Precisione e diversità dei processi sotto controllo

Per far fronte alle esigenze straordinarie e alla forte pressione sui costi nell'industria dei semiconduttori, l'automazione svolge un ruolo chiave. (Immagine: © IM Imagery/stock.adobe.com) / L'automazione svolge un ruolo fondamentale nel soddisfare le esigenze straordinarie e la forte pressione sui costi nell'industria dei semiconduttori. (Immagine: © IM Imagery/stock.adobe.com)

La maggior parte dei grandi produttori di apparecchiature nell'industria dei semiconduttori oggi si affida a EtherCAT – uno sviluppo di Beckhoff. (Immagine: © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

I moduli I/O della serie EJ vengono inseriti direttamente sulle schede di circuito, sostituendo le schede I/O complesse nei sistemi per la produzione in serie. (Immagine: © Beckhoff)

Nuove tecnologie come XPlanar consentono processi innovativi di movimentazione nella produzione di semiconduttori. (Immagine: © Beckhoff)

Poiché nella produzione di semiconduttori anche l'autonomia gioca un ruolo sempre più importante, vengono utilizzati, ad esempio, sistemi di trasporto senza conducente. (Immagine: © IM Imagery/stock.adobe.com) / I sistemi di trasporto senza conducente, ad esempio, sono sempre più utilizzati a causa del fatto che l'autonomia sta assumendo un ruolo sempre più rilevante nella produzione di semiconduttori. (Immagine: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, Gestione del settore dell'industria dei semiconduttori, Beckhoff Automation. (Immagine: © Beckhoff)

In nessun altro settore industriale i processi sono così complessi come nella produzione di semiconduttori. Ma come riesce questa industria a rispondere alle crescenti esigenze con soluzioni innovative? Con la sua offerta di automazione, Beckhoff dimostra che concetti di controllo moderni, standard di comunicazione flessibili e sistemi perfettamente coordinati rendono la produzione di semiconduttori non solo più efficiente, ma anche più sicura per il futuro.

Circa 3.000 a 8.000 componenti semiconduttori sono installati nelle auto elettriche odierne per il controllo del motore, la gestione della batteria e i sistemi di assistenza – con una tendenza in forte aumento. Tuttavia, indipendentemente che si tratti di mobilità, comunicazione, salute, sicurezza, intrattenimento, approvvigionamento energetico o protezione ambientale: i semiconduttori costituiscono la base per innovazione e progresso in quasi tutti gli aspetti della vita. Di conseguenza, l’industria dei semiconduttori riveste un ruolo di grande importanza nella nostra società. Tuttavia, anche questa settore deve affrontare le stesse sfide di altri: crescenti requisiti di qualità, efficienza e produttività, con un contemporaneo aumento della pressione sui costi. Per far fronte a ciò, nell’ambito della produzione di semiconduttori – così come negli altri settori – l’automazione svolge un ruolo chiave.

In due aspetti, tuttavia, la produzione in questo settore si differenzia radicalmente dal resto dell’industria: uno è la precisione richiesta nella produzione. I processori moderni contengono spesso miliardi di transistor. Per questo, devono essere strutture con distanze nell’ordine dei nanometri sui wafer. Ciò porta direttamente al secondo punto: un numero senza precedenti di passaggi di produzione necessari per questa lavorazione di precisione. Dozzine di processi devono integrarsi senza soluzione di continuità, gran parte dei quali in ambienti di camere bianche. "Per quanto diversi siano i passaggi dalla produzione del wafer, alla litografia, ai test e all’imballaggio: tutti richiedono un controllo preciso e una supervisione senza interruzioni", afferma Marcel Ellwart, responsabile settore industria semiconduttori presso Beckhoff. "Inoltre, le apparecchiature di produzione devono poter reagire in modo flessibile alle varianti di prodotto in evoluzione e garantire alte velocità di produzione con la massima qualità. Questo rende indispensabile l’uso di tecnologie di automazione moderne."

EtherCAT – lo standard per l’industria dei semiconduttori

Con il suo portafoglio ampio e flessibile, Beckhoff può coprire in modo preciso i molteplici processi e applicazioni nel settore dei semiconduttori come automazione. Un ruolo speciale è rivestito dalla comunicazione: "Con EtherCAT, Beckhoff ha sviluppato uno standard di bus di campo che si è ormai affermato come principale protocollo di comunicazione nella produzione di semiconduttori", sottolinea Marcel Ellwart. La maggior parte dei grandi produttori di apparecchiature utilizza oggi EtherCAT. La sua capacità di funzionare in tempo reale, nonché l’elevata flessibilità e scalabilità, sono state determinanti per il successo. "Grazie alla sua architettura aperta e all’ampia accettazione da parte dei produttori, EtherCAT permette un’integrazione semplice di componenti e sistemi, dai sensori agli attuatori fino a controlli complessi", spiega il responsabile di settore.

Con il controllo basato su PC, Beckhoff fornisce all’industria dei semiconduttori il concetto di controllo adatto. Copre tutte le attività di automazione: dalla produzione del wafer, alla lavorazione, fino all’imballaggio dei chip. Il metodo Beckhoff comprende non solo il PLC, ma anche l’interfaccia HMI, il controllo del movimento, la tecnologia di misurazione o la visione artificiale. La piattaforma software TwinCAT 3 trasforma i PC industriali in sistemi di controllo in tempo reale efficienti per tutti i processi di ingegneria e runtime. Per rispondere alle molteplici esigenze dell’industria dei semiconduttori, il software di automazione è modulare e può essere ampliato con numerose funzioni.

Settore speciale – valore aggiunto speciale

Con il suo portafoglio, Beckhoff offre una risposta efficace alle sfide iniziali del settore dei semiconduttori. Tra queste, alcune innovazioni dell’azienda di Verl che offrono un beneficio particolarmente elevato nel settore:

– I moduli di connessione compatti della serie EJ di EtherCAT sostituiscono le schede I/O sviluppate complessamente per le linee di produzione in serie. Vengono collegati direttamente a una scheda di distribuzione del segnale e distribuiscono segnali o tensione su connettori personalizzati per l’applicazione. Ciò consente di risparmiare tempo, costi e spazio. Inoltre, elimina il rischio di cablaggi errati. I moduli EJ offrono, come le classiche morsettiere EtherCAT, una vasta gamma di segnali e sicurezza e controllo del movimento completamente integrati.
– Per ridurre la complessità delle apparecchiature, Beckhoff integra il controllo del motore di servo- e motori passo-passo direttamente nelle I/O. Nel segmento a 48 V DC, i moduli di connessione EtherCAT, le morsettiere per motori servo o i moduli a scatola, in combinazione con la serie di motori AM8100, consentono assi servo estremamente compatti con alta dinamica e precisione. Per il funzionamento di assi di regolazione o di azionamenti con amplificatori servo direttamente sulla macchina, è possibile implementare anche un controllo integrato nelle I/O.
– Anche per quanto riguarda la tecnologia di misurazione, il portafoglio Beckhoff soddisfa le esigenze dell’industria dei semiconduttori: dalla frequenza di secondi fino a kHz, dalla misurazione di tensione e corrente, alle vibrazioni e alla misurazione della forza. I moduli di misurazione di alta gamma della serie ELM sono integrati senza soluzione di continuità nel sistema di I/O EtherCAT e rilevano anche canali di misura critici per il processo in modo affidabile. Per l’analisi dei dati generati, TwinCAT offre funzionalità potenti.
– Beckhoff Vision integra l’elaborazione di immagini in tempo reale per la produzione di wafer in ambienti di controllo nuovi ed esistenti. Non è più necessario distinguere tra visione e tecnologia di automazione. Allo stesso tempo, i componenti di visione offrono un design robusto, alta scalabilità e disponibilità a lungo termine – dalle telecamere, agli obiettivi e all’illuminazione, fino al software TwinCAT Vision.
– XPlanar rivoluziona la gestione nella produzione di semiconduttori. Il sistema di azionamento planare trasporta i pezzi in modo dinamico, con massima precisione e grande libertà di movimento – sia in un sistema che da macchina a macchina. I mover fluttuano senza contatto e indipendenti l’uno dall’altro lungo percorsi predefiniti. I prodotti possono sorpassarsi, essere espulsi o temporaneamente immagazzinati, senza interrompere il flusso di produzione.
– Soluzioni di intelligenza artificiale moderne offrono enormi potenzialità per la produzione di semiconduttori. Beckhoff ha integrato l’apprendimento automatico nel software di controllo TwinCAT 3, offrendo così un set di strumenti hardware e software per integrare modelli di IA direttamente nel PLC. Gli utenti beneficiano di un flusso di lavoro aperto, dalla raccolta dei dati, all’addestramento del modello, all’esecuzione di modelli appresi, senza effetto lock-in. Le applicazioni già offerte da Beckhoff con l’IA includono il riconoscimento di anomalie per la manutenzione predittiva, la classificazione delle immagini per il controllo qualità o l’analisi delle serie temporali per migliorare i processi di produzione.

Storie di successo dei semiconduttori di Beckhoff

Con il suo ampio portafoglio e la profonda conoscenza del settore, Beckhoff ha automatizzato negli ultimi anni un numero impressionante di applicazioni lungo tutta la catena del valore nella produzione di semiconduttori. La versatilità delle soluzioni è evidenziata dai seguenti esempi, di cui il magazine clienti di Beckhoff PC-Control ha già riferito dettagliatamente.

Produzione di cristalli: l’azienda Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) utilizza una soluzione Beckhoff, composta da PC embedded, TwinCAT 3 e morsettiere I/O EtherCAT, per l’automazione dei propri forni a cristallo singolo. Questa sostituisce i sistemi di controllo PLC e temperatura precedenti, offrendo molta più flessibilità, scalabilità e possibilità di integrazione. Il cuore del controllo del processo è la regolazione precisa della temperatura, essenziale per la crescita del cristallo singolo, poiché garantisce la qualità attraverso una gestione uniforme della temperatura su lunghi intervalli di tempo.

Gas ad alta purezza: Applied Energy Systems (AES) ha sviluppato un nuovo regolatore per l’approvvigionamento di gas ultra-puri, per soddisfare i requisiti Industry 4.0 nella produzione di semiconduttori. Oltre a un compatto pannello PC CP6606 di Beckhoff, l’azienda utilizza i moduli I/O a innesto della serie EJ. Il sistema ultra-compatto mantiene le dimensioni della custodia precedenti, ma offre funzioni avanzate, interfacce OPC-UA e cloud, possibilità di adattamento flessibile e una riduzione del 50% dei tempi di installazione.

Handling dei chip: Mühlbauer utilizza anche nei propri sistemi di smistamento di wafer di alta precisione per la produzione di semiconduttori i moduli di connessione EJ. In questo modo, è possibile lavorare 30.000 microchip all’ora, con una migliore gestione dei wafer e una riduzione del cablaggio. Quattro schede di distribuzione del segnale appositamente sviluppate, con un totale di 26 moduli EtherCAT, integrano I/O digitali e analogici, encoder incrementali, moduli motore passo-passo, logica di alimentazione e amplificatori servo per motori in ceramica o piezo.

Nuovi materiali: il biossido di gallio offre un grande potenziale per la produzione di nuovi materiali semiconduttori. Tuttavia, lo sviluppo sui sistemi esistenti è stato limitato dalla flessibilità, affidabilità e costi elevati. La società Agnitron ha creato una soluzione versatile basata su controllo PC, che può essere riconfigurata in pochi giorni. EtherCAT garantisce una rete compatta e salvaspazio per i numerosi termoelementi e I/O, facilitando l’integrazione dei dispositivi di campo esistenti.

Packaging avanzato: poiché la miniaturizzazione sta portando i tradizionali processi litografici a limiti sempre più stretti, la startup Fonontech adotta un nuovo approccio. La tecnologia Impulse Printing™ utilizza lastre di silicio con strutture microscopiche e strutture riscaldanti integrate. L’obiettivo è una risoluzione di 5 µm con errore minimo di sovrapposizione. Il controllo utilizzato permette, tramite PC-based Control, EtherCAT e tecnologia XFC (eXtreme Fast Control), una sincronizzazione e una posizionamento in tempo reale adeguati.

IA e Edge: l’inizio di una nuova era

Non ultimi questi esempi di applicazione sottolineano: la produzione di semiconduttori si trova all’inizio di una nuova era. "Le soluzioni di automazione di Beckhoff offrono le migliori condizioni per affrontare le nuove sfide e realizzare processi di produzione intelligenti", riassume Marcel Ellwart. La combinazione di controllo basato su PC, elaborazione dati potente e comunicazione EtherCAT in tempo reale permette di integrare algoritmi di IA per l’ottimizzazione dei processi. Le soluzioni Edge consentono un’analisi dei dati decentralizzata direttamente sulla macchina, riducendo i tempi di reazione e aumentando la disponibilità degli impianti. Questi approcci aprono la strada a una produzione di semiconduttori più efficiente, flessibile e sostenibile in futuro.