Hur SCARA, Six-Axis och Cartesian Pick-And-Place Robotics optimerar och effektiviserar tillverkningsprocesser för elektronik

Inledning

Enligt vissa uppskattningar är användningen av robotteknik inom elektroniktillverkningen nu lika stor som inom fordonsindustrin. Det är inte så konstigt; Tillverkade kretsar, komponenter och färdigmonterad elektronik har ett högt värde vilket motiverar investeringar i automatiserade teknologier. Det hela kompliceras av att volymerna och därmed genomströmningen måste vara hög samt att produkterna dessutom är känsliga till sin natur ... halvledarplattorna för vissa tillämpningar är nu bara 140 µm tjocka. Parametrarna för tillämpningarna kräver hantering med precision för rörelsesystem och robotteknik som har enastående räckvidd, hastighet, kraft och fingerfärdighet samt att de uppfyller kraven för renrum.

Figur 1: Här placeras en ömtålig platta i en maskin för applicering av ett lager av atomer vilken i sin tur är placerad i ett renrum. (Bildkälla: Dreamstime)

Införandet av robotteknik i halvledartillverkningen påskyndas av den växande kategorin av robotar med sex axlar, SCARA (selective compliance assembly robot arms), kartesiska maskiner samt samarbetande robotar med hårdvara som kan konfigureras om eller som är modulära med enhetlig programvara som kraftigt förenklar implementeringen.

Robotarna och deras tilläggsutrustning måste vara konstruerade, klassade och installerade för renrumsmiljöer, annars riskerar de att kontaminera känsliga plattor med föroreningar. Kraven definieras i ISO 14644-1:2015 som klassificerar renheten i renrumsluften utifrån partikelkoncentrationen. Så det finns ett särskilt stort beroende av:

• Exakta metoder för integration, förpackning, leverans och installation för att förhindra att partiklar hamnar i renrummet
• Speciella beläggningar som inte flagnar eller på annat sätt bryts ned
• Kapslingar och andra delar av rostfritt stål där så är möjligt
• Speciella inerta och icke gasbildande smörjmedel för mekaniska komponenter
• Vakuumelement inuti robotkroppen för att leda alla partiklar till ett separat utsugningsområde
• Specialförsegling av alla robotleder

Det senare är särskilt viktigt för robotar med hög hastighet som tillgodoser behovet av hög genomströmning i halvledare men som släpper ut fler partiklar än den utrustning som rör sig långsammare.

Figur 2: Användningen av robotteknik och annan automation för produktion av mikroelektronik sträcker sig bortom renrummet. (Bildkälla: Dreamstime)

Sammanfattning över var varje robotteknik utmärker sig

Även om det finns många överlappande tillämpningar är robotar med sex axlar mest förknippade med montering av elektroniska enheter. SCARA manövrerar elektroniska komponenter med en räckvidd på 360° för att utföra plock- och placering och bearbetning av plattor snabbare och ofta mer exakt än andra alternativ. Kartesiska robotar förknippas däremot ofta med testning av halvledare och emballering samt bearbetning av elektroniska produkter i stor skala. Å andra sidan används samarbetande robotar (cobots) för att överbrygga mycket skyddade zoner av renrum till delar av renrummen som kan passeras av anläggningspersonal. Cobotar används också alltmer för lödning och andra uppgifter som tidigare nästan uteslutande genomfördes manuellt.

Bild 3: Här visas automatiserad lödning av komponenter på ett kretskort. (Bildkälla: Dreamstime)

Även om det ligger utanför ramen för den här artikeln så ser man också en ökad användning av parallell-kinematiska konstruktioner som kallas deltarobotar - särskilt vid montering av elektroniska produkter. Oavsett om de arbetar ensamma, i par eller är installerade som komplement till SCARA i en arbetscell tillhandahåller deltarobotar exceptionellt snabba och dynamiska plocknings- och packningsfunktioner vid halvledartillverkning. Läs mer om dessa tillämpningar med deltarobotar i halvledarindustrin i artikeln ”Hur deltarobotar optimerar och strömlinjeformar processer vid elektroniktillverkning” på digikey.com. I själva verket ger kinematiken deltaroboten dess noggrannhet och repeterbarhet vilken lämpar sig för montering av solcellselektronik.

Robottekniken förlitar sig på de avslutande verktygen för produktivitet

Avancerade renrumsklassade robotverktyg (EoAT eller end effectors) som t.ex. gripdon är centrala för produktionen av halvledare. Robotverktygen måste ha kraftfull dynamik och förmågan att utföra spårning, placering och montering med exakt precision. I vissa fall ökar kraftåterkoppling eller maskinseende noggrannheten med robotverktygen i detaljhanteringen genom att ge adaptiva funktioner - så att rutiner med att plocka och placera utförs snabbt även om det till exempel finns vissa variationer för arbetsstyckenas placering. Sådana framsteg inom givare och återkoppling kan ibland göra de komplicerade anordningarna för elektronikhantering i äldre lösningar onödiga.

Figur 4: EGK-gripverktyg för små komponenter smörjs med H1-fett och är certifierade för renrum. (Bildkälla: SCHUNK Intec Inc.)

Figur 5: Kontraktstillverkning av elektronik använder sig flitigt av robotteknik för testning av kretskort. (Bildkälla: Dreamstime)

Tänk på hur arbetsceller som betjänas av robotar med sex axlar ofta utför två eller flera uppgifter som t.ex. generell hantering av arbetsstycken, drift av transportband och andra maskiner, maskinbearbetning, montering och packning. På samma sätt utförs appliceringen av material för inkapsling, vibrationsdämpning, skärmning, vidhäftning och tätning ofta i en arbetscell bestående av en robot med sex axlar. Robotverktyg kompletteras med automatiserade verktygsväxlare som möjliggör att flera saker kan göras samtidigt så att varje arbetscell utnyttjas maximalt; Bytet av verktyg är vanligtvis snabbt för att uppfylla halvledarindustrins krav på hög genomströmning. En robot kan t.ex. använda ett verktyg för att plocka och placera föremål i en fixtur. Sedan (efter ett snabbt byte av verktyg) kan den applicera lim och pressa ihop de passande halvorna för en kapsling till en slutprodukt. Ett tredje verktyg kan lasta färdiga artiklar på ett utgående transportband eller i en låda.

Bild 6: Avslutande verktyg för robotar kan ha formen av lödkolvsspetsar för att automatisera monteringen av delkomponenter på kretskort. (Bildkälla: Dreamstime)

SCARA-robotar inom elektroniktillverkning

I årtionden har SCARA varit guldstandarden för bearbetning, hantering och montering av halvledarplattor, inklusive:

• Applicering och etsning
• Termisk bearbetning
• Bearbetning med riktmedel
• Montering av kretskort
• Testning och metrologi

SCARA erbjuder trots allt höga hastigheter över hela sin cylindriskt formade räckvidd på 360° - och kan ofta utföra uppgifter med plock och placering mycket snabbare (och ibland mer exakt) än jämförbara robotar med sex axlar och kartesiska lösningar. Mer specifikt levererar vissa branschtypiska SCARA-robotar repeterbarhet inom ±20 μm på linjära frihetsgrader (DOF) och ±0,01° på vinkelaxeln - samt alternativ för direktdrivning för smidig transport av tunna och relativt spröda plattor. Medan nyttolaster kan begränsas till 10 kg eller mindre för många SCARA-robotar är det sällan ett problem i halvledartillämpningar - men det är definitivt ett övervägande för det relaterade området för produktion av solpaneler.

Bild 7: SCARA-robotar utför uppgifter såsom plock och placering för snabb och exakt hantering och bearbetning av plattor. (Bildkälla: Dreamstime)

SCARA passar bra ihop med transportband som används i bearbetningsstationer för halvledare samt karuseller till plattor (även kallade roterande bord) som är utformade för att underlätta addering av komponenter eller funktioner på flera kretskort åt gången.

Robotteknik med sex axlar vid elektroniktillverkning

Ledade robotar inom industrin har flera roterande leder för att manipulera objekt inom 2 till 10 frihetsgrader (DOF). Robot med sex axlar är den robot som är allra vanligast bland ledade dito. Halvledarprocesser som kräver renrumsmiljöer drar nytta av robotar med sex axlar som är lämpligt klassade samt kompakta för att förbruka mindre ström och mindre yta i det förstklassiga renrummet. Det finns många olika varianter för att leverera den hastighet och noggrannhet som krävs för hantering och montering med hög genomströmning. Servomotorerna som driver robotarnas leder liknar dem som finns i andra robottyper, men robotar med sex axlar är mycket mer benägna att kombinera dessa motorer med töjningsvåg eller kugghjulsutväxling.

Precis som SCARA-robotar passar robotar med sex axlar också bra ihop med transportband som används i bearbetningsstationer för halvledare.

Figur 8: Denna ledade robot med sex axlar finns tillgänglig som renrumsmodell med ISO 5 (klass 100). (Bildkälla: Denso Robotics)

Styrkan hos robotar med sex axlar är främst deras fingerfärdighet och stora arbetsvolym för en given storlek på länkageuppsättning - oavsett om den är installerad på en golvbas eller inverterad från taket. En arm med sex axlar som är 600 mm hög när den är hopfälld kan till exempel nå 650 mm i alla riktningar med möjlighet att snabbt och samtidigt röra varje led 120° till 360° för smidig förflyttning av elektroniska nyttolaster på några gram till flera kilogram eller mer. Absoluta kodare i varje led och nätverk baserat på Ethernet tillhandahåller rörelsefeedback och anslutningsmöjligheter för PLC, PC eller dedikerade robotstyrningar samt adaptiv programvara för att både styra och förbättra processer över tid. Styrningarna inkluderar integration av sofistikerade avslutande verktyg - till exempel gripdon för säker hantering av små och ömtåliga elektronikkomponenter.

Robotar med sex axlar är utmärkta för driftunderhåll av maskiner och förpackning av elektronikprodukter. Utöver själva monteringen av korten kan robotarna fästa elektroniken i slutprodukternas metall- eller plasthöljen och även göra nödvändiga elektriska anslutningarna. Vissa robotar med sex axlar kan även utföra montering, packning och palletering av färdiga elektronikprodukter.

Kartesisk robotteknik inom elektroniktillverkning

Kartesiska robotar - de som baseras på modulära staplar av linjära axlar - hjälper verksamheten att uppfylla halvledarindustrins behov av att upprätthålla renrumsförhållanden för många processer. Nästan obegränsad skalbarhet innebär att rörelserna kan täcka allt från några centimeter till mer än 30 meter. Repeterbarheten hos kartesiska robotar kan hålla sig inom ±10 μm på linjära frihetsgrader med jämförbar vinkelrepeterbarhet för avslutande verktyg samt roterande till linjära- och direktdrivna alternativ för särskilt smidig transport av plattor. Hastigheter på upp till sex meter per sekund är vanliga.

Figur 9: Kartesiska robotar utför helautomatiska tillverkningsuppgifter för halvledare. Notera de linjära motorerna som ger direktdrivning med hög precision på den kritiska axeln. (Bildkälla: Dreamstime)

Kartesiska maskiner utför vanligtvis dedikerade automatiseringsuppgifter eftersom deras kinematik tenderar att vara mindre flexibel och inte lika lätt kan konfigureras om som hos andra robottekniker. Precisionen är dock exceptionell ... särskilt när styrningarna använder sig av återkoppling och genererar kommandon med millisekundsnabba responser. Rörelser likt dessa är viktiga för automatiserad korttillverkning, trimning och ytpolering samt omfattande monteringsrutiner.

Stationer med kartesisk robotteknik är också förstahandsvalet för elektronik i stora format som t.ex. plattskärmar och solpaneler.

Exempel på specifik tillämpning med kartesisk robotteknik

Överväg kartesisk robotteknik vid maximalt automatiserad tillverkning och montering av kretskort (PCB). Kartesiska robotar manövrerar antingen avslutande verktyg över mönsterkorten eller har formen av kartesiska bord som flyttar mönsterkort inom räckvidden för fast bearbetningsutrustning. Sådana bord kan flytta kretskort genom exempelvis litografiutrustning för att trycka kopparkretsar på ett icke ledande kiselsubstrat. Efter den första utskriftsprocessen av kretskort etsas koppar som inte ingår i konstruktionskretsarna bort kemiskt. Icke ledande lödmasker isolerar intilliggande spår och komponenter.

Figur 10: Kartesiska robotar kan utrustas med utrustning för bildåtergivning (t.ex. denna värmekamera) för termografering av mönsterkort som tillverkats med laserassisterad teknik för sammanfogning. (Bildkälla: Teledyne FLIR)

I många monteringssteg för kretskort accepterar kartesiska robotar elektroniska delkomponenter på rullband eller lådband som matas in i arbetscellen. (Robotens huvud för plock och placering är utformat för att greppa och placera en mängd av dessa delkomponenter). Robotarna kontrollerar varje delkomponents värde och polaritet och monterar och löder därefter fast delkomponenterna i genomgående hål eller på ytmonterade fästpunkter (SMT). Ledarna för delkomponenterna förs in i kortets hål, trimmas och kläms fast och löds sedan fast på kortets baksida för bästa mekaniska hållfasthet (även om det kräver mer komplicerade monteringsrutiner). Däremot accepterar delkomponenter med ytmonterade fästpunkter maximalt automatiserade set- och lödrutiner för stora volymer ... så de dominerar nu många mönsterkortskonstruktioner. Genomgående hålmontering är dock fortfarande vanligast för att fästa stora kondensatorer, transformatorer och kontakter på kretskort.

Figurerna 11a och 11b: Här visas verktygshuvuden för fastsättning av ytmonterade komponenter (SMT) på ett kretskort. (Bildkälla: Dreamstime)

För ytmonterade komponenter appliceras lodpasta på kretskortet innan komponenterna monteras. Vid omsmältningslödning används sedan varmluft för att smälta lodpastan så att anslutningar för de ytmonterade komponenterna bildas. Våglödning är vanligare för komponenter med genomgående hål och innebär att kortet förs över en stående våg som bildas på ytan av en skål med smält lödtenn. Sådana maskiner är kostsamma och lämpar sig bäst för tillverkning av mycket stora volymer.

Figur 12: Återkoppling från maskinseende ligger ofta till grund för reaktioner från det kartesiska systemet. Med kraftfull inbyggd processorkraft, avancerade algoritmer och en FPGA kan smarta kameror från HAWK (inklusive modellen som visas här) uppnå händelserespons i realtid för kodavläsning, verifiering, inspektion och styrning av 4 000 till 14 000 delar per minut. I själva verket är denna kamera en lösning mellan komplexa kameror baserade på PC och enkla smarta industrikameror. (Bildkälla: Omron Automation and Safety)

Typiska motorer och drivenheter för kartesisk robotteknik

Kartesiska robotar använder många av samma typer av servomotorer, precisionsväxlar och elektromekaniska drivenheter som andra robotlösningar. Ett förbehåll är att stegmotorerna i vissa kartesiska konstruktioner som transporterar halvledare under produktionen inte bör förväxlas med så kallade steg- och repetera-kameror - ibland helt enkelt kallade steppers. De senare är nödvändiga för processer med fotolitografi vid tillverkning av kretsar.

Precis som att SCARA-robotar, och särskilt robotar med sex axlar, har ökat användningen av direktdrivna moment motorer, har kartesiska robotar (i konstruktioner för halvledarindustrin) ökat användningen av linjära motorer under de senaste åren. En mängd olika standardiserade och egenutvecklade motorspolar, miniatyrändlägen, piezobaserade justeringsmoduler, vakuum- och renrumsklassade delsystem, linjärlager, styrningar och andra innovationer kompletterar dessa direktdrivningar för att hjälpa kartesiska system att producera mycket fina och mycket snabba rörelser.

Samarbetande robotteknik inom elektroniktillverkning

Samarbetande robotar (cobots) har under det senaste decenniet blivit allt vanligare inom halvledarindustrin. Mer information om detta finns i DigiKey.com-bloggen ”Enkel automation med samarbetande robotar från Omron TM”. Inom halvledartillverkning kan cobotar från Omron och andra tillverkare förhindra den extremt kostsamma kontamineringen av plattor genom att överbrygga arbetszonerna för plattorna och de som underhålls av renrumspersonal. Installationer med cobotar i halvledarproduktion förhindrar också partikel- och smörjmedelsföroreningar samtidigt som de kompletterar manuella arbetsmoment för placering och lödning.

Figur 13: Cobotarna i HCR-5-serien uppfyller specifikationerna för renrum enligt ISO-2. (Bildkälla: Hanwha Corp./Momentum)

Bild 14: Samarbetande robotar (cobots) från KUKA är centrala i utformningen av detta renrum för Infineons process av plattor i enlighet med ISO3. (Bildkälla: KUKA)

Bild 15: Cobotar från KUKA i detta renrum från Infineon har integrerats, installerats i nätverket och programmerats av experter på mekatronik och automation. (Bildkälla: KUKA)

Cobotar inom halvledar- och elektronikindustrin måste inneha en hastighet över genomsnittet kompletterad med avancerad dynamik och styrning för att förhindra att tunna och därmed ömtåliga plattor skakas. Annars kan små sprickor bildas. Naturligtvis är risken för skador mycket mindre med korrekt specificerade cobotar än med mänskligt arbete.

Automatiserad lödning med cobotar är också lämpligt när komponenter monteras på särskilt tunna kort och där effekterna av termiska expansionen för kisel är ett problem. När cobotar är avsedda att utföra denna och andra monteringsuppgifter är det ofta logiskt att integrera termografi eller annan utrustning för inspektion av kretskort i det avslutande verktyget. Det påskyndar arbetet för högre avkastning och kvalitetssäkring ... ofta till en relativt låg kostnad.

Sammanfattning

Industriell robotteknik kan erbjuda prisvärd och flexibel automatisering av halvledar- och elektronikproduktion. De tekniska utmaningarna är behovet av att uppfylla kraven för renrum, hög genomströmning och noggrann hantering av extremt dyra arbetsstycken. Trots detta har dagens hårdvara för robotteknik samt programvara och programmering för robotsimulering förenklat dimensionering och val av robotlösningar för renrum.

Det hela kompliceras av att allt finare detaljer på allt mindre elektronik kräver att monteringsprocesser för robottekniken följer efter. Robottekniken har tagit sig an denna utmaning med motorer, mekaniska kopplingar, styrningar och nätverk som möjliggör allt mer avancerade funktioner. Kompletterande teknik som t.ex. maskinseende och industriella nätverk i realtid har också gett nya möjligheter inom robottekniken för hantering, bearbetning och montering av stora volymer halvledarproduktion.