Meilensteine der Elektronik Vom Transistor zum 2D-Sensor mit integrierten Kondensatoren

Autor / Redakteur: Julia Andris, Thomas Ruthenberg * / Gerd Kucera

Ende 2015 unterbreitete TDK dem Schweizer Halbleiterhersteller Micronas ein Angebot zur Übernahme, die nun abgeschlossen ist. Beide Firmen sind wichtige Branchenpioniere, wie der Beitrag zeigt.

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Bild 1: Das Werkgelände des Halbleiter-Pioniers ITT Intermetall 1960 und das Werkgelände des heutigen Spezialisten für Embedded Motion Control, Micronas 2011 in Freibung (rechts).
Bild 1: Das Werkgelände des Halbleiter-Pioniers ITT Intermetall 1960 und das Werkgelände des heutigen Spezialisten für Embedded Motion Control, Micronas 2011 in Freibung (rechts).
(Bild: Micronas)

In einer gemeinsamen Erklärung gaben die TDK Corporation (Tokio) und Micronas Semiconductor Holding AG (Zürich) am 17. Dezember 2015 bekannt, dass die beiden Unternehmen eine bindende Transaktionsvereinbarung abgeschlossen haben, gemäß der TDK ein öffentliches Kaufangebot für alle sich im Publikum befindenden Namenaktien der Micronas Semiconductor Holding AG (Micronas) zu einem Preis von CHF 7.50 je Aktie in bar unterbreitet. Die Bewertung der Transaktion lag bei rund 214 Millionen Schweizer Franken.

Der Artikel skizziert die Historie von Micronas über die Stationen der Intermetall (Gesellschaft für Metallurgie und Elektronik) und ITT bis hin zur TDK Corporation; er zeigt wichtige Pionierleistungen für die Elektronikbranche und wagt einen Blick in die Zukunft.

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Die Geschichte der Halbleiterindustrie ist untrennbar mit einem der bekanntesten deutschen Physiker des 20. Jahrhunderts verknüpft: Herbert Mataré (*1912-†2011). Seine bekannteste Arbeit ist wohl die Entwicklung des ersten funktionsfähigen europäischen Transistors 1945 bis 1948. Mataré erkannte sofort das Potenzial dieser Erfindung und gründete 1952 die Intermetall GmbH in Düsseldorf, zunächst mit nur 14 Mitarbeitern.

Intermetall war die erste Firma weltweit, die Dioden und Transistoren anbot. Die Finanzierung erfolgte über eine US-amerikanische Holding-Firma, die Intermetall 1955 an die Clevite Corporation verkaufte. Zunächst bestand das Produktportfolio von Intermetall aus Germanium-Transistoren und -Dioden.

Karl Seiler (Geschäftsführer 1956 bis 1965) präsentierte 1956 den „ersten deutschen Silizium-Transistor“. Transistoren aus Silizium lagen im Preis jedoch noch deutlich über denen aus Germanium, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Neuentwicklung stark angezweifelt wurde: Bei einem Materialeinsatz von 1360 Kristallen konnten im Jahr 1953 gerade einmal 38 funktionierende Transistoren am Tag produziert werden. Intermetall lag mit einer Ausschussrate von 98% damit allerdings international im Trend.

Besondere Meilensteine der Entwicklung bis 1996

Die Preise für Silizium-Transistoren lagen im Juni 1956 mit 38 bis 54 DM bei dem 5- bis 6-fachen vergleichbarer Germanium-Transistoren, die bei Intermetall für 6,70 DM bis 11,20 DM pro Stück angeboten wurden. Germanium konkurrierte noch bis in die 60er Jahre mit dem Silizium. Die weltweite Verbreitung der Integrierten Schaltkreise (IC) brachte den endgültigen Durchbruch für Silizium als vorherrschendes Halbleitermaterial.

Bereits 1960 wurde der erste Wafer in den Markt eingeführt. Mit der Entwicklung immer kleinerer ICs konnten immer mehr davon auf einem Wafer untergebracht werden. Somit erklärt sich auch, weshalb Wafer-Scheiben immer größer werden: Bei größeren Wafern verringert sich der Verschnitt bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der ICs. 1971 wurden noch 2-Zoll-Wafer mit einem Durchmesser von 50,8 mm produziert, wohingegen der heutige Wafer-Durchmesser das Acht- bis Neunfache davon betragen kann. Intermetall erweiterte seine Produktpalette fortlaufend, sodass Ende der 50er Jahre ein neuer Standort zur Erweiterung der Produktion gefunden werden musste. Der Südbadische Raum galt Ende der 50er Jahre als Niedriglohngebiet.

1960 wurde dann die Verlagerung der Produktion nach Freiburg im Breisgau vollzogen. Der Personalstand war 1960 auf stolze 730 Mitarbeiter angewachsen. 1965 wurde Intermetall von der europäischen Tochter der US-amerikanischen Firma ITT Industries aufgekauft und hieß von da an „Halbleiterwerk der deutschen ITT Industries GmbH“, in Deutschland bekannt als ITT Intermetall.

Am 1. Januar 1977 führte die Deutsche Bundespost eine Serie völlig neu konstruierter Fernsprechapparate ein: Das Gerätemodell FeTAp 75 ersetzte die klassische Wählscheibe des Telefons durch einen Tastenwahlblock. Für Tonfrequenz-Tastwahl-Schaltungen produzierte die Intermetall unter anderem den Baustein SBA 5089 auf Silizium-Basis in CMOS-Technologie.

Nachdem der Transistor entwickelt worden war und wenige Jahre später die ersten Transistorradios auf den Markt kamen, lag es nahe, diese Technologie auch in Fernsehgeräten anzuwenden. Der Transistor hat gegenüber der Elektronenröhre, wie sie bis dahin in allen Geräten der Unterhaltungselektronik verwendet wurde, Vorteile wie eine sehr kleine Bauform, einen weitaus geringerem Strombedarf und eine höherer Lebensdauer. Bis in die 70er Jahre waren Transistor-Fernseher teuer und galten als Luxusgut und Statussymbol.

Die hohen Preise begannen zu purzeln als Ende der 60er Jahre Geräte aus Fernost auf dem Markt kamen, die z.T. nur noch halb so viel wie deutsche Geräte kosteten. Doch bereits damals waren solche No-Name-Geräte aus Asien von fragwürdiger Qualität. Diesem Preisverfall war es dennoch zu verdanken, dass Fernseher auch für die breite Masse erschwinglich wurden. Mit der Entwicklung der ersten integrierten Schaltungen für Fernsehgeräte stieg auch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.

Das von ITT Intermetall vorgestellte digitale TV-System, Digivision genannt, war eines der Hauptattraktionen auf der Electronica Messe 1982 in München. Die ersten Überlegungen, die digitale Signalverarbeitung im Fernsehempfänger einzuführen, entstanden bereits im Jahr 1973. Sechs Jahre später wurde mit der Hardware- Entwicklung (VLSI-IC) begonnen. Ende 1981 standen die ersten Muster zur Verfügung, mit der Serienproduktion wurde im ersten Quartal 1983 begonnen.

Unter dem Oberbegriff Digit-2000 fertigte Intermetall 1983 eine Serie von Schaltungen, die es ermöglichten, bessere Farbfernsehempfänger billiger herzustellen. Durch das DIGIT-2000-System konnten zusätzliche Funktionen kostengünstig realisiert werden, wie z.B. der Empfang eines digitalen Fernsehprogramms, Rauschreduzierung, flimmerfreies Bild, Unterdrückung von Reflexionen (Geisterbildern), Bild-im-Bild und Videotext.

Mit dem D2-MAC-Verfahren von Intermetall bis ins All

Die Geschichte des TV-Satelliten reicht zurück bis in die frühen achtziger Jahre. In der Aufbruchsstimmung am Beginn des Satelliten-Zeitalters wollten die Elektronikkonzerne die seit der Einführung des Farbfernsehens bestehenden technischen Hürden zwischen dem SECAM-System in Frankreich und dem PAL-System im übrigen Westeuropa beseitigen.

Das Ergebnis hieß im Techniker-Jargon „Multiplexed Analogue Components“, kurz MAC genannt. Das MAC-Verfahren konnte sich in Mitteleuropa (besonders Frankreich und Deutschland) nicht durchsetzen.

Lediglich in Skandinavien und bei einigen Bezahlfernsehsendern wurde es häufig mit dem für das MAC-Verfahren entwickelte Verschlüsselungssystem EuroCrypt eingesetzt.

Das technische Scheitern des TV-SAT 1 (wegen eines klemmenden Solarzellen-Segels), das Umschalten der meisten französischen Satelliten auf SECAM und die Konkurrenz der in PAL sendenden Kopernikus- und ASTRA-Satelliten führten schnell zum Scheitern der Norm. Das Magazin „Der Spiegel“ schreibt 1990: „Die Idee war gut. Sie wäre sogar ideal gewesen, wenn man sich auf eine einheitliche Norm hätte einigen können.“

Firmenübernahme und Umbenennung in Micronas

1989 wurde in der Schweiz die Crosstec Engineering AG gegründet und durch sie der Grundstein für Micronas gelegt. 1992 übernahm eine Tochterfirma der Nokia Oy das Unternehmen Crosstec Engineering und führte die Firma als Micronas fort. Nach der Gründung der Micronas Semiconductor Holding AG 1995 in Zürich erfolgte der Börsengang des Unternehmens im Jahr 1996. 1997 übernahm Micronas die Intermetall in Freiburg.

Meilensteine der Entwicklung von 1996 bis 2015

In den 90er Jahren setzte Intermetall mit seinen Produkten zahlreiche Meilensteine, wie zum Beispiel mit dem ersten CMOS-Empfänger-IC für Autoradios. Bereits 1993 entwickelte Intermetall den ersten, integrierten Hall-Sensor in CMOS-Technologie und 1998 die erste programmierbare Version davon.

Besonders im Bereich Audio- und Video-Chips für die Fernsehindustrie liefen die Geschäfte gut. In einem Röhrenfernseher wird das Fernsehsignal von der Elektronik innerhalb des Gerätes aufbereitet. In einer Braunschen Röhre werden Elektronenstrahlen erzeugt, die auf der Leuchtschicht durch Fluoreszenz einen Lichtpunkt erzeugen. Auf ihrem Weg innerhalb der Braunschen Röhre zur Leuchtschicht werden diese Elektronenstrahlen durch Magnetfelder abgelenkt. Dadurch kann an jeder Position auf dem Bildschirm ein Bildpunkt erzeugt werden.

Die Firma verfügte in der digitalen Signalverarbeitung und bei Integrierten Schaltungen (ICs), die sowohl analoge als auch digitale Komponenten enthielten (Mixed-Signal-ICs) über spezielles Knowhow. Obwohl die damalige Fernsehwelt noch analog war, ging man dazu über, Fernsehsignale mit Hilfe eines Mikroprozessors digital zu bearbeiten. Hierzu wurde das ursprünglich analoge Fernsehsignal zunächst in ein digitales Signal umgewandelt, bearbeitet und dann wieder als analoges Signal ausgegeben. Nun konnten Funktionen flexibel durch Änderung von Software geändert oder hinzugefügt werden.

Ende der 80er Jahre entwickelte Intermetall den Multistandard Audio-Prozessor MSP, der dann fast 20 Jahre lang weiterentwickelt wurde und schließlich praktisch sämtliche Fernsehton-Standards weltweit beherrschte. Der MSP konnte lange Zeit sehr erfolgreich vermarktet werden, da es praktisch kein vergleichbares Konkurrenzprodukt gab. Im Videobereich wurden zunächst Lösungen angeboten (DIGIT-2000/3000) die aus mehreren ICs bestanden. Sie übernahmen die Dekodierung des Videosignals, die Signalaufbereitung und die Steuerung der Elektronenstrahl-Ablenkung in den damaligen Röhrenfernsehern. Zusätzlich wurden noch optionale ICs, z. B. für Videotext und sogenannte Feature-ICs, zur weiteren Bildverbesserung angeboten. Die weitere Entwicklung brachte den Video-Controller-Text-IC VCT hervor, eine Ein-Chip-Lösung, die auch die Audioeinheit enthielt.

Im Jahr 2000 übernahm dann Micronas die Consumer-Sparte von Infineon Technologies. Durch den Zukauf standen nun neue Produkte und Technologien zur Verfügung, die benötigt wurden, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Doch es vollzog sich ein Wandel. Der alte Röhrenfernseher sollte bald ausgedient haben.

Im Jahr 2003 bot Micronas 35 IC-Familien allein im Bereich Unterhaltungselektronik an und weitere 17 im Bereich Multimedia. Doch Röhrengeräte wurden in den 2000er Jahren zunehmend von Flachbild-TVs abgelöst. Hier kamen Geräte mit Flüssigkeitskristallanzeigen (LCD-Technik) und Plasmabildschirme (PDP-Technik) zum Einsatz. 2006 wurden in Deutschland erstmals mehr Flachbildgeräte verkauft als konventionelle Röhrengeräte. In der Fernsehtechnik fand damit ein Wandel von der Analog- zur Digitaltechnik statt. Die digitale Videosignal-Verarbeitung beherrschten aber auch die Hersteller von Grafikkarten-Chips. Nun musste sich Micronas zunehmend gegen neue Konkurrenz aus Fernost durchsetzen, die die Preise von Mikrochips für Consumer-Produkte zunehmend in den Keller trieb.

Preisdruck und Finanzkrise treffen 2009 schließlich auch die Micronas Freiburg mit voller Wucht. Nach einem starken Auftragsrückgang im vierten Quartal 2008 wurden Spar- und Umstrukturierungsmaßnahmen ergriffen. 2009 jedoch musste das Consumer-Segment vollständig aufgegeben werden. Ein harter Schlag für den Halbleiterhersteller und seine bis dato 1500 Mitarbeiter. Doch es gab ein weiteres Geschäftsfeld, auf dem man schon lange mit Mikrocontrollern und Magnetfeldsensoren (sogenannte Hall-Sensoren) erfolgreich tätig war: Der Markt für Automobilelektronik.

Jahre des Wandels und Neustart mit Automotive

Zukünftig wollte man sich auf den wachsenden internationalen Automobilmarkt konzentrieren. Mit ihrer Ausrichtung auf Halbleiterlösungen für Automobil- und Industrieelektronik und einem geschrumpften Personalbestand von 900 Mitarbeitern schaffte Micronas 2010 einen erfolgreichen Neubeginn.

Durch die freigewordenen Gebäudeteile, konnten Fremdfirmen angeworben werden, woraus der Micronas-Technologiepark entstanden ist. Dieser bietet eine optimale Infrastruktur für alle Unternehmen – von der Versorgung mit technischen Gasen bis zur Nutzung einer gemeinsamen Kantine. Der Micronas Technologiepark verfügt seit 2012 über die größte unternehmenseigene Photovoltaikanlage in Freiburg und hat 2014 sein standorteigenes Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung in Betrieb genommen. Micronas zählt zu den ökologischen Vorreitern im Freiburger Industriegebiet Nord.

Die Produktentwicklung von 2010 bis heute

Bereits in den 90er Jahren wurde die Integration magnetfeldsensitiver Elemente in Standard-CMOS-Technologie möglich und so gerüstet traten die Hall-Sensoren ihren Siegeszug an. Micronas entwickelte 1993 den ersten Hall-Effekt-Sensor in CMOS-Technologie und legte den Schwerpunkt auf die Entwicklung von Magnetfeldsensoren auf Basis des 1879 von Edwin Hall entdeckten und nach ihm benannten Effekts.

Neuere Entwicklungen im Bereich der Halbleitertechnologie führten zur stetigen Verbesserung der Sensoren, wodurch sich ihre Einsatzbereiche in gleichem Maße erweiterten. Sie werden in großen Stückzahlen zur Erfassung von Bewegung, Position oder abgeleiteten physikalischen Größen wie Druck, Kraft oder Stromstärke in der Automobilbranche eingesetzt und sind hier ein unverzichtbarer Bestandteil bei der Messdatenerfassung und Regelung in den Bereichen Sicherheit, Verbrauchsminimierung und Komfort.

Heute bietet Micronas eines der größten Portfolios an Hall-Effekt-Sensoren für die Automobil- und Industrieelektronik an. Von einfachen Hall-Schaltern bis hin zu programmierbaren Linear- oder 2D-Sensoren mit integrierten Kondensatoren. Darüber hinaus stellt Micronas innovative, vollständig integrierte embedded Motor-Control-Lösungen zur Ansteuerung von Elektromotoren bereit. Damit folgt Micronas den Megatrends der Branche nach Sicherheit, Umweltschutz, Wirtschaftlichkeit sowie Komfort und Lifestyle.

2016: Jetzt ist Micronas unter einem neuem Dach

Ende 2015 kam das Kaufangebot der TDK-Gruppe. Die TDK Corporation ist ein führendes Elektronikunternehmen mit Sitz in Tokio, Japan. Es wurde 1935 gegründet, um Ferrite zu industrialisieren, die für die Herstellung von elektronischen und magnetischen Produkten Schlüsselmaterialien sind.

Bei Ferriten handelt es sich um magnetisches Material auf Eisenbasis, das von den TDK-Gründern Dr. Yogoro Kato und Dr. Takeshi Takei kurz zuvor erfunden worden war. Ferrite haben eine große Bedeutung in der Elektrotechnik, unter anderem als Spulenkerne und Magnete. Sie bilden auch die aktive Beschichtung von Magnetbändern, deren Produktion TDK 1952 aufnahm.

Das Akronym TDK steht für den ursprünglichen Namen Tokyo Denki Kagaku Kogyo (Tokyo Elektronik und Chemikalien). TDK war das erste Unternehmen, das Ferrite kommerziell herstellte und diese erfolgreich verkaufte. 1966 folgten Kompaktkassetten für Audioaufnahmen. TDK-Produkte sind in allen elektronischen Geräten zu finden, doch werden sie vom Endverbraucher meistens nicht wahrgenommen. Die für den Endkunden augenfälligsten Produkte, die CD-, DVD- und BD-Rohlinge, USB Sticks und Zubehörartikel wie Kopfhörer werden dagegen gar nicht mehr von TDK selbst produziert.

TDK produziert weiterhin eine breite Palette von Produkten, die sich in allen Elektrogeräten wiederfinden, vom Ferritkern über den Kondensator bis zum Druckkopf für den Tintenstrahldrucker. Kunde ist allerdings die Industrie.

Das TDK-Portfolio umfasst heute sowohl elektronische Bauelemente, Module und Systeme, die unter verschiedenen Produktmarken wie TDK und EPCOS vertrieben werden, als auch Stromversorgungen und Produkte für magnetische Anwendungen sowie Komponenten zur Speicherung elektrischer Energie, digitale Speichermedien und sonstige Produkte.

TDK konzentriert sich auf anspruchsvolle Märkte insbesondere im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik sowie der Konsum-, Automobil- und Industrieelektronik. Das Unternehmen beschäftigt weltweit rund 92.000 Mitarbeiter und verfügt über Entwicklungs- und Fertigungsstandorte sowie Vertriebsniederlassungen in Asien, Europa, Nord- und Südamerika.

Ein Blick in die Zukunft: TDK ist Spezialist bei den sogenannten TMR-Sensoren (Tunnel Magneto Resistive), die auf dem Prinzip eines Tunnelwiderstands basieren. Das Unternehmen hat kein geringeres Ziel als Marktführer im Bereich Magnetfeldsensorik zu werden. Mit Micronas hat es jetzt einen starken Partner insbesondere im Automobilmarkt. Durch die kombinierte technische Expertise von Micronas und TDK im Bereich der Magnetfeldsensoren können Wachstumschancen optimal genutzt werden. Als unabhängige Tochter von TDK wird Micronas ihre Sensoren und Embedded Motorcontroller unter dem Markennamen Micronas weiter vertreiben.

Wie so oft in der Geschichte des Unternehmens, wird es ein neues Design erhalten. Einen ersten Eindruck von der künftigen Micronas kann man sich auf der diesjährigen Messe Electronica (08. bis 11. November 2016) in München verschaffen.

* Julia Andris ist PR Managerin bei Micronas in Freibung, ein Unternehmen der TDK-Gruppe. Thomas Ruthenberg ist Manager Technical Product Information bei Micronas in Freiburg.

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