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28.07.2021 | Halbleiter | Fragen + Antworten | Onlineartikel

Das müssen Sie zur Halbleiter-Krise wissen

Autor:
Christiane Köllner
6 Min. Lesedauer

Der Halbleitermangel hält die Autoindustrie weiterhin in Atem. Warum Chips zu einem knappen Gut geworden sind und warum die Krise nicht so leicht in den Griff zu bekommen ist – die wichtigsten Fragen und Antworten im Überblick. 

Der Mangel an Halbleitern hat weltweit gravierende Auswirkungen auf Industrieunternehmen. Am deutlichsten hat es bislang die Automobilbranche getroffen: Produktionsstraßen wurden gestoppt, Angestellte in Kurzarbeit geschickt, Neuwagen erhalten einen analogen Tachometer statt einer digitalen Version. Wie kam es zu diesem Engpass, wann dürfte das Problem gelöst sein und welche Lehren ergeben sich aus der Situation für die Zukunft? Wir beantworten die wichtigsten Fragen zur Halbleiter-Krise. 

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Halbleiter

In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen aktiven und passiven elektronischen Bauelementen. Unter passiven Bauelementen versteht man elektrische Widerstände, Kondensatoren (bzw. Kapazitäten) und Spulen (bzw. Induktivitäten). Ihre elektrischen Eigenschaften sind zeitlich konstant und können bestenfalls durch das Verschieben mechanischer Elemente (z. B. regelbare Widerstände (= Potenziometer) und regelbare Kondensatoren) angepasst werden.

Warum sind Halbleiter für die Autobranche so wichtig?

Halbleiter nehmen mit ihren vielfältigen Anwendungsgebieten die zentrale Rolle bei den Materialien der Elektronik und Energietechnik ein. Halbleiter sind der Hauptbestandteil von Mikrochips, die zum Beispiel in Steuergeräten Antrieb und Fahr- oder Bremsverhalten regeln. Sie steuern aber auch Airbags und Assistenzsysteme. "Halbleiter sind Festkörper, deren spezifischer elektrischer Widerstand stark temperaturabhängig ist. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts sind sie perfekte Isolatoren; bei höheren Temperaturen (z. B. bei Raumtemperatur) weisen sie eine elektrische Leitfähigkeit auf", erklären die Springer-Autoren Ekbert Hering und Rolf Martin im Kapitel Grundlagen der Elektrotechnik des Buchs Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und der guten technologischen Verarbeitbarkeit ist Silizium der bedeutendste Halbleiter. Transistoren und Dioden sind die wichtigsten Halbleiterbauteile, aus denen elektronische Schaltungen, integrierte analoge und digitale Schaltungen aufgebaut sind, so die Springer-Autoren Julian Endres und Harald Rudolph im Kapitel Aktive Bauelemente des zuvor genannten Buchs.

Leistungselektronik basiert auf Halbleitern. Sie "beschäftigt sich in erster Linie mit der Umformung elektrischer Energie in Bezug auf deren Form, das heißt, die Höhe von Spannung und Strom sowie deren Kurvenform und Frequenz. Sie formt also die bereitgestellte elektrische Energie in die vom Verbraucher benötigte Form um", so Bernd Deutschmann im Vorwort zur Ausgabe 1-2021 der e & i Elektrotechnik und Informationstechnik. Diese Umformung erfolge mittlerweile sehr effizient und verlustarm, zum Beispiel durch den Einsatz modernster Regelungstechnik und Mikroelektronik in Kombination mit innovativen Leistungshalbleitern aus Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die Leistungselektronik habe sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, die in vielen Anwendungsfeldern wie zum Beispiel der Elektromobilität an Bedeutung gewinne. 

Was ist die Ursache des Halbleitermangels?

Die Digitalisierung und damit die Mikroelektronik zieht in alle Bereiche des Lebens ein. Dadurch steigt der Bedarf an Halbleitern. Vor allem für die Firmen in der Halbleiterbranche sind die Aussichten daher rosig. Die World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) prognostiziert für das Jahr 2021 ein Wachstum von 19,7 %. Getrieben wird dieses in diesem Jahr vor allem durch Europa und Asien. Allerdings ist die Nachfrage derzeit größer als der Markt, es fehlen Halbleiter. Die Gründe dafür sind vielfältig. Zum einen haben Halbleiter ein Verfallsdatum und können nicht endlos im Lager vorgehalten werden. Zum anderen gab es in der vergangenen Zeit Versorgungsengpässe bei Rohstofflieferanten und geopolitische Spannungen zwischen China und den USA.

Während der Rohstoff also knapper wurde, brachte die Corona-Pandemie den Chip-Markt durcheinander und trug zusätzlich zum weltweiten Halbleitermangel bei. Da die Krise zu Produktionsausfällen bei den Automobilherstellern führte, wurden entsprechend auch die Halbleiter-Bestellungen reduziert und teilweise storniert. Gleichzeitig verlangten Hersteller von Kommunikations- und Unterhaltungselektronik mehr Chips, die während der Krise mehr denn je gefragt waren. Seitdem im zweiten Halbjahr 2020 die Autoverkäufe weltweit wieder stark anzogen, hängt die Automobilindustrie nun hinterher. "Vorlaufzeiten von sechs bis neun Monaten sind typisch für komplexe Chips, weshalb es schwierig ist, auf Nachfrageschwankungen zu reagieren", so Paul Hansen im The Hansen Report On Automotive Electronics aus der ATZelektronik 4-2021

Wie wirkt sich der Chipmangel bei den Autoherstellern aus?

Wegen der Halbleiter-Knappheit haben sämtliche Autohersteller seit Anfang des Jahres immer wieder ihre Produktionsbänder anhalten müssen. Beim Autoriesen Stellantis seien nach Angaben der Nachrichtenagentur Reuters im ersten Quartal rund 190.000 Autos weniger produziert worden als geplant. Volkswagen spreche von rund 100.000 Fahrzeugen, die nicht gebaut werden konnten. Laut einer neuen Prognose des globalen Beratungsunternehmens AlixPartners werden 2021 weltweit fast vier Millionen weniger Fahrzeuge produziert werden können. Dies entspricht einem Wert von 110 Milliarden US-Dollar.

Wann wird sich das Problem auflösen? 

Die Halbleiterproduktion ist kompliziert und lässt sich nicht kurzfristig hochfahren. Daher sei eine rasche Lösung nicht wahrscheinlich, wie Paul Hansen im The Hansen Report On Automotive Electronics aus der ATZelektronik 7-8-2021. "Der Bau neuer Wafer-Foundries für die technologisch ausgereiften Produkte der OEMs ist nicht ohne weiteres möglich", so Hansen. Die einzige kurzfristige Lösung für die Automobilhersteller bestehe darin, Einfluss auf die derzeitigen Chiplieferanten wie TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), den weltgrößten Auftragsfertiger von Chips, zu nehmen, damit ihre Bedürfnisse vorrangig behandelt werden vor denen anderen TSMC-Kunden, so Hansen. Diese verfügten jedoch zum Teil über weit mehr Schlagkraft als die Automobilhersteller.

Zugleich rechnet die Unternehmensberatung Roland Berger mit einer stärkeren Marktkonzentration bei den Chip-Herstellern. Diese Konstellation erschwere die Beschaffung zusätzlich. Roland Berger erwartet, "dass der Halbleitermangel noch weit über das Jahr 2021 hinaus andauern wird", wie die Analysten in der Studie "Global crisis in automotive chip supply" prognostizieren. Der Bedarf der Autoindustrie werde sich durch Elektrifizierung und automatisiertes Fahren bis 2025 deutlich erhöhen. 

Die Marktforscher von Gartner rechnen damit, dass sich die Engpässe erst im zweiten Quartal 2022 auf ein normales Niveau einpendeln werden. TSMC erwartet, dass die Knappheit in den nächsten Monaten nachlässt, nachdem TSMC seine Produktion von Auto-Chips hochgefahren habe, berichtet das Wall Street Journal. Das Unternehmen sei auf dem besten Weg, die Produktion von Mikrocontrollern, die in Autos verwendet werden, in diesem Jahr um etwa 60 % gegenüber dem Vorjahr zu steigern. Wie Gartner auch, geht TSMC davon aus, dass die allgemeine Halbleiterknappheit aber noch bis 2022 andauern könnte.

Wie können Chip-Engpässe in Zukunft vermieden werden?

Intel, Samsung und TSMC haben eine deutliche Aufstockung ihrer Kapazitäten angekündigt. TSMC will in den nächsten Jahren 100 Milliarden US-Dollar in die Produktionssteigerung investieren, um die steigende Nachfrage nach Halbleitern zu befriedigen, so das Wall Street Journal. Der kalifornische Halbleiterhersteller Intel will seine Produktionskapazitäten ausbauen und in die Chipproduktion einsteigen. Bis zu 20 Milliarden US-Dollar will Intel für den Bau zwei neuer Werke in Arizona in die Hand nehmen. Der südkoreanische Elektronikkonzern Samsung stockt sein Investment auf insgesamt 151 Milliarden US-Dollar auf, die bis 2030 in die Halbleiter-Produktion fließen sollen, berichtet Reuters.

Langfristig gilt es, die mittlerweile hohe Abhängigkeit von asiatischen Zulieferern und Wertschöpfungsketten zu reduzieren, raten Roland Berger und auch der Digitalverband Bitkom. Alternative Bezugsquellen müssten geprüft, europäische Kompetenzen aufgebaut werden. Der weitere Aufbau eigener Kapazitäten beispielsweise im Chip-Cluster um Dresden herum ("Silicon Saxony") könnte dazu einen Beitrag leisten. In Dresden will auch Bosch eine Milliarde Euro in eine neue Chipfabrik investieren. Die EU-Kommission hat kürzlich auch den offiziellen Start einer europäischen Allianzen für Halbleiter und Mikroelektronik verkündet. Paul Hansen geht in seinem aktuellen Report davon aus, dass die Automobilhersteller in Zukunft ihre Lagerbestände für Halbleiter erhöhen, die auf Sole-Sourced-Chips basieren. Toyota gehe diesen Weg bereits und habe aufgrund seiner hohen Halbleiterbestände seine Automobilproduktion bislang nicht wegen Chipmangel herunterfahren müssen.

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01.07.2021 | The Hansen Report | Ausgabe 7-8/2021

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