Bosch breidt productie van siliconcarbide-chips uit voor de auto-industrie

REUTLINGEN, Duitsland – Ze zijn klein, krachtig en extreem efficiënt: halfgeleiders gemaakt van siliconcarbide (SiC). Na diverse jaren ontwikkeling start Bosch nu de serieproductie van vermogenshalfgeleiders van dit materiaal, leverend aan autofabrikanten wereldwijd.

In de toekomst zullen steeds meer productievoertuigen deze chips bevatten. "De toekomst voor siliconcarbide-halfgeleiders is licht. We willen een wereldwijde leider worden in de productie van SiC-chips voor electromobiliteit," zegt Harald Kroeger, lid van de raad van bestuur van Robert Bosch GmbH.

Twee jaar geleden had de leverancier van technologie en diensten aangekondigd dat het de ontwikkeling van SiC-chips zou voortzetten en in productie zou treden. Hiervoor heeft Bosch eigen complexe productieprocessen ontwikkeld, die het sinds begin 2021 gebruikt om de speciale halfgeleiders te produceren – initieel als monsters voor klantvalidatie.

"Onze orderboeken zijn vol, dankzij de boom in electromobiliteit," zegt Kroeger. In de toekomst voelt Bosch voornemens de productiecapaciteit voor SiC-vermogenshalfgeleiders uit te breiden tot een eenheidsvolume van honderden miljoenen. Met dit oogmerk heeft het bedrijf al begonnen met de uitbreiding van de schone-ruimte op zijn Reutlingen-fabriek.

Parallel wordt ook gewerkt aan de tweede generatie SiC-chips, die nog efficiënter zullen zijn en vanaf 2022 klaar moeten zijn voor serieproductie. Bosch ontvangt ondersteuning voor de ontwikkeling van deze innovatieve productieprocessen voor SiC-halfgeleiders van het Duitse Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) als onderdeel van het programma "Important Project of Common European Interest (IPCEI) Microelectronics".

"Sinds enkele jaren bieden we steun om halfgeleiderproductie in Duitsland te vestigen. Bosch's hoogst innovatieve halfgeleiderproductie versterkt het micro-elektronica-ecosysteem in Europa en is een verdere stap naar meer onafhankelijkheid in dit sleutelveld van digitalisering," zegt Peter Altmaier, Duitsland's federale minister voor economische zaken.

Wereldwijd stijgt de vraag naar siliconcarbide-vermogenshalfgeleiders. Een prognose van het marktonderzoeks- en adviesbedrijf Yole wijst erop dat, tussen nu en 2025, de SiC-mark als geheel gemiddeld 30 procent per jaar zal groeien tot meer dan $2,5 miljard. Op ongeveer $1,5 miljard zal de SiC-auto-mark het leeuwendeel uitmaken.

"Siliconcarbide-vermogenshalfgeleiders maken bijzonder efficiënt gebruik van energie. De voordelen van dit materiaal komen echt tot hun recht in energie-intensieve toepassingen zoals electromobiliteit," zegt Kroeger. In de vermogenelektronica van elektrische voertuigen zorgen siliconcarbide-chips ervoor dat bestuurders gemiddeld ongeveer 6 procent verder kunnen rijden op één batterijlading dan met hun zuivere silicon-counterparts.

Om de stijgende vraag naar deze halfgeleiders te bevredigen, werden in 2021 al 10.764 vierkante voeten extra schone-ruimte toegevoegd aan de Bosch-waferfab in Reutlingen. Nog eens 32.292 vierkante voeten zullen voor eind 2023 toegevoegd worden.

De nieuwe ruimte zal state-of-the-art productiefaciliteiten huisvesten voor het produceren van siliconcarbide-halfgeleiders met in-house ontwikkelde processen. Hiervoor bouwen Bosch's halfgeleiderexperts op hun decennialange expertise in chipproductie.

In de toekomst voelt het bedrijf – trouwens de enige autoleverancier die zijn eigen siliconcarbide-chips produceert – de halfgeleiders te produceren op 8-inch wafers. In vergelijking met de huidige 6-inch wafers, levert dit aanzienlijke schaalvoordelen op. Immers, het duurt diverse maanden voordat een enkele wafer door verschillende honderd processtappen in talloze machines passeert. "Door op grotere wafers te produceren, kunnen we significant meer chips in één productierun maken en dus meer klanten bedienen," zegt Kroeger.

Het geheim achter de indrukwekkende prestaties van SiC-chips ligt in een minuscuul koolstofatoom. Het introduceren ervan in de kristallijne structuur van het ultra-zuivere silicon dat doorgaans gebruikt wordt om halfgeleiders te produceren, geeft het grondstof speciale fysieke eigenschappen: bijvoorbeeld ondersteunen siliconcarbide-halfgeleiders hogere schakelfrequenties dan zuivere silicon-chips.

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

In de toekomst zal Bosch siliconcarbide-vermogenshalfgeleiders leveren aan klanten over de hele wereld – zowel als individuele chips als geïnstalleerd in vermogenelektronica of complete oplossingen zoals de e-axle. Deze combinatie van electromotor, tandwielkast en vermogenelektronica bereikt een efficiëntie van tot 96 procent dankzij het efficiëntere ontwerp van het totale systeem. Dit laat meer energie over voor de aandrijving, wat het bereik vergroot.