Embedded-PC, Bild: Beckhoff

Für rechenintensivere Produktionsanlagen setzt Agnitron den Embedded-PC CX2042 von Beckhoff mit 2,2-GHz-Intel-Xeon-Quadcore-Prozessor und 1-Terabyte-Solid-State-SSD-Laufwerk ein. Bild: Beckhoff

| von J. Figy, Beckhoff Automation USA

Das Halbleitermaterial Galliumoxid (Ga2O3) verspricht großes Zukunftspotenzial: Es ermöglicht ein verbessertes Design und eine einfachere Herstellung unter anderem von Hochspannungsschaltern für die Unterhaltungselektronik. Die praktischen Einsatzmöglichkeiten dieses Halbleiters werden derzeit von Forschern wie Dr. Sriram Krishnamoorthy, Assistenzprofessor für Elektro- und Informationstechnik an der University of Utah, untersucht. Allerdings setzt die Qualität der verfügbaren Maschinen zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung – der Prozess wird MOCVD abgekürzt, das steht für Metal Organic Chemical Vapor Deposition – der Erforschung Grenzen. Die MOCVD-Maschinen sind teils unflexibel, zu teuer oder nicht ausreichend zuverlässig.

Zuverlässigkeit und Kostenkontrolle zählen

Auf der Suche nach neuen Systemen stieß Dr. Sriram Krishnamoorthy auf das Unternehmen Agnitron, das im Bereich Forschung und Entwicklung von Verbindungshalbleitern tätig ist. Vor einiger Zeit brachte es die Mehrzweckplattform Agilis auf den Markt, die im Gegensatz zu anderen MOCVD-Anlagen nach kleinen Anpassungen innerhalb weniger Tage von Beta-Galliumoxid auf III-Nitrid-Materialien umgestellt werden kann. Die Entwicklung der Mehrzweckplattform wurde durch die Modularität und Flexibilität von PC-based Control erleichtert.

„In den Schaltschränken ist es unglaublich eng. Die Kompaktheit der EtherCAT-I/Os und Embedded-PCs ist daher ein großer Vorteil.“

Dr. Dmitri Volovik, Technischer Leiter, Agnitron

Neue MOCVD-Anlagen können leicht mehr als eine Millionen US-Dollar kosten. Dr. Dmitri Volovik, Technischer Leiter bei Agnitron, berichtet: „Das größte Kompliment in dieser Branche ist, wenn der Kunde sagt, eine Anlage funktioniere genauso wie vorher. Kunden benötigen Jahre an Entwicklungsarbeit und Millionen von Dollar, um Prozesse zu etablieren. Daher wollen sie neue Systeme nur, wenn sie so programmiert werden können, dass die Zusammensetzung der Halbleiter exakt beibehalten wird – ohne ungeplante Ausfallzeiten.“ Als Agnitron Probleme durch die mangelnde Zuverlässigkeit seiner bisherigen Automatisierungstechnik bekam, suchte das Unternehmen nach Alternativen und fand seinen neuen Partner in Beckhoff im nahe gelegenen Savage in Minnesota.

Agilis von Agnitron, Bild: Beckhoff
Agilis von Agnitron ist eine MOCVD-Plattform für die Forschung und Entwicklung sowie kleinvolumige Halbleiterproduktion. Bild: Beckhoff

Das Agilis-System nutzt nun zwei Steuerungen des Automatisierungsspezialisten: den Embedded-PC CX2042 mit Intel-Xeon-Quadcore-Prozessor und den Embedded-PC CX2040 mit Intel-Core-i7-Quadcore-Prozessor. „Die Basiskonfiguration mit dem CX2040 erfüllt die Bedürfnisse der Kunden aus Forschung und Entwicklung“, sagt Volovik. „Unser wachsender Kundenkreis aus der produzierenden Industrie benötigt allerdings mehr Arbeitsspeicher und höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten. Unsere Imperium-Software und SQL-Datenbank müssen auf derselben Hardware laufen und komplexe Operationen mit der Erfassung großer Datenmengen sowie die Anforderungen unserer Agnitemp-Messtechnik unterstützen. Deswegen ist der CX2042 mit Xeon-Prozessor und 1-Terabyte-Solid-State-SSD-Laufwerk die optimale Steuerung für die Rund-um-die-Uhr-Produktion.“ Auch viele Modernisierungs- und Nachrüstungsprojekte profitieren von der Integration des kostengünstigeren CX2040. Falls eine vorhandene SPS noch in akzeptablem Zustand ist, ersetzt das Unternehmen diese zusammen mit den bisher genutzten PCs durch Einschub-Industrie-PCs C5102. Die Abwärtskompatibilität der Hardware und -Software stellt dabei in jedem Fall sicher, dass die Zusammensetzung der Halbleiterschichten zuverlässig eingehalten werden. Mit den Embedded-PCs und der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 können die Agnitron-Ingenieure mit C# in Visual Studio programmieren. Die Windows-basierte Steuerung unterstützt auch die Imperium-Steuerungssoftware und die lokale Datenspeicherung. Durch den Einsatz der PC-basierten Steuerung statt einer SPS und eines separaten PC spart Agnitron Steuerungshardware für etwa 10.000 US-Dollar ein.

Echtzeit-Vernetzung

Die Echtzeit-Vernetzung mit EtherCAT ist ein weiterer Vorteil für Agilis. HD-EtherCAT-Klemmen EL3318 verbinden die Agilis mit acht verschiedenen Thermoelementen pro Klemme, was bei der Arbeit mit Beta-Galliumoxid und anderen komplexen Halbleitermaterialien entscheidend ist. Diese und weitere 16-Kanal-I/O-Klemmen benötigen minimalen Platz. „In den Schaltschränken ist es unglaublich eng, vor allem bei kleineren F&E-Systemen“, berichtet Volovik. „Die Kompaktheit der EtherCAT-I/Os und Embedded-PCs ist daher ein großer Vorteil.“ Während EtherCAT mittlerweile in der Halbleiterindustrie führend und ein SEMI-Standard geworden ist, war dies zuvor DeviceNet. In bestehenden Anlagen schlägt die DeviceNet-Master/Slave-Klemme EL6752 eine Brücke zwischen EtherCAT-Netzwerk und DeviceNet-Feldgeräten. EtherCAT erleichtert zudem das Engineering. „Mit EtherCAT und der TwinCAT-Entwicklungsumgebung kann ich nun in wenigen Stunden ein DeviceNet-Netzwerk integrieren. Mit Geräten eines früheren Anbieters dauerte das in der Regel eine ganze Woche“, erklärt Dr. Dmitri Volovik. Der Forscher Dr. Sriram Krishnamoorthy ist überzeugt, dass die Mehrzweckplattform Agilis für Forschungseinrichtungen und Halbleiterindustrie wegweisend ist: „Keine derzeitig verfügbare Plattform bietet diese Fähigkeiten. Sie ist sowohl für meine Forschung als auch für Projekte an vielen anderen Institutionen erschwinglich.“

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