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Neue Generation von Energiesparchips aus Europa am Markt
Villach (infineon) - Der weltweit steigende Energiebedarf treibt die Entwicklung von immer leistungsfähigeren
und effizienteren Energiesparchips. Sie sind unabdingbar für hohe und nachhaltige Effizienzsteigerungen, beispielsweise
bei der Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Strom, in der Elektromobilität oder für leistungsstärkere
Rechenzentren. Das europäische Forschungsprojekt „PowerBase“ hat mit 87 Millionen Euro Projektvolumen und
39 Partnern aus neun Ländern nach dreijähriger Laufzeit jetzt vielversprechende Ergebnisse geliefert:
Die erfolgreiche Entwicklung und Pilot-Produktion der nächsten Generation von Energiesparchips. Das Projekt
wurde aus Österreich heraus von Infineon Austria koordiniert.
Diese sogenannten Leistungshalbleiter basieren auf dem neuen Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN). Erste Komponenten
für Hochleistungsanwendungen wurden entwickelt, deren Produzierbarkeit demonstriert und damit die industriellen
Voraussetzungen für den Einsatz am Massenmarkt erarbeitet. Diese Chips wandeln Strom weitaus effizienter um
als Leistungshalbleiter aus Silizium – Energieverluste werden bis zur Hälfte reduziert.
„Für Europa sind Innovation, führende Kompetenz in Schlüsseltechnologien und eine starke industrielle
Basis wesentliche Erfolgsfaktoren im Wettbewerb mit anderen Wirtschaftsräumen“, sagt Sabine Herlitschka, Vorstandsvorsitzende
der Infineon Technologies Austria AG. „In der Leistungselektronik gibt es eine Vielzahl von europäischen Kompetenzen,
die durch eine fokussierte Zusammenarbeit wesentliche Wettbewerbsvorteile am globalen Markt bringen. Mit ‚PowerBase‘
zeigt Europa erfolgreich gemeinsame Forschungsstärke zur Erhöhung der Energieeffizienz in elektronischen
Anwendungen.“
Europaweit erste Pilotlinie
Die grundlegende Zielsetzung von „PowerBase“ war die erfolgreiche Einrichtung der europaweit ersten Pilotlinie
für GaN-basierte Leistungskomponenten in einem hochvolumigen industriellen Fertigungsumfeld. Das ist eine
wichtige Voraussetzung, um diese neuen Halbleiter zu global wettbewerbsfähigen Kosten zu produzieren.
Serienreife GaN-Chips für anspruchsvollste Industrieanwendungen
Ein im Rahmen des Forschungsprojektes als Demonstrator entwickelter 600 Volt GaN-Leistungshalbleiter konnte
mittlerweile erfolgreich am Markt platziert werden. Der Energiesparchip ist bereits in rund 20.000 Geräten
des Projektpartners Eltek, einem Komplettanbieter gesicherter Stromversorgungen, verbaut. Diese sorgen für
wesentliche Effizienzsteigerungen in der Stromversorgung von energieintensiven Server- und Rechenzentren. „Wir
streben danach, technologisch immer einen Schritt voraus zu sein. Der Einsatz der im Projekt ‚PowerBase‘ entwickelten,
wegweisenden GaN-basierten Technologie gibt uns jetzt die Möglichkeit, diese Zielsetzung zu realisieren. Abgesehen
von der Effizienzverbesserung, bietet diese Technologie eine höhere Zuverlässigkeit, bessere Produzierbarkeit
und weitere Vorteile, die es uns ermöglichen, auch in Zukunft der Branchenführer zu bleiben“, sagt Erik
Myhre, Senior Manager Forschung & Entwicklung bei Eltek.
Verbesserte Qualität und Lebensdauer
Die intensive Material- und Zuverlässigkeitsforschung für verbesserte Qualität und Langlebigkeit
von GaN-basierten Halbleitern hat sich ebenfalls gelohnt. Im herausfordernden Produktionsprozess wurden bei GaN-Wafern
– dem Ausgangsmaterial für die Chips – Bruchraten unter zehn Prozent erreicht. Zusätzlich weisen die
auf der Pilotlinie gefertigten Scheiben viermal weniger Defekte auf. Bei den demonstrierten 600 Volt GaN-Chips
wurden die Anforderungen industrieller Lebensdauer übererfüllt. Diese Chips sind auch bei harten Einsatzbedingungen
äußerst robust und können kurzfristig einer Durchbruchspannung von mehr als 1000 Volt standhalten.
Im Projekt „PowerBase“ wurde auch das Grundmaterial Silizium von herkömmlichen Energiesparchips optimiert
und dessen Materialnutzungsgrad deutlich verbessert. Dieses Teilprojekt wurde bei Infineon Technologies Dresden
umgesetzt. Die Ergebnisse werden bereits beim Projektpartner Siltronic in der Herstellung von Siliziumwafern angewendet.
Die Siliziumstäbe, aus denen die 300-Millimeter-Dünnwafer (Siliziumscheiben mit 300 Millimeter Durchmesser)
geschnitten werden, sind noch besser verwertbar. Dadurch konnte beispielsweise die verwertbare Stablänge für
IGBT (insulated-gate bipolar transistor)-Halbleiter verdoppelt werden.
Im sogenannten „Packaging“, bei dem die Chips im Produktionsprozess abschließend in Gehäuse verbaut
werden, wurden ebenfalls Fortschritte erzielt. Ein neuer Packaging-Ansatz ermöglicht die Integration des 600
Volt-GaN-Chips in eine Systemlösung mit mehreren Halbleiterbauteilen und ausgezeichneten thermischen Eigenschaften.
Nächster Schritt: Massenmarkt für Konsumentenanwendungen
Die beim EU-Forschungsprojekt „PowerBase“ entwickelten Technologien können bald in industriellen Anwendungen
wie Wechselrichtern von Solaranlagen oder Onboard-Ladegeräten von Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Der
nächste Entwicklungsschritt der neuen Generation von Energiesparchips ist der Massenmarkt für Konsumentenanwendungen.
Damit werden GaN-basierte Halbleiter in Smartphones, Computern, Beleuchtung oder Netzteilen eingesetzt. Wichtige
Zielsetzungen dabei sind die Steigerung der Effizienz und eine weitere Miniaturisierung in der Anwendung. Die wesentlichen
Voraussetzungen dafür – diese neuen Halbleiter reif für die industrielle Massenfertigung zu machen –
hat „PowerBase“ geschaffen.
Forschungsteam: 39 Partner aus neun Ländern
In alphabetischer Reihenfolge: ams AG, Baumann GmbH, BESI Austria GmbH, BESI Netherlands BV, CISC Semiconductor
GmbH, Carinthian Tech Research AG, Consejo Su-perior de Investigaciones Científicas - Instituto de Microelectrónica
de Barcelona - Centro Nacional de Microelectrónica, Eltek AS, Epigan NV, 4fores - For Optimal Renewable
Ener-gy Systems S.L., Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung mit FhG-IWM Halle,
FhG-THM Freiberg and FhG-EMFT München, Freiberger Compound Mate-rials GmbH, Fronius Int. GmbH, Greenpower
Technologies S.L., Fabmatics GmbH Dresden (vorher HAP GmbH Dresden), Infineon Technologies AG (mit Niederlassungen
aus Deutschland, Italien und Österreich), Interuniversitair Micro-Electronica Centrum, Ikerlan S. Coop., Kompetenzzentrum
Automobil- und Industrieelektronik GmbH, Max Planck Institut für Eisenforschung GmbH, memsstar Limited, NaMLab
GmbH, Nano Design, s.r.o., Nano-Focus AG, PacTech - Packaging Technologies GmbH, Plansee SE, Quantemol Limited,
Siltronic AG, Slovenska technicka univerzita v Bratislave, SPTS Technologies Ltd, Techni-sche Universität
Dresden, Trymax Semiconductor Equipment BV, University of Bristol, Karl-Franzens- Universität Graz, UiO Universitetet
i Oslo, Università degli Studi di Padova.
Das Projekt „PowerBase“ stärkt die globale Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Elektronikindustrie
mittels Investitionen von Industrie, Förderungen einzelner EU-Länder sowie durch die Unterstützung
von ECSEL Joint Undertaking (Electronic Components and Systems for European Leadership). Eine Co-Finanzierung erfolgte
durch Förderungen aus Österreich (Bundesministerium für Verkehr, Technologie, Innovation - bmvit),
Belgien, Deutschland (Bundesministerium für Bildung und Forschung - BMBF), Italien, Niederlande, Norwegen,
Slowakische Republik, Spanien, Vereinigtes Königreich und ECSEL Joint Undertaking.
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