PVA TePla – Digitalizirana rast monokristalov
Polprevodniki: izpopolnjena proizvodnja ingotov
Kako PVA TePla optimizira rast monokristalov z avtomatizacijo
PVA TePla AG je vodilni svetovni ponudnik opreme in merilne tehnologije za zahtevne industrijske uporabe. Njegovi visokotehnološki sistemi so še posebej iskani v polprevodniški industriji.
»Kot ponudnik rešitev delujemo globalno in smo prisotni povsod, kjer so naši kupci. Zaradi velikega povpraševanja v polprevodniški industriji smo trenutno še posebej dobro zastopani na azijskem trgu in v Združenih državah Amerike,« pojasnjuje Jan Pfeiffer, direktor skupine PVA TePla. S svojim TechHubom v Wettenbergu se je podjetje PVA TePla uveljavilo kot ključni gonilnik inovacij na področju raziskav materialov za polprevodniško industrijo.
Silicijev karbid – ključ do elektromobilnosti
Podružnica PVA Crystal Growing Systems (PVA CGS) ima več kot 60 let izkušenj na področju gojenja kristalov. Posebna pozornost je namenjena proizvodnji kristalov silicijevega karbida (SiC).
»Kar kristale silicijevega karbida loči od drugih, je njihova sposobnost, da prenesejo ekstremne gostote moči,« pojasnjuje Lukas Ewert, vodja ekipe za električno načrtovanje pri PVA CGS. »V primerjavi s konvencionalnim silicijem uporaba SiC omogoča na primer zasnovo manjših baterij z enako močjo. Zmanjšanje teže je še posebej koristno za uporabe v elektromobilnosti.«
Ekstremne razmere zahtevajo največjo natančnost
Za proizvodnjo kristalov SiC je podjetje PVA TePla zasnovalo sistem SiCma, ki deluje po metodi fizikalnega prenosa pare (PVT). »V tem procesu se mešanica silicijevega ogljika in prahu sublimira v grafitnem lončku pri temperaturi okoli 2300 °C in se odlaga na kristalno jedro, da se oblikuje krogla,« pojasnjuje Ewert. »Da bi dosegli visokokakovosten rezultat, je treba temperaturo in tlak v procesni komori natančno nadzorovati skozi celoten proces rasti kristalov. Celo najmanjša odstopanja lahko ogrozijo celoten proces in povzročijo znatne izgube kakovosti.« Ker takšen proces rasti lahko traja do tri tedne, morata spremljanje procesa in nadzor nenehno izpolnjevati najvišje standarde.
Slika 1: Silicijev ingot kot demonstracijski predmet.
Slika 2: Kristali silicijevega karbida, proizvedeni v teh sistemih, se med drugim uporabljajo v baterijah za elektromobilnost.
Inteligentni senzorji zagotavljajo stabilne procesne pogoje
Da bi zagotovili zahtevano raven natančnosti, se pri PVA zanašajo na senzorje ifm, ki podpirajo IO-Link. »Na primer, za spremljanje in ohranjanje konstantnega pretoka hladilne vode uporabljamo senzor pretoka SV4200 podjetja ifm. To je pomembno ne le za ohranjanje stabilne temperature procesa, temveč tudi za zaščito ohišij, cevi in komponent pred pregrevanjem in s tem pred morebitno poškodbo,« pojasnjuje Ewert.
Poleg tega tlačni senzor PV8000 spremlja tlak dovoda in povratnega voda ter temperaturo hladilnega medija. »Prej se je to spremljanje izvajalo ročno. Sedaj lahko te vrednosti pridobimo tudi prek IO-Link in se na morebitna nihanja odzovemo hitreje in učinkoviteje,« dodaja vodja ekipe. Enote IO-Link master AL1202 zbirajo vse podatke senzorjev in jih posredujejo za centralno ovrednotenje. Signalna svetilka DV, ki uporabnikom vizualno prikazuje trenutno stanje procesa, se prav tako upravlja prek enote IO-Link master.
Slika 1: Karbidni silicijev plošček: zahtevano kakovost je mogoče doseči le z natančno nadzorovanimi parametri procesa.
Slika 2: Enota IO-Link master (zgoraj) zbira in posreduje podatke iz tlačnega senzorja (v sredini, spredaj) in senzorja pretoka (spodaj levo).
Slika 3: Signalna svetilka DV zagotavlja vizualne informacije o trenutnem stanju procesa.
VI-povezava: več informacij, večja preglednost sistema
IO-Link je že dolgo uveljavljen kot od proizvajalca neodvisen standard za digitalno komunikacijo senzorjev v avtomatizacijski tehnologiji. V primerjavi s konvencionalnimi binarnimi in analognimi vmesniki IO-Link omogoča prenos visokoločljivih procesnih vrednosti ter izčrpnih diagnostičnih informacij. Uporabniki imajo koristi od standardiziranih podatkovnih struktur, manj napora pri ožičenju in brezhibne integracije v krmilne sisteme in arhitekture IIoT.
Tehnologija podpira prenos več izmerjenih vrednosti na napravo, diagnostiko na podlagi dogodkov in nastavitev parametrov naprave na daljavo. To zagotavlja večjo preglednost sistema, optimizirano vzdrževanje in merljive prihranke pri stroških namestitve in obratovanja.
Digitalizacija kot ključni dejavnik za razpoložljivost sistema
Ti vidiki imajo osrednjo vlogo tudi v podjetju PVA TePla. »Digitalizacija je za nas izredno pomembna, še posebej v povezavi s sistemom SiCma,« poudarja Lukas Ewert. »Ti sistemi so pogosto nameščeni v velikem številu v proizvodnih halah. Nakladanje in razkladanje sta običajno popolnoma avtomatizirana. Naši sistemi morajo biti sposobni komunicirati z nadrejenimi sistemi, da lahko operaterji kadar koli centralno spremljajo stanje procesa.« PVA TePla za to uporablja celovito ponudbo IO-Link podjetja ifm.
Prediktivno vzdrževanje za maksimalno učinkovitost proizvodnje
Pri PVA intenzivno razvijajo tudi koncepte prediktivnega vzdrževanja, da bi zagotovili zgodnje opozarjanje na prihajajoče potrebe po vzdrževanju ali odstopanjih v procesu. »To operaterjem omogoča, da ohranijo največjo razpoložljivost strojev in hkrati dosegajo najvišjo možno kakovost izdelkov,« pojasnjuje Ewert. Senzorji podjetja ifm zagotavljajo podatke, potrebne za neprekinjeno spremljanje stanja sistema in odkrivanje morebitnih težav, preden povzročijo drage izpade.
Rast silicijevega kristala po Czochralskijevem postopku
PVA postavlja podobno visoke zahteve za rast silicijevih kristalov po Czochralskijevem postopku. V teh sistemih se silicijevi ingoti dolžine do 3,50 metra pridobivajo s počasnim vlečenjem kristalnega jedra iz staljenega silicija pri temperaturi okoli 1400 °C. Tako pridobljene rezinaste plošče se uporabljajo predvsem v polprevodniški industriji in so osnova za široko paleto elektronskih komponent.
Procesi z nizkimi vibracijami za najvišjo kakovost izdelkov
»V sistemu SC32 je avtomatizacijska tehnologija implementirana kot kombinacija IO-Link in ProfiNet,« pojasnjuje Ewert.
»IO-Link uporabljamo povsod, kjer želimo pridobiti podrobnejše informacije iz senzorjev. Na primer, SM8000 uporabljamo za spremljanje in krmiljenje hladilnega kroga.« Ta magnetno-induktivni senzor pretoka ne meri le stopnjo pretoka, ampak tudi temperaturo medija.
Poleg tega PVA uporablja triosni IO-Link senzor vibracij VVB3 za spremljanje dveh procesnih pogonov. VVB3 zazna vibracije vzdolž treh merilnih osi in izračuna kazalnike za oceno stanja stroja. Informacije o utrujenosti, trenju, udarcih ali obrabi ležajev se prenašajo prek IO-Link.
»Izredno nizka raven vibracij med procesom vlečenja je bistvena za zagotavljanje kakovosti ingotov. Preneseni podatki nam omogočajo tudi zelo natančno spremljanje stanja reduktorjev in pogonske gredi ter zgodnje načrtovanje vzdrževalnih del.«
Slika 1: V tem sistemu se za proizvodnjo rezin iz silicija vlečejo silicijevi ingoti dolžine do 3,5 metra.
Slika 2: Senzorji pretoka spremljajo hladilni krog Czochralskijevega sistema.
Zanesljive komponente za dolgotrajno delovanje
Sistemi podjetja PVA TePla so zasnovani za neprekinjeno delovanje več let. »Zato morajo vse komponente, zlasti senzorji, dolgoročno zagotavljati dosledno natančno delovanje,« poudarja Lukas Ewert.
»V dolgih letih smo z ifm imeli samo pozitivne izkušnje glede robustnosti in zanesljivosti pri dolgotrajnem delovanju. Podobno lahko tudi ob pojavu novih vprašanj ali obravnavanju novih pristopov k avtomatizaciji računamo na neposreden stik z ifm in hitro strokovno podporo.«
Difuzijsko spajanje za najzahtevnejše materiale
Rešitve ifm se uporabljajo tudi v tehnologiji difuzijskega spajanja, ki je še eno poslovno področje podjetja PVA TePla. Ta postopek spajanja v trdnem stanju se uporablja na primer za proizvodnjo hladilnih plošč za polprevodniško industrijo, ki morajo izpolnjevati najvišje zahteve glede trdnosti in odpornosti proti koroziji. Patrick Müller, vodja ekipe za difuzijsko spajanje v podjetju PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH, pojasnjuje: »Da bi dosegli želene rezultate, je treba med celotnim procesom, ki v nekaterih primerih lahko traja več tednov, natančno spremljati procesne pogoje, kot so temperatura, tlak, vakuum in uporabljena sila. Senzorji pretoka podjetja ifm, ki jih uporabljamo za spremljanje hlajenja, zagotavljajo, da se sistem med procesom nikoli ne pregreje, ampak ostane v varnem delovnem stanju.«
Uporabniku prijazno kot dodana vrednost
Druga prednost rešitev ifm je njihova enostavna uporaba. Müller poudarja jasen, intuitiven dizajn senzorjev: »Kot operater lahko na enem mestu vidite, v kakšnem stanju je stroj. Druga očitna prednost je, kako enostavno je starejše stroje opremiti s senzorji. Dejansko se priključijo in začnejo uporabljati.« Ta uporabniku prijazen dizajn ne le poenostavlja vsakodnevno delovanje, ampak tudi zmanjšuje potrebe po usposabljanju operativnega osebja.
Slika 1: Pod visokim tlakom se posamezne plasti v tem stroju spojijo v enotno strukturo.
Slika 2: Enostavno za branje: senzorji pretoka na sistemu za difuzijsko spajanje.
Sodelovalno partnerstvo kot temelj za inovacije
V podjetju PVA TePla zelo cenijo dolgoletno sodelovanje z ifm kot partnerjem za avtomatizacijo: »Naše sodelovanje z ifm bi opisal kot zelo kooperativno, zanesljivo in na zaupanju temelječe,« povzema Lukas Ewert. »Vedno se lahko neposredno obrnemo na naše kontaktne osebe in sodelujemo pri spodbujanju inovacijskih in avtomatizacijskih projektov.«
Zaključek
Zahteve v proizvodnji visokotehnoloških materialov so izredno visoke, zlasti kar zadeva natančnost, zanesljivost in razpoložljivost. Z ifm kot partnerjem za avtomatizacijo se podjetje PVA TePla uspešno spopada z izzivi, povezanimi z naprednimi postopki gojenja kristalov.
