Cobot, la soluzione per l'elettronicain camera sterile

I cobot fanno il loro ingresso nelle camere sterili dell’industria elettronica. Nella movimentazione dei wafer assicurano al cliente affidabilità ed i massimi standard di qualità e sicurezza. I cobot portano ad uno nuovo livello l’automazione in camera sterile.

17 robot sensibili per la movimentazione di wafer garantiscono, presso Infineon, cliente di KUKA, l’efficienza e la sicurezza delle operazioni

I wafer di silicio sono un prodotto estremamente delicato: con uno spessore massimo di 40 micron, molti wafer di silicio sono più sottili di un capello, pur avendo un diametro compreso tra 150 e 300 mm, non lontano dalle dimensioni di una pizza. Questo materiale estremamente fragile non si può tenere in mano. Per far diventare dei chip questi wafer di silicio sensibili, una cassetta dei quali ha un valore che si avvicina quello di un’automobile di classe media, devono subire fino a 1200 passaggi nel processo di produzione. A ogni passaggio vengono trasportati verso una nuova stazione di lavorazione automatizzata. Un caso perfetto per un robot come LBR iiwa CR. Nella sede di Infineon nella città austriaca di Villach vengono prodotti dei semiconduttori di potenza che si trovano ad esempio nelle auto, negli smartphone, nei frigoriferi, nelle server farm e nelle unità di azionamento di locomotive.

Una cassetta di wafer di silicio può raggiungere il valore di un’automobile di classe media.

Nella produzione occorre garantire standard di pulizia superiori a quelli di una sala operatoria

Nel capannone 17 dello stabilimento di Infineon a Villach si produce un chip in un ambiente che presenta una classe di sterilità 1. Per quanto concerne i requisiti di produzione, in 28 litri di acqua non può essere presente più di una particella di polvere. Si tratta di un valore significativamente inferiore a quello consentito in una sala operatoria. A titolo di esempio, nell’aria di montagna, che consideriamo particolarmente pulita, nello stesso volume troviamo circa 100.000 particelle. Per i lavoratori questo significa accesso alla produzione solo con speciali tute integrali di colore bianco attraverso uno speciale airlock. La pelle e i capelli devono essere integralmente coperti, di modo che non possa sfuggire nemmeno una particella. I computer portatili e gli altri apparecchi tecnici devono subire preventivamente una scrupolosa pulizia.
Presso la sede di Villach di Infineon vengono impiegati 17 robot per camera sterile di tipo LBR iiwa CR.

I robot collaborativi in camera sterile garantiscono una interazione sicura con gli operatori

“Alla luce delle condizioni di produzione estremamente sensibili, per i nostri wafer dobbiamo valutare molto attentamente quale tecnologia di trasporto impiegare”, spiega Martin Moser, team leader Automazione per l’area AMHS (Automated Material Handling System) nella sede a Villach di Infineon Technologies Austria. “Poiché nella produzione di wafer operano svariate unità mobili e anche delle persone, per l’automazione possono essere impiegati unicamente robot estremamente compatti, sensibili e progettati per garantire una collaborazione senza pericoli tra uomo e macchina. Il tutto senza recinzioni di protezione.
Il robot sensibile LBR iiwa CR non necessita di alcuna recinzione di protezione nelle operazioni di manipolazione di wafer.
I cobot da camera bianca nella produzione di semiconduttori.  

Stretta collaborazione con i system partner

“Mentre eravamo alla ricerca di queste caratteristiche, abbiamo notato i cobot di KUKA”, spiega l’ingegnere di sviluppo. Adattare questi robot agli specifici requisiti ISO3 della movimentazione di wafer in camera sterile è stato un processo di apprendimento molto intenso nel quale gli esperti di automazione di Infineon hanno lavorato a stretto contatto con i loro system partner. Oltre a KUKA hanno lavorato a questa soluzione gli esperti di Mechatronic Systemtechnik GmbH per la costruzione, il cablaggio e l’installazione nell’ambiente produttivo ed i programmatori di Micado Automation GmbH per il controllo dell’impianto. 

“All’epoca non vi erano esperienze su come realizzare robot per la produzione di wafer. Insieme abbiamo stabilito i sistemi sulla base delle nostre specifiche esigenze. Si è trattato di un lavoro realmente pionieristico, sia per noi sia per KUKA”, ricorda Moser. Una delle attività più rilevanti è stata la trasformazione del robot leggero in una macchina adatta ad una camera sterile. Si trattava di una “terra incognita” anche per i robot KUKA. “La collaborazione di tutti i soggetti interessati, costruttiva e orientata alla soluzione, ha contribuito in modo determinante alla realizzazione della soluzione di trasporto ideale per la produzione automatizzata di chip che abbiamo oggi”, afferma Moser.
Lisa Ebner si è occupata sin dall’inizio dell’integrazione dei robot per camera sterile nel processo di produzione automatizzato.

Raggio d’azione perfetto per le operazioni millimetriche nell’handling di wafer

Oggi 17 robot LBR iiwa CR lavorano in diverse camere sterili 24 ore al giorno, 365 giorni l’anno. “Sono estremamente compatti, mobili, possono movimentare fino a 14 kg, lavorano senza vibrazioni e realizzano con i loro gripper operazioni millimetriche anche in spazi estremamente ridotti”, così spiega Moser i vantaggi dei robot per camera sterile. Nello specifico, il settimo asse aggiuntivo consente di eseguire movimenti sensibili e tortuosi, che non sono possibili con i robot “convenzionali” a 6 assi.
Il robot KUKA è in grado di posizionare con precisione millimetrica i wafer di silicio nella camera di lavorazione.

Estrema perfezione delle operazioni millimetriche 

Con un leggero ronzio, i robot per camera sterile trasportano cassette nere piene di preziosi wafer di silicio verso le singole fasi di lavorazione, le inseriscono con precisione millimetrica nelle singole camere di lavorazione e successivamente prelevano nuovamente i wafer. “Sin dall’inizio volevamo una soluzione pensata per la nostra produzione di Villach. Non eravamo interessati a soluzioni differenti”, spiega Martin Moser. “Ci siamo occupati direttamente dell’integrazione dei sistemi. In questa operazione, il confronto diretto con gli sviluppatori KUKA è stato molto importante, soprattutto per quanto riguarda l’impostazione dell’intero sistema e il suo successivo “addestramento”.” 
I robot per camera sterile trasportano cassette nere piene di wafer di silicio verso le singole fasi di lavorazione.

Il giusto equilibrio tra quello che è fattibile e quello che è necessario per la produzione di microchip

Nel team di Martin Moser, Lisa Ebner si è occupata sin dall’inizio dell’integrazione dei robot nel processo di produzione automatizzato dei wafer di silicio. Lisa Ebner è una vera fan dei robot per camera sterile. "Quando ho visto per la prima volta il robot LBR iiwa CR, ne sono rimasta entusiasta, avrei potuto guardarlo per ore lavorare con i suoi movimenti ampi e armonici”. Lisa è un’esperta di automazione sempre all’opera negli stabilimenti di produzione, dove controlla la consolle di comando dei sistemi ed è costantemente alla ricerca di nuove possibilità di perfezionamento della produzione. “Nell’ottimizzazione dobbiamo trovare il giusto equilibrio tra quello che è possibile dal punto di vista tecnico-fisico e quello che è ragionevole per i nostri scopi di produzione. Dobbiamo sempre trovare la giusta misura per una produzione profittevole.”
Per una produzione profittevole Infineon deve sempre trovare la giusta misura tra quello che è possibile e quello che è ragionevole.

Un passo in avanti per il futuro della produzione dei semiconduttori

“Tutto quello che impariamo, ci fa compiere un passo in avanti. Verso un livello superiore di automazione nella produzione di semiconduttori”, afferma Bernd Steiner, direttore della produzione per la sede di Villach di Infineon Austria. L’azienda investe 1,6 miliardi di euro nella sede di Villach. A fine 2021 dovrebbe essere totalmente automatizzata la produzione di semiconduttori di potenza. “Il nostro obiettivo è portare la potenza esattamente dove serve nella Smart Factory”, spiega Steiner. 

I chip del futuro, a basso consumo energetico, trovano impiego in numerose applicazioni della vita di tutti giorni, come ad esempio smartphone, elettrodomestici, automobili, server dati, dispositivi medicali, impianti solari e industriali. Per rendere la nostra vita più semplice, più sicura e più rispettosa dell’ambiente.

Bernd Steiner, direttore della produzione per la sede di Villach di Infineon Austria 

E-book: Automazione di nuova generazione con la robotica KUKA per camera bianca

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