Ursachen und Bekämpfung von Materialknappheit bei Halbleitern

Die Halbleiterindustrie steht vor einem grossen Problem: Materialknappheit. Die Hauptursache dieses Mangels liegt in der steigenden Nachfrage nach fortschrittlichen Technologien für Mobiltelefone und Solarzellen. Diese benötigen mehr Materialien als je zuvor. Besonders hart trifft es die Autobranche. Im Artikel erläutern wir, wie es zu den Engpässen kam und wie sie sich künftig verhindern lassen.

Wieso herrscht Materialknappheit bei Halbleitern?

Halbleiter finden Verwendung in der Mikrochip- und Solarzellenproduktion. Die kleinen Miniaturrechner sitzen in Computern, in Fahrzeugen, in Haushaltsgeräten, in Geräten der Unterhaltungselektronik, in Mobiltelefonen, in elektronisch gesteuerten Produktionsanlagen sowie in der Medizintechnik.

Mit zunehmender Digitalisierung wächst die Nachfrage nach Halbleitern enorm weiter. Und der Klimaschutz erfordert mehr Solarmodule auf den Dächern.

Die Gründe für die derzeitige Materialknappheit bei Halbleitern sind vielfältig. Die Ursachen sind unterschiedlicher Art und eine Mischung unglücklicher Umstände führte zum derzeitigen Halbleitermangel:

• Engpässe bei den Rohstofflieferanten
• veränderter Mikrochipmarkt durch Corona-Pandemie
• hausgemachte Probleme seitens der Autoindustrie
• Handelskonflikt zwischen China und USA

Die Chipstüte ist leer. Teils hausgemacht. Was tun, um sie schnell und dauerhaft wieder aufzufüllen?

Engpässe bei den Rohstofflieferanten

Mikrochips basieren auf Halbleiter, meist aus dem Halbmetall Silizium. Und bei der Siliziumproduktion beginnt das Problem. Das Ausgangsmaterial Quarzsand ist zwar keine Mangelware, aber daraus Silizium zu schmelzen, ist recht energieintensiv.

Im Jahr 2020 stammten von den weltweit produzierten acht Millionen Tonnen Silizium alleine fünf Millionen aus China. Steigende Strompreise veranlassten zahlreiche chinesische Schmelzen, die Produktion zu drosseln.

Die Ursachen dafür lagen teils an leeren Stauseen aufgrund Trockenheit, an Überschwemmungen und am Produktionsausfall aufgrund der Corona-Pandemie. Rund 20 Anlagen standen still.

Aber der Mangel an Rohsilizium war nicht alleine ausschlaggebend. Die Chipfabriken laufen derzeit bereits am Limit. Daher ist es fraglich, ob sie mit mehr Rohmaterial überhaupt mehr produzieren könnten.

Veränderter Mikrochipmarkt durch Corona-Pandemie

Die Corona-Pandemie veränderte den Markt. Die Nachfrage nach Autos ging zurück, gleichzeitig stieg der Bedarf an Handys, Laptops und Druckern. Coronabedingt brauchten Angestellte die entsprechende Ausrüstung fürs Homeoffice und Schüler für den Heimunterricht. Die Chiphersteller orientierten sich um.

Hinzu kommt, dass Apple alleine so viele Mikrochips verbaut wie die gesamte Automobilindustrie zusammen. Die Autobranche hat schlechte Karten, an die dringend benötigten Chips heranzukommen. In der Folge stehen in Deutschland Förderbänder still, Mitarbeitende sind in Kurzarbeit und Neuwagen erhalten nicht die gewohnte digitale Ausstattung.

Aber nicht nur die Autobranche darbt. Die Halbleiter-Krise betrifft auch Industrien, die Maschinen mit digitalen Anwendungen fertigen. Engpässe herrschen auch bei IT- und Mobilfunkunternehmen sowie in der Energiebranche.

Hausgemachte Probleme seitens der Autoindustrie

Hat die Automobilbranche geschlafen? Da der Chipmangel alle Autohersteller gleichermassen trifft, scheidet ein kollektiver Dornröschenschlaf als Ursache eher aus. Das Problem liegt teilweise am Just-in-time-Modell. Lagerhaltung kostet Geld, sie bestellen die Teile bei den Zulieferern zeitgenau. Und anfangs 2020 zogen die Abnehmer von Automotive-Chips pandemiebedingt die Notbremse.

Bei der Chipbeschaffung stösst dieses Beschaffungsmodell jedoch an seine Grenzen. Die Chipindustrie benötigt für die Planung verbindliche Bestellungen mit entsprechender Vorlaufzeit. Zwischen Chipproduktion und Einbau ins Fahrzeug vergehen Monate, daher ist ein Vorlauf von sechs Monaten oder mehr durchaus normal. Das Eingehen langfristiger Abnahmeverträge bedeutet jedoch notfalls höhere Lagerbestände.

Toyota, der Vorreiter der Just-in-time-Produktion, hat dies bei Halbleitern bereits erkannt und seine Lager aufgestockt.

Die Autobranche muss sich künftig auf diese Vorgehensweise einstellen und der Chipbeschaffung im Unternehmen einen höheren Stellenwert einräumen.

Ärgerlich, wenn ein Chip im Wert von einem Dollar fehlt und dies die gesamte Produktion lahmlegt.

Handelskonflikt zwischen China und USA

Die Chipfertigung befindet sich mehrheitlich in Taiwan und Südkorea, das Chipdesign in den USA. Der vormalige US-Präsident Trump drohte China keine Chips mehr zu liefern mit dem Ergebnis, dass chinesische Investoren Chips weltweit aufkauften.

Zwar halfen die Hamsterkäufe zunächst der chinesischen Hi-Tech- und Elektronikbranche, aber es führte zu erheblichen Turbulenzen in den Halbleiterlieferketten. Die Just-in-time-Produktion kam aus dem Tritt, was sich speziell auf die Autoindustrie auswirkte – auch in China.

Die weltweite Nachfrage übersteigt das Angebot

Die Nachfrage nach Halbleitern wächst, übersteigt allerdings aufgrund der zuvor genannten Gründe derzeit das Angebot. Laut World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) wuchs der weltweite Halbleitermarkt im Jahr 2021 um 26,2 Prozent. Für 2022 gehen erste Berechnungen von einem geringen Wachstum von 4,4 Prozent aus. Dabei hat sich Europa 2021 erholt und ein Marktwachstum von 27,3 Prozent aufgewiesen.

Die fehlenden Halbleiter sind ein weltweites Phänomen. Die Autoindustrie kommt erst wieder in Schwung, wenn die Halbleiterhersteller mehr liefern.

Die Marktforscher der Analysefirma Gartner sowie der weltgrösste taiwanesische Chipproduzent Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) prognostizieren dies für das zweite Quartal 2022. Immerhin ist TSMC dabei, die Produktion von Mikrocontrollern für die Autoindustrie dieses Jahr um etwa 60 % gegenüber dem Vorjahr zu steigern.

Allerdings befürchtet Mark Liu, Vorsitzender des TSMC-Verwaltungsrates, in einem Interview mit dem Magazin Time, dass Firmen in der Lieferkette Chips weiterhin horten anstatt zu verbauen.

Komplexe Produktion mit langer Fertigungszeit

Nachdem das Kind aufgrund der veränderten Chip-Nachfrage während der Pandemie in den Brunnen gefallen ist, lässt sich dies nicht über Nacht ändern. Gerade die Autoindustrie braucht komplexe Chips für die die Steuerung von Motoren, Bremsen oder Klimaanlagen. Die Produktion dieser Mikrocontroller ist aufwendig. Ausgangsbasis sind kreisrunde Siliziumplatten, Wafer genannt. Diese hauchdünnen „Pizzascheiben“ sind bereits schwierig zu fertigen und an ihnen mangelt es derzeit. Knapp ein Viertel aller Waferlieferanten sitzt inzwischen in China.

Die Fertigung der Chips erfolgt unter Reinraumbedingungen. In mehreren Arbeitsschritten übertragen optische, chemische und physikalische Prozesse die integrierten Schaltungen auf die Wafer.

Diese komplexen Vorgänge brauchen Zeit, Halbleiterhersteller planen ihre Kapazitäten deshalb lange im Voraus und können dadurch die gestiegene Nachfrage nach Automotiv-Chips derzeit nicht kurzfristig bedienen.

Konsolidierung der Industrie führt zu Abhängigkeiten

Die Halbleiterindustrie durchlief in den vergangenen Jahren Boom-und-Krisen-Zyklen. Nach einer jahrelangen Konsolidierung blieben nur noch wenige Lieferanten übrig, die bestimmte Produkte herstellen können, was die Gefahr von Engpässen erhöht.

Foundries, die im Auftrag fertigen, gibt es weltweit nur noch wenige. Dazu zählen die taiwanesische TSMC und die südkoreanische Foundry-Tochter von Samsung. Die Fertigung erfolgt in riesigen Stückzahlen rund um die Uhr, nur so ist sie rentabel.

Aber diese Konzentration führte zu Abhängigkeiten, gerade für Europa. Eine dermassen zukunftsrelevante Branche weltweit auf vier oder fünf Firmen zu stützen, ist riskant – die Rechnung präsentiert sich momentan.

Wie lässt sich dies in Zukunft verhindern?

Die Materialknappheit bei Halbleitern lässt sich nicht kurzfristig beseitigen. Die EU erkennt zwar die entstandenen Abhängigkeiten von Asien und den USA und träumt von einer eigenen Fabrik. Allerdings lässt sich die für technologisch ausgereifte Produkte nicht ohne Weiteres aus dem Boden stampfen.

Die Chipfertigung ist aufwendig, die benötigten Geräte enorm teuer und es braucht langjähriges Know-how. Trotzdem ist diese Überlegung langfristig gerechtfertigt, da der Chipbedarf in Zukunft steigt.

Kurzfristig muss sich die Autobranche mit den derzeitigen Chiplieferanten arrangieren und versuchen, einen Lösungsweg zu finden.

Langfristige Rahmenverträge mit Lieferanten helfen dabei, eine Vertrauensbasis zu schaffen.

Eine weitere Option ist auf Modular Sourcing zu setzen, d. h., anstatt Einzelteile am Markt einzukaufen, bei einem etablierten Elektronikproduzenten komplett gefertigte Module oder Baugruppen mit relativ grossem Funktionsumfang zu beziehen. Die Einkäufer dieser Unternehmen sind darauf spezialisiert, ihre Lieferanten im Blick zu behalten und auf Einhaltung von Lieferterminen zu drängen.

Fazit

Da der Aufbau neuer Kapazitäten für eine Halbleiterproduktion in Europa Jahre dauert – falls überhaupt sinnvoll und möglich - heisst es intensivere Beziehungen zwischen Abnehmer und Lieferanten zu pflegen. Langfristige verbindliche Rahmenverträge mit einem elektronischen Dienstleister minimieren das Risiko einer Materialknappheit bei Halbleitern. Modular Sourcing hilft dabei, die Chipstüte dauerhaft zu füllen.