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PCIM-Nachlese

Der SiC-Tsunami kommt!

23. Mai 2022, 14:30 Uhr | Engelbert Hopf, Ralf Higgelke

Er kommt, der bereits vor der Corona-Pandemie prognostizierte SiC-Tsunami! Inzwischen ist er Realität geworden und baut sich weiter auf – mit teils drastischen Konsequenzen vor allem für die Elektromobilität. Das machte die PCIM Europe 2022 mehr als deutlich.

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Während der Pandemie erfuhr die Elektromobilität im Automobilbereich ihren endgültigen Marktdurchbruch auch in Europa. Doch während die Zulassungszahlen von Elektroautos kontinuierlich steigen, kämpfen die Automobilhersteller inzwischen mit dem Problem deutlich steigender Preise bei den Batterien.

Ihre Lösung: kleinere Batterien. Aber um die Reichweite der Fahrzeuge konstant zu halten, sind effizientere Antriebsumrichter nötig. Damit erhält Siliziumkarbid zusätzlichen Auftrieb, weil Umrichter mit SiC-MOSFETs wesentlich effizienter sind als solche mit kostengünstigeren Silizium-IGBTs. Bekanntestes Beispiel bisher: BMW. Der Münchner Autobauer hatte vor Kurzem bekannt gegeben, nicht nur bei seinen zukünftigen Generationen von Elektrofahrzeugen auf SiC zu setzen, sondern auch bei seinen bereits existierenden Elektrofahrzeug-Plattformen von IGBT- auf SiC-Bausteine umzuschwenken. Profiteur dieser Entwicklung: der fränkische Power-Modul-Spezialist Semikron. Das Unternehmen unterzeichnete bereits im Februar dieses Jahres einen Liefervertrag für seine eMPack-SiC-Module im Wert von über 1 Milliarde Euro. Wie Semikron-CEO und CTO Karl-Heinz Gaubatz auf der PCIM erklärte, werden bis zum Sommer dieses Jahres noch weitere Verträge mit nationalen und internationalen Automobilherstellern und Tier-Ones folgen.

Als einer der Lieferanten von SiC-MOSFETs für die eMPack-Module gab sich auf der Messe STMicroelectronics zu erkennen. »Basierend auf unserer SiC-Technologie sind die fortschrittlichen, skalierbaren Power-Module der eMPack-Familie von Semikron in der Lage, einen entscheidenden Beitrag zur emissionsfreien Motorisierung zu leisten«, kommentierte Edoardo Merli, General Manager der Power Transistor Sub-Group und Executive Vice President von STMicroelectronics, die Zusammenarbeit.

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Wie sehr der Bedarf gerade auch in den letzten Monaten angezogen hat, machte Dr. John Palmour, CTO und Mitgründer von Wolfspeed deutlich: »Ursprünglich wollten wir unsere Ende April offiziell eröffnete neue 200-mm-SiC-Fertigung in Mohawk Valley, New York, gemischt mit 150-mm- und 200-mm-Equipment befüllen. Aber wir haben uns entschieden, gleich ausschließlich mit 200-mm-Equipment zu starten und die Fab so schnell wie möglich auf ihr volles Produktionsvolumen zu bringen.« Das könnte bereits Ende 2024 der Fall sein.

Inzwischen beschäftigt man sich bei Wolfspeed nicht nur mit der demnächst anstehenden Entscheidung über den Bau einer weiteren Fab, die wohl mit hoher Wahrscheinlichkeit in Europa entstehen wird, sondern auch mit massiven Ausbauplänen bei der Substratfertigung, den SiC-Boules. Neben dem Ausbau der bereits existierenden Produktionsstätten ist Wolfspeed derzeit auf der Suche nach einem zusätzlichen Produktionsstandort für SiC-Substrate.

Auf der PCIM selbst präsentierte Wolfspeed seine vierte Generation planarer SiC-MOSFETs. Gegenüber der ersten Generation vor elf Jahren ist die Chipfläche der neuesten SiC-MOSFET-Generation um fast zwei Drittel geschrumpft. Dr. Palmour bestätigte, dass sein Unternehmen das Thema SiC-Trench-MOSFETs zwar im Auge behalte, mit entsprechenden Produkten ist aber offensichtlich nicht vor Ende dieses Jahrzehnts zu rechnen.

Auch onsemi und STMicroelectronics arbeiten mit Hochdruck daran, sowohl die Fertigung von SiC-MOSFETs als auch eigener Substrate auszubauen. Beide Unternehmen hatten sich durch entsprechende Übernahmen verstärkt und schrauben nun die internen Produktionskapazitäten als vertikal integrierte Unternehmen im SiC-Bereich hoch. Wie onsemi auf der Messe bekanntgab, liefert das Unternehmen seine neuen VE-Trac-Direct-SiC-Leistungsmodule an den chinesischen Elektrofahrzeughersteller Nio, der diese Module in den Traktionsumrichtern seiner zukünftigen Fahrzeuge verwenden wird.

Neben den etablierten großen SiC-Playern zeigten auf der Messe auch andere Unternehmen ihre Fortschritte in diesem Bereich. Auffällig dabei ist, dass namhafte japanische Hersteller wie Mitsubishi Electric und Fuji Electric zwar sehr deutlich machen, dass sie mit den Entwicklungsschritten im SiC-Bereich Schritt halten, ihre SiC-MOSFETs bislang aber nur in-House einsetzen. Aktuelles Beispiel dafür war auf der Messe Fuji Electric. Wie Fred Eschrich, General Manager der Automotive Semiconductor Division, am Stand zeigt, bietet das Unternehmen nun auch in Europa entsprechend integrierte Produkte für den Antriebsbereich an; als diskrete Chips bietet Fuji Electric diese SiC-MOSFETs in Europa aber nicht an.

Neue Player aus China auf dem europäischen Markt

Dafür beginnen sich zunehmend chinesische SiC-Modul-Hersteller auf dem deutschen und europäischen Markt zu etablieren. Zu den bekanntesten zählen hier sicher bereits seit Längerem StarPower und CRRC/Dynex. Nach Auskunft von Peter Frey, CEO von StarPower Europe, verwendet sein Unternehmen bisher SiC-MOSFETs von Wolfspeed und Rohm Semiconductor für seine SiC-Module, mit denen sich das Unternehmen in Europa auf Automotive- und Industrie-Applikationen konzentriert. Mit dem Einsatz von SiC-MOSFETs aus chinesischer Produktion rechnet Frey in etwa fünf Jahren, mit Schwerpunkt auf Bausteinen mit Sperrspannungen von 650, 750 und 1200 V.

Zu den neuen Playern aus China zählt Leapers Semiconductor. Das Besondere an diesem Unternehmen: Es wurde 2019 von einem Japaner gegründet, der zuvor unter anderem bei Mitsubishi Electric und Sanyo gearbeitet hatte. Das Headquarter des Unternehmens befindet sich im chinesischen Wuxi. Neben einer Fertigung in China verfügt das Unternehmen aber auch über eine Produktionsstätte in Japan. Wie Alexey Cherkasov, Director Marketing Europe Branch, erläutert, bezieht auch Leapers bisher seine SiC-MOSFETs von Wolfspeed und Rohm Semiconductor. Zu den chinesischen Unternehmen, die ebenfalls die europäische Automobil- und Automotive-Branche für ihre SiC-Module im Fokus haben, gehört auch der in Shenzhen beheimatete Anbieter BaSiC Semiconductor.

Neue Ansätze bei Galliumnitrid

Auf der PCIM Europe hat Cambridge GaN Devices (CGD) neuartige GaN-Transistoren vorgestellt, die sich genauso einfach und robust ansteuern lassen wie Silizium-MOSFETs. Darüber sprachen wir mit Dr. Giorgia Longobardi, CEO und Mitgründerin von CGD.

Neue, interessante Ansätze waren auf der Messe auch im Bereich GaN zu beobachten. So hat Cambridge GaN Devices, kurz CGD, zwei Probleme gelöst, die den einfachen Einsatz von GaN-Leistungshalbleitern behinderten: die niedrige Schwellenspannung und die niedrige maximal erlaubte Gate-Spannung. Mit den smarten ICeGaN-Transistoren bietet das Unternehmen nach Aussage von CEO und Mitgründerin Dr. Giorgia Longobardi eine Lösung an, deren Schwellenspannung bei 3 V liegt und Gate-Spannungen von 20 bis 22 V verträgt. Damit lassen sich deren Produkte im Gegensatz zu anderen GaN-Transistoren mit ganz normalen Gate-Treibern für Silizium-MOSFETs ansteuern. Produziert werden die Chips des Fabless-Unternehmens seit 2021 von TSMC. Bis 2025 planen Dr. Longobardi und Prof. Florin Udrea, Mitgründer und CTO, mit ihren Produkten den Einstieg auf dem Automotive-Markt.

Einen ebenfalls neuen Ansatz hat Dr. Dinesh Ramanathan, CEO und Co-Founder von Nexgen Power Systems, gewählt. Die vertikalen 650-V-GaN-FETs bietet sein Unternehmen nicht als diskrete Bauteile an, sondern nur als fertige Produkte in Form von standardisierten Subsystemen, etwa in Form eines 240-W-Netzteils. Sein Schlüssel zum Erfolg: Systemexpertise. Nexgen verfügt über rund 150 Patente und produziert seine GaN-Produkte in einer Fab, die der Staat New York dem Unternehmen auf zehn Jahre exklusiv zur Verfügung gestellt hat. Erste nennenswerte Umsätze erwartet Dr. Ramanathan Ende dieses Jahres; mit dem Break-Even rechnet er in zwei Jahren.

Dass auch Pioniere einer Branche manchmal ihre Ansichten zu bestimmten Aspekten ändern können, zeigt ein Gespräch mit Dr. Alex Lidow, Mitgründer und CEO von EPC. »Meine Abneigung gegen Packages hat sich in den letzten Jahren abgeschwächt«, meint er lachend. »Ich sehe inzwischen ein, dass es durchaus Anwendungen gibt, in denen Packages Vorteile haben können!« Sein Ziel ist es, siliziumbasierte Niederspannungs-MOSFETs in so vielen Applikationen wie möglich zu ersetzen. Dieses treibt er inzwischen mit der Nutzung einer zweiten Foundry voran, die in Taiwan beheimatet ist und ab Ende dieses Jahres EPC-Produkte auf 200-mm-Wafern fertigen wird. »Damit werden wir ab Anfang 2023 unseren Produktionsausstoß mehr als verdoppeln.«