EP1057249A1 - Matrixumrichter - Google Patents

Abstract

Neun bidirektional sperrende Leistungsbauelemente sind in Form einer dreireihigen Matrix zwischen je drei parallel zueinander darüber bzw. darunter angeordneten Stromleitern (4) auf einem Substrat (3) angebracht. Die Stromleiter über der Matrix verlaufen im rechten Winkel zu den Stromleitern unter der Matrix. Die Leiterbahnen zu den Gate- und Hilfsemitteranschlüssen befinden sich auf oder in einer dünnen isolierenden Leiterplatte oder Folie und sind in Aussparungen (5) der Stromleiter an den entsprechenden Kontakten der Chips befestigt.

Description

Beschreibung

Matrixumrichter

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung von Leistungshalbleiterbauelementen in einer geeigneten Montagevorrichtung als Matrixumrichter.

In der EP 0 833 431 A2 ist ein dreiphasiger Matrix- Stromrichter beschrieben, bei dem in drei Schaltergruppen zusammengefaßte neun Hauptschalter sowie zwischen den Schaltergruppen jeweils eine Hilfskommutiereinrichtung mit einem als Viersegmentschalter ausgebildeten Hilfsschalter vorhanden sind. Als Schalter sind IGBTs mit einer jeweiligen Invers- diode, zwei sperrfähige, parallel geschaltete GTO-Thyristoren oder zwei in Serie geschaltete Parallelschaltungen eines asymmetrischen GTOs mit einer Inversdiode angegeben. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, Wechselspannungen vorgegebener Amplitude und Frequenz in Wechselspannungen beliebiger Amplitude und Frequenz umzuwandeln. Derartige Matrixumrichter werden in Zukunft eine große Bedeutung erlangen, da sie bei geringer Rückwirkung auf das Stromnetz die Möglichkeit eröffnen, bei generatorischem Betrieb eines damit angesteuerten Motors die Energie, die der Motor liefert, ins Stromnetz zu- rückzuspeisen. Bisherige Anordnungen von Leistungsschaltern, die für derartige Matrixumrichter geeignet sind, sind so aufwendig, daß eine kompakte Integration nicht möglich ist.

In der Veröffentlichung von T. Ogura e.a.: „High frequency 6000 V double gate GTOs with buried gate structure" in

Proceedings of 1990 International Symposium on Power Semicon- ductor Devices & ICs, Seiten 252 - 255, ist eine Bauelement- Struktur beschrieben, bei der zur Ausbildung eines GTO- Thyristors auf zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten eines Substrates Halbleiterstege mit dotierten Bereichen und Kontaktierungen ausgebildet sind. In der US 5,608,237 ist ein bidirektionaler Halbleiterschalter beschrieben, bei dem IGBT- Strukturen an zwei einander gegenüberliegenden Oberseiten eines Substrates aus Halbleitermaterial ausgebildet sind. Ein derartiger bidirektionaler IGBT ermöglicht durch die zusätzliche Steuerelektrode die Steuerung der Emittereffizienz, und es kann auf diese Weise ein Bauelement mit sehr guten Schalt- und Durchlaßeigenschaften realisiert werden. In der DE 198 04 192 ist ein Verfahren zur Herstellung von bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern mittels Waferbonding angegeben.

Im Gegensatz zu den dort beschriebenen Bauelementen besitzen herkömmliche IGBTs drei Anschlüsse: Kollektor, Emitter und Gate. In IGBT-Modulen, der am häufigsten verwendeten Aufbauform, wird der Kollektor auf ein Keramiksubstrat gelötet, und Emitter und Gate werden über Bondverbindungen kontak- tiert. Es gibt auch IGBTs und Leistungsdioden in Scheibenzellen. Darin sind Emitter und Kollektor über einen Druckkontakt angeschlossen; der Gate-Anschluß kann über einen Federkontakt erfolgen. Bidirektionale Bauelemente, die Anschlußkontakte auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten besitzen, erfordern eine davon abweichende neue Aufbautechnik. Die Gehäuse oder Montagevorrichtungen für derartige Bauelemente müssen so ausgestaltet sein, daß die verschiedenen Anschlüsse elektrisch isoliert voneinander kontaktiert werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakt herstellbaren Matrixumrichter für hohe Stromstärken und Spannungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Matrixumrichter ist aufgebaut aus neun bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern, die auf einan- der gegenüberliegenden Hauptseiten je mindestens einen Anschlußkontakt für den Stromfluß, im folgenden als Emitter- Anschluß bezeichnet, besitzen. Ferner befindet sich auf jeder Hauptseite ein Kontakt zur Steuerung der Schaltfunktion, im folgenden als Gate-Kontakt bezeichnet. Ein solcher Leistungshalbleiterschalter kann z. B. ein bidirektionaler IGBT sein, bei dem an jeder der beiden gegenüberliegenden Hauptseiten eine IGBT-Struktur mit einem mittels einer Gate-Elektrode gesteuerten Kanal vorhanden ist. Durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Gate-Kontakte der Gate-Elektroden kann der bidirektionale IGBT in beiden Stromrichtungen auf Durchlaß oder Sperren geschaltet werden. Um für die für das Schalten angelegte Spannung ein Bezugspotential zu haben, wird das jeweils an den Emitter-Anschlüssen anliegende Potential abgegriffen und der für die Schaltung des Bauelementes vorgesehenen Ansteuerschaltung zugeleitet. Das ist erforderlich, da auf den zu schaltenden Stromleitungen unter Umständen hohe Schwankungen der zu kommutierenden Wechselspannungen auftreten.

Neun bidirektional sperrende Leistungshalbleiterbauelemente sind in Form einer dreireihigen Matrix angeordnet, so daß die einen Hauptseiten zumindest näherungsweise in einer Ebene angeordnet sind und die anderen Hauptseiten entsprechend zumindest näherungsweise in einer dazu beabstandeten koplanaren Ebene, so daß neun Hauptseiten auf jeder Seite der matrixartigen Anordnung vorhanden sind, d. h. in einer Aufsicht auf die Anordnung in jeweils einer von zwei zueinander gegensinnigen Blickrichtungen liegen. Beidseitig der Anordnung sind je drei nebeneinander, vorzugsweise parallel zueinander, angeordnete Stromleiter vorhanden. Die Stromleiter auf der einen Seite der matrixartigen Anordnung verlaufen im Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel, zu den Stromleitern auf der anderen Seite der Anordnung. Anders ausgedrückt heißt das, daß über der Bauelementmatrix drei nebeneinander ausgerichtete Stromleiter in Längsrichtung und unter der Bauelementmatrix drei nebeneinander ausgerichtete Stromleiter in Quer- richtung verlaufen. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind benachbart zu je einem Stromleiter, vorzugsweise darüber bzw. darunter, angeordnet und können jeweils ein einzelner Chip sein.

Durch bidirektionales Schließen eines der Schalter wird eine der drei in Längsrichtung verlaufenden Stromleitungen mit einer der drei in Querrichtung verlaufenden Stromleitungen verbunden. Mit dieser Anordnung können daher drei Eingänge wahlweise mit drei Ausgängen verbunden werden. Die jeweils drei als Eingänge oder Ausgänge fungierenden Stromleitungen werden vorzugsweise durch metallische Stromschienen gebildet. Auf diesen Stromschienen können erhaben ausgebildete Kontakte der Leistungshalbleiterbauelemente durch Löten, Kleben oder eine Andruckvorrichtung dauerhaft elektrisch leitend angebracht sein.

Besonders zweckmäßig ist es, die diversen Leitungen zu den Gate- und Hilfsemitteranschlüssen als Leiterbahnen auf oder in einer dünnen isolierenden Leiterplatte oder Folie auszubilden. An dafür vorgesehenen Kontaktflächen sind die ent- sprechenden Kontakte der Leistungshalbleiterbauelemente befestigt. Die Leistungshalbleiterbauelemente können auch an anderen Flächenanteilen der Leiterplatte oder Folie zusätzlich befestigt sein, so daß die matrixartige Anordnung der neun Leistungshalbleiterbauelemente dadurch bereits weitgehend fi- xiert sein kann. Eine solche Leiterplatte oder Folie kann beidseitig der Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente vorhanden sein oder nur auf einer der beiden jeweiligen Hauptseiten. Wenn die unteren Stromschienen auf einem Substrat befestigt sind, können die Zuführungen zu den Gate- Anschlüssen und den Hilfsemitter-Anschlüssen innerhalb des

Substrates angeordnet sein. Die oberen Anschlüsse können dann durch Zuleitungen in einer Leiterplatte oder Folie gebildet werden, die auf der Oberseite der matrixartigen Anordnung angebracht ist. Die oberen und quer zu den unteren verlaufenden Stromschienen sind vorzugsweise an einem Oberteil angebracht, das von oben auf die Chips mit den Leistungshalbleiterbauelementen drückt. Alternativ kann eine Leiterbahnen tragende Fo- lie zwischen den auf einem Substrat aufgebrachten unteren Stromschienen und der matrixförmigen Anordnung vorhanden sein. Auf der Oberseite können in diesem Fall die Anschlüsse der Leistungshalbleiterbauelemente in an sich bekannter Weise z. B. mittels Bonddrähten mit geeignet angeordneten Leiterbahnen verbunden sein, die z. B. an einem Oberteil, das die oberen Stromschienen trägt, befestigt sind.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin- dungsgemäßen Matrixumrichters anhand der beigefügten Figuren 1 bis 7.

Figur 1 zeigt ein Unterteil eines Matrixumrichters. Figur 2 zeigt ein Oberteil eines Matrixumrichters. Figur 3 zeigt die Ausgestaltung einer Leiterplatte oder mit Leiterbahnen versehenen Folie.

Figur 4 zeigt einen bidirektionalen Halbleiterschalter im Querschnitt.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch eine matrixartige Anordnung von Chips in einem Rahmen. Figur 6 zeigt ein Schema der matrixartigen Anordnung der Chips in einem Rahmen.

Figur 7 zeigt im Querschnitt Ausgestaltungen alternativer Anschlußmöglichkeiten der Leistungshalbleiterbauelemente.

In Figur 1 ist ein Beispiel eines Unterteils 1 des Matrixumrichters schematisch dargestellt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität ist vorzugsweise eine Grundplatte 2 vorhanden, die vorzugsweise aus einem Material besteht, das einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Material des eigentlichen Substrates 3. Die Grundplatte kann beispielsweise ein MMC-Material (metal matrix composite) , beispielsweise AlSiC, CuC oder CuSiC, sein. Das Substrat 3, das die Stromzuführungen vom Netz trägt, ist vorzugsweise A1N. Die Stromzuführungen sind in dem Beispiel der Figur 1 durch metallische Stromschienen 4, z. B. aus Kupfer, gebildet. Die drei benötigten Stromschienen sind vorzugsweise wie dargestellt parallel zueinander ausgerichtet. Zum Zweck der Kontaktierung der Gate-Anschlüsse und der Hilfsemitter- Anschlüsse sind für die an den gestrichelt umrahmten Stellen angeordneten Chips Aussparungen 5 in den Stromschienen vorhanden, die aber auch weggelassen sein können.

Die für den Stromfluß durch die geschlossenen Schalter vorgesehenen Emitter-Anschlüsse der Chips können bei diesem Aus- führungsbeispiel direkt auf den Stromschienen angebracht sein. Die Darstellung der Figur 1 zeigt die wesentlichen Kom- ponenten ohne Rücksicht auf die spezielle Dimensionierung im jeweiligen Anwendungsfall . Die Stromschienen können schmaler, die Zwischenräume dazwischen breiter sein, so daß die als Schalter fungierenden Chips auch seitlich neben den Stromschienen angeordnet sein können. Eine Kontaktierung der Emit- ter-Anschlüsse erfolgt dann z. B. über Anschlußdrähte oder Leiterbahnen, die auf dem Substrat, auf einer gesonderten Leiterplatte oder auf einer mit Leiterbahnen versehenen Folie vorhanden sein können. Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil einfacher Montage.

Ein besonderer Vorteil der Anordnung der Chips in einer 3x3- Matrix liegt darin, daß mit der Ausrichtung der oberen Stromschienen quer zu der Ausrichtung der unteren Stromschienen bereits die Funktion des Matrixumrichters realisiert ist.

Figur 2 zeigt ein geeignetes Oberteil 6 des Matrixumrichters, das analog zu dem Unterteil gemäß Figur 1 aufgebaut ist. Dieses Oberteil wird von oben auf die auf dem Unterteil angeordneten Chips aufgesetzt, und zwar so, daß entsprechend der in Figur 2 dargestellten Ausrichtung die Stromzuführungen am Oberteil quer zu der Richtung der Stromzuführungen auf dem Unterteil verlaufen. Es sind bei diesem Beispiel als Stromzuführungen ebenfalls drei metallische Stromschienen 40 vorhanden. Die bevorzugte Anordnung der Chips ist in Figur 2 eben- falls durch die gestrichelt eingezeichneten Umrandungen markiert. In diesem Beispiel sind auch in den Stromschienen an dem Oberteil Aussparungen 50 für die Gate- und Hilfsemitter- Anschlüsse eingezeichnet.

In dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei- spiel befinden sich die Gate-Kontakte sowohl auf der Oberais auch auf der Unterseite der Chips jeweils in der Mitte des Chips. Statt dessen können die Gate-Anschlüsse am Rand oder an einer Ecke des Chips vorhanden sein. Da die Hilfsemitter-Anschlüsse nur dazu dienen, das an den Emitter- Kontakten anliegende elektrische Potential als Bezugspotential an die Ansteuerschaltung zu übermitteln, können die Hilfsemitter-Anschlüsse beispielsweise auch neben den Chips an den Kanten der Stromschienen angebracht sein.

Figur 3 zeigt eine vorzugsweise flexible Leiterplatte 7 mit Leiterbahnen 8. Die Leiterplatte kann eine Folie aus dielektrischem Material sein; Polyimid (z. B. Kapton^®) ist dafür besonders geeignet. Eine solche Folie läßt sich in geeigneter Dicke bei ausreichender isolierender Wirkung herstellen. Die Leiterbahnen in dieser Folie sind zum Anschluß von Gate bzw. Hilfsemitter jedes Chips an die Ansteuerelektronik vorgesehen. Daher reichen schmale und dünne Leiterbahnen auf der Folie aus. Ein mehrlagiger Aufbau aus mindestens zwei Lagen des Materials der Folie ermöglicht eine beidseitige gute Isolati- on der Leiterbahnen. Es können auch mehrere Lagen der Folie übereinander vorhanden sein, zwischen denen jeweils ein Teil der Leiterbahnen angeordnet ist.

Die in Figur 3 dargestellte strukturierte Leiterplatte 7 be- sitzt in diesem Ausführungsbeispiel Öffnungen 71, in die seitlich abstehende Anteile 70, hier in Form von Zungen oder Laschen, hineinragen. Diese Zungen fügen sich in die Aussparungen 5 der in Figur 1 eingezeichneten Stromschienen 4 ein. Die auf den Anteilen 70 in Figur 3 eingezeichneten quadrati- sehen Flächen stellen die Anschlüsse 9 für ein Gate und die Anschlüsse 10 für einen Hilfsemitter dar, die mit dem Gate- Kontakt auf der Unterseite des jeweiligen Chips und Vorzugs- weise mit einem kleinen Bereich des Emitter-Kontaktes auf der Unterseite des Chips kontaktiert werden. Da es im Fall der Hilfsemitteranschlüsse nur darauf ankommt, das Potential in möglichster Nähe zu den jeweiligen Emitter-Kontakten abzu- greifen, können die Anschlüsse 10 für die Hilfsemitter auch direkt an geeigneten Kontaktflächen der Stromzuführungen angebracht sein. Die Anschlüsse 10 der Hilfsemitter können also auch auf der den Gate-Anschlüssen 9 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 7 angebracht sein, wenn in den zugehörigen Aussparungen der Stromschienen geeignete Kontaktflächen vorhanden sind. Die gezeigte Ausführungsform mit Hilfsemitteran- schlüssen an den Emitter-Kontakten der Chips hat den Vorteil einfacher Herstellbarkeit, da die Gate-Anschlüsse und die Hilfsemitteranschlüsse in demselben Verfahrensschritt herge- stellt werden können.

Gestrichelt eingezeichnet sind die in der strukturierten Leiterplatte, z. B. zwischen zwei Schichtlagen einer Folie, verlaufenden Leiterbahnen 8, die von ihren unten eingezeichneten Enden zu der Ansteuerelektronik geführt sind, was nicht dargestellt ist. Die Leiterbahnen können an einem Rand aus der Leiterplatte herausgeführt sein; die Ansteuerelektronik kann auch in oder auf der Leiterplatte integriert sein.

Die Leiterplatte 7 kann ganzflächig ausgebildet sein. Für die Kontaktierung der an den Chips angebrachten Emitter-Kontakte auf den Stromzuführungen (Stromschienen 4) sind in der Folie entsprechende Öffnungen 71 oder Aussparungen in den für die Kontaktierung vorgesehenen Bereichen der Stromzuführungen vorhanden. Durch das Anbringen der Chips auf den Gate-Anschlüssen 9 und den Hilfsemitter-Anschlüssen 10 ist die ma- trixförmige Anordnung bereits ausreichend fixiert. Um einen elektrischen Kontakt zwischen den Emitter-Kontakten und den Stromschienen herstellen zu können, kann es zweckmäßig sein, wenn für die über den Stromzuführungen angeordneten Bereichen der Leiterplatte 7 zumindest flache Aussparungen in den Stromzuführungen vorhanden sind. Mindestens ein Teil der Dik- ke der Leiterplatte kann aber durch eine Lotschicht oder elektrisch leitende Klebstoffschicht zwischen den Emitter- Kontakten und der Oberseite der Stromzuführungen ausgeglichen werden. Falls die gesamte Anordnung durch Zusammendrücken von Unterteil 1 und Oberteil 6 montiert wird (Druckkontakte) kann es erforderlich sein, durch ausreichend tiefe Aussparungen der Stromzuführungen im Bereich der darauf aufliegenden Leiterplatte oder durch geeignet erhaben ausgebildete Kontaktflächen auf den Stromzuführungen im Bereich der zu kontaktie- renden Emitter-Kontakte der Chips die Dicke der Leiterplatte vollständig auszugleichen.

Eine ähnliche strukturierte und mit Leiterbahnen im Inneren und/oder auf der Oberseite versehene Leiterplatte oder Folie gemäß Figur 3 kann für die Gate- und Hilfsemitter-Anschlüsse der Chips auf der Oberseite vorhanden sein. Diese strukturierte Leiterplatte oder Folie fügt sich dann z. B. in entsprechende Aussparungen 50 der Stromschienen 40 des Oberteiles 6 (Figur 2) ein. Auch dort kann eine im wesentlichen ganzflächige Folie mit Leiterbahnen vorhanden sein, die in den zum Anschluß der Emitter-Kontakte an die oberen Stromschienen 40 vorgesehenen Bereichen mit Aussparungen versehen ist.

Zum Zweck der Matrixanordnung der Leistungshalbleiterschalter sind unten und oben je drei parallel zueinander ausgerichtete Stromzuführungen vorhanden, von denen die oberen im Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel, zu den unteren ausgerichtet sind. Es ist nicht erforderlich, daß die Stromzuführungen je- weils unter bzw. über den Chips vorhanden sind. Es ist statt dessen z. B. möglich, daß die Chips mit den Emitter-Anschlüssen zwar direkt auf den unteren Stromschienen montiert sind, daß aber die oberen Stromzuführungen seitlich neben den Chips angeordnet sind. Die Emitter-Anschlüsse der Chips können in diesem Fall z. B. mittels Bonddrähten mit dafür vorgesehenen Anschlußflächen der oberen Stromzuführungen elektrisch leitend verbunden sein. Die Chips und die oberen Stromzuführun- gen können dann etwa in einer Ebene angeordnet sein. Das Anbringen der Gate-Anschlüsse und Hilfsemitter-Anschlüsse auf der Oberseite der Chips läßt sich dann relativ einfach durch eine ganzflächige Leiterplatte oder Leiterbahnfolie realisie- ren.

Die besonders einfache und kompakte Ausführungsform mit Emitter-Anschlüssen, die direkt auf die Stromschienen aufgelötet, aufgeklebt oder aufgedrückt sind, läßt sich vorzugsweise mit einer Ausführung der Chips mit je einem bidirektionalen Halbleiterschalter realisieren, wie er als Beispiel in Figur 4 im Querschnitt dargestellt ist. Der Halbleiterkörper der Chips 12 mit der als IGBT, GTO oder MOSFET fungierenden dotierten Struktur, die aus den eingangs genannten Schriften im Prinzip bekannt und daher der Übersichtlichkeit halber in der Figur 4 nicht dargestellt ist, besitzt auf beiden Hauptseiten mindestens einen Emitter-Kontakt 14 und mindestens einen Gate- Kontakt 13, an den ein für das Betätigen des Schalters erforderliches Potential angelegt wird. Die Emitter-Kontakte kön- nen mehrfach vorhanden und auf der betreffenden Hauptseite des Chips verteilt sein; die Gate-Kontakte können an beliebiger Stelle der betreffenden Hauptseite angebracht sein und müssen sich nicht in der Mitte der Hauptseite befinden.

Eine auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte und als Kontakt vorgesehene Metallisierung 15, die z. B. Aluminium ist, ist vorzugsweise verstärkt, beispielsweise durch eine dicke Schicht aus Nickel, die typisch etwa 30 um dick ist. Diese Verstärkung der Kontakte aus Nickel kann stromlos auf die Me- tallisierung abgeschieden werden, was bei der Herstellung besonders zweckmäßig ist. Die Oberfläche der Nickelschicht kann außerdem z. B. mittels Schleifens planarisiert werden. Die dielektrischen Randabschlüsse der Chips besitzen auf der Oberseite eine Passivierung 16, die vorzugsweise Polyimid ist. Die Kontakte 13, 14 ragen deutlich über diese Polyi- midschicht hinaus und ermöglichen so eine einfache elektrische Verbindung mit den Stromzuführungen bzw. den Gate- Anschlüssen und den Hilfsemitter-Anschlüssen. In dem Beispiel der Figur 4 ist ein Ritzrahmen am Rand des Chips eingezeichnet, der die Vereinzelung der Chips bei der Herstellung erleichtert .

An den Rändern der Chips ist eine gute elektrische Isolation gegen die hohen Spannungen auf den Stromzuführungen erforderlich. Es ist daher von Vorteil, wenn die Leiterplatte 7 die Ränder der Chips außerhalb der Bereiche der mit den Stromzu- führungen elektrisch verbundenen Emitter-Kontakte 14 abdeckt. Vorzugsweise ist die Leiterplatte mit den Rändern der Chips, insbesondere mit einer dort vorhandenen Passivierung 16 aus Polyimid verklebt, um eine bessere elektrische Isolation der Chips gegenüber den Stromzuführungen zu gewährleisten. In der Figur 4 sind über und unter dem Chip Anteile einer jeweiligen Leiterplatte 7 über den Passivierungen 16 eingezeichnet. Die Emitter-Kontakte sind in diesem Beispiel mit leitenden Klebstoffschichten 11 auf den Stromzuführungen 4, 40 angebracht. In den Aussparungen 5, 50 der Stromzuführungen sind die zun- genförmigen Anteile 70 der Leiterplatten 7 angeordnet. Es sind hier die Gate-Anschlüsse eingezeichnet. Außerdem ist erkennbar, daß die obere Stromzuführung 40 senkrecht zur Zeichenebene und die untere Stromzuführung 4 in der Zeichenebene verläuft .

Zusätzlich zu der Montage auf den Stromschienen oder anderen Stromzuführungen bzw. auf der mit den Leiterbahnen und Anschlüssen für Gate und Hilfsemitter versehenen strukturierten Leiterplatte oder Folie können die Chips auch untereinander in der matrixförmigen Anordnung fixiert sein. Das kann z. B. dadurch bewirkt sein, daß die Seitenränder der Chips entsprechend dem in Figur 5 dargestellten Querschnitt in eine mit Aussparungen versehene Platte oder einen Rahmen 18 eingeklebt sind. Zwischen den Seitenflächen (Randflächen) der Chips 12 und den Innenseiten der Aussparungen dieses Rahmens befinden sich dünne Klebstoffschichten 19, die die Chips fixieren. Figur 6 zeigt eine derartige matrixförmige Anordnung der Chips 12 in einem Rahmen 18. Die Position des in Figur 5 dargestellten Querschnitts ist in Figur 6 eingezeichnet. Die kleinen Quadrate auf der Oberseite der Chips stellen die Ga- te-Kontakte 13 der Chips dar.

Figur 7 zeigt weitere Möglichkeiten der Kontaktierung der Chips. Hier ist als Beispiel ein Chip 12 dargestellt, der entsprechend den Beispielen der Figuren 5 und 6 in einem Rah- men 18 mittels Klebstoffschichten 19 befestigt ist. Die Emitter-Kontakte 14 und die Gate-Kontakte 13 ragen über diesen Rahmen nach oben und unten hinaus. Der Rahmen kann weggelassen sein. Die obere Stromschiene 40 zum Anschluß der oberen Emitter-Kontakte des Chips ist in Figur 7 im Querschnitt dar- gestellt und verläuft senkrecht zur Zeichenebene. In diesem Beispiel ist die Stromschiene nicht an der Unterseite eines Oberteiles angebracht, sondern mittels Klebstoffschichten 21 in einer Halterung 20 oder einem weiteren Rahmen befestigt. Auf der Oberseite der Halterung befinden sich elektrisch lei- tende Anschlußflächen 23, die über Bonddrähte 22 mit je einem Gate-Kontakt 13 auf der Oberseite eines Chips verbunden sind. Dafür ist in der Stromschiene jeweils eine geeignete Aussparung 24 vorhanden, die die Oberseite des Gate-Kontaktes freilegt .

Als ein weiteres Beispiel für den Gate-Anschluß ist auf der Unterseite des Chips eine Leiterplatte 7 als flexible Leiterbahnfolie dargestellt. In dieser Leiterbahnfolie befindet sich eine Leiterbahn 8, die zum Anschluß des Gate-Kontaktes 13 auf der Unterseite des Chips vorgesehen ist. Im Bereich vor oder hinter der Zeichenebene sind in der Leiterbahnfolie Aussparungen vorhanden, in denen die Stromschiene mit mindestens einem unteren Emitter-Kontakt 14 des Chips verbunden ist, z. B. mittels einer elektrisch leitenden Klebstoff- schicht 30 zur dauerhaften Befestigung des Chips auf der

Stromzuführung. Die Leiterbahnfolie ist in Figur 7 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dick eingezeichnet. Bei Verwendung einer sehr dünnen Leiterbahnfolie, z. B. aus Poly- imid, genügt eine sehr dünne Klebstoffschicht 30, um die Emitter-Kontakte unmittelbar auf der Stromschiene zu befestigen.

Zur Veranschaulichung, wie die Leiterbahn 8 zum Anschluß des Gate-Kontaktes in der Leiterplatte angeordnet ist, ist in Figur 7 im Querschnitt diese Leiterbahn bereits ab dem mittleren, auf dem Gate-Kontakt des Chips angebrachten Anschlußkon- takt 9 parallel zur Ausrichtung der zu dem Chip geführten unteren Stromschiene 4 eingezeichnet. Die untere Stromschiene 4 ist in dem dargestellten Querschnitt in der Horizontalen der Zeichenebene ausgerichtet. Zweckmäßigerweise wird bei praktischen Ausgestaltungen die Leiterbahn zunächst - hier senk- recht zur Zeichenebene - in einen Bereich seitlich der Stromschiene herausgeführt, knickt dort ab und verläuft dann parallel zur Stromschiene.

Um einen sicheren Kontakt zwischen dem Anschlußkontakt 9 der Leiterbahn 8 und dem Gate-Kontakt 13 des Chips herzustellen, befindet sich in der Stromschiene eine Aussparung 25, deren Wandung vorzugsweise mit dielektrischem Material 26 isoliert ist und in deren Innerem eine mit einer Feder 32 angedrückte Spitze 31 oder dergleichen vorhanden ist, die gegen die Lei- terplatte drückt. Wenn der Chip seitlich der Stromschiene angeordnet ist oder wenn zumindest ein seitlicher Anteil des Chips seitlich über die Stromschiene hinausragt und der Gate- Kontakt an dieser Stelle angebracht ist, kann die zum Andrük- ken der Leiterplatte an den Gate-Kontakt vorhandene Spitze auch seitlich der Stromschiene in einem von den Stromzuführungen freien Bereich des Substrates angebracht sein. Die Oberseite des Substrates braucht nicht eben zu sein. Das Substrat kann den Bereich zwischen den Stromschienen ausfüllen. In einem an die Oberseite der Stromschienen koplanar an- schließenden Bereich der Oberseite des Substrates kann bevorzugt eine derartige Spitze angebracht sein, die gegen die Leiterbahnfolie oder die flexible Leiterplatte drückt, um ei- nen darin befindlichen Anschlußkontakt 9 mit einem seitlich der Stromzuführung angeordneten Gate-Kontakt des Chips zu kontaktieren.

Eine entsprechende Vorrichtung kann auch auf der Oberseite des Chips vorhanden sein. Die federnd angebrachten Spitzen sind dann z. B. in dem Oberteil, das die oberen Stromschienen trägt, angebracht.

Die möglichen Ausgestaltungen und Anordnungen der beschriebenen Komponenten können den jeweiligen Anforderungen entsprechend miteinander kombiniert werden und mit weiteren Ausgestaltungen einer Kontaktierung modifiziert werden, die von der herkömmlichen Montage unidirektionaler Leistungshalblei- terbauelemente an sich bekannt sind.

Der erfindungsgemäße Matrixumrichter hat den Vorteil, auf extrem kleinem Raum untergebracht werden zu können. Werden Leistungshalbleiterschalter verwendet, deren Chips Abmessungen von typischerweise 13 mm x 13 mm betragen, umfaßt der gesamte Matrixumrichter eine Fläche von nicht mehr als 5 cm x 5 cm. Grundsätzlich können die Chips aber auch kleiner hergestellt werden (z. B. 5 mm x 5 mm), was von dem jeweiligen Anwendungsbereich und den zu verarbeitenden Stromstärken abhängt. Zusätzlich zu der kompakten Aufbauweise ermöglicht der erfindungsgemäße Matrixumrichter eine gute Abfuhr der Verlustwärme durch die direkte Verbindung der Chipunterseite mit den gut wärmeleitenden Stromzuführungen. Ferner gelingt eine gute Isolation der beiden Hauptseiten der Chips durch die Verwen- düng einer flexiblen Leiterplatte oder isolierenden Folie, in der die Gate- und Hilfsemitter-Leitungen elektrisch isoliert eingefaßt sind.

Claims

Patentansprüche

1. Matrixumrichter mit neun Schaltern und je drei Stromzuführungen als Eingänge und Ausgänge, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß

- die Schalter bidirektional schaltbare Leistungshalbleiterbauelemente (12) sind, die Leistungshalbleiterbauelemente auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten je mindestens einen Emitter- Kontakt (14) als Eingang bzw. Ausgang des Schalters und einen Gate-Kontakt (13) aufweisen, der zum Anlegen eines elektrischen Potentiales vorgesehen ist, mit dem eine Schaltfunktion bewirkt wird, die Leistungshalbleiterbauelemente in drei Reihen zu je drei Leistungshalbleiterbauelementen angeordnet sind, so daß die beiden Hauptseiten jedes Leistungshalbleiterbauelementes in je einer von zwei zueinander in einem Abstand stehenden Flächen ausgerichtet sind,

- drei der Stromzuführungen (4, 40) benachbart zu einer der Flächen nebeneinander angeordnet sind und quer dazu verlaufend die drei anderen Stromzuführungen benachbart zu der anderen Fläche nebeneinander angeordnet sind,

- jeder Emitter-Kontakt (14) mit einer Stromzuführung elektrisch leitend verbunden ist, so daß zu jedem Paar einer der ersten drei Stromzuführungen und einer der anderen drei Stromzuführungen ein Leistungshalbleiterbauelement vorhanden ist, dessen Emitter-Kontakte mit je einer dieser Stromzuführungen verbunden sind, und sechsunddreißig voneinander und von den Stromzuführungen elektrisch isolierte Leiterbahnen (8) vorhanden sind, von denen achtzehn mit je einem der Gate-Kontakte elektrisch leitend verbunden sind und von denen achtzehn als Hilfse- mitteranschlüsse mit je einem der Emitter-Kontakte auf jeder Hauptseite der Leistungshalbleiterbauelemente elek- trisch leitend verbunden sind.

2. Matrixumrichter nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil der Leiterbahnen (8) in einer Leiterplatte (7) oder Folie isoliert sind und mit Anschlüssen (9, 10) an den Gate-Kontakten bzw. an den Emitter-Kontakten oder an zu den Emitter-Kontakten benachbarten Stellen der Stromzuführungen versehen sind.

3. Matrixumrichter nach Anspruch 2, bei dem die Leiterplatte oder Folie Öffnungen (71) aufweist, in denen die Emitter-Kontakte (14) mit den Stromzuführungen verbunden sind, und bei dem die Leiterplatte an Rändern der Leistungshalbleiterbauelemente in gegenüber den Stromzuführungen elektrisch isolierender Weise angebracht oder angeklebt ist.

4. Matrixumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Stromzuführungen metallische Stromschienen sind, von denen drei parallel zueinander auf einem Substrat angeordnet sind und drei weitere im rechten Winkel dazu parallel zueinander auf der anderen Seite der Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente angebracht sind.

5. Matrixumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Leistungshalbleiterbauelemente mit den Emitter- Kontakten (14) auf den Stromzuführungen angebracht sind und bei dem in den Stromzuführungen Aussparungen (5, 50) vorhanden sind, in denen Anteile (70) einer Leiterplatte (7) oder Folie eingefügt sind, in denen Enden von Leiterbahnen (8) mit Anschlüssen (9) an die Gate-Kontakte (13) angeordnet sind.

6. Matrixumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Leiterbahnen in oder zwischen einer oder mehreren

Folien aus Polyimid angeordnet sind.