Posicionamiento preciso de micrómetros de obleas para el recubrimiento PECVD

El robot de la solución de manejo asistida por procesamiento de imágenes fue montado en el techo del área de carga del sistema de recubrimiento debido a limitaciones de espacio y tiene un alcance de 1.000 milímetros. (Fuente de la imagen: AZUR SPACE Solar Power) / Debido a las limitaciones de espacio disponibles, el robot fue instalado en el techo del área de carga del sistema de recubrimiento y tiene un alcance de 1.000 milímetros. (Foto: AZUR SPACE Solar Power)

El sistema de sujeción por vacío plano, que se puede cambiar rápidamente para diferentes tamaños de obleas, mantiene la precisión de posicionamiento especificada de +/- 0,1 mm al cargar los portadores de piezas de trabajo. (Fuente de la imagen: AZUR SPACE Solar Power) / The flat vacuum gripping system, which can be quickly exchanged for the different sized wafers, maintains the specified positioning accuracy of +/- 0.1 mm when loading the workpiece carriers. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

El sistema de cámaras situado sobre la mesa de alineación retroiluminada detecta la posición exacta del oblea y envía esta información al software. Basándose en esto, el software calcula la compensación de posición y ángulo necesaria para colocar la oblea en el nido del portador. (Fuente de la imagen: AZUR SPACE Solar Power) / The camera system located above the backlit alignment table detects the exact position of the wafer and sends this information to the software. Based on this, the software calculates the position and angle of compensation required to insert the wafer into the carrier nest. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Para girar las células solares que deben ser recubiertas por ambos lados, se integra una estación de volteo en el sistema de manipulación. (Fuente de la imagen: AZUR SPACE Solar Power) / For turning the solar cells so that they can be coated on both sides there is a flipping station integrated. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Antes de colocar las células solares recubiertas en las cassettes, el sistema de cámaras verifica si los bordes de los obleas están libres de daños. (Fuente de la imagen: AZUR SPACE Solar Power) / Before the coated solar cells are placed back into the cassettes, the camera system checks whether the edges of the wafers are free of damage. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Para la carga y descarga automatizada de un portador de piezas con diferentes tamaños de obleas antes del recubrimiento PECVD, acp systems desarrolló una solución robotizada asistida por visión para un fabricante líder en tecnología solar espacial. Garantiza que se mantenga la precisión de posicionamiento especificada en los nidos de los portadores de piezas de +/- 0,1 mm y compensa tanto las tolerancias de fabricación de los portadores como su contracción por enfriamiento durante la carga.

La empresa AZUR SPACE Solar Power GmbH, con sede en Heilbronn, se encuentra entre las principales compañías mundiales en el desarrollo y producción de celdas solares de alta eficiencia múltiple para la exploración espacial y sistemas concentradores terrestres (CPV). Las células solares se basan en la tecnología de triple y cuádruple unión más reciente, en la que las capas se construyen sobre un sustrato de germanio.

Automatización del proceso de carga y descarga con desafíos

Durante el proceso de fabricación, las obleas de 4, 6 y 8 pulgadas (100, 150 y 200 mm) de diámetro, entre otras, pasan por un proceso PECVD (Deposición Química en Vapor Mejorada por Plasma – deposición química en vapor asistida por plasma) en instalaciones de Singulus Technologies AG. Las células solares se colocan en cassettes, se retiran y se colocan en bolsillos especiales de portadores de fibra de carbono, que son unos pocos cientos de micrómetros más grandes. Dependiendo del tamaño de la célula, los portadores de 1000 x 600 mm pueden contener cuatro, nueve o 16 obleas. Para evitar golpes, durante la carga de los portadores de piezas se debe mantener una precisión de posicionamiento de +/- 0,1 mm de forma estable. Tras la recubrimiento, ya sea en un lado o en ambos, las células solares se vuelven a colocar en cassettes.

AZUR SPACE quería automatizar esta tarea, que hasta ahora se realizaba manualmente con pipetas de succión, de manera que ahorrara tiempo y costos. Los desafíos incluyen la posición de las obleas solares con planos en los cassettes con desviaciones de +/- 5 grados y +/- 3 mm, así como las posiciones exactas para el agarre. Además, se deben compensar las tolerancias de fabricación de los portadores y la contracción por enfriamiento, que resulta de la caída de temperatura de los portadores, que salen del proceso de recubrimiento a temperaturas de hasta 350 °C y se enfrían durante la carga y descarga.

Precisión de posicionamiento garantizada con mesa de alineación luminosa y visión artificial

Para esta tarea, el especialista en automatización acp systems AG desarrolló una solución inteligente de manejo asistido por visión artificial con un robot industrial. Debido a limitaciones de espacio, este fue instalado en el techo del área de carga de la línea de recubrimiento y tiene un alcance de 1.000 milímetros. El robot Scara está equipado con un sistema de agarre por vacío plano especial, que puede ser cambiado rápidamente para diferentes tamaños de obleas.

El robot extrae la oblea del cassette y la coloca sobre una mesa de alineación retroiluminada. Encima, se encuentra un sistema de cámaras con una cámara de 12 megapíxeles a una distancia de trabajo de 680 mm. Este sistema detecta la posición exacta de la oblea y transmite esta información al software Cognex Vision Pro. Con base en ello, se calcula la compensación de posición y ángulo para colocar la oblea en el nido del portador, y se envía a la controladora del robot. Las posibles distorsiones del sistema de cámaras se compensaron durante la puesta en marcha mediante la calibración con una "Checker Plate".

Para gestionar las tolerancias de fabricación de los portadores y la contracción por enfriamiento, primero se centra el portador mediante tracción contra un tope y mediante indexación, lo que permite establecer de forma reproducible el punto cero de coordenadas de todos los portadores en el sistema de manejo. Además, antes, todos los portadores en estado frío se midieron con precisión y se etiquetaron con un código Data Matrix para su identificación. Bajo este código, se almacenan en el control los datos relevantes para calcular la compensación de las tolerancias de posición del nido del portador.

Para compensar la contracción térmica causada por el enfriamiento de los portadores, primero se colocó una marca de referencia en la esquina opuesta al punto cero de coordenadas del portador, que también se midió con precisión en estado frío. Encima, hay un segundo sistema de cámaras que detecta el desplazamiento de la marca de referencia respecto al estado frío. El software calcula en base a esta información la compensación para la colocación exacta de la oblea. Este proceso se repite para cada oblea que se va a colocar.

Estación de volteo para girar las obleas

Para girar las células solares, que se recubren en ambos lados, acp systems ha integrado una estación de volteo. Esta recibe las obleas individuales del robot y las agarra en áreas definidas con puntos de succión por vacío. Tras la rotación de 180 grados, el agarre del robot vuelve a tomar la oblea y la transporta hacia la mesa de alineación.

Control de calidad integrado

Antes de volver a colocar las células solares recubiertas en los cassettes, el sistema de cámaras en la mesa de alineación realiza una inspección final de calidad. Se verifica que los bordes de las obleas estén libres de daños.

La solución robotizada asistida por visión descrita garantiza un manejo altamente preciso y delicado de las obleas solares, que son muy sensibles. Esto se refleja principalmente en que, desde su puesta en marcha, no se ha producido ninguna rotura de obleas por manejo. En general, reemplazar la manipulación manual por un sistema completamente automático resulta en una productividad y rentabilidad significativamente mejoradas.