Il nuovo modo di interagire tra uomo e macchina in ambiente sterile

I cobot entrano nelle camere bianche dell'industria elettronica. Nella produzione di semiconduttori, si distinguono per affidabilità e i più alti standard di qualità.

Le delicate fette di silicio possono avere, ciascuna, il valore di un'auto di fascia media. / Each cassette full of the sensitive silicon wafers can have the value of a mid-range car.

I robot del camera pulita trasportano cassette nere piene di wafer di silicio ai singoli passaggi di lavorazione.

Il robot KUKA posiziona i wafer di silicio nella camera di lavorazione con precisione millimetrica.

Presso Infineon a Villach, in Austria, sono in uso 17 robot per camere pulite di tipo LBR iiwa CR.

Per una produzione economica, Infineon deve sempre trovare la giusta misura tra ciò che è possibile e ciò che è ragionevole.

Il sensibile LBR iiwa CR non richiede recinzioni di sicurezza durante la manipolazione dei wafer.

Lisa Ebner ha seguito fin dall'inizio l'integrazione dei robot per le camere bianche nel processo di produzione automatizzato

I cobot portano l'automazione in ambienti di sala bianca a un nuovo livello. Nella produzione di chip ultrasottili di micrometri, presso Infineon a Villach, 17 robot KUKA leggeri e sensibili lavorano in modo sicuro insieme a umani, garantendo maggiore efficienza e sicurezza nella produzione di wafer, tanto preziosi quanto fragili.

No, queste lastre di silicio non sono un prodotto realmente collaborativo: con uno spessore fino a 40 micrometri, molti wafer sono più sottili di un capello e hanno comunque un diametro che va dai 150 ai 300 millimetri, quasi come una pizza. Una questione altamente fragile, che non si può e non si vuole tenere in mano, nemmeno in una custodia protettiva. Per trasformare questi delicati dischi, che insieme in una cassetta possono valere quanto un'auto di fascia media, in chip, devono attraversare fino a 1.200 passaggi di processo. E devono essere trasportati ogni volta a una diversa stazione automatizzata di lavorazione. Un caso evidente per l'impiego di robot.

Presso lo stabilimento Infineon di Villach vengono prodotti semiconduttori di potenza, come quelli utilizzati in automobili, smartphone, frigoriferi o nei data center e nelle unità di propulsione di locomotive. Nel corso dell'esercizio fiscale 2020, Infineon Austria, filiale della tedesca Infineon Technologies AG, ha consegnato 8,45 miliardi di chip e generato un fatturato di 3,1 miliardi di euro. Tecnologia di futura innovazione, come dimostra anche l'investimento in ricerca e sviluppo di 498 milioni di euro, che rende l'azienda una delle più forti in Austria nel settore della ricerca.

Più pulito di un'operazione in sala operatoria

Nel padiglione 17 dello stabilimento di Villach, Infineon produce chip su wafer ultrasottili in un ambiente di sala bianca di categoria 1. Ciò significa: in 28 litri d'aria non devono esserci più di un particella di polvere. Molto meno rispetto a quanto consentito in una sala operatoria. Per confronto: nell'aria di montagna, considerata particolarmente limpida, si aggirano circa 100.000 particelle in uno stesso volume. Per i lavoratori, questo significa: accesso consentito solo con tute protettive bianche, complete, e tramite una speciale camera d'aria. Pelle e capelli devono essere completamente coperti, in modo che nessuna squama possa penetrare dall'esterno. Solo una piccola fessura di visuale rimane aperta. Laptop e altri dispositivi devono essere sottoposti a una pulizia scrupolosa. Anche penne e fogli di carta per appunti sono realizzati con materiali particolarmente privi di particelle.

„Per questi ambienti di produzione estremamente sensibili, dobbiamo valutare con grande attenzione quale tecnologia di trasporto utilizzare“, spiega Martin Moser, responsabile del team di automazione nel settore AMHS (Automated Material Handling System) presso Infineon Technologies Austria a Villach. „Poiché nella produzione di wafer sono coinvolti diversi dispositivi mobili e sempre anche persone, i sistemi robotici devono essere estremamente sensibili per garantire un'interazione sicura tra uomo e macchina. E tutto ciò senza bisogno di barriere di protezione.

Mano nella mano con i partner di sistema

„Durante la ricerca di soluzioni, abbiamo notato i robot leggeri KUKA all'Automatica“, racconta l'ingegnere di sviluppo. Rendere questi robot conformi alla norma ISO3, per le esigenze molto specifiche in sala bianca, è stato un processo di apprendimento estremamente intenso, in cui gli esperti di automazione di Infineon hanno lavorato fianco a fianco con i loro partner di sistema. Oltre a KUKA, tra questi ci sono stati soprattutto esperti di Mechatronic Systemtechnik GmbH, per il montaggio, il cablaggio e l'assemblaggio in produzione, e i programmatori di Micado Automation GmbH, per il controllo delle linee.

„All'epoca non avevamo uno schema di riferimento per l'impiego di robot mobili nella produzione di semiconduttori. Abbiamo adattato i sistemi esattamente alle nostre esigenze. È stato un vero lavoro pionieristico, sia per noi che per KUKA“, racconta Moser. Questo ha incluso rendere i robot leggeri compatibili con ambienti di sala bianca. Anche per i robot KUKA, questa è stata una novità. „Il modo di lavorare costruttivo e orientato alle soluzioni di tutti i soggetti coinvolti ha contribuito in modo decisivo a creare una soluzione di trasporto ideale per la nostra produzione automatizzata di chip“, conclude Moser.

Oggi, 17 robot LBR iiwa operano nelle diverse sale bianche, 24 ore su 24, 365 giorni all'anno. „Sono estremamente mobili, possono sostenere fino a 14 chilogrammi di carico, lavorano senza vibrazioni e con il loro gripper eseguono operazioni millimetriche, anche in spazi molto ristretti“, spiega Moser, evidenziando i vantaggi dei „Robi“. In particolare, la loro settima asse supplementare permette loro di eseguire movimenti delicati e articolati, che i robot a 6 assi convenzionali non possono realizzare.

Perfezione nel lavoro millimetrico

Così trasportano silenziosamente cassette nere piene di preziosi wafer di silicio alle varie fasi di lavorazione, le inseriscono con precisione millimetrica nelle rispettive camere di lavorazione e le prelevano nuovamente. I robot mobili di carico collaborano strettamente con il sistema di trasporto overhead Hoist, chiamato OHT. Appesi a binari sotto il soffitto di quasi cinque metri di altezza, i contenitori di trasporto si muovono come guidati da un fantasma, dirigendosi verso le varie stazioni, dove vengono abbassati tramite un meccanismo a cinghia. Qui vengono presi in carico da uno dei robot LBR iiwa e trasportati al passo successivo del processo.

„Volevamo fin dall'inizio una soluzione su misura per la nostra produzione a Villach. Non ci interessava altro“, spiega Moser. „Abbiamo gestito direttamente l'integrazione dei sistemi. Per noi, è stato molto importante il contatto diretto con gli sviluppatori di KUKA – soprattutto per capire come configurare l'intero sistema e come farlo continuare ad apprendere“.

Nella giusta misura tra ciò che è possibile e ciò che è necessario

Nel team di Martin Moser, Lisa Ebner ha seguito fin dall'inizio l'integrazione dei robot nel processo automatizzato di produzione di wafer. È parte dell'azienda da sette anni e si occupa di sistemi di carico. Lisa Ebner è una vera appassionata dei robot mobili: „Quando ho visto per la prima volta il LBR iiwa, ancora come operatrice, sono rimasta subito affascinata: avrei potuto guardare per ore i movimenti morbidi e armoniosi – un vero piacere tecnologico.“

Guardare per ore? Difficile da credere. Perché l'esperta di automazione, che nel frattempo studia anche meccatronica, ingegneria dei sistemi e management, sembra quasi troppo energica. È sempre in giro tra le linee di produzione, controlla i sistemi al centro di comando e cerca nuove opportunità per perfezionare la produzione. „Nell'ottimizzazione, dobbiamo trovare il giusto equilibrio tra ciò che è tecnicamente e fisicamente possibile e ciò che ha senso per i nostri scopi produttivi. Quanto più ci avviciniamo al 100% di perfezione, tanto più aumenta la complessità e il numero di interfacce. Dobbiamo sempre trovare la misura giusta per una produzione efficiente“, afferma.

Progresso nell'apprendimento per il futuro dei semiconduttori

Il team di automazione di Villach sta chiaramente facendo progressi. „Tutto ciò che impariamo ora ci porta avanti – verso un livello superiore di automazione nella produzione di semiconduttori“, afferma Bernd Steiner, responsabile della produzione di Infineon Austria a Villach.

E il tempo stringe in Carinzia. Oltre alle attuali linee di produzione, è già in costruzione il nuovo stabilimento completamente automatizzato per chip. Infineon ha grandi progetti: ha investito 1,6 miliardi di euro nel suo sito di Villach, facendo l'investimento privato più grande in Austria. Entro la fine del 2021, qui verranno prodotti in modo completamente automatizzato i semiconduttori di potenza. „Il nostro obiettivo è portare l'efficienza esattamente dove serve, nella Smart Factory“, spiega Steiner. „Per chip energetici di domani, come quelli utilizzati in molte applicazioni quotidiane, dagli smartphone agli elettrodomestici e alle auto, ma anche nei server di dati, dispositivi medici, impianti solari e industriali. Per rendere la nostra vita più semplice, sicura e sostenibile.“