Inductief laden maakt cleanroomautomatisering 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 waferhouder millimeterprecies in een cleanroomrek – een voorbeeld van betrouwbare materiaalafhandeling in gevestigde 200-mm-fabrieken. (Bron: Fabmatics GmbH, Fotograaf: Sven Claus (FotograFisch))

Het Wiferion-laadpaneel is 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 sectoren automotive, communicatie en industrie groeit ongestoord. Maar veel van de productielocaties stammen uit een andere tijd: 200-mm-wafersfabrieken, die in de jaren 1990 en 2000 zijn ontstaan, werken nog steeds met deels handmatige materiaalstromen. Hun modernisering is vanwege de hoge zuiverheidseisen complex, maar dringend noodzakelijk. De Dresdner automatiseringsspecialist Fabmatics ontwikkelt al meer dan 30 jaar oplossingen die variëren van transport tot opslag en waferidentificatie – 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 processors en geheugenchips en worden vervaardigd in moderne, hooggeautomatiseerde fabrieken. Daarentegen zijn de productiesystemen voor 200-mm-wafers, die vooral worden ingezet voor vermogenselektronica en bepaalde automobielcomponenten, doorgaans 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 medewerkers hebben aangetoond hoe belangrijk stabiele en doorlopende processen zijn. Automatisering is in de halfgeleiderproductie daarom geen toekomstig thema meer, maar een voorwaarde voor concurrentievermogen.

In het Europese micro-elektronicaclusterdresden zorgt Fabmatics met meer dan 300 medewerkers dat 200-mm-fabrieken hun systemen efficiënter en veiliger kunnen bedienen door maatwerkautomatiseringsoplossingen. 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 railsgebonden was. Het systeem werd later zo doorontwikkeld dat het zich vrij in de ruimte kan bewegen en daarmee maximale flexibiliteit biedt voor het materiaaltransport. Vandaag maken transportrobots zoals de HERO Fab een vast onderdeel uit van de 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 eerste uitdaging was echter de energievoorziening – totdat Fabmatics overstapte op de laadoplossing van Wiferion – a PULS brand.

Partikelfrij warm 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 uitschuiven 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 conventionele contacttechnologie problematisch: schuifcontacten en stekkers veroorzaken bij het contact slijpresten – 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 halfgeleideronderdelen kan beschadigen. Ook alternatieve materialen zoals roestvrij staal of zilver bleken in de praktijk niet overtuigend. "We wilden onze robots al in de eerste generatie, die in 2013 op de markt kwam, voorzien van een inductieve laadoplossing, maar de overdracht van energie van die systemen was destijds niet voldoende voor onze doeleinden. Wiferion was toen nog niet beschikbaar," zegt Carsten Grunert, hoofd productontwikkeling bij Fabmatics. "Daarom ontwikkelden we een contactgebaseerde laadtechnologie die in de vloer werd geïntegreerd. Deze 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 een inductieve laadoplossing die tot 60 ampère kon overdragen – genoeg om mobiele robots in de cleanroom ononderbroken te laten werken. Zo werd mogelijk wat in 2013 nog technisch onmogelijk was.

Samen met partner PohlCon ontwikkelde Fabmatics laadplaten die naadloos in de dubbele vloer van de cleanrooms kunnen worden ingebouwd. Hiervoor hoeft slechts een 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 brandveiligheidsvoordelen bieden. Sleufkabels of open contacten die slijpresten 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-proces laden. In plaats van vaste laadtijden in te plannen, laden de Fabmatics-robots tijdens hun normale werkzaamheden, bijvoorbeeld bij het laden en lossen 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 voldoende 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 minimale invasieve installatie overtuigt het laadsysteem ook door zijn hoge flexibiliteit: dankzij het modulaire ontwerp kan de laadinfrastructuur worden aangepast aan wisselende lay-outs – een belangrijk voordeel in groeiende productielocaties die regelmatig worden uitgebreid of gerenoveerd. Zo ontstaat een onderhoudsvrije laadinfrastructuur die in elke bestaande productieomgeving past en niet alleen cleanroombestendig is, maar ook met het oog op de toekomst.

Zonder sleufkabels en struikelgevaar: nieuwe toepassingsgebieden

"De combinatie van draadloze energievoorziening en procesgeïntegreerd laden is ideaal voor onze toepassingen," verklaart Carsten Grunert. "We konden al eerder een 24/7-bedrijf realiseren – maar nu gebeurt dat veel flexibeler, onderhoudsvrij en met de hoogste proceszuiverheid. Een echte meerwaarde voor onze systemen! De hoge flexibiliteit heeft ons bovendien in staat gesteld nieuwe toepassingsgebieden te ontsluiten."

Zo heeft Fabmatics de Wiferion-technologie inmiddels geïntegreerd in andere robotseries, die eerder beperkt waren door de beperkingen van conventionele 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 voordelig: zonder de noodzaak voor mechanische verbindingen of sleufkabels, die meestal kabels voor de energieoverdracht bevatten, worden potentiële struikelgevaar en brandrisico’s geëlimineerd. Bovendien maakt de draadloze oplossing een geruisloze en naadloze integratie in de lopende productie mogelijk.

Conclusie: een grote stap voorwaarts in automatisering binnen de halfgeleiderindustrie

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