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Stromversorgung & Leistungselektronik Heisse Zeiten in der Leistungselektronik

28.04.2012

Neue Anwendungen wie Elektromobilität und Cloud Computing sorgen für massive Wachstumsraten in der Leistungselektronik. Damit die hohen Anforderungen dieser Anwendungen erfüllt werden können, müssen die Hersteller neue Wege gehen. Ein besonderes Augenmerk werden auf die Architektur und auf neue Materialien gelegt.

Leistungshalbleiter für die Energieversorgung, die Automobil- und die Industrieelektronik sowie für die Sicherheit sind zu dynamischen Wachstumsfeldern mit hoher gesellschaftlicher Bedeutung sowie zu Garanten für wirtschaftliche Erfolge geworden. Sie bescheren den Marktteilnehmern Rekordergebnisse; Infineon Technologies war mit seinem Geschäftsjahr 2011 das beste Beispiel dafür: Der Branchenführer steigerte seinen Marktanteil auf 11,2 Prozent, vor Toshiba (6,8 Prozent), STM und Mitsubishi (beide 6,5 Prozent). Nach IMS Research wird das jährliche Wachstum bis 2015 bei eindrucksvollen 50 Prozent liegen (auf dann 24 Milliarden US-Dollar). Auch die Politik treibt das spannende, anspruchsvolle Aufgabenfeld voran, man denke nur an die Energiewende, die intelligente Leistungselektronik zwingend voraussetzt.

Haupttreiber sind indes die Anwendungen: Die Elektromobilität rückt die Leistungselektronik zusätzlich ins Zentrum technologischer Betrachtungen. Denn nur in Verbindung mit zuverlässigen, günstigen, gewichts- und volumenreduzierten Leistungsbausteinen können sich Elektrofahrzeuge am Markt durchsetzen. Außerdem: Sollen die Zielsetzungen der Energiewende erreicht werden, muss elektrische Energie möglichst verlustfrei ins Netz gespeist, übertragen und der Verbrauch intelligent gesteuert werden. Die dazu erforderlichen Smart Grids und Smart Meter sind ohne Leistungshalbleiter nicht umsetzbar. Das Thema wird wohl in den neu entstehenden Städten Asiens rascher eingeführt werden, die von Anfang an mit moderner und energieeffizienter Infrastruktur ausgestattet werden, während die Europäer bestehende Netzstrukturen umbauen oder erneuern und Millionen Stromzähler austauschen müssen. Darüber hinaus sind Normen und gesetzliche Rahmenbedingungen noch nicht festgeklopft.

Die Unternehmen mit ständig laufenden Anwendungen brauchen eine Infrastruktur in Form von Cloud Computing oder Datenzentren, welche die Integrität sowie die Funktionalität der gehosteten Computerumgebung aufrechterhalten. Um effizientere und robustere Systeme zu ermöglichen, werden Datenzentren und USV-Systeme mit Hochleistungs-Halbleitern wie IGBTs und Superjunction-Leistungs-MOSFETs gebaut. Entsprechend nimmt der Einsatz von Leistungshalbleitern zu. Die Nachfrage nach energieeffizienten und umweltfreundlichen Produkten steht als Triebfeder hinter dem Wachstum des derzeitigen Marktes von „Power Discretes“. Zudem tragen staatliche Maßnahmen zur Einsparung von Energie sowie zur Senkung des Energieverbrauchs, der Kosten und Emissionen zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Im Endeffekt läuft der Vormarsch der Leistungselektronik überwiegend auf die Forderung nach höherer Energie- und Ressourceneffizienz sowie die damit verbundenen anspruchsvollen Power-Management-Lösungen in sämtlichen technischen Bereichen hinaus. Wettbewerb und Technologie sorgen für immer größere Herausforderungen, gleichzeitig steigen die Anforderungen und Erwartungen der Anwender aus allen Branchen. Das erfordert Applikationskompetenz, um die Einsatzgebiete noch gezielter mit neuen Lösungen unterstützen zu können. Das wirkt sich auch auf Unternehmensstrukturen aus. Beispielweise hat Infineon seine Bereiche neu aufgeteilt: IPC (Industrial Power Control) befasst sich mit allen Anwendungen, die hohe Ströme beherrschen müssen, von riesigen Generatoren bis zu kleinen Elektromotoren, Windkraft und Solarenergie, wozu vor allem IGBTs Verwendung finden. Der zweite neue Geschäftsbereich PMM (Power Management und Multimarket) bündelt das Geschäft mit Chips für energieeffiziente Stromversorgungen und Hochfrequenzanwendungen, so in Konsumgütern wie Fernsehern, Spielekonsolen, PCs, mobilen Endgeräten sowie in Computerservern.

Dreidimensionale Architekturen

In der Leistungshalbleiter-Technologie wird der Fortschritt nicht durch das Mooresche Gesetz, also durch immer noch kleinere Strukturen auf dem Wafer bestimmt, als vielmehr durch dreidimensionale Architekturen. In Zukunft werden auch die unterschiedlichen physikalischen Effekte auf der vertikalen Ebene des Chips mit in die Entwicklungen einbezogen. Sie sollen auf diese Weise nicht nur die Schaltgeschwindigkeit erhöhen, sondern auch die Stromverluste pro Chipfläche senken, also die Energiedichte steigern. Ein Beitrag dazu ist die Thin-Wafer-Technik, bei der die Erzeugung des Chips von beiden Seiten des Wafers sowie eine Optimierung seiner elektrischen Eigenschaften möglich sind. Das stellt sowohl für die diskreten Leistungsarchitekturen, als auch für viele Power-ICs die Voraussetzung für einen besseren Wirkungsgrad dar. Das Spektrum der an moderne Leistungselektronikbausteine gestellten Anforderungen geht indes noch weiter: Sie sollen künftig bei höheren Spannungen und Temperaturen sowie höherer Leistungsdichte betrieben werden, mit höheren Geschwindigkeiten schalten und damit Verluste sowie Investitionen in passive Bauelemente reduzieren. Hinzu kommt eine optimierte Ansteuerung der Leistungsbauelemente, durch welche die Bausteine effizienter genutzt werden können. Typisch für die Einstellung europäischer Halbleiterfirmen ist der Grundsatz, Produkte, die sich über spezifisches Know-how in der Fertigung differenzieren, selbst zu produzieren, dagegen aber die Fertigung von Produkten, die sich über andere Faktoren differenzieren, an Foundries zu übertragen. Diese sitzen zwar überwiegend in Asien (Marktführer TSMC in Taiwan), doch gibt es auch hierzulande Beispiel für Prozessinnovationen, so die Entwicklung von 300-mm-Dünnwafern für Leistungshalbleiter, die dasselbe Verhalten aufweisen wie die bisher auf 200-mm-Wafern erzeugten Leistungshalbleiter.

Nachteile für Europa

Allerdings muss sich der europäische Leistungskomponentenmarkt vor zwei Einflussgrößen in Acht nehmen: einerseits eine geänderte Besteuerung und andererseits ausländische Produktionen. Seit 1999 werden gehäuste IGBT-Bausteine in Europa importiert und kamen dabei in den Genuss einer zollfreien Quote. Die EU-Behörden haben diese Zoll-Ausnahmeregelung durch die Reklassifizierung der Bausteine verändert, so dass künftig eine Einfuhrsteuer von zwei bis drei Prozent zu zahlen ist. Dieser Zollanteil wirkt sich wegen der großen importierten Volumina erheblich auf die Kosten aus. Die beträchtlichen vorhergesagten Verluste bei den Margen, für Hersteller wie für Einkäufer, werden sich deshalb als Kostensteigerungen auf Elektronikgeräte niederschlagen, die in der EU gefertigt werden. Dennoch können den Prognosen zufolge die diskreten Leistungshalbleiter zwischen 2012 und 2016 mit einem durchschnittlichen Jahreswachstum (CAGR) von 6,5 Prozent rechnen.

Silizium am Ende?

Noch dominieren Siliziumhalbleiter das Feld der Substratmaterialien mit deutlich über 90 Prozent; darüber können die heftigen Diskussionen über alternative Materialien nicht hinwegtäuschen. Allerdings prophezeiten die Business-Intelligence-Experten von GBI Research in ihrem Report „Power Discretes Market to 2016“ etwas plakativ dem Siliziumhalbleiter langfristig das Aus. Mit der Begründung: Cloud-Computing und Vorgaben zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen stellen höhere Ansprüche an diskrete Leistungsbausteine, als sie mit Silizium zu erzielen sind. Andererseits gibt es, obwohl das Silizium bereits ziemlich gut beherrscht wird, immer noch Verbesserungspotenzial in allen Silizium-basierten Leistungshalbleitertechnologien wie Niedervolt- und Hochvolt-MOSFETs und IGBTs. Das gilt stets so lange, bis man an physikalische Grenzen stößt.Der aktuelle GBI-Bericht zeigt indes, dass sich die zur Herstellung von diskreten Leistungskomponenten verwendeten Substrattechnologien weiterentwickelt haben und der Technologie einen besseren Wirkungsgrad garantieren. Ursprünglich setzten Leistungshalbleiter ausschließlich Silizium sowie in geringerem Umfang Germanium ein. Doch mittlerweile hat sich das Spektrum erweitert - auf die Verbindungshalbleiter Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid auf Silizium (GaN-on-Si), Galliumnitrid (GaN) sowie Galliumarsenid (GaAs), die in wichtigen Applikationssektoren die erforderliche bessere Leistung bieten. Mit diesen neueren Substrattechnologien können Systeme höhere Leistungspegel sowie eine höhere Bandbreite verwenden, und sie überzeugen mit einem höheren Wirkungsgrad, als man ihn mit bisherigen Siliziumlösungen erzielen konnte.

Noch viel Forschung und Entwicklung nötig

Unter den als Alternative zu Silizium geeigneten Wide-Bandgap-Materialien sind Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) am aussichtsreichsten für die Serienfertigung geeignet. Neben dem schon recht verbreiteten SiC hat vor allem Galliumnitrid auf Siliziumträger, kurz GaN-on-Si, ein beachtliches Potenzial hinsichtlich Leistung und Kostenentwicklung erreicht. Der Umgang mit dem Material ist jedoch aufwändig und schwierig. Bis zu einer breiten Markteinführung der Technologie ist noch ein erheblicher Aufwand in Forschung und Entwicklung erforderlich, um den heute üblichen Ansprüchen an Robustheit und Qualität genügen zu können. GaN-Bauelemente werden zweifellos neue Lösungen ermöglichen, welche die von den heute verfügbaren Bauelementen abgedeckten Anwendungen komplementär ergänzen. Der Umsatz im GaN-Transistor-Markt, der im Vorjahr noch bei bescheidenen 2,5 Millionen US-Dollar gelegen haben soll, wird bis 2019 auf über eine Milliarde US-Dollar ansteigen - so die Vorhersage des französischen Marktforschungsunternehmens Yole Developpement in seiner Untersuchung „Power GaN 2012“. Sofern die Prognose zutrifft, erobern die GaN-Bausteine dann etwa fünf Prozent des Leistungshalbleitermarkts. Während derzeit nur International Rectifier und EPC GaN-Halbleiter am freien Markt verkaufen und dies auch 2012 (mit unter zehn Millionen US-Dollar) so bleiben wird, werden sich bereits in zwei Jahren mehr als ein Dutzend Anbieter diesem aussichtsreichen Spezialbereich zugewandt haben. Wobei dieses Wachstum nach Meinung der genannten Experten von zwei wesentlichen Voraussetzungen abhängt: a.) Werden sich die Automobilhersteller für den Einsatz von GaN im Hybrid- und Elektrofahrzeug entscheiden, und b.) werden die Hersteller von Leuchtdioden (LEDs), die bereits seit langem mit den neuen Materialien umgehen, künftig auch mit ihrem GaN-Know-how ins Smart-Power-Business einsteigen? Das kommende Jahr soll nach Ansicht von Yole bei mehreren neuen Marktteilnehmern den Übergang von der Qualifizierung zum Hochfahren der Produktion einläuten. Bis 2015 wird durch die Verfügbarkeit und den Einsatz qualifizierter GaN-Bausteine für 600 V und darüber von bis zu 15 Playern die Wachstumskurve rasch nach oben ausschlagen und dadurch auch Applikationen im Nicht-Consumer-Bereich eröffnen. Gelingt den GaN-Devices tatsächlich das angepeilte Vordringen in Hybridelektro- und Elektrofahrzeuge, sind die bis 2019 prognostizierten Umsatzzahlen von einer Milliarde US-Dollar ohne weiteres vorstellbar. Gleichzeitig könnten GaN-on-Si-Bausteine ungefähr 300 Millionen US-Dollar Umsatz schaffen - wobei sich Kfz-Hersteller durchaus auch für Siliziumkarbid (SiC) entscheiden oder weiterhin auf das reine Silizium setzen können. Andererseits sieht Infineon, sehr erfolgreich im SiC-Segment, das Potenzial von GaN nicht in einer rein diskreten Lösung, sondern in einer Kombination von einem oder mehreren Schaltern zusammen mit passenden Treibern in SoCs oder SiPs.

Auf der Suche nach Alternativen

Die Forschungs- und Entwicklungslabors untersuchen nach wie vor unterschiedliche Substrat-Alternativen wie GaN-auf-Saphir, GaN-auf-SiC, GaN-auf-GaN und GaN-auf-AlN. Allerdings wird wohl GaN-on-Si den Sieg davontragen, weil bereits 6-Zoll-Wafer mit einer 7-µm-Epi-Schicht verfügbar sind und 8-Zoll-Wafer derzeit die Qualifizierungsprozeduren durchlaufen. Sobald die Produktion auf diese 200-mm-Wafer umgestellt wird, ist der Siegeszug dieser Technologie kaum mehr aufzuhalten. Zumal LED-Hersteller ihre Geschäftstätigkeit auf GaN-Leistungstransistoren ausweiten wollen. Die Analysten sprechen von einer wechselseitigen Befruchtung mit der LED-Industrie, deren Technologie und Marktdynamik untrennbar mit der GaN-Leistungselektronik verbunden ist. Denn die GaN-Epi-Technologie wurde durch die LED-Industrie produktionsreif, weswegen die Waferhersteller heute bereits bei ihrer Epi-Waferherstellung beide Segmente anvisieren. Künftig könnten dann LED-Anbieter ihre vorhandenen Tools und Kapazitäten zum Eintritt in den Leistungselektronik nutzen. Im Endeffekt könnten beide Segmente, so die Meinung von Yole Developpement, zu einem Bereich „GaN-Bausteine“ verschmelzen, weil die Hauptanbieter dieselben sind.

Neues auf der PCIM

Neben der Materialfrage stehen auf der Leistungselektronik-Fachmesse PCIM in Nürnberg auch unzählige Spezial- und Weiterentwicklung im Fokus. Beispielsweise stellt International Rectifier seine neue Power-Plattform COOLiR vor, die auf (H)EV-Systeme zugeschnitten ist. Mithilfe einer Roadmap können Tier-1- und Tier-2-Systemanbieter die Anforderungen der Automobil-OEMs auf einer Systemebene angehen, dabei jedoch die durch hochvolumige Baugruppen gebotenen Skaleneffekte für Power-Management-Lösungen wahrnehmen. Vor allem können künftig auf ultradünnen Wafern basierende Hochleistungsschalter (175-°C-IGBTs mit optimal abgeglichener Diode im gleichen Gehäuse, auch als Bare Die erhältlich) auf Standardprozessen kostengünstig hergestellt werden.

Mitsubishis 1,7-kV-Hybrid-SiC-Power-Module zeichnen sich durch hohe Strombelastbarkeit aus und bestehen aus Si-IGBTs and SiC-SBDs.

Cree erweitert sein SiC-Angebot um eine Reihe von Dioden. Diese weisen angeblich die höchste Sperrspannung auf, die die Industrie im Bereich der SiC-Schottky-Technologie zu bieten hat. Die 1.700-V-Z-Rec-Schottkydioden eignen sich zum Beispiel für Solar-, Motortreiber- und Traktionsanwendungen.

Rohm treibt die Entwicklung einer neuen Generation von SiC- Schottkydioden und MOSFETs, die sich durch geringe Verlustleistung und hohe Spannungsfestigkeit auszeichnen, weiter voran. Diese sind für PFC, Wandler und Wechselrichter gedacht, die MOSFETs für Umrichter in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie für industrielle Anwendungen. Mit den neuen SiC-Modulen sollen sich die Schaltverluste gegenüber IGBT-Modulen um bis zu 80 Prozent senken lassen.

Semikron stellt dagegen die Integration bei den 3-Level-Produkten und die Kombination von SKiN- und Federkontakttechnologie in den Vordergrund. Die SKiN-Technologie ist eine Aufbau- und Verbindungstechnologie für Leistungshalbleiter, die eine höhere Stromtragfähigkeit und eine zehn Mal höhere Lastwechselfestigkeit ermöglicht. Das Volumen eines Umrichters wird dadurch um 35 Prozent reduziert - besonders geeignet für Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen.

Toshiba Electronics Europe erweitert seine IGBT-Familie für Induktionskochfelder und andere Anwendungen mit Stromresonanz-Wechselrichtern um zwei neue Bausteine mit IGBT und Reverse-Recovery-Feilaufdiode monolithisch in einem Gehäuse. Auch hier liegt die maximale Sperrschichttemperatur bei 175 ºC. Der maximale Nennstrom beider Bausteine entspricht 50 A. Sie basieren auf der hauseigenen Enhancement- Mode-Halbleitertechnologie und sind für schnelles Schalten optimiert.

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