Die Resilienz der US-Halbleiter-Lieferkette

Im Februar 2021 unterzeichnete Präsident Biden die Executive Order (EO) 14017, „America’s Supply Chains“, und beauftragte sieben Bundesbehörden damit, die Resilienz und Sicherheit der kritischen Lieferketten der Nation zu evaluieren. Infolgedessen führte das U.S. Department of Energy (DOE) über die nationalen Labore Bewertungen der Lieferketten durch, die die Energy Sector Industrial Base abdecken, mit besonderem Fokus auf Technologien, die zur Dekarbonisierung der USA bis 2050 erforderlich sind.

Dies ist eine Zusammenfassung des Deep Dive Report zur US-Halbleiter-Lieferkette, einem von elf bewerteten Sektoren, veröffentlicht vom DOE im Februar 2022.

Einleitung

Um der Klimakrise zu begegnen und die schwerwiegendsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden, verpflichtet sich die USA zu einer Reduktion der netzweiten Treibhausgasemissionen um 50 bis 52 Prozent bis 2030, zur Schaffung eines CO₂-freien Stromsektors bis 2035 und zu Netto-Null-Emissionen über alle Sektoren hinweg spätestens bis 2050. 

Die US-Energieindustrie muss sich grundlegend transformieren, um bis 2050 zu dekarbonisieren. Wachstum, Energieeffizienz und Sicherheit der Halbleiter-Lieferkette sind zentrale Bestandteile dieser Transformation. 

Halbleiter sind Schlüsseltechnologien im Energiesektor, da sie für den Betrieb nahezu aller Elektrofahrzeuge, Ladestationen, Windkraftanlagen sowie des gesamten Stromnetzes unerlässlich sind – diese sind wiederum kritisch für die Dekarbonisierung.  

Halbleiter sind auch für die amerikanische Wirtschaft bedeutend und trugen 2020 mehr als 246,4 Milliarden US-Dollar zum Bruttoinlandsprodukt (BIP) der USA bei. Mit einem Exportwert von 49 Milliarden US-Dollar waren sie 2020 hinter Flugzeugen, raffiniertem Öl und Rohöl das viertgrößte Exportgut der USA. 

Im Bericht werden sowohl konventionelle als auch Wide Bandgap (WBG) Power Electronics (PE) Halbleiter betrachtet, da beide entscheidend zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen beitragen. 

Die Technologie 

In diesem Bericht liegt der Fokus auf Halbleitern, die in Anwendungen zum Einsatz kommen, die für die Dekarbonisierung des Energiesektors wesentlich sind (ausgenommen Photovoltaik).

Dazu gehören:

• WBG-Halbleiter (z. B. SiC und Galliumnitrid (GaN)), die den Energiefluss für Elektrofahrzeuge (EVs), elektrifizierte industrielle Technologien (wie industrielle Wärmepumpen) und andere Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie steuern, umwandeln und konditionieren.
• Konventionelle Halbleiter (z. B. Silizium-basiert), die den Datenfluss für Energieeffizienz- und Erneuerbare-Energie-Anwendungen steuern, einschließlich EVs, integrierter drahtloser Sensorsysteme für energieeffiziente Fertigung, Energieeffizienz in Gebäuden und weitere Technologien erneuerbarer Energien.

Der wesentliche Unterschied bei den Anwendungen ergibt sich aus dem Einsatzbereich der Halbleiter selbst: Beide Arten funktionieren im Bereich zwischen 600 und 900 V sehr gut, allerdings lassen sich SiC-Bauteile auch bei deutlich höheren Spannungen einsetzen. Ein aktueller Anwendungsbereich, in dem GaN und SiC überlappen, ist der EV-Sektor. 

Mapping der Halbleiter-Lieferkette

Der Markt und die Lieferkette für Halbleiter sind global und höchst komplex. Das Design, die Fertigung und das Packaging eines Halbleiterprodukts können bis zu 100 Tage in Anspruch nehmen, davon fallen 12 Tage auf den Transport – das Produkt kann dabei bis zu 70-mal internationale Grenzen überschreiten.

Die meisten Lieferketten lassen sich in fünf Hauptsegmente gliedern: Rohstoffe, verarbeitete Materialien, Subkomponenten, Produkt sowie Recycling/Wiederverwendung am Lebensende. Die Komplexität bei Halbleitern erfordert jedoch zusätzliche Abschnitte in der Lieferkette: Design, Halbleiterfertigungsanlagen (Semiconductor Manufacturing Equipment, SME) sowie Montage, Test und Packaging (ATP – Assembly, Testing, Packaging), einschließlich Advanced Packaging sowie Forschung und Entwicklung (R&D), wie in Abbildung 9 dargestellt. 

Schlüsselrisiken in der US-Halbleiter-Lieferkette 

• Die Dekarbonisierungsmaßnahmen führen zu einem steigenden Bedarf an erneuerbarer Energie sowie der dazugehörigen Infrastruktur, einschließlich konventioneller Halbleiter- und WBG-Power-Electronics-Lieferketten. Das derzeitige Fehlen von heimischen Fertigungskapazitäten und der Zugang zu Rohstoffen werden sich weiter verschärfen. Die prognostizierte globale Siliziumproduktion kann mit diesem Wachstum nicht mithalten; auch andere Lieferketten werden unter Druck geraten. Besonders der EV-Sektor könnte betroffen sein, da hier sowohl der Halbleiterbedarf in Fahrzeugen als auch die Ladeinfrastruktur stark steigen. 

• Der weltweite Energieverbrauch von Produkten mit Halbleitern hat sich seit 2010 alle drei Jahre verdoppelt. Dieser exponentielle Anstieg wird sich durch die weitere Elektrifizierung infolge der Dekarbonisierung und das starke Wachstum energieintensiver computerbasierter Anwendungen noch beschleunigen.

• Der massive Einsatz von Halbleitertechnologien in allen Sektoren, insbesondere im Energiesektor, hat direkte Auswirkungen auf die Performance und Effizienz der jeweiligen Technologien in anderen Bereichen. 
• Künstliche Intelligenz verdoppelt ihre Leistungsfähigkeit alle zwei Monate und der Energiebedarf von Halbleitern beim Bitcoin-Mining übersteigt bereits den Stromverbrauch einzelner europäischer Länder, wobei sich dieser Verbrauch jährlich verdoppelt. 

• Im Jahr 1995 befanden sich noch 26 % der globalen Halbleiter-Fertigungskapazitäten in den USA, bis 2020 sank dieser Anteil auf 10 % (European Semiconductor Industry Association). Die Entwicklung neuer Technologien, um den Bedarf der Energiesektoren zu adressieren, ist besonders wichtig. Die USA verfügen im SiC-Power-Electronics-Markt bereits über eine starke Position und sind auch bei Hochspannungsanwendungen gut aufgestellt. Um Qualität und Kosten weiter zu optimieren, bedarf diese Technologie jedoch weiterer Entwicklung. Ohne Investitionen könnte dieser Vorsprung schnell ins Ausland abwandern. 

• Es ist nahezu unmöglich, neue Geräte direkt in milliardenschwere Fertigungsanlagen (Fabs) einzuführen. Werkzeuge, die auf ultragenauer Steuerung basieren und solche energieeffizienten Geräte ermöglichen, sollten stattdessen über Werkzeughersteller eingeführt werden.

• Auch im Advanced Packaging müssen die USA ihre Fähigkeiten verbessern. Diese Technologie wird für Leistung und Effizienz immer wichtiger und gewinnt mit zunehmender Elektrifizierung weiter an Bedeutung. Advanced Packaging ist ein innovativer Wachstumsbereich, der stark von Designkompetenzen abhängt, auf denen die USA aufbauen können. Ohne eigene Fertigungsstätten riskiert die US-Industrie jedoch, in diesem kritischen Feld den Anschluss zu verlieren. 

• Die Herstellung von Halbleitern hat einen erheblichen Wasserbedarf und verursacht aufgrund des hohen Energiebedarfs sowie des Einsatzes fluorierter Verbindungen eine hohe CO₂-Bilanz. Daher müssen die potenziellen Umweltfolgen einer steigenden Produktion sorgfältig adressiert werden. 

• Eine widerstandsfähige Lieferkette setzt eine robuste, gut ausgebildete Belegschaft voraus. Die Nachfrage reicht vom Handwerk bis zu akademischen Abschlüssen und muss sowohl durch US-Bürger als auch durch ausländische Arbeitskräfte gedeckt werden. Es ist entscheidend, dass Bildungsprogramme, Einwanderungspolitik und die gesamte unterstützende Infrastruktur aufeinander abgestimmt sind, um diesen Bedarf zu decken – bei gleichzeitig hohen Arbeitsstandards und wettbewerbsfähigen Löhnen. 

Fazit 

Die USA haben eine führende Rolle in der Halbleiterindustrie, aber diese Position schwindet, insbesondere bei der heimischen Fertigung und im Bereich Advanced Packaging. 

Zwar stehen Technologien zur Reduktion von CO₂-Emissionen zur Verfügung, doch beruhen sie derzeit auf Rohstoffen, die auf undurchsichtigen und volatilen globalen Märkten gehandelt werden, die oft in geopolitisch sensiblen Regionen liegen. 

Zudem sind mittlere Wertschöpfungsstufen, wie Materialverarbeitung und Bauteilfertigung, in Ländern mit komplexen geopolitischen Beziehungen zu den USA konzentriert.

Damit die USA ihre Führungsposition in der Halbleiterindustrie halten und ausbauen können, müssen sie dem explosionsartigen Wachstum der Nachfrage nach konventionellen und Wide Bandgap-Power-Electronics durch den Ausbau der Produktion und Nutzung beider Halbleitertypen begegnen – und dabei die Entwicklung neuer, energieeffizienter Halbleiter mit geringen Umweltauswirkungen sicherstellen.

Dafür ist es erforderlich, eine gut ausgebildete heimische Belegschaft sowohl für konventionelle Halbleiter als auch für WBG Power Electronics auf- und auszubauen.