PVA TePla – Creșterea monocristalelor digitalizată
Semiconductoare: producția de lingouri perfecționată
Cum optimizează PVA TePla creșterea monocristalelor prin automatizare
PVA TePla AG este un furnizor global de echipamente și tehnologie de măsurare pentru aplicații industriale exigente. Sistemele sale de înaltă tehnologie sunt deosebit de căutate în industria semiconductorilor.
„În calitate de furnizor de soluții, operăm la nivel global și suntem prezenți oriunde se află clienții noștri. „Datorită cererii puternice din industria semiconductorilor, suntem în prezent foarte bine reprezentați pe piața asiatică și în Statele Unite”, explică Jan Pfeiffer, director general al grupului PVA TePla. Cu TechHub-ul său din Wettenberg, PVA TePla ca un factor cheie în inovarea cercetării materialelor pentru industria semiconductoarelor.
Carbură de siliciu – cheia electromobilității
Filiala PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) se poate baza pe o experiență de peste 60 de ani în domeniul creșterii cristalelor. Un accent deosebit se pune pe producția de cristale de carbură de siliciu (SiC).
„Ceea ce diferențiază cristalele de carbură de siliciu este capacitatea lor de a suporta densități de putere extreme”, explică Lukas Ewert, șef de echipă Proiectare electrică la PVA CGS. „Comparativ cu siliciul convențional, utilizarea SiC permite, de exemplu, proiectarea unor baterii mai mici cu aceeași putere. Reducerea greutății rezultată este deosebit de benefică pentru aplicațiile de electromobilitate.”
Condițiile extreme necesită precizie maximă
Pentru producția de cristale SiC, PVA TePla a proiectat sistemul SiCma, care funcționează conform metodei Transportului fizic al vaporilor (PVT). „În acest proces, un amestec de pulbere de siliciu și carbon suferă sublimare într-un creuzet de grafit la aproximativ 2.300 °C și se depune pe un cristal inițial pentru a forma un bulgăre”, explică Ewert. „Pentru a obține un rezultat de înaltă calitate, temperatura și presiunea din camera de procesare trebuie controlate cu precizie pe parcursul întregului proces de creștere a cristalelor. Chiar și cele mai mici abateri pot pune în pericol întregul proces și pot duce la pierderi semnificative de calitate.” Deoarece un astfel de proces de creștere poate dura până la trei săptămâni, monitorizarea și controlul procesului trebuie să respecte în permanență cele mai înalte standarde.
Imaginea 1: Un lingou de siliciu ca obiect demonstrativ.
Imaginea 2: Cristalele de carbură de siliciu produse pe aceste sisteme sunt utilizate, printre alte aplicații, în bateriile pentru electromobilitate.
Senzorii inteligenți asigură condiții stabile de proces
Pentru a asigura nivelul necesar de precizie, PVA se bazează pe senzori compatibili cu IO-Link de la ifm. „De exemplu, folosim senzorul de debit SV4200 de la ifm pentru a monitoriza și menține constant debitul apei de răcire. Acest lucru este important nu numai pentru menținerea unei temperaturi stabile a procesului, ci și pentru protejarea carcaselor, conductelor și componentelor împotriva supraîncălzirii și, astfel, împotriva potențialelor deteriorări", explică Ewert.
În plus, senzorul de presiune PV8000 monitorizează presiunea de alimentare și de retur, precum și temperatura agentului de răcire. „Anterior, această monitorizare se efectua manual. Acum putem recupera aceste valori și prin IO-Link și putem reacționa mai rapid și mai eficient la orice fluctuații”, adaugă șeful echipei. Masterele IO-Link AL1202 colectează toate datele senzorilor și le transmit pentru evaluare centralizată. De asemenea, lampa de semnalizare DV, care oferă utilizatorilor o indicație vizuală a stării actuale a procesului, este controlată prin intermediul masterului IO-Link.
Imaginea 1: Disc din carbură de siliciu: Calitatea necesară poate fi obținută numai cu parametri de proces controlați cu precizie.
Imaginea 2: Masterul IO-Link (sus) colectează și transmite datele de la senzorul de presiune (centru, față) și senzorul de debit (stânga jos).
Imaginea 3: Lampa de semnalizare DV oferă informații vizuale despre starea actuală a procesului.
IO-Link: mai multe informații, mai multă transparență a sistemului
IO-Link este de mult timp recunoscut ca un standard independent de producător pentru comunicarea digitală a senzorilor în tehnologia de automatizare. Comparativ cu interfețele binare și analogice convenționale, IO-Link permite transmiterea valorilor de proces cu rezoluție înaltă, precum și a informațiilor cuprinzătoare de diagnostic. Utilizatorii beneficiază de structuri de date standardizate, efort redus de cablare și integrare perfectă în sistemele de control și arhitecturile IIoT.
Tehnologia permite transmiterea mai multor valori măsurate per dispozitiv, diagnosticarea bazată pe evenimente și setarea parametrilor dispozitivului de la distanță. Acest lucru conduce la o transparență mai bună a sistemului, optimizarea întreținerii și economii măsurabile la costurile de configurare și operare.
Digitalizarea ca factor cheie pentru disponibilitatea sistemului
Aceste aspecte joacă, de asemenea, un rol central la PVA TePla. „Digitalizarea este extrem de importantă pentru noi, în special cu sistemul SiCma”, subliniază Lukas Ewert. „Aceste sisteme sunt adesea instalate în număr mare în halele de producție. Încărcarea și descărcarea sunt, de obicei, complet automatizate. Sistemele noastre trebuie să poată comunica cu sisteme de nivel superior, astfel încât operatorii să poată monitoriza starea procesului în mod centralizat, în orice moment.” PVA TePla utilizează portofoliul complet IO-Link al ifm ca bază pentru acest lucru.
Întreținere predictivă pentru eficiență maximă a producției
PVA lucrează intens și la concepte de întreținere predictivă, pentru a oferi indicații timpurii cu privire la necesitățile viitoare de întreținere sau la abaterile de la proces. „Acest lucru permite operatorilor să mențină disponibilitatea maximă a mașinilor, menținând în același timp cea mai înaltă calitate posibilă a produsului,”, explică Ewert. Senzorii de la ifm furnizează datele necesare pentru monitorizarea continuă a stării sistemului și pentru detectarea potențialelor probleme înainte ca acestea să ducă la perioade de nefuncționare costisitoare.
Creșterea cristalelor de siliciu folosind procesul Czochralski
PVA impune cerințe la fel de ridicate în ceea ce privește creșterea cristalelor de siliciu utilizând procesul Czochralski. În aceste sisteme, lingouri de siliciu cu lungimea de până la 3,50 metri sunt obținute prin extragerea lentă a unui cristal germinativ din siliciu topit la o temperatură de aproximativ 1.400 °C. Plăcile rezultate sunt utilizate în principal în industria semiconductoarelor și constituie baza pentru o gamă largă de componente electronice.
Procese cu vibrații reduse pentru cea mai înaltă calitate a produselor
„În sistemul SC32, tehnologia de automatizare este implementată ca o combinație între IO-Link și ProfiNet!”, explică Ewert.
„Folosim IO-Link oriunde dorim să extragem informații mai detaliate de la senzori. De exemplu, folosim SM8000 pentru monitorizarea și controlul circuitului de răcire.” Acest senzor de debit magnetic-inductiv măsoară nu doar debitul, ci și temperatura mediului.
În plus, PVA utilizează senzorul de vibrații IO-Link cu trei axe VVB3 pentru a monitoriza cele două unități de acționare ale procesului. VVB3 detectează vibrațiile pe trei axe de măsurare și calculează indicatori pentru evaluarea stării utilajului. Informațiile privind oboseala, frecarea, impacturile sau uzura rulmenților sunt transmise în mod convenabil prin IO-Link.
„Nivelurile extrem de scăzute de vibrații în timpul procesului de tragere sunt esențiale pentru a asigura calitatea lingoului. Datele transmise ne permit, de asemenea, să monitorizăm foarte precis starea unităților de antrenare și a arborelui de transmisie și să programăm activitățile de întreținere din timp.”
Imaginea 1: Lingouri de siliciu cu lungimea de până la 3,5 metri sunt „trase” în acest sistem pentru producția de plăci.
Imaginea 2: Senzorii de debit monitorizează circuitul de răcire al sistemului Czochralski.
Componente fiabile pentru funcționare pe termen lung
Sistemele PVA TePla sunt proiectate pentru o funcționare continuă pe parcursul a mai multor ani. „Din acest motiv, toate componentele, în special senzorii, trebuie să ofere performanțe precise în mod constant pe termen lung”, subliniază Lukas Ewert.
„De-a lungul anilor, am avut doar experiențe pozitive cu ifm în ceea ce privește robustețea și fiabilitatea în exploatarea pe termen lung. De asemenea, atunci când apar noi întrebări sau se iau în considerare noi abordări de automatizare, putem conta pe contactul nostru direct la ifm și beneficiem de asistență specializată în cel mai scurt timp.”
Lipire prin difuzie pentru cele mai exigente cerințe în materie de materiale
Soluțiile ifm sunt utilizate și în tehnologia de lipire prin difuzie, un alt domeniu de activitate al PVA TePla. Acest proces de asamblare în stare solidă este folosit, de exemplu, pentru producerea plăcilor de răcire pentru industria semiconductoarelor, care trebuie să îndeplinească cele mai ridicate cerințe în ceea ce privește rezistența și protecția împotriva coroziunii. Patrick Müller, șef de echipă Diffusion Bonding la PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, explică: „Pentru a obține rezultatele dorite, condițiile procesului, precum temperatura, presiunea, vidul și forța aplicată, trebuie monitorizate atent pe tot parcursul procesului, care poate dura, în unele cazuri, mai multe săptămâni. Senzorii de debit de la ifm, pe care îi folosim pentru monitorizarea circuitului de răcire, asigură că sistemul nu se supraîncălzește în niciun punct al procesului și rămâne într-o stare de funcționare sigură.”
Ușurința în utilizare ca valoare adăugată
Un alt avantaj al soluțiilor ifm este simplitatea lor de utilizare. Müller subliniază designul clar și intuitiv al senzorilor: „În calitate de operator, poți vedea dintr-o privire în ce stare se află mașina. Un alt avantaj clar este cât de ușor pot fi echipamentele mai vechi dotate cu acești senzori. Este practic o conexiune de tip conectare și funcționare.” Acest design ușor de utilizat nu doar că simplifică operațiunile zilnice, dar reduce și cerințele de instruire pentru personalul de operare.
Imaginea 1: Sub presiune ridicată, straturile individuale sunt lipite între ele într-o singură structură în această mașină.
Imaginea 2: Ușor de citit: senzori de debit pe un sistem de lipire prin difuzie.
Un parteneriat colaborativ ca bază pentru inovare
La PVA TePla, cooperarea de lungă durată cu ifm în calitate de partener de automatizare este foarte apreciată: „Aș descrie colaborarea noastră cu ifm ca fiind foarte cooperantă, de încredere și bazată pe respect reciproc”, rezumă Lukas Ewert. „Ne putem adresa întotdeauna direct contactelor noastre și putem lucra împreună pentru a avansa proiectele de inovație și automatizare.”
Concluzie
Cerințele în domeniul fabricării materialelor de înaltă tehnologie sunt extrem de exigente, în special în ceea ce privește precizia, fiabilitatea și disponibilitatea. Cu ifm ca partener în automatizare, PVA TePla reușește să facă față cu succes provocărilor asociate proceselor avansate de creștere a cristalelor.
