CD Automation rappresenta una realtà di riferimento per le imprese impegnate nei molteplici processi di termoregolazione industriale. L’azienda, attiva dal 1987, produce unità di potenza a tiristori di massima qualità, con il supporto, a livello internazionale, di un sistema di filiali e di partner di primaria importanza nel pluri-settoriale ambito della termoregolazione.
Attraverso questi prodotti, CD Automation riduce la complessità e i consumi e migliora la Power Quality dei processi termici, tra cui possiamo enumerare alcune operazioni di fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore.
Il valore delle partnership
L’autorevolezza dell’azienda nell’ambito delle tecnologie termiche ha facilitato la partnership con altre realtà di riferimento del settore. In questo contesto, risulta di particolare interessante indagare la portata delle collaborazioni in un ambito cruciale per il mercato internazionale: la produzione di dispositivi a semiconduttore.
Fin dalla nascita del primo diodo, la temperatura ha giocato un ruolo cruciale nei processi di lavorazione dei semiconduttori. Le soluzioni sviluppate da CD Automation per i partner sono basate sulla comprensione dei processi tecnologici che formano il semiconduttore. In particolare, con il contrarsi delle dimensioni di tali dispositivi, è aumentata l’importanza della temperatura come variabile critica del processo produttivo.
Che cos’è un semiconduttore?
La caratteristica fondamentale dei semiconduttori si rivela nel nome: sono materiali la cui conducibilità o conduttività elettrica si attesta su valori intermedi tra quelli propri dei conduttori metallici e quelli propri degli isolanti. Si tratta di una categoria di sostanze piuttosto vasta ed eterogenea, con una spiccata sensibilità alla luce e un coefficiente di temperatura negativo della resistività elettrica. Ciò significa che la loro conducibilità cresce all’aumentare della temperatura, contrariamente a quanto succede per i conduttori metallici.
Il principale motivo per cui i semiconduttori sono così utili è che la loro conduttività può essere modificata con l’aggiunta di impurità (drogaggio), con l’azione di un campo elettrico o con l’esposizione alla luce.
La crisi dei dispositivi a semiconduttore
Negli ultimi anni il settore dei semiconduttori ha attraversato una fase di forte instabilità, inizialmente legata alle difficoltà di approvvigionamento emerse nel periodo post-pandemico e che hanno interessato in particolare l’elettronica di consumo e l’industria automobilistica. Sebbene la situazione più critica della “chip shortage” si sia progressivamente attenuata, il mercato continua a essere caratterizzato da dinamiche complesse e da una domanda fortemente disomogenea tra i diversi settori applicativi.
Oggi, infatti, la crescita trainata da ambiti come l’intelligenza artificiale e i data center sta influenzando in modo significativo le strategie produttive dei principali player globali, con effetti indiretti sulla disponibilità di alcune tipologie di componenti elettronici. In questo scenario in continua evoluzione, il comparto dei semiconduttori rimane un elemento strategico e altamente sensibile all’equilibrio tra domanda, capacità produttiva e innovazione tecnologica.
Da queste considerazioni emerge come l’espressione più corretta non sia semplicemente “chip”, ma “dispositivi a semiconduttore”, termine che identifica l’intera famiglia di componenti fondamentali dell’elettronica moderna (transistor, diodi e dispositivi di potenza) e che rappresenta la base su cui si è sviluppata e continua a evolversi l’elettronica industriale.
Come si fabbricano i dispositivi a semiconduttore?
La fabbricazione di dispositivi a semiconduttore riguarda dunque il processo utilizzato per realizzare i chip e i circuiti integrati presenti nella maggior parte degli attuali dispositivi elettronici. Questa operazione industriale è messa in atto attraverso molteplici fasi, implicanti l’impiego di tecnologie fotolitografiche e chimico-fisiche, durante le quali i circuiti sono gradualmente realizzati su un substrato, definito wafer, costituito da un unico cristallo di un semiconduttore ad elevatissima purezza. Per la creazione di un circuito integrato, è infatti necessario un wafer estremamente omogeneo e privo di discontinuità, che pregiudicherebbero la qualità dei componenti. Il semiconduttore più utilizzato nell’industria è il silicio monocristallino (dotato cioè di una struttura cristallina identica su tutto il materiale), cresciuto con la tecnica Czochralski.
Il processo Czochralski
Tale operazione consiste nel sollevamento verticale e contemporaneamente nella rotazione antioraria di un seme monocristallino di silicio, correttamente orientato e introdotto nel silicio fuso a 1425°C, mediante un’asta metallica, mentre il crogiolo gira nel senso opposto.
In questo modo una piccola quantità di materiale fuso, a contatto con il seme, si raffredda e solidifica secondo una struttura cristallina esattamente uguale a quella del seme. Man mano che questo viene tirato, altro materiale solidifica nello stesso modo, producendo un lingotto monocristallino.
La temperatura del silicio nel crogiolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione e, aderendo al seme monocristallino, esso si solidifica molto rapidamente, conservando la struttura del seme a cui aderisce. Il controllo rigoroso della temperatura del materiale fuso, dell’atmosfera nella camera, e della velocità di estrazione, nonché l’assenza assoluta di vibrazioni, consente la produzione di fusi perfettamente cilindrici e altamente puri.
Il metodo float zone
La tecnica appena descritta presenta, però, un limite. Il silicio tende a reagire chimicamente con i materiali del crogiolo. Per tale ragione è preferibile ottenere i monocristalli di silicio mediante la tecnica della zona flottante o zona fusa sospesa (floating-zone). In questo caso, il lingotto viene fissato superiormente al mandrino superiore e nella parte inferiore viene posto a diretto contatto con un seme monocristallino tenuto dal mandrino inferiore. L’operazione ha inizio con la produzione di una zona fusa nella parte di lingotto che si trova a diretto contatto col seme, e successivamente la zona fusa viene spostata lentamente verso l’alto. La parte di silicio che solidifica a contatto col seme ne ricopia fedelmente la struttura cristallina.
L’eliminazione dei difetti
La fase successiva consiste nel tagliare il fuso tramite fili diamantati per ottenere dei dischi dello spessore di pochi decimi di millimetro: i wafer. Le lamine ottenute col taglio presentano una superficie piena di imperfezioni geometriche che vengono rimosse con una serie di operazioni (levigatura e lappatura). La lavorazione finale consiste nell’attacco chimico tramite cui vengono eliminate le ultime imperfezioni superficiali e si ottengono dei wafer monocristallini pronti per la realizzazione dei componenti.
La fotolitografia
A questo punto della fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore occorre miniaturizzare i disegni complessi e stamparli sul wafer, attraverso un processo noto come fotolitografia. Inizialmente il wafer viene rivestito con sostanze chimiche fotosensibili (fotoresist), che si induriscono quando esposte alla luce. Quindi, una luce viene irradiata attraverso la fotomaschera, la quale crea un’immagine luminosa del circuito. Questa immagine viene passata attraverso una serie di lenti, che la riducono alla giusta dimensione. E viene quindi proiettata sul wafer.
La luce, secondo questo design, reagisce con il fotoresist, che viene poi lavato via, rivelando uno strato di ossido sottostante. Questo strato di ossido subisce un ulteriore lavaggio acido, che corrode l’ossido, rivelando il sottostante strato di silicio. Il silicio esposto viene quindi sottoposto a un processo chiamato drogaggio, che ne altera le proprietà elettriche. Tale processo viene ripetuto più volte, con diverse combinazioni di sostanze chimiche e maschere, fino a quando i dispositivi a semiconduttore non vengono costruiti, strato dopo strato.
Il conferimento delle proprietà
Alcuni strati sono cotti, altri sabbiati con plasma ionizzato, altri ancora immersi in metalli. Ogni tipologia di trattamento modifica le proprietà di quello strato e forma lentamente parte del puzzle che compone il design dei chips. I fogli di silicio finiti contengono miliardi di elementi di circuito e migliaia di microchip singoli.
Fabbricazione di dispositivi a semiconduttore: un settore in continuo divenire
La piena comprensione di tali processi di fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore risulta indispensabile per affrontare le numerose sfide imposte da un settore in continua crescita e profondamente coinvolto nell’evoluzione delle tecnologie termiche. Ed è proprio in funzione di quest’ultimo obiettivo che CD Automation fornisce il proprio know-how e mette a disposizione una famiglia di controllori di potenza universali per la produzione di dispositivi a semiconduttore.
Le caratteristiche di REVO C
REVO C, nella gamma da 30 a 2100A, è un regolatore di potenza ad alte prestazioni per il controllo della potenza, adattabile a tutte le applicazioni SCR e dotato di un microprocessore avanzato che lo rende universale e completamente configurabile via software. Si presenta inoltre come una delle unità più complete della gamma grazie a:
- sincronizzazione delle tre fasi, diagnostica rotazione fasi, accensioni in angolo di fase, limite di corrente, precisione nelle misure;
- comunicazione Profinet integrata e tempi di integrazione ridotti con le librerie TIA PORTAL. Comunicazione in Ethernet IP con librerie dedicate per semplificare l’integrazione;
- omologazione SCCR 100 kA – 600 V (Short Circuit Current Rating), in conformità alla norma UL508.
Il principale vantaggio del regolatore di potenza REVO C, che lo rende particolarmente adatto alla produzione di dispositivi a semiconduttore, è la sua capacità di connettersi agilmente con il mondo esterno, tramite Bluetooth e i più diffusi protocolli Fieldbus industriali. La sua universalità consente di configurare ingressi, modalità di accensione e logiche di controllo direttamente da smartphone o personal computer.
Progettato e costruito come un’unica unità compatta, il REVO C non solo contribuisce a ridurre lo spazio complessivo e il tempo di lavoro necessario per il montaggio e il cablaggio di fusibili separati, ma garantisce anche una corretta esecuzione delle fasi di test e un accesso semplice ai circuiti stampati, ai fusibili e ai tiristori.
Hai bisogno di suggerimenti per rendere più efficienti e competitivi i tuoi processi di termoregolazione nell’ambito della produzione di dispositivi a semiconduttore? Contattaci e prenota una sessione gratuita di consulenza con un nostro esperto. Riceverai proposte strategiche per potenziare e aumentare la durata dei tuoi impianti di riscaldamento, minimizzando i tempi di fermo.
