Cum contribuie roboții de preluare și plasare SCARA, cu șase axe și cartezieni la optimizarea și eficientizarea proceselor de fabricație a produselor electronice

Introducere

Conform unor estimări, utilizarea roboticii în producția componentelor electronice rivalizează acum cu cea din industria auto. Nici nu e de mirare: cipurile fabricate, componentele și dispozitivele electronice complet asamblate au o valoare ridicată, astfel încât investițiile în tehnologiile de automatizare sunt justificate. Ceea ce complică lucrurile este faptul că trebuie să creștem volumele și, implicit, randamentul, dar și faptul că produsele în sine sunt delicate... acum, plăcuțele de semiconductori pentru unele aplicații având o grosime de numai 140 µm. Acești parametri de aplicație impun manipularea cu precizie utilizând sisteme de mișcare și robotică având o capacitate excepțională de extindere, viteză, forță și dexteritate, precum și conformitatea cu standardele de curățenie pentru camerele sterile.

Figura 1: Aici, o plăcuță delicată este plasată într-o mașină de depunere a straturilor atomice aflată într-o cameră sterilă. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Accelerarea adoptării roboticii în producția semiconductorilor este susținută de diverse categorii de roboți cu șase axe, de roboți cu brațe cu conformitate selectivă pentru asamblare (SCARA - Selective Compliance Assembly Robot Arms), de mașinării carteziene și de roboți colaborativi care dispun de hardware reconfigurabil sau modular, precum și de software-ul unificat pentru a simplifica în mare măsură implementarea.

Acești roboți și echipamentele lor suplimentare trebuie proiectați, clasificați și instalați pentru camere sterile, astfel încât riscul de contaminare cu impurități a plăcuțelor delicate să fie redus la minimum. Cerințele sunt definite de ISO 14644-1:2015, care clasifică gradul de curățenie a aerului din camerele sterile în funcție de concentrația de particule. Astfel, există o dependență deosebit de puternică de următoarele elemente:

• Metode precise de integrare, împachetare, livrare și instalare pentru a preveni pătrunderea particulelor în camera sterilă
• Acoperiri speciale care nu se vor exfolia sau degrada în alt fel
• Carcase și alte elemente din oțel inoxidabil, ori de câte ori este posibil
• Lubrifianți speciali inerți și care nu eliberează gaze sau vapori pentru componentele mecanice
• Elemente de vid în interiorul corpului robotizat, care direcționează orice particule către o zonă de evacuare segregată
• Etanșare specială a tuturor articulațiilor robotului

Aceasta din urmă este deosebit de importantă pentru roboții de mare viteză care satisfac cerința de randament ridicat în producția de semiconductori, dar generează mai multe particule decât echipamentele cu mișcare mai lentă.

Figura 2: Utilizarea roboticii și a altor forme de automatizare pentru producția de microcomponente electronice se extinde dincolo de camera sterilă. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Rezumat al punctelor forte pentru fiecare tip de robot

Deși există foarte multe suprapuneri între aplicații, roboții cu șase axe sunt cel mai strâns asociați cu asamblarea dispozitivelor electronice. SCARA manevrează componentele electronice la 360° pentru a executa sarcini de manipulare și procesare a plăcuțelor de tip preluare și plasare mai rapid și, adesea, mai precis decât alte opțiuni. În schimb, roboții cartezieni sunt adesea asociați cu sarcini de testare și ambalare a semiconductorilor, precum și cu procesarea produselor electronice de format mare. Pe de altă parte, roboții colaborativi (coboții) sunt utilizați pentru a face legătura între zonele dintre camerele sterile cu grad ridicat de protecție și secțiunile camerelor sterile care ar putea fi traversate de personalul fabricii. De asemenea, roboții sunt utilizați din ce în ce mai mult pentru lipire și alte sarcini care altădată țineau aproape exclusiv de domeniul operațiunilor manuale.

Figura 3: Aici este prezentată lipirea automată a componentelor cipului pe o PCB. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Deși nu intră în sfera de aplicare a acestui articol, se observă o creștere tot mai accentuată a utilizării proiectării cinematice în paralel, cunoscută sub numele de roboți delta, mai ales în ceea ce privește asamblarea produselor electronice. Fie că funcționează singuri, fie că sunt grupați în perechi sau instalați pentru a completa roboții SCARA într-o celulă de lucru, roboții delta din producția semiconductorilor oferă capacități de prelevare și ambalare extrem de rapide și dinamice. Citiți mai multe despre aceste aplicații în articolul de pe digikey.com How Delta Robotics Optimize and Streamline Electronics Manufacturing Processes (Cum optimizează și eficientizează roboții delta procesele de producție a produselor electronice) despre roboții delta în industria semiconductorilor. De fapt, cinematica roboților delta conferă precizie și repetabilitate pentru aplicabilitatea acestora în asamblarea componentelor electronice din echipamentele fotovoltaice.

Productivitatea în domeniul roboticii se bazează pe efectorii finali

Uneltele robotizate avansate fixate pe capătul brațului (EoAT sau efectorii finali), cum ar fi dispozitivele de prindere, sunt esențiale pentru producția de semiconductori. În acest caz, EoAT-urile trebuie să aibă o dinamică ridicată și capacitatea de a executa trasarea, plasarea și asamblarea cu precizie absolută. În unele cazuri, feedbackul forței EoAT sau vederea artificială sporește precizia manipulării pieselor prin conferirea de capacități de adaptare - astfel încât rutinele de preluare și plasare sunt executate rapid, chiar dacă există o anumită variabilitate în pozițiile pieselor de lucru, de exemplu. Astfel de progrese din domeniul senzorilor și feedback-ului pot, uneori, reduce semnificativ necesitatea dispozitivelor complicate de manipulare electronică utilizate în soluțiile tradiționale.

Figura 4: Dispozitivele de prindere EGK pentru componente mici sunt lubrifiate cu vaselină H1 și sunt certificate pentru camere sterile. (Sursa imaginii: SCHUNK Intec Inc.)

Figura 5: Robotica este larg utilizată în testarea plăcilor în cadrul producției sub contract a produselor electronice. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Luați în considerare modul în care celulele de lucru flexibile deservite de roboți cu șase axe execută adesea două sau mai multe sarcini, cum ar fi manipularea generală a pieselor de prelucrat, supravegherea benzilor transportoare și a altor mașini, prelucrarea, asamblarea și ambalarea. În mod similar, aplicarea materialelor de încapsulare, de amortizare a vibrațiilor, de protecție, de aderență și de etanșare este adesea executată în cadrul unei celule de lucru robotizate cu șase axe. În acest caz, efectorii finali ai roboților, completați de dispozitivele automatizate de schimbare a uneltelor, conferă capacități multitasking, astfel încât fiecare celulă de lucru să aibă o utilitate maximă; schimbările EoAT au loc, de obicei, rapid, pentru a răspunde exigențelor de producție intensă din industria semiconductorilor. De exemplu, un robot ar putea folosi un EoAT pentru a prelua și a plasa articole într-un dispozitiv de fixare. Apoi (după o schimbare rapidă a EoAT), poate aplica adezivul și presa împreună jumătățile carcasei de cuplare ale unui produs final. Un al treilea EoAT ar putea încărca articolele finite pe un transportor de ieșire sau într-o cutie.

Figura 6: Efectorii finali ai roboților pot lua forma unor vârfuri de lipit, pentru a automatiza asamblarea subcomponentelor pe PCB-uri. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Roboții SCARA în producția de electronice

Timp de zeci de ani, SCARA a rămas standardul de aur pentru procesarea, manipularea și asamblarea plăcuțelor de semiconductori, inclusiv pentru:

• Depunere și gravură
• Prelucrare termică
• Prelucrarea reticulelor
• Asamblarea plăcii de circuite
• Testare și metrologie

La urma urmei, roboții SCARA oferă viteze ridicate pe toată raza lor de acțiune de 360° de formă cilindrică, fiind, adesea, capabili să execute sarcinile de preluare și plasare mult mai rapid (și uneori mai precis) decât soluțiile comparabile cu șase axe și soluții carteziene. Mai exact, unii roboți SCARA tipici pentru industrie oferă o repetabilitate de ±20 μm pe gradele de libertate (DOF) liniare și ±0,01° pe axa unghiulară, precum și opțiuni de acționare directă pentru transportul fără probleme al plăcuțelor subțiri și relativ fragile. Deși sarcinile utile pot fi limitate la 10 kg sau mai puțin pentru mulți roboți SCARA, acest lucru este rareori o problemă în aplicațiile semiconductorilor - deși este, cu siguranță, un aspect de luat în considerare în domeniul conex al producției de panouri solare.

Figura 7: Roboții SCARA execută rapid și precis sarcini de manipulare tip preluare și plasare și de procesare a plăcuțelor de semiconductori. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Roboții SCARA au o compatibilitate excelentă cu benzile transportoare utilizate în stațiile de procesare a semiconductorilor, precum și cu caruselurile de plăcuțe (numite și mese rotative) concepute pentru a facilita adăugarea de componente sau caracteristici pe mai multe plăci de circuite simultan.

Roboții cu șase axe în producția de electronice

Roboții articulați de nivel industrial dispun de articulații rotative multiple pentru a manipula obiectele prin intermediul a două până la 10 DOF-uri. Cel mai comun format de robot articulat este cel cu șase axe. Procesele semiconductorilor ce trebuie efectuate în camere sterile beneficiază de roboți cu șase axe, care au o capacitate nominală adecvată și sunt compacți, pentru a consuma mai puțină energie și mai puțin spațiu în camerele sterile. Există numeroase variante pentru a oferi viteza și precizia necesare pentru manipularea și asamblarea de mare capacitate. Servomotoarele care acționează articulațiile roboților sunt similare celor întâlnite la alte tipuri de roboți, dar este mult mai probabil ca roboții cu șase axe să asocieze aceste motoare cu angrenajele cu undă de deformare sau cicloidale.

La fel ca roboții SCARA, roboții cu șase axe au o compatibilitate excelentă cu benzile transportoare utilizate în stațiile de procesare a semiconductorilor.

Figura 8: Acest robot articulat cu șase axe este disponibil în modele pentru camere sterile ISO 5 (clasa 100). (Sursa imaginii: Denso Robotics)

Principalul punct forte al roboților cu șase axe este dexteritatea lor și volumul mare de lucru pentru o dimensiune dată a setului de brațe robotice de legătură - indiferent dacă sunt montați pe podea sau fixați de tavan și în poziție inversată. Pentru a exemplifica, un braț cu șase axe care are înălțimea de 600 mm când este pliat poate ajunge la 650 mm în toate direcțiile, având capacitatea de a roti rapid și simultan fiecare articulație de la 120° la 360° pentru mișcarea agilă a încărcăturilor electronice utile de câteva grame până la câteva kilograme sau mai mult. Codificatoarele absolute de la fiecare articulație și rețeaua bazată pe Ethernet oferă feedback de mișcare și conectivitate pentru PLC, PC sau controale dedicate ale robotului și software adaptiv pentru a comanda și îmbunătăți procesele în timp. Aceste controale includ integrarea unor efectori finali sofisticați - de exemplu, dispozitive de prindere pentru manipularea în siguranță a componentelor electronice mici și fragile.

Roboții cu șase axe excelează în supravegherea mașinilor și ambalarea produselor electronice. Dincolo de asamblarea plăcilor în sine, roboții pot fixa componentele electronice în carcasele de metal sau de plastic ale produselor finale și pot realiza și conexiunile electrice necesare. De asemenea, unii roboți cu șase axe pot executa asamblarea produselor electronice finite, ambalarea în cutii și paletizarea.

Roboții cartezieni în producția de electronice

Roboții cartezieni - cei care se bazează pe ansamblurile modulare de axe liniare - contribuie la îndeplinirea cerințelor industriei semiconductorilor de a menține condițiile de cameră sterilă în timpul numeroaselor procese operaționale. Cu o scalabilitate aproape nelimitată, posibilitățile deplasării se extind de la câțiva centimetri până la peste 30 de metri, acoperind, astfel, o gamă largă de distanțe. Repetabilitatea robotului cartezian poate rămâne în limitele de ±10 μm pe DOF-urile liniare, cu o repetabilitate unghiulară comparabilă de la efectorii finali, precum și cu opțiuni de mişcare rotativă la cea liniară și de acționare directă pentru a asigura un transport deosebit de lin al plăcuțelor. Vitezele de până la șase metri pe secundă sunt obișnuite.

Figura 9: Roboți cartezieni executând sarcini complet automatizate de producție a semiconductorilor. Observați motoarele liniare care asigură acționarea directă de înaltă precizie pe axa critică. (Sursa imaginii: Dreamstime)

Mașinile carteziene execută, de obicei, sarcini de automatizare dedicate, deoarece cinematica lor tinde să fie mai puțin flexibilă și reconfigurabilă decât cea a altor tipuri de roboți. Cu toate acestea, acuratețea este excepțională... mai ales când comenzile sunt bazate pe feedback și generează comenzi pentru reacții în milisecunde. O astfel de mișcare este esențială pentru fabricarea automată a plăcilor, pentru tăierea și lustruirea suprafețelor și pentru rutinele de asamblare extinse.

În ceea ce privește produsele electronice de format mare, cum ar fi afișajele cu ecran plat și panourile solare, stațiile de roboți cartezieni reprezintă alegerea de top.

Exemplu de aplicație specifică de roboți cartezieni

Luați în considerare roboții cartezieni în fabricarea și asamblarea automatizată la maximum a plăcilor cu circuite imprimate (PCB). Roboții cartezieni fie manevrează efectorii finali peste plăci, fie iau forma unor mese carteziene care deplasează PCB-urile prin raza de acțiune a echipamentelor fixe de prelucrare. De exemplu, astfel de mese ar putea deplasa plăcile prin echipamentul de litografie pentru a imprima circuitele de cupru pe un substrat de siliciu neconductor. Apoi, după procesul inițial de imprimare a PCB, cuprul care nu face parte din circuitul de proiectare este gravat chimic. Măștile neconductoare pentru cositor izolează urmele și componentele adiacente.

Figura 10: Roboții cartezieni pot fi dotați cu echipamente de imagistică (cum ar fi această cameră de termoviziune) pentru termografia PCB-urilor produse prin tehnici de lipire asistată cu laser. (Sursa imaginii: Teledyne FLIR)

În multe operațiuni de asamblare a PCB-urilor, roboții cartezieni acceptă subcomponentele electronice pe benzi tip mosor sau benzi în cutie introduse în celula de lucru. (Capul robotic de preluare și plasare este proiectat pentru a apuca și plasa o varietate de astfel de subcomponente.) Roboții verifică fiecare valoare și polaritate a subcomponentelor, apoi setează și lipesc subcomponentele prin intermediul unor dispozitive de fixare prin orificii de trecere sau prin tehnologia de montare pe suprafață (SMT). Firele componentelor pentru orificiile de trecere se introduc în orificiile plăcii, sunt tăiate și fixate, iar apoi sunt lipite pe partea din spate a plăcii pentru o rezistență mecanică superioară (chiar dacă necesită rutine de asamblare mai complicate). În schimb, subcomponentele SMT acceptă rutine de setare și lipire cu un grad maxim de automatizare și volum mare... astfel încât acestea domină acum multe modele de plăci. Acestea fiind spuse, montarea prin orificii de trecere este încă cea mai frecventă pentru atașarea condensatoarelor mari, a transformatoarelor și a conectorilor la plăci.

Figurile 11a și 11b: Aici sunt prezentate capetele instrumentelor de fixare a subcomponentelor în tehnologia de montare pe suprafață (SMT) pe o placă. (Sursa imaginii: Dreamstime)

În cazul componentelor SMT, pasta de lipit este aplicată în prealabil pe PCB înainte de asamblarea componentelor. Apoi, lipirea prin retopire utilizează aer cald pentru a topi pasta de lipit și a forma conexiunile componentelor SMT. Lipirea în val este mai frecventă pentru componentele cu orificii; aceasta implică trecerea plăcii peste un val staționar format pe suprafața unui vas cu aliaj de lipit topit. Astfel de utilaje sunt costisitoare și sunt mai potrivite pentru producția de volume foarte mari.

Figura 12: De multe ori, reacțiile sistemului cartezian sunt influențate semnificativ de feedbackul oferit de vederea artificială. Puterea de procesare masivă de la bord, algoritmii avansați și un FPGA permit camerelor inteligente HAWK (inclusiv modelului prezentat aici) să obțină un răspuns de declanșare în timp real pentru citirea codurilor, verificare, inspecție și ghidare pentru între 4.000 și 14.000 de piese pe minut. De fapt, această cameră este o soluție intermediară între camerele complexe bazate pe PC și camerele industriale inteligente de bază. (Sursa imaginii: Omron Automation and Safety)

Motoare și acționări tipice pentru roboții cartezieni

Roboții cartezieni utilizează multe dintre aceleași tipuri de servomotoare, angrenaje de precizie și acționări electromecanice ca alte soluții robotice. Un avertisment de luat în considerare este că motoarele pas cu pas din unele modele carteziene care transportă semiconductori în timpul producției nu trebuie confundate cu așa-numitele camere pas-și-repetare - uneori numite, pur și simplu, pas cu pas. Acestea din urmă sunt esențiale pentru procesele fotolitografice din timpul fabricării cipurilor.

La fel cum roboții SCARA și, în special, roboții cu șase axe au utilizat din ce în ce mai mult motoare de cuplu cu acționare directă, în ultimii ani, roboții cartezieni au utilizat din ce în ce mai mult motoare liniare (pentru a deservi industria semiconductorilor). O varietate de bobine de motor, dispozitive de poziționare de capăt miniaturale, module de reglare piezoelectrice, subsisteme de vid și pentru camere sterile, rulmenți liniari, controale standard și brevetate în industrie și alte inovații completează aceste acționări directe pentru a ajuta sistemele carteziene să producă mișcări ultrafine și ultra-rapide.

Roboții colaborativi în producția de electronice

Roboții colaborativi (coboții) au proliferat în industria semiconductorilor în ultimul deceniu. Pentru mai multe aspecte relevante despre subiectul discutat, consultați blogul DigiKey.com, Easy Automation with Omron TM Collaborative Robots (Automatizare simplă cu roboți colaborativi Omron TM). În producția de semiconductori, coboții de la Omron și de la alți producători pot preveni contaminarea extrem de costisitoare a plăcuțelor, făcând legătura între zonele de lucru care protejează plăcuțele și cele deservite de personalul din camerele sterile. De asemenea, instalațiile cu coboți pentru producția de semiconductori previn contaminarea cu particule și cu gazele degajate de lubrifianți, completând, în același timp, operațiunile manuale de plasare și lipire.

Figura 13: Coboții din seria HCR-5 îndeplinesc specificațiile ISO-2 pentru camerele sterile. (Sursa imaginii: Hanwha Corp./Momentum)

Figura 14: Roboții colaborativi KUKA (coboții) sunt elementul central al designului acestei camere sterile de procesare a plăcuțelor Infineon ISO3. (Sursa imaginii: KUKA)

Figura 15: Coboții KUKA din această cameră sterilă Infineon au fost integrați, conectați în rețea și programați de specialiști în mecatronică și automatizare. (Sursa imaginii: KUKA)

Coboții din industria semiconductorilor și a produselor electronice trebuie să aibă capacități de viteză peste medie, completate de dinamică și control avansate pentru a preveni mișcările bruște ce ar putea afecta plăcile subțiri și, prin urmare, delicate. În caz contrar, se pot forma mici fisuri. Bineînțeles, este mult mai puțin probabil să se producă defecțiuni în cazul unor coboți cu specificații corespunzătoare decât în cazul forței de muncă umane.

De asemenea, lipirea automatizată cu coboți este adecvată în cazul în care componentele sunt asamblate pe plăci deosebit de subțiri, iar efectele dilatării termice a siliciului reprezintă o problemă. În cazurile în care coboții sunt destinați efectuării acestor și altor sarcini de asamblare, este adesea logic să se integreze în EoAT tehnologii precum termografia sau alte echipamente de inspecție a plăcii. Astfel, se optimizează activitățile de prevenire a erorilor, generând randamente superioare și garantând calitatea... de obicei, cu cheltuieli relativ reduse.

Concluzie

Roboții industriali pot asigura o automatizare accesibilă și flexibilă a producției de semiconductori și electronice. Provocările tehnice constau în necesitatea de a satisface cerințele de clasificare a camerelor sterile, de a asigura un randament ridicat și de a manipula cu atenție piesele de lucru extrem de scumpe. Chiar și așa, hardware-ul roboților de astăzi, precum și software-ul de simulare și programare ale roboților au simplificat dimensionarea și selectarea soluțiilor de roboți pentru camerele sterile.

Ceea ce complică lucrurile este faptul că detaliile din ce în ce mai fine de pe componentele electronice din ce în ce mai miniaturizate necesită procese de asamblare robotizate care să se conformeze în mod corespunzător. Robotica a răspuns la această provocare oferind motoare, legături mecanice, controale și rețele care permit capacități din ce în ce mai avansate. Tehnologiile complementare, cum ar fi vederea artificială și rețelele industriale în timp real, au conferit, de asemenea, noi capacități în domeniul roboticii în ceea ce privește manipularea, prelucrarea și asamblarea producției de semiconductori de mare volum.