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Mittwoch, 20. Februar 2019

Halbleiter

Sehen, hören, fühlen

Von Jens D. Billerbeck | 15. November 2018 | Ausgabe 46

Sensoren sind Schlüsselprodukte für die Digitalisierung. Deutsche Firmen sind hier weltweit führend.

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Foto: Regine Bönsch

Sensorgespickt: Dieses Demonstrationsmodell zeigt, welche vielfältige Sensorik künftig die Umwelt rund um das Fahrzeug erfassen soll.

Kaum 30 Jahre ist es her, da symbolisierten vor allem Speicherbausteine, die sogenannten Drams, die Aufholjagd der Europäer gegen die übermächtigen Chiphersteller aus den USA und vor allem aus Japan. Dass diese Aufholjagd, gestützt durch ehrgeizige europäische und nationale Förderprojekte wie Jessi und Medea, zumindest in Teilen erfolgreich war, ist heute fast nebensächlich. Eine nennenswerte europäische Produktion von Speicherchips gibt es nach dem Aus der Infineon-Tochter Qimonda ohnehin nicht mehr.

Aber europäische Chiphersteller haben sich in den letzten Jahren in verschiedenen Bereichen durchaus respektable Positionen auf dem Weltmarkt für Halbleiterprodukte erworben. Neben der in Zeiten der Energiewende immer wichtiger werdenden Leistungselektronik (s. Seite 21) ist dies vor allem der große Bereich der Sensorik, auf dem deutsche bzw. europäische Unternehmen im weltweiten Vergleich Spitzenpositionen einnehmen.

„Es gibt kein wichtigeres Bauelement als den Sensor,“ ist Berthold Hellenthal überzeugt. Als Leiter des Kompetenzzentrums Elektronik und Halbleiter bei der Audi AG weiß er, wovon er redet. Denn ohne Sensoren sind technische Systeme nicht in der Lage, die reale, analoge Umwelt zu erkennen und zu erfassen. Und das ist eine der wesentlichen Voraussetzungen, wenn in Zukunft Autos automatisiert oder sogar autonom am Verkehrsgeschehen teilnehmen sollen.

Dabei geht es nicht nur darum, die fünf Sinne des Menschen in technischen Sensorsystemen abzubilden, weiß Gunther Kegel, Präsident des VDE. „Wenn wir ernst machen wollen mit dem autonomen Fahren, werden wir das nicht mit Sensoren schaffen, die das können, was der Mensch kann.“ Denn dieser ist es ja, der derzeit noch für viele der über 3000 Verkehrstoten pro Jahr sorgt. Die menschlichen Sinne sind eindrucksvoll, aber für Kegel nicht im technischen Sinne, sondern wegen der kognitiven Leistungen, die Fehler der Sinnesorgane kompensieren können. Ein Beispiel: „Sie schmecken sauer, aber damit sind sie noch lange kein pH-Messgerät.“ Auch Hellenthal hat Beispiele für „Sinne“, die für das autonome Fahren jenseits menschlicher Fähigkeiten genutzt werden: Ultraschall, Infrarot und Radar.

Dank der Mikroelektronik ist in den vergangenen Jahrzehnten eine Fülle von Messfühlern entstanden, die wegen der damit einhergehenden Miniaturisierung auch Eingang in etliche Konsumprodukte gefunden haben: „In einem typischen Smartphone sind heute bis zu 25 Sensoren verbaut“, weiß Udo-Martin Gómez von Robert Bosch. Dazu gehören Sensoren für die Bewegung des Geräts im Raum, Magnetsensoren als Kompass, aber auch mehrere Mikrofone und Kamerasysteme.

Viele der hier skizzierten Sensoren sind sogenannte Mems-Bauteile, also mikroelektromechanische Systeme. Bei ihnen werden im Halbleiterfertigungsprozess neben der Auswerteelektronik auch mechanische Komponenten erzeugt, z. B. kleine Hebel oder Membranen, die beweglich sind und so z. B. Beschleunigung oder Druck messen können. Den zugrunde liegenden Prozess hat Bosch vor mehr als 20 Jahren selbst entwickelt.

Derzeit baut der Konzern in Dresden für rund 1 Mrd. € eine Chipfabrik, auf der Mems-Sensoren und andere Schaltkreise ab 2021 auf Halbleiterscheiben, sogenannten Wafern, mit 300 mm Durchmesser gefertigt werden. Bisher waren in diesem Segment Scheiben von 150 mm oder 200 mm üblich. Die neue Fabrik kann daher deutlich günstiger große Stückzahlen produzieren.

Für Logikschaltungen, Speicher und Mikroprozessoren sind 300-mm-Wafer schon seit Jahren etabliert. Diese Chips entstehen meist in der sogenannten Cmos-Technologie auf Silizium. Eine Technik, die weltweit sehr gut beherrscht wird. Auch in Cmos lassen sich Sensoren fertigen, z. B. Kamerasensoren. Hier haben auch kleine und mittlere Unternehmen gut Chancen, erfolgreich Produkte am Markt zu platzieren, weiß Volker Herbig, Geschäftsbereichsleiter Mems beim Halbleiterhersteller X-Fab aus Erfurt. Das Unternehmen arbeitet als sogenannte Foundry, fertigt also Chips im Auftrag und nach Spezifikationen von Kunden ohne eigene Chipfertigung.

Herbig nennt Zahlen, die die Vielseitigkeit und Flexibilität des Unternehmens als Hersteller von Sensoren unterstreichen. Mehr als 1500 verschiedene Produkte von über 330 Kunden werden pro Jahr in unterschiedlichen Stückzahlen gefertigt. Bei Cmos-Schaltungen existiert da laut Herbig ein gut eingespieltes Geschäftsmodell: Es gibt eine stabile Prozesstechnologie und entsprechende Designwerkzeuge. Jeder Kunde kann also seine Produkte damit selbst entwerfen und diese dann problemlos in großen Stückzahlen fertigen lassen.

Bei Mems-Sensoren funktioniere dieses Modell nicht so problemlos, berichtet Herbig aus Erfahrung. „Hier gilt oft: ein Produkt, ein Prozess.“ Man kann also nicht einfach neue Sensorentwürfe in die Massenfertigung überführen. Auch die Designwerkzeuge sind noch nicht so hoch entwickelt wie bei Cmos. Außerdem kommen bei der Sensorherstellung Materialien ins Spiel, die mit dem Cmos-Prozess nicht kompatibel sind. Das erfordert von der Foundry, mehr Fertigungsgeräte zu installieren – mit der Gefahr von Stillständen und Mehrkosten. Auch das Packaging und die Kalibrierung seien bei Mems deutlich komplexer und teurer, so dass insgesamt die Marge für die Foundry geringer ausfalle als bei Cmos.

Herbig setzt hier auf eine verstärkte Zusammenarbeit der mittelständischen Industrie und der einschlägigen Forschungsinstitute. Denn die Großserienfertigung müsse von Tag eins des Entwurfs mitgedacht werden. Hier könne auch die Forschungsfabrik Mikroelektronik helfen, schneller Fortschritte hin zu marktfähigen Produkten zu machen (s. S. 22).

Gerade mittelständische Unternehmen haben also große Hürden auf dem Weg zu eigenen Mems- oder anderen Sensorsystemen zu überwinden. Doch die Politik, so wurde Anfang vergangener Woche auf dem 8. Symposium Mikroelektronik von VDE und ZVEI deutlich, geht das Thema aktiv an. Ein Beispiel ist die Firma Biotronik: Sie hat mit Unterstützung des BMBF einen Sensor zur Testreife entwickelt, der im Blutgefäß stationär den Blutdruck messen und an eine Auswerteelektronik außerhalb des Körpers funken kann. Hans-Jürgen Wildau von Biotronik sieht dies als Beispiel, wie die Förderpolitik des Bundes konkret monetär helfen kann. Und sie kann zudem auch moralische Unterstützung und Anreize bieten, wenn firmenintern darüber gestritten werde, in welcher Region eine solche Innovation vorangetrieben werde.

Denn der internationale Wettbewerb schläft nicht. Nach Zahlen, die Bosch-Manager Gómez präsentiert, wird ein Großteil der europäischen Sensorproduktion nach Asien exportiert. Ein Zustand, den zumindest China nicht hinnehmen will. ZVEI-Präsident Michael Ziesemer verweist auf die Initiative „Made in China 2025“, die genau jene Themen anspricht, die für die deutsche Wirtschaft von großer Bedeutung sind, wie Leistungselektronik und Sensorik. Er warnt: „China strebt weltweit eine Führungsposition an – technisch wie politisch.“ Doch der Weg des Reichs der Mitte, die Digitalisierung von oben zu verordnen, könne nicht der unsere sein. Es gelte für die Akzeptanz der Technik im gesellschaftlichen Konsens zu werben.

Dabei spielt das Thema Sicherheit eine gewichtige Rolle. Doch auch da hat Deutschland einen Standortvorteil, glaubt Biotronik-Manager Wildau. Denn sein Unternehmen speichert rund 2 Mio. Datensätze pro Woche u. a. aus Herzschrittmachern weltweit. Die Server stehen am Firmensitz in Deutschland – „und damit sind Datenschutzbedenken ausländischer Kunden ganz schnell vom Tisch“.