La nouvelle forme d'interaction homme-machine en salle blanche

Les cobots font leur entrée dans les salles blanches de l'industrie électronique. Dans la production de semi-conducteurs, ils se distinguent par leur fiabilité ainsi que par leurs normes de qualité élevées.

Les wafers de silicium sensibles peuvent, ensemble par cassette, avoir la valeur d'une voiture de gamme moyenne. / Each cassette full of the sensitive silicon wafers can have the value of a mid-range car.

Les robots de la salle blanche transportent des cassettes noires remplies de wafers de silicium vers les différentes étapes du traitement.

Le robot KUKA place les wafers de silicium dans la chambre de traitement avec une précision millimétrique.

Chez Infineon à Villach, en Autriche, 17 robots de salle blanche du type LBR iiwa CR sont en service.

Pour une production rentable, Infineon doit toujours trouver le bon équilibre entre ce qui est possible et ce qui est raisonnable.

Le LBR iiwa CR sensible n'a pas besoin de clôture de sécurité lors de la manipulation de wafers.

Lisa Ebner a accompagné dès le début l'intégration des robots de salle blanche dans le processus de production automatisé.

Les cobots portent l'automatisation en salle blanche à un nouveau niveau. Dans la production de puces microscopiques, 17 robots légers sensibles de KUKA assurent, à Villach, une coexistence sans danger entre l'homme et la machine, pour plus d'efficacité et de sécurité lors de la fabrication de wafers aussi précieux que très fragiles.

Non, ces disques de silicium ne sont pas vraiment des produits collaboratifs : avec une épaisseur allant jusqu'à 40 micromètres, de nombreux wafers sont plus fins qu’un cheveu, tout en ayant un diamètre de 150 à 300 millimètres, proche de la taille d’une pizza. Une affaire extrêmement fragile, qu’on ne peut ni ne veut tenir à la main, même dans une cassette de protection. Pour que ces disques sensibles, dont la valeur totale par cassette peut atteindre celle d’une voiture de gamme moyenne, deviennent des puces, ils doivent passer jusqu’à 1 200 étapes de processus. Et être transportés à chaque fois vers une station de traitement automatisée différente. Un cas évident pour l’intervention d’un robot.

Sur le site d’Infineon à Villach, de tels semi-conducteurs de puissance sont produits, comme ceux utilisés dans les voitures, les smartphones, les réfrigérateurs ou dans les fermes de serveurs et les unités d’entraînement de locomotives. Infineon Austria, filiale de la société allemande Infineon Technologies AG, a livré 8,45 milliards de puces lors de l’exercice 2020, générant un chiffre d’affaires de 3,1 milliards d’euros. Une technologie d’avenir pure, comme en témoigne l’investissement en recherche de 498 millions d’euros, faisant de l’entreprise l’une des plus innovantes d’Autriche.

Plus propre que dans une salle d’opération

Dans le hall 17 de l’usine de Villach, Infineon produit des puces sur des wafers ultra-fins dans un environnement de salle blanche de catégorie 1. Cela signifie : pas plus d’une particule de poussière pour 28 litres d’air. C’est bien moins que ce qui est autorisé dans une salle d’opération. En comparaison : dans l’air de montagne considéré comme particulièrement clair, environ 100 000 particules volent dans un volume similaire. Pour les employés, cela signifie : accès uniquement en combinaison intégrale blanche, dans une enceinte d’air spéciale. La peau et les cheveux doivent être entièrement couverts pour empêcher toute écaille de s’échapper. Seul un petit volet de vision reste libre. Les ordinateurs portables et autres appareils techniques doivent être préalablement nettoyés minutieusement. Même les stylos et le papier pour les notes sont des produits spéciaux sans particules.

« Nous devons réfléchir très précisément à la technique de transport que nous utilisons dans ces conditions de production extrêmement sensibles pour nos wafers », explique Martin Moser, chef d’équipe en automatisation dans le domaine AMHS (Automated Material Handling System) chez Infineon Technologies Austria à Villach. « Étant donné que dans la production de wafers, différentes unités mobiles et toujours aussi des personnes circulent, seuls des systèmes extrêmement sensibles à la coexistence sûre entre humains et machines sont envisageables pour l’intervention des robots. Et cela sans enceinte de protection. »

En collaboration étroite avec les partenaires du système

« C’est lors du salon Automatica que nous avons découvert les robots légers de KUKA », raconte l’ingénieur de développement. « Les rendre conformes à la norme ISO3 pour répondre aux exigences très spécifiques en salle blanche a été un processus d’apprentissage extrêmement intense, où les experts en automatisation d’Infineon ont travaillé main dans la main avec leurs partenaires système. Outre KUKA, il s’agissait surtout d’experts de Mechatronic Systemtechnik GmbH pour l’assemblage, le câblage et la mise en place en production, ainsi que de programmeurs de Micado Automation GmbH pour la commande des installations. »

« À l’époque, il n’y avait pas de modèle pour l’utilisation mobile de robots dans la fabrication de semi-conducteurs. Nous avons adapté ces systèmes précisément à nos besoins. Ce fut un vrai travail de pionnier, autant pour nous que pour KUKA », raconte Moser. Cela comprenait notamment la mise en salle blanche des robots légers. Ce fut aussi un « terrain inconnu » pour les robots KUKA. « La collaboration constructive et orientée solutions de toutes les parties a grandement contribué à ce que nous disposions désormais d’une solution de transport idéale pour notre production automatisée de puces », ajoute Moser.

Aujourd’hui, 17 robots LBR iiwa opèrent 24 heures sur 24, 365 jours par an, dans plusieurs salles blanches. « Ils sont extrêmement mobiles, peuvent supporter jusqu’à 14 kilogrammes, travaillent sans vibrations et effectuent avec leur pince des tâches millimétriques, même dans les espaces très restreints », explique Moser, en vantant les avantages des « Robis ». Leur septième axe supplémentaire leur permet d’effectuer des mouvements précis et sinueux, impossibles pour des robots à 6 axes « conventionnels ».

Perfection dans le travail millimétrique

Ils transportent silencieusement des cassettes noires remplies de précieuses siliciums vers les différentes étapes de traitement, les insèrent avec précision dans les chambres de traitement, puis les retirent. Les robots mobiles de chargement travaillent en étroite collaboration avec le système de transport par levage au-dessus de la tête, appelé OHT. Suspendus sur des rails sous un plafond de près de cinq mètres de haut, les caissons de transport flottent comme guidés par des forces invisibles jusqu’aux stations, où ils sont abaissés par un mécanisme de courroie. Là, ils sont pris en charge par l’un des robots LBR iiwa selon l’algorithme de production, pour être transportés à l’étape suivante.

« Nous voulions dès le départ une solution sur mesure pour notre production à Villach. Rien d’autre ne nous convenait », explique Martin Moser. « Nous avons donc pris en charge l’intégration des systèmes nous-mêmes. La communication directe avec les développeurs de KUKA était très importante pour nous — surtout pour voir comment nous configurons le système global et comment il continue à « apprendre » par la suite. »

L’équilibre entre ce qui est réalisable et ce qui est nécessaire

Dans l’équipe de Martin Moser, Lisa Ebner a accompagné dès le début l’intégration des robots dans le processus de production automatisée de wafers. Elle fait partie de l’entreprise depuis sept ans et est responsable des systèmes de chargement. Lisa Ebner est une véritable fan des robots mobiles : « La première fois que j’ai vu le LBR iiwa, alors encore opératrice, j’ai été immédiatement fascinée : je pouvais passer des heures à regarder ses mouvements doux et harmonieux — un pur plaisir technique. »

Une observation de plusieurs heures ? Difficile à croire. Car l’experte en automatisation, qui étudie aussi la mécatronique, l’ingénierie des systèmes et la gestion, semble presque trop énergique pour cela. Elle parcourt constamment les lignes de production, vérifie les systèmes depuis le poste de contrôle et cherche de nouvelles façons d’améliorer la production. « Lors de l’optimisation, nous devons trouver le bon équilibre entre ce qui est physiquement et techniquement possible et ce qui est pertinent pour notre production. Plus nous approchons de 100 % de perfection, plus la complexité et le nombre d’interfaces augmentent. Nous devons toujours trouver la bonne mesure pour une production économiquement viable. »

Progrès dans l’apprentissage pour l’avenir des semi-conducteurs

La équipe d’automatisation à Villach est manifestement sur la bonne voie. « Tout ce que nous apprenons maintenant nous fait progresser — vers le niveau supérieur d’automatisation dans la fabrication de semi-conducteurs », déclare Bernd Steiner, responsable de la production chez Infineon Austria à Villach.

Et le temps presse en Carinthie. Car, à côté des halls de production existants, la construction d’une nouvelle usine de puces entièrement automatisée est déjà en cours. Infineon a de grands projets : l’entreprise a investi 1,6 milliard d’euros dans son site de Villach, réalisant ainsi le plus grand investissement privé en Autriche. Fin 2021, cette usine produira des semi-conducteurs de puissance entièrement automatisés. « Notre objectif est d’amener la performance précisément là où elle est nécessaire dans la Smart Factory », explique Steiner. « Pour des puces économes en énergie de demain, utilisées dans de nombreux appareils du quotidien comme les smartphones, les appareils ménagers, les voitures, mais aussi dans les serveurs de données, les dispositifs médicaux, les installations solaires et industrielles. Pour rendre notre vie plus simple, plus sûre et plus respectueuse de l’environnement. »