Bosch erweitert Siliziumkarbid-Chip-Produktion

REUTLINGEN, Deutschland – Sie sind klein, leistungsstark und extrem effizient:Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC). Nach mehrjähriger Entwicklungsarbeit startet Bosch nun mit der Serienfertigung von Leistungshalbleitern aus dem Material und beliefert Automobilhersteller weltweit.

In Zukunft werden immer mehr Serienfahrzeuge mit diesen Chips ausgestattet sein. „Die Zukunft für Siliziumkarbid-Halbleiter ist rosig. Wir wollen weltweit führend in der Produktion von SiC-Chips für die Elektromobilität werden“, sagt Harald Kröger, Mitglied der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH.

Vor zwei Jahren hatte der Technologie- und Dienstleistungsanbieter angekündigt, die Entwicklung von SiC-Chips voranzutreiben und in Produktion zu gehen. Dafür hat Bosch eigene komplexe Fertigungsverfahren entwickelt, mit denen die speziellen Halbleiter seit Anfang 2021 produziert werden – zunächst als Muster zur Kundenvalidierung.

„Unsere Auftragsbücher sind durch den Boom der Elektromobilität voll“, sagt Kröger. Künftig will Bosch seine Produktionskapazität für SiC-Leistungshalbleiter auf ein Stückvolumen in dreistelliger Millionenhöhe ausbauen. Vor diesem Hintergrund hat das Unternehmen bereits mit der Erweiterung der Reinraumfläche im Werk Reutlingen begonnen.

Parallel wird auch an der zweiten Generation von SiC-Chips gearbeitet, die noch effizienter sein und ab 2022 serienreif sein sollen. Bosch erhält Unterstützung bei der Entwicklung dieser innovativen Herstellungsverfahren für SiC-Halbleiter von der Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Programms „Important Project of Common European Interest (IPCEI) Microelectronics“.

„Seit mehreren Jahren unterstützen wir den Aufbau einer Halbleiterproduktion in Deutschland. Die hochinnovative Halbleiterfertigung von Bosch stärkt das Mikroelektronik-Ökosystem in Europa und ist ein weiterer Schritt zu mehr Unabhängigkeit in diesem Schlüsselfeld der Digitalisierung“, sagt Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier.

Weltweit steigt die Nachfrage nach Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern. Eine Prognose des Marktforschungs- und Beratungsunternehmens Yole besagt, dass der SiC-Gesamtmarkt bis 2025 durchschnittlich um 30 Prozent pro Jahr auf über 2,5 Milliarden US-Dollar wachsen wird. Mit rund 1,5 Milliarden US-Dollar wird der SiC-Automarkt voraussichtlich den Löwenanteil ausmachen.

„Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid nutzen Energie besonders effizient. Gerade in energieintensiven Anwendungen wie der Elektromobilität kommen die Vorteile dieses Werkstoffs voll zur Geltung“, sagt Kröger. In der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen sorgen Siliziumkarbid-Chips dafür, dass Fahrer mit einer Batterieladung deutlich weiter fahren können – im Schnitt rund 6 Prozent weiter als mit ihren reinen Silizium-Pendants.

Um der stetig steigenden Nachfrage nach diesen Halbleitern gerecht zu werden, wurde die Reinraumfläche der Bosch-Waferfabrik in Reutlingen bereits 2021 um 10.700 Quadratmeter erweitert. Bis Ende 2023 werden weitere 3.200 Quadratmeter hinzukommen. P>

Die neuen Räumlichkeiten werden hochmoderne Produktionsanlagen zur Herstellung von Siliziumkarbid-Halbleitern mit eigens entwickelten Verfahren beherbergen. Dafür bauen die Halbleiterexperten von Bosch auf ihre jahrzehntelange Expertise in der Chipfertigung.

Künftig will das Unternehmen – übrigens einziger Automobilzulieferer mit eigener Produktion von Siliziumkarbid-Chips – die Halbleiter auf 8-Zoll-Wafern herstellen. Im Vergleich zu heutigen 6-Zoll-Wafern werden dadurch erhebliche Skaleneffekte erzielt. Schließlich dauert es mehrere Monate, bis ein einzelner Wafer in unzähligen Maschinen mehrere hundert Prozessschritte durchläuft. „Durch die Produktion auf größeren Wafern können wir deutlich mehr Chips in einem Produktionslauf herstellen und damit mehr Kunden beliefern“, sagt Kröger.

Das Geheimnis hinter der beeindruckenden Leistung von SiC-Chips liegt in einem winzigen Kohlenstoffatom. Durch das Einbringen in die kristalline Struktur des üblicherweise zur Herstellung von Halbleitern verwendeten Reinstsiliziums erhält der Rohstoff besondere physikalische Eigenschaften:Beispielsweise unterstützen Siliziumkarbid-Halbleiter höhere Schaltfrequenzen als reine Siliziumchips.

Außerdem verlieren sie nur halb so viel Energie in Form von Wärme und erhöhen so die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Wichtig sind die Chips auch für 800-Volt-Systeme, wo sie ein schnelleres Aufladen und eine bessere Leistung ermöglichen. Da die SiC-Chips zudem deutlich weniger Wärme abgeben, muss die Leistungselektronik weniger aufwändig gekühlt werden. Neben dem Gewicht ist dies eine weitere Möglichkeit, die Kosten von Elektrofahrzeugen zu senken.

Künftig wird Bosch Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid an Kunden in aller Welt liefern – sowohl als einzelne Chips als auch verbaut in Leistungselektronik oder Komplettlösungen wie der E-Achse. Diese Kombination aus Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik erreicht durch die effizientere Auslegung des Gesamtsystems einen Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent. Dadurch bleibt mehr Energie für den Antriebsstrang übrig, was die Reichweite erhöht.