PVA TePla – Cyfrowy wzrost pojedynczych kryształów
Półprzewodniki: doskonalenie produkcji wlewków
W jaki sposób firma PVA TePla optymalizuje wzrost monokryształów poprzez automatyzację
PVA TePla AG jest wiodącym światowym dostawcą urządzeń i technologii pomiarowej do wymagających zastosowań przemysłowych. Jego zaawansowane technologicznie systemy są szczególnie poszukiwane w branży półprzewodników.
„Jako dostawca rozwiązań działamy globalnie i jesteśmy obecni wszędzie tam, gdzie znajdują się nasi klienci. „W związku z dużym popytem ze strony branży półprzewodników jesteśmy obecnie szczególnie dobrze reprezentowani na rynku azjatyckim i amerykańskim” – wyjaśnia Jan Pfeiffer, dyrektor zarządzający grupy PVA TePla. Dzięki centrum technologicznemu TechHub w Wettenbergu firma PVA TePla stała się kluczowym motorem innowacji w dziedzinie badań nad materiałami dla przemysłu półprzewodnikowego.
Węglik krzemu – klucz do elektromobilności
Spółka zależna PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) może pochwalić się ponad 60-letnim doświadczeniem w dziedzinie hodowli kryształów. Szczególny nacisk kładzie się na produkcję kryształów węglika krzemu (SiC).
„Cechą wyróżniającą kryształy węglika krzemu jest ich zdolność do wytrzymywania ekstremalnych gęstości mocy” – wyjaśnia Lukas Ewert, kierownik zespołu ds. projektowania elektrycznego w PVA CGS. „W porównaniu z konwencjonalnym krzemem zastosowanie SiC umożliwia na przykład projektowanie mniejszych baterii o tej samej mocy wyjściowej. Wynikająca z tego redukcja masy jest szczególnie korzystna w zastosowaniach związanych z elektromobilnością.
Ekstremalne warunki wymagają maksymalnej precyzji
Do produkcji kryształów SiC firma PVA TePla zaprojektowała system SiCma, który działa zgodnie z metodą fizycznego transportu pary (PVT). „W tym procesie mieszanka proszku krzemowo-węglowego ulega sublimacji w tyglu grafitowym w temperaturze około 2300°C i osadza się na krysztale zarodkowym, tworząc bryłę” – wyjaśnia Ewert. „Aby uzyskać wysokiej jakości wynik, temperatura i ciśnienie w komorze procesowej muszą być precyzyjnie kontrolowane przez cały proces wzrostu kryształów. Nawet najmniejsze odchylenia mogą zagrozić całemu procesowi i prowadzić do znacznych strat jakościowych. Ponieważ taki proces wzrostu może trwać nawet trzy tygodnie, monitorowanie i kontrola procesu muszą nieustannie spełniać najwyższe standardy.
Zdjęcie 1: Krzemowy wlewek jako obiekt demonstracyjny.
Zdjęcie 2: Kryształy węglika krzemu produkowane w tych systemach mają różne zastosowania, między innymi w akumulatorach do pojazdów elektrycznych.
Inteligentne czujniki procesowe zapewniają stabilne warunki procesu
Aby zapewnić wymagany poziom precyzji, firma PVA korzysta z czujników ifm obsługujących protokół IO-Link. „Na przykład używamy czujnika przepływu SV4200 firmy ifm do monitorowania i utrzymywania stałego przepływu wody chłodzącej. Jest to ważne nie tylko dla utrzymania stabilnej temperatury procesu, ale także dla ochrony obudów, rur i komponentów przed przegrzaniem, a tym samym przed potencjalnym uszkodzeniem” – wyjaśnia Ewert.
Ponadto czujnik ciśnienia PV8000 monitoruje ciśnienie zasilania i powrotu oraz temperaturę czynnika chłodzącego. „Wcześniej monitorowanie to było przeprowadzane ręcznie. Teraz możemy również pobierać te wartości za pośrednictwem IO-Link i szybciej oraz skuteczniej reagować na wszelkie wahania” – dodaje kierownik zespołu. Mastery IO-Link AL1202 gromadzą wszystkie dane z czujników i przekazują je do centralnej oceny. Lampa sygnalizacyjna DV, która zapewnia użytkownikom wizualną informację o aktualnym stanie procesu, jest również sterowana za pośrednictwem mastera IO-Link.
Zdjęcie 1: Krążek z węglika krzemu: Wymaganą jakość można osiągnąć wyłącznie dzięki precyzyjnej kontroli parametrów procesu.
Zdjęcie 2: Master IO-Link (u góry) zbiera i przekazuje dane z czujnika ciśnienia (środek, z przodu) oraz czujnika przepływu (na dole po lewej stronie).
Zdjęcie 3: Lampka sygnalizacyjna DV dostarcza wizualnych informacji o aktualnym stanie procesu.
IO-Link: więcej informacji, większa przejrzystość systemu
IO-Link od dawna jest uznanym, niezależnym od producenta standardem cyfrowej komunikacji czujników w technologii automatyki. W porównaniu z konwencjonalnymi interfejsami binarnymi i analogowymi, IO-Link umożliwia transmisję wartości procesowych o wysokiej rozdzielczości, a także kompleksowych informacji diagnostycznych. Użytkownicy korzystają ze znormalizowanych struktur danych, mniejszego nakładu pracy związanego z okablowaniem oraz płynnej integracji z systemami sterowania i architekturami IIoT.
Technologia ta umożliwia przesyłanie wielu wartości pomiarowych z każdego urządzenia, diagnostykę opartą na zdarzeniach oraz zdalną parametryzację urządzeń. Skutkuje to poprawą przejrzystości systemu, optymalizacją konserwacji oraz wymiernymi oszczędnościami w zakresie kosztów związanych z ustawianiem i eksploatacją.
Cyfryzacja jako kluczowy czynnik dostępności systemu
Aspekty te odgrywają również kluczową rolę w firmie PVA TePla. „Cyfryzacja jest dla nas niezwykle ważna, zwłaszcza w przypadku systemu SiCma” – podkreśla Lukas Ewert. „Systemy te są często instalowane w dużych ilościach w halach produkcyjnych. Załadunek i rozładunek są zazwyczaj w pełni zautomatyzowane. Nasze systemy muszą być w stanie komunikować się z systemami wyższego poziomu, aby operatorzy mogli w dowolnym momencie centralnie monitorować stan procesu. PVA TePla wykorzystuje w tym celu kompleksową ofertę produktów IO-Link firmy ifm.
Konserwacja predykcyjna dla maksymalnej wydajności produkcji
PVA intensywnie pracuje również nad koncepcjami konserwacji predykcyjnej , aby zapewnić wczesne wskazanie nadchodzących wymagań konserwacyjnych lub odchyleń procesowych. „Dzięki temu operatorzy mogą utrzymać maksymalną dostępność maszyn, jednocześnie osiągając najwyższą możliwą jakość produktów” – wyjaśnia Ewert. Czujniki firmy ifm dostarczają dane niezbędne do ciągłego monitorowania stanu systemu i wykrywania potencjalnych problemów, zanim spowodują one kosztowne przestoje.
Wzrost kryształów krzemu przy użyciu procesu Czochralskiego
PVA stawia podobnie wysokie wymagania dotyczące wzrostu kryształów krzemu przy użyciu procesu Czochralskiego. W systemach tych wlewki krzemu o długości do 3,50 metra są wytwarzane poprzez powolne wyciąganie kryształu zarodkowego ze stopionego krzemu w temperaturze około 1400 °C. Powstałe w ten sposób płytki są wykorzystywane głównie w przemyśle półprzewodnikowym i stanowią podstawę dla szerokiej gamy komponentów elektronicznych.
Procesy o niskim poziomie wibracji zapewniające najwyższą jakość produktu
„W systemie SC32 technologia automatyzacji jest wdrożona jako połączenie IO-Link i ProfiNet” – wyjaśnia Ewert.
„Korzystamy z IO-Link wszędzie tam, gdzie chcemy uzyskać bardziej szczegółowe informacje z czujników. Na przykład używamy SM8000 do monitorowania i sterowania obwodem chłodzenia. Ten czujnik przepływu magnetyczny-indukcyjny mierzy nie tylko natężenie przepływu, ale także temperaturę medium.
Ponadto firma PVA wykorzystuje trójosiowy czujnik drgań IO-Link VVB3 do monitorowania dwóch napędów procesowych. VVB3 wykrywa drgania wzdłuż trzech osi pomiarowych i oblicza wskaźniki służące do oceny stanu maszyny. Informacje dotyczące zmęczenia materiału, tarcia, uderzeń lub zużycia łożysk są wygodnie przesyłane za pośrednictwem IO-Link.
„Niezwykle niski poziom drgań podczas procesu wyciągania ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia jakości wlewków. Przesyłane dane pozwalają nam również bardzo precyzyjnie monitorować stan przekładni i wału napędowego oraz planować czynności związane z konserwacją na wczesnym etapie.
Zdjęcie 1: W tym systemie do produkcji płytek krzemowych „wyciąga się” krzemowe wlewki o długości do 3,5 metra.
Zdjęcie 2: Czujniki przepływu monitorują obwód chłodzący systemu Czochralskiego.
Niezawodne komponenty zapewniające długotrwałą pracę
Systemy PVA TePla są zaprojektowane do ciągłej pracy przez wiele lat. „Z tego powodu wszystkie komponenty, a w szczególności czujniki, muszą zapewniać stałą precyzję działania przez długi czas” – podkreśla Lukas Ewert.
„Przez wiele lat mieliśmy wyłącznie pozytywne doświadczenia z firmą ifm pod względem wytrzymałości i niezawodności w długotrwałej pracy. Podobnie, gdy pojawiają się nowe pytania lub rozważane są nowe podejścia do automatyzacji, możemy polegać na naszym bezpośrednim kontakcie z firmą ifm i uzyskać fachowe wsparcie w krótkim czasie.
Zgrzewanie dyfuzyjne dla najbardziej wymagających materiałów
Rozwiązania firmy ifm są również wykorzystywane w technologii zgrzewania dyfuzyjnego, kolejnym obszarze działalności firmy PVA TePla. Ten proces łączenia w stanie stałym jest stosowany na przykład do produkcji płyt chłodzących dla przemysłu półprzewodnikowego, które muszą spełniać najwyższe wymagania w zakresie wytrzymałości i odporności na korozję. Patrick Müller, kierownik zespołu ds. zgrzewania dyfuzyjnego w firmie PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, wyjaśnia: „Aby osiągnąć pożądane wyniki, warunki procesu, takie jak temperatura, ciśnienie, próżnia i przyłożona siła, muszą być ściśle monitorowane przez cały czas trwania procesu, który w niektórych przypadkach może trwać kilka tygodni. Czujniki przepływu firmy ifm, które stosujemy do monitorowania obiegu chłodzącego, zapewniają, że system nie ulega przegrzaniu w żadnym momencie procesu, ale pozostaje w bezpiecznym stanie pracy.
Łatwość obsługi jako wartość dodana
Kolejną zaletą rozwiązań firmy ifm jest ich łatwość obsługi. Müller podkreśla przejrzystą, intuicyjną konstrukcję czujników: „Jako operator możesz szybko sprawdzić, w jakim stanie jest maszyna. Kolejną zaletą jest to, że starsze maszyny można łatwo doposażyć w czujniki. Jest to rozwiązanie typu „plug and play”. Ta przyjazna dla użytkownika konstrukcja nie tylko upraszcza codzienną pracę, ale także zmniejsza wymagania szkoleniowe dla personelu wykonującego pracę.
Zdjęcie 1: W tej maszynie poszczególne warstwy są łączone pod wysokim ciśnieniem w jedną strukturę.
Zdjęcie 2: Łatwy do odczytania: czujniki przepływu w systemie zgrzewania dyfuzyjnego.
Współpraca partnerska jako podstawa innowacji
W firmie PVA TePla bardzo ceniona jest długoletnia współpraca z ifm jako partnerem w zakresie automatyzacji: „Naszą współpracę z firmą ifm określiłbym jako bardzo owocną, niezawodną i opartą na zaufaniu” – podsumowuje Lukas Ewert. „Zawsze możemy zwrócić się bezpośrednio do naszych kontaktów i współpracować, aby realizować projekty związane z innowacjami i automatyzacją”.
Wniosek
Wymagania dotyczące produkcji materiałów zaawansowanych technologicznie są niezwykle wysokie, zwłaszcza w zakresie precyzji, niezawodności i dostępności. Dzięki współpracy z firmą ifm jako partnerem w zakresie automatyzacji, PVA TePla z powodzeniem sprostała wyzwaniom związanym z zaawansowanymi procesami hodowli kryształów.
