27.01.2022

Leistungshalbleiter in Serie aus Dresden

Starke Nachfrage, hohe Preise – Halbleiter-Branche, was willst du mehr? Ihr verschaffte die Marktlage 2021 ein Rekordjahr mit über einer halben Billion Dollar Umsatz. Lange Lieferketten sorgen indes für Engpässe. Bosch will mit einer eigenen Chipproduktion in Dresden gegensteuern.

Leistungshalbleiter

2022 wieder Engpässe bei Halbleiterchips

Der Einkauf von Halbleiterchips könnte im begonnen Jahr so weiter gehen, wie er im letzten aufgehört hat: mit Lieferengpässen. In diesem Jahr ist noch kein Ende der Chipknappheit in Sicht, berichtet die „Neue Zürcher Zeitung“ (NZZ) und beruft sich dabei auf Mitteilungen von der Jahresbilanz 2021 des angeblich weltgrößten Auftragsfertigers von Halbleitern, Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC). Die Nachfrage nach Halbleitern steige für viele Geräte, zitiert das Blatt TSMC-Chef C. C. Wei: „Infolgedessen erwarten wir, dass unsere Kapazitäten bis 2022 knapp sein werden.“

Lieferprobleme in der Auto- und Elektronikbranche

Damit sei absehbar, dass die Lieferprobleme in der Auto- und Elektronikbranche weiter anhalten. Folge: Autokäufer müssen inzwischen oft Monate auf ihren Wunschwagen warten. Kunden von Japans Kameraherstellern erhalten entsprechende Produkte viel später als sonst. Sony, Canon und Nikon warnten bereits davor, dass die Auslieferung bestellter neuer hochpreisiger Modelle Monate dauern könne.

TSMC zieht Nutzen aus Mangelwirtschaft

Allerdings zahle sich die Mangelwirtschaft in der an Überfluss gewohnten Konsumentengesellschaft wenigstens für die Halbleiterbranche aus. TSMC erwarte nach einem Rekordergebnis im Jahr 2021 mittelfristig bei Umsatz wie Gewinnen eine Fortsetzung des rasanten Wachstums. 2021 stieg dem Bericht zufolge:

  • der Umsatz um 19 Prozent auf 1587 Milliarden Taiwan-Dollar (NTD) oder 50 Milliarden Euro,
  • der Reingewinn um 38 Prozent auf 597 Milliarden NTD (18,8 Milliarden Euro).

Für die kommenden Jahre erwartet TSMC durchschnittlich 15 bis 20 Prozent höhere Einnahmen. Damit wolle man schneller als der Gesamtmarkt wachsen. NZZ berichtet über Analystenangaben von einem Plus im hohen Zehn-Prozent-Bereich. Als stärkste Motoren der Entwicklung für TSMC nennen die Auguren:

  • Chips für Computer,
  • Grafikkarten
  • Anwendungen künstlicher Intelligenz
  • Autosektor.

Langfristiges Wachstum

In Europa weiß man um die Engpasssituation aufgrund der meist weit entfernt liegenden Produktionsstätten. Das öffentlich geförderte Projekt „Trusted European SiC Value Chain for a greener Economy“ (Transform) hat sich deswegen den Aufbau einer belastungsfähigen europäischen Lieferkette für die Halbleitertechnologien von den Ausgangsmaterialien und Wafern bis Leistungshalbleitern und kompletten Leistungselektroniken zum Ziel gesetzt. Dafür arbeiten insgesamt 34 Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen aus sieben europäischen Staaten unter seiner Leitung zusammen, wie Konsortialführer Bosch mitteilt. Die Europäische Union hat das Projekt mit einem Projektbudget von rund 89 Millionen Euro ausgestattet. Es vereint die Schlüsselakteure der SiC-Wertschöpfungskette aus

  • Deutschland
  • Frankreich
  • Italien
  • Österreich
  • Schweden
  • Spanien
  • Tschechische Republik.

Partnerunternehmen sind unter anderem:

  • Aixtron
  • Danfoss
  • EV Group
  • Premo
  • Saint-Gobain
  • Semikron
  • Soitec
  • STMicroelectronics und
  • Valeo-Siemens Automotive.

Beteiligte Wissenschaftsorganisationen sind beispielsweise

  • die Universität Brünn
  • CEA Leti
  • Fraunhofer IISB
  • die Universität Sevilla.

„Das Projekt Transform soll dazu beitragen, dass Europa eine führende Position bei neuen Technologien auf Basis von Siliziumkarbid einnimmt“, sagt Jens Fabrowsky, Mitglied des Automotive Electronics Bereichsvorstandes bei Bosch. Im Fokus des bis 2024 angelegten Förderprojekts stehen insgesamt fünf Anwendungsfälle aus:

  • Automobil,
  • Industrie,
  • erneuerbare Energien
  • Landwirtschaft.

Schlüsselvorhaben sind dabei:

  • Elektromobilität,
  • Erzeugung erneuerbarer Energien
  • Edge und Cloud Computing mit den dafür erforderlichen Rechenzentren.

Vom SiC-Wafer zur effizienten Leistungselektronik

Als ein Garant für einen höchsteffizienten Umgang mit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie gelten Siliziumkarbid-Technologien (SiC) und die entsprechenden elektronischen Bauelemente. Das Herz zahlreicher elektronischer Systeme ist die Leistungselektronik. Sie steuert bei möglichst effizienter Nutzung die Schaltvorgänge der vorhandenen Energie. Leistungshalbleiter stellen sicher, dass die Leistungselektronik besonders energieeffizient arbeitet. Traditionell werden diese Chips aus hochreinem Silizium hergestellt. Künftig sollen hierfür vermehrt Chips aus Siliziumkarbid zum Einsatz kommen.

Diese bieten gegenüber herkömmlichen Silizium-Halbleitern Vorteile wie:

  • bessere elektrische Leitfähigkeit
  • schnellere Schaltvorgänge
  • weniger Energieverlust in Form von Wärme
  • höhere Betriebstemperaturen der Leistungselektroniken
  • weniger aufwendige Kühlung
  • direkt Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Chips
  • höhere elektrische Feldstärke von Siliziumkarbid
  • kleiner dimensionierte Bauteile
  • höherer Wirkungsgrads bei der Leistungsumwandlung.

Ziele von „Transform“

Als Ziel von „Transform“ nennt Bosch belastbare europäische Lieferketten für die Herstellung von Leistungselektroniken auf Grundlage der SiC-Leistungshalbleiter. Ihr Bedarf werde insbesondere in energieintensiven Anwendungen – vom Antrieb eines Elektrofahrzeugs bis zu Ladestationen und der Stromversorgung – stark wachsen. Das Marktforschungs- und Beratungsunternehmen Yole rechnet mit einem jährlichen Anstieg des SiC-Marktes bis 2025 im Schnitt um 30 Prozent auf mehr als 2,5 Milliarden US-Dollar. Das Förderprojekt soll daher neben neue SiC-Technologien Prozesse und Verfahren für ihre Herstellung entwickeln. Darüber hinaus will man Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von Substraten und Wafern bis zu den Leistungselektroniken europäischer Lieferanten sicherstellen.

Halbleiter in IoT

Halbleiter finden zunehmend Einsatz, beispielsweise im Internet der Dinge (Internet of things – IoT) und für die Mobilität der Zukunft. Ausgangspunkt für die Halbleiterproduktion sind kreisrunde Scheiben aus Silizium, die Wafer. In Dresden eröffnete Bosch im Sommer 2021 eine Chipfabrik zur Herstellung solcher Wafer mit einem Durchmesser von 300 Millimeter und 60 Mikrometer dick – dünner als ein menschliches Haar, Platz für komplexe Schaltungen mit bis zu mehreren Millionen elektronischen Einzelfunktionen.

Auf einen einzelnen Wafer passen somit rund 31.000 einzelne Chips. Im Vergleich zur etablierten Fertigung mit kleineren 150- und 200-Millimeter-Wafern erzielt das Unternehmen somit höhere Skaleneffekte und stärkt seine Wettbewerbsfähigkeit in der Halbleiterproduktion. Die Chip-Produktion in Dresden erfolgt vollautomatisiert, der Datenaustausch zwischen den Maschinen in Echtzeit.

„Unsere neue Halbleiterfabrik setzt Maßstäbe bei Automatisierung, Digitalisierung und Vernetzung“, sagt Harald Kröger, Geschäftsführer der Robert Bosch GmbH.
Die noch unbehandelten Roh-Wafer durchlaufen einen mehrwöchigen Fertigungsprozess, bevor daraus die begehrten Halbleiterchips entstehen. In Fahrzeugen übernehmen sie beispielsweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen oder ASICs die Rolle des Denkers. Sie verarbeiten die Informationen von Sensoren und stoßen weitere Aktionen an. Sie teilen beispielsweise den Airbags in Bruchteilen von Sekunden mit, dass sie auslösen sollen.

Erste AIoT-Fabrik

Das Halbleiterwerk in Dresden ist Boschs erste AIoT-Fabrik. AIoT – dieser Begriff steht für die Kombination von Künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge. Damit schafft Bosch die Grundlage für eine datengesteuerte, kontinuierliche Verbesserung in der Produktion und setzt neue Maßstäbe beim Thema Industrie 4.0. So lässt sich das Datenvolumen, das in der Waferfab entsteht, mittels Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) auswerten. Ein KI-Algorithmus erkennt beispielsweise selbst kleinste Fehler, die durch spezifische Fehlerbilder, sogenannte Signaturen, auf den Wafern sichtbar werden. Die Ursachen werden sofort analysiert und Prozessabweichungen umgehend korrigiert, noch bevor sie die Zuverlässigkeit des Produktes beeinflussen können. Dies ist der Schlüssel, um Fertigungsprozesse und Qualität der Halbleiter weiter zu verbessern und einen hohen Grad an Prozessstabilität zu erreichen. Das wiederum führt zu einem schnellen Serienstart von Halbleiterprodukten.

KI wartet und justiert Roboter

KI-Algorithmen können zudem präzise Vorhersagen treffen, ob und wann eine Fertigungsmaschine oder ein Roboter gewartet oder nachjustiert werden muss. Die Arbeiten finden also nicht nach einem starren Plan statt, sondern genau dann, wenn sie erforderlich sind – und rechtzeitig, bevor es zu Problemen kommt. Auch in der Produktionssteuerung kommt KI zum Einsatz, um die Wafer zeit- und kostensparend durch bis zu 700 Prozessschritte an rund 100 Anlagen im Werk zu navigieren. Das neue Bosch-Werk steht auf einem Grundstück, das so groß ist wie 14 Fußballfelder. Auf insgesamt 72.000 Quadratmeter entstehen Produktions- und Büroflächen. In der komplett digitalisierten und hochvernetzten Halbleiterfabrik sollen künftig vor allem Mikrochips für Autos gebaut werden. „Aus Dresden kommen schon bald Chips für die Mobilität der Zukunft und mehr Sicherheit im Straßenverkehr. Noch in diesem Jahr wollen wir die Chipfabrik der Zukunft eröffnen“, so Kröger. Das Unternehmen betreibt bereits ein Halbleiterwerk in Reutlingen bei Stuttgart. Mit der neuen Waferfab in Dresden erweitert Bosch seine Fertigungskapazitäten für Halbleiter. Rund eine Milliarde Euro investiert Bosch in die Hightech-Fertigung.

Blick durch die AR-Datenbrille

Bosch nutzt im Dresdner Werk Augmented Reality (AR). AR-Datenbrillen oder Tablets blenden den Nutzern digitale Inhalte in die reale Umgebung ein. Eine von Bosch entwickelte AR-App macht beispielsweise die Energiedaten aus der Waferfab in einem virtuellen Gebäudemodell sichtbar. Davon erhoffen sich die Chiphersteller von Bosch eine Verringerung des CO₂-Fußabdruckes ihrer Fertigungsanlagen. Zudem sollen die Datenbrillen bei der Bauplanung unterstützen und als Hilfsmittel bei der Fernwartung von Anlagen durch Experten in aller Welt zum Einsatz gelangen, die gar nicht vor Ort zugegen sind.

Damit die Datenübertragung zwischen Maschinen und Computern flexibler wird, will man in der Halbleiterfabrik als nächstes den neuen Mobilfunkstandard 5G einführen. Das Werk ist daher von Beginn an als „5G-ready“ vorbereitet. Die erforderlichen baulichen Maßnahmen für eine 5G-Infrastruktur habe man beim Bau bereits berücksichtigt.

Von Beginn an klimaneutral

Die neue Bosch Fabrik in Dresden ist umgeben von Bäumen und grünen Wiesen. Damit wolle man von Anfang an seine Verbundenheit zu Umweltschutz und Nachhaltigkeit zum Ausdruck bringen. Das Halbleiterwerk sei vollständig klimaneutral gestellt nach den Erfahrungen von Bosch in dem Schwesterwerk in Reutlingen. Die Hauptenergieversorgung erfolge ausschließlich durch Ökostrom und klimaneutrales Erdgas. Zudem sorge ein ausgeklügeltes Energiemanagement für eine verbrauchsoptimierte Fertigung.

Boomende Chipindustrie

Die Chipindustrie boomt, der Halbleitermarkt hat im vergangenen Jahr die 500-Milliarden-Dollar-Marke geknackt, berichtet „notebookcheck.com“ und beruft sich dabei auf Forschungen des internationalen Marktforschungsunternehmens Gartner. Ausgerechnet Branchenriese Intel kann demnach vom Rekordumsatz der Chipbranche nicht profitieren und muss Samsung wieder an die Spitze der umsatzstärksten Halbleiterhersteller vorbeiziehen lassen.

Samsung zieht an Intel bei den weltweit größten Chipherstellern vorbei. Der weltweite Halbleiterumsatz ist laut Gartner-Analyse 2021 um 25,1 Prozent gestiegen. Die Chipbranche erzielte insgesamt einen Umsatz von 583,5 Milliarden US-Dollar und hat damit erstmals die 500 Milliarden US-Dollar-Marke geknackt. Gleichwohl habe Branchenriese Intel daraus keinen zusätzlichen Nutzen ziehen können.

Als Hauptgrund für den Umsatzsprung nennt Gartner die Chipkrise. Als sich die Weltwirtschaft 2021 erholte, sei es in der gesamten Lieferkette für Halbleiter zu Engpässen gekommen, insbesondere in der Automobilindustrie, so Gartner.

Autor*in: Friedrich Oehlerking (Freier Journalist und Experte für Einkauf, Logistik und Transport)