Interview med Bosch-direktør: Tyskland tager førertrøjen på hårdføre mikrochips

Airbags, bremsesystemer, skridttællere, og skruemaskiner har umiddelbart ikke så meget til fælles.

Men skruer dog fronten af, vil du med stor sandsynlighed finde mikroelektronik i form af sensorer og effektelektronik der er produceret hos Bosch i Dresden.

Her åbnede den tyske industrigigant sidste år en ny stor chipfabrik der forvandler store rå 300 mm wafers til mikroelektronik. Fabrikken har indtil videre kostet omkring 7,5 milliarder danske kroner, hvilket er den største enkeltstående investering som Bosch nogensinde har foretaget.

Det ansvar er dog ikke steget Christian Koitzsch til hovedet. Han står i spidsen for de 400 Bosch-medarbejdere, som producerer millioner af chips hvert år. Da Ingeniøren møder ham konferencen Bosch Connected World i Berlin - hvor han har fortalt om brugen af kunstig intelligens i chipproduktion - fremstår han beskeden og afdæmpet, og så selvom det er tydeligt hvor passioneret han er omkring transistorer, litografi og wafers.

De første tegninger til den nye chipfabrik blev nedfældet på papir tilbage i 2017, og så tog projektet ellers hurtigt fart.

»På grund af Covid-19-relaterede forsinkelser var det på et tidspunkt forventningen, at vi ville åbne i midten af 2022, men testproduktionen gik langt over forventning, og derfor åbnede vi allerede i sommeren 2021. Vi udvider fortsat kapaciteten trin for trin, og forventer at være på fuld kapacitet i 2025,« siger Christian Koitzsch.

Transportsystemet, der er integreret i loftet, sørger for at flytte siliciumskiverne rundt mellem de forskellige arbejdsstationer, mens robotter håndterer materialet inde i maskinerne. Fra de rå siliciumskiver til færdige chips skal materialet igennem 250 forskellige enkelte bearbejdninger.

Læg så oveni en lang række test og håndteringsprocesser, så er vi oppe på omkring 700 forskellige processer fordelt på op til 14 uger, som er den tid, det tager at fremstille en mikrochip på fabrikken i Dresden.

Hver enkelt wafer bevæger sig gennem 250 forskellige enkelte bearbejdninger, fra rå wafer til færdig chip, eksempelvis avanceret litografi, som definerer geometrien i de millioner af transistorer, der indgår i hvert kredsløb, dotering med bor og fosfor for at gøre bestemte områder elektrisk ledende, ætsning, samt oxidering i 1.000 grader varme ovne for at gøre andre lag elektrisk isolerende.

De første der kørte gennem den proces var - lidt overraskende - så gode, at produktionen kunne kickstartes mere end seks måneder før planlagt.

En stor del af de mikrochips der produceres hos Bosch i Dresden anvendes til effektelektronik i styring af kritiske systemer i biler og lastbiler. Det kan være bremser, airbags og styring af forskellige komponenter i motoren.

»Vi fremstiller noget af de mest hårdføre elektronik, som skal holde i mange år under barske vilkår og som under ingen omstændigheder må fejle,« siger Christian Koitzsch.

Når bremser og styring af bil ændres sker det ofte med høj spænding op til 100 volt og med høj strømstyrke. Samtidig skal udstyret fungere pålideligt, uanset hvilket miljø de anvendes i. Det samme gør sig gældende for de sensorer som Bosch også producerer komponenter til, eksempelvis accelerometre.

»Hvis du bruger en skridttæller, så skal den måle ens uanset om du vandrer i alperne, eller løber på en sandstrand i troperne. Tryk, fugtighed og temperatur må ikke påvirke sensorerne, og det stiller høje krav til vores halvledere og chips,« siger Christian Koitzsch.

Hygiejnekrav giver fuldautomatisk produktion

Produktionen kører i dag 24/7, og selvom der arbejder 400 medarbejdere - hovedsageligt ingeniører - hos Bosch i Dresden, så kræver det i praksis kun ti medarbejdere at holde produktionen kørende, eksempelvis om natten.

Alle processer er i dag fuldautomatiske. Ikke for at spare lønkroner, men fordi mennesker forurener med hår, hudceller og snavs. Selv små partikler kan påvirke en hel wafer, der koster over 10.000 kroner stykket og har plads til op mod 30.000 mikrochips.

»Når vi er så få mennesker til at betjene et ekstremt komplekst anlæg, er vi afhængige af en kombination af sensorer og algoritmer, der overvåger maskinernes tilstand. Vi får omkring 250 Mbit data ind i sekundet, og det kan intet menneske overvåge manuelt,« siger Christian Koitzsch.

Selvom det er sjældent at mennesker bevæger sig i de store renrumsfaciliteter, så er der alligevel plads til forbedringer på sigt.

»Vores transportsystem er bygget til at nå alle nødvendige positioner, men der er begrænsninger fordi det er et fastmonteret skinnesystem, og på et tidspunkt vil vi tilføje mobile robotter med større bevægelsesfrihed, eksempelvis når et probe card, som placerer nåle på en chip til den endelig test, skal udskiftes ,« siger Christian Koitzsch.

Probe cards er en del af et testværktøj der løbende bruges til at teste om chippen virker efter hensigten.

Bosch har også indkøbt flere eksemplarer af den efterhånden kendte firbenede robothund Spot fra Boston Dynamics. Den overvejer Christian Koitzsch at sætte ind når han jævnligt har brug for at 3D-scanne fabrikken med lidar, for at sikre sig at alt er placeret korrekt.

I dag gøres dette manuelt ved at føre et lidar-system gennem fabrikken. Derudover opererer dele af fabrikken med giftige gasser, og derfor ønsker chipproducenter at begrænse mængden af manuelt arbejde visse steder i produktionen og den tilsvarende infrastruktur.

Chipfabrikken er inddelt i forskellige etager. Alt sammen for at skabe et så rent og stabilt miljø omkring selve produktionen. Under det faktiske renrum finder vi sub-fab, hvor pumper, gastanke, materialer og alt hvad der vibrerer er placeret. Så kommer selve renrummet, hvor der konstant cirkuleres ren luft ind, så fugtighed og temperatur er konstant i selve renrummet. Mellem renrummet og sub-fab ligger der et 120 cm ultrastabilt betongulv. Selve maskinerne i renrummet er placeret på antivibrationssokler.

»Vi kan fjernstyre alt udstyr på afstand. Hvis skifteholdet bemærker afvigelser, eksempelvis om natten, kan han kontakte en ingeniør der arbejder hjemmefra,« siger Christian Koitzsch.

Glem Moores Lov

Mest amerikanske Intel, Samsung fra Sydkorea og TSMC fra Taiwan kæmper om at presse flest transistorer ind på mindst mulig plads - p.t fører TSMC med over 100 milliarder transistorer i en Apple-chip - så har Christian Koitzsch ikke fokus på det kapløb.

»De teknologier vi arbejder med følger ikke Moores Lov. Vi håndterer styrer med høj spænding der tænder og slukker ekstremt hurtigt. De spændingsniveauer kan de mest avancerede chips til bærbare computere og smartphones slet ikke håndtere,« forklarer Christian Koitzsch.

Et af de store udviklingsprojekter de kommende år bliver at producerer MEMS-sensorer på 300 mm wafer, som i øjeblikket produceres på 200 mm. Jo større wafers, jo mere effektivt kan du producere elektronik og dermed holde prisen nede.

»Når du skal lime 200 mm wafers sammen, så kræver det et tryk der svarer til 2,5 elefant. Ved 300 mm kræver det seks elefanter. Her skal vi udvikle nye løsninger der sikrer ensartethed ved disse trykniveauer,« siger Christian Koitzsch.

En vej at gå er at reducere bredden på waferen. I dag er de fleste wafers omkring 60 mikrometer bredde og i fremtiden stræber Bosch efter at nå ned på bare syv mikrometer. Det er 0,007 mm og svarer til omkring en tredjedel af tykkelsen på et menneskehår.

Silicon Saxony

Vi skal bare 600 kilometer syd for den danske grænse før vi finder det største europæiske knudepunkt for mikroelektronik. Her ligger Dresden, hovedstaden i delstaten Sachsen, der også går også under navnet Silicon Saxony. Her ligger i dag over 300 virksomheder inden for en relativt begrænset geografisk afstand, som tilsammen beskæftiger omkring 40.000 ansatte der alle arbejder med mikroelektronik.

»Min nabo er Global Foundries, og længere nede af vejen ligger Fraunhofer Instituttet, der har et af de få 300 mm wafer-laboratorier, hvor vi kan eksperimentere uden at lukek ned for produktionen,« siger Christian Koitzsch.

Selvom 7,5 milliarder lyder som en stor investering, så er det faktisk kun mellemstor investering, når man kigger på andre virksomheder i nærområdet. Tyske Infineon Technologies annoncerede tidligere i år at de vil bygge en ny fabrik til sensorer og high performance chips.

Pris 37 milliarder kroner. Højdespringeren er dog amerikanske Intel, der forventes at smide svimlende 120 milliarder danske kroner i en ny mega-fab i Magdeburg, der ligger i nabodelstaten Sachsen-Anhalt

»Chip- og halvlederindustrien i Europa har flere styrker, fx inden for sensorer, og effektelektronik. Hvis vi vil styrke vores digitale suverænitet, og evnen til at forsyne os selv med elektronik, skal vi også tiltrække de mest avancerede produktionsfaciliteter, og derfor byder vi også Intel velkommen til Europa,« siger Christian Koitzsch.

Ud af de omkring 7,5 milliarder kroner som Bosch chip-fabrik i Dresden har kostet, har EU medfinansieret omkring en milliard kroner. Infineon og Intel kan også se frem til statsstøtte i den helt store prisklasse.

Men det er også nødvendigt, hvis Europa skal frigøre os fra de toneangivende asiatiske og amerikanske chipproducenter.

»Vi deltager aktivt i opbygningen af europæisk kapacitet inden for mikroelektronik, og vi oplever en meget positiv lydhørhed fra EU og europæiske statsledere, lyder det fra Christian Koitzsch.

Han peger på åbne økosystemer og open source software som som nogle af de største styrker, når Silicon Valley sammenlignes med Silicon Saxony og resten af Europa.

»Styrken ved open source økosystemer er ret åbenlyse. Bosch bruger open source software ret intenst. Jeg er selv fan af Python. Dele af vores digitale miljø stammer oprindeligt fra open source-miljøet,« siger Christian Koitzsch, og nævner de AI-modeller som bruges til at kvalitetssikre de mange millioner mikrochips.

Ved produktion af mikroelektronik er det helt afgørende parameter for succes forholdet mellem yield og scrap, som betegner henholdsvis de gode chips der fungerer, og de dårlige der må kasseres.