PVA TePla – Дигитализирано отглеждане на монокристали
Полупроводници: производството на слитъци е усъвършенствано
Как PVA TePla оптимизира отглеждането на монокристали чрез автоматизация
PVA TePla AG е водещ световен доставчик на оборудване и измервателна технология за взискателни промишлени приложения. Неговите високотехнологични системи са особено търсени в полупроводниковата индустрия.
„Като доставчик на решения, ние работим глобално и присъстваме навсякъде, където са нашите клиенти. „Благодарение на силното търсене от страна на полупроводниковата индустрия, в момента имаме особено силно присъствие на азиатския пазар и в САЩ“, обяснява Ян Пфайфер (Jan Pfeiffer), управляващ директор на PVA TePla Group. Със своя TechHub във Ветенберг, PVA TePla се позиционира като ключов двигател на иновациите в областта на изследванията на материали за полупроводниковата индустрия.
Силициев карбид – ключът към електромобилността
Дъщерното дружество PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) може да се възползва от повече от 60 години опит в отглеждането на кристали. Особено внимание се обръща на производството на кристали от силициев карбид (SiC).
„Това, което отличава кристалите от силициев карбид, е тяхната способност да понасят екстремни плътности на мощността“, обяснява Лукас Еверт, ръководител на екипа за електрическо проектиране в PVA CGS. „В сравнение с конвенционалния силиций, използването на SiC позволява, например, проектирането на по-малки батерии със същата изходна мощност. Полученото намаление на теглото е особено полезно за приложенията в областта на електромобилността."
Екстремните условия изискват максимална прецизност
За производството на SiC кристали, PVA TePla проектира SiCma системата, която работи по метода на физическия транспорт на пари (PVT). „В този процес, смес от силиций и въглерод на прах претърпява сублимация в графитен тигел при около 2300 °C и се отлага върху затравъчен кристал, за да образува були,“ обяснява Еверт. "За да се постигне висококачествен резултат, температурата и налягането в работната камера трябва да се контролират прецизно през целия процес на отглеждане на кристали. Дори най-малките отклонения могат да застрашат целия процес и да доведат до значителни загуби на качество." Тъй като такъв процес на отглеждане може да отнеме до три седмици, мониторингът и контролът на процеса трябва непрекъснато да отговарят на най-високите стандарти.
Изображение 1: Силициев слитък като демонстрационен обект.
Изображение 2: Кристалите силициев карбид, произведени в тези системи, се използват, наред с други приложения, в батерии за електромобилност.
Интелигентните сензори осигуряват стабилни условия на процеса
За да осигури необходимото ниво на прецизност, PVA разчита на сензори от ifm, съвместими с IO-Link. „Например, ние използваме сензора за поток SV4200 от ifm, за да наблюдаваме и поддържаме постоянен поток на охлаждащата вода. Това е важно не само за поддържането на стабилна температура на процеса, но и за предпазване на корпусите, тръбите и компонентите от прегряване и по този начин от потенциални повреди“, обяснява Еверт.
Освен това, сензорът за налягане PV8000 следи налягането на подаване и връщане, както и температурата на охлаждащата среда. „Преди това, това наблюдение се извършваше ръчно. Сега можем да извличаме тези стойности и чрез IO-Link и да реагираме на всякакви колебания по-бързо и ефективно“, добавя ръководителят на екипа. IO-Link мастерите AL1202 събират всички данни от сензорите и ги препращат за централизирана оценка. Сигналната лампа DV, която предоставя на потребителите визуална индикация за текущото състояние на процеса, също се управлява чрез IO-Link мастера.
Изображение 3: Силициево-карбидна шайба: Необходимото качество може да се постигне само с прецизно контролирани параметри на процеса.
Изображение 4: IO-Link мастерът (горе) събира и препраща данни от сензора за налягане (в центъра, отпред) и сензора за поток (долу вляво).
Изображение 5: Сигналната лампа DV предоставя визуална информация за текущото състояние на процеса.
IO-Link: повече информация, по-голяма прозрачност на системата
IO-Link отдавна се е утвърдил като независим от производителя стандарт за цифрова комуникация на сензори в технологиите за автоматизация. В сравнение с конвенционалните двоични и аналогови интерфейси, IO-Link позволява предаването на процесни стойности с висока разделителна способност, както и изчерпателна диагностична информация. Потребителите се възползват от стандартизирани структури от данни, намалени усилия за окабеляване и безпроблемна интеграция в системи за управление и IIoT архитектури.
Технологията поддържа предаване на множество измерени стойности на устройство, диагностика, задействана от събития, и дистанционно задаване на параметри на устройството. Това води до подобрена прозрачност на системата, оптимизирана поддръжка и измерими икономии в разходите за настройка и експлоатация.
Дигитализацията като ключов фактор за наличността на системата
Тези аспекти също играят централна роля в PVA TePla. „Дигитализацията е изключително важна за нас, особено със системата SiCma“, подчертава Лукас Еверт. „Тези системи често се инсталират в големи количества в производствени халета. Товаренето и разтоварването обикновено са напълно автоматизирани. Нашите системи трябва да могат да комуникират със системи от по-високо ниво, така че операторите да могат да следят централизирано състоянието на процеса по всяко време." PVA TePla използва за това цялостното портфолио IO-Link на ifm.
Профилактично техническо обслужване за максимална производствена ефективност
PVA също така работи интензивно върху концепции за профилактично техническо обслужване, за да осигури ранна индикация за предстоящи изисквания за поддръжка или отклонения в процеса. „Това позволява на операторите да поддържат максимална техническа изправност на машините, като същевременно постигат постоянно най-високото възможно качество на продукта“, обяснява Еверт. Сензорите на ifm предоставят необходимите данни за непрекъснато наблюдение на състоянието на системата и за откриване на потенциални проблеми, преди те да доведат до скъпоструващи престои.
Отглеждане на силициев кристал чрез процеса на Чохралски
PVA поставя подобни високи изисквания към отглеждането на силициеви кристали чрез процеса на Чохралски. В тези системи силициеви слитъци с дължина до 3,50 метра се отглеждат чрез бавно изтегляне на затравъчен кристал от разтопен силиций при температура около 1400 °C. Получените пластини се използват основно в полупроводниковата индустрия и служат като основа за широк спектър от електронни компоненти.
Процеси с ниски вибрации за най-високо качество на продукта
„В системата SC32 технологията за автоматизация е реализирана като комбинация от IO-Link и ProfiNet“, обяснява Еверт.
„Използваме IO-Link навсякъде, където искаме да извлечем по-подробна информация от сензорите. Например, ние използваме SM8000 за наблюдение и управление на охладителната верига.“ Този магнитно-индуктивен сензор за поток измерва не само дебита, но и температурата на средата.
В допълнение, PVA използва триосния IO-Link вибрационен сензор VVB3, за да наблюдава двете процесни задвижвания. VVB3 открива вибрации по три измервателни оси и изчислява показатели за оценка на състоянието на машината. Информацията за амортизация, триене, удари или износване на лагери се предава удобно чрез IO-Link.
„Изключително ниските нива на вибрации по време на процеса на изтегляне са от съществено значение за осигуряване на качеството на слитъците. Предаваните данни позволяват също така много прецизно наблюдение на състоянието на редукторите и задвижващия вал, както и ранно планиране на дейностите по техническа поддръжка.“
Изображение 6: В тази система се „изтеглят“ силициеви слитъци с дължина до 3,5 метра за производство на пластини.
Изображение 7: Сензорите за поток следят охлаждащата верига на системата на Чохралски.
Надеждни компоненти за дългосрочна експлоатация
Системите на PVA TePla са проектирани за непрекъсната работа в продължение на много години. „Поради тази причина всички компоненти, и по-специално сензорите, трябва да осигуряват постоянно прецизна работа в дългосрочен план“, подчертава Лукас Еверт.
„През годините имаме само положителни впечатления от ifm по отношение на здравината и надеждността при дългосрочна експлоатация. По същия начин, когато възникнат нови въпроси или се обмислят нови подходи за автоматизация, можем да разчитаме на нашия пряк контакт в ifm и да получим експертна подкрепа в кратки срокове."
Дифузионно свързване за най-взискателните изисквания към материалите
Решенията на ifm се използват и в технологията за дифузионно свързване, друга бизнес област на PVA TePla. Този процес на твърдотелно свързване се използва например за производството на охлаждащи пластини за полупроводниковата индустрия, които трябва да отговарят на най-високите изисквания по отношение на якост и устойчивост на корозия. Патрик Мюлер, ръководител на екипа за дифузионно свързване в PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, обяснява: „За да се постигнат желаните резултати, условията на процеса, като температура, налягане, вакуум и приложената сила, трябва да се наблюдават внимателно през целия процес, който в някои случаи може да продължи няколко седмици. Сензорите запоток от ifm, които използваме за наблюдение на охладителната верига, гарантират, че системата не прегрява в нито един момент по време на процеса, а остава в безопасно работно състояние."
Удобството за потребителя като полза
Друго предимство на решенията на ifm е тяхната лесна употреба. Мюлер подчертава ясния, интуитивен дизайн на сензорите: „Като оператор, можете да видите с един поглед в какво състояние е машината. Друго очевидно предимство е колко лесно по-старите машини могат да бъдат оборудвани със сензори. Това е ефективно „plug and play“ („включи и работи“). Този удобен за ползване дизайн не само опростява ежедневната работа, но и намалява изискванията за обучение на оперативния персонал.
Изображение 8: Под високо налягане, отделните слоеве се свързват заедно в една структура в тази машина.
Изображение 9: Лесно за четене: сензори за поток на система за дифузионно свързване.
Съвместно партньорство като основа за иновации
В PVA TePla дългогодишното сътрудничество с ifm като партньор в областта на автоматизацията се цени високо: „Бих описал сътрудничеството ни с ifm като много кооперативно, надеждно и основано на доверие“, обобщава Лукас Еверт. „Винаги можем да се обръщаме директно към нашите контакти и да работим заедно, за да прокарваме проекти за иновации и автоматизация.“
Заключение
Изискванията при производството на високотехнологични материали са изключително строги, особено по отношение на прецизността, надеждността и експлоатационната готовност. С ifm като партньор в областта на автоматизацията, PVA TePla успешно преодолява предизвикателствата, свързани със съвременните процеси за отглеждане на кристали.
