Inductief laden maakt cleanroom-automatisering door Fabmatics onderhoudsvrij en veilig

Dank geavanceerde veiligheidsvoorzieningen bewegen mobiele robots en medewerkers zich veilig en efficiënt naast elkaar, zelfs in nauwe cleanroomgebieden. (Bron: Fabmatics GmbH, Fotograaf: Sven Claus (FotograFisch))

De mobiele HERO Fab 200 positioneert een wafercontainer millimeterprecies in een cleanroomrek – een voorbeeld van betrouwbaar materiaalbeheer in gevestigde 200-mm-fabrieken. (Bron: Fabmatics GmbH, Fotograaf: Sven Claus (FotograFisch))

Het Wiferion-laadpaneel is naadloos geïntegreerd in de cleanroom-vloerplaat – voor contactloos laden zonder deeltjesvorming en minimaal invasieve installatie. (Bron: Fabmatics GmbH, Fotograaf: Sven Claus (FotograFisch))

Laden im Prozess: Der mobile Roboter nimmt Energie über ein Ladepanel vor der Handlingstation auf und arbeitet ohne separate Ladepausen weiter. (Quelle: Fabmatics GmbH, Fotograf: Sven Claus (FotograFisch))

De wereldwijde vraag naar vermogenselektronica en chips voor toepassingen in de automotive, communicatie en industrie groeit ongestoord. Maar veel van de productiefaciliteiten stammen uit een andere tijd: 200-mm waferfabrieken die ontstaan zijn in de jaren 1990 en 2000, werken nog steeds met deels handmatige materiaalstromen. Hun modernisering is vanwege de hoge reinheidsvereisten complex, maar dringend noodzakelijk. De Dresdense automatiseringsspecialist Fabmatics ontwikkelt al meer dan 30 jaar oplossingen die variëren van transport tot opslag en identificatie van wafers – ondersteund door de onderhoudsvrije laadtechnologie van Wiferion.

In de halfgeleiderindustrie zijn twee fundamentele waferdiameters van belang: 200 mm en 300 mm. 300-mm wafers worden gebruikt voor de productie van krachtige processoren en geheugenchips en worden vervaardigd in moderne, hooggeautomatiseerde fabrieken. Daarentegen zijn de productielijnen voor 200-mm wafers, die vooral worden ingezet voor vermogenselektronica en bepaalde automobielcomponenten, meestal ouder en organisch gegroeid over decennia. Het gevolg: daar bestaan vaak heterogene infrastructuren die moeilijk te combineren zijn met nieuwe technologieën. Tegelijkertijd neemt de maatschappelijke en economische druk toe om processen te automatiseren. Tekorten in de toeleveringsketen, stijgende energiekosten en het tekort aan vakbekwame arbeidskrachten hebben aangetoond hoe belangrijk stabiele en doorlopende processen zijn. Automatisering is in de halfgeleiderproductie daarom geen toekomstmuziek meer, maar een voorwaarde voor concurrentievermogen.

In het midden van het Europese micro-elektronicaclusterdresden zorgt Fabmatics met meer dan 300 medewerkers dat 200-mm fabrieken hun installaties efficiënter en veiliger kunnen bedienen door op maat gemaakte automatiseringsoplossingen. Het bedrijf levert aan gerenommeerde klanten uit de internationale halfgeleiderindustrie in Europa, Azië en de VS. Al in 2009 begon Fabmatics met de ontwikkeling van een eigen mobiele robot, die aanvankelijk op rails was aangewezen. Het systeem werd later zo doorontwikkeld dat het zich vrij in de ruimte kan bewegen, waardoor maximale flexibiliteit voor het materiaaltransport ontstaat. Vandaag maken transportrobots zoals de HERO Fab deel uit van de vaste productfamilie. Ze vervoeren waferkarren autonoom, verbinden machines over meerdere niveaus en kunnen dankzij hun modulaire constructie optimaal worden aangepast aan klant-specifieke lay-outs. Een uitdaging vormde aanvankelijk echter de energievoorziening – totdat Fabmatics op de laadoplossing van Wiferion – een PULS-merk – stuitte.

Partikelfrij betekent inductief: laden in de cleanroom

Aangezien mobiele robots in cleanrooms in principe binnen de gecontroleerde, stofvrije productieomgeving moeten worden geladen, komen klassieke laadsystemen snel aan hun grenzen. Het uitschakelen van de voertuigen zou het risico op contaminatie drastisch verhogen en hele ladingen gevoelige wafers in gevaar brengen. Maar ook het laden in de cleanroom zelf is met traditionele contacttechnologie problematisch: Schuifcontacten en stekkers veroorzaken bij het contact slijpdeeltjes – een onaanvaardbaar risico in productieomgevingen waar zelfs kleinste verontreinigingen schade in miljoenen kunnen veroorzaken. Koper, dat in veel contactoplossingen wordt gebruikt, is in de cleanroom sowieso taboe omdat het de oppervlakken van halfgeleidersubstraten kan beschadigen. Ook alternatieve materialen zoals roestvrij staal of zilver overtuigden in de praktijk niet. “We wilden onze robots al in de eerste generatie, die in 2013 op de markt kwam, voorzien van een inductieve laadoplossing, maar de overdraagbare hoeveelheid energie van de systemen van toen was niet voldoende voor onze doeleinden. Wiferion bestond toen nog niet,” zegt Carsten Grunert, hoofd productontwikkeling bij Fabmatics. “Daarom hebben we een contactgebaseerde laadtechnologie ontwikkeld die in de vloer werd geïntegreerd. Dit leidde echter tot hoge slijtage en onderhoudsbehoefte en was weinig flexibel.”

Toen Fabmatics de tweede generatie van zijn mobiele robots ontwikkelde, was de technologische situatie fundamenteel veranderd. Wiferion was inmiddels op de markt en bood als eerste leverancier een inductieve laadoplossing die tot 60 ampère overdraagt – voldoende om mobiele robots in de cleanroom ononderbroken te laten werken. Zo werd mogelijk wat in 2013 nog technisch niet haalbaar was.

In samenwerking met partner PohlCon ontwikkelde Fabmatics laadplaten die naadloos in de dubbele vloer van de cleanrooms kunnen worden ingebouwd. Hiervoor hoeft slechts één van de gebruikelijke vloerplaten in de cleanroom te worden vervangen, waardoor ingrijpende verbouwingen niet nodig zijn. De energieoverdracht gebeurt contactloos via een magnetisch veld, waardoor geen deeltjes worden gegenereerd. Bovendien is het draadloze laadsysteem van de specialist in wireless charging ook brandveiligheidstechnisch voordelig. Sleufkabels of open contacten die slijpdeeltjes en vonkvorming kunnen bevorderen, worden overbodig.

Flexibel, onderhoudsvrij en toekomstbestendig: geautomatiseerd laden in het proces

Het grootste voordeel ligt echter in het principe van In-Process-Charging. In plaats van vaste laadtijden in te plannen, laden de fabmatics-robots tijdens hun normale werkzaamheden, bijvoorbeeld bij het beladen en ontladen van waferkarren. Dankzij de hoge positioneertolerantie van de Wiferion-systemen is het voldoende dat de robot kort boven het laadpad stopt. Zelfs kleine afwijkingen leiden niet tot onderbrekingen van het laden. Elke korte pauze is genoeg om het energieniveau stabiel te houden. Gescheiden laadzones, lange pauzes of handmatige ingrepen zijn niet nodig. Dit maakt de oplossing bovendien bijzonder ruimtebesparend.

Naast de minimaal invasieve installatie overtuigt het laadsysteem ook door zijn hoge flexibiliteit: Dankzij het modulaire ontwerp kan de laadinfrastructuur worden aangepast aan wisselende lay-outs – een groot voordeel in groeiende productieomgevingen die regelmatig worden uitgebreid of omgebouwd. Zo ontstaat een onderhoudsvrije laadinfrastructuur die in elke bestaande productieomgeving past en naast cleanroomgeschiktheid ook met toekomstbestendigheid scoort.

Zonder sleufkabels en struikelgevaar: nieuwe toepassingsgebieden

“De combinatie van draadloze energievoorziening en procesgeïntegreerd laden is ideaal voor onze toepassingen,” legt Carsten Grunert uit. “We konden al eerder een 24/7-bedrijf realiseren – vandaag gebeurt dat echter veel flexibeler, onderhoudsvrij en met de hoogste proceszuiverheid. Een echte winst voor onze systemen! De hoge flexibiliteit heeft ons bovendien de mogelijkheid gegeven om nieuwe toepassingsgebieden te ontsluiten.”

Zo heeft Fabmatics de Wiferion-technologie inmiddels geïntegreerd in andere robotseries, die eerder beperkt waren door de beperkingen van traditionele laadsystemen. Omdat de laadplaten ook verticaal aan muren kunnen worden gemonteerd, zijn ze geschikt voor verticale toepassingen zoals etageliften. Vooral bij het transport van materialen over meerdere verdiepingen is de technologie een voordeel: zonder de noodzaak voor mechanische verbindingen of sleufkabels die doorgaans kabels voor de energieoverdracht voeren, worden potentiële struikelgevaar en brandveiligheidsrisico’s geëlimineerd. Bovendien maakt de draadloze oplossing een geluidloze en naadloze integratie in de bedrijfsvoering mogelijk.

Conclusie: Een grote stap vooruit voor automatisering in de halfgeleiderindustrie

Door de integratie van de Wiferion-technologie heeft Fabmatics een belangrijke hindernis bij de automatisering van cleanroomprocessen overwonnen. De inductieve energievoorziening maakt een onderhoudsvrije, procesgeïntegreerde werking van mobiele robots mogelijk, zelfs in uiterst gevoelige productieomgevingen. Voor de halfgeleiderindustrie, met name voor de 200-mm waferfabrieken met hun historisch gegroeide structuren, betekent dit een echte sprong in efficiëntie. Inductief laden wordt daarmee de sleutel tot de volgende fase van automatisering.