Slik optimaliseres og strømlinjeformes elektronikkproduksjonsprosesser med SCARA, seksaksede roboter og kartesiske plukkroboter

Introduksjon

Noen anslår at bruken av robotikk i elektronikkproduksjon nå er i stand til å konkurrere med bruken i bilindustrien. Det er ikke så vanskelig å forstå hvorfor: Produserte brikker, komponenter og ferdigsammensatt elektronikk har høy verdi, så de rettferdiggjør derfor investeringer i automasjonsteknologier. Noe som gjør ting mer kompliserte, er at volumene, og derfor gjennomstrømningen, må være høye. Produktene er også iboende delikate, der halvleder-wafere for enkelte konstruksjoner nå bare er 140 µm tykke. Disse konstruksjonsparametrene krever presisjonshåndtering for bevegelsessystemer og robotikk som har eksepsjonell rekkevidde, hastighet, kraft og behendighet, i tillegg til å overholde krav for renrom.

Figur 1: Her plasseres en delikat wafer i en maskin for avsetning av et atomlag, i et renrom. (Bildekilde: Dreamstime)

Innføringen av robotikk i halvlederproduksjon påskyndes av den voksende klassen av roboter med seks akser, SCARA (selective compliance assembly robot arm), kartesiske maskiner og samarbeidsroboter med rekonfigurerbar eller modulær maskinvare, samt samlende programvare som kraftig forenkler implementeringen.

Disse robotene og det tilknyttede utstyret må være konstruert, klassifisert og installert for renromsomgivelser, ellers risikerer de å forurense delikate wafere med urenheter. Kravene er definert i ISO 14644-1:2015, som klassifiserer renhold av luften i renrom i henhold til partikkelkonsentrasjon. Derfor er det spesielt stor avhengighet av følgende:

• Nøyaktige integrasjons-, innpaknings-, leverings- og installasjonsmetoder for å hindre at partikler kommer inn i renrommet
• Spesialbelegg som ikke vil flasse eller på annen måte forringes
• Kabinetter i rustfritt stål og andre elementer, der det er mulig
• Spesielle smøremidler som er inerte og ikke-gassende, for mekaniske komponenter
• Vakuumelementer i selve robotkroppen for å lede eventuelle partikler til et adskilt eksosområde
• Spesialforsegling av alle skjøter på roboten

Sistnevnte er spesielt viktig for høyhastighetsroboter som tilfredsstiller behovet for høy halvledergjennomstrømning, men som kaster av seg flere partikler sammenlignet med utstyr som beveger seg langsommere.

Figur 2: Bruken av robotikk og annen automasjon for produksjon av mikroelektronikk, strekker seg utover renrommet. (Bildekilde: Dreamstime)

Sammendrag av bruksområder hvor hver robottype utmerker seg

Selv om det er mange bruksområdeoverlappinger, er roboter med seks akser vanligvis assosiert med montering av elektroniske enheter. SCARA-er manøvrerer elektroniske komponenter 360 grader for å bevege plukkroboten under håndtering og behandling av wafere, og dette gjøres raskere og ofte mer nøyaktig enn andre alternativer. Kartesiske roboter er derimot ofte forbundet med halvledertesting og pakkeoppgaver, samt behandling av elektroniske produkter i storformat. På den annen side brukes samarbeidsroboter (cobot-er) til å bringe svært beskyttede renromssoner sammen med deler av renrom som kan krysses av anleggspersonell. Samarbeidsroboter ser også økt bruk innen lodding og andre oppgaver som tidligere ble eksklusivt utført gjennom manuell drift.

Figur 3: Her vises automatisk lodding av brikkekomponenter på et kretskort. (Bildekilde: Dreamstime)

Selv om det ikke ligger innenfor omfanget av denne artikkelen, ser vi også økt bruk av parallell-kinematikk, kjent som delta-roboter. Disse er spesielt utviklet for montering av elektroniske produkter. Delta-roboter i halvlederproduksjon gir eksepsjonelt rask og dynamisk plukking og pakking, enten de fungerer alene, parvis eller er installert for å støtte SCARA-er i en arbeidscelle. Les mer om disse bruksområdene i artikkelen Slik optimaliserer og strømlinjeformer delta-roboter elektronikkproduksjonsprosesser, på digikey.com, om delta-roboter i halvlederindustrien. Kinematikken til delta-roboter gir faktisk nøyaktighet og repeterbarhet for å tilby egnet montering av fotovoltaisk elektronikk.

Robotikk er avhengig av endeeffektorer for produktivitet

Avanserte robot-endearmverktøy (EoAT – end-of-arm tooling, også kalt endeeffektorer) klassifisert for renrom, for eksempel gripere, er kjernen i halvlederproduksjon. Her må endeeffektorer (EoAT-er) ha høy dynamikk og evnen til å utføre sporing, plassering og montering med høy presisjon. I noen tilfeller vil endeeffektorens krafttilbakekobling eller maskinsyn øke nøyaktigheten for delehåndtering ved å gi adaptive evner – slik at rutinene til en plukkrobot utføres raskt, selv om det for eksempel er noen variasjoner i posisjonen til et arbeidsstykke. Slike sensor- og tilbakekoblingsfremskritt kan noen ganger gjøre de kompliserte festeanordningene for eldre elektronikkhåndteringsløsninger, unødvendige.

Figur 4: EGK-gripere for små komponenter blir smurt med H1-fett og kommer sertifisert for renrom. (Bildekilde: SCHUNK Intec Inc.)

Figur 5: Elektronikk-kontraktsproduksjon bruker robotikk rikelig innen korttesting. (Bildekilde: Dreamstime)

Se på hvordan fleksible arbeidsceller betjent av seksaksede roboter ofte utfører to eller flere oppgaver, for eksempel generell arbeidsstykkehåndtering, transportbånd og annen maskinbetjening, maskinering, montering og pakking. På samme måte utføres både påføring av innkapsling, vibrasjonsdemping, skjerming, adhesjon og tetningsmaterialer ofte med én enkel seksakset robotarbeidscelle. Her suppleres robotiske endeeffektorer med automatiserte verktøyskiftere som utfører flere oppgaver, slik at hver arbeidscelle kan være maksimalt nyttig. EoAT-overganger er vanligvis raske til å tilby støtte for halvlederindustriens høye gjennomstrømningskrav. For eksempel kan en robot bruke én EoAT til å plukke og plassere gjenstander i en festeanordning. Deretter (etter et rask EoAT-skifte) kan den påføre klebemiddel og presse sammen halvdelene til et hus for et sluttprodukt. En tredje EoAT kan laste ferdige gjenstander på et utgående transportbånd eller inn i en kasse.

Figur 6: Robotiske endeeffektorer kan komme som loddejernspisser for å automatisere monteringen av underkomponenter på kretskort. (Bildekilde: Dreamstime)

SCARA-robotikk i elektronikkproduksjon

I flere tiår har SCARA forblitt gullstandarden for behandling, håndtering og monteringsoppgaver for halvlederbrikker, inkludert:

• Avsetning og etsing
• Termisk behandling
• Trådkorsbehandling
• Kretskortmontering
• Testing og metrologi

Når alt kommer til alt, tilbyr SCARA-er høye hastigheter gjennom hele det sylindrisk formede området på 360 grader, og er ofte i stand til å utføre plukkrobot-oppgaver langt raskere (og noen ganger mer presist) enn sammenlignbare seksaksede og kartesiske løsninger. Nærmere bestemt vil noen bransjetypiske SCARA-er levere repeterbarhet som ligger innenfor ±20 μm lineære frihetsgrader (DOF – degrees of freedom) og ±0,01° på vinkelaksen – i tillegg til direktedrift-alternativer for å oppnå jevn transport av tynne og relativt sprø wafere. Selv om nyttelast kan begrenses til 10 kg eller lettere for mange SCARA-er, er det sjelden noe problem i halvlederkonstruksjoner – selv om det absolutt er en faktor for det relaterte solpanelproduksjonsfeltet.

Figur 7: SCARA-roboter utfører plukkrobot-håndtering og -behandling av wafere på en rask og nøyaktig måte. (Bildekilde: Dreamstime)

SCARA-er fungerer godt sammen med transportbånd som brukes i stasjoner for halvlederbehandling, samt wafer-karuseller (også kalt roterende bord) som er utformet for å legge til komponenter eller funksjoner på flere kretskort om gangen.

Seksakset robotikk i elektronikkproduksjon

Leddede roboter av industriell kvalitet har flere roterende ledd for å manipulere objekter gjennom to til ti frihetsgrader (DOF-er). Det vanligste leddrobotformatet, er den seksaksede roboten. Halvlederprosesser som krever renrom drar nytte av seksaksede roboter med egnet klassifisering, samt kompakt størrelse for å forbruke mindre strøm og mindre av den verdifulle renromsplassen. Det finnes rikelig med variasjoner for å levere hastigheten og nøyaktigheten som trengs for håndtering og montering med høy gjennomstrømning. Servomotorene som driver robotenes ledd ligner de som finnes i andre robottyper, men det er langt mer sannsynlig at seksaksede roboter parer disse motorene med belastningsbølge- (strain-wave) eller sykloidegir (cycloidal gearing).

I likhet med SCARA-er, fungerer seksaksede roboter også godt sammen med transportbånd som brukes i stasjoner for halvlederbehandling.

Figur 8: Denne seksaksede leddroboten er tilgjengelig som renromsmodell i ISO 5 (klasse 100). (Bildekilde: Denso Robotics)

Hovedfordelen til seksaksede roboter er behendigheten og det store arbeidsvolumet for et sammenkoblingssett (linkage-set) med en gitt størrelse – enten de er installert på et gulv eller henger fra et tak. For å illustrere, kan en seksakset arm som er 600 mm høy når den er sammenklappet, nå 650 mm i alle retninger, og den har evnen til raskt og samtidig sveipe hvert ledd 120° til 360° for å gi kvikke bevegelser av elektroniske nyttelaster, som kan være noen få gram eller opptil flere kilo eller mer. Absolutte kodere på hvert ledd og Ethernet-baserte nettverk gir bevegelsestilbakekobling og konnektivitet for PLS, PC eller dedikerte robotstyringer, og adaptiv programvare for å både kommandere og forbedre prosesser over tid. Disse styringene inkluderer integrasjon av sofistikerte endeeffektorer – for eksempel gripere for å håndtere små og skjøre elektronikkomponenter på en sikker måte.

Seksaksede roboter utmerker seg i maskinbetjening og pakking av elektronikkprodukter. Utover monteringen av selve kortene, kan robotene feste elektronikk i sluttproduktenes metall- eller plasthus, og også sammenkoble de nødvendige elektriske tilkoblingene. Noen seksaksede roboter kan også utføre ferdigmontering av elektronikkprodukter, pakking av kasser og palletering.

Kartesisk robotikk i elektronikkproduksjon

Kartesiske roboter – de som er basert på modulære stabler av lineære akser – bidrar til å tilfredsstille halvlederindustriens behov om å opprettholde renromsforhold for mange prosesser. Nesten ubegrenset skalerbarhet betyr at distansen kan dekke alt fra noen få centimeter til mer enn 30 meter. Repeterbarhet for kartesiske roboter kan holde seg innenfor ±10 μm lineære frihetsgrader (DOF-er) med sammenlignbar vinkelrepeterbarhet fra endeeffektorer, samt alternativer for roterende-til-lineær-drift og direktedrift for særlig jevn transport av wafere. Hastigheter på opptil seks meter per sekund er vanlig.

Figur 9: Kartesiske roboter som utfører helautomatiske halvlederproduksjonsoppgaver. Legg merke til de lineære motorene som gir direktedrift med høy presisjon på hovedaksen. (Bildekilde: Dreamstime)

Kartesisk maskineri utfører vanligvis dedikerte automasjonsoppgaver, ettersom kinematikken har en tendens til å være mindre fleksibel og rekonfigurerbar sammenlignet med andre robottyper. Nøyaktigheten er imidlertid eksepsjonell – spesielt når styringer bruker tilbakekobling og genererer kommandoer for responsivitet på noen millisekunder. Slik bevegelse er viktig i forbindelse med automatisert kartongproduksjon, trimming og overflatepolering, samt omfattende monteringsrutiner.

Kartesiske robotstasjoner er også det beste valget for elektronikk i storformat, for eksempel flatskjermer og solcellepaneler.

Spesifikt konstruksjonseksempel for kartesisk robotikk

Ta i betraktning kartesisk robotikk i maksimalt automatisert kretskortproduksjon og -montering. Kartesisk robotikk manøvrerer enten endeeffektorer over kortene eller kommer som kartesiske bord som flytter kretskort gjennom strekklengden til fastmontert behandlingsutstyr. For eksempel kan slike bord flytte kort gjennom litografisk utstyr som skriver ut kobberkretser på et ikke-ledende silisiumsubstrat. Deretter, etter den innledende kretskortutskriftsprosessen, blir kobberet som ikke er en del av kretsen, kjemisk etset av. Ikke-ledende loddemasker isolerer tilstøtende spor og komponenter.

Figur 10: Kartesisk robotikk kan utstyres med avbildningsutstyr (for eksempel dette termiske avbildningskameraet) for termografi av kretskort produsert med laserassisterte kontakteringsteknikker. (Bildekilde: Teledyne FLIR)

I mange kretskortmonteringsoperasjoner håndterer kartesisk robotikk elektroniske underkomponenter på spolebånd eller boksbånd som mates inn i arbeidscellen. (Robotens plukk-og-plasser-hode er utviklet for å gripe og plassere mange av disse underkomponentene.) Robotikken bekrefter alle underkomponentverdier og -polariteter, og justerer og lodder deretter underkomponentene ved å bruke hullmonterings- eller overflatemonteringsteknologi (SMT – surface-mount technology). Underkomponentledere for hullmontering settes inn i korthull, trimmes og klemmes, og loddes deretter til kortets bakside for å oppnå maksimal mekanisk styrke (men dette krever mer kompliserte monteringsrutiner). SMT-underkomponenter aksepterer derimot maksimalt automatiserte høyvolumssett og lodderutiner – så nå dominerer de mange kortkonstruksjoner. Når det er sagt, er montering via gjennomgående hull fortsatt mest vanlig for å feste store kondensatorer, transformatorer og kontakter til kort.

Figur 11a og 11b: Her vises verktøyhoder for å feste underkomponenter med overflatemonteringsteknologi (SMT – surface-mount technology) til et kort. (Bildekilde: Dreamstime)

For SMT-komponenter påføres loddepasta på kretskortet før komponentmontering. Påsmeltingslodding bruker deretter varmluft til å smelte loddepastaen for å danne koblingene til SMT-komponentene. Smeltelodding er mer vanlig for hullmonteringskomponenter. Denne metoden innebærer å føre kortet over en stående bølge dannet på overflaten av en panne med smeltet loddetinn. Slike maskiner er kostbare og best egnet for produksjon av svært store volum.

Figur 12: Tilbakekobling for maskinsyn påvirker ofte responsen fra det kartesiske systemet. Massiv innebygd prosessorkraft, avanserte algoritmer og en FPGA gjør det mulig for HAWK-smartkameraer (inkludert modellen som vises her) å oppnå utløserrespons i sanntid for kodelesing, verifisering, inspeksjon og veiledning for 4000 til 14 000 deler per minutt. Dette kameraet er faktisk en mellomløsning mellom komplekse PC-baserte kameraer og grunnleggende industrielle smartkameraer. (Bildekilde: Omron Automation and Safety)

Typiske motorer og drev for kartesisk robotikk

Kartesisk robotikk bruker mange av de samme typene servomotorer, presisjonsgir og elektromekaniske drivverk som robotikkløsninger. Ett forbehold er at trinnmotorene i noen kartesiske konstruksjoner som transporterer halvledere under produksjon, ikke bør forveksles med såkalte trinn-og-repeter-kameraer – noen ganger bare kalt «steppers» (trinnmotordrivere). Sistnevnte er viktig for fotolitografiske prosesser under brikkeproduksjon.

På samme måte som SCARA, og særlig seksakset robotikk, har tatt i bruk mer av direktedrevne momentmotorer, har kartesisk robotikk (i konstruksjoner som tjener halvlederindustrien) sett økt bruk av lineære motorer over de siste årene. En rekke industristandarder og proprietære motorspoler, miniatyr-endeposisjonerere, piezobaserte justeringsmoduler, vakuum- og renromsklassifiserte undersystemer, lineære rullelagre, styringer og andre innovasjoner, utfyller disse stasjonene med direkte drift for å hjelpe kartesiske systemer med ultrafine og ultraraske bevegelser.

Samarbeidsroboter i elektronikkproduksjon

Samarbeidsroboter (cobot-er) har spredd seg i halvlederindustrien over det siste tiåret. For å få finne ut mer om dette, kan du gå til DigiKey.com sin blogg Enkel automasjon med samarbeidsroboter fra Omron TM. I halvlederproduksjon kan samarbeidsroboter fra Omron og andre produsenter forhindre den ekstremt kostbare forurensningen av wafere ved å forbinde arbeidssonene for wafer-beskyttelse og de som betjenes av renromspersonell. Installasjoner med samarbeidsroboter klassifisert for produksjon av halvledere forhindrer også partikkel- og smøremiddelutgassing, samtidig som de utfyller manuelle operasjoner for plassering og lodding.

Figur 13: Samarbeidsroboter i HCR-5-serien oppfyller ISO-2 spesifikasjonene for renrom. (Bildekilde: Hanwha Corp./Momentum)

Figur 14: KUKA-samarbeidsroboter (cobot-er) er kjerne i dette wafer-behandlende Infineon ISO3-renrommet. (Bildekilde: KUKA)

Figur 15: KUKA-samarbeidsroboter i dette Infineon-renrommet ble fagmessig integrert, koblet sammen i nettverk og programmert av mekatronikk- og automasjonsspesialister. (Bildekilde: KUKA)

Samarbeidsroboter i halvleder- og elektronikkindustrien må ha hastighetsegenskaper som er over gjennomsnittet, og de må være supplert med avansert dynamikk og styringer for å hindre at tynne, og derfor delikate, wafere opplever vibrasjoner. Ellers kan det dannes små sprekker. Selvfølgelig er brudd med riktig spesifiserte samarbeidsroboter langt mindre sannsynlig enn med menneskelig arbeidskraft.

Automatisert lodding med samarbeidsroboter er også egnet i tilfeller der komponenter blir montert på spesielt tynne kort og effektene av termisk utvidelse av silisium er en bekymring. På steder der samarbeidsroboter skal utføre denne og andre typer monteringsoppgaver, er det ofte logisk å integrere termografi eller annet kortinspeksjonsutstyr på EoAT-en. Dette fremskynder feilsikringsoppgaver for å gi høyere avkastning og kvalitetssikring – ofte til relativt lav pris.

Konklusjon

Industriell robotikk kan gi rimelig og fleksibel automatisering av halvleder- og elektronikkproduksjon. Noen av de tekniske utfordringene er behovet for å tilfredsstille renromsklassifiseringer, høy gjennomstrømning og forsiktig håndtering av svært dyre arbeidsstykker. Likevel har dagens robotmaskinvare, i tillegg til robotsimuleringsprogramvare og programmering, forenklet dimensjoneringen og utvalg av renromsrobotløsninger.

Noe som gjør ting mer komplisert, er hvordan stadig finere detaljer på stadig mer miniatyrisert elektronikk, nødvendiggjør at robotiserte monteringsprosesser også følger etter. Robotikk håndterer denne utfordringen med motorer, mekaniske koblinger, styringer og nettverk, som muliggjør stadig mer avanserte egenskaper. Komplementære teknologier som maskinsyn og industrielle sanntidsnettverk har også ført til nye muligheter innen robotikk når det gjelder å manipulere, behandle og montere halvlederproduksjon med høyt volum.