Precisie en procesdiversiteit stevig onder controle

Om te voldoen aan de uitzonderlijke eisen en de hoge kosten druk in de halfgeleiderindustrie, speelt automatisering een sleutelrol. (Afbeelding: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Automatisering speelt een sleutelrol in het voldoen aan de uitzonderlijke eisen en de hoge kosten druk in de halfgeleiderindustrie. (Afbeelding: © IM Imagery/stock.adobe.com)

De meerderheid van de grote equipment-fabrikanten in de halfgeleiderindustrie vertrouwt tegenwoordig op EtherCAT – een ontwikkeling van Beckhoff. (Afbeelding: © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

De I/O-modules van de EJ-serie worden rechtstreeks op printplaten gestoken en vervangen bij systemen voor seriematige productie de ingewikkeld ontwikkelde I/O-boards. (Afbeelding: © Beckhoff) / The EJ series I/O modules are plugged into circuit boards directly, thus replacing complicated I/O boards in systems for series production. (Picture: © Beckhoff)

Nieuwe technologieën zoals XPlanar maken innovatieve handlingprocessen mogelijk in de halfgeleiderproductie. (Afbeelding: © Beckhoff) / New technologies such as XPlanar enable innovative handling processes in semiconductor production. (Picture: © Beckhoff)

Omdat autonomie in de halfgeleiderproductie ook een steeds grotere rol speelt, worden bijvoorbeeld steeds vaker autonoom rijdende transportsystemen ingezet. (Afbeelding: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Autonome transportsystemen worden bijvoorbeeld steeds vaker gebruikt omdat autonomie ook een steeds grotere rol speelt in de halfgeleiderfabricage. (Afbeelding: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, Branchenmanagement Halbleiterindustrie, Beckhoff Automation. (Bild: © Beckhoff) / Marcel Ellwart, Semiconductor Industry Management, Beckhoff Automation. (Afbeelding: © Beckhoff)

In geen enkele andere industrietak is het proces zo complex als in de halfgeleiderproductie. Maar hoe slaagt deze sector erin om toenemende eisen te beantwoorden met innovatieve oplossingen? Met zijn automatiseringsaanbod toont Beckhoff aan dat moderne besturingsconcepten, flexibele communicatie-standaarden en precies afgestemde systemen de productie van halfgeleiders niet alleen efficiënter maken, maar ook toekomstbestendig.

Ongeveer 3.000 tot 8.000 halfgeleiderelementen worden in moderne elektrische auto’s verwerkt voor motormanagement, batterijbeheer en assistentiesystemen – een duidelijke stijging. Maar of het nu gaat om mobiliteit, communicatie, gezondheid, veiligheid, entertainment, energievoorziening of milieubescherming: halfgeleiders vormen de basis voor innovatie en vooruitgang in bijna alle levensgebieden. Als gevolg hiervan krijgt de halfgeleiderindustrie in onze samenleving een uitzonderlijke betekenis. Toch moet ook deze sector zich dezelfde uitdagingen stellen als andere industrieën: toenemende eisen aan kwaliteit, efficiëntie en productiviteit, terwijl de kosten onder druk staan. Om hierop te anticiperen, speelt automatisering – net als in andere sectoren – een sleutelrol in de halfgeleiderfabricage.

De productie in deze sector onderscheidt zich echter op twee manieren aanzienlijk van de rest van de industrie: ten eerste de vereiste precisie in de fabricage. Moderne processoren bevatten vaak meerdere miljarden transistors. Hiervoor moeten structuren met afstanden in het enkele nanometer-bereik op de wafers worden aangebracht. Dit leidt direct tot het tweede punt: een ongekend aantal verschillende productieprocessen die voor zulke fijne werkzaamheden nodig zijn. Tientallen processen moeten naadloos op elkaar aansluiten, veel ervan in cleanrooms. "Hoe verschillend de stappen van waferproductie via lithografie tot testen en verpakking ook zijn: allemaal vereisen ze een exacte regeling en ononderbroken bewaking," zegt Marcel Ellwart, branchemanager Halfgeleiderindustrie bij Beckhoff. "Daarnaast moeten de productie-installaties flexibel reageren op wisselende productvarianten en tegelijkertijd hoge doorvoersnelheden met maximale kwaliteit garanderen. Dit maakt het gebruik van moderne automatiseringstechnieken onmisbaar."

EtherCAT – de standaard voor de halfgeleiderindustrie

Met zijn brede en flexibel inzetbare portfolio kan Beckhoff als automatiseringsspecialist de veelzijdige processen en toepassingen in de halfgeleiderindustrie precies afstemmen. Een bijzondere rol hierbij speelt communicatie: "Met EtherCAT heeft Beckhoff een veldbusstandaard ontwikkeld die in de halfgeleiderfabricage al lang als leidend communicatieprotocol is gevestigd," benadrukt Marcel Ellwart. De meeste grote apparatuurfabrikanten gebruiken tegenwoordig EtherCAT. De doorslaggevende factoren voor het succes waren de consequente real-time mogelijkheid, evenals hoge flexibiliteit en schaalbaarheid. "Door de open architectuur en de brede acceptatie bij fabrikanten maakt EtherCAT een eenvoudige integratie van componenten en systemen mogelijk, van sensoren tot actuatoren en complexe besturingen," aldus de branchemanager.

Met PC-based Control biedt Beckhoff de halfgeleiderindustrie het passende besturingsconcept. Het dekt alle automatiseringsopdrachten af: van waferproductie via bewerking tot chipverpakking. Daarbij omvat de aanpak van Beckhoff niet alleen de PLC, maar ook HMI-verbinding, Motion Control, meettechniek of vision. Het softwareplatform TwinCAT 3 transformeert industriële pc’s in efficiënte real-time besturingssystemen voor alle engineering- en runtime-processen. Afgestemd op de vele verschillende behoeften in de halfgeleiderindustrie is de automatiseringssoftware modulair opgebouwd en uitbreidbaar met talrijke functies.

Bijzonder vakgebied – bijzondere meerwaarde

Met zijn portfolio biedt Beckhoff in de halfgeleidersector een krachtig antwoord op de eerder genoemde uitdagingen. Hierin bevinden zich enkele innovaties van het bedrijf uit Verl die bijzonder grote voordelen bieden voor de sector:

– De compacte EtherCAT-voetschakelaars van de EJ-serie vervangen geavanceerd ontwikkelde I/O-boards bij systemen voor seriematige productie. Ze worden direct op een signaalverdelingsbord geschoven en verdelen signalen of spanning naar op maat gemaakte connectoren. Dit bespaart tijd, kosten en ruimte. Bovendien wordt het risico op foutieve bedrading geëlimineerd. De EJ-modules bieden, net als klassieke EtherCAT-klemmen, een grote verscheidenheid aan signalen en volledig geïntegreerde Safety en Motion.
– Om de complexiteit van systemen te verminderen, integreert Beckhoff de aandrijvingsregeling van servo- en stappenmotoren direct in de I/O’s. In het 48 V-DC-segment maken EtherCAT-voetschakelaars, -servomotorklemmen of -boxmodules in combinatie met de motorserie AM8100 uiterst compacte servogangen mogelijk met hoge dynamiek en precisie. Voor het gebruik van verstellagen of aandrijvingen met servoversterkers direct aan de machine is een I/O-geïntegreerde regeling eveneens mogelijk.
– Ook op het gebied van meettechniek voldoet het portfolio van Beckhoff aan de eisen van de halfgeleiderindustrie: van seconden- tot kilohertz-bereik, van spanning- en stroommeting via trillingen tot krachtmeting. De high-end meetmodules van de ELM-serie zijn naadloos geïntegreerd in het EtherCAT-I/O-systeem en meten ook proceskritische meetkanalen betrouwbaar. Voor de analyse van de gegenereerde data biedt TwinCAT krachtige functies.
– Beckhoff Vision integreert real-time beeldverwerking voor waferproductie in nieuwe en bestaande besturingsomgevingen. Een scheiding tussen vision en automatiseringstechniek is overbodig. Tegelijkertijd bieden de vision-componenten een robuust ontwerp, hoge schaalbaarheid en lange termijn beschikbaarheid – van camera’s via lenzen en verlichting tot de software TwinCAT Vision.
– XPlanar revolutioneert de handling in de halfgeleiderindustrie. Het vlakmotoraandrijfsysteem transporteert werkstukken dynamisch, met de hoogste precisie en grote bewegingsvrijheid – zowel in één systeem als van machine naar machine. De movers zweven contactloos en onafhankelijk van elkaar over vooraf bepaalde routes. Producten kunnen elkaar inhalen, worden uitgesorteerd of gebufferd zonder dat dit de productie verstoort.
– Moderne KI-oplossingen bieden enorme potentie voor de halfgeleiderfabricage. Beckhoff heeft machine learning geïntegreerd in de besturingssoftware TwinCAT 3 en biedt daarmee een bouwdoos van hardware en software om KI-modellen direct in de PLC te integreren. Gebruikers krijgen een systeemopen workflow van dataverzameling via modeltraining tot uitvoering van getrainde modellen zonder lock-in-effect. Toepassingen waarvoor Beckhoff al KI aanbiedt, zijn onder andere anomaliedetectie voor Predictive Maintenance, beeldclassificatie in kwaliteitscontrole en tijdreeksanalyse ter verbetering van productieprocessen.

Succesverhalen uit de halfgeleiderindustrie van Beckhoff

Met zijn uitgebreide portfolio en diepgaande branchekennis heeft Beckhoff in de afgelopen jaren een indrukwekkend aantal toepassingen geautomatiseerd over de hele waardeketen van de halfgeleiderproductie. Hoe veelzijdig de oplossingen zijn, wordt geïllustreerd door de volgende voorbeelden, waarover het Beckhoff-klantenmagazine PC-Control al uitgebreid heeft bericht.

Kristalproductie: Het bedrijf Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) gebruikt voor de automatisering van hun enkele kristalovens een Beckhoff-oplossing, bestaande uit embedded-pc’s, TwinCAT 3 en EtherCAT-I/O-klemmen. Hiermee worden eerdere PLC- en temperatuurregelsystemen vervangen. Het biedt aanzienlijk meer flexibiliteit, schaalbaarheid en integratiemogelijkheden. De kern van de procesbesturing is de nauwkeurige temperatuurregeling, essentieel voor de kristalgroei, omdat deze de kwaliteit ervan waarborgt door consistente temperatuurregeling over lange tijdsperioden.

Ultrapure gassen: Applied Energy Systems (AES) heeft een nieuwe regelaar ontwikkeld voor de levering van ultrahoge zuiverheid gassen om te voldoen aan Industrie 4.0-eisen in de halfgeleiderfabricage. Naast een compacte panel-pc CP6606 van Beckhoff gebruikt het bedrijf de modulaire EJ-voetschakelmodules. Het ultracompacte systeem behoudt de bestaande behuizingsgrootte, maar biedt uitgebreide functies, OPC-UA- en cloud-interfaces, flexibele aanpassingsmogelijkheden en een 50% kortere installatietijd.

Chiphandling: Mühlbauer gebruikt in zijn uiterst precieze die-sorteermachines voor de eindproductie van halfgeleiders EJ-voetschakelmodules. Zo wordt de verwerking van 30.000 microchips per uur mogelijk gemaakt, met verbeterd waferhandling en minder bedrading. Vier speciaal ontwikkelde signaalverdelingsborden met in totaal 26 EtherCAT-voetschakelaars integreren digitale en analoge I/O’s, incrementele encoders, stappenmotormodules, evenals voedingslogica en servoversterkers voor keramische of piezomotoren.

Nieuwe materialen: Galliumoxide biedt groot potentieel voor de productie van nieuwe halfgeleidermaterialen. De ontwikkeling op de bestaande installaties werd echter beperkt door de beperkte flexibiliteit, betrouwbaarheid en hoge kosten. Het bedrijf Agnitron heeft op basis van PC-gebaseerde besturing een flexibele multifunctionele oplossing ontwikkeld die binnen enkele dagen kan worden omgeschakeld. EtherCAT zorgt voor een compacte, ruimtebesparende netwerkkoppeling van de vele thermokoppels en I/O’s, terwijl bestaande veldapparatuur eenvoudig kan worden geïntegreerd.

Advanced Packaging: Omdat de miniaturisering traditionele lithografische processen steeds meer op grenzen stuit, vertrouwt de startup Fonontech op een nieuwe aanpak. De Impulse Printing™-technologie gebruikt siliciumdrukplaten met ingebouwde micrometer-structuren en geïntegreerde verwarmingselementen. Het doel is een resolutie van 5 µm met minimale overlappingfouten. De gebruikte besturing maakt via PC-based Control, EtherCAT en de XFC-technologie (eXtreme Fast Control) een real-time synchronisatie en positionering mogelijk.

AI en Edge: het begin van een nieuw tijdperk

Niet in de laatste plaats onderstrepen deze voorbeelden dat de halfgeleiderproductie aan het begin staat van een nieuw tijdperk. "Automatiseringsoplossingen van Beckhoff bieden uitstekende voorwaarden om de nieuwe uitdagingen aan te gaan en intelligente productieprocessen te realiseren," vat Marcel Ellwart samen. De combinatie van PC-gebaseerde besturing, krachtige data-verwerking en real-time EtherCAT-communicatie maakt de integratie van AI-algoritmen voor procesoptimalisatie mogelijk. Edge-oplossingen maken decentrale data-analyse direct aan de machine mogelijk, waardoor de reactietijden worden verkort en de beschikbaarheid van de installaties wordt verhoogd. Dergelijke benaderingen banen de weg voor nog efficiëntere, flexibelere en duurzamere halfgeleiderproductie van de toekomst.