„Siliziumkarbid-Halbleiter haben eine große Zukunft. Wir wollen weltweit führend bei der Herstellung von SiC-Chips für die Elektromobilität werden“, sagt Harald Kröger, Geschäftsführer der Robert Bosch GmbH. Vor zwei Jahren hatte das Unternehmen bekanntgegeben, die Entwicklung von SiC-Chips voranzutreiben und in die Produktion einzusteigen.
Dafür hat Bosch eigene Fertigungsverfahren entwickelt, mit denen die speziellen Halbleiter seit Anfang 2021 produziert werden – zunächst als Muster für Erprobungen bei Kunden. „Unsere Auftragsbücher sind voll. Grund ist die boomende Elektromobilität“, sagt Kröger. Künftig will Bosch die Fertigungskapazität von SiC-Leistungshalbleitern auf eine Stückzahl im dreistelligen Millionenbereich erhöhen. Dafür baut das Unternehmen auch bereits seine Reinraumfläche im Reutlinger Werk weiter aus.
Zweite Halbleiter-Generation soll mehr Effizienz bieten
Parallel wird zudem an der zweiten Generation von SiC-Chips gearbeitet. Sie soll ab 2022 serienreif sein und an Effizienz weiter zulegen. Unterstützung bei der Entwicklung der innovativen Fertigungsverfahren für die SiC-Halbleiter erhält Bosch vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Programms „IPCEI Mikroelektronik“.
„Mit unserer Förderung tragen wir bereits seit mehreren Jahren dazu bei, die Halbleiterproduktion in Deutschland zu etablieren. Die hoch innovative Halbleiterfertigung von Bosch stärkt das Mikroelektronik-Ökosystem in Europa und ist ein weiterer Schritt in Richtung größerer Unabhängigkeit auf diesem zentralen Feld der Digitalisierung“, sagt der geschäftsführende Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier.
Die Nachfrage nach SiC-Halbleitern steigt weltweit
Das Marktforschungs- und Beratungsunternehmen Yole rechnet damit, dass der gesamte SiC-Markt bis 2025 jedes Jahr im Schnitt um 30 Prozent auf mehr als 2,5 Milliarden US-Dollar wachsen wird. Mit rund 1,5 Milliarden US-Dollar soll der SiC-Automarkt den größten Anteil ausmachen.
„Mit Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid lässt sich vorhandene Energie besonders effizient nutzen. Diese Vorteile spielt das Material insbesondere bei energieintensiven Anwendungen wie der Elektromobilität aus“, sagt Kröger. In Leistungselektroniken von Elektrofahrzeugen sorgen Siliziumkarbid-Chips laut Bosch dafür, dass Autofahrer mit einer Batterieladung weiter fahren können – im Schnitt rund sechs Prozent verglichen mit ihren Pendants aus Silizium.
Um die stetig steigende Nachfrage nach den Halbleitern bedienen zu können, wurde die Reinraumfläche in der Bosch Waferfab in Reutlingen bereits um 1000 m² erweitert. Bis Ende 2023 kommen weitere 3000 m² hinzu. Künftig plant das Unternehmen die Halbleiter auf 200-Millimeter-Wafern herzustellen. Gegenüber den aktuell eingesetzten Wafern mit einem Durchmesser von 150 Millimetern können damit wichtige Skaleneffekte erzielt werden. Immerhin dauert es mehrere Monate, bis ein Wafer hunderte Prozessschritte in unzähligen Maschinen durchlaufen hat. „Durch die Produktion auf größeren Wafern können wir in einem Fertigungsdurchlauf deutlich mehr Chips herstellen und somit auch mehr Kunden beliefern“, sagt Kröger.
Kleines Atom, große Wirkung
Das Geheimnis der Performance der SiC-Chips liegt in einem winzigen Kohlenstoff-Atom. Es wird in die Kristallstruktur des hochreinen Siliziums eingebracht und verleiht dem Rohstoff besondere physikalische Eigenschaften. So ermöglichen Siliziumkarbid-Halbleiter laut Bosch höhere Schaltfrequenzen im Vergleich zu Silizium-Chips. Zudem geht nur noch halb so viel Energie in Form von Wärme verloren, wodurch sich die Reichweite von E-Autos steigern lässt.
Die Chips sind auch wichtig für 800-Volt-Systeme. Dort sollen sie schnelleres Laden und mehr Leistung ermöglichen. Da die SiC-Chips weniger Wärme abgeben, kann ebenfalls die Kühlung der Leistungselektronik reduziert werden. Das kann neben dem Gewicht auch die Kosten von Elektrofahrzeugen senken.
Bosch liefert die Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid künftig an Kunden auf der ganzen Welt – sowohl als einzelne Chips als auch verbaut in Leistungselektroniken oder Komplettlösungen wie der „eAchse“: Aus diesem Verbund von Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik, soll sich dank des effizienter ausgelegten Gesamtsystems ein Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent ergeben. Somit steht mehr Energie für den Antrieb zur Verfügung und die Reichweite steigt. (ys)
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