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Die Rolle der Siliziumkarbid-Halbleiter für die E-Mobilität

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Bis zu sechs Prozent mehr Reichweite für E-Fahrzeuge verspricht ein neuer Mikrochip von Bosch. Der Silizimkarbid-Halbleiter soll dank einer besseren elektrischen Leitfähigkeit effizienter arbeiten als herkömmliche Silizium-Chips. Ursächlich sind vor allem die halbierten Wärmeverluste.

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Bis aus den kreisrunden Scheiben aus Silizium oder Siliziumkarbid – den Wafern – Halbleiterchips werden, durchlaufen sie einen bis zu 14 Wochen langen aufwendigen Herstellungsprozess.
Bis aus den kreisrunden Scheiben aus Silizium oder Siliziumkarbid – den Wafern – Halbleiterchips werden, durchlaufen sie einen bis zu 14 Wochen langen aufwendigen Herstellungsprozess.
( Bild: Bosch )

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 sorgen nun für einen Technologiesprung in der Elektromobilität. 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.

SiC sorgt für Schub in der Elektromobilität

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 wahren Kraftpaketen und bringt gerade für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen diverse 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. Alternativ können Automobilhersteller bei einer gegebenen Reichweite die Batterie verkleinern. Dadurch lassen sich die Kosten für die teuerste Komponente eines Elektroautos senken, was wiederum den Preis der Fahrzeuge reduziert. Denn für die Zukunft bringen die Siliziumkarbid-Halbleiter noch weitere Einsparpotenziale: 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.

Der Herstellungsprozess

Bis aus den kreisrunden Scheiben aus Silizium oder Siliziumkarbid – den Wafern – Halbleiterchips werden, durchlaufen sie einen bis zu 14 Wochen langen aufwendigen 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 nochmals erheblich 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 perfekt. Bosch kann 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 Bosch-Geschäftsführer Kröger . In seine Waferfab in Dresden investiert Bosch rund eine Milliarde Euro – die größte Einzelinvestition der Firmengeschichte. Die ersten Mitarbeiter sollen im Frühjahr 2020 ihre Tätigkeit aufnehmen. Bosch wird den Standort CO2-neutral betreiben.

Steigender Bedarf durch das Autonome Fahren

Egal ob Airbags, Gurtstraffer, Tempomat, Regensensor oder Antriebsstrang – es gibt kaum einen Bereich in der modernen Automobiltechnik, der ohne Mikrochips auskommt. 2018 betrug der Wert der Chips in einem Auto durchschnittlich rund 370 US-Dollar (337 Euro). 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.

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