Các cobot: Cách xử lý mới cho tấm bán dẫn trong phòng sạch

Các cobot tiến vào các phòng sạch trong ngành công nghiệp điện tử. Khi nói đến việc xử lý tấm bán dẫn, chúng ghi điểm với khách hàng bằng độ tin cậy và các tiêu chuẩn chất lượng và an toàn cao nhất. Các cobot đưa tự động hóa trong phòng sạch lên một tầm cao mới.

Khách hàng của KUKA là Infineon sử dụng 17 rô-bốt xử lý tấm bán dẫn nhạy bén để đảm bảo hiệu quả và an toàn

Không, tấm bán dẫn silicon không thực sự là một sản phẩm hợp tác: Với kích thước lên tới 40 micromet, nhiều tấm bán dẫn silicon mỏng hơn sợi tóc nhưng lại có đường kính từ 150 đến 300 milimet, bằng kích thước của một chiếc bánh pizza. Một chất liệu rất dễ vỡ mà người ta không thể và sẽ không muốn cầm trên tay. Để những tấm bán dẫn silicon nhạy cảm mà giá trị một hộp có thể tương đương một chiếc ô tô tầm trung này được sản xuất thành chip, chúng phải trải qua tới 1200 công đoạn trong quá trình sản xuất. Và mỗi lần chúng lại được vận chuyển đến một trạm xử lý tự động khác nhau. Một trường hợp rõ ràng cho loại rô-bốt như LBR iiwa CR. Tại cơ sở Infineon ở Villach, Áo, sản xuất các chất bán dẫn như loại được sử dụng trong ô tô, điện thoại thông minh, tủ lạnh hoặc trong các trang trại máy chủ và bộ truyền động của đầu máy xe lửa.

Các tấm bán dẫn silicon nhạy bén khi được kết hợp thành một hộp có thể có giá trị như một chiếc ô tô tầm trung.

Khi sản xuất cần môi trường phải sạch hơn trong phòng phẫu thuật

Tại Sảnh 17 của nhà máy Villach, Infineon sản xuất chip trong môi trường phòng sạch loại 1. Đối với các yêu cầu sản xuất, điều này có nghĩa là: Không được có nhiều hơn một hạt bụi trong 28 lít không khí. Số lượng đó ít hơn đáng kể so với những gì được phép trong phòng phẫu thuật. Để so sánh: Trong không khí vùng núi, nơi được coi là đặc biệt trong sạch, cũng có khoảng 100000 hạt bụi bay trong thể tích như vậy. Đối với nhân viên điều này có nghĩa là: Chỉ vào khu sản xuất trong những bộ quần áo bảo hộ toàn thân màu trắng tinh khiết, đặc biệt là thông qua một khóa khí đặc biệt. Da và tóc phải được che phủ hoàn toàn để không có gàu xâm nhập ra bên ngoài. Máy tính xách tay và các thiết bị kỹ thuật khác trước hết phải được vệ sinh tỉ mỉ.

Tại cơ sở Infineon ở Villach sử dụng 17 rô-bốt phòng sạch LOẠI LBR iiwa CR.

Rô-bốt phòng sạch đảm bảo phối hợp an toàn trong quá trình xử lý tấm bán dẫn

Martin Moser, trưởng nhóm tự động hóa thuộc bộ phận AMHS (Hệ thống xử lý vật liệu tự động) tại Infineon Technologies Austria, ở Villach, giải thích rằng: “Với những điều kiện sản xuất cực kỳ nhạy cảm này trong sản xuất các tấm bán dẫn, chúng tôi phải suy nghĩ rất kỹ lưỡng về công nghệ vận chuyển mà chúng tôi sẽ sử dụng ở đây.” Vì các đơn vị di động khác nhau và con người luôn di chuyển trong quá trình sản xuất tấm bán dẫn, chỉ những rô-bốt cực kỳ nhỏ gọn, nhạy bén và được thiết kế để tương tác an toàn giữa con người và máy móc mới có thể được sử dụng để tự động hóa. Và thực hiện tất cả những điều này mà không có bất kỳ hàng rào bảo vệ nào.

Rô-bốt LBR iiwa CR nhạy bén không cần hàng rào bảo vệ khi xử lý tấm bán dẫn.

Phối hợp trực tiếp với các đối tác hệ thống để tìm ra giải pháp

“Trong quá trình tìm kiếm đó, chúng tôi đã biết đến các Cobot của KUKA”, vị kỹ sư phát triển dẫn lời. Làm cho những rô-bốt này phù hợp với các yêu cầu rất đặc biệt về xử lý tấm bán dẫn trong phòng sạch theo ISO3 là một quá trình nghiên cứu cực kỳ chuyên sâu trong đó các chuyên gia tự động hóa từ Infineon đã làm việc cùng với các đối tác hệ thống của họ. Ngoài KUKA, đây là tất cả các chuyên gia từ Công ty TNHH Mechatronic Systemtechnik về lắp ráp, đi cáp và xây dựng trong sản xuất, cũng như các lập trình viên từ Công ty TNHH Micado Automation cho phần điều khiển hệ thống.

“Vào thời điểm đó chúng tôi không có bản thiết kế cho rô-bốt trong sản xuất tấm bán dẫn. Chúng tôi đã cùng nhau điều chỉnh các hệ thống một cách chính xác theo nhu cầu. Đó thực sự là công việc tiên phong, đối với chúng tôi cũng như đối với KUKA” dẫn lời Moser. Điều này bao gồm cả việc khiến cho các rô-bốt hạng nhẹ phù hợp với phòng sạch. Kể cả với rô-bốt KUKA thì đó vẫn là “vùng đất mới”. Moser cho biết: “Sự hợp tác mang tính xây dựng, hướng về giải pháp của tất cả những người liên quan đã đóng góp đáng kể cho việc hiện chúng tôi có một giải pháp vận chuyển lý tưởng để sản xuất chip tự động.

Lisa Ebner đã tham gia vào việc tích hợp rô-bốt phòng sạch vào quy trình sản xuất tự động ngay từ đầu.

Phạm vi hoàn hảo cho công việc chính xác từng milimet trong xử lý tấm bán dẫn

Hiện nay 17 rô-bốt LBR iiwa CR thực hiện công việc của chúng trong các phòng sạch – liên tục suốt 365 ngày một năm. “Chúng cực kỳ nhỏ gọn, cơ động, có thể chịu tải trọng lên đến 14 kg, hoạt động mà không bị rung và hoạt động với bộ kẹp của chúng chính xác đến từng milimet, ngay cả trong những không gian chật hẹp nhất”, Moser giải thích những ưu điểm của rô-bốt phòng sạch. Đặc biệt, trục bổ sung thứ bảy với phạm vi tương ứng giúp chúng có thể thực hiện các chuyển động nhạy cảm và góc cạnh mà rô-bốt 6 trục “thông thường” không thể thực hiện được.

Rô-bốt KUKA đặt các tấm bán dẫn silicon vào buồng xử lý với độ chính xác đến từng milimet.

Sự hoàn hảo trong công việc cần chính xác từng milimet là cực kỳ cao

Các rô-bốt phòng sạch vận chuyển các hộp đen chứa đầy các tấm bán dẫn silicon có giá trị đến các bước xử lý riêng lẻ, đưa chúng vào các khoang xử lý tương ứng với độ chính xác đến từng milimet và sau đó lại lấy các tấm bán dẫn ra. “Ngay từ đầu, chúng tôi đã muốn có một giải pháp phù hợp chính xác cho việc sản xuất của mình ở Villach. Chúng tôi không chấp nhận điều gì khác”, Martin Moser giải thích. “Do đó, chúng tôi đã tự mình tích hợp các hệ thống. Vì vậy việc trao đổi trực tiếp với các nhà phát triển của KUKA là rất quan trọng đối với chúng tôi - đặc biệt là về cách chúng tôi thiết lập hệ thống tổng thể và cách nó tiếp tục ‘học hỏi’ sau đó.”

Các rô-bốt phòng sạch vận chuyển các hộp đen chứa đầy các tấm bán dẫn silicon đến các bước xử lý riêng lẻ.

Sự cân bằng phù hợp giữa những gì khả thi và những gì cần thiết cho việc sản xuất vi mạch

Trong nhóm của Martin Moser, Lisa Ebner đã tham gia tích hợp các rô-bốt vào quy trình sản xuất tấm bán dẫn silicon tự động ngay từ đầu. Lisa Ebner thực sự là một người hâm mộ của rô-bốt phòng sạch: “Khi tôi nhìn thấy rô-bốt LBR iiwa CR lần đầu tiên, tôi đã hoàn toàn bị cuốn hút: Tôi có thể theo dõi những chuyển động mềm mại, hài hòa của rô-bốt trong nhiều giờ.” Cô chuyên gia tự động hóa này liên tục ra vào các dãy sản xuất, kiểm tra các hệ thống tại trung tâm điều khiển và tìm kiếm thêm các phương án khác để hoàn thiện sản xuất. “Khi tối ưu hóa, chúng tôi phải tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa những gì mặt kỹ thuật vật lý cho phép và những gì có ý nghĩa cho mục đích sản xuất của chúng tôi. Chúng tôi luôn phải tìm ra phương thức phù hợp để sản xuất tiết kiệm.”

Để sản xuất có hiệu quả kinh tế, Infineon luôn phải tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa những gì khả thi và những gì hợp lý.

Bước tiến cho tương lai của ngành sản xuất chất bán dẫn

“Mọi thứ chúng ta học được đều mang chúng ta đi xa hơn.” Bernd Steiner, Giám đốc Sản xuất của Infineon Austria ở Villach, cho biết: “Cần tự động hóa ở cấp độ cao hơn trong sản xuất chất bán dẫn.” Công ty đang đầu tư 1,6 tỷ euro vào cơ sở Villach. Chất bán dẫn sẽ được sản xuất tại đây theo cách thức hoàn toàn tự động vào cuối năm 2021. Steiner giải thích: “Mục tiêu của chúng tôi với nhà máy thông minh là đạt được hiệu suất chính xác ở nơi cần thiết.”

Đối với những con chip tiết kiệm năng lượng của tương lai, chẳng hạn như những con chip được sử dụng trong nhiều ứng dụng hàng ngày như điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng và ô tô, cũng như trong máy chủ dữ liệu, thiết bị y tế, hệ thống năng lượng mặt trời và công nghiệp. Để chúng làm cho cuộc sống của chúng ta dễ dàng hơn, an toàn hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Bernd Steiner, Giám đốc sản xuất tại Infineon Austria ở Villach