Precyzyjne pozycjonowanie wafli za pomocą mikrometru do powlekania PECVD

Robot obsługowy wspomagany wizją komputerową został zamontowany na suficie strefy załadunku systemu powlekania ze względu na ograniczoną przestrzeń i ma zasięg 1000 mm. (Źródło zdjęcia: AZUR SPACE Solar Power) / Ze względu na ograniczoną przestrzeń dostępnej, robot został zamontowany na suficie strefy załadunku systemu powlekania i ma zasięg 1000 milimetrów. (Zdjęcie: AZUR SPACE Solar Power)

Płaski system chwytania próżniowego, który można szybko wymienić w zależności od rozmiaru wafli, utrzymuje określoną dokładność pozycjonowania wynoszącą +/- 0,1 mm podczas ładowania transporterów elementów roboczych. (Źródło zdjęcia: AZUR SPACE Solar Power) / The flat vacuum gripping system, which can be quickly exchanged for the different sized wafers, maintains the specified positioning accuracy of +/- 0.1 mm when loading the workpiece carriers. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

System kamer umieszczony nad podświetlanym stołem wyrównującym wykrywa dokładną pozycję wafla i przekazuje te informacje do oprogramowania. Na podstawie tego obliczana jest korekta położenia i kąta, która jest konieczna do umieszczenia wafla w gnieździe noszącym. (Źródło obrazu: AZUR SPACE Solar Power) / The camera system located above the backlit alignment table detects the exact position of the wafer and sends this information to the software. Based on this, the software calculates the position and angle of compensation required to insert the wafer into the carrier nest. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Do obrotu dwustronnie powlekanych ogniw słonecznych zintegrowano stację odwracania w systemie obsługi. (Źródło zdjęcia: AZUR SPACE Solar Power) / For turning the solar cells so that they can be coated on both sides there is a flipping station integrated. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Przed umieszczeniem pokrytych ogniw słonecznych z powrotem w kasetach system kamer sprawdza, czy krawędzie wafli są wolne od uszkodzeń. (Źródło obrazu: AZUR SPACE Solar Power) / Before the coated solar cells are placed back into the cassettes the camera system checks whether the edges of the wafers are free of damage. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Automatyzacja procesu załadunku i rozładunku podajnika płytek z różnymi rozmiarami wafli przed powłoką PECVD opracowana przez acp systems dla wiodącego producenta technologii słonecznej w przestrzeni kosmicznej. Rozwiązanie to oparte na wizji maszynowej i robotyce zapewnia, że dokładność pozycjonowania w gniazdach podajnika płytek jest utrzymywana na poziomie +/- 0,1 mm, a jednocześnie kompensuje tolerancje produkcyjne podajników oraz ich kurczenie się podczas załadunku spowodowane chłodzeniem.

Firma AZUR SPACE Solar Power GmbH z siedzibą w Heilbronn należy do światowych liderów w rozwoju i produkcji wysokoefektywnych wielokrotnych ogniw słonecznych do zastosowań w przestrzeni kosmicznej oraz naziemnych systemów koncentracyjnych (CPV). Ogniwa słoneczne opierają się na najnowszej technologii potrójnych i poczwórnych junctionów, w której warstwy są budowane na podłożu germanowym.

Automatyzacja procesu załadunku i rozładunku z wyzwaniami

Podczas procesu produkcji wafle o średnicach 4-, 6- i 8-calowych (100, 150 i 200 mm) przechodzą między innymi proces PECVD (Plasma-enhanced Chemical Vapour Deposition – plazmowo wspomagana chemiczna osadzanie parowe) w urządzeniach firmy Singulus Technologies AG. Ogniwa słoneczne są przygotowywane w kasetach, wyjmowane i umieszczane w specjalnych kieszeniach podajników z włókna węglowego, które są o kilka setek mikrometrów większe. W zależności od rozmiaru ogniwa, podajniki o wymiarach 1000 x 600 mm mogą pomieścić cztery, dziewięć lub 16 wafli. Aby uniknąć uszkodzeń, podczas załadunku podajników wymagana jest stabilna dokładność pozycjonowania na poziomie +/- 0,1 mm. Po jednostronnym lub dwustronnym pokryciu ogniwa słoneczne są ponownie umieszczane w kasetach.

Dotychczasowa ręczna praca, wykonywana czasochłonnie i kosztownie za pomocą ssących pipet, miała zostać zautomatyzowana przez AZUR SPACE. Wyzwania pojawiają się przy pozycjonowaniu wafli z płaskimi powierzchniami w kasetach z odchyleniami +/- 5 stopni i +/- 3 mm oraz przy precyzyjnych pozycjach chwytania. Ponadto konieczne jest wyrównanie tolerancji produkcyjnych podajników oraz kompensacja kurczenia się spowodowanego chłodzeniem. Kurczenie to wynika z obniżającej się temperatury podajników, które wychodzą z procesu powlekania w temperaturze do 350 °C i podczas rozładunku oraz załadunku chłodzą się.

Dokładność pozycjonowania zapewniona przez stół wyrównujący z podświetleniem i wizję maszynową

W celu rozwiązania tego zadania specjalista ds. automatyzacji acp systems AG opracował inteligentne rozwiązanie do obsługi z wizją maszynową, z użyciem robota przemysłowego. Ze względu na ograniczenia przestrzenne, robot został zamontowany na suficie strefy załadunku w urządzeniu powlekającym i ma zasięg 1000 mm. Wyposażony jest w specjalny płaski chwytak próżniowy, który można szybko wymieniać w zależności od rozmiaru wafla.

Robot pobiera wafle z kasety i kładzie je na podświetlanym stole wyrównującym. Nad nim znajduje się system kamer z kamerą 12-megapikselową w odległości roboczej 680 mm. Kamera ta rozpoznaje dokładną pozycję wafla i przekazuje te informacje do oprogramowania Cognex Vision Pro. Na tej podstawie obliczana jest korekta położenia i kąta, które muszą zostać zastosowane, aby wafel został poprawnie umieszczony w gnieździe podajnika, i przekazywana jest do sterowania robotem. Ewentualne zniekształcenia systemu kamerowego zostały zniwelowane podczas uruchomienia poprzez kalibrację za pomocą „Checker Plate”.

Aby móc kontrolować tolerancje produkcyjne podajników i kompensować kurczenie się podczas chłodzenia, najpierw centrowano podajniki poprzez przesuwanie ich względem ogranicznika i indeksowanie. Pozwala to na powtarzalne ustalanie punktu zerowego współrzędnych wszystkich podajników w systemie obsługi. Ponadto, aby wyrównać tolerancje produkcyjne, wszystkie podajniki zostały dokładnie zmierzone w stanie zimnym i oznaczone kodem Data Matrix, który zawiera dane istotne dla obliczenia kompensacji tolerancji położenia gniazd podajników w sterowaniu.

Aby zniwelować termiczne kurczenie się podajników spowodowane chłodzeniem, najpierw zamontowano znacznik dopasowania w rogu podajnika naprzeciwko punktu zerowego współrzędnych, który również został dokładnie zmierzony w stanie zimnym. Nad nim znajduje się drugi system kamer, który wykrywa przesunięcie znacznika względem stanu zimnego. Oprogramowanie na podstawie tych danych oblicza korektę dla precyzyjnego pozycjonowania wafla. Proces ten powtarza się dla każdego wafla, który ma być włożony.

Stacja obrotowa do obracania wafli

W celu obrócenia ogniw słonecznych, które są powlekane z obu stron, acp systems zintegrowało stację obrotową. Odbiera ona pojedyncze wafle od robota i chwyta je w wyznaczonych miejscach za pomocą punktów ssących z próżnią. Po obróceniu o 180 stopni, robot ponownie przejmuje wafla i transportuje go do stołu wyrównującego.

Zintegrowana kontrola jakości

Przed ponownym umieszczeniem powlekanych ogniw słonecznych w kasetach, końcową kontrolę jakości przeprowadza system kamer na stole wyrównującym. Sprawdza się, czy krawędzie wafli są wolne od uszkodzeń.

Opisana wyżej wizję maszynowa i rozwiązanie robotyczne zapewniają wysoką precyzję i delikatne obchodzenie się z bardzo wrażliwymi waflami słonecznymi. Widać to szczególnie po tym, że od uruchomienia nie doszło do żadnych uszkodzeń wafli podczas obsługi. Ogólnie, zastąpienie ręcznej obsługi pełną automatyzacją znacząco poprawiło wydajność i opłacalność produkcji.