Ein Forscher betrachtet neue Halbleiter aus Siliziumkarbid

Durch die neuen Halbleiter aus Siliziumkarbid sollen Elektroautos einen großen Schritt nach vorn machen. - Bild: Bosch

| von Simon Dempf

Heute fährt kein Auto mehr ohne Halbleiter. Mehr als 50 von ihnen stecken in jedem Fahrzeug, das vom Band rollt. Neue Mikrochips aus Siliziumkarbid (SiC) von Bosch sollen nun für einen Technologiesprung in der Elektromobilität sorgen. Die Chips aus dem Wundermaterial geben künftig in der Leistungselektronik – der Schaltzentrale von Elektro- und Hybridfahrzeugen – den Takt vor.

Im Vergleich zu den bis dato eingesetzten Siliziumchips haben SiC-Halbleiter eine bessere elektrische Leitfähigkeit. Das ermöglicht zum einen höhere Schaltfrequenzen und sorgt zum anderen dafür, dass deutlich weniger Energie in Form von Wärme verpufft. Bosch produziert die neue Generation der Halbleiterchips im 40 Kilometer südlich von Stuttgart gelegenen Werk Reutlingen. Dort fertigt das Unternehmen seit Jahrzehnten Mikrochips.

Wie helfen die neuen Mikrochips?

Halbleiter aus Siliziumkarbid setzen bei Schaltgeschwindigkeit, Wärmeverlusten und Baugröße neue Maßstäbe. Alles beginnt mit zusätzlichen Kohlenstoff-Atomen, die in die Kristallstruktur des sonst zur Herstellung von Halbleitern eingesetzten hochreinen Silizium eingebracht werden.

Die so entstehende chemische Verbindung macht die Halbleiterchips zu Kraftpaketen und bringt gerade für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen viele Vorteile. In der Leistungselektronik sorgen sie dafür, dass 50 Prozent weniger Energie in Form von Wärme verloren geht.

Umso effizienter kann die Leistungselektronik arbeiten und umso mehr Energie steht für den Antrieb und damit die Reichweite zur Verfügung. Mit einer Batterieladung können Autofahrer so sechs Prozent weiter fahren. Damit begegnet Bosch einem der größten Kaufhindernissen für Elektroautos: Nahezu jeder zweite Konsument (42 Prozent) kauft sich kein E-Fahrzeug, aus Angst, der Strom könnte unterwegs ausgehen.

In Deutschland trifft das sogar auf 69 Prozent der Konsumenten zu (Quelle: Consors Finanz Autobarometer 2019). Alternativ können Automobilhersteller bei einer gegebenen Reichweite die Batterie verkleinern. Dadurch lassen sich die Kosten für die teuerste Komponente eines Elektroautos senken, was wiederrum den Preis der Fahrzeuge reduziert.

Für die Zukunft bringen die Siliziumkarbid-Halbleiter noch ein weiteres Einsparpotenzial: Durch die deutlich geringeren Wärmeverluste der Chips und weil sie zudem bei deutlich höheren Betriebstemperaturen arbeiten, kann die aufwendige Kühlung der Antriebskomponenten reduziert werden. Das wirkt sich wiederum positiv auf Gewicht und Kosten von Elektrofahrzeugen aus.

Wissen, was die Industrie bewegt!

Alles zu Industrie 4.0, Smart Manufacturing und die ganze Welt der Technik.

Newsletter gratis bestellen!

Kein unbekanntes Terrain für Bosch

Mit der Siliziumkarbid-Technologie baut Bosch sein Halbleiter-Know-how aus. Das Unternehmen nutzt die SiC-Halbleiter künftig in eigenen Leistungselektroniken. Für seine Kunden kommt damit das Beste aus zwei Welten zusammen: Denn Bosch ist der einzige Automobilzulieferer, der gleichzeitig Halbleiter produziert. „Dank unseres tiefen Systemverständnisses in der Elektromobilität fließen die Vorteile der Technologie direkt in die Entwicklung von Komponenten und Systemen ein“, sagt Harald Kröger, Geschäftsführer von Bosch.

Diesen Vorteil spielt Bosch als einer der führenden Hersteller von Halbleitern für Fahrzeuge seit fast 50 Jahren aus. Dazu gehören neben Leistungshalbleitern auch Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und anwendungsspezifische Schaltungen (ASICs). Egal ob Airbags, Gurtstraffer, Tempomat, Regensensor oder Antriebsstrang – es gibt kaum einen Bereich in der Automobiltechnik, der ohne Mikrochips auskommt.

2018 betrug der Wert der Chips in einem Auto durchschnittlich rund 370 US-Dollar (337 Euro) (Quelle: ZVEI). Während dieser Betrag für Anwendungen jenseits von Infotainment, Vernetzung, Automatisierung und Elektrifizierung jährlich um ein bis zwei Prozent wächst, hat ein Elektrofahrzeug zusätzlich Halbleiterchips für durchschnittlich 450 US-Dollar (410 Euro) an Bord.

Experten gehen davon aus, dass sich dieser Wert durch das automatisierte Fahren nochmals um rund 1.000 US-Dollar (910 Euro) erhöht. Damit gehört der Automobilmarkt zu den Wachstumstreibern im Halbleitergeschäft.

Laut Bosch sorgen künftig auch Schlüsselanwendungen des Internets der Dinge (IoT) wie künstliche Intelligenz, Cyber Security, Smart Citys, Edge Computing, Smart Home sowie die vernetzte Industrie für Wachstum in der Branche. Mit seinen Halbleiter-Fabriken in Reutlingen und Dresden sieht sich Bosch dafür gut aufgestellt: „Unser Halbleiter-Know-how hilft uns, sowohl neue Funktionen für Fahrzeuge und Anwendungen des IoT als auch immer bessere Chips zu entwickeln“, erklärt Kröger.

Wo wird produziert?

Bis aus den kreisrunden Scheiben aus Silizium oder Siliziumkarbid – den Wafern – Halbleiterchips werden, durchlaufen sie einen bis zu 14 Wochen langen Herstellungsprozess. Dabei erhalten die Wafer in mehreren chemischen und physikalischen Prozessen feinste Strukturen, die später die wenigen Millimeter kleinen Chips bilden.

Im Juni 2018 legte Bosch den Grundstein für seine modernste Halbleiterfabrik in Dresden. Dort kommen in der Fertigung Wafer mit 300 Millimetern Durchmesser zum Einsatz. So lassen sich aus einem Wafer mehr Chips gewinnen und entsprechend höhere Skaleneffekte erzielen als bei Halbleitern auf Basis der 150- und 200-Millimeter-Technologie.

Letztere produziert Bosch in Reutlingen und wird dort auch die neuen SiC-Chips herstellen. Die Waferfabs in Reutlingen und Dresden ergänzen einander. Bosch will dadurch seine Wettbewerbsfähigkeit weiter stärken. „Halbleiter sind Kernbestandteil aller elektrischen Systeme. Sie machen auch Daten zum begehrten Rohstoff der Zukunft. Sie werden in unseren Betätigungsfeldern immer wichtiger, daher wollen wir unsere Fertigung kontinuierlich ausbauen“, betont Kröger.

In seine Waferfab in Dresden investiert Bosch rund eine Milliarde Euro – die größte Einzelinvestition der Firmengeschichte. In die Fabrik ziehen derzeit Anlagen in die Reinraumflächen ein. Die ersten Mitarbeiter sollen im Frühjahr 2020 ihre Tätigkeit aufnehmen. Bosch wird den Standort CO2-neutral betreiben.

Mobilität der Zukunft und der deutsche Maschinenbau

Mehr Informationen, Expertenwissen und die neuesten Trends erfahren Sie in der Fokus-Konferenz „Mobilität“ auf dem 11. Deutschen Maschinenbau-Gipfel am 15. und 16. Oktober 2019 in Berlin: Antriebe, Power-to-X, Batterieproduktion, Letzte Meile, Städtische Infrastruktur, Logistik/Verkehr, Luftfahrt, Hyper-Loop und vieles mehr.

JETZT INFORMIEREN: www.maschinenbau-gipfel.de