PVA TePla – Digitalizált monokristálytenyésztés
Félvezető: Tökéletes öntvénygyártás
Hogyan optimalizálja a PVA TePla az automatizálással az egykristályos tenyésztést?
A PVA TePla AG világszerte vezető szállítója a igényes ipari alkalmazásokhoz szükséges berendezéseknek és mérőtechnikának. Különösen a félvezetőiparban van nagy kereslet a közepes méretű gépgyártó high-tech berendezései iránt.
„Megoldásszolgáltatóként globális szinten működünk, és ott vagyunk jelen, ahol ügyfeleink vannak. „A félvezetőiparban tapasztalható erős keresletnek köszönhetően jelenleg különösen erős jelenlétünk van az ázsiai piacon és az Egyesült Államokban” – magyarázza Jan Pfeiffer, a PVA TePla csoport ügyvezető igazgatója. A Wettenbergben található TechHub révén a vállalat fontos innovációs motorral rendelkezik, különösen a félvezetőiparban végzett anyagkutatás terén.
Szilícium-karbid – az elektromos mobilitás kulcsa
A leányvállalat, a PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) több mint 60 éves tapasztalattal rendelkezik a kristálytenyésztés területén. Különös figyelmet fordítunk a szilícium-karbid (SiC) kristályok gyártására.
„A szilícium-karbid kristályok különlegessége, hogy rendkívül nagy energiasűrűséget képesek szállítani” – magyarázza Lukas Ewert, a PVA CGS elektromos tervezésért felelős csapatvezetője. „A hagyományos szilíciumhoz képest ez lehetővé teszi például kisebb akkumulátorok gyártását azonos teljesítmény mellett. Az ezzel járó súlymegtakarítás döntő előnyt jelent az elektromos mobilitás számára.”
Az extrém körülmények a legnagyobb pontosságot igénylik
A SiC-kristályok gyártásához a PVA TePla megtervezte a SiCma berendezést, amely a fizikai gőzszállítási (PVT) eljárás alapján működik. „Ennek során egy szilícium-szén porkeverék 2300 Celsius-fokon szublimálódik egy grafit edényben, és egy magkristályon, más néven boule-on rakódik le” – magyarázza Ewert. „A kiváló minőségű eredmény elérése érdekében a hőmérsékletet és a nyomást a kristálytenyésztés teljes időtartama alatt pontosan kell szabályozni a folyamatkamrában. Még a legkisebb eltérések is veszélyeztethetik az egész folyamatot és jelentős minőségromláshoz vezethetnek. Mivel egy ilyen tenyésztési folyamat akár három hétig is eltarthat, a folyamatfelügyeletnek és -irányításnak folyamatosan a legmagasabb követelményeknek kell megfelelnie.
1. kép: Egy szilíciumtömb bemutató tárgyként.
2. kép: Az ezekben a berendezésekben előállított szilícium-karbid kristályokat többek között az elektromos járművek akkumulátoraihoz használják.
Intelligens érzékelőtechnika az állandó folyamatfeltételek biztosításához
A szükséges pontosság biztosítása érdekében a PVA az ifm IO-Link kompatibilis érzékelőit használja. „Például az ifm SV4200 áramlásérzékelőt használjuk a hűtővíz áramlásának ellenőrzésére és állandó szinten tartására. Ez egyrészt fontos az állandó folyamat hőmérséklet fenntartása szempontjából, másrészt pedig a burkolat, a vezetékek és az alkatrészek túlmelegedés és ezáltal meghibásodás elleni védelme érdekében is” – magyarázza Ewert.
Ezenkívül a PV8000 nyomásérzékelő figyeli a hűtőközeg előre- és visszatérő nyomását, valamint hőmérsékletét. „Ezt a felügyeletet korábban manuálisan végeztük, most pedig az IO-Link segítségével is lekérhetjük ezeket az értékeket, és jobban és gyorsabban reagálhatunk az esetleges ingadozásokra” – mondja a csapatvezető. Az AL1202 típusú IO-Link-masterek összegyűjtik az összes érzékelőadatot, és továbbítják azokat a központi értékeléshez. A DV jelzőfényvezérlése, amely vizuálisan tájékoztatja a felhasználót az aktuális folyamat állapotáról, szintén az IO-Link-Master segítségével történik.
1. kép: Szilícium-karbid korong: Csak pontos folyamatparaméterekkel érhető el a kívánt minőség.
2. kép: A nyomásérzékelő (kép közepe, elöl) és az áramlásérzékelő (balra lent) által rögzített adatokat az IO-Link-mester (fent) gyűjti össze és továbbítja.
3. kép: A DV jelzőfény vizuálisan tájékoztat az aktuális folyamat állapotáról.
IO-Link: Több információ, nagyobb átláthatóság a berendezések tekintetében
Az IO-Link már régóta gyártófüggetlen szabványként van elismerve a digitális érzékelőkommunikáció területén az automatizálási technológiában. A hagyományos bináris és analóg interfészekhez képest az IO-Link lehetővé teszi a nagy felbontású folyamatértékek és átfogó diagnosztikai információk továbbítását. A felhasználók előnyösnek tartják a szabványosított adatstruktúrákat, a csökkentett kábelezési igényeket és a vezérlő- és IIoT-architektúrákba való zökkenőmentes integrációt.
A technológia támogatja több mérési érték továbbítását eszközönként, eseményvezérelt diagnosztikát, valamint az eszközök távoli paraméterezését. Ez javítja a berendezés átláthatóságát, optimalizálja a karbantartást és mérhető megtakarításokat eredményez az üzembe helyezés és az üzemeltetési költségek terén.
A digitalizálás mint a berendezések rendelkezésre állásának kulcsa
Ezek a szempontok a PVA TePla számára is központi szerepet játszanak. „A digitalizálás nagyon fontos számunkra, különösen a SiCma-berendezés esetében” – hangsúlyozza Lukas Ewert. „Ezek gyakran nagy számban találhatók a gyártócsarnokokban. A rakodás és a kirakodás többnyire teljesen automatizáltan történik. Berendezéseinknek képesnek kell lenniük a felsőbbrendű rendszerekkel való kommunikációra, hogy az üzemeltető bármikor központilag ellenőrizhesse a folyamat állapotát. Ehhez a vállalat az ifm átfogó IO-Link portfólióját használja alapul.
Predictive Maintenance a maximális termelési hatékonyságért
A PVA emellett intenzíven dolgozik a prediktív karbantartási koncepciókon, hogy időben tájékoztasson a közelgő karbantartási igényekről vagy a folyamateltérésekről. „Így az üzemeltető bármikor maximális gépi rendelkezésre állással és a legjobb minőségben tud gyártani” – magyarázza Ewert. Az ifm érzékelői biztosítják a szükséges adatokat a berendezések állapotának folyamatos figyelemmel kíséréséhez és a potenciális problémák felismeréséhez, mielőtt azok költséges meghibásodásokhoz vezetnének.
Szilíciumkristály-tenyésztés a Czochralski-eljárás szerint
A PVA hasonlóan magas követelményeket támaszt a Czochralski-eljárással történő szilíciumkristály-tenyésztéssel szemben is. Ezekben a berendezésekben akár 3,50 méter hosszú szilíciumoszlopokat, úgynevezett öntvényeket húznak ki a 1400 Celsius-fokos szilíciumolvadékból egy magkristály lassú emelésével. Az így nyert szeletek főként a félvezetőiparban kerülnek felhasználásra, és számos elektronikus alkatrész alapját képezik.
Alacsony rezgésű folyamatok a legmagasabb termékminőség érdekében
„Az SC32 típusú berendezésben az automatizálási technológia IO-Link és ProfiNet kombinációjaként kerül alkalmazásra” – magyarázza Ewert. „Az IO-Linket ott használjuk, ahol több információt szeretnénk kihozni az érzékelőkből. Például az SM8000-et használjuk a hűtőkör ellenőrzésére és vezérlésére. Ez a mágneses-induktív áramlásérzékelő az áramlási mennyiség mellett a közeg hőmérsékletét is méri.
Ezenkívül a PVA a háromtengelyes IO-Link rezgésérzékelőt, a VVB3-at használja a két folyamatmeghajtó felügyeletére. A VVB3 három mérési tengelyen rögzíti a rezgéseket, és ezekből kiszámítja a gép állapotának értékeléséhez szükséges mutatókat. Az érzékelő az IO-Link segítségével kényelmesen továbbítja a fáradás, súrlódás, ütések vagy csapágykopás kapcsolatos információkat.
„A húzási folyamat során a körkörös mozgásnak rendkívül alacsony rezgésszinttel kell történnie, hogy biztosítható legyen az öntvény minősége. Ezenkívül a továbbított adatoknak köszönhetően nagyon pontosan figyelemmel kísérhetjük a hajtóművek és a hajtótengely állapotát, és időben megtervezhetjük a karbantartási munkákat.”
1. kép: A gépben akár 3,50 méter hosszú szilícium-tuskókat „húznak” a wafergyártáshoz.
2. kép: Az áramlásérzékelők figyelik a Czochralski-berendezés hűtőkörét.
A hosszú távú üzemeltetés megbízható alkatrészeket igényel
A PVA TePla berendezései hosszú távú, többéves folyamatos üzemeltetésre vannak tervezve. „Ezért az alkatrészeknek, különösen az érzékelőknek, olyan minőségűeknek kell lenniük, hogy tartósan pontosan működjenek” – hangsúlyozza Lukas Ewert.
„Az ifm-mel sok éven át csak pozitív tapasztalatokat szereztünk a robusztusság és a hosszú távú működés megbízhatósága tekintetében. Hasonlóképpen, új kérdések és automatizálási megközelítések esetén is fordulhatunk személyes kapcsolattartónkhoz az ifm-nél, ahol bármikor rövid határidőn belül szakértő segítséget kapunk.
Diffúziós hegesztési technika a legmagasabb anyagigénybevételekhez
Az ifm megoldásai a diffúziós hegesztési technológiában, a PVA TePla egy másik üzleti területén is alkalmazásra kerülnek. Ezzel a szilárdtest-összeillesztési eljárással például hűtőlemezeket gyártanak a félvezetőipar számára, amelyeknek meg kell felelniük a szilárdság és a korrózióállóság legmagasabb követelményeinek. Patrick Müller, a PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH diffúziós kötés csapatának vezetője így magyarázza: „A kívánt eredmény elérése érdekében a több hétig tartó folyamat során szigorúan ellenőrizni kell az alapvető feltételeket, mint például a hőmérsékletet, a nyomást, a vákuumot és az alkalmazott erőt. Az ifm áramlásérzékelői, amelyeket a hűtőkör ellenőrzésére használunk, biztosítják, hogy a berendezés a folyamat teljes időtartama alatt ne hevítsen túl, hanem biztonságos állapotban maradjon.
Felhasználóbarát kezelhetőség, mint további hozzáadott érték
Az ifm megoldások további előnye az egyszerű kezelhetőségük. Müller kiemeli az érzékelők áttekinthetőségét: „Az operátor első pillantásra láthatja, hogy a gép milyen állapotban van. További előny, hogy a régi gépek is egyszerűen felszerelhetők az érzékelőkkel. Ez gyakorlatilag plug-and-play.” Ez a felhasználóbarát kialakítás nemcsak megkönnyíti a napi működést, hanem csökkenti a kezelő személyzet képzési igényét is.
1. kép: Ebben a gépben nagy nyomás alatt egyes rétegek egy egésszé hegesztődnek össze.
2. kép: Könnyen leolvasható: Áramlásérzékelők egy diffúziós hegesztőberendezésen.
A partnerségi együttműködés mint az innováció alapja
A PVA nagyra értékeli az ifm-mel való hosszú távú együttműködést automatizálási partnerként: „Az ifm-mel való együttműködést nagyon partnerséginek, megbízhatónak és bizalomteljesnek tudom jellemezni” – összegzi Lukas Ewert. „Bármikor fordulhatunk kapcsolattartóinkhoz, és közösen előmozdíthatjuk az innovációs és automatizálási projekteket.”
Összegzés
Legmagasabb pontosság, megbízhatóság és rendelkezésre állás – a high-tech anyaggyártás követelményei rendkívül magasak. Az ifm automatizálási partnerével a PVA TePla képes megbirkózni a kristálytenyésztés igényes eljárásainak kihívásaival.
