Standaard een groter bereik: Bosch geeft groen licht voor serieproductie siliciumcarbidechips

Reutlingen – Ze zijn klein, krachtig en uiterst efficiënt: halfgeleiders gemaakt van siliciumcarbide-chips (SiC). Na een aantal jaren van ontwikkeling start Bosch nu met de grootschalige productie van vermogenshalfgeleiders gemaakt van dit innovatieve SiC materiaal en levert deze wereldwijd aan autofabrikanten. In de toekomst zullen steeds meer productievoertuigen over deze chips beschikken. “De toekomst voor siliciumcarbidehalfgeleiders is rooskleurig. We willen een wereldleider worden in de productie van SiC-chips voor elektromobiliteit,” zegt Harald Kröger, lid van de raad van bestuur van Robert Bosch GmbH. Twee jaar geleden kondigde het technologie- en dienstenbedrijf aan door te gaan met de ontwikkeling van SiC-chips en over te gaan tot productie. Daartoe heeft Bosch zijn eigen uiterst complexe fabricageprocessen ontwikkeld, die sinds begin 2021 toegepastworden om de speciale halfgeleiders te produceren – aanvankelijk als monsters voor klantvalidatie.

“Onze orderboeken zijn vol, dankzij de groei in elektromobiliteit”, zegt Kröger. In de toekomst wil Bosch de productiecapaciteit voor SiC-vermogenshalfgeleiders opvoeren tot een eenheidsvolume dat in de honderden miljoenen loopt. Met dit in gedachten is het bedrijf reeds begonnen met de uitbreiding van de cleanroomruimte in de fabriek in Reutlingen. Tegelijkertijd werkt het bedrijf ook aan de tweede generatie SiC-chips, die nog efficiënter zijn en vanaf 2022 klaar voor serieproductie. Bosch krijgt steun voor de ontwikkeling van innovatieve productieprocessen voor SiC-halfgeleiders van het Duitse federale ministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) in het kader van het programma “IPCEI Microelectronics” (Belangrijk project van gemeenschappelijk Europees belang).

Op weg naar een groter rijbereik

De vraag naar vermogenshalfgeleiders op basis van siliciumcarbide neemt wereldwijd toe. Het marktonderzoeks- en adviesbureau Yole verwacht dat de volledige SiC-markt jaarlijks met gemiddeld 30 procent zal groeien tot meer dan 2,5 miljard dollar in 2025. Met ongeveer 1,5 miljard dollar zal de SiC-markt voor de automobielsector naar verwachting het grootste deel voor zijn rekening nemen. "Met vermogenshalfgeleiders van siliciumcarbide kan bestaande energie bijzonder efficiënt worden gebruikt. De voordelen van dit materiaal komen pas goed naar voren bij energie-intensieve toepassingen zoals elektromobiliteit”, zegt Kröger. In de vermogenselektronica van elektrische voertuigen zorgen siliciumcarbide-chips ervoor dat bestuurders aanzienlijk verder kunnen rijden op één acculading – gemiddeld ongeveer zes procent in vergelijking met hun silicium tegenhangers. Om aan de gestaag stijgende vraag naar halfgeleiders te voldoen, werd de cleanroomruimte in de Bosch Waferfab in Reutlingen al in 2021 met 1.000 vierkante meter uitgebreid. Tegen eind 2023 komt daar nog eens 3.000 vierkante meter bij. De ruimte zal ultramoderne productiefaciliteiten huisvesten voor de vervaardiging van siliciumcarbidehalfgeleiders op basis van de intern ontwikkelde processen. Daartoe bouwen de halfgeleiderspecialisten van Bosch voort op hun decennialange expertise in chipproductie. In de toekomst is het bedrijf – trouwens de enige toeleverancier in de automobielindustrie die zijn eigen siliciumcarbide-chips produceert – van plan om de halfgeleiders op wafers van 200 millimeter te vervaardigen. Vergeleken met de huidige wafers van 150 millimeter levert dit aanzienlijke schaalvoordelen op. Per slot van rekening duurt het enkele maanden voordat een wafer enkele honderden processtappen in ontelbare machines heeft doorlopen. “Door op grotere wafers te produceren, kunnen we aanzienlijk meer chips in één productierun produceren en dus ook meer klanten beleveren”, aldus Kröger.

Klein atoom, groot effect

Het geheim achter de indrukwekkende prestaties van SiC-chips zit in een piepklein koolstofatoom. Het wordt ingebracht in de kristallijne structuur van het ultrazuivere silicium dat gewoonlijk voor de productie van halfgeleiders wordt gebruikt. Hierdoor krijgt de grondstof specifieke fysieke eigenschappen: siliciumcarbidehalfgeleiders ondersteunen bijvoorbeeld hogere schakelfrequenties dan pure siliciumchips. Bovendien gaat slechts de helft van de energie verloren in de vorm van warmte, waardoor de actieradius van elektrische voertuigen toeneemt. De chips zijn ook belangrijk voor 800 Volt-systemen, daar ze sneller opladen en betere prestaties mogelijk maken. Omdat de SiC-chips ook aanzienlijk minder warmte afgeven, kan ook de complexe koeling van de vermogenselektronica worden verminderd. . Dit kan niet alleen het gewicht maar ook de kosten van elektrische voertuigen verlagen. In de toekomst zal Bosch de siliciumcarbidehalfgeleiders 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 resulteert in een rendement tot 96 procent dankzij het efficiënter ontworpen totaalsysteem. Dit betekent dat er meer energie beschikbaar is voor de aandrijving en dat de actieradius wordt vergroot.