Précision et diversité des processus parfaitement maîtrisées

Pour relever les exigences exceptionnelles et faire face à la forte pression sur les coûts dans l'industrie des semi-conducteurs, l'automatisation joue un rôle clé. (Image : © IM Imagery/stock.adobe.com) / L'automatisation joue un rôle clé pour répondre aux exigences extraordinaires et à la forte pression sur les coûts dans l'industrie des semi-conducteurs. (Image : © IM Imagery/stock.adobe.com)

La majorité des grands fabricants d'équipements dans l'industrie des semi-conducteurs s'appuient aujourd'hui sur EtherCAT – une évolution de Beckhoff. (Photo : © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

Les modules d'E/S de la série EJ sont insérés directement sur des cartes de circuit imprimé, remplaçant ainsi les cartes d'E/S élaborées dans les systèmes destinés à la production en série. (Image : © Beckhoff) / The EJ series I/O modules are plugged into circuit boards directly, thus replacing complicated I/O boards in systems for series production. (Picture: © Beckhoff)

Nouvelles technologies telles que XPlanar permettent des processus de manipulation innovants dans la production de semi-conducteurs. (Image : © Beckhoff) / New technologies such as XPlanar enable innovative handling processes in semiconductor production. (Picture: © Beckhoff)

Puisque l'autonomie joue également un rôle de plus en plus important dans la fabrication de semi-conducteurs, des systèmes de transport sans conducteur sont de plus en plus utilisés. (Image : © IM Imagery/stock.adobe.com) / Les systèmes de transport sans conducteur, par exemple, sont de plus en plus employés en raison du fait que l'autonomie joue également un rôle de plus en plus important dans la fabrication de semi-conducteurs. (Image : © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, Management de l'industrie des semi-conducteurs, Beckhoff Automation. (Photo : © Beckhoff) / Marcel Ellwart, Semiconductor Industry Management, Beckhoff Automation. (Photo : © Beckhoff)

Dans aucun autre secteur industriel, les processus ne sont aussi complexes que dans la fabrication de semi-conducteurs. Mais comment cette industrie parvient-elle à répondre à des exigences croissantes grâce à des solutions innovantes ? Avec son offre d'automatisation, Beckhoff montre que les concepts de contrôle modernes, les standards de communication flexibles et les systèmes parfaitement coordonnés rendent la production de semi-conducteurs non seulement plus efficace, mais aussi plus sûre pour l'avenir.

Environ 3 000 à 8 000 composants semi-conducteurs sont intégrés dans les véhicules électriques modernes pour la gestion du moteur, la gestion de la batterie et les systèmes d'assistance – une tendance en forte hausse. Mais que ce soit pour la mobilité, la communication, la santé, la sécurité, le divertissement, l'approvisionnement en énergie ou la protection de l'environnement : les semi-conducteurs constituent la base de l'innovation et du progrès dans presque tous les domaines de la vie. En conséquence, l'industrie des semi-conducteurs joue un rôle exceptionnel dans notre société. Cependant, elle doit faire face aux mêmes défis que d'autres secteurs : des exigences croissantes en matière de qualité, d'efficacité et de productivité, tout en étant soumise à une pression sur les coûts de plus en plus forte. Pour y faire face, l'automatisation joue un rôle clé dans la fabrication de semi-conducteurs – tout comme dans les autres domaines.

La fabrication dans cette industrie diffère cependant de manière significative du reste de l'industrie à deux égards : l'une concerne la précision requise dans la fabrication. Les processeurs modernes contiennent souvent plusieurs milliards de transistors. Pour cela, il faut appliquer des structures espacées dans la plage de quelques nanomètres sur les wafers. Cela mène directement au deuxième point : un nombre sans précédent d'étapes de production différentes nécessaires pour un travail aussi précis. Des dizaines de processus doivent s'enchaîner sans interruption, la plupart d'entre eux en environnement de salle blanche. « Aussi variées que soient les étapes, de la fabrication du wafer à la lithographie, jusqu'aux tests et à l'emballage : toutes nécessitent un contrôle précis et une surveillance sans faille », explique Marcel Ellwart, responsable de l'industrie des semi-conducteurs chez Beckhoff. « De plus, les équipements de production doivent pouvoir réagir de manière flexible aux variantes de produits changeantes tout en garantissant des débits élevés avec une qualité maximale. Cela rend indispensable l'utilisation de techniques d'automatisation modernes. »

EtherCAT – la norme pour l'industrie des semi-conducteurs

Grâce à son portefeuille large et flexible, Beckhoff peut couvrir précisément les processus et applications variés de l'industrie des semi-conducteurs en tant qu'automatisateur. Un rôle particulier revient à la communication : « Avec EtherCAT, Beckhoff a développé une norme de bus de terrain qui est désormais établie comme le protocole de communication leader dans la fabrication de semi-conducteurs », souligne Marcel Ellwart. La majorité des grands fabricants d'équipements utilisent aujourd'hui EtherCAT. La réussite repose notamment sur sa capacité en temps réel, sa grande flexibilité et sa scalabilité. « Grâce à son architecture ouverte et à sa large acceptation par les fabricants, EtherCAT permet une intégration simple des composants et systèmes, de la capteur à l'actionneur, jusqu'aux contrôles complexes », précise le responsable de secteur.

Avec le contrôle basé sur PC, Beckhoff fournit à l'industrie des semi-conducteurs le concept de contrôle adapté. Il couvre toutes les tâches d'automatisation : de la fabrication du wafer au traitement, jusqu'à l'emballage des puces. La solution Beckhoff ne se limite pas à la PLC, elle inclut également la connexion HMI, le contrôle de mouvement, la technique de mesure ou la vision. La plateforme logicielle TwinCAT 3 transforme les PC industriels en systèmes de contrôle en temps réel efficaces pour tous les processus d'ingénierie et d'exécution. Adaptée aux nombreux besoins différents de l'industrie des semi-conducteurs, la logiciel d'automatisation est modulaire et peut être étendue avec de nombreuses fonctionnalités.

Une industrie particulière – une valeur ajoutée particulière

Avec son portefeuille, Beckhoff offre une réponse solide aux défis évoqués en début d'article dans le secteur des semi-conducteurs. Parmi celles-ci, plusieurs innovations de l'entreprise de Verl mettent en avant un bénéfice particulièrement élevé dans le secteur :

– Les modules d'EtherCAT compacts de la série EJ remplacent dans les installations de production en série des cartes d'E/S élaborées. Ils se branchent directement sur une carte de distribution de signaux et répartissent les signaux ou la tension sur des connecteurs spécifiques à l'application. Cela permet de gagner du temps, de réduire les coûts et de gagner de la place. De plus, le risque de câblage erroné est éliminé. Les modules EJ offrent, comme les bornes EtherCAT classiques, une grande variété de signaux ainsi qu'une sécurité intégrée et un contrôle de mouvement complet.
– Pour réduire la complexité des installations, Beckhoff intègre la régulation de l'entraînement des servomoteurs et des moteurs pas à pas directement dans les E/S. Dans le segment 48 V en courant continu, les modules d'EtherCAT, les bornes de servomoteur ou les modules de boîtier, en combinaison avec la série de moteurs AM8100, permettent de créer des axes servo extrêmement compacts, dynamiques et précis. Pour faire fonctionner des axes de réglage ou des entraînements avec des amplificateurs de servomoteurs directement sur la machine, une régulation intégrée à l'E/S est également réalisable.
– En ce qui concerne la technique de mesure, le portefeuille Beckhoff répond aux exigences de l'industrie des semi-conducteurs : de la fréquence de l'échantillonnage au kHz, en passant par la mesure de tension et de courant, jusqu'aux vibrations et à la mesure de force. Les modules de mesure haut de gamme de la série ELM s'intègrent parfaitement dans le système d'E/S EtherCAT et mesurent de manière fiable même les canaux de mesure critiques pour le processus. Pour l'analyse des données générées, TwinCAT offre des fonctionnalités puissantes.
– Beckhoff Vision intègre la vision en temps réel pour la fabrication de wafers dans de nouveaux environnements de contrôle ainsi que dans ceux existants. La séparation entre vision et automatisation n'est plus nécessaire. En même temps, les composants de vision offrent un design robuste, une grande évolutivité et une disponibilité à long terme – des caméras aux optiques et à l’éclairage, jusqu’au logiciel TwinCAT Vision.
– XPlanar révolutionne la manipulation dans l'industrie des semi-conducteurs. En effet, le système d'entraînement planarmoteur transporte les pièces de manière dynamique, avec une précision extrême et une grande liberté de mouvement – à la fois dans un système et d'une machine à l'autre. Les moveurs flottent sans contact et indépendamment les uns des autres, suivant des trajectoires préétablies. Les produits peuvent se dépasser, être évacués ou mis en tampon, sans perturber le flux de production.
– Les solutions d'IA modernes offrent un potentiel énorme pour la fabrication de semi-conducteurs. Beckhoff a intégré l'apprentissage automatique dans le logiciel de contrôle TwinCAT 3, fournissant ainsi un ensemble d'outils matériels et logiciels pour intégrer directement des modèles d'IA dans la PLC. Les utilisateurs disposent d’un workflow ouvert de la collecte de données à la formation du modèle, jusqu’à l’exécution des modèles appris, sans verrouillage propriétaire. Parmi les applications déjà proposées par Beckhoff avec l’IA figurent la détection d’anomalies pour la maintenance prédictive, la classification d’images pour le contrôle qualité ou l’analyse de séries temporelles pour améliorer les processus de production.

Histoires de succès dans le secteur des semi-conducteurs par Beckhoff

Avec son portefeuille étendu et sa connaissance approfondie du secteur, Beckhoff a automatisé ces dernières années un nombre impressionnant d’applications tout au long de la chaîne de valeur de la fabrication de semi-conducteurs. La diversité des solutions est illustrée par les exemples suivants, dont le magazine client de Beckhoff PC-Control a déjà rendu compte en détail.

Fabrication de cristaux : La société Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) utilise une solution Beckhoff pour l'automatisation de ses fours à cristaux monocristallins, composée d’PC embarqués, TwinCAT 3 et de bornes d’EtherCAT. Elle remplace ses anciens systèmes de contrôle PLC et de régulation de température, offrant ainsi beaucoup plus de flexibilité, de scalabilité et de possibilités d’intégration. Le cœur de la gestion du processus est la régulation précise de la température, essentielle pour la croissance des cristaux, car elle garantit leur qualité par une régulation uniforme de la température sur de longues périodes.

Gaz ultra-purs : Applied Energy Systems (AES) a développé un nouveau régulateur pour l’approvisionnement en gaz ultra-purs, afin de répondre aux exigences de l’industrie 4.0 dans la fabrication de semi-conducteurs. En plus d’un panneau PC compact CP6606 de Beckhoff, l’entreprise mise sur les modules d’E/S enfichables modulaires de la série EJ. Ce système ultra-compact conserve la taille de boîtier précédente tout en offrant des fonctionnalités avancées, des interfaces OPC-UA et Cloud, une flexibilité d’adaptation, et une réduction de 50 % du temps d’installation.

Manipulation de puces : Mühlbauer utilise également dans ses machines de tri de puces de haute précision pour la fabrication finale des semi-conducteurs des modules d’E/S EJ. Cela permet de traiter 30 000 micro-puces par heure avec une meilleure manipulation des wafers et une réduction du câblage. Quatre cartes de distribution de signaux spécialement conçues, équipées de 26 modules EtherCAT, intègrent des E/S numériques et analogiques, des codeurs incrémentaux, des modules de moteurs pas à pas, ainsi que des logiques d’alimentation et des amplificateurs de servomoteurs pour moteurs en céramique ou piézoélectriques.

Nouveaux matériaux : L’oxyde de gallium offre un potentiel considérable pour la fabrication de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Cependant, le développement sur les installations existantes était limité par la flexibilité, la fiabilité et le coût élevé. La société Agnitron a créé une solution multi-usage flexible basée sur un contrôle PC, pouvant être reconfigurée en quelques jours. EtherCAT assure un réseau compact, peu encombrant, pour la multitude de thermocouples et d’E/S, tout en permettant une intégration simple des équipements de terrain existants.

Emballage avancé : Étant donné que la miniaturisation pousse de plus en plus les procédés lithographiques traditionnels à leurs limites, la startup Fonontech mise sur une nouvelle approche. La technologie Impulse Printing™ utilise des plaques de silicium avec des structures micrométriques gravées et des structures chauffantes intégrées. L’objectif est d’atteindre une résolution de 5 µm avec une erreur de superposition minimale. La régulation utilisée permet, via PC-based Control, EtherCAT et la technologie XFC (eXtreme Fast Control), une synchronisation et une position en temps réel adaptées.

IA et Edge : le début d’une nouvelle ère

Ces exemples illustrent notamment que la fabrication de semi-conducteurs est à l’aube d’une nouvelle ère. « Les solutions d’automatisation de Beckhoff offrent les meilleures conditions pour relever ces nouveaux défis et réaliser des processus de fabrication intelligents », résume Marcel Ellwart. La combinaison d’un contrôle basé sur PC, d’un traitement de données puissant et d’une communication EtherCAT en temps réel permet d’intégrer des algorithmes d’IA pour l’optimisation des processus. Les solutions Edge permettent une analyse décentralisée des données directement sur la machine, ce qui réduit les temps de réaction et augmente la disponibilité des installations. De telles approches ouvrent la voie à une production de semi-conducteurs encore plus efficace, flexible et durable à l’avenir.