PVA TePla – Ψηφιοποιημένη ανάπτυξη μονοκρυστάλλων
Ημιαγωγοί: τελειοποίηση της παραγωγής ράβδων
Πώς βελτιστοποιεί η PVA TePla την ανάπτυξη μονοκρυστάλλων μέσω της αυτοματοποίησης
Η PVA TePla AG αποτελεί παγκοσμίως κορυφαίο πάροχο εξοπλισμού και τεχνολογίας μετρήσεων για απαιτητικές βιομηχανικές εφαρμογές. Τα συστήματα υψηλής τεχνολογίας της είναι ιδιαίτερα περιζήτητα στη βιομηχανία των ημιαγωγών.
«Ως πάροχος λύσεων, δραστηριοποιούμαστε παγκοσμίως, εκεί όπου εδρεύουν οι πελάτες μας. Ωθούμενοι από την έντονη ζήτηση που επιδεικνύει η βιομηχανία των ημιαγωγών, διατηρούμε δυναμική παρουσία στην αγορά της Ασίας και στις Ηνωμένες Πολιτείες» εξήγησε ο Jan Pfeiffer, διευθύνων σύμβουλος του ομίλου PVA TePla. Με τον τεχνολογικό κόμβο TechHub στο Wettenberg της Γερμανίας, η PVA TePla έχει τοποθετηθεί ως βασικός παράγοντας ώθησης της καινοτομίας στην έρευνα υλικών για τη βιομηχανία ημιαγωγών.
Καρβίδιο του πυριτίου: το κλειδί της ηλεκτροκίνησης
Η θυγατρική εταιρεία PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) βασίζεται σε πάνω από 60 έτη πείρας στην ανάπτυξη κρυστάλλων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην παραγωγή κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου (SiC).
«Αυτό που κάνει τους κρυστάλλους καρβιδίου του πυριτίου να ξεχωρίζουν είναι η ικανότητά τους να αντέχουν ακραίες πυκνότητες ισχύος» εξήγησε ο Lukas Ewert, αρχηγός ομάδας ηλεκτρικού σχεδιασμού της PVA CGS. «Σε σύγκριση με το συμβατικό πυρίτιο, η χρήση των SiC δίνει τη δυνατότητα, παραδείγματος χάρη, να σχεδιάζονται μπαταρίες μικρότερου μεγέθους με την ίδια ισχύ εξόδου. Η μείωση του βάρους που προκύπτει από αυτό είναι ιδιαίτερα επωφελής σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης».
Οι ακραίες συνθήκες απαιτούν μέγιστη ακρίβεια
Για την παραγωγή των κρυστάλλων SiC, η PVA TePla σχεδίασε το σύστημα SiCma, το οποίο λειτουργεί βάσει της μεθόδου φυσικής εναπόθεσης ατμών (Physical Vapor Transport — PVT). «Σε αυτή τη διαδικασία, ένα μείγμα σκόνης πυριτίου και άνθρακα υφίσταται εξάχνωση σε χωνευτήριο γραφίτη, σε θερμοκρασία περίπου 2.300 βαθμών Κελσίου και εναποτίθεται σε έναν κρύσταλλο-σπόρο για να σχηματίσει έναν συνθετικό κρύσταλλο (boule)» εξήγησε ο Ewert. «Για να επιτευχθεί ένα αποτέλεσμα υψηλής ποιότητας, η θερμοκρασία και η πίεση στον θάλαμο της επεξεργασίας πρέπει να ελέγχεται επακριβώς καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης του κρυστάλλου. Ακόμα και οι απειροελάχιστες αποκλίσεις μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο ολόκληρη τη διαδικασία και να επιφέρουν σημαντικές απώλειες ποιότητας». Επειδή μια τέτοια διαδικασία ανάπτυξης μπορεί να πάρει έως και τρεις εβδομάδες, η επιτήρηση και ο έλεγχός της πρέπει να πληροί διαρκώς τα υψηλότερα πρότυπα.
Εικόνα 1: Μια ράβδος πυριτίου ως δείγμα επίδειξης.
Εικόνα 2: Οι κρύσταλλοι καρβιδίου του πυριτίου που παράγονται σε αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων εφαρμογών, σε μπαταρίες για ηλεκτροκίνηση.
Οι έξυπνοι αισθητήρες διασφαλίζουν σταθερές συνθήκες επεξεργασίας
Για να εξασφαλίσει το απαιτούμενο επίπεδο ακρίβειας, η PVA βασίζεται σε αισθητήρες με δυνατότητα IO-Link από την ifm. «Για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε τον αισθητήρα ροής SV4200 της ifm για την παρακολούθηση και τη διατήρηση της σταθερότητας της ροής του ψυκτικού νερού. Αυτό είναι σημαντικό όχι μόνο για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας της διαδικασίας, αλλά και για την προστασία των περιβλημάτων, των σωλήνων και των εξαρτημάτων από την υπερθέρμανση και, κατά συνέπεια, από πιθανές ζημιές» εξήγησε ο Ewert.
Επιπλέον, ο αισθητήρας πίεσης PV8000 παρακολουθεί την πίεση τροφοδοσίας και επιστροφής, καθώς και τη θερμοκρασία του μέσου ψύξης. «Παλαιότερα, αυτή η παρακολούθηση γινόταν μη αυτόματα. Τώρα μπορούμε επίσης να ανακτήσουμε αυτές τις τιμές μέσω IO-Link και να ανταποκριθούμε σε τυχόν διακυμάνσεις πιο γρήγορα και αποτελεσματικά» πρόσθεσε ο επικεφαλής της ομάδας. Οι κύριες μονάδες IO-Link AL1202 συλλέγουν όλα τα δεδομένα των αισθητήρων και τα προωθούν για κεντρική αξιολόγηση. Ο φάρος σημάτων DV, ο οποίος παρέχει στους χρήστες μια οπτική ένδειξη της τρέχουσας κατάστασης της διαδικασίας, ελέγχεται επίσης μέσω της κύριας μονάδας IO-Link.
Εικόνα 3: Δίσκος από καρβίδιο του πυριτίου: Η απαιτούμενη ποιότητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο με επακριβώς ελεγχόμενες παραμέτρους διεργασίας.
Εικόνα 4: Η κύρια μονάδα IO-Link (πάνω) συλλέγει και προωθεί δεδομένα από τον αισθητήρα πίεσης (κέντρο, μπροστά) και τον αισθητήρα ροής (κάτω αριστερά).
Εικόνα 5: Ο φάρος σημάτων DV παρέχει οπτικές πληροφορίες σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση της διαδικασίας.
IO-Link: περισσότερες πληροφορίες, μεγαλύτερη διαφάνεια του συστήματος
Το IO-Link έχει καθιερωθεί εδώ και καιρό ως ένα ανεξάρτητο από κατασκευαστές πρότυπο για την ψηφιακή επικοινωνία αισθητήρων στην τεχνολογία αυτοματισμού. Σε σύγκριση με τις συμβατικές δυαδικές και αναλογικές διασυνδέσεις, το IO-Link επιτρέπει τη μετάδοση τιμών διεργασίας υψηλής ανάλυσης, καθώς και ολοκληρωμένων διαγνωστικών πληροφοριών. Οι χρήστες επωφελούνται από τυποποιημένες δομές δεδομένων, μειωμένο κόστος καλωδίωσης και απρόσκοπτη ενσωμάτωση σε συστήματα ελέγχου και αρχιτεκτονικές IIoT.
Η τεχνολογία υποστηρίζει τη μετάδοση πολλαπλών μετρημένων τιμών ανά συσκευή, διαγνωστικούς ελέγχους βάσει συμβάντων και απομακρυσμένη ρύθμιση παραμέτρων συσκευών. Έτσι επιτυγχάνεται βελτιωμένη διαφάνεια του συστήματος, βελτιστοποιημένη συντήρηση και μετρήσιμη εξοικονόμηση κόστους διαμόρφωσης και λειτουργίας.
Η ψηφιοποίηση ως βασικός παράγοντας για τη διαθεσιμότητα του συστήματος
Αυτές οι πτυχές διαδραματίζουν επίσης κεντρικό ρόλο στην PVA TePla. «Η ψηφιοποίηση είναι εξαιρετικά σημαντική για εμάς, ειδικά με το σύστημα SiCma» τόνισε ο Lukas Ewert. «Αυτά τα συστήματα εγκαθίστανται συχνά σε μεγάλους αριθμούς σε χώρους παραγωγής. Η φόρτωση και η εκφόρτωση συνήθως είναι πλήρως αυτοματοποιημένες. Τα συστήματά μας πρέπει να είναι σε θέση να επικοινωνούν με συστήματα ανώτερου επιπέδου, ώστε οι χειριστές να μπορούν να επιτηρούν την κατάσταση της διαδικασίας κεντρικά ανά πάσα στιγμή.» Η PVA TePla χρησιμοποιεί την ολοκληρωμένη γκάμα προϊόντων IO-Link της ifm ως βάση για να πετύχει αυτόν τον στόχο.
Πρόβλεψη αναγκών συντήρησης για μέγιστη αποδοτικότητα παραγωγής
Η PVA εργάζεται επίσης εντατικά σε θέματα πρόβλεψης αναγκών συντήρησης, με σκοπό την έγκαιρη ένδειξη για μελλοντικές απαιτήσεις συντήρησης ή για αποκλείσεις κατά τη διαδικασία. «Με αυτόν τον τρόπο, οι χειριστές μπορούν να διατηρούν τη μέγιστη διαθεσιμότητα των μηχανημάτων, επιτυγχάνοντας παράλληλα σταθερά την υψηλότερη δυνατή ποιότητα προϊόντων» εξήγησε ο Ewert. Οι αισθητήρες της ifm παρέχουν τα δεδομένα που απαιτούνται για τη συνεχή επιτήρηση της κατάστασης του συστήματος και τον εντοπισμό πιθανών προβλημάτων, πριν αυτά να οδηγήσουν σε δαπανηρές διακοπές λειτουργίας.
Ανάπτυξη κρυστάλλων πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski
Η PVA θέτει εξίσου υψηλές απαιτήσεις στην ανάπτυξη κρυστάλλων πυριτίου με τη μέθοδο Czochralski. Σε αυτά τα συστήματα, οι ράβδοι πυριτίου μήκους έως 3,50 μέτρων παράγονται με την αργή έλξη ενός κρυστάλλου-σπόρου από λιωμένο πυρίτιο σε θερμοκρασία περίπου 1.400 βαθμών Κελσίου. Τα πλακίδια που προκύπτουν χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία ημιαγωγών και αποτελούν τη βάση για ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
Διαδικασίες χαμηλών κραδασμών για την υψηλότερη δυνατή ποιότητα προϊόντων
«Στο σύστημα SC32, η τεχνολογία αυτοματισμού εφαρμόζεται ως συνδυασμός IO-Link και ProfiNet» εξήγησε ο Ewert.
«Χρησιμοποιούμε το IO-Link όποτε θέλουμε να εξάγουμε πιο λεπτομερείς πληροφορίες από τους αισθητήρες. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε το SM8000 για την επιτήρηση και τον έλεγχο του κυκλώματος ψύξης». Αυτός ο μαγνητικός-επαγωγικός αισθητήρας ροής δεν μετρά μόνο τον ρυθμό ροής, αλλά και τη θερμοκρασία του μέσου.
Επιπλέον, η PVA χρησιμοποιεί τον αισθητήρα δόνησης τριών αξόνων IO-Link VVB3 για την επιτήρηση των δύο κινητήρων της διεργασίας. Ο αισθητήρας VVB3 ανιχνεύει δονήσεις κατά μήκος τριών αξόνων μέτρησης και υπολογίζει δείκτες για την αξιολόγηση της κατάστασης του μηχανήματος. Οι πληροφορίες σχετικά με την κόπωση, την τριβή, τις κρούσεις ή τη φθορά των ρουλεμάν μεταδίδονται εύκολα μέσω IO-Link.
«Τα εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα δόνησης κατά τη διαδικασία έλξης είναι απαραίτητα για τη διασφάλιση της ποιότητας των ράβδων. Τα δεδομένα που μεταδίδονται μάς επιτρέπουν επίσης να παρακολουθούμε με μεγάλη ακρίβεια την κατάσταση των μειωτήρων και του άξονα μετάδοσης κίνησης, καθώς και να προγραμματίζουμε τις εργασίες συντήρησης σε πρώιμο στάδιο».
Εικόνα 6: Σε αυτό το σύστημα, ράβδοι πυριτίου μήκους έως 3,5 μέτρων «έλκονται» για την παραγωγή πλακιδίων.
Εικόνα 7: Αισθητήρες ροής παρακολουθούν το κύκλωμα ψύξης του συστήματος Czochralski.
Αξιόπιστα εξαρτήματα για μακροχρόνια λειτουργία
Τα συστήματα της PVA TePla έχουν σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία επί διάστημα πολλών ετών. «Για αυτόν τον λόγο, όλα τα εξαρτήματα, και ιδίως οι αισθητήρες, πρέπει να παρέχουν σταθερά επακριβή απόδοση σε μακροπρόθεσμη βάση» τόνισε ο Lukas Ewert.
«Επί διάστημα πολλών ετών, είχαμε αμιγώς θετικές εμπειρίες με τα προϊόντα της ifm, από άποψη αντοχής και αξιοπιστίας σε μακροπρόθεσμη λειτουργία. Επίσης, όταν προκύπτουν νέες απορίες ή εξετάζουμε νέες προσεγγίσεις στον αυτοματισμό, μπορούμε να βασιζόμαστε στη δυνατότητα απευθείας επικοινωνίας με την ifm, για να μας προσφέρει άμεση υποστήριξη».
Συγκόλληση διάχυσης για τις πιο απαιτητικές προδιαγραφές υλικών
Οι λύσεις της ifm χρησιμοποιούνται επίσης στην τεχνολογία συγκόλλησης διάχυσης, που αποτελεί έναν ακόμη επιχειρηματικό τομέα της PVA TePla. Αυτή η διαδικασία σύνδεσης στερεάς κατάστασης χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στην παραγωγή πλακών ψύξης για τη βιομηχανία ημιαγωγών, οι οποίες πρέπει να πληρούν τις υψηλότερες δυνατές απαιτήσεις όσον αφορά την αντοχή και την αντίσταση στη διάβρωση. Ο Patrick Müller, επικεφαλής της ομάδας συγκόλλησης διάχυσης στην PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, εξήγησε: «Για να επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα, οι συνθήκες της διαδικασίας, όπως η θερμοκρασία, η πίεση, το κενό και η εφαρμοζόμενη δύναμη, πρέπει να επιτηρούνται στενά καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να διαρκέσει αρκετές εβδομάδες. Οι αισθητήρες ροής της ifm που χρησιμοποιούμε για την επιτήρηση του κυκλώματος ψύξης διασφαλίζουν ότι το σύστημα δεν υπερθερμαίνεται σε κανένα σημείο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, αλλά παραμένει σε ασφαλή κατάσταση λειτουργίας.»
Η ευχρηστία ως προστιθέμενη αξία
Ένα άλλο πλεονέκτημα των λύσεων της ifm είναι η ευκολία χρήσης τους. Ο Müller υπογράμμισε τον σαφή και διαισθητικό σχεδιασμό των αισθητήρων: «Ως χειριστής, μπορείτε να δείτε με μια ματιά σε ποια κατάσταση βρίσκεται το μηχάνημα. Ένα άλλο σαφές πλεονέκτημα είναι το πόσο εύκολα μπορούν να αναβαθμιστούν τα παλαιότερα μηχανήματα με τους αισθητήρες. Ουσιαστικά, είναι plug and play, δηλαδή συνδέονται και λειτουργούν αμέσως». Αυτός ο φιλικός προς τον χρήστη σχεδιασμός όχι μόνο απλοποιεί τον καθημερινή χειρισμό, αλλά μειώνει επίσης τις απαιτήσεις εκπαίδευσης για το προσωπικό που πραγματοποιεί τον χειρισμό.
Εικόνα 8: Υπό υψηλή πίεση, τα μεμονωμένα στρώματα συγκολλούνται μεταξύ τους σε μία ενιαία δομή σε αυτό το μηχάνημα.
Εικόνα 9: Ευκολία ανάγνωσης: αισθητήρες ροής σε σύστημα συγκόλλησης διάχυσης.
Μια σχέση άριστης συνεργασίας ως βάση για την καινοτομία
Στην PVA TePla, η μακροχρόνια συνεργασία με την ifm ως συνεργάτη στον τομέα της αυτοματοποίησης εκτιμάται ιδιαίτερα: «Θα χαρακτήριζα τη συνεργασία μας με την ifm ως πολύ εποικοδομητική, αξιόπιστη και βασισμένη στην εμπιστοσύνη» συνόψισε ο Lukas Ewert. «Μπορούμε πάντα να απευθυνόμαστε απευθείας στους υπευθύνους της ifm και να εργαζόμαστε από κοινού για να προωθήσουμε την καινοτομία και τα έργα αυτοματοποίησης».
Συμπέρασμα
Οι απαιτήσεις στην κατασκευή υλικών υψηλής τεχνολογίας είναι εξαιρετικά υψηλές, ιδίως όσον αφορά την ακρίβεια, την αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα. Με την ifm ως συνεργάτη της στον τομέα του αυτοματισμού, η PVA TePla ανταποκρίνεται με επιτυχία στις προκλήσεις που συνδέονται με τις προηγμένες διεργασίες ανάπτυξης κρυστάλλων.
