Die Halbleiterkrise – Alle Fakten zum Chipmangel
Veröffentlicht am 03.10.21 | Lesedauer: 20 Minuten
Von Sven Klünder
▲ Halbleiterkrise – Die Einleitung
Kaum ein Tag vergeht ohne neue Horrormeldungen. Der Halbleitermangel ist in aller Munde. Die Unterversorgung mit Elektronikteilen lässt die Produktion in vielen Branchen stocken. Wie lange die Krise noch anhält, weiß niemand genau.
In diesen Blogartikel möchte ich dir einmal erklären, wie die Krise entstand und wer besonders betroffen ist. Weiter zeige ich dir, was eigentlich genau Halbleiter sind, wie sie hergestellt werden und welche Unternehmen in der Produktionskette aktiv sind.
Wie entstand die Halbleiterkrise?
Der Halbleitermangel trat in etwa zeitgleich mit der Coronakrise auf. Und das nicht etwa zufällig.
Zunächst muss man wissen, dass der Halbleiterbedarf weltweit seit Jahren steigt. Alle Produzenten erhöhen also regelmäßig ihre Produktionsmenge. Dabei kommt es immer wieder zu Schwankungen aus leichter (kaum spürbarer) Unterversorgung und einer Überkapazität. Dieser Vorgang ist jedoch nicht ungewöhnlich, da Angebot und Nachfrage nie komplett synchron steigen.
Anfang 2020 war eine solche Phase der Überkapazität und die Produzenten drosselten ihre Produktion. Gleichzeitig stellten durch das Auftreten von Corona mehrere Industrien, insbesondere die Automobilindustrie auf den Krisenmodus um.
Sie stellten sich auf geringe Produktionsmengen ein und stornierten Bestellungen. Gleichzeitig förderte Corona die Digitalisierung enorm. Durch Social-Distancing wuchs der Bedarf an Kommunikations- und Unterhaltungselektronik weltweit rasant an. Die Halbleiterhersteller mussten die Produktion also schnellstmöglich wieder hochfahren und konnten dabei freie Kapazitäten aus der Automobilindustrie nutzen. Eine solche Umstellung der ist extrem teuer und zeitaufwändig, wie ich dir später noch erklären werde. Als die Automobilindustrie anschließend die Produktion wieder hochfahren wollte, waren keine ausreichenden Kapazitäten bei den Halbleiterproduzenten mehr verfügbar. Die Krise durch massiven Halbleitermangel entstand.
Wer ist am stärksten betroffen?
Am stärksten betroffen ist die Automobilindustrie und das hat vier Gründe:
- Den ersten Grund kennst du bereits. Die stornieren Bestellungen 2020 und die Umstellung der Produktion bei den Halbleiterherstellern. Damit fehlen zum einen Produktionskapazitäten zum andern dauert die Umrüstung der Produktionsmaschinen auf Halbleiter für die Automobilindustrie Zeit.
- Halbleiter für Automobilindustrie sind „nur“ ein Nischenprodukt. Die Automobilindustrie macht nur etwa 12 % der jährlichen Produktionsmenge aus. Größere Kunden wie die Unterhaltungsindustrie haben also eine höhere Priorität.
- Die Automobilindustrie setzt auf veraltete Wafer Technologien. Wafer sind das Grundmaterial für alle Halbleiterprodukte. Anstelle der modernen und für die Hersteller effizienteren 12 Inch (etwa 300mm) Wafer, setzt die Automobilindustrie noch auf 8 Inch (etwa 200 mm) Wafer. Für die Halbleiterproduzenten senkt dies den Produktionsanreiz.
- In der Automobilindustrie gibt es den JIT-Ansatz. JIT steht für just in time und beschreibt zeitlich exakt abgestimmte Prozesse. Produkte sollen im Idealfall direkt vom LKW an das Montageband geliefert werden. Es findet also keine Lagerhaltung mehr statt um Kosten zu sparen. Damit fehlt ein Puffer, um Engpässe ausgleichen zu können.
Was sind eigentlich Halbleiter?
Feste Stoffe wie Metalle, Holz oder Kunststoffe lassen sich anhand ihrer Fähigkeit Strom zu leiten klassifizieren. Halbleiter charakterisieren sich dadurch, dass ihre Leitfähigkeit zwischen der von Leitern (wie Kupfer) und Isolatoren (Kunststoff) liegt. Im kalten Zustand sind Halbleiter nicht oder kaum leitend, im erwärmten Zustand leiten sie sehr gut. Der bekannteste Halbleiter ist Silizium, aus dem auch der Großteil der Mikrochips hergestellt wird.
Wenn wir also von Halbleitern sprechen, meinen wir eher selten die Materialkategorie, sondern meistens Mikrochips.
Wie werden aus Halbleitern Mikrochips?
Halbleiter oder Mikrochips sind wenige Quadratmillimeter große mikroelektronische Bauteile. Sie sind in der Lage nahezu alle technischen Anwendungen – von der Waschmaschine, über das Smartphone bis zur Gurtwarnung im Auto zu steuern. Um einen Größenvergleich zu erhalten: Auf die Fläche einer 1 Cent Münze (207 mm²) passen Millionen von Transistoren (eine Art Ein-/Aus-Schalter). Aufgrund dieser extrem geringen Größe ist Genauigkeit und Präzision das A und O bei der Halbleitertechnik.
Der Grundwerkstoff der Mikrochips ist Silizium. Silizium ist mit 25% Anteil das zweithäufigste Element unserer Erdkruste und unter anderem in Sand enthalten. Um als Basiswerkstoff für Halbleiter zu bilden, wird das Silizium zu einem zylinderförmigen Material, den sogenannten Ingots verarbeitet. Stoffe in unserer täglichen Anwendung haben immer gewisse Unreinheiten und Fehlstellen, die wir unter einem Mikroskop erkennen können. Bei Ingots handelt es sich um hochreines Silizium, dass in nahezu fehlerloser Form (monokristallin) vorliegt. Abbildung 3 zeigt die Produktion eines solchen Ingots. Dies ist die Grundvoraussetzung für funktionierende Halbleiter. Aus diesen etwa 2 m langen Ingots werden anschließend ca. 1 mm dicke Scheiben, die sogenannten Wafer, geschnitten. Die Wafer bilden das Basismaterial für alle weiteren Prozessschritte. Gängige Wafer haben einen Durchmesser von 150 – 300 mm. Auf einen Wafer passen – je nach Größe – 1.000 und mehr Mikrochips.
Für die Herstellung der Mikrochips müssen auf den Wafer nun Strukturen aufgebracht werden. Diese werden von unten nach oben aufgebaut und sind in etwa mit dem Spiel Tetris vergleichbar. Nur ist das Ziel keine glatte, sondern eine strukturierte Oberfläche mit Höhen und Tiefen aus verschiedenen leitenden und nichtleitenden Materialien.
Abbildung 4 zeigt eine solche, strukturierte Oberfläche eines Wafers. Mittels der im nächsten Abschnitt beschriebenen Verfahren, werden Stück für Stück die Strukturen des Transistors aufgebaut.
Zum Strukturieren und zur Halbleiterherstellung gibt es verschiedene Verfahren:
Definition von Strukturen
Wie im Beispiel des Transistors zu sehen, sollen Strukturen erzeugt werden. Dafür wird die Fotolithographie eingesetzt. Hierbei wird ein Fotolack auf den Wafer aufgebracht, anschließend gezielt an einigen Stellen belichtet und anschließend entwickelt. Nach einem Ätzvorgang verbleibt der unbelichtete Bereich (Positivlack) oder der belichtete Bereich (Negativlack). Die Fotolithographie bildet sie Basis für die weiteren Schritte.
Dotieren
Beim Dotieren werden gezielt Fremdatome in Schichten eingebracht um die elektrischen Eigenschaften zu verändern. Es wird zwischen p- und n-Dotierung unterschieden (p für positiv, n für negativ). Für die p-Dotierung werden Bor, Indium, Aluminium oder Gallium verwendet, für die die n-Dotierung Phosphor, Arsen oder Antimon.
Schichtwachstum
Schichtwachstum kann durch verschiedene Verfahren erzeugt werden. Beispiele sind hier die Oxidation (Oxidschichten), chemische (durch Reaktion) und physikalische (Verdampfung) Abscheidungsverfahren oder das Sputtern („Beschuss mit einem Material“)
Schichtentfernung
Um in einzelnen Bereichen Schichten (anteilig) zu entfernen werden Ätzverfahren verwendet, beispielsweise mit Säure oder Plasma. Beide Verfahren haben spezifischen Vor- und Nachteile und werden auch in Kombination eingesetzt.
Zwischendurch sind immer wieder Reinigungsschritte und Polierschritte nötig, da bei derart kleinen Bauteilen kleinste Fehler bereits zum Ausfall führen können. Die Produktion findet im Reinraum unter extremen Anforderungen statt (Abbildung 6). Alle Mitarbeiter tragen sterile Kittel, Kopfbedeckungen und Mundschutz. Die Luft wird etwa 400-mal pro Stunde umgewälzt. Ein konstanter Luftstrom von der Decke nach unten drückt kleinste Partikel sofort zu Boden. Ziel ist es, die sensiblen Halbleiter im Produktionsprozess nicht zu verunreinigen.
Fertig strukturierte Wafer erhalten eine abschließende Schutzbeschichtung. Mittels einer Wafersäge oder anderen Verfahren wird der Wafer zerteilt und die Chips vereinzelt. Zum Abschluss folgt ein Lötprozess für Anschlüsse und ein Funktionstest. Fertige Chips werden auf eine Art „Klebeband“ befestigt und aufgerollt ausgeliefert.
Insgesamt lässt sich also festhalten:
Halbleiter enthalten auf kleinster Fläche eine hohe Anzahl von elektrischen Strukturen. Die Herstellung findet unter reinsten Bedingungen ab. Entsprechend teuer sind die Produktionsanlagen zur Schichtherstellung – hier kann es schnell in den Bereich über 100 Millionen € gehen. Ebenso komplex ist die Planung aus Auslegung solcher Chips. Hier vergehen schnell Wochen von der Definition der Anforderungen bis zum fertigen Produktionskonzept. Es sind also hoch qualifizierte Mitarbeiter und hohe Investitionen in die Technik nötig um Halbleiter herzustellen. Aus diesem Grund kann die Produktion nicht so einfach erhöht werden.
Welche Unternehmen sind beteiligt?
Schauen wir uns nun einmal die Möglichkeiten an, wie wir als Aktionäre in Unternehmen aus der Halbleiterprozesskette investieren können. Hier gibt es zunächst die Hersteller von Wafern und die Produzenten der Anlagentechnik.
In Halbleitertechnik selbst ist Arbeitsteilung üblich. Einige Hersteller designen Chips nur noch (fabless/fabriklos), andere produzieren im Fremdauftrag (foundry/Fabrik). Die Trennung resultiert aus den hohen Kosten, die für die Fabrikanlagen aufgrund des hohen Aufwands nötig sind. Einige Anbieter bieten Design und Produktion kombiniert an (Komplettanbieter). Aus dem dieser 5 Bereiche schauen wir uns nun jeweils 2 Unternehmen an.
Waferhersteller
Siltronic
Die Siltronic AG ist der viertgrößte Hersteller von Wafern weltweit. Das Unternehmen wurde 1968 als Tochter der Wacker Chemie AG gegründet. Seit 2015 ist das Unternehmen an der Frankfurter Börse notiert. Größter Einzelaktionär ist die Wacker Chemie AG mit ca. 30 %. Aktuell ist das Unternehmen im S-Dax gelistet.
Das Unternehmen hat weltweit Standorte, neben Deutschland, auch in den USA und Singapur. Schwerpunkt sind klassische Siliziumwafer bis 300 mm sowie epitaxierte Wafer, die nach dem Polieren noch eine zusätzliche Schicht Silizium erhalten.
Siltronic befindet sich aktuell in einer Übernahme durch Global Wafers. Übernahme muss noch genehmig werden. Eine Entscheidung wird in der zweiten Hälfte 2021 erwartet.
Global Wafers
Global Wafers ist der drittgrößte Hersteller von Waferprodukten weltweit. Global Wafers entstand als Tochter der Sino-American Silicon, einer Firma die im Bereich Halbleiterprodukte tätig ist. 2014 erfolgte der Börsengang. Die Aktien befinden sich in Streubesitz.
Das Unternehmen hat in Taiwan und weiteren asiatischen Länder wie Malaysia und Japan Standorte. In USA sowie in Italien befinden sich weitere Werke. Global Wafers bietet neben Standardwafern Spezialprodukte wie Wafer mit besonders geringer Fehlerdichte oder Wafer mit besonders hohem elektrischem Widerstand an. Durch die geplante Akquise von Siltronic würde Global Wafers weltweit zum zweitgrößten Hersteller werden.
Foundry
TSMC
TSMC, bzw. die Taiwan Semiconducter Manufacturing Company, wurde 1987 mit staatlicher Unterstützung gegründet. TSMC ist der drittgrößte Produzent von Halbleitern und die größte Foundry weltweit. Der Börsengang erfolgte 1993.
TSMC hat 17 Produktionsstandorte, die sich größtenteils in Asien, bzw. in Taiwan, befinden. 2020 wurde bekanntgeben, dass eine weitere Fabrik in den USA geplant ist. Baubeginn war 2021, die Fertigstellung ist für 2024 geplant. TSMC hat ein Portfolio von über 280 verschiedenen Produktionstechnologien, mit denen über 11.600 verschiedene Produkte hergestellt werden. Die über 500 weltweiten Kunden werden durch Konstruktions- und Vertriebsbüros in Asien, Nord Amerika und Europa bereut.
UMC
UMC, bzw. United Microlectronics Corporation, ist die drittgrößte Foundry weltweit. UMC wurde 1980 als erster taiwanesischer Halbleiterproduzent gegründet. Die Gründung erfolgte als Ausgründung aus einem Forschungs- und Entwicklungsinstitut. Der Börsengang erfolgte 1985.
UMC hat 12 Produktionsstandorte, die sich alle in Asien und größtenteils am Hauptsitz in Taiwan befinden. UMC hat Vertriebsbüros in Asien, Europa und Nordamerika. Die modernsten Fabriken habe eine Kapazität von 87.000 und mehr Wafern pro Monat. UMC hat wie die gesamte Branche einen starken Fokus auf Modernisierung und rüstet kontinuierlich alle Fabrik auf die aktuell 300 mm Wafertechnik um.
Maschinenanbieter
ASML
ASML ist ein niederländischer Hersteller von Lithographiesystemen. Das Unternehmen entstand 1984 als Joint Venture zwischen ASM und Phillips. 1995 erfolgte der Börsengang.
ASML ist Technologieführer auf seinem Gebiet. Das Unternehmen hatte 2020 einen Marktanteil von 62% weltweit. Samsung oder auch TSMC setzen fast ausschließlich auf Maschinen von ASML. Dazu hat ASML aktuell auch die Technologieführerschaft. 2017 erfolgten die ersten Auslieferungen von EUV-Systemen, mit denen sich nochmal deutlich kleinere Halbleiter herstellen lassen, ausschließlich durch ASML.
Die Technologie von ASML ist aktuell derart weit voraus, dass auf Druck der USA nicht alle Anlagen nach China geliefert werden dürfen.
Lam Research
Lam Research ein US-amerikanischer Hersteller von Geräten und Anlagen für die Halbleitertechnik. Die Gründung erfolgte 1980. Das Unternehmen konnte relativ schnell namhafte Kunden wie AMD und Intel gewinnen. 1984 erfolgte der Börsengang.
Der Schwerpunkt von Lam Research liegt in der Produktion von Ätzanlagen. Weitere Produkte ein Reinigungs- und chemische Beschichtungsanlagen. Neben dem Kerngeschäft investiert Lam in junge Halbleiterunternehmen um neue Märkte und Technologien zu erschließen.
Fabless – Fabriklose Produzenten
Nvidia
Nvidia ist einer der größten Entwickler von Grafikprozessoren und Chipsätzen für Computer, Server und Spielkonsolen. Das Unternehmen wurde 1993 in den USA gegründet. Der Börsengang erfolgte 1999. Das Unternehmen zählt zu den 500 wertvollsten Unternehmen der Welt.
Nvidia setzt seit Beginn ausschließlich auf die Entwicklung ohne eigene Produktion. Hier baut Nvidia auf Partner wie UMC und TSMC. Nvidia gilt als führend im Bereich Grafikkarten für den Gamingbereich. Aktuell setzt das Unternehmen KI ein, um das Grafikerlebnis noch weiter zu verbessern. Hierbei lernen die Prozessoren, was u.a. zu deutlich erhöhten Bildraten führen soll.
AMD
AMD bzw. Advanced Micro Devices ist ein US-amerikanisches Unternehmen der Halbleiterindustrie. Das Unternehmen wurde 1969 gegründet. Der Börsengang erfolgte 1979. Aktuell ist die Aktie im NASDAQ notiert.
Seit der Ausgründung eignen der Halbleiterherstellung 2009 ist AMD fabless. Die Ausgründung Global Foundries gehört heute zu den größten Herstellern weltweit. Zu den Produkten von AMD zählen Computerchips, Mikroprozessoren, Chipsätze, Grafikprozessoren und System-on-a-Chip Lösungen. Das Unternehmen profitiert damit von zwei Megatrends: der Migration in die Cloud und dem Gaming Bereich. Einer der größten Konkurrenten von AMD ist Intel.
Komplettanbieter
Samsung
Samsung Electronics ist einer der größten Technologiekonzerne der Welt. Samsung ist das wertvollste koreanische Unternehmen und gehört zu den umsatzstärksten Unternehmen weltweit. Die Elektronik Sparte ist für 70% des Umsatzes der Samsung Group verantwortlich.
Samsung Electronics bietet ein weites Portfolio an technischen Geräten an. Dazu zählen Fernsehgeräten, Handys, Smartphones, Kühlschränken, Speicherprodukten, tragbare Geräte wie Smartwatches und Halbleiterprodukte. Die Halbleiterprodukte setzt Samsung gleichzeitig auch in eigenen Geräten ein. Samsung Electronics hat weltweit über 190 Niederlassungen in über 80 Ländern.
Texas Instruments
Texas Instruments (TI) ist ein US-amerikanischer Technologiekonzern und gehört zu den 500 wertvollsten Unternehmen weltweit. TI wurde 1951 gegründet, die Ursprünge des Unternehmens gehen bis ins Jahr 1930 zurück. TI ist unter anderem im S&P 500 enthalten.
Texas Instruments hat 14 Fabrikanlagen weltweit. Die einzige Fabrikanlage außerhalb von Asian und Nord Amerika befindet sich in Deutschland. TI macht seinen Umsatz größtenteils mit Halbleitern für die Industrie und den Automobilbereich. Neben Halbleiterprodukten ist das Unternehmen für seine Taschenrechner bekannt.
Abschluss
Dieser Blogartikel ist im Umfang etwas länger geworden. Das Ziel von Wir Lieben Aktien ist es, umfassend zu informieren. Deswegen sollte es kein reiner Artikel über Unternehmen werden, sondern umfassend über den Beginn und die Ursachen der Krise, über das Produkt und den Herstellprozess sowie über beteiligte Unternehmen und deren Verbindung informieren.
Ich hoffe, dass ist mir mit diesem Blog gelungen.
Wie schätzt du die aktuelle Situation der Halbleiterkrise ein?
Welches Unternehmen ist für dich ein interessantes Investment?
Ich bedanke mich fürs Lesen und hoffe auf ein baldiges Wiedersehen bei Wir Lieben Aktien.
Liebe Grüße
Sven Klünder
Autor dieses Blogs:
Patric Brieger
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