協作機器人:全新無塵室晶圓搬運技術 

Cobot 進攻電子產業無塵室領域。在晶圓搬運方面,這些機器人以可靠性和最高品質與安全標準,獲得客戶的高度評價。Cobot 因此將無塵室自動化技術推向全新境界。

KUKA 的客戶英飛凌採用 17 架高敏感晶圓搬運機器人,實現高效率和安全性

實際上來說,矽晶圓並非真的是協作效應下的產物:許多矽晶圓的厚度不到 40 微米,比一根人髮還纖細,直徑最大卻可達 150 至 300 毫米,幾乎和一個披薩一樣大。如此脆弱易碎的材料,人們無法、其實也不想拿在手上。此外,矽晶圓極為昂貴,一盒晶圓價值可相當於一輛中型轎車;為了能將敏感的矽晶圓組成晶片,生產過程中必須通過多達 1,200 個製造步驟。而在每個步驟之間,晶圓都必須被搬運到下一個自動化加工站。這時就是 LBR iiwa CR 這類機器人大展身手的時候了英飛凌在其位於奧地利菲拉赫的生產基地,專門生產這類功率半導體,主要用於例如汽車、智慧型手機、冰箱或是伺服器叢集和火車頭驅動系統內。

敏感的矽晶圓每盒價值可相當於一輛中型轎車。

生產環境比手術室還要乾淨

英飛凌在菲拉赫的第 17 號廠房中,在一個符合等級1的無塵室環境中生產晶片。此等級的製造環境標準為:28 公升空氣中不得含有超過一個粉塵粒子。這比一般手術室中所允許的含量低了許多。相較之下:在公認為特別潔淨的高山空氣中,在相同容積裡飄浮著將近 100,000 個粉塵粒子。對於工作人員來說,這表示:只有在穿著白色連身特殊防護衣,並經過空氣洗淨室吹洗後,才能進入無塵室。全身皮膚和毛髮必須受到完全覆蓋,以免有任何毛屑掉落在環境中。筆記型電腦和其他技術設備等都必須事先經過仔細徹底清潔。
位於菲拉赫的英飛凌生產基地採用 17 架 LBR iiwa CR 型無塵室機器人。

無塵室機器人確保安全協作搬運晶圓

「在這樣極為敏感的生產條件之下,我們必須精細考量,要用何種方式來搬運晶圓」,擔任英飛凌奧地利菲拉赫物料自動搬運系統部門的團隊負責人 Martin Moser 解釋。「在晶圓生產過程中,由於有各種不同的行動設備和人員隨時活動於其中,因此結構高度精實且敏感、專為人機安全協作所設計的機器人,成為實現自動化的唯一選擇。而且完全不需使用護欄。」
敏銳的 LBR iiwa CR 在搬運晶圓時不需護欄。

與系統合作夥伴攜手打造解決方案

「當我們在尋找這種技術時,我們注意到了 KUKA Cobot 」,這位研發工程師表示。而在讓這架機器人能夠滿足無塵室晶圓搬運作業的極特殊 ISO3 標準之前,也經歷了一段非常密集的學習過程,在這段期間,英飛凌的自動化專家與多個系統合作夥伴全力攜手合作。除了 KUKA 之外,這些合作夥伴主要還包括負責製造過程中的組裝、佈線和裝配任務的 Mechatronic Systemtechnik GmbH(機電整合系統技術有限公司)的專家人員 ,以及負責系統控制系統的 Micado Automation GmbH 自動化公司的程式設計人員。

「當時我們沒有任何有關晶圓製造專用機器人的藍圖。全靠我們一起設計出完全符合我們需求的系統。不論對我們或是 KUKA 來說,都真的是開拓性成就」,Moser 說。其中也包括將輕量化機器人調整至適合用於無塵室。這對於 KUKA 機器人來說,也是「全新領域」。「所有參與人員之間的建設性、以解方為主的相互協作,為我們如今擁有的理想自動化晶片製造運輸解決方案做出了很大的貢獻」,Moser 表示。
Lisa Ebner 從一開始就共同負責將無塵室機器人整合到自動化製造過程中。

精密晶圓搬運技術的理想工作範圍

如今,一共有 17 架 LBR iiwa CR 機器人在多個無塵室裡服役 – 全年 365 天,全天 24 小時不停息。「這些機器人結構非常精實且靈活,可以負荷多達 14 公斤的重量,工作時不會產生振動,可以在最狹小的空間內,用它們的抓爪毫米不差地執行工作」,Moser 解釋無塵室機器人的各項優點。尤其是擁有額外的第七根軸,可提供更大的工作範圍,因此可以執行「傳統」六軸機器人無法做到的更精準的彎曲動作。
KUKA 機器人將矽晶圓毫米不差地放入加工室裡。

毫米級精密工作追求高度完美 

無塵室機器人就是這樣靜靜地將裝滿昂貴矽晶圓的黑色盒子運送到每個加工步驟,並將其毫米不差地精準放進各個加工室裡,加工完成後再次取出。「從一開始,我們就希望能找到一套完全適合我們在菲拉赫製造過程的解決方案。我們不想要任何其他替代性方案」,Martin Moser 這麼解釋。「也因為如此,我們親自接手處理了系統整合的工作。當時的重點是與 KUKA 研發人員的直接交流 – 尤其是在如何建立整體系統,以及後續的系統『學習』方面。」 
無塵室機器人將裝滿矽晶圓的黑色盒子運送到每個加工步驟。

在微晶片生產的可行性和重要性之間找到正確平衡

在 Martin Moser 所領導的團隊中,Lisa Ebner 從一開始就共同負責將機器人整合到矽晶圓自動化製造過程的工作。Lisa Ebner 無疑是無塵室機器人的粉絲:「當我第一次看到 LBR iiwa CR 機器人時,我完全被迷住了:要是可以的話,我真的可以盯著白色機器人流暢合諧的動作,看上好幾個鐘頭。」這位自動化專家經常出沒在生產通道之間,在控制室檢查系統,不斷設法找出能使製造過程更完美的可能性。「在進行改良時,我們必須注意,要在物理技術極限和有意義的生產標的之間找到平衡點。我們必須隨時找到正確的程度措施,以實現符合經濟效益的製造方式。」
為了實現符合經濟效益的製造方式,英飛凌必須在可行性和合理性之間找到適當的平衡。

未來半導體製造的學習步驟

「我們現在所學習到的一切,都將帶領我們成長前進,邁向半導體製造領域中自動化技術的下一個階段」,英飛凌奧地利菲拉赫製造部門負責人 Bernd Steiner 說。這家公司將在位於菲拉赫的生產基地投資 16 億歐元。預期至 2021 年底,此處將能夠全自動生產功率半導體。「我們的目標是,在智慧工廠裡將功率準確用在確實需要的地方」,Steiner 解釋。 

致力打造未來的節能晶片,讓其在例如智慧型手機、家用電器和汽車,或是資料伺服器、醫療技術設備、太陽能和工業設備等多項應用中獲得善用。藉此讓我們的生活更便利、安全和環保。

Bernd Steiner,英飛凌奧地利菲拉赫製造部門負責人 
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