Pontosság és folyamat sokféleség szilárdan a kezében

Az automatizálás kulcsszerepet játszik a félvezetőipar rendkívüli követelményeinek és magas költségnyomásának kezelésében. (Kép: © IM Imagery/stock.adobe.com)

A félvezetőipar nagy berendezésgyártóinak többsége ma az EtherCAT-ra támaszkodik – ez a Beckhoff fejlesztése. (Kép: © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

Az EJ-sorozatú I/O-modulokat közvetlenül a nyomtatott áramkörökre helyezik, így helyettesítve a sorozatgyártási rendszerekben az összetett I/O-boardokat. (Kép: © Beckhoff)

Új technológiák, mint például az XPlanar, innovatív kezelési folyamatokat tesznek lehetővé a félvezetőgyártásban. (Kép: © Beckhoff) / New technologies such as XPlanar enable innovative handling processes in semiconductor production. (Picture: © Beckhoff)

Mivel a félvezetőgyártásban az autonómia egyre nagyobb szerepet játszik, például egyre több vezető nélküli szállítórendszert alkalmaznak. (Kép: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Vezető nélküli szállítórendszerek például egyre inkább elterjedtek, mivel az autonómia egyre nagyobb szerepet játszik a félvezetőgyártásban. (Kép: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, ágazatmenedzsment a félvezetőiparban, Beckhoff Automation. (Kép: © Beckhoff) / Marcel Ellwart, az iparág menedzsere a félvezetőiparban, Beckhoff Automation. (Kép: © Beckhoff)

Más iparágakban a folyamatok ilyen összetettek, mint az félvezetőgyártásban. De hogyan sikerül ennek az ágazatnak megfelelni a növekvő igényeknek innovatív megoldásokkal? Automatizálási kínálatával a Beckhoff megmutatja, hogy a modern vezérlési koncepciók, rugalmas kommunikációs szabványok és pontosan hangolt rendszerek nemcsak hatékonyabbá, hanem jövőállóbbá is teszik a félvezetőgyártást.

Ma elektromos autókban körülbelül 3 000 és 8 000 félvezető alkatrész található a motorvezérléshez, az akkumulátor-kezeléshez és a segédberendezésekhez – ez az arány jelentősen növekszik. De akár a mobilitásról, kommunikációról, egészségről, biztonságról, szórakoztatásról, energiaellátásról vagy környezetvédelemről legyen szó: a félvezetők szinte minden életterületen az innováció és a fejlődés alapját képezik. Ennek eredményeként a félvezetőipar kiemelkedő szerepet tölt be társadalmunkban. Ugyanakkor a szektor ugyanazokkal a kihívásokkal néz szembe, mint más iparágak: növekvő minőségi, hatékonysági és termelékenységi követelmények, miközben a költségek is nőnek. E kihívások kezelésében a gyártási folyamatok – akárcsak más területeken – kulcsszerepet játszik az automatizálás.

Azonban két szempontból jelentősen különbözik ez az iparág a többitől: az egyik a gyártás precizitása. Modern processzorok gyakran több milliárd tranzisztort tartalmaznak. Ehhez nanométeres távolságokra kell felépíteni struktúrákat a szilíciumlapokon. Ez vezet a második ponthoz: az ilyen finomságú munkához szükséges számtalan gyártási lépéshez, amelyeknek zökkenőmentesen kell összedolgozniuk, sok esetben tisztatéri környezetben. „Bár a lépések a szilíciumlapok gyártásától a litográfián át a tesztelésig és csomagolásig változatosak, mindegyikhez pontos vezérlés és szoros felügyelet szükséges” – mondja Marcel Ellwart, a Beckhoff félvezetőipari szektormenedzsere. „Emellett a gyártóberendezéseknek rugalmasan kell alkalmazkodniuk a változó termékváltozatokhoz, miközben magas átviteli sebességet és maximális minőséget biztosítanak. Ezért elengedhetetlen a modern automatizálási technológia alkalmazása.”

EtherCAT – az iparági szabvány a félvezetőiparban

A széles és rugalmas portfóliójával a Beckhoff pontosan lefedi a félvezetőipar sokrétű folyamatait és alkalmazásait. Különösen a kommunikáció kap kiemelt szerepet: „Az EtherCAT-tel a Beckhoff kifejlesztett egy olyan mezőhálózati szabványt, amely már régóta vezető kommunikációs protokollnak számít a félvezetőgyártásban” – hangsúlyozza Ellwart. A nagy berendezésgyártók többsége ma már az EtherCAT-re épít. A siker kulcsa a folyamatos valós idejű működés, a magas rugalmasság és skálázhatóság volt. „Az nyitott architektúra és a gyártói elfogadottság révén az EtherCAT egyszerű integrációt tesz lehetővé az alkatrészek és rendszerek között, a szenzoroktól a hajtásokig és a komplex vezérlő rendszerekig” – mondja az iparági menedzser.

A PC-alapú vezérléssel a Beckhoff a félvezetőipar számára egy erre szabott vezérlési koncepciót kínál. Ez lefedi az összes automatizálási feladatot: a szilíciumlapok gyártásától a feldolgozásig és a chip csomagolásáig. A Beckhoff megközelítése nemcsak az SPS-t foglalja magában, hanem az HMI csatlakozást, a mozgásvezérlést, a mérőtechnikát vagy a látásrendszert is. A TwinCAT 3 szoftverplatform az ipari PC-ket hatékony valós idejű vezérlőrendszerekké alakítja minden mérnöki és futási folyamat számára. Az iparág különböző igényeihez igazítva a vezérlő szoftver moduláris felépítésű, és számos funkcióval bővíthető.

Különleges iparág – különleges érték

A portfóliójával a Beckhoff hatékony választ kínál a félvezetőiparban a korábban említett kihívásokra. Számos innovációt tartalmaz, amelyek különösen nagy hasznot hoznak az iparág számára:

– A kompakt EtherCAT csatlakozó modulok az EJ-sorozatban helyettesítik a bonyolult fejlesztésű I/O-nyáklapokat a sorozatgyártású berendezéseknél. Ezeket közvetlenül egy jelelosztó táblára helyezik, és az alkalmazás-specifikus csatlakozókra osztják a jeleket vagy az áramellátást. Ez időt, költséget és helyet takarít meg. Emellett kiküszöböli a rossz bekötés kockázatát. Az EJ-modulok, akárcsak a hagyományos EtherCAT terminálok, nagy jelválasztékot kínálnak, valamint teljesen integrált biztonsági és mozgásvezérlési funkciókat.
– A berendezések összetettségének csökkentése érdekében Beckhoff közvetlenül az I/O-kba integrálja a szervo- és léptetőmotorok hajtásvezérlését. A 48 V-os egyenáramú szegmensben az EtherCAT csatlakozó modulok, a szervomotor-terminálok vagy a dobozos modulok az AM8100 motorcsaláddal kombinálva rendkívül kompakt szervohajtásokat tesznek lehetővé magas dinamika és precizitás mellett. A működtetéshez állítható tengelyek vagy a hajtások közvetlenül a gépen belül is vezérelhetők I/O-integrált szabályozással.
– A mérőtechnika terén a Beckhoff portfólió megfelel a félvezetőipar elvárásainak: a másodpercenkénti mérési frekvenciától a kHz-es tartományig, a feszültség és áram mérésétől a rezgés- és erőmérésig. Az ELM-sorozat csúcskategóriás mérőmoduljai zökkenőmentesen integrálódnak az EtherCAT I/O rendszerbe, és megbízhatóan mérik a kritikus folyamatokat. A keletkezett adatok értékeléséhez a TwinCAT erőteljes funkciókat kínál.
– A Beckhoff Vision valós idejű képfeldolgozást integrál a szilíciumlap-gyártásban, mind új, mind meglévő vezérlő környezetekbe. A vizió és az automatizálási technológia közötti szétválasztás nem szükséges. A vizuális komponensek robusztus kialakítást, magas skálázhatóságot és hosszú távú rendelkezésre állást kínálnak – a kameráktól, optikáktól és világítástól a TwinCAT Vision szoftverig.
– Az XPlanar forradalmasítja a félvezetőipari kezelést. A síkhajtásos motoros rendszer dinamikusan, rendkívüli pontossággal és nagy mozgásszabadsággal szállítja a munkadarabokat – akár egy rendszerben, akár gépről gépre. A mozgók lebegnek érintés nélkül, egymástól függetlenül, az előre meghatározott útvonalak felett. A termékek egymástól előzhetnek, kiüríthetők vagy pufferelhetők anélkül, hogy ez befolyásolná a gyártási folyamatot.
– A modern MI-megoldások hatalmas potenciált kínálnak a félvezetőgyártásban. A Beckhoff beépítette a gépi tanulást a TwinCAT 3 vezérlő szoftverbe, és így egy olyan hardver- és szoftverkészletet kínál, amely lehetővé teszi MI-modellek közvetlen integrálását az SPS-be. A felhasználók a adatgyűjtéstől a modell tréningjén át a tanult modellek végrehajtásáig egy rendszernyitott munkafolyamatot kapnak, záróhatás nélkül. A Beckhoff által már ma kínált alkalmazások közé tartozik az anomáliák felismerése prediktív karbantartáshoz, a kép osztályozása minőségbiztosításban vagy az időbeli sorozatelemzés a gyártási folyamatok fejlesztéséhez.

A Beckhoff félvezető sikerstoryi

A széles portfóliójával és mély iparági ismereteivel a Beckhoff az elmúlt években lenyűgöző számban automatizálta a félvezetőgyártás értékláncának különböző alkalmazásait. Az alábbi példák jól mutatják, milyen sokoldalúak a megoldások, amiről a Beckhoff ügyfélmagazinja, a PC-Control már részletesen beszámolt.

Kristálygyártás: A Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) a szilíciumkristályok automatizálásához Beckhoff megoldást alkalmaz, amelybe beletartoznak az embedded PC-k, a TwinCAT 3 és az EtherCAT I/O terminálok. Ezek helyettesítik a korábbi SPS- és hőmérséklet-szabályozó rendszereket. Ez jelentősen növeli a rugalmasságot, a skálázhatóságot és az integráció lehetőségeit. A folyamatirányítás központi eleme a precíz hőmérséklet-szabályozás, amely elengedhetetlen a kristálygyártásban, mivel biztosítja a minőség egyenletes hőmérséklet-vezérlésével hosszabb időtartamokon keresztül.

Magas tisztaságú gázok: Az Applied Energy Systems (AES) egy új szabályozót fejlesztett ki az ultra-mag tisztaságú gázellátáshoz, hogy megfeleljen az ipar 4.0 követelményeinek a félvezetőgyártásban. A rendszerhez a Beckhoff kompakt panel-PC-je, a CP6606 mellett az EJ-sorozat moduláris csatlakozó moduljait használja. A rendkívül kicsi rendszer megtartja a korábbi házméretet, ugyanakkor kibővített funkciókat, OPC-UA és felhő interfészeket, rugalmas testreszabási lehetőségeket kínál, és 50%-kal csökkenti a telepítési időt.

Chipek kezelése: A Mühlbauer szintén az EJ-csatlakozó modulokat alkalmazza a félvezető végtermékekhez készült nagy pontosságú die-szortírozó gépeiben. Ez lehetővé teszi, hogy 30 000 mikrochippel dolgozzanak óránként, javítva a szilíciumlap kezelését és csökkentve a kábelezési munkát. Négy, különösen fejlesztett jelelosztó táblázat összesen 26 EtherCAT csatlakozó modult tartalmaz, digitális és analóg I/O-kat, inkrementális enkódereket, léptetőmotormodulokat, valamint tápellátási logikát és szervóerősítőket kerámia- vagy piezo motorokhoz.

Új anyagok: A gallium-oxid nagy potenciállal bír új félvezető anyagok gyártásában. A korábbi berendezéseken történő fejlesztés azonban a korlátozott rugalmasság, megbízhatóság és magas költségek miatt korlátozott volt. Az Agnitron egy PC-alapú vezérlést alkalmazó rugalmas többcélú megoldást fejlesztett ki, amely néhány napon belül átállítható. Az EtherCAT kompakt, helytakarékos hálózatot biztosít a számos hőelem és I/O számára, miközben az meglévő gyártóberendezések könnyen integrálhatók.

Fejlett csomagolás: Mivel a miniaturizálás a hagyományos litográfián alapuló eljárásokat egyre inkább korlátok közé szorítja, a fonontech startup egy új megközelítést alkalmaz. Az Impulse Printing™ technológia szilícium nyomtatólemezeket használ mikrométeres struktúrákkal és beépített fűtési rendszerekkel. A cél a 5 µm felbontás minimális átfedési hibával. A vezérlés PC-alapú vezérléssel, EtherCAT-tal és az XFC-technológiával (eXtreme Fast Control) biztosítja a valós idejű szinkronizációt és pozícionálást.

MI és Edge: egy új korszak kezdete

Nem utolsósorban ezek a példák is alátámasztják: a félvezetőgyártás egy új korszak küszöbén áll. „A Beckhoff automatizálási megoldásai kiváló alapot nyújtanak az új kihívásoknak való megfeleléshez és az intelligens gyártási folyamatok megvalósításához” – összegzi Ellwart. A PC-alapú vezérlés, a nagy teljesítményű adatfeldolgozás és a valós idejű EtherCAT kommunikáció lehetővé teszi MI algoritmusok integrálását a folyamatoptimalizáció érdekében. Az Edge-megoldások decentralizált adatfeldolgozást tesznek lehetővé közvetlenül a gépen, csökkentve a reakcióidőt és növelve a berendezések rendelkezésre állását. Ezek a megközelítések utat nyitnak a hatékonyabb, rugalmasabb és fenntarthatóbb jövőbeli félvezetőgyártás felé.