Bosch breidt output siliciumcarbidechips uit

REUTLINGEN, Duitsland – Ze zijn klein, krachtig en extreem efficiënt:halfgeleiders gemaakt van siliciumcarbide (SiC). Na een aantal jaren van ontwikkeling begint Bosch nu met de volumeproductie van vermogenshalfgeleiders gemaakt van het materiaal, die autofabrikanten over de hele wereld leveren.

In de toekomst zullen steeds meer productievoertuigen over deze chips beschikken. “De toekomst voor halfgeleiders van siliciumcarbide is rooskleurig. We willen een wereldleider worden in de productie van SiC-chips voor elektromobiliteit”, zegt Harald Kroeger, lid van de raad van bestuur van Robert Bosch GmbH.

Twee jaar geleden had de leverancier van technologie en diensten aangekondigd door te gaan met de ontwikkeling van SiC-chips en in productie te gaan. Hiervoor heeft Bosch zijn eigen complexe productieprocessen ontwikkeld, die het sinds begin 2021 gebruikt om de speciale halfgeleiders te produceren - in eerste instantie als monsters voor klantvalidatie.

“Onze orderboeken zijn vol, dankzij de hausse in elektromobiliteit”, zegt Kroeger. In de toekomst is Bosch van plan zijn productiecapaciteit voor SiC-vermogenshalfgeleiders uit te breiden tot een eenheidsvolume dat in de honderden miljoenen loopt. Met dit in gedachten is het bedrijf al begonnen met het uitbreiden van de cleanroomruimte in de fabriek in Reutlingen.

Parallel hieraan wordt ook gewerkt aan de tweede generatie SiC-chips, die nog efficiënter zal zijn en vanaf 2022 klaar moet zijn voor volumeproductie. Bosch krijgt steun voor de ontwikkeling van deze innovatieve productieprocessen voor SiC-halfgeleiders van de Duitse federale ministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) als onderdeel van het programma "Belangrijk project van gemeenschappelijk Europees belang (IPCEI) micro-elektronica".

“Sinds enkele jaren ondersteunen we bij het opzetten van de halfgeleiderproductie in Duitsland. De zeer innovatieve halfgeleiderproductie van Bosch versterkt het micro-elektronica-ecosysteem in Europa en is een verdere stap in de richting van meer onafhankelijkheid op dit belangrijke gebied van digitalisering”, zegt Peter Altmaier, de Duitse federale minister van Economische Zaken.

Over de hele wereld stijgt de vraag naar siliciumcarbide halfgeleiders. Een prognose van marktonderzoeks- en adviesbureau Yole geeft aan dat de SiC-markt als geheel tussen nu en 2025 met gemiddeld 30 procent per jaar zal groeien tot meer dan $2,5 miljard. Met ongeveer $ 1,5 miljard zal de SiC-automarkt naar verwachting het leeuwendeel uitmaken.

“Siliciumcarbide vermogenshalfgeleiders maken bijzonder efficiënt gebruik van energie. De voordelen van dit materiaal komen echt naar voren in energie-intensieve toepassingen zoals elektromobiliteit”, zegt Kroeger. In de vermogenselektronica van elektrische voertuigen zorgen siliciumcarbide-chips ervoor dat bestuurders aanzienlijk verder kunnen rijden op één batterijlading - gemiddeld zo'n 6 procent verder dan bij hun pure silicium-tegenhangers.

Om aan de gestaag toenemende vraag naar deze halfgeleiders te voldoen, werd in 2021 al een extra 10.764 vierkante voet toegevoegd aan de cleanroom-ruimte van de Bosch wafer fab in Reutlingen. Tegen het einde van 2023 komt er nog eens 32.292 vierkante voet bij.

De nieuwe ruimte zal ultramoderne productiefaciliteiten huisvesten voor de productie van halfgeleiders van siliciumcarbide met behulp van intern ontwikkelde processen. Om dit te bereiken bouwen de halfgeleiderexperts van Bosch voort op hun decennialange expertise op het gebied van chipproductie.

In de toekomst is het bedrijf - overigens de enige autoleverancier die zijn eigen siliciumcarbidechips produceert - van plan om de halfgeleiders op 8-inch wafers te produceren. Vergeleken met de huidige 6-inch wafers levert dit aanzienlijke schaalvoordelen op. Het duurt immers enkele maanden voordat een enkele wafer in talloze machines enkele honderden processtappen doorloopt. "Door op grotere wafels te produceren, kunnen we aanzienlijk meer chips in één productierun produceren en dus meer klanten bedienen", zegt Kroeger.

Het geheim achter de indrukwekkende prestaties van SiC-chips ligt in een klein koolstofatoom. Door het te introduceren in de kristallijne structuur van het ultrazuivere silicium dat gewoonlijk wordt gebruikt om halfgeleiders te vervaardigen, krijgt de grondstof speciale fysieke eigenschappen:siliciumcarbidehalfgeleiders ondersteunen bijvoorbeeld hogere schakelfrequenties dan pure siliciumchips.

Bovendien verliezen ze slechts half zoveel energie in de vorm van warmte, waardoor de actieradius van elektrische voertuigen toeneemt. De chips zijn ook belangrijk voor 800 volt-systemen, waar ze sneller opladen en betere prestaties mogelijk maken. Omdat de SiC-chips ook aanzienlijk minder warmte afgeven, heeft de vermogenselektronica minder dure koeling nodig. Naast het gewicht is dit een andere manier om de kosten van elektrische voertuigen te verlagen.

In de toekomst zal Bosch siliciumcarbide vermogenshalfgeleiders leveren aan klanten over de hele wereld - zowel als individuele chips als geïnstalleerd in vermogenselektronica of complete oplossingen zoals de e-axle. Deze combinatie van elektromotor, versnellingsbak en vermogenselektronica bereikt een efficiëntie tot 96 procent dankzij het efficiëntere ontwerp van het totale systeem. Hierdoor blijft er meer energie over voor de aandrijflijn, wat de actieradius vergroot.