Der aktuell andauernde Mangel an Halbleiterchips für die Automobilbranche wird derzeit bis in die Tagesnachrichten heiß diskutiert, denn teilweise standen deshalb bei den Automobilherstellern ganze Fertigungslinien still. Anstatt diese Lieferschwierigkeiten politisch zu betrachten, hat sich all-electronics.de bei Experten erkundigt, wo die technologischen und strategischen Hintergründe für den Chipmangel liegen. Die Antwort ist für die selbstbewusste Automobilbranche nicht durchgehend schmeichelhaft, aber sie legt die Basis zur Lösung des elementaren Versorgungsproblems.

Wir sprachen mit Guido Überreiter, Vice President / Pre & PostFab Operations bei Globalfoundries, Frank Bösenberg, Geschäftsführer von Silicon Saxony e. V. und mit Jens Drews, Director Communications / Government Relations bei Globalfoundries Europe.

Bei Automobilherstellern standen die Bänder still, weil Halbleiter fehlten. Wie kam es zu dieser Krise?

Frank Bösenberg: Als Branchenverband lautet meine Antwort: Welche Krise? Aus Sicht der Halbleiterbranche haben wir alles andere als eine Krise. Die Automobilbrache ist nun einmal auf ihre Zulieferer angewiesen, und nicht nur weil im Fahrzeug Innovationen zu weit über 50 % erst durch die Mikroelektronik möglich werden, herrscht eine sehr hohe Abhängigkeit von den Halbleitern. Diese Abhängigkeit ist nicht neu. Daher sieht Silicon Saxony den derzeitigen Zustand nicht als Krise, obwohl die Automobilhersteller das vielleicht anders sehen.

Guido Überreiter: „Wir fahren den bestehenden Anlagenpark auf Volllast. Mehr können wir aus technologischen Gründen nicht fertigen.“

Guido Überreiter: „Wir fahren den bestehenden Anlagenpark auf Volllast. Mehr können wir aus technologischen Gründen nicht fertigen.“ Globalfoundries

Guido Überreiter: Spulen wir einmal neun Monate zurück: Zu dem Zeitpunkt konnten weltweit nicht schnell genug Tablets und Laptops geliefert werden, um auf die Covid-19-Krise zu reagieren; jeder wollte von zu Hause arbeiten, auch die Schüler. Es gab damals Tage, an denen bestimmte Mobilgerätehersteller nur ein einziges Tablet pro Person abgaben; es gab eine ganz klare Reglementierung.

Die Halbleiterindustrie arbeitet stets an der Kapazitätsgrenze; sie muss es sogar, denn nur so kann sie wirtschaftlich arbeiten. Es gibt nämlich nicht mehr viele Unternehmen, die wirklich selbst Halbleiterchips herstellen – und das ist tatsächlich ein Problem. Dieser Teil der Weltökonomie lastet auf den Schultern von vier oder fünf Firmen weltweit, die quasi als Auftragsfertiger – Foundry genannt – die technisch hochkomplexen Halbleiter produzieren. Dies geschieht in riesigen Stückzahlen, denn nur dann ist eine ökonomische Fertigung überhaupt möglich – und zwar im Dreischichtbetrieb 24/7.

Die Foundrys müssen sich ganz genau überlegen, inwieweit sie in Kapazität investieren. Wenn einige Kunden dann recht schnell Aufträge absagen, müssen sie mit einer Verzögerung rechnen, wenn sie später wieder mehr Herstellungskapazität benötigen.

„Die Abnehmer von Automotive-Chips haben Anfang 2020 die Notbremse gezogen.“

Wie lange dauert es, bis nach einer Auftragserteilung ein Chip gefertigt ist, den die Tier-1s für den OEM verbauen können?

Frank Bösenberg: „Auch in der Halbleiterindustrie geht es um Angebot und Nachfrage, aber die Komplexität der Halbleiterfertigung kann man gar nicht überschätzen. Die Auslastung einer Halbleiterfab ist elementar wichtig für ihre Wirtschaftlichkeit.“

Frank Bösenberg: „Auch in der Halbleiterindustrie geht es um Angebot und Nachfrage, aber die Komplexität der Halbleiterfertigung kann man gar nicht überschätzen. Die Auslastung einer Halbleiterfab ist elementar wichtig für ihre Wirtschaftlichkeit.“ Silicon Saxony e. V.

Frank Bösenberg: Ein 300-mm-Wafer ist mindestens zwölf Wochen in der Fab unterwegs. Folglich haben wir mindestens drei Monate Vorlaufzeit, bis der Wafer fertig ist, nachdem das Chipdesign fixiert ist.

Guido Überreiter: Das ist tatsächlich nur die Spitze des Eisberges, denn nach der Waferfertigung in der Fab muss der Wafer in einzelne Chips getrennt, getestet und in ein Gehäuse gepackt werden. Dazu werden die Wafer um die halbe Welt geschickt, weil fast alle Packaging-Häuser ihren Sitz in Asien haben. Deshalb dauert es nochmal mehrere Wochen bis ein Chip soweit ist, dass er in Richtung Automobilindustrie verschickt werden kann. Somit dauert die gesamte Fertigung eines weiterverarbeitbaren ICs mindestens vier Monate, meist sogar noch länger.

Wie können Halbleiterhersteller ihre Kapazität erhöhen, um den erhöhten Bedarf zu decken?

Guido Überreiter: Wir fahren den bestehenden Anlagenpark auf Volllast. Mehr können wir aus technologischen Gründen nicht fertigen. Deshalb ist eine Erhöhung der Kapazität nur durch zusätzliches Equipment möglich. Es geht da nicht um ein einzelnes Gerät sondern praktisch um eine ganze zusätzliche Fertigungslinie. Dafür sind mittlerweile sehr hohe Investitionen nötig; oft reichen zweistellige Dollar-Millionenbeträge dafür nicht. Um den vorhandenen Toolpark aufzustocken müssen die einzelnen Fertigungsmaschinen jeweils individuell bestellt und gefertigt werden, so dass von der Bestellung bis zur Lieferung des Equipments in der Regel mindestens neun Monate vergehen. Erst dann können wir das neue Equipment in die Fab einbringen und qualifizieren, so dass in Summe von der Bestellung bis zum ersten Waferstart auf der neuen Linie mindestens ein Jahr vergeht. Das ist ganz typisch in der Halbleiterherstellung. Dieser Vorlauf und eine gewisse Planungssicherheit macht es im Moment extrem schwer.

Die Abnehmer von Automotive-Chips haben Anfang 2020 die Notbremse gezogen. Daraufhin haben sich die Halbleiterhersteller auf eine geringere Nachfrage der Automobilbranche eingestellt. Nun geht es plötzlich wieder in die entgegengesetzte Richtung, und genau dann schlagen die eben beschriebene Trägheit sowie der notwendige Vorlauf voll zu.

Bildergalerie:„Die Komplexität der Halbleiterherstellung kann man nicht überschätzen”
Die Halbleiterindustrie, hier ein Blick in die Fertigung im Bereich Wafer Thinning bei Infineon, arbeitet stets an der Kapazitätsgrenze. Nur so kann sie wirtschaftlich arbeiten.<br>
 <a href="https://www.all-electronics.de/die-technologischen-hintergruende-fuer-den-halbleitermangel-im-automobilsektortarget="_blank"><strong>Weitere Hintergründe zur Halbleiterproduktion und warum die Automobilbranche eine Mitschuld am Produktionsausfall trägt, lesen Sie im Interview mit Globalfoundries und Silicon Saxony</strong> </a>
Globalfoundries am Standort Dresden: Der bestehende Anlagenpark in der Halbleiterfab läuft immer auf Volllast. Mehr kann die Foundry aus technologischen Gründen nicht fertigen.
Ein 300-mm-Wafer ist mindestens zwölf Wochen in der Fab unterwegs. Folglich gibt es immer drei Monate Vorlauf, bis der Wafer fertig ist. Im Bild ein Blick in den Bereich Etching bei Infineon.
Für alle Partner entlang der Wertschöpfungskette ist Planbarkeit das Allerwichtigste – je langfristiger desto besser. Schwierig wird es, wenn plötzlich weniger Chips abgenommen werden. Im Bild der Übergang zum Reinraum bei Globalfoundries Dresden.
Europa hat den Vorteil, höchstautomatisiert zu sein. Auch die Halbleiterproduktion ist stark von Automatisierung geprägt, zum Beispiel beim Transport der Waferkisten von Maschine zu Maschine, hier im Reinraum bei Globalfoundries.
Die Halbleiterindustrie ist ein Rennen. Von der Idee bis zum Spatenstich für eine neue Halbleiterfab vergehen in Europa mindestens 1,5 Jahre und mehr, in Asien gerade einmal drei Monate.
<a href="https://www.all-electronics.de/einblicke-ins-kuenftige-300-mm-halbleiterwerk-von-bosch-in-dresden/1/" target="_blank">Bosch stellt derzeit am Standort Dresden seine 300-mm-Halbleiterfab für Automotive-ASICs fertig. </a>Dies ist die größte Einzelinvestition in der Firmengeschichte von Bosch.
Das neue Halbleiterwerk von Bosch befindet sich in direkter Nachbarschaft zu Globalfoundries Dresden (zu sehen im Hintergrund).
Der Branchenverband Silicon Saxony e. V. besteht aus über 350 Mitgliedern, hier im Bild die Standorte der Mitglieder in Europa.

Nach welchen Gesichtspunkten wählt eine Foundry denn aus, welcher Kunde als erstes bedient wird?

Guido Überreiter: Hier unterscheidet sich die Halbleiterherstellung nicht sehr von allen anderen Lieferanten. Wir schließen langfristige Verträge mit Kunden ab, um diese Verträge termingerecht abzuarbeiten. Wenn der Kunde plötzlich geringere Stückzahlen abnimmt als vereinbart und dem Lieferanten auch nicht sagen kann, wann er wieder höhere Stückzahlen benötigt, gleichzeitig aber andere Kunden ihre Bestellungen einhalten, dann entstehen schon gewisse Affinitäten. Es geht eben auch darum, die Beziehung zwischen Langzeit-Kunde und Supplier zu pflegen. Das bedeutet, dass man eben nicht von Kunde zu Kunde hin- und herspringt, nur weil auf einer Seite plötzlich wieder mehr Nachfrage da ist. Es ist wichtig, diese Beziehungspflege einzuhalten.

Frank Bösenberg: Auch in der Halbleiterindustrie geht es um Angebot und Nachfrage, aber die Komplexität der Halbleiterfertigung kann man gar nicht überschätzen. Die Auslastung einer Halbleiterfab ist elementar wichtig für ihre Wirtschaftlichkeit. Die Auslastungszahlen sind höchstes Betriebsgeheimnis, aber es ist bekannt, dass eine Auslastung unter 90 Prozent kritisch wird. Die höchste Maxime besteht folglich darin, jegliche Schwankungen abzupuffern und eine durchgängige Auslastung im Dreischichtbetrieb sicherzustellen.

„Das Unverständnis bei den Kunden ist absolut erschreckend, wenn man bedenkt, wie abhängig sie von den Halbleiterprodukten sind.“

Der zweite wichtige Aspekt für den Halbleiterhersteller ist die Marge. Es ist kein Geheimnis, dass die Automobilindustrie mit ihren Zulieferern anders verhandelt als zum Beispiel die Kommunikationsbranche. Die Margen im Automotive-Chipbereich sind geringer als wenn es um den Markt für die PlayStation 5 geht, wo es aktuell auch eine Halbleiterknappheit gibt. Natürlich will der Halbleiterhersteller seine langfristigen Kunden halten und zufriedenstellen, aber eine kurzfristige Erhöhung der Kapazitäten um zehn Prozent und mehr ist technisch einfach nicht möglich. Dazu müsste die Fabrik vorher unterausgelastet gewesen sein.

Der Hersteller hat daher nur marginale Puffermöglichkeiten, und das haben erstaunlicherweise viele Kunden scheinbar noch nicht verstanden – vor allem gepaart mit diesen langen Vorlaufzeiten. Eigentlich muss jede Firma, deren Produkte und Lösungen auf Halbleitern beruhen, Ihre Produktspezialisten und Einkäufer für die Komplexität der Lieferkette und Halbleiterherstellung sensibilisieren. Das Unverständnis bei den Kunden – und das sind teilweise nur Kunden der zweiten und dritten Ebene – ist absolut erschreckend, wenn man bedenkt, wie abhängig sie von den Halbleiterprodukten sind.

Guido Überreiter: Für alle Partner entlang der Wertschöpfungskette ist Planbarkeit das Allerwichtigste – je langfristiger desto besser.

Welchen grundlegenden Unterschied gibt es zwischen Automotive-Kunden und solchen aus dem Kommunikationsbereich?

Guido Überreiter: Bei Communication und Computing ist der Verkäufer des Endprodukts meist auch der Kunde der Foundry. Im Automotive-Bereich spricht die Foundry mit dem Tier-2, dieser wiederum mit dem Tier-1, der dann wiederum mit dem OEM kommuniziert. Diese Hierarchie macht es nicht leichter, verursacht auch mal Zeitverzögerungen und drückt auf die Margen. Jede dieser Stufen in der Zuliefererkette muss stets ein Supply-Demand-Problem managen beziehungsweise lösen.

Tesla macht das anders und entwirft gemeinsam mit einem Design-House seinen eigenen Chip, den eine Foundry fertigt…

Guido Überreiter: Tesla nimmt die Dinge schnell in die eigene Hand und legt einfach los. Auch in Europa und Deutschland bewegen wir uns eindeutig in diese Richtung, es dauert allerdings länger.

Müssen sich die Automobilhersteller mit ihren acht Prozent Anteil am weltweiten Halbleitermarkt daran gewöhnen, dass sie für den Halbleiterhersteller nicht die allerhöchste Priorität haben?

Frank Bösenberg: Es ist eben auch eine Dispositionsfrage. Einem langjährigen und verlässlichen Kunden versucht die Foundry alles zu ermöglichen, was zu ermöglichen ist, aber eine Produktionszeit von drei Monaten lässt sich aus rein technologischen Gründen nicht auf drei Wochen verkürzen.

Globalfoundries Dresden – Vom Sand zum Chip

In Europa gibt es nur noch sehr wenig Chipherstellung. Welche Auswirkungen hat das auf das Gesamtverständnis der Halbleiterbranche?

Guido Überreiter: Ich denke schon, dass Europa in den letzten 20 Jahren ein bisschen die Wertschätzung für die Halbleiterherstellung verloren hat, und darunter leidet auch das Verständnis ein wenig. Das ist im Silicon Valley natürlich anders…

Jens Drews: „Der Automotive-Anteil am weltweiten Halbleitermarkt liegt bei gerade einmal acht Prozent, und die großen Volumentreiber in der Halbleiterbranche, also vor allem das Computing- und Kommunikations-Business, haben Europa längst verlassen. Damit ist auch das Verständnis dafür stark geschwunden, wie wichtig Halbleiter tatsächlich sind.“

Jens Drews: „Der Automotive-Anteil am weltweiten Halbleitermarkt liegt bei gerade einmal acht Prozent, und die großen Volumentreiber in der Halbleiterbranche, also vor allem das Computing- und Kommunikations-Business, haben Europa längst verlassen. Damit ist auch das Verständnis dafür stark geschwunden, wie wichtig Halbleiter tatsächlich sind.“ Globalfoundries

Jens Drews: …denn im Silicon Valley sind nahezu alle großen Fabless-Unternehmen ansässig, also Qualcomm, Nvidia, AMD, usw. Von den 50 größten Fabless-Unternehmen sind gerade einmal zwei noch europäisch: Nordic und Dialog Semiconductor. (Anmerkung der Redaktion: Nach dem Interview wurde bekannt, dass Renesas Dialog Semiconductor übernimmt.) Die restlichen 48 Unternehmen sitzen in Asien oder in den USA. Der Automotive-Anteil am weltweiten Halbleitermarkt liegt bei gerade einmal acht Prozent, und die großen Volumentreiber in der Halbleiterbranche, also vor allem das Computing- und Kommunikations-Business, haben Europa längst verlassen. Damit ist auch das Verständnis dafür stark geschwunden, wie wichtig Halbleiter tatsächlich sind.

Frank Bösenberg: Eigentlich kann die Automobilbranche nicht von der Wichtigkeit der Halbleiter überrascht sein. Volkswagen ist 2019 dem Halbleiterverband Semi beigetreten, also wurde das durchaus erkannt. Diese aktuellen Kritikpunkte an der Halbleiterindustrie sind meiner Meinung nach Nebelkerzen, die in gewisser Weise über die erwähnten Margendiskussionen hinwegtäuschen sollen. Aus Sicht der Branche hoffen wir natürlich aber auch, dass dies hilfreich für eine partnerschaftliche Gestaltung der Zukunft ist – im Sinne des Erhalts von deutschen bzw. europäischen Playern und vor allem Wertschöpfung.

Für die Automobilindustrie sind die Beschäftigungszahlen immer ein großes Pro-Argument, gleiches gilt aber auch für die Halbleiterbranche.

Wie sehen Sie die Gefahr, immer wieder in derartige Krisen hineinzulaufen?

Jens Drews: Als nach dem Erdbeben im Jahr 2011 über Monate diverse Fabs in Japan ausfielen kam die gesamte weltweite Automobilproduktion schon einmal zum Stillstand. Die Folge: vier Millionen weniger Autos gefertigt. Aber die Überlegungen, aus diesem Grund die Lieferkette zu diversifizieren waren nach sechs Monaten schon wieder vergessen. Es wird sich noch zeigen müssen, ob die jetzig Chipknappheit einen nachhaltigeren Effekt haben wird oder obnach dem „Weckruf“ nicht schon bald wieder das Schlaflied erklingt. Ganze Industrien sind abhängig von krisenfesten Lieferketten, wobei die nächste Krise politisch, pandemisch oder geologischer Natur sein kann.

Politisch wird es vor allem mit Blick auf TSMC in Taiwan und den „Meinungsverschiedenheiten“ mit China. Gleichzeitig ist die gesamte Industrie stark abhängig von dieser Foundry, die jetzt eine große 5-nm-Fab in den USA baut…

Jens Drews: Der 12-Milliarden-Dollar-Bau von TSMC in den USA ist eher klein. In der Fabrik sollen nur etwa 25.000 Waferstarts pro Monat erfolgen. Das ist kein Vergleich zu dem, was TSMC in Taiwan macht.

Guido Überreiter: Die Investitionssumme ist durch die 5-nm-Technologie bedingt, denn selbst für eine kleine Produktionsmenge ist ein extrem teurer Maschinenpark notwendig. Sollten sich die politischen Meinungsverschiedenheiten zwischen Taiwan und China einmal manifestieren, droht eine Reglementierung bei Halbleitern – ein sehr gefährliches Szenario. Dann gibt es eben gewisse Smartphones beispielsweise nur noch in den USA zu kaufen, weil die bereitgestellte Menge an notwendigen Halbleitern nicht mehr für alle Kunden weltweit ausreicht. Der zweite Flaschenhals in diesem Fall ist die in Asien ansässige Packaging-Industrie, die auch an der Kapazitätsgrenze arbeitet, für die Weiterverarbeitung der Wafer aber essenziell ist.

Also mehr Chipindustrie nach Europa…

Guido Überreiter: Geschwindigkeit ist ein großes Problem in Deutschland und Europa. Durch sehr viel Bürokratie bewegen wir uns im globalen Vergleich sehr langsam. Aber die Halbleiterindustrie ist ein Rennen. Von der Idee bis zum Spatenstich für eine neue Halbleiterfab vergehen in Europa mindestens 1,5 Jahre und mehr, in Asien gerade einmal drei Monate. Für uns als Globalfoundries ist dies ein großes Problem, denn auch wir müssen aus wirtschaftlicher Sicht entscheiden, wo wir investieren.

Wir haben in Europa den Vorteil, dass wir höchstautomatisiert sind. In einer Halbleiterfertigung arbeiten schon Leute, aber die Produktion ist sehr von Automatisierung geprägt. Die Waferkisten flitzen zum Beispiel automatisch an der Decke entlang von Maschine zu Maschine. Es gibt aus meiner Sicht eigentlich keinen Grund, warum wir nicht in Europa investieren sollten – als Firma und als Gesellschaft. Wir müssen es nur auch einfach mal machen.

Frank Bösenberg: Für die Automobilindustrie sind die Beschäftigungszahlen immer ein großes Pro-Argument, gleiches gilt aber auch für die Halbleiterbranche. Allein im Verband Silicon Saxony sind in der Gesamtbranche in den letzten zehn Jahren die Beschäftigungszahlen von 45.000 auf über 60.000 angestiegen. Von daher ist es sowohl beschäftigungstechnisch als auch ökonomisch sinnvoll, vor Ort auch in die Halbleiterindustrie zu investieren. Dabei wird der strategische Nutzen einer Halbleiterfertigung in Europa gern vergessen. Zumindest teilweise lassen sich dadurch Transportrisiken verringern. Die Region, und damit meine ich bewusst nicht nur Sachsen, muss sich eben überlegen, inwieweit sie sich in Abhängigkeit begeben möchte: ganz oder eben nur teilweise.

Wie sind Sie durch die Corona-Krise gekommen?

Guido Überreiter: Wir haben recht konservativ gehandelt und haben zeitig damit begonnen, Working from Home und Kontaktbeschränkungen umzusetzen. Wichtig ist, dass die Mitarbeiter geschützt sind, denn ohne sie läuft nichts. Rein operationell sind wir gut durch die Krise gekommen und konnten den Produktionsablauf aufrechterhalten.

Frank Bösenberg: Der Wegfall von Veranstaltungen hat unsere Geschäftsstelle relativ hart getroffen. Für die Mitglieder ist die Vereinbarkeit von Homeoffice und Homeschooling eine große Herausforderung. Aus wirtschaftlicher Sicht deuten alle Signale darauf hin, dass die Branche nicht zu den Verlierern zählen wird; die Situation der Unternehmen ist wie vor der Pandemie oder sogar besser. Für die nächsten fünf Jahre sind auch bei den sechs Herstellern im Verband – Globalfoundries, Bosch, Infineon, X-Fab, NXP und SAW Components – alle Prognosen auf Wachstum ausgerichtet. Herausfordernd ist jedoch die Fachkräfte- und Nachwuchssituation. Die Zahl der Studienanfänger in unserem Feld ist konstant und daher wird die Lücke immer größer.

Silicon Saxony e. V.

Der Silicon Saxony e. V. ist mit mehr als 350 Mitgliedern das größte Hightechnetzwerk Sachsens und eines der größten Mikroelektronik- und IT-Cluster Deutschlands sowie Europas. Als eigenfinanzierter Verein verbindet Silicon Saxony seit seiner Gründung im Jahr 2000 Hersteller, Zulieferer, Dienstleister, Hochschulen/Universitäten, Forschungsinstitute, öffentliche Einrichtungen sowie branchenrelevante Startups am Wirtschaftsstandort Sachsen und darüber hinaus.

Globalfoundries

Globalfoundries ist ein US-amerikanischer Halbleiterproduzent. Das Unternehmen hat weltweit mehr als 16.000 Mitarbeiter und über 250 Kunden. Neben dem Werk in Dresden gibt es noch drei Produktionsstandorte in den USA und einen in Singapur. Die Fab 1 in Dresden ist mit einer Investitionssumme von mittlerweile über 12 Milliarden US-Dollar das größte und technologisch ausgereifteste Halbleiterwerk Europas. Auf dem Firmencampus arbeiten mehr als 3000 Techniker, Ingenieure und Spezialisten aus aller Welt.