ベースプレート
３，３Ａ，３Ｂ 導電性カバープレート
４ 半導体チップ
４ａ 電極
５，５Ａ，５Ｂ 圧接部材
６ 金属板
７ 内側樹脂フレーム
８ 外側樹脂フレーム
１０，１０Ａ，１０Ｂ，２０ 圧接ユニット
５１，５１Ａ 第１通電部
５２，５２Ａ，５２Ｂ 第２通電部
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ ばね部材
５４，５４Ａ 固定ねじ
５５ ガイドピン
５１１，５１３ 本体部
５１１ｃ 平面部
５１２ 突出部
５２１，５２３，５２５ 基部
５２２，５２４，５２６ 摺動部
５２２ａ，５２４ａ，５２６ａ 延出部
５２２ｂ，５２４ｂ，５２６ｂ 湾曲部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】