Bosch weitet Produktion von Siliziumkarbid-Chips für die Automobilindustrie aus

REUTLINGEN – Sie sind klein, leistungsstark und extrem effizient: Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC). Nach mehreren Jahren Entwicklung startet Bosch nun die Serienfertigung von Leistungshalbleitern aus diesem Material und beliefert Automobilhersteller weltweit.

Künftig werden immer mehr Serienfahrzeuge diese Chips verbauen. „Die Zukunft für Siliziumkarbid-Halbleiter ist rosig. Wir wollen globaler Marktführer in der Produktion von SiC-Chips für Elektromobilität werden“, sagt Harald Kröger, Mitglied der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH.

Vor zwei Jahren hatte der Technologie- und Dienstleistungslieferant angekündigt, die Entwicklung von SiC-Chips voranzutreiben und in Produktion zu gehen. Dafür hat Bosch eigene, komplexe Fertigungsprozesse entwickelt, mit denen es die speziellen Halbleiter seit Anfang 2021 fertigt – zunächst als Muster für die Kundenvalidierung.

„Unsere Auftragsbücher sind voll, dank des Booms in der Elektromobilität“, sagt Kröger. Künftig will Bosch seine Produktionskapazität für SiC-Leistungshalbleiter auf ein Volumen im hohen dreistelligen Millionenbereich ausweiten. Dazu hat das Unternehmen bereits den Reinraumplatz am Standort Reutlingen erweitert.

Parallel wird an der zweiten Generation von SiC-Chips gearbeitet, die noch effizienter sein und ab 2022 in Serienfertigung gehen sollen. Bosch erhält Unterstützung für die Entwicklung dieser innovativen Fertigungsprozesse für SiC-Halbleiter vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Programms „Wichtiges Vorhaben von gemeinsamem europäischem Interesse (IPCEI) Mikroelektronik“.

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

Weltweit steigt die Nachfrage nach Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern. Eine Prognose des Marktforschungs- und Beratungsunternehmens Yole zeigt, dass der SiC-Markt insgesamt zwischen jetzt und 2025 durchschnittlich um 30 Prozent pro Jahr auf über 2,5 Milliarden Dollar wachsen wird. Mit rund 1,5 Milliarden Dollar wird der SiC-Automobilmarkt den Löwenanteil ausmachen.

„Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter nutzen Energie besonders effizient. Die Vorteile dieses Materials kommen besonders in energieintensiven Anwendungen wie der Elektromobilität zum Tragen“, sagt Kröger. In der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen sorgen Siliziumkarbid-Chips dafür, dass Fahrer mit einer Batterieladung signifikant weiter fahren – im Durchschnitt rund 6 Prozent weiter als mit reinen Silizium-Pendants.

Um die stetig steigende Nachfrage nach diesen Halbleitern zu decken, wurden 2021 bereits 1.000 m² (10.764 sq ft) zusätzlicher Reinraumplatz am Bosch-Wafer-Fab in Reutlingen hinzugefügt. Bis Ende 2023 werden weitere 3.000 m² (32.292 sq ft) folgen.

Die neuen Flächen werden hochmoderne Produktionsanlagen für die Fertigung von Siliziumkarbid-Halbleitern mit eigenentwickelten Prozessen beherbergen. Dabei bauen Boschs Halbleiterexperten auf ihre jahrzehntelange Expertise in der Chipfertigung auf.

Künftig will das Unternehmen – übrigens der einzige Automobilzulieferer, der eigene Siliziumkarbid-Chips produziert – die Halbleiter auf 8-Zoll-Wafern fertigen. Im Vergleich zu heutigen 6-Zoll-Wafern bringt das erhebliche Skaleneffekte. Schließlich durchläuft ein einzelner Wafer mehrere Monate lang mehrere hundert Prozessschritte in unzähligen Maschinen. „Durch Fertigung auf größeren Wafern können wir in einem Produktionslauf signifikant mehr Chips herstellen und damit mehr Kunden beliefern“, sagt Kröger.

Das Geheimnis der beeindruckenden Leistung von SiC-Chips liegt in einem winzigen Kohlenstoffatom. Dessen Einbringung in die Kristallstruktur des ultrareinen Siliziums, das allgemein zur Halbleiterherstellung verwendet wird, verleiht dem Rohstoff besondere physikalische Eigenschaften: Siliziumkarbid-Halbleiter unterstützen höhere Schaltfrequenzen als reine Siliziumchips.

Zudem verlieren sie nur halb so viel Energie in Form von Wärme, wodurch die Reichweite von Elektrofahrzeugen steigt. Die Chips sind auch wichtig für 800-Volt-Systeme, wo sie schnelleres Laden und bessere Leistung ermöglichen. Da SiC-Chips auch deutlich weniger Wärme abgeben, benötigen die Leistungselektroniken weniger aufwendige Kühlung. Neben dem Gewicht ist das ein weiterer Weg, die Kosten von Elektrofahrzeugen zu senken.

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