PVA TePla – Digitaliserad tillväxt av enkristaller
Halvledare: perfektionerad ingotproduktion
Hur PVA TePla optimerar tillväxten av enkristaller genom automatisering
PVA TePla AG är en globalt ledande leverantör av utrustning och mätteknik för krävande industriella tillämpningar. Dess högteknologiska system är särskilt eftertraktade inom halvledarindustrin.
"Som lösningsleverantör är vi verksamma globalt och finns där våra kunder finns. Drivna av en stark efterfrågan från halvledarindustrin är vi för närvarande särskilt väl representerade på den asiatiska marknaden och i USA, förklarar Jan Pfeiffer, verkställande direktör för PVA TePla-koncernen. Med sitt TechHub i Wettenberg har PVA TePla positionerat sig som en viktig drivkraft för innovation inom materialforskning för halvledarindustrin.
Kiselkarbid – nyckeln till elektromobilitet
Dotterbolaget PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) har mer än 60 års erfarenhet av kristallodling. Särskilt fokus läggs på produktion av kiselkarbidkristaller (SiC).
"Det som utmärker kiselkarbidkristaller är deras förmåga att hantera extrema effekttätheter", förklarar Lukas Ewert, teamledare för elektrisk design på PVA CGS. ”Jämfört med konventionellt kisel möjliggör användningen av SiC till exempel konstruktion av mindre batterier med samma effekt. Den resulterande viktminskningen är särskilt fördelaktig för elektromobilitetsapplikationer.
Extrema förhållanden kräver maximal precision
För tillverkning av SiC-kristaller har PVA TePla utvecklat SiCma-systemet, som fungerar enligt metoden Physical Vapor Transport (PVT). "I denna process genomgår en blandning av kisel- och kolpulver sublimering i en grafitdegel vid cirka 2 300 °C och avsätts på en kristallkärna för att bilda en boule", förklarar Ewert. "För att uppnå ett högkvalitativt resultat måste temperaturen och trycket i processkammaren kontrolleras noggrant under hela kristallodlingsprocessen. Även de minsta avvikelserna kan äventyra hela processen och leda till betydande kvalitetsförluster. Eftersom en sådan tillväxtprocess kan ta upp till tre veckor måste processövervakningen och -kontrollen kontinuerligt uppfylla de högsta kraven.
Bild 1: En kiselblock som demonstrationsföremål.
Bild 2: De kiselkarbidkristaller som produceras i dessa system används bland annat i batterier för elektromobilitet.
Intelligenta sensorer säkerställer stabila processförhållanden
För att säkerställa erforderlig precision förlitar sig PVA på IO-Link-kompatibla sensorer från ifm. "Vi använder till exempel flödesgivare SV4200 från ifm för att övervaka och hålla kylvattenflödet konstant. Detta är viktigt inte bara för att upprätthålla en stabil processtemperatur, utan också för att skydda höljen, rör och komponenter från överhettning och därmed från potentiella skador", förklarar Ewert.
Dessutom övervakar tryckgivare PV8000 tillförsel- och returtrycket samt kylmedlets temperatur. "Tidigare utfördes denna övervakning manuellt. Nu kan vi också hämta dessa värden via IO-Link och reagera snabbare och effektivare på eventuella fluktuationer, tillägger teamledaren. AL1202 IO-Link-mastern samlar in alla sensordata och vidarebefordrar dem för central utvärdering. DV-signallampan, som ger användarna en visuell indikation på den aktuella processstatusen, styrs också via IO-Link-mastern.
Bild 3: Kiselkarbidpuck: Den erforderliga kvaliteten kan endast uppnås med exakt kontrollerade processparametrar.
Bild 4: IO-Link-mastern (överst) samlar in och vidarebefordrar data från tryckgivaren (mitten, fram) och flödesgivaren (nedre vänstra hörnet).
Bild 5: DV-signallampan ger visuell information om den aktuella processstatusen.
IO-Link: mer information, större systemtransparens
IO-Link har länge varit etablerat som en tillverkaroberoende standard för digital sensorkommunikation inom automationsteknik. Jämfört med konventionella binära och analoga gränssnitt möjliggör IO-Link överföring av högupplösta processvärden samt omfattande diagnostisk information. Användarna drar nytta av standardiserade datastrukturer, minskat kabeldragningsarbete och sömlös integration i styrsystem och IIoT-arkitekturer.
Tekniken stöder överföring av flera mätvärden per enhet, händelsestyrd diagnostik och fjärrinställning av enhetsparametrar. Detta resulterar i förbättrad systemtransparens, optimerat underhåll och mätbara besparingar i installations- och driftskostnader.
Digitalisering som nyckelfaktor för systemtillgänglighet
Dessa aspekter spelar också en central roll hos PVA TePla. "Digitalisering är extremt viktigt för oss, särskilt med SiCma-systemet", betonar Lukas Ewert. "Dessa system installeras ofta i stort antal i produktionshallar. Lastning och lossning sker vanligtvis helt automatiskt. Våra system måste kunna kommunicera med system på högre nivå så att operatörerna kan övervaka processstatusen centralt när som helst. PVA TePla använder ifm:s omfattande IO-Link-portfölj som grund för detta.
Prediktivt underhåll för maximal produktionseffektivitet
PVA arbetar också intensivt med förebyggande underhållskoncept för att kunna ge tidiga indikationer på kommande underhållsbehov eller processavvikelser. "Detta gör det möjligt för operatörerna att upprätthålla maximal maskin tillgänglighet samtidigt som de konsekvent uppnår högsta möjliga produktkvalitet", förklarar Ewert. Sensorerna från ifm levererar de data som krävs för att kontinuerligt övervaka systemets tillstånd och upptäcka potentiella problem innan de leder till kostsamma driftstopp.
Kiselkristalltillväxt med hjälp av Czochralski-processen
PVA ställer liknande höga krav på kiselkristalltillväxt med hjälp av Czochralski-processen. I dessa system odlas kiselstänger upp till 3,50 meter långa genom att långsamt dra upp en kristallkärna ur smält kisel vid en temperatur på cirka 1 400 °C. De resulterande skivorna används främst inom halvledarindustrin och utgör grunden för ett brett spektrum av elektroniska komponenter.
Lågvibrationsprocesser för högsta produktkvalitet
"I SC32-systemet implementeras automatiseringstekniken som en kombination av IO-Link och ProfiNet", förklarar Ewert.
"Vi använder IO-Link överallt där vi vill extrahera mer detaljerad information från sensorerna. Vi använder till exempel SM8000 för övervakning och styrning av kylkretsen. Denna magnetisk-induktiva flödesgivare mäter inte bara flödeshastigheten utan även medlets temperatur.
Dessutom använder PVA den treaxliga IO-Link-vibrationsgivare VVB3 för att övervaka de två processdrivningarna. VVB3 detekterar vibrationer längs tre mätningsaxlar och beräknar indikatorer för utvärdering av maskinens tillstånd. Information om trötthet, friktion, stötar eller lagerslitage överförs bekvämt via IO-Link.
"Extremt låga vibrationsnivåer under dragningsprocessen är avgörande för att säkerställa kvaliteten på gjutgodset. De överförda uppgifterna gör det också möjligt för oss att övervaka växellådornas och drivaxelns skick mycket noggrant och planera underhållsarbeten i ett tidigt skede.
Bild 6: Kiselgöt med en längd på upp till 3,5 meter dras i detta system för tillverkning av kiselskivor.
Bild 7: Flödesgivare övervakar kylkretsen i Czochralski-systemet.
Pålitliga komponenter för långvarig drift
PVA TePlas system är konstruerade för kontinuerlig drift under många år. "Av denna anledning måste alla komponenter, särskilt sensorer, leverera konsekvent precis prestanda under lång tid", betonar Lukas Ewert.
"Under många år har vi endast haft positiva erfarenheter av ifm när det gäller robusthet och tillförlitlighet vid långvarig drift. På samma sätt kan vi, när nya frågor uppstår eller nya automatiseringsmetoder övervägs, lita på vår direkta kontakt hos ifm och få expertstöd med kort varsel.
Diffusionssvetsning för de mest krävande materialkraven
ifm-lösningar används även inom diffusionsbindningsteknik, ett annat affärsområde för PVA TePla. Denna solid-state-fogningsteknik används till exempel för att tillverka kylplattor för halvledarindustrin, som måste uppfylla de högsta kraven på hållfasthet och korrosionsbeständighet. Patrick Müller, teamledare för diffusionslödning på PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, förklarar: "För att uppnå önskade resultat måste processförhållanden såsom temperatur, tryck, vakuum och den applicerade kraften övervakas noggrant under hela processen, som i vissa fall kan pågå i flera veckor. Flödesgivarna från ifm som vi använder för att övervaka kylkretsen säkerställer att systemet inte överhettas vid något tillfälle under processen, utan förblir i ett säkert driftstillstånd.
Användarvänlighet som skapar mervärde
En annan fördel med ifm:s lösningar är att de är lätta att använda. Müller framhåller sensorerna tydliga, intuitiva design: "Som operatör kan du med ett ögonkast se vilket skick maskinen är i. En annan tydlig fördel är hur enkelt äldre maskiner kan eftermonteras med sensorerna. Det är i praktiken plug and play. Denna användarvänliga design förenklar inte bara den dagliga driften, utan minskar också utbildningskraven för operativ personal.
Bild 8: Under högt tryck binds enskilda lager samman till en enda struktur i denna maskin.
Bild 9: Lättläst: Flödesgivare på ett diffusionsbindningssystem.
Partnerskap som driver innovation
På PVA TePla värdesätts det långvariga samarbetet med ifm som automatiseringspartner högt: "Jag skulle beskriva vårt samarbete med ifm som mycket kooperativt, pålitligt och baserat på förtroende", sammanfattar Lukas Ewert. "Vi kan alltid kontakta våra kontakter direkt och samarbeta för att driva innovations- och automatiseringsprojekt framåt."
Slutsats
Kraven inom tillverkningen av högteknologiska material är extremt höga, särskilt när det gäller precision, tillförlitlighet och tillgänglighet. Med ifm som automatiseringspartner klarar PVA TePla framgångsrikt de utmaningar som är förknippade med avancerade kristallodlingsprocesser.
