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Cobots: the new form of wafer handling in cleanrooms 

Cobots are entering the cleanrooms of the electronics industry. In wafer handling, they score high with customers for their reliability as well as top quality and safety standards. Cobots thus take automation in cleanrooms to a new level.


17 台灵敏的晶片搬运机器人为 KUKA 的客户英飞凌确保了效率和安全

硅晶片并不是真正的协作产品:许多硅晶片的厚度在 40 微米以内,比头发丝还细,而直径却在 150 到 300 毫米之间,相当于一个披萨饼的尺寸。这是一种相对易碎的材料,操作人员无法也不愿意将它拿在手上。为了使这些每盒总价值可能相当于一辆中档汽车的敏感硅晶片变成芯片,它们必须在生产过程中经过高达 1200 个流程步骤,并且每次都要将它们运输到另一个自动化加工站。很明显这正是 LBR iiwa CR 等机器人大显身手的机会。英飞凌的生产基地位于奥地利的菲拉赫,负责生产用于汽车、智能手机、冰箱或服务器农场以及机车驱动单元等的功率半导体。

每盒敏感的硅晶片总价值可能相当于一辆中档汽车。

生产过程比外科手术室更洁净

英飞凌在菲拉赫工厂第 17 号车间的 1 类洁净室环境内生产芯片。从制造要求来看,这意味着:28 升空气中不允许超过一粒灰尘。这远远小于外科手术室允许的数量。我们做一个比较:在看着特别纯净的山区空气中,在相同体积中约有 100000 个灰尘漂浮在周围。对于员工,这意味着:只有穿着纯白色特制全身防护服通过一个特殊的气闸才能进入生产。需要完全遮盖皮肤和头发,确保皮屑不会泄漏到外部。笔记本和其他技术设备必须事先经过严苛的清洁。
17 台 LBR iiwa CR 型净室机器人在位于菲拉赫的英飞凌公司投入使用。

净室机器人确保晶片搬运过程中的协作零危险

“鉴于晶片的生产条件苛刻敏感,我们需要深思熟虑应采用哪种运输技术。”位于菲拉赫的 Infineon Technologies Austria 公司 AMHS(自动物料搬运系统)部门的自动化团队主管 Martin Moser 解释道。“由于晶片生产过程中有不同的移动单元以及操作人员不断在活动,所以,只有紧凑、灵敏并且其设计确保人机协作无危险的机器人才适合自动化。而这一切不需要防护栅栏。”
灵敏型 LBR iiwa CR 在晶片搬运过程中不需要防护栅栏。

与系统合作伙伴携手共进,促成解决方案

“在寻找解决方案的过程中,我们注意到了 KUKA 协作机器人。”研发工程师说道。使这些机器人根据 ISO3 适应洁净室内特殊的晶片搬运要求,是一个深入的学习过程,参与其中的英飞凌自动化专家与他们的系统合作伙伴一起携手合作。除了 KUKA 以外,这些合作伙伴主要有负责生产中组装、布线和施工的 Mechatronic Systemtechnik GmbH 专家以及负责设备控制系统的 Micado Automation GmbH 编程人员。

“当时我们还没有关于晶片生产机器人的蓝图。我们共同根据自身的需求全方位量身打造了这些系统。对我们来说,和 KUKA 一样,这些都是实实在在的开创性工作。”Moser 讲述道。这包括了使轻型机器人具备适应洁净室的能力。这对 KUKA 机器人来说也是陌生的“新大陆”。“所有参与方做出了富有建设性、以解决方案为导向的共同努力,对我们目前的自动化芯片生产的理想运输方案发挥了更大的推动作用。”Moser 如此说道。
Lisa Ebner 从一开始就参与了将净室机器人集成到自动化的生产流程中。

晶片搬运过程实现精确到毫米的理想作用范围

如今,17 台 LBR iiwa CR 机器人每年 365 天全天候在多个洁净室中工作。“它们更为紧凑、可移动并且能胜任高达 14 kg 的负载,工作时不会产生任何振动,即使在狭窄的空间内,也可用其抓爪执行精确到毫米的作业。”Moser 在解释净室机器人的优势时说。尤其是附加的第七轴具备相应的作用范围,它可进行灵敏的角度运动,而这些运动是无法由“传统”6 轴机器人完成的。
KUKA 机器人以毫米级的精度将硅晶片放入加工室。

作业精确到毫米

这样净室机器人会静静地将装满价值不菲的硅晶片的黑盒送往各个加工步骤,以精确到毫米的精度将其送入相应加工室,然后再次将晶片取出。“起初,我们就想为菲拉赫的生产量身定制一个解决方案。至于其他方面,我们并不考虑。”Martin Moser 阐述道。“所以,我们自己承担了系统的集成工作。期间,与 KUKA 研发人员的直接交流对我们来说至关重要,尤其是在我们如何设置整个系统以及系统之后如何继续‘学习’方面。” 
净室机器人将装满硅晶片的黑盒送往各个加工步骤。

在生产微芯片的可行性和必要性之间取得正确的平衡

在 Martin Moser 的团队中,Lisa Ebner 从一开始就参与了将机器人集成到硅晶片的自动化生产流程中。Lisa Ebner 是净室机器人的忠实粉丝:“当我第一次见到 LBR iiwa CR 机器人,我就完完全全被吸引住了:我可能花了数小时观看机器人柔和流畅的运动过程。”这位自动化专家在生产通道上来回研究,在控制台上检查系统并且探寻进一步的方法来完善生产过程。“进行优化时,我们必须在技术物理上的可行性和生产目的的合理性之间找到适当的平衡。我们必须始终找到适合经济生产的方案。”
为了实现经济生产,英飞凌必须始终在可行性和合理性之间找到更好的平衡。

半导体制造前景的学习进展

“我们现在学到的一切,将使我们走得更远,并将半导体制造的自动化推向更高水平。”位于菲拉赫的 Infineon Austria 公司的生产主管 Bernd Steiner 说道。这家企业为菲拉赫的生产基地投资 16 亿欧元。2021 年年底,这里的功率半导体将实现全自动化生产。“我们的目标是智能工厂将产能精准地投入在所需之处。”Steiner 讲解道。 

未来的节能芯片将应用于诸如智能手机、家用电器和汽车等多种日常应用中,也可运用到数据服务器、医疗技术设备、太阳能和工业设备。这将使我们的生活更加轻松、安全、环保。

位于菲拉赫的 Infineon Austria 公司的生产主管 Bernd Steiner 

电子书:采用 KUKA 净室机器人技术的下级自动化

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