Klein, leistungsstark und extrem effizient, das ist die Beschreibung für Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC). Nach mehrjähriger Entwicklung startet Bosch nun die Großserienfertigung von Leistungshalbleitern aus dem innovativen Material und beliefert damit Automobilhersteller weltweit. Die Chips kommen künftig in immer mehr Serienfahrzeugen zum Einsatz. „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 Technologie- und Dienstleistungsunternehmen bekanntgegeben, die Entwicklung von SiC-Chips voranzutreiben und in die Produktion einzusteigen. Dafür hat Bosch eigene, hochkomplexe 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. 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“ (Important Project of Common European Interest). „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“, erläuterte der ehemalige Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier.
Der Stoff aus dem Reichweiten-Träume sind
Die Nachfrage nach Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid 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 dafür, dass Autofahrer mit einer Batterieladung deutlich 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 in 2021 um 1.000 Quadratmeter erweitert. Bis Ende 2023 kommen weitere 3.000 Quadratmeter hinzu.
Dafür bauen die Halbleiter-Fachleute von Bosch auf ihr jahrzehntelanges Know-how aus der Chip-Fertigung auf. Künftig plant das Unternehmen – übrigens der einzige Automobilzulieferer mit eigener Produktion von Siliziumkarbid-Chips – die Halbleiter auf 200-Millimeter-Wafern herzustellen. Gegenüber den aktuell eingesetzten Wafern mit einem Durchmesser von 150 Millimetern können damit wichtige Skaleneffekte erzielt werden, die nicht zu unterschätzen sind. Immerhin dauert es mehrere Monate, bis ein Wafer mehrere hundert 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 besonderen Performance der SiC-Chips liegt in einem winzigen Kohlenstoff-Atom. Es wird in die Kristallstruktur des sonst für die Herstellung von Halbleitern eingesetzten hochreinen Siliziums eingebracht und verleiht dem Rohstoff besondere physikalische Eigenschaften: So ermöglichen Siliziumkarbid-Halbleiter 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 ermöglichen sie schnelleres Laden und mehr Leistung. Da die SiC-Chips zudem deutlich weniger Wärme abgeben, kann ebenfalls die aufwendige 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, ergibt sich dank des effizienter ausgelegten Gesamtsystems ein Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent. Somit steht mehr Energie für den Antrieb zur Verfügung und die Reichweite steigt.
