Japanische Unternehmen bemühen sich intensiv um eine stabile Versorgung mit Siliziumkarbid-Wafern (SiC), die für die Herstellung Halbleiter der nächsten Generation unverzichtbar sind. DENSO und Mitsubishi Electric werden jeweils 500 Millionen US-Dollar (rund 74,5 Milliarden Yen) in ein neues SiC-Wafer-Unternehmen investieren. Die Toyota Motor Corporation hat beschlossen, einem Start-up-Unternehmen, das über Technologien zur Verbesserung der Qualität von SiC-Wafern verfügt, technische Unterstützung zu leisten. Renesas Electronics hat eine Anzahlung in Höhe von 2 Milliarden US-Dollar (ca. 298 Milliarden Yen) geleistet und einen langfristigen Liefervertrag mit dem größten SiC-Wafer-Hersteller unterzeichnet. Japanische Unternehmen, vor allem aus der Automobilindustrie, haben begonnen, umfassende Maßnahmen zu ergreifen, um sich hochwertige SiC-Wafer zu sichern.

Japanische Unternehmen beschaffen aktiv SiC-Wafer, da davon ausgegangen wird, dass die Nachfrage nach SiC-Leistungsbauelementen in Zukunft rasch steigen wird. Laut einer Studie von Fuji Keizai (Chuo, Tokio) wird der SiC-Markt voraussichtlich rasant von 170,7 Milliarden Yen im Jahr 2022 auf 2,208 Billionen Yen im Jahr 2030 wachsen. Obwohl er im Jahr 2022 weniger als 10 % des gesamten Halbleiter ausmachte, wird prognostiziert, dass er im Jahr 2030 fast 30 % ausmachen wird. Damit einhergehend wird auch der SiC-Wafer-Markt rasant wachsen. Laut Fuji Keizai wird der Markt voraussichtlich von 358,4 Millionen US-Dollar (ca. 53,5 Milliarden Yen) im Jahr 2022 auf 2.214,4 Millionen US-Dollar (ca. 331 Milliarden Yen) im Jahr 2030 anwachsen.

Die treibende Kraft ist das Auto. Es wird ein deutlicher Anstieg der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) erwartet. Dazu gehören ein Bordladegerät, ein DC-DC-Wandler und ein Wechselrichter, der den Hauptmotor antreibt. SiC spielt auch bei den am Straßenrand installierten Schnellladestationen eine wichtige Rolle.

SiC findet große Beachtung, da es im Vergleich zu herkömmlichem Silizium (Si) die Leistungsverluste deutlich reduzieren kann. Eine Verringerung der Leistungsverluste führt zu einer größeren Reichweite. Bleibt die Reichweite gleich, können die Batteriekosten gesenkt werden, da aufgrund der geringeren Leistungsverluste eine geringere Batteriekapazität ausreicht. Aufgrund dieser Vorteile wird SiC schrittweise eingeführt, beginnend bei Elektrofahrzeugen der Oberklasse. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend in Zukunft beschleunigen wird und SiC um das Jahr 2025 in vielen Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen wird.

Da die Nachfrage nach SiC-Leistungshalbleitern in Zukunft rasant steigen wird, wird die Beschaffung von Wafern über Erfolg oder Misserfolg des Unternehmens entscheiden. Daher haben Halbleiter begonnen, sich SiC-Wafer zu sichern. Bislang lag der Fokus auf ausländischen Unternehmen, die massiv in Produktionsstätten für diese Bauelemente investiert haben. In jüngster Zeit investieren japanische Unternehmen, vor allem aus der Automobilindustrie, große Summen, um sich am Wettlauf um SiC-Wafer zu beteiligen.

 

Renesas hat das Feuer ausgelöst

Renesas Electronics ist das Unternehmen, das diesen Trend im Jahr 2023 ins Rollen gebracht hat. Im Juli schloss das Unternehmen einen langfristigen Liefervertrag über 10 Jahre für SiC-Wafer mit Wolfspeed ab, dem größten SiC-Wafer-Hersteller in den USA. Renesas wird eine Anzahlung in Höhe von 2 Milliarden US-Dollar (rund 290 Milliarden Yen) leisten.

Diese Investition ist für die Halbleiter ein sehr hoher Betrag, insbesondere für japanische Halbleiter , bei denen die Investitionssummen zwischen mehreren Milliarden und mehreren zehn Milliarden Yen liegen. Der Grund, warum Renesas bei der Beschaffung von SiC-Wafern so weit geht, liegt darin, dass Renesas ein „Neuling“ in der SiC-Branche ist.

Renesas hat sich bislang auf Si-Leistungsbauelemente konzentriert und wird 2025 mit der Massenproduktion von SiC-Leistungsbauelementen beginnen. Für Renesas, das bislang keine Erfahrung mit dem Einkauf von SiC-Wafern hat, scheint die Leistung der Anzahlung notwendig gewesen zu sein, um seine „Ernsthaftigkeit“ in Bezug auf das SiC-Geschäft unter Beweis zu stellen. Im Rahmen dieses Vertrags wird Renesas SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm (6 Zoll) – dem derzeitigen Mainstream – sowie SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 200 mm (8 Zoll) beschaffen, deren Serienproduktion in Zukunft in vollem Umfang anlaufen wird.

 

DENSO und Mitsubishi Electric steigen in den Wettbewerb ein

Im Oktober 2023 haben sich noch mehr japanische Unternehmen um die Beschaffung von SiC-Wafern bemüht. Mitsubishi Electric und DENSO gaben jeweils bekannt, dass sie 500 Millionen US-Dollar (etwa 74,5 Milliarden Yen) in das US-amerikanische SiC-Wafer-Unternehmen Silicon Carbide investieren werden. Damit werden DENSO und Mitsubishi Electric jeweils 12,5 % der Anteile an Silicon Carbide halten.

Auf der Grundlage dieser Investition haben DENSO und Mitsubishi Electric langfristige Lieferverträge für Siliziumkarbid bzw. SiC-Wafer abgeschlossen. Beide Unternehmen werden so in der Lage sein, 6-Zoll- und 8-Zoll-Produkte zuverlässig zu beziehen.

Silicon Carbide ist ein neues Unternehmen, das im April 2023 vom US-amerikanischen Unternehmen Coherent gegründet wurde, welches sein SiC-Wafer-Geschäft ausgegliedert hat. Coherent seit der Zeit seines Vorgängers II-VI SiC-Wafer her. Dabei kann das Unternehmen insbesondere mit „halbisolierenden“ SiC-Wafern, die in Hochfrequenzbauelementen zum Einsatz kommen, auf eine starke Erfolgsbilanz zurückblicken. Es vertreibt zudem Produkte für Leistungsbauelemente und ist damit in der Lage, Wolfspeed, dem größten Unternehmen im Bereich der Leistungsbauelemente, zu folgen.

DENSO ist ein führender Halbleiter für die Automobilindustrie, der SiC-Leistungsbauelemente sowie Wechselrichter herstellt, in denen diese Bauelemente zum Einsatz kommen. Mitsubishi Electric produziert Modulprodukte (Leistungsmodule), die mit SiC-Leistungsbauelementen ausgestattet sind und für eine Vielzahl von Märkten bestimmt sind, darunter nicht nur Automobilanwendungen, sondern auch erneuerbare Energien und Industrieanlagen.

Jedes Unternehmen konzentriert sich auf die Massenproduktion von SiC-Leistungsbauelementen. So wird Mitsubishi Electric beispielsweise rund 100 Milliarden Yen in den Bau einer neuen Fabrik für SiC-Leistungsbauelemente in der Präfektur Kumamoto investieren. Die Inbetriebnahme ist für 2026 geplant. In Verbindung mit dem Ausbau bestehender Anlagen plant das Unternehmen, seine Produktionskapazität für SiC-Leistungshalbleiter im Geschäftsjahr 2026 gegenüber dem Geschäftsjahr 2022 um etwa das Fünffache zu steigern. Ursprünglich arbeitete Mitsubishi Electric Coherent diese neue Fabrik gemeinsam mit Coherent an der Entwicklung von 8-Zoll-Wafern.

 

Toyota setzt auf Start-ups

Auch die Toyota Motor Corporation hat Maßnahmen ergriffen. Um eine stabile Lieferkette für hochwertige SiC-Wafer sicherzustellen, hat das Unternehmen einen Vertrag über die Auslagerung der Technologieentwicklung mit QureDA Research (Sanda, Präfektur Hyogo) geschlossen, einem Start-up, das über Technologien zur Verbesserung der Qualität und Produktivität von SiC-Wafern verfügt. Dabei wird vor allem die Technologie für die Massenproduktion unterstützt.

QureDA Research ist ein Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, das im März 2023 als 50:50-Joint-Venture zwischen Kwansei Gakuin (der Bildungseinrichtung, die die Kwansei Gakuin University und andere Schulen betreibt) und Toyota Tsusho gegründet wurde. Kernstück des Projekts ist die „Dynamic AGE-ing (DA)“-Technologie, die auf den Forschungsergebnissen der Gruppe um Tadaaki Kaneko, CEO von QureDA Research und Professor für Ingenieurwissenschaften an der Kwansei Gakuin University, basiert. Kristallfehler und Verformungen, die beim Schneiden von Wafern aus SiC-Kristallen entstehen, werden durch Wärmebehandlung und andere Verfahren deutlich reduziert. Dies wird zu Verbesserungen bei der Qualität und Ausbeute von SiC-Leistungsbauelementen führen.

Im Rahmen dieser Vereinbarung wird Toyota einen Teil der Arbeiten im Zusammenhang mit der Entwicklung von Serienfertigungsanlagen und dem Aufbau eines Qualitätssicherungssystems zur Kommerzialisierung der DA-Technologie auslagern. Toyota wird QureDA Research das technische Know-how zur Verfügung stellen, das es im Rahmen der Automobilfertigung erworben hat. Dazu gehören beispielsweise Konzepte zur Prozessplanung, Anlagenentwicklung und Qualitätssicherung im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Produkten. Es wird davon ausgegangen, dass die Wärmebehandlungstechnologie für Werkstoffe (Teile, die durch die Einwirkung von Wärme und Kraft auf Werkstoffe geformt werden) mit der DA-Technologie kompatibel ist, bei der das Wärmemanagement eine wichtige Rolle spielt. Darüber hinaus wird das Unternehmen QureDA Research Know-how zu standardisierten Regeln zur Aufrechterhaltung der Serienproduktionsqualität zur Verfügung stellen.

QureDA Research befasst sich zudem mit der Kristallbewertungstechnologie, die zur Verbesserung der Kristallqualität von SiC erforderlich ist. Wir werden die DA-Technologie sowie diese Bewertungstechnologie an externe Partner lizenzieren. Das Unternehmen strebt an, im Jahr 2025 ein 8-Zoll-SiC-Wafer-Produkt auf Basis der DA-Technologie auf den Markt zu bringen.

 

Stichwort:

SiC: Eine Verbindung aus Kohlenstoff (C) und Silizium (Si), auch Siliziumkarbid genannt. Es gibt sowohl Polykristalle als auch Einkristalle, wobei Einkristalle als Leistungshalbleiter eingesetzt werden. Da es Halbleiter zu Si überlegene Materialeigenschaften als Halbleiter aufweist, gilt es als einer der Leistungshalbleiter der nächsten Generation.

Wenn Halbleiter (Leistungsbauelemente) in Stromrichtern wie Wandlern und Wechselrichtern eingesetzt werden, lassen sich die Leistungsverluste im Vergleich zu Si deutlich reduzieren. Sie können bei Temperaturen von über 200 Grad Celsius betrieben werden, was mit Si-Leistungsbauelementen nur schwer möglich ist. Aufgrund ihrer Eigenschaften – geringer Leistungsverlust und Hochtemperaturbetrieb – eignen sie sich für die Verkleinerung von Stromrichtern.

Obwohl SiC hervorragende Eigenschaften aufweist, ist es teuer. Insbesondere sind die Kosten für SiC-Wafer, die für die Herstellung von Leistungsbauelementen benötigt werden, höher als die für Si-Wafer, und ihr Durchmesser ist kleiner. Diese Probleme werden jedoch nach und nach gelöst, und die Nachfrage steigt von Jahr zu Jahr. Es wird erwartet, dass SiC ab 2025 in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen wird. Darüber hinaus werden SiC-Leistungsbauelemente zunehmend in Anwendungen eingesetzt werden, die eine hohe Leistung und hohe Spannungsfestigkeit erfordern, wie beispielsweise Energieinfrastruktur, erneuerbare Energien, Schienenverkehr und Industrieanlagen.