Nový způsob interakce mezi člověkem a strojem v čistém prostoru

Cobots vstupují do čistých prostorů elektronického průmyslu. V výrobě polovodičů vynikají spolehlivostí a nejvyššími standardy kvality.

Každá kazeta plná citlivých křemíkových waferů může mít hodnotu středně třídy auta.

Roboti v čistírnách transportují černé kazety plné křemíkových waferů k jednotlivým krokům zpracování.

KUKA robot přesně v milimetrech umisťuje křemíkové wafery do zpracovatelské komory.

U společnosti Infineon ve Villachu je v provozu 17 robotů do čistého prostoru typu LBR iiwa CR.

Pro nákladově efektivní výrobu musí Infineon vždy najít správnou míru mezi tím, co je možné, a tím, co je rozumné.

Citlivý LBR iiwa CR nevyžaduje při manipulaci s waferem bezpečnostní oplocení.

Lisa Ebner se od začátku podílela na integraci robotů do čisté místnosti do automatizovaného výrobního procesu.

Kolaborativní roboti zvyšují automatizaci v čistém prostoru na novou úroveň. Ve výrobě mikrometrů tenkých čipů v Infineonu ve Villachu 17 citlivých lehkých robotů KUKA zajišťuje bezpečnou spolupráci člověka a stroje, což přináší větší efektivitu a bezpečnost při výrobě stejně hodnotných, ale velmi křehkých waferů.

Ne, tyto křemíkové destičky nejsou skutečně kolaborativním produktem: S tloušťkou až 40 mikrometrů jsou mnohé wafery tenčí než vlas a přesto mají průměr od 150 do 300 milimetrů, což je přibližně velikost pizzy. Velmi křehká záležitost, kterou nelze a nechce se držet v ruce, ani v ochranné kazetě. Aby z těchto citlivých stříbrných destiček, které dohromady v jedné kazetě mohou mít hodnotu odpovídající střednímu autu, mohly vzniknout čipy, musí projít až 1200 procesními kroky. A při tom jsou pokaždé přemístěny na jinou automatizovanou pracovní stanici. Jasný případ pro nasazení robota.

Na místě Infineonu ve Villachu se vyrábějí takové výkonové polovodiče, které se například používají v autech, chytrých telefonech, ledničkách nebo v serverových farmách a pohonných jednotkách lokomotiv. Infineon Austria, dceřiná společnost německého Infineon Technologies AG, v uplynulém fiskálním roce 2020 dodal 8,45 miliard čipů a dosáhl obratu 3,1 miliardy eur. Čistá technologie budoucnosti, což se odráží i ve výzkumných nákladech ve výši 498 milionů eur, díky nimž je společnost jednou z nejvýzkumnějších v Rakousku.

Čistší než v operačním sále

V hale 17 ve výrobním závodě ve Villachu vyrábí Infineon čipy na citlivých tenkých waferech v prostředí čistého prostoru kategorie 1. To znamená, že v 28 litrech vzduchu nesmí být více než jeden prachový částice. To je výrazně méně než v operačním sále. Pro srovnání: v považovaném za mimořádně čistý horský vzduch se v takovém objemu pohybuje kolem 100 000 částic. Pro zaměstnance to znamená: přístup pouze v speciálních, bíle zbarvených celotělových ochranných oblecích přes speciální vzduchovou klapku. Kůže a vlasy musí být zcela zakryty, aby žádná šupinka nemohla proniknout ven. Pouze malý průhledný štít zůstává volný. Notebooky a další technické zařízení musí projít důkladnou dezinfekcí. Dokonce i propisky a papír na poznámky jsou speciální bezčásticové výrobky.

„Musíme při těchto extrémně citlivých výrobních podmínkách velmi přesně zvážit, jakou dopravní techniku zde použijeme,“ vysvětluje Martin Moser, vedoucí týmu automatizace v oblasti AMHS (Automated Material Handling System) ve společnosti Infineon Technologies Austria ve Villachu. „Protože ve výrobě waferů se pohybují různé mobilní jednotky a vždy i lidé, jsou pro nasazení robotů vhodné pouze systémy, které jsou extrémně citlivé na bezpečnou spolupráci člověka a stroje. A to zcela bez ochranného obalu.“

Ruka v ruce s partnery systému

„Při hledání vhodného řešení jsme si všimli lehkých robotů KUKA na veletrhu Automatica,“ říká vývojový inženýr. „Přizpůsobit je podle ISO3 pro velmi specifické požadavky v čistém prostoru byl nesmírně intenzivní proces učení, při kterém spolupracovali experti na automatizaci z Infineonu ruku v ruce s jejich systémovými partnery. Kromě KUKA to byli především experti na mechatronické systémové techniky GmbH pro sestavování, kabeláž a konstrukci ve výrobě a programátoři Micado Automation GmbH pro řízení zařízení.“

„Tehdy pro nás neexistovala žádná šablona pro mobilní nasazení robotů v polovodičové výrobě. Společně jsme systémy přesně přizpůsobili našim potřebám. Byla to skutečná pionýrská práce, jak pro nás, tak pro KUKA,“ říká Moser. K tomu patřilo i to, že bylo nutné lehké roboty uvést do čistého prostředí. To bylo pro roboty KUKA také „nové území“. „Konstruktivní, řešením orientované spolupráce všech zúčastněných výrazně přispěla k tomu, že nyní máme ideální dopravní řešení pro naši automatizovanou výrobu čipů,“ dodává Moser.

Dnes v několika čistých prostorách slouží 17 robotů LBR iiwa – nonstop, 365 dní v roce. „Jsou extrémně pohyblivé, unesou až 14 kilogramů, pracují bez vibrací a s jejich uchopovačem provádějí práce s milimetrovou přesností, i v nejhustším prostoru,“ vysvětluje Moser výhody „robů“. Zvlášť jejich přídavná sedmá osa jim umožňuje provádět jemné a úzké pohyby, které „konvenční“ 6-ose roboti nedokážou.

Dokonalost v milimetrové práci

Tak tiše přenášejí černé kazety plné hodnotných křemíkových destiček na jednotlivé kroky zpracování, přesně je vkládají do příslušných komor a zase je odváží. Mobilní roboty pro manipulaci s materiálem úzce spolupracují s overheadovým systémem OHT (Overhead Hoist Transport System). Na kolejích pod téměř pět metrů vysokou stropní konstrukcí se transportní boxy pohybují jako by je vedl duch, a to k jednotlivým stanicím, kde je pomocí pásového mechanismu spouštějí dolů. Tam je jeden z robotů LBR iiwa zachytí a přemístí do dalšího kroku výroby podle výrobního algoritmu.

„Chtěli jsme od začátku přesné řešení pro naši výrobu ve Villachu. Nic jiného pro nás nepřicházelo v úvahu,“ vysvětluje Moser. „Integraci systémů jsme proto zvládli sami. Velmi nám záleželo na přímé komunikaci s vývojáři KUKA – především s ohledem na to, jak celý systém nastavíme a jak bude dále ‚se učit‘.“

Správná rovnováha mezi možným a nutným

V týmu Martina Mosera se integraci robotů do automatizovaného procesu výroby waferů od začátku věnovala i Lisa Ebner. Je již sedm let součástí firmy a je odpovědná za manipulační systémy. Lisa Ebner je skutečná fanynka mobilních robotů: „Když jsem poprvé viděla LBR iiwa, tehdy ještě jako operátorka, byla jsem úplně nadšená: Mohla bych sledovat ty jemné, harmonické pohyby celé hodiny – čisté technické potěšení.“

Hodiny sledování? Téměř neuvěřitelné. Protože tato expertka na automatizaci, která zároveň studuje mechatroniku, systémové inženýrství a manažerské obory, působí téměř příliš energicky. Neustále je v výrobních linkách, kontroluje systémy na řídicím pultu a hledá další možnosti, jak výrobu zdokonalit. „Při optimalizaci musíme najít správnou rovnováhu mezi tím, co je technicky a fyzikálně možné, a tím, co je pro naše výrobní cíle smysluplné. Čím blíže jsme 100% dokonalosti, tím složitější je systém a počet rozhraní. Musíme vždy najít správnou míru pro efektivní výrobu.“

Pokrok ve vzdělávání pro budoucnost polovodičů

Automatizační tým ve Villachu je evidentně na dobré cestě. „Všechno, co se teď učíme, nás posouvá dál – k další úrovni automatizace ve výrobě polovodičů,“ říká Bernd Steiner, výrobní ředitel v Infineon Austria ve Villachu.

A čas v Korutanech tlačí. Vedle stávajících výrobních hal stojí již hrubá stavba nové plně automatizované továrny na čipy. Infineon má velké plány: společnost investovala 1,6 miliardy eur do svého závodu ve Villachu a realizuje tak největší soukromou investici v Rakousku. Do konce roku 2021 zde mají být plně automatizovaně vyráběny výkonové polovodiče. „Naším cílem je přesně směřovat výkon tam, kde je potřeba, v rámci chytré továrny,“ vysvětluje Steiner. „Pro energeticky úsporné čipy budoucnosti, které se používají v mnoha každodenních zařízeních, jako jsou chytré telefony, domácí spotřebiče, automobily, ale i datové servery, medicínská zařízení, solární a průmyslové systémy. Aby nám usnadnily, zpříjemnily a zpestřily život.“