Přesnost a rozmanitost procesů pevně pod kontrolou

Aby bylo možné čelit mimořádným požadavkům a vysokému tlaku na náklady v polovodičovém průmyslu, hraje automatizace klíčovou roli. (Obrázek: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Automatizace hraje klíčovou roli při splnění mimořádných požadavků a vysokého tlaku na náklady v polovodičovém průmyslu. (Obrázek: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Většina velkých výrobců zařízení v polovodičovém průmyslu dnes spoléhá na EtherCAT – vývoj od Beckhoff. (Obrázek: © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

Moduly I/O série EJ se přímo zasunou do desek s plošnými spoji a nahrazují složitě vyvinuté I/O desky v systémech pro sériovou výrobu. (Obrázek: © Beckhoff)

Nové technologie, jako je XPlanar, umožňují inovativní manipulační procesy ve výrobě polovodičů. (Obrázek: © Beckhoff) / New technologies such as XPlanar enable innovative handling processes in semiconductor production. (Picture: © Beckhoff)

Protože autonomie hraje stále větší roli i ve výrobě polovodičů, jsou například stále častěji používány bezpilotní dopravní systémy. (Obrázek: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Bezpilotní dopravní systémy se například stále častěji používají, protože autonomie hraje stále větší roli i ve výrobě polovodičů. (Obrázek: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, řízení odvětví polovodičového průmyslu, Beckhoff Automation. (Obrázek: © Beckhoff) / Marcel Ellwart, Semiconductor Industry Management, Beckhoff Automation. (Obrázek: © Beckhoff)

V žádném jiném průmyslovém odvětví nejsou procesy tak složité jako ve výrobě polovodičů. Jak se však tento sektor daří reagovat na rostoucí požadavky inovativními řešeními? S nabídkou automatizace ukazuje Beckhoff, že moderní koncepce řízení, flexibilní komunikační standardy a přesně sladěné systémy činí výrobu polovodičů nejen efektivnější, ale také budoucí odolnější.

V dnešních elektromobilech je zabudováno přibližně 3 000 až 8 000 polovodičových součástek pro řízení motoru, správu baterií a asistenční systémy – trend je výrazně rostoucí. Ať už jde o mobilitu, komunikaci, zdraví, bezpečnost, zábavu, energetické zásobování nebo ochranu životního prostředí: polovodiče tvoří základ inovací a pokroku téměř ve všech oblastech života. V důsledku toho má výroba polovodičů v naší společnosti mimořádný význam. Přitom však musí tento sektor čelit stejným výzvám jako ostatní odvětví: rostoucím požadavkům na kvalitu, efektivitu a produktivitu při současném zvyšování nákladů. Aby se s tímto problémem vypořádal, hraje v výrobě polovodičů – stejně jako v ostatních oblastech – klíčovou roli automatizace.

V tomto odvětví se však výroba výrazně liší od zbytku průmyslu hned ve dvou ohledech: Jedním je požadovaná přesnost výroby. Moderní procesory často obsahují několik miliard tranzistorů. Proto je třeba na wafery nanášet struktury s rozestupy v řádu několika nanometrů. To přímo vede k druhému bodu: k bezprecedentnímu počtu různých výrobních kroků, které jsou pro takové jemné práce nezbytné. Desítky procesů musí plynule navazovat, přičemž většina z nich probíhá v čistých prostorách. „Ať jsou kroky od výroby waferů přes litografii až po testování a balení jakékoli, všechny vyžadují přesné řízení a bezchybné sledování,“ říká Marcel Ellwart, manažer průmyslového odvětví polovodičů ve společnosti Beckhoff. „Navíc musí výrobní zařízení být flexibilní, aby mohlo reagovat na měnící se varianty produktů, a zároveň zajišťovat vysokou průchodnost při maximální kvalitě. To činí použití moderní automatizační techniky nezbytným.“

EtherCAT – standard pro průmysl polovodičů

S širokým a flexibilním portfoliem může Beckhoff jako automatizační partner přesně pokrýt rozmanité procesy a aplikace v odvětví polovodičů. Významnou roli zde hraje komunikace: „S EtherCATem vyvinul Beckhoff průmyslový sběrnicový standard, který je již dlouho zaveden jako vedoucí komunikační protokol ve výrobě polovodičů,“ zdůrazňuje Marcel Ellwart. Většina velkých výrobců zařízení dnes používá EtherCAT. Klíčové pro úspěch byly jeho schopnosti v reálném čase, vysoká flexibilita a škálovatelnost. „Díky otevřené architektuře a široké akceptaci u výrobců EtherCAT umožňuje jednoduchou integraci komponent a systémů, od senzorů přes aktory až po složité řídicí systémy,“ říká manažer odvětví.

S PC-based Control dává Beckhoff průmyslu polovodičů vhodný koncepční přístup k řízení. Pokrývá všechny automatizační úkoly: od výroby waferů přes zpracování až po balení čipů. Kromě toho Beckhoff nabízí nejen PLC, ale i připojení HMI, pohonovou techniku, měřicí techniku nebo vizionářské systémy. Softwarová platforma TwinCAT 3 proměňuje průmyslové počítače v efektivní systémy řízení v reálném čase pro všechny inženýrské a provozní procesy. V souladu s různorodými potřebami v odvětví polovodičů je automatizační software modulární a rozšiřitelný o řadu funkcí.

Speciální odvětví – speciální přidaná hodnota

S vlastním portfoliem nabízí Beckhoff v odvětví polovodičů přesvědčivou odpověď na výzvy uvedené na začátku. Některé inovace této společnosti ze Velu mají v odvětví zvláštní přínos:

– Kompaktní EtherCAT zásuvné moduly řady EJ nahrazují u lineárních výrobních zařízení složitě vyvinuté I/O desky. Jsou přímo zasunuty do signalizačního rozvodného panelu a rozdělují signály či napětí na aplikacemi specifické konektory. To šetří čas, náklady i místo. Navíc eliminuje riziko chybného zapojení. Moduly EJ nabízejí, stejně jako klasické EtherCAT svorky, širokou škálu signálů a plně integrované bezpečnostní a pohonové funkce.
– Aby se snížila složitost zařízení, integruje Beckhoff řízení pohonů servo- a krokových motorů přímo do I/O. V segmentu 48 V DC umožňují EtherCAT zásuvné moduly, servo-řídicí svorky nebo boxové moduly v kombinaci s řadou motorů AM8100 velmi kompaktní servoosy s vysokou dynamikou a přesností. Pro provoz nastavovacích os nebo pohonů s servo zesilovači přímo na stroji je rovněž možné realizovat řízení integrované v I/O.
– Co se týče měřicí techniky, portfolio Beckhoff splňuje požadavky odvětví polovodičů: od sekundového taktu po kHz, od měření napětí a proudu přes vibrace po měření síly. Vysoce výkonné měřicí moduly řady ELM jsou bezproblémově integrovány do EtherCAT I/O systému a spolehlivě zachycují i kritické měřicí kanály. Pro vyhodnocení dat nabízí TwinCAT výkonné funkce.
– Vision od Beckhoff integruje v reálném čase zpracování obrazu pro výrobu waferů do nových i stávajících řídicích systémů. Rozdělení mezi vizí a automatizací tak není nutné. Současně komponenty Vision nabízejí robustní design, vysokou škálovatelnost a dlouhodobou dostupnost – od kamer přes optiky a osvětlení až po software TwinCAT Vision.
– XPlanar revolucionalizuje manipulaci v odvětví polovodičů. Tento systém pohonu s plochým motorem dynamicky a s nejvyšší přesností přemisťuje výrobní díly s vysokou volností pohybu – jak v rámci jednoho systému, tak mezi stroji. Pohybové jednotky se pohybují bezkontaktně a nezávisle na sobě po individuálně stanovených trasách. Produkty se mohou předjíždět, vyřazovat nebo dočasně ukládat, aniž by to narušovalo výrobní tok.
– Moderní řešení s umělou inteligencí nabízí v oblasti výroby polovodičů obrovský potenciál. Beckhoff začlenil strojové učení do řídicího softwaru TwinCAT 3 a tím poskytuje stavebnicové řešení hardwaru a softwaru pro přímou integraci modelů AI do PLC. Uživatelé získávají od sběru dat přes trénink modelů až po jejich nasazení systémově otevřený pracovní tok bez uzamčení na dodavatele. Aplikace, pro které Beckhoff již dnes nabízí AI, zahrnují detekci anomálií pro prediktivní údržbu, klasifikaci obrazu ve zajištění kvality nebo analýzu časových řad ke zlepšení výrobních procesů.

Úspěšné příběhy polovodičů od Beckhoff

S rozsáhlým portfoliem a hlubokými znalostmi odvětví zaznamenal Beckhoff v posledních letech působivý počet automatizovaných aplikací napříč celým hodnotovým řetězcem výroby polovodičů. Jak jsou jeho řešení různorodá, ilustrují následující příklady, o nichž již podrobně informoval zákaznický časopis PC-Control.

Tvorba krystalů: Společnost Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) používá pro automatizaci svých monokrystalových pecí řešení Beckhoff, složené z embedded PC, TwinCAT 3 a EtherCAT I/O svorek. Nahrazuje tak dřívější systémy PLC a řízení teploty. Nabízí výrazně větší flexibilitu, škálovatelnost a možnosti integrace. Jádrem řízení procesu je přesná regulace teploty, která je klíčová pro růst monokrystalů, neboť zajišťuje jejich kvalitu díky rovnoměrnému řízení teploty po dlouhou dobu.

Vysoce čisté plyny: Applied Energy Systems (AES) vyvinula nový regulátor pro zásobování ultračistými plyny, který splňuje požadavky průmyslu 4.0 ve výrobě polovodičů. Kromě kompaktního panelového PC CP6606 od Beckhoff používá společnost modulární zásuvné I/O moduly řady EJ. Tento velmi kompaktní systém zachovává původní velikost pouzdra, nabízí však rozšířené funkce, OPC-UA a cloudové rozhraní, flexibilní možnosti přizpůsobení a o 50 % zkrácenou dobu instalace.

Manipulace s čipy: Mühlbauer rovněž používá ve svých vysoce přesných strojích na třídění čipů pro konečnou výrobu polovodičů EJ zásuvné moduly. Díky tomu je možné zpracovávat 30 000 mikročipů za hodinu s lepší manipulací s wafery a sníženou složitostí zapojení. Čtyři speciálně vyvinuté signální rozvodné desky s celkem 26 EtherCAT zásuvnými moduly integrují digitální a analogové I/O, inkrementální enkodéry, moduly krokových motorů a napájecí logiku a servo zesilovače pro keramické nebo piezo motory.

Nové materiály: Galliumoxid má velký potenciál pro výrobu nových polovodičových materiálů. Vývoj na stávajících zařízeních však byl omezen omezenou flexibilitou, spolehlivostí a vysokými náklady. Společnost Agnitron vytvořila na základě PC řízení flexibilní víceúčelové řešení, které lze během několika dní přestavět. EtherCAT zajišťuje kompaktní a úsporné propojení řady termočlánků a I/O při současné jednoduché integraci stávajících průmyslových zařízení.

Pokročilé balení: Vzhledem k tomu, že miniaturizace stále více omezuje tradiční litografické metody, startup Fonontech používá nový přístup. Technologie Impulse Printing™ využívá silikonové tiskové desky s mikrometrovými strukturami a integrovanými topnými strukturami. Cílem je rozlišení 5 µm s minimálními překryvy chybami. Řízení umožňuje prostřednictvím PC-based Control, EtherCAT a technologie XFC (eXtreme Fast Control) synchronizaci a polohování v reálném čase.

AI a Edge: začátek nové éry

Nejen tyto příklady zdůrazňují, že výroba polovodičů stojí na začátku nové éry. „Automatizační řešení od Beckhoff poskytují nejlepší předpoklady pro zvládnutí nových výzev a realizaci inteligentních výrobních procesů,“ shrnuje Marcel Ellwart. Kombinace řízení založeného na PC, výkonné datové zpracování a komunikace v reálném čase EtherCAT umožňuje integraci AI algoritmů pro optimalizaci procesů. Edge řešení umožňují decentralizovanou analýzu dat přímo na stroji, což zkracuje reakční časy a zvyšuje dostupnost zařízení. Takové přístupy otevírají cestu k ještě efektivnější, flexibilnější a udržitelnější výrobě polovodičů v budoucnosti.