Precyzja i różnorodność procesów pod kontrol�

Aby sprostać wyjątkowym wymaganiom i wysokiemu naciskowi kosztowemu w przemyśle półprzewodnikowym, automatyzacja odgrywa kluczową rolę. (Zdjęcie: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Automatyzacja odgrywa kluczową rolę w sprostaniu niezwykłym wymaganiom i wysokiemu naciskowi kosztowemu w przemyśle półprzewodnikowym. (Zdjęcie: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Większość dużych producentów sprzętu w branży półprzewodników opiera się dziś na EtherCAT – opracowaniu firmy Beckhoff. (Zdjęcie: © Beckhoff) / The majority of major equipment manufacturers in the semiconductor industry today rely on EtherCAT – a development from Beckhoff. (Picture: © Beckhoff)

Moduły I/O serii EJ są bezpośrednio wkładane na płytki drukowane, zastępując w ten sposób skomplikowane moduły I/O w systemach do produkcji seryjnej. (Zdjęcie: © Beckhoff)

Nowe technologie, takie jak XPlanar, umożliwiają innowacyjne procesy obsługi w produkcji półprzewodników. (Zdjęcie: © Beckhoff)

Ponieważ w produkcji półprzewodników coraz większą rolę odgrywa autonomia, coraz częściej stosuje się na przykład bezzałogowe systemy transportowe. (Zdjęcie: © IM Imagery/stock.adobe.com) / Bezzałogowe systemy transportowe, na przykład, są coraz częściej wykorzystywane ze względu na fakt, że autonomia odgrywa coraz większą rolę również w produkcji półprzewodników. (Zdjęcie: © IM Imagery/stock.adobe.com)

Marcel Ellwart, Zarządzanie branżą przemysłu półprzewodników, Beckhoff Automation. (Zdjęcie: © Beckhoff) / Marcel Ellwart, Zarządzanie przemysłem półprzewodników, Beckhoff Automation. (Zdjęcie: © Beckhoff)

W żadnym innym sektorze przemysłowym procesy są tak skomplikowane jak w produkcji półprzewodników. Ale jak ta branża radzi sobie z rosnącymi wymaganiami, wdrażając innowacyjne rozwiązania? Dzięki swojej ofercie automatyzacji Beckhoff pokazuje, że nowoczesne koncepcje sterowania, elastyczne standardy komunikacji i precyzyjnie dopasowane systemy sprawiają, że produkcja półprzewodników jest nie tylko bardziej wydajna, ale także bezpieczna na przyszłość.

Obecnie w samochodach elektrycznych montuje się od około 3 000 do 8 000 elementów półprzewodnikowych do sterowania silnikiem, zarządzania baterią i systemów wspomagających – tendencja jest wyraźnie rosnąca. Niezależnie od tego, czy chodzi o mobilność, komunikację, zdrowie, bezpieczeństwo, rozrywkę, dostawy energii czy ochronę środowiska: półprzewodniki stanowią podstawę innowacji i postępu we wszystkich dziedzinach życia. W związku z tym przemysł półprzewodników odgrywa kluczową rolę w naszym społeczeństwie. Jednak branża musi stawiać czoła tym samym wyzwaniom co inne sektory: rosnącym wymaganiom dotyczącym jakości, wydajności i produktywności przy jednoczesnym wzroście presji kosztowej. Aby temu sprostać, automatyzacja odgrywa kluczową rolę w produkcji półprzewodników – tak samo jak w innych obszarach.

W dwóch aspektach produkcja w tej branży różni się jednak znacząco od reszty przemysłu: jednym jest wymagana precyzja w produkcji. Nowoczesne procesory zawierają często kilka miliardów tranzystorów. Aby to osiągnąć, struktury muszą być nanoszone na wafle z odległościami w zakresie nanometrów. To bezpośrednio prowadzi do drugiego punktu: niespotykanej liczby różnych etapów produkcji, które są niezbędne do takiej precyzji. Dziesiątki procesów muszą działać bez zakłóceń, a większość z nich w środowiskach czystych pomieszczeń. „Tak różne etapy od produkcji wafli, przez litografię, aż po testy i pakowanie: wszystkie wymagają precyzyjnego sterowania i nieprzerwanego monitorowania,” mówi Marcel Ellwart, menedżer branży w Beckhoff, dział przemysłu półprzewodników. „Ponadto, linie produkcyjne muszą być elastyczne, aby reagować na zmieniające się warianty produktów i zapewniać wysoką przepustowość przy maksymalnej jakości. To czyni zastosowanie nowoczesnej technologii automatyzacji nieodzownym.”

EtherCAT – standard dla przemysłu półprzewodników

Dzięki szerokiemu i elastycznemu portfolio Beckhoff jako automatyzator może dokładnie pokryć różnorodne procesy i zastosowania w przemyśle półprzewodników. Szczególne znaczenie ma tutaj komunikacja: „Z EtherCAT Beckhoff opracował standard fieldbus, który od dawna jest uznawany za wiodący protokół komunikacyjny w produkcji półprzewodników,” podkreśla Marcel Ellwart. Większość dużych producentów sprzętu korzysta dziś z EtherCAT. Kluczowe dla sukcesu były konsekwentna zdolność do pracy w czasie rzeczywistym oraz wysoka elastyczność i skalowalność. „Dzięki otwartej architekturze i szerokiemu przyjęciu przez producentów EtherCAT umożliwia bezproblemową integrację komponentów i systemów, od sensorów po aktuatory i zaawansowane sterowniki,” dodaje menedżer branży.

Beckhoff oferuje koncepcję sterowania opartą na PC, która odpowiada potrzebom przemysłu półprzewodników. Obejmuje ona wszystkie zadania automatyzacji: od produkcji wafli, przez obróbkę, aż po pakowanie chipów. Podejście Beckhoff obejmuje nie tylko PLC, ale także integrację HMI, kontrolę ruchu, technikę pomiarową czy wizję. Platforma programistyczna TwinCAT 3 zamienia przemysłowe komputery na wydajne systemy sterowania w czasie rzeczywistym dla wszystkich procesów inżynieryjnych i operacyjnych. Aby sprostać różnorodnym potrzebom branży półprzewodników, oprogramowanie automatyzacyjne jest modułowe i można je rozbudowywać o liczne funkcje.

Specjalistyczna branża – wyjątkowa wartość dodana

Portfolio Beckhoff oferuje w branży półprzewodników skuteczną odpowiedź na wyzwania wymienione na początku. Wśród nich znajdują się innowacje firmy z Verler, które przynoszą branży szczególnie wysokie korzyści:

– Kompaktowe moduły EtherCAT EJ-serii zastępują w urządzeniach do seryjnej produkcji skomplikowane płyty I/O. Są montowane bezpośrednio na tablicy rozdzielczej sygnałów i rozdzielają sygnały oraz zasilanie na specjalistyczne złącza. To oszczędza czas, koszty i miejsce. Dodatkowo eliminuje ryzyko błędnego podłączenia. Moduły EJ, podobnie jak klasyczne zaciski EtherCAT, oferują szeroki wybór sygnałów oraz w pełni zintegrowane funkcje bezpieczeństwa i ruchu.
– Aby zmniejszyć złożoność linii produkcyjnych, Beckhoff integruje sterowanie napędem serwo- i silników krokowych bezpośrednio w modułach I/O. W segmencie 48 V DC moduły EtherCAT, zaciski serwo- i moduły skrzynkowe w połączeniu z serią silników AM8100 umożliwiają bardzo kompaktowe osie serwo o wysokiej dynamice i precyzji. Dla obsługi osi regulacyjnych lub napędów z wzmacniaczami serwo bezpośrednio na maszynie możliwa jest również zintegrowana kontrola I/O.
– Również w zakresie techniki pomiarowej portfolio Beckhoff spełnia wymagania przemysłu półprzewodników: od taktowania sekundowego po kHz, od pomiaru napięcia i prądu, przez drgania, aż po pomiar siły. Moduły pomiarowe klasy high-end serii ELM są bezproblemowo zintegrowane z systemem I/O EtherCAT i niezawodnie rejestrują krytyczne kanały pomiarowe. Do analizy danych TwinCAT oferuje potężne funkcje.
– Vision firmy Beckhoff integruje przetwarzanie obrazów w czasie rzeczywistym dla produkcji wafli w nowych i istniejących środowiskach sterowania. Nie ma potrzeby rozdzielania wizji od automatyki. Jednocześnie komponenty wizji charakteryzują się solidną konstrukcją, wysoką skalowalnością i długoterminową dostępnością – od kamer, przez optyki i oświetlenie, po oprogramowanie TwinCAT Vision.
– XPlanar rewolucjonizuje obsługę w przemyśle półprzewodników. Ponieważ napęd płaskich silników transportuje elementy dynamicznie, z najwyższą precyzją i dużą swobodą ruchu – zarówno w jednym systemie, jak i między maszynami. Ruchome elementy unoszą się bezkontaktowo i niezależnie od siebie, poruszając się po indywidualnie wyznaczonych trasach. Produkty mogą wyprzedzać się, być wyprowadzane lub buforowane, bez zakłócania ciągu produkcyjnego.
– Nowoczesne rozwiązania AI oferują ogromny potencjał dla produkcji półprzewodników. Beckhoff zintegrował uczenie maszynowe z oprogramowaniem sterującym TwinCAT 3, tworząc zestaw narzędzi sprzętowych i programowych do bezpośredniej integracji modeli AI w sterowniku PLC. Użytkownicy mają dostęp do otwartego przepływu pracy od zbierania danych, przez szkolenie modeli, po ich uruchomienie, bez efektu lock-in. Przykłady zastosowań, dla których Beckhoff już dziś oferuje AI, to wykrywanie anomalii dla predykcyjnej konserwacji, klasyfikacja obrazów w kontroli jakości czy analiza szeregów czasowych w celu poprawy procesów produkcyjnych.

Sukcesy Beckhoff w branży półprzewodników

Dzięki szerokiemu portfolio i głębokiej wiedzy branżowej Beckhoff w ostatnich latach zautomatyzował imponującą liczbę zastosowań w całym łańcuchu wartości produkcji półprzewodników. Jak wszechstronne są te rozwiązania, ilustrują poniższe przykłady, o których szczegółowo informowało czasopismo klienta Beckhoff PC-Control.

Produkcja kryształów: Firma Jingsheng Mechanical & Electrical (JSG) korzysta z rozwiązania Beckhoff do automatyzacji swoich pieców do monokryształów, składającego się z komputerów wbudowanych, TwinCAT 3 i zacisków EtherCAT. Zastępuje wcześniejsze systemy sterowania PLC i temperatury. Zapewnia to znacznie większą elastyczność, skalowalność i możliwości integracji. Kluczowym elementem procesu jest precyzyjne sterowanie temperaturą, które jest niezbędne do hodowli monokryształów, zapewniając jakość poprzez równomierne prowadzenie temperatury na przestrzeni długiego czasu.

Gazy wysokiej czystości: Applied Energy Systems (AES) opracowało nowy regulator do dostarczania ultraczystych gazów, spełniający wymagania Industry 4.0 w produkcji półprzewodników. Oprócz kompaktowego panelu PC CP6606 firmy Beckhoff, firma korzysta z modułów I/O EJ-serii. Ten ultrakompaktowy system zachowuje dotychczasowy rozmiar obudowy, ale oferuje rozszerzone funkcje, interfejsy OPC-UA i chmury, elastyczne możliwości dostosowania oraz o 50% krótszy czas instalacji.

Obsługa chipów: Mühlbauer również korzysta w swoich wysokoprecyzyjnych maszynach do sortowania die do produkcji końcowej półprzewodników z modułów EJ. Umożliwia to przetwarzanie 30 000 mikrochipów na godzinę przy lepszej obsłudze wafli i zmniejszonym nakładzie okablowania. Cztery specjalnie opracowane tablice rozdzielcze sygnałów z 26 modułami EtherCAT integrują cyfrowe i analogowe I/O, inkrementalne enkodery, moduły krokowe oraz logikę zasilania i wzmacniacze serwo dla silników ceramicznych i piezo.

Nowe materiały: Glin oksydowy oferuje duży potencjał do produkcji nowych materiałów półprzewodnikowych. Rozwój na dotychczasowych urządzeniach był ograniczony przez ograniczoną elastyczność, niezawodność i wysokie koszty. Firma Agnitron opracowała na bazie sterowania PC uniwersalne, elastyczne rozwiązanie, które można zmienić w ciągu kilku dni. EtherCAT zapewnia kompaktową, oszczędzającą miejsce sieć dla licznych termopar i I/O, przy jednoczesnej łatwej integracji istniejących urządzeń polowych.

Zaawansowane pakowanie: Ponieważ miniaturyzacja coraz bardziej ogranicza tradycyjne metody litograficzne, startup Fonontech stawia na nową koncepcję. Technologia Impulse Printing™ wykorzystuje płytki z krzemowymi strukturami mikrometrycznymi i zintegrowanymi strukturami grzewczymi. Celem jest rozdzielczość 5 µm przy minimalnych błędach nakładania. Sterowanie umożliwia synchronizację i pozycjonowanie w czasie rzeczywistym za pomocą PC-based Control, EtherCAT i technologii XFC (eXtreme Fast Control).

AI i Edge – początek nowej ery

Nie bez powodu te przykłady zastosowań podkreślają: produkcja półprzewodników wchodzi w nową erę. „Rozwiązania automatyzacyjne Beckhoff zapewniają doskonałe warunki do sprostania nowym wyzwaniom i realizacji inteligentnych procesów produkcyjnych,” podsumowuje Marcel Ellwart. Połączenie sterowania opartego na PC, wydajnej analizy danych i komunikacji EtherCAT w czasie rzeczywistym umożliwia integrację algorytmów AI w celu optymalizacji procesów. Rozwiązania Edge pozwalają na zdecentralizowaną analizę danych bezpośrednio przy maszynie, co skraca czas reakcji i zwiększa dostępność urządzeń. Takie podejścia torują drogę do jeszcze bardziej wydajnej, elastycznej i zrównoważonej produkcji półprzewodników w przyszłości.