PVA TePla – Crescimento digitalizado de monocristais
Semicondutores: produção de lingotes aperfeiçoada
Como a PVA TePla otimiza o crescimento de cristais únicos através da automatização
A PVA TePla AG é um fornecedor líder mundial de equipamentos e tecnologia de medição para aplicações industriais exigentes. Os seus sistemas de alta tecnologia são particularmente procurados na indústria de semicondutores.
«Enquanto fornecedor de soluções, operamos a nível global e estamos presentes onde quer que os nossos clientes se encontrem.» «Impulsionados pela forte procura da indústria de semicondutores, estamos atualmente especialmente bem representados no mercado asiático e nos Estados Unidos», explica Jan Pfeiffer, diretor-geral do Grupo PVA TePla. Com o seu TechHub em Wettenberg, a PVA TePla posicionou-se como um dos principais impulsionadores da inovação na investigação de materiais para a indústria de semicondutores.
Carboneto de silício – a chave para a eletromobilidade
A filial PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) conta com mais de 60 anos de experiência no cultivo de cristais. É dada especial atenção à produção de cristais de carboneto de silício (SiC).
«O que distingue os cristais de carboneto de silício é a sua capacidade de suportar densidades de potência extremas», explica Lukas Ewert, chefe da equipa de Conceção Elétrica da PVA CGS. «Em comparação com o silício convencional, a utilização de SiC permite, por exemplo, a conceção de baterias mais pequenas com a mesma potência de saída.» «A redução de peso resultante é particularmente benéfica para aplicações no domínio da mobilidade elétrica.»
Condições extremas exigem a máxima precisão
Para a produção de cristais de SiC, a PVA TePla concebeu o sistema SiCma, que funciona de acordo com o método de Transporte Físico de Vapor (PVT). «Neste processo, uma mistura de pó de silício e carbono é submetida a sublimação num cadinho de grafite a cerca de 2 300 °C e deposita-se sobre um cristal semente para formar um lingote», explica Ewert. «Para obter um resultado de alta qualidade, a temperatura e a pressão na câmara de processo devem ser controladas com precisão ao longo de todo o processo de crescimento de cristais.» «Mesmo os mais pequenos desvios podem comprometer todo o processo e conduzir a perdas significativas de qualidade.» Uma vez que esse processo de crescimento pode demorar até três semanas, a monitorização e o controlo do processo devem cumprir continuamente os mais elevados padrões.
Imagem 1: Um lingote de silício como objeto de demonstração.
Imagem 2: Os cristais de carboneto de silício produzidos nestes sistemas são utilizados, entre outras aplicações, em baterias para a mobilidade elétrica.
Os sensores inteligentes garantem condições de processo estáveis
Para garantir o nível de precisão necessário, a PVA recorre aos sensores compativeis com IO-Link da ifm. «Por exemplo, utilizamos o sensor de fluxo SV4200 da ifm para monitorizar e manter constantes os caudais de água de refrigeração. «Isto é importante não só para manter uma temperatura estável do processo, mas também para proteger as caixas, as tubagens e os componentes contra o sobreaquecimento e, consequentemente, contra possíveis danos», explica Ewert.
Além disso, o c sensor de pressão PV8000 monitoriza a pressão de alimentação e de retorno, bem como a temperatura do fluido de refrigeração. «Anteriormente, este acompanhamento era realizado manualmente.» «Agora também podemos obter esses valores através do IO-Link e responder a quaisquer flutuações de forma mais rápida e eficaz», acrescenta o chefe de equipa. O mestres IO-Link AL1202 recolher todos os dados dos sensores e encaminhá-los para avaliação centralizada. O sinalizador DV, que fornece aos utilizadores uma indicação visual do estado atual do processo, é também controlado através do mestre IO-Link.
Imagem 1: Puck de carboneto de silício: A qualidade exigida só pode ser alcançada através de parâmetros de processo controlados com precisão.
Imagem 2: O mestre IO-Link (em cima) recolhe e transmite os dados do sensor de pressão (ao centro, à frente) e do sensor de caudal (em baixo, à esquerda).
Imagem 3: O sinalizador DV fornece informações visuais sobre o estado atual do processo.
IO-Link: mais informações, maior transparência do sistema
O IO-Link está há muito estabelecido como um padrão independente do fabricante para a comunicação digital de sensores na tecnologia de automação. Em comparação com as interfaces binárias e analógicas convencionais, o IO-Link permite a transmissão de valores de processo de alta resolução, bem como de informações de diagnóstico abrangentes. Os utilizadores beneficiam de estruturas de dados padronizadas, de uma redução do trabalho de cablagem e de uma integração perfeita em sistemas de controlo e arquiteturas IIoT.
Esta tecnologia permite a transmissão de vários valores medidos por dispositivo, diagnósticos baseados em eventos e a configuração remota dos parâmetros dos dispositivos. Isto traduz-se numa maior transparência do sistema, numa manutenção otimizada e em poupanças mensuráveis nos custos de instalação e de exploração.
A digitalização como fator-chave para a disponibilidade do sistema
Estes aspetos também desempenham um papel central na PVA TePla. «A digitalização é extremamente importante para nós, especialmente no que diz respeito ao sistema SiCma», salienta Lukas Ewert. «Estes sistemas são frequentemente instalados em grande número em pavilhões de produção.» O carregamento e o descarregamento são normalmente totalmente automatizados. «Os nossos sistemas devem ser capazes de comunicar com sistemas de nível superior, para que os operadores possam monitorizar o estado do processo de forma centralizada a qualquer momento.» A PVA TePla utiliza o abrangente portfólio IO-Link da ifm como base para tal.
Manutenção preditiva para uma eficiência máxima da produção
A PVA está também a trabalhar intensamente em conceitos de manutenção preditiva com o objetivo de fornecer uma indicação precoce das futuras necessidades de manutenção ou de eventuais desvios nos processos. «Isto permite aos operadores manter a máxima disponibilidade das máquinas, ao mesmo tempo que garantem consistentemente a mais elevada qualidade possível do produto», explica Ewert. Os sensores da ifm fornecem os dados necessários para monitorizar continuamente o estado do sistema e para detetar potenciais problemas antes que estes provoquem paragens dispendiosas.
Crescimento de cristais de silício através do processo de Czochralski
O PVA impõe requisitos igualmente elevados ao crescimento de cristais de silício através do processo de Czochralski. Nestes sistemas, produzem-se barras de silício com até 3,50 metros de comprimento, através da extração gradual de um cristal semente a partir do silício fundido a uma temperatura de cerca de 1 400 °C. As plaquetas resultantes são utilizadas principalmente na indústria de semicondutores e constituem a base de uma vasta gama de componentes eletrónicos.
Processos de baixa vibração para a máxima qualidade do produto
«No sistema SC32, a tecnologia de automação é implementada através de uma combinação de IO-Link e ProfiNet», explica Ewert.
«Utilizamos o IO-Link sempre que pretendemos obter informações mais detalhadas dos sensores.» Por exemplo, utilizamos o SM8000 para monitorizar e controlar o circuito de refrigeração." Este sensor de caudal magnético-indutivo mede não só o caudal, mas também a temperatura do fluido.
Além disso, a PVA utiliza o sensor de vibração IO-Link de três eixos VVB3 para monitorizar as duas unidades de processo. O VVB3 deteta vibrações ao longo de três eixos de medição e calcula indicadores para avaliar o estado da máquina. As informações relativas à fadiga, ao atrito, aos impactos ou ao desgaste dos rolamentos são transmitidas de forma prática através do IO-Link.
«Os níveis de vibração extremamente baixos durante o processo de trefilagem são essenciais para garantir a qualidade das barras. Os dados transmitidos permitem-nos também monitorizar com grande precisão o estado das caixas de engrenagens e do eixo de transmissão, bem como programar as atividades de manutenção numa fase precoce.”
Imagem 1: Neste sistema, são «extrudidos» barras de silício com até 3,5 metros de comprimento para a produção de plaquetas.
Imagem 2: Os sensores de fluxo monitorizam o circuito de arrefecimento do sistema Czochralski.
Componentes fiáveis para um funcionamento a longo prazo
Os sistemas da PVA TePla são concebidos para um funcionamento contínuo durante muitos anos. “Por esta razão, todos os componentes, em particular os sensores, têm de apresentar um desempenho preciso e consistente a longo prazo”, sublinha Lukas Ewert.
"Ao longo de muitos anos, só tivemos experiências positivas com a ifm em termos de robustez e fiabilidade no funcionamento a longo prazo. Da mesma forma, quando surgem novas questões ou são consideradas novas abordagens de automação, podemos contar com o nosso contacto direto na ifm e receber apoio especializado num curto espaço de tempo."
Colagem por difusão para os requisitos de material mais exigentes
As soluções ifm são também utilizadas na tecnologia de ligação por difusão, outra área de negócio da PVA TePla. Este processo de união em estado sólido é utilizado, por exemplo, para produzir placas de refrigeração para a indústria de semicondutores, que têm de cumprir os mais elevados requisitos em termos de força e resistência à corrosão. Patrick Müller, chefe de equipa de colagem por difusão na PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, explica: "Para alcançar os resultados desejados, as condições do processo, como a temperatura, a pressão, o vácuo e a força aplicada, devem ser monitorizadas de perto durante todo o processo, que pode durar várias semanas em alguns casos. Os sensores de fluxo da ifm que utilizamos para monitorizar o circuito de arrefecimento garantem que o sistema não sobreaquece em nenhum momento durante o processo, mantendo-se num estado de funcionamento seguro".
Utilização user-friendly como valor acrescentado
Outra vantagem das soluções da ifm é a sua facilidade de utilização. Müller destaca o design claro e intuitivo dos sensores: "Como operador, pode ver rapidamente em que estado se encontra a máquina. Outra vantagem clara é a facilidade de retrofit de máquinas antigas com os sensores. É efetivamente “plug and play”. Este design user-friendly não só simplifica a operação diária, como também reduz os requisitos de formação para o pessoal operacional.
Imagem 1: Sob alta pressão, as camadas individuais são unidas numa única estrutura nesta máquina.
Imagem 2: Fácil de ler: sensores de fluxo num sistema de ligação por difusão.
Uma parceria de colaboração como base para a inovação
Na PVA TePla, a cooperação de longa data com a ifm como parceiro de automação é altamente valorizada: “Eu descreveria a nossa colaboração com a ifm como muito cooperativa, fiável e baseada na confiança”, resume Lukas Ewert. “Podemos sempre abordar diretamente os nossos contactos e trabalhar em conjunto para fazer avançar a inovação e os projectos de automatização.”
Conclusão
Os requisitos no fabrico de materiais de alta tecnologia são extremamente exigentes, especialmente em termos de precisão, fiabilidade e disponibilidade. Com a ifm como seu parceiro de automação, a PVA TePla enfrenta com sucesso os desafios associados aos processos avançados de crescimento de cristais.
