ENGINEERINGNET.BE - Stefan Hartung, voorzitter van de raad van bestuur van Bosch, motiveert deze "grootste investering ooit" van het bedrijf met de verwachte aanhoudende honger naar chips.
“Micro-elektronica is een doorslaggevende succesfactor voor al onze activiteiten en de belangrijkste sleutel voor de mobiliteit van morgen, het Internet of Things en onze 'technologie voor het leven.” Daarmee verwijst hij niet alleen naar de consumentenelektronica, waarvoor Bosch bij het grote publiek het best bekend is, maar ook naar veiliger en comfortabeler rijden.
Eco-systeem voor micro-elektronica
Om het aandeel van Europa in de wereldwijde productie van halfgeleiders tegen het einde van dit decennium te verdubbelen naar 20% verstrekken de Europese Unie en de Duitse federale overheid aanvullende financiering voor de uitbouw van een sterk ecosysteem voor micro-elektronica. Europa lanceerde onlangs een IPCEI (Important Project of Common European Interest) om onderzoek en innovatie in micro-elektronica en communicatietechnologie te bevorderen.
Bosch speelt hier graag op in, maar geeft tegelijk toe dat dit niet betekent dat Europa helemaal onafhankelijk zal worden van derden. "Europa kan en moet eigen troeven uitspelen in de halfgeleiderindustrie", aldus Hartung. "We moeten meer dan ooit chips produceren voor de specifieke behoeften van de Europese industrie. In de elektronica voor elektromobiliteit bijvoorbeeld zijn structuurbreedtes van 40 tot 200 nm vereist." Precies voor dit segment heeft Bosch zijn chipfabrieken ontworpen.
Van 200 naar 300 mm
De fabriek in Dresden, die in 2021 opstartte, produceert wafers met een diameter van 300 mm. Bosch wil de 300 mm-wafers gebruiken als basis voor de verdere ontwikkeling van zijn micromechanische systemen, kortweg MEMS. "Zo werken onze onderzoekers momenteel aan een nieuwe projectiemodule voor smartglasses, zo klein dat ze in de montuur van een bril past. De productie van die sensoren moet in 2026 beginnen. Wafers van 300 mm maken een hogere schaalgrootte mogelijk," geeft Hartung nog mee.
Bosch zal ook chips nodig hebben voor de radarsensoren voor voertuigen voor geautomatiseerd rijden, voor de 360°-detectie van de omgeving. Het bedrijf streeft ernaar die kleiner, slimmer en kostenefficiënter te maken. "Door het gebruik van artificiële intelligentie en het verwerken van enorme hoeveelheden door sensoren en meetinstrumenten vergaarde data zal geautomatiseerd rijden nood hebben aan zo performant mogelijke chips", stelt vice-president Patrick Leinenbach.
Een aantal grote fabrikanten van computerchips gebruikt al sinds het einde van de jaren 90 dergelijke wafers. Dit relativeert het innovatieve aspect van de fabriek in Dresden. "Het is wel de eerste 300 mm-fabriek in Europa sinds 1999", argumenteert plant manager Christian Koitzsch. "De productie van een wafer omvat wel 800 verschillende stappen, in een complexe volgorde. Voor diverse lagen is er een afzonderlijk etsprocédé.
Een bestaande 200 mm-lijn ombouwen zou een enorme investering vergen. Het wordt pas rendabel wanneer je een grote stap kan maken, zoals van 200 naar 300 mm." Koitzsch verwacht overigens geen ontwikkelingen naar nog grotere wafers. Dat ligt aan de beperkingen in de industriële methoden om foutloze siliciumsubstraten te fabriceren.
Siliciumcarbide en galliumnitride
In Reutlingen nabij Stuttgart produceert Bosch sinds eind 2021 siliciumcarbide-chips (SiC) van 150 mm in serie. SiC is een zeer robuust materiaal, dat in hardheid alleen wordt overtroffen door diamant. Deze chips worden gebruikt in de vermogenselektronica van elektrische en hybride auto’s. In vergelijking met traditionele chips kunnen ze hogere temperaturen weerstaan en lijden ze minder schakelverliezen.
Dankzij deze chips kon het bedrijf de actieradius van elektrische auto’s al met 6% vergroten. De vraag kende de voorbije jaren een sterke groei. Intussen doet Bosch al onderzoek naar andere technologieën, om de vermogenselektronica nog efficiënter en betaalbaarder te maken. De onderzoekers proberen chips op basis van galliumnitride (GaN) te ontwikkelen voor toepassingen in de elektromobiliteit.
"Dergelijke chips worden nu al gebruikt in laders van laptops en smartphones, maar voor het gebruik in voertuigen moeten ze robuuster worden en bestand zijn tegen aanzienlijk hogere spanningen, tot 1.200 V", zegt directeur automotive electronics Bruno Schuster. Bosch verwacht SiC toepassingen in veel gebieden, vooral daar waar veel stroom nodig is. GaN lijkt specifieker geschikt voor huishoudelektronica en personenwagens.
Elektrisch rijden is groeimarkt
Elektrisch rijden is de toekomst. "Nu al veroorzaakt een volledig elektrisch aangedreven voertuig over heel zijn levensduur, naargelang het type, 19 tot 27% minder uitstoot van CO2 dan een wagen met verbrandingsmotor", legt Schuster uit. "Het hergebruik van de batterij is daarbij niet eens inbegrepen." Het aandeel van elektrische wagens op de Europese markt liep vorig jaar op tot 16,6%, met Duitsland (25%) als koploper.
De sterkste recente groei deed zich echter voor in China. "Deze evolutie is niet vanzelfsprekend in de automobielindustrie, die traditioneel top-bottom-gedreven was. Nu zijn het de fabrikanten van halfgeleiders die vernieuwingen aanbrengen. Dit betekent dat de hele aanpak meer holistisch moet worden. We zien dat er almaar meer digitale platformen worden aangeboden door fabrikanten van OEM, met de definities waarop de makers van halfgeleiders hun producten kunnen afstemmen."
Bosch stemt zijn onderzoeksinspanningen af op zeer specifieke deelgebieden. Zo wil het sensoren ontwikkelen die, geïntegreerd in een automatisch voertuig, niet alleen het volume van een geluid kunnen meten, maar ook de richting kunnen bepalen van waaruit het komt.
Meer cleanrooms
In de uitbreiding van het halfgeleidercentrum in Reutlingen investeert Bosch tegen 2025 ongeveer 400 miljoen euro. Tegen einde 2025 zal de cleanroomruimte er groeien tot meer dan 44.000 m². Dit gebeurt deels door het omvormen van bestaande fabrieksruimte, deels door het optrekken van een nieuwbouw met 3.600 m² cleanrooms.
De extra cleanroomruimte in Dresden wordt ingeplant in het midden van de bestaande fabriek. Die zone heeft nu nog een logistieke functie. Net als in de bestaande cleanrooms zijn er al antennes voor 5G geïnstalleerd. Die worden voorlopig nog niet gebruikt. "Wifi kan de huidige datastromen nog aan", verklaart projectverantwoordelijke augmented reality Robert Lindemann. In de huidige fabriek zijn circa 150.000 sensoren aangebracht.
Die genereren per seconde een datavolume van 250 MB, het equivalent van 400 HD Netflix films. Momenteel bouwt Bosch ook een testcentrum voor halfgeleiders in Penang (Maleisië). Vanaf 2023 wil het daar afgewerkte halfgeleiderchips en sensoren testen. Valt dit te rijmen met de Europese ambitie en subsidies? "Het is een logische keuze.
Niet alleen zijn veel grondstoffen en basismaterialen uit Oost-Azië afkomstig, ook het merendeel van onze afnemers is er gevestigd. Door daar ook de testprocedures uit te voeren vermijden we transportkosten en transporttijden", legt Oliver Wolst uit, verantwoordelijke voor halfgeleiders voor geautomatiseerd rijden. Reutlingen en Dresden krijgen wel nieuwe ontwikkelingscentra voor halfgeleiders, samen goed voor een investering van meer dan 170 miljoen euro.
Subsidiëring
De bouw en opstart van de fabriek in Dresden was goed voor 1 miljard euro, de grootste afzonderlijke investering van Bosch ooit. "Zonder de subsidies die we ontvingen van Europa, van Duitsland en van de deelstaat Saksen zou dit onmogelijk geweest zijn", onderstreept Stefan Hartung. "Wereldwijd zijn bijna alle fabrieken van halfgeleiders tot stand gekomen via één of andere vorm van subsidiëring."
Dresden kwam als geschikte locatie uit de bus wegens de nabijheid van het Fraunhofer Instituut en diverse universitaire afdelingen. Die clustering vergemakkelijkt synergiën in onderzoek. "Vandaag stelt Bosch hier 350 mensen tewerk, uit twintig landen. Na voltooiing van de bijkomende ruimten zullen dat er naar verwachting 700 zijn. Zowat twee derde van hen zijn ingenieurs en computerwetenschappers."
Tech Day
Dit jaar organiseerde Bosch zijn Tech Day in de waferfabriek in Dresden. De genodigden konden er verschillende huidige en toekomstige producten testen en ontdekken. Inzake geautomatiseerd rijden had het bedrijf er een testvoertuig opgesteld, uitgerust met een multifunctio-nele camera en radarsensoren aan de voor- en zijkanten. De radarsensor vooraan herkent objecten voor het voertuig en bepaalt zowel hun snelheid als hun positie ten opzichte van de beweging van het voertuig. Als er een aanrijding dreigt, wordt de bestuurder gewaarschuwd.
Als de bestuurder niet reageert, dan voert het systeem automatisch een noodrem uit. De multifunctionele frontvideocamera combineert klassieke beeldverwerkingsalgoritmes met methodes van artificiële intelligentie. Dit zorgt voor een betrouwbare objectherkenning en een goed beeld van de omgeving. Naast de camerasensoren, de radarsensoren en de ultrasone sensoren ontwikkelt Bosch een langeafstands-LiDAR, die meerdere sensorprincipes gebruikt.
Bosch pakte er eveneens uit met een Planar Robot, gebaseerd op een nieuwe magnetische levitatietechnologie. Die kan componenten en objecten flexibel en contactloos transporteren, positioneren en hanteren. Dit type robot is makkelijker aanpasbaar dan een transportband. In montage- en productieomgevingen bieden Planar Robots een meerwaarde doordat ze een flexibele materiaalstroom combineren met een nauwkeurige positionering.
Bovendien versnellen ze de processen. Ze bestaan uit twee hoofdonderdelen die allebei uitgerust zijn met permanente magneten: een 'mover', het transportplatform, en een ‘stator’, het oppervlak waarover de mover zich kan verplaatsen. De magneten in de stator produceren een sterk magnetisch zweefveld voor de mover, die er geluidloos op ongeveer 2 cm hoogte overheen zweeft. Door de exacte uitlijning van de magneten kan de positie van de mover in alle richtingen geregeld worden.
