La nueva forma de interacción entre humanos y máquinas en la sala limpia

Los cobots están entrando en las salas limpias de la industria electrónica. En la producción de semiconductores, destacan por su fiabilidad y los más altos estándares de calidad.

Cada cassette llena de las delicadas obleas de silicio puede tener el valor de un coche de gama media.

Los robots del sala limpia transportan cassettes negros llenos de obleas de silicio a los diferentes pasos del proceso.

El robot KUKA coloca las obleas de silicio en la cámara de procesamiento con precisión milimétrica.

En Infineon en Villach, Austria, se utilizan 17 robots de sala limpia del tipo LBR iiwa CR.

Para una producción rentable, Infineon siempre debe encontrar la combinación adecuada entre lo posible y lo razonable.

El LBR iiwa CR sensible no requiere valla de seguridad durante la manipulación de obleas.

Lisa Ebner ha participado en la integración de los robots de sala limpia en el proceso de producción automatizado desde el principio

Los cobots llevan la automatización en la sala limpia a un nuevo nivel. En la producción de chips ultrafinos de micrómetros, en Infineon en Villach, 17 robots ligeros y sensibles de KUKA trabajan en armonía con humanos para lograr mayor eficiencia y seguridad en la fabricación de los valiosos y altamente frágiles wafers.

No, estas placas de silicio no son un producto realmente colaborativo: con hasta 40 micrómetros, muchos wafers son más delgados que un cabello y tienen un diámetro de entre 150 y 300 milímetros, casi del tamaño de una pizza. Una tarea sumamente frágil que no se puede ni se quiere sostener a mano, ni siquiera en una carcasa protectora. Para convertir estos delicados discos de plata, que en conjunto pueden tener un valor equivalente a un coche de gama media, en chips, deben pasar por hasta 1.200 pasos de proceso. Y en cada uno de ellos, son transportados a diferentes estaciones de procesamiento automatizado. Un caso claro para el uso de robots.

En la planta de Infineon en Villach se producen semiconductores de potencia, como los que se utilizan en automóviles, teléfonos inteligentes, refrigeradores o en granjas de servidores y unidades de propulsión de locomotoras. Infineon Austria, una filial de la alemana Infineon Technologies AG, entregó en el ejercicio fiscal 2020 un total de 8,45 mil millones de chips y generó una facturación de 3,1 mil millones de euros. Tecnología del futuro en estado puro, reflejada también en un gasto en investigación de 498 millones de euros, que convierte a la empresa en una de las más innovadoras de Austria.

Más limpio que en un quirófano

En el pabellón 17 de la planta de Villach, Infineon produce chips en wafers ultrafinos en un entorno de sala limpia de categoría 1. Esto significa: en 28 litros de aire no debe haber más de una partícula de polvo. Mucho menos que en un quirófano. Para comparar: en el aire de montaña, considerado muy limpio, hay alrededor de 100.000 partículas en ese volumen. Para los empleados, esto significa: acceso solo con trajes protectores de cuerpo completo de color blanco y a través de una esclusa de aire especial. La piel y el cabello deben estar completamente cubiertos para que ninguna escama pueda salir. Solo queda un pequeño resquicio visual. Los portátiles y otros dispositivos tecnológicos deben pasar por una limpieza minuciosa previamente. Incluso los bolígrafos y las hojas de papel para notas son productos especiales libres de partículas.

„Debemos pensar muy bien qué tecnología de transporte utilizamos en estas condiciones de producción extremadamente sensibles para nuestros wafers ultrafinos“, explica Martin Moser, jefe del equipo de automatización en el área de AMHS (Sistema de Manejo Automatizado de Materiales) en Infineon Technologies Austria en Villach. „Dado que en la producción de wafers circulan varias unidades móviles y también personas, solo se consideran adecuados sistemas que sean extremadamente sensibles para garantizar una convivencia segura entre humanos y máquinas. Y todo esto sin necesidad de una carcasa protectora.

Mano a mano con los socios del sistema

„En nuestra búsqueda, nos fijamos en los robots ligeros de KUKA en la feria Automatica“, relata el ingeniero de desarrollo. Hacer que estos robots cumplieran con la norma ISO3 para las exigencias muy especiales en la sala limpia fue un proceso de aprendizaje sumamente intenso, en el que los expertos en automatización de Infineon trabajaron codo a codo con sus socios del sistema. Además de KUKA, los principales colaboradores fueron expertos de Mechatronic Systemtechnik GmbH para el ensamblaje, cableado y montaje en producción, y programadores de Micado Automation GmbH para el control de las instalaciones.

„En ese momento, no teníamos un plan preestablecido para el uso de robots móviles en la fabricación de semiconductores. Juntos, ajustamos los sistemas exactamente a nuestras necesidades. Fue un trabajo pionero, tanto para nosotros como para KUKA“, relata Moser. Esto incluyó hacer que los robots ligeros fueran aptos para salas limpias. También fue un territorio desconocido para los robots KUKA. „La colaboración constructiva y orientada a soluciones de todos los involucrados fue fundamental para que ahora tengamos una solución de transporte ideal para nuestra producción automatizada de chips“, concluye Moser.

Hoy en día, 17 robots LBR iiwa trabajan en varios ambientes de sala limpia las 24 horas del día, los 365 días del año. „Son extremadamente flexibles, pueden soportar cargas de hasta 14 kilogramos, trabajan sin vibraciones y realizan tareas con sus pinzas con precisión milimétrica, incluso en espacios muy reducidos“, explica Moser sobre las ventajas de los „Robis“. En particular, su séptima articulación adicional les permite realizar movimientos delicados y en ángulo que los robots convencionales de 6 ejes no pueden ejecutar.

Perfección en trabajos milimétricos

De manera silenciosa, transportan cassettes negras llenas de valiosos discos de silicio a las distintas etapas de procesamiento, los introducen con precisión milimétrica en las cámaras de trabajo correspondientes y luego los retiran. Los robots móviles de carga trabajan en estrecha colaboración con el sistema de transporte aéreo Overhead Hoist Transport System, conocido como OHT. Suspendidos en rieles bajo un techo de casi cinco metros de altura, las cajas de transporte parecen flotar y se mueven guiadas por una especie de espíritu hacia las estaciones, donde las dejan caer mediante un mecanismo de correa. Allí, son recogidas por uno de los robots LBR iiwa y transportadas al siguiente paso del proceso.

„Desde el principio, queríamos una solución a medida para nuestra producción en Villach. Nada más nos servía“, afirma Martin Moser. „Nos encargamos directamente de la integración de los sistemas. Para nosotros, fue muy importante mantener un contacto directo con los desarrolladores de KUKA, especialmente para definir cómo configurar todo el sistema y cómo seguir aprendiendo y mejorando“.

En equilibrio entre lo posible y lo necesario

En el equipo de Martin Moser, Lisa Ebner ha supervisado desde el principio la integración de los robots en el proceso automatizado de producción de wafers. Lleva siete años en la empresa y es experta en sistemas de carga. Lisa Ebner es una verdadera fan de los robots móviles: „Cuando vi por primera vez el LBR iiwa, aún como operadora, quedé totalmente fascinada: podía pasar horas observando sus movimientos suaves y armónicos, era un auténtico placer técnico.“

¿Horas observando? Difícil de creer. La experta en automatización, que además estudia mecatrónica, ingeniería de sistemas y gestión, parece casi llena de energía. Está constantemente en las líneas de producción, revisando los sistemas en el puesto de control y buscando nuevas formas de perfeccionar la producción. „Para la optimización, debemos encontrar el equilibrio adecuado entre lo que es posible desde el punto de vista técnico-físico y lo que tiene sentido para nuestros objetivos de producción. Cuanto más cerca estamos del 100% de perfección, mayor es la complejidad y el número de interfaces. Siempre debemos encontrar la medida adecuada para una producción eficiente“, afirma.

Progreso en el aprendizaje para el futuro de los semiconductores

El equipo de automatización en Villach claramente avanza en la dirección correcta. „Todo lo que aprendemos ahora nos acerca a la siguiente etapa de automatización en la fabricación de semiconductores“, dice Bernd Steiner, director de producción en Infineon Austria en Villach.

Y el tiempo apremia en Carintia. Porque junto a los edificios de producción existentes, ya está en marcha la construcción de una nueva fábrica de chips totalmente automatizada. Infineon tiene grandes planes: la empresa ha invertido 1.600 millones de euros en su planta de Villach, realizando la mayor inversión privada en Austria. Para finales de 2021, se espera que aquí se produzcan semiconductores de potencia de forma totalmente automatizada. „Nuestro objetivo es llevar la potencia exactamente donde se necesita en la fábrica inteligente“, explica Steiner. „Para chips de ahorro energético del mañana, utilizados en muchas aplicaciones cotidianas como teléfonos inteligentes, electrodomésticos y automóviles, así como en servidores de datos, dispositivos médicos, instalaciones solares e industriales. Para hacer nuestra vida más sencilla, segura y respetuosa con el medio ambiente.“