PVA TePla – Digitalisasi pembentukan kristal tunggal
Semikonduktor: produksi batangan yang telah disempurnakan
Bagaimana PVA TePla mengoptimalkan pembentukan kristal tunggal melalui otomatisasi
PVA TePla AG adalah penyedia terkemuka global dalam bidang peralatan dan teknologi pengukuran untuk aplikasi industri yang menuntut. Berbagai sistem mereka yang canggih sangat diminati oleh industri semikonduktor.
“Sebagai penyedia solusi, kami beroperasi global dan hadir di mana pun pelanggan kami berada. Didorong oleh permintaan yang kuat dari industri semikonduktor, saat ini kami memiliki pangsa pasar yang cukup besar di Asia dan di Amerika Serikat,” jelas Jan Pfeiffer, Managing Director PVA TePla Group. Dengan TechHub-nya di Wettenberg, PVA TePla telah memposisikan diri sebagai penggerak utama inovasi dalam riset material untuk industri semikonduktor.
Silikon karbida – kunci untuk mobilitas listrik
Anak perusahaan PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) memiliki pengalaman lebih dari 60 tahun dalam bidang pembentukan kristal. Penekanan khusus diberikan pada produksi kristal silikon karbida (SiC).
“Yang membedakan kristal silikon karbida adalah kemampuannya untuk menangani kepadatan daya ekstrem,” jelas Lukas Ewert, Team Leader Electrical Design di PVA CGS. “Bila dibandingkan dengan silikon konvensional, penggunaan SiC memungkinkan, misalnya, desain baterai yang lebih kecil dengan output daya yang sama. Pengurangan berat yang dihasilkan sangat menguntungkan untuk aplikasi mobilitas listrik.”
Kondisi ekstrem memerlukan presisi yang maksimal
Untuk produksi kristal SiC, PVA TePla telah merancang sistem SiCma yang beroperasi berdasarkan metode Physical Vapor Transport (PVT). “Dalam proses ini, campuran bubuk silikon karbon mengalami sublimasi dalam wadah grafit pada suhu sekitar 2.300 °C dan mengendap pada kristal benih untuk membentuk boule,” jelas Ewert. “Untuk mencapai hasil berkualitas tinggi, suhu dan tekanan dalam ruang proses harus dikontrol secara presisi dalam sepanjang seluruh proses pembentukan kristal. Bahkan deviasi terkecil sekali pun dapat mengancam keamanan seluruh proses dan menyebabkan berkurangnya kualitas secara signifikan." Karena proses pembentukan semacam ini dapat memakan waktu hingga tiga minggu, pemantauan dan kontrol proses harus secara terus-menerus memenuhi standar tertinggi.
Gambar 1: Batangan silikon sebagai objek demonstrasi.
Gambar 2: Kristal silikon karbida yang dihasilkan pada sistem ini digunakan, di antara aplikasi lainnya, adalah dalam baterai untuk mobilitas listrik.
Sensor pintar memastikan kondisi proses yang stabil
Untuk memastikan tingkat presisi yang diperlukan, PVA mengandalkan sensor berkemampuan IO-Link dari ifm. "Misalnya, kami menggunakan sensor aliran SV4200 dari ifm untuk memantau dan menjaga aliran air pendingin tetap konstan. Hal ini sangat penting tidak hanya untuk menjaga suhu proses tetap stabil, tetapi juga untuk melindungi casing, pipa, dan komponen dari kondisi panas berlebihan dan dari potensi kerusakan," jelas Ewert.
Selain itu, sensor tekanan PV8000 memantau tekanan suplai dan balik serta suhu medium pendingin. "Sebelumnya, pemantauan ini dilakukan secara manual. Sekarang kami juga dapat mengakses nilai ini melalui IO-Link dan merespons fluktuasi dengan lebih cepat dan efektif,” tambah pimpinan tim ini. Master IO-Link AL1202 mengumpulkan semua data sensor dan mengirimnya untuk evaluasi secara terpusat. Lampu sinyal DV yang memberikan pengguna indikasi visual tentang status proses yang aktual, juga dikontrol dari master IO-Link.
Gambar 1: Puck silikon karbida: Kualitas yang diperlukan hanya dapat dicapai dengan parameter proses yang dikontrol secara presisi.
Gambar 2: Master IO-Link (bagian atas) mengumpulkan dan meneruskan data dari sensor tekanan (bagian tengah, depan) dan sensor aliran (bagian kiri bawah).
Gambar 3: Lampu sinyal DV memberikan informasi visual tentang status proses yang aktual.
IO-Link: informasi lebih banyak, transparansi sistem lebih besar
IO-Link telah lama diakui sebagai standar independen dari produsen untuk komunikasi sensor digital dalam teknologi otomatisasi. Dibandingkan interface biner dan analog konvensional, IO-Link memungkinkan untuk transmisi nilai proses dengan resolusi tinggi serta informasi diagnostik yang komprehensif. Pengguna mendapatkan manfaat dari struktur data yang terstandarisasi, upaya pemasangan kabel yang berkurang, dan integrasi yang mulus ke dalam sistem kontrol dan arsitektur IIoT.
Teknologi ini dapat mendukung transmisi beberapa nilai pengukuran per perangkat, diagnostik berbasis peristiwa, dan pengaturan parameter perangkat dari jarak jauh. Hal ini menghasilkan peningkatan transparansi sistem, pemeliharaan yang lebih optimal, dan penghematan yang terukur dalam hal biaya pengaturan dan operasional.
Digitalisasi sebagai faktor kunci untuk ketersediaan sistem
Aspek ini juga memainkan peran sentral di PVA TePla. “Digitalisasi sangat penting bagi kami, terutama dengan sistem SiCma,” tegas Lukas Ewert. “Berbagai sistem ini sering dipasang dalam jumlah besar di ruang produksi. Proses bongkar dan muat biasanya dilakukan sepenuhnya secara otomatis. Sistem kami harus dapat berkomunikasi dengan sistem di level yang lebih tinggi sehingga operator dapat memantau status proses secara terpusat kapan saja.” PVA TePla menggunakan portofolio IO-Link yang komprehensif dari ifm sebagai dasar untuk ini.
Pemeliharaan prediktif untuk efisiensi produksi maksimal
PVA bekerja intensif dalam pemeliharaan prediktif untuk memberikan indikasi awal mengenai kebutuhan pemeliharaan berikutnya atau deviasi proses. “Hal ini memungkinkan operator menjaga ketersediaan mesin secara maksimal sambil terus mencapai kualitas produk tertinggi yang mungkin,” jelas Ewert. Sensor dari ifm menyediakan data yang diperlukan untuk memantau kondisi sistem secara kontinu dan mendeteksi potensi masalah sebelum menyebabkan waktu henti yang mahal.
Pembentukan kristal silikon menggunakan proses Czochralski
PVA juga memiliki persyaratan yang sama tingginya terhadap pembentukan kristal silikon menggunakan proses Czochralski. Dalam sistem ini, batangan silikon dengan panjang hingga 3,50 meter dibentuk dengan cara perlahan kristal benih secara perlahan dari silikon cair pada suhu sekitar 1.400 °C. Wafer yang dihasilkan digunakan terutama dalam industri semikonduktor dan menjadi dasar untuk berbagai macam komponen elektronik.
Proses getaran rendah untuk kualitas produk tertinggi
“Dalam sistem SC32, teknologi otomatisasi diimplementasikan sebagai kombinasi antara IO-Link dan ProfiNet,” jelas Ewert.
“Kami menggunakan IO-Link ketika kami ingin mengekstrak informasi yang lebih mendetail dari berbagai sensor. Misalnya, kami menggunakan SM8000 untuk memantau dan mengontrol sirkuit pendingin." Sensor aliran magnetik-induktif ini tidak hanya mengukur laju aliran tetapi juga suhu media.
Selain itu, PVA menggunakan sensor getaran IO-Link tiga fase VVB3 untuk memantau dua penggerak proses. VVB3 mendeteksi getaran pada tiga sumbu pengukuran dan menghitung indikator untuk mengevaluasi kondisi mesin. Informasi mengenai berkurangnya kinerja, friksi, benturan, atau keausan bearing dapat dikirim dengan mudah melalui IO-Link.
“Level getaran sangat rendah selama proses penarikan sangat penting untuk memastikan kualitas batangan. Data yang dikirimkan juga memungkinkan kami untuk memantau kondisi unit roda gigi dan poros penggerak dengan sangat presisi serta menjadwalkan aktivitas pemeliharaan pada tahap awal.”
Gambar 1: Batangan silikon dengan panjang hingga 3,5 meter “ditarik” dalam sistem ini untuk produksi wafer.
Gambar 2: Sensor aliran memantau sirkuit pendinginan sistem Czochralski.
Komponen yang andal untuk operasi jangka panjang
Sistem PVA TePla dirancang untuk beroperasi secara kontinu selama bertahun-tahun. “Oleh karena itu, semua komponen, terutama sensor, harus memiliki kinerja yang konsisten dan presisi selama jangka waktu yang panjang,” tegas Lukas Ewert.
“Selama bertahun-tahun, kami memiliki pengalaman positif dengan ifm terkait ketahanan dan keandalan dalam operasi jangka panjang. Demikian pula, saat muncul pertanyaan baru atau mempertimbangkan pendekatan otomatisasi baru, kami dapat mengandalkan kontak langsung kami dengan ifm dan dapat dengan cepat menerima dukungan pakar."
Bonding difusi untuk persyaratan material yang paling ketat
Solusi ifm juga digunakan dalam teknologi bonding difusi, bidang usaha lain dari PVA TePla. Proses penggabungan solid-state ini digunakan, misalnya, untuk memproduksi pelat pendingin untuk industri semikonduktor yang harus memenuhi persyaratan tertinggi dalam hal kekuatan dan ketahanan korosi. Patrick Müller, Team Leader Diffusion Bonding di PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, menjelaskan: “Untuk mencapai hasil yang diinginkan, kondisi proses seperti suhu, tekanan, vakum, dan gaya yang diberikan harus dipantau secara ketat sepanjang proses yang dalam beberapa kasus bisa berlangsung selama beberapa minggu. Sensor aliran dari ifm yang kami gunakan untuk memantau sirkuit pendinginan memastikan sistem tidak mengalami panas yang berlebihan pada titik mana pun selama proses, namun tetap dalam status pengoperasian yang aman."
Kemudahan penggunaan sebagai nilai tambah
Kelebihan lain dari solusi ifm adalah kemudahan penggunaannya. Müller menyoroti pada desain sensor yang jelas dan intuitif: "Sebagai operator, Anda dapat dengan cepat melihat kondisi mesin. Keuntungan lain yang jelas adalah yang mesin lama bisa dengan mudah diretrofit dengan sensor. Bisa langsung Plug and Play.” Desain yang mudah digunakan ini tidak hanya mempermudah operasi sehari-hari, tetapi juga mengurangi perlunya pelatihan bagi personel operasional.
Gambar 1: Saat di bawah tekanan tinggi, setiap lapisan dapat disatukan menjadi satu struktur tunggal dalam mesin ini.
Gambar 2: Mudah dibaca: sensor aliran pada sistem bonding difusi.
Kemitraan kolaboratif sebagai landasan inovasi
Di PVA TePla, kerja sama yang telah berlangsung lama dengan ifm sebagai mitra otomatisasi sangat dihargai: “Kolaborasi kami dengan ifm sangat kooperatif, dapat diandalkan, dan didasarkan pada kepercayaan,” ringkas Lukas Ewert. “Kami selalu dapat secara langsung menghubungi kontak kami dan bekerja sama untuk mendorong projek inovasi dan otomatisasi ke depannya.”
Kesimpulan
Persyaratan dalam produksi material dengan teknologi tinggi sangat ketat, terutama dalam hal tingkat presisi, keandalan, dan ketersediaan. Dengan ifm sebagai mitra otomatisasi, PVA TePla berhasil mengatasi tantangan yang terkait dengan proses pembentukan kristal canggih.
