כיצד רובוטים SCARA‏, שישה-צירים וקרטזיים Pick-And-Place ממטבים ומפשטים תהליכי ייצור אלקטרוניקה

מבוא

לפי הערכות מסוימות, השימוש ברובוטיקה בייצור אלקטרוניקה מתחרה כיום בזה של תעשיית הרכב. אין זה פלא: שבבים ורכיבים מיוצרים ואלקטרוניקה מורכבת במלואה הם בעלי ערך גבוה, כך שהם מצדיקים השקעות בטכנולוגיות אוטומציה. מה שמסבך את העניינים הוא שהנפחים ולכן התפוקה חייבים להיות גבוהים, והמוצרים הם גם עדינים מטבעם … עם פרוסות סיליקון עבור יישומים מסוימים כעת בעלות עובי של 140‎ µm‏ בלבד. פרמטרים של יישום אלה דורשים טיפול מדויק עם מערכות תנועה ורובוטיקה בעלות טווח גישה, מהירות, כוח ומיומנות יוצאים מן הכלל‏, כמו גם תאימות חדר-נקי.

איור 1‏: כאן, פרוסת סיליקון עדינה ממוקמת במכונת שיקוע שכבה אטומית הממוקמת בתוך חדר-נקי (מקור תמונה: Dreamstime‏)

מזרזי האימוץ של רובוטיקה בייצור מוליכים-למחצה הם סוגים מתפתחים של רובוטים שישה-צירים, זרועות רובוט הרכבה עם תאימות סלקטיבית (SCARAs), מכונות קרטזיות ורובוטים שיתופיים הכוללים חומרה מודולרית או ניתנת להגדרת תצורה מחדש כמו גם תוכנה מאחדת כדי לפשט במידה רבה מימוש.

רובוטים אלה והציוד המשלים שלהם חייבים להיות מתוכננים, מדורגים ומותקנים עבור סביבות חדר נקי אחרת מסכנים זיהום פרוסות סיליקון במזהמים. הדרישות מוגדרות על ידי ‏ISO 14644-1:2015, שמסווג נקיון אוויר של חדר נקי לפי ריכוז חלקיקים. כך, יש הסתמכות כבדה במיוחד על:

• שיטות קפדניות של אינטגרציה, אריזה, מסירה והתקנה כדי למנוע מחלקיקים כניסה לחדר הנקי
• ציפויים מיוחדים שלא יתקלפו או יתקלקלו בדרך אחרת
• מארזים מפלדת אל-חלד ואלמנטים אחרים היכן שניתן
• חומרי סיכה אינרטיים ולא גזיים מיוחדים עבור רכיבים מכניים
• אלמנטים של ואקום בגוף הרובוטי כדי לכוון חלקיקיים לאזור פליטה‏ נפרד
• איטום מיוחד של כל מפרקי הרובוט

האחרון חשוב במיוחד עבור רובוטים מהירות-גבוהה העונים על הצורך בתפוקת מוליכים-למחצה גבוהה אבל משילים יותר חלקיקים מציוד הנע לאט יותר.

איור 2‏: השימוש ברובוטיקה ואוטומציה אחרת עבור הייצור של מיקרו--אלקטרוניקה מתרחב מעבר לחדר הנקי. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

סיכום של היכן כל סוג של רובוט מצטיין

למרות שהיישום חופף במידה רבה, רובוטים שישה-צירים קשורים במיוחד עם הרכבת התקנים אלקטרוניים. רובוטים מסוג SCARA מתמרנים רכיבים אלקטרוניים ב-°‏360‏ כדי לבצע Pick-and-Place של פרוסות סיליקון ומשימות עיבוד מהר יותר ובדרך כלל מדויק יותר מאופציות אחרות. רובוטים קארטזיים, לעומת זאת, קשורים בדרך כלל עם משימות בדיקה ואריזה של מוליך-למחצה כמו גם העיבוד של מוצרים אלקטרוניים בפורמט גדול. מצד שני, רובוטים שיתופיים (קובוטים) משמשים לגשר בין אזורי חדר נקי מוגנים במיוחד לחלקים של חדרים נקיים בהם עובדי המפעל יכולים לעבור. קובוטים גם רואים שימוש הולך וגדל בהלחמה ומשימות אחרות שפעם היו התחום הכמעט בלעדי של פעולות ידניות.

איור 3: מוצגת כאן הלחמה אוטומטית של רכיבי שבב על PCB. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

אם כי מעבר להיקף מאמר זה, תכן הקינמטיקה-המקבילית הידועה כרובוטים Delta גם כן זוכה לאימוץ הולך וגדל, במיוחד עבור הרכבת מוצרים אלקטרוניים. בין אם עובדים לבדם, מקובצים בזוגות, או מותקנים כדי להשלים רובוטים SCARA בתא עבודה, רובוטים Delta בייצור מוליכים-למחצה מספקים יכולות איסוף ואריזה מהירות במיוחד ודינמיות. קרא עוד אודות יישומים אלה במאמר digikey.com ‏כיצד רובוטיקת Delta ממטבת ומפשטת תהליכי ייצור של אלקטרוניקה על רובוטים Delta בתעשיית המוליכים-למחצה. למעשה, הקינמטיקה של רובוטים Delta מקנה דיוק וחזרתיות עבור התאמה בהרכבה של אלקטרוניקה פוטו-וולטאית.

רובוטיקה מסתמכת על אפקטורי קצה עבור פרודוקטיביות

כלי קצה-זרוע (EoAT‏ או אפקטורי קצה) כמו תפסניות הם ליבה לייצור מוליכים-למחצה. כאן, כלי EoAT‏ חייבים להיות בעלי דינמיקה גבוהה והיכולת לבצע מעקב, הצבה והרכבה בדיוק רב. במקרים מסוימים, משוב כוח EoAT או ראיית מכונה מגדילים דיוק טיפול בחלקים על ידי הקניית יכולות הסתגלות, כך שרוטינות Pick-and-Place מתבצעות במהירות אפילו אם לדוגמה יש שינוי מסוים במיקום חלקים. חיישנים כאלה והוספת משוב יכולים לעיתים להפוך את גופי הטיפול באלקטרוניקה המסובכים של פתרונות מדור קודם למיותרים.

איור 4‏: רכיבים-קטנים תפסניות EGK מגורזות בגריז H1 וכוללות הסמכת חדר-נקי. (מקור תמונה: .SCHUNK Intec Inc‏)

איור 5‏: ייצור אלקטרוניקה תחת חוזה עושה שימוש נרחב ברובוטיקה לבדיקת לוחות. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

חשוב כיצד תאי עבודה גמישים המקבלים שירות מרובוטים שישה-צירים מבצעים לעיתים קרובות שתי משימות או יותר כמו טיפול כללי בחלק עבודה, השגחה על מסוע ומכונה אחרת, איבוד שבבי, הרכבה ואריזה. באופן דומה, היישום של אנקפסולציה, שיכוך רעידות, חומרי מיגון, הדבקה ואיטום מבוצע לעיתים קרובות בתא עבודה של רובוט שישה-צירים אחד. כאן, אפקטורי קצה רובוטיים המושלמים על ידי מחליפי כלים אוטומטיים מקנים יכולות ריבוי-משימות כך שכל תא עבודה שימושי באופן מקסימלי; החלפות EoAT‏ הן בדרך כלל מהירות כדי לתמוך בדרישות התפוקה הגבוהה של תעשיית המוליכים-למחצה. לדוגמה, רובוט עשוי להשתמש ב-EoAT אחד כדי לבצע Pick and Place של פריט במתקן. אחר כך (לאחר החלפת‏ EoAT‏ מהירה) הוא יכול למרוח דבק וללחוץ ביחד שני חצי בית מתאימים של מוצר סופי. EoAT שלישי ‏עשוי להעמיס פריטים מוגמרים על מסוע יוצא או לתוך מארז.

איור 6: אפקטורי קצה רובוטיים יכולים לקבל את הצורה של ראשי הלחמה כדי להפוך את ההרכבה של תתי-רכיב על לוח מעגל מודפס לאוטומטית. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

רובוטיקת SCARA‏ בייצור אלקטרוניקה

במשך עשורים, רובוטים SCARA נשארו סטנדרט הזהב עבור משימות עיבוד פרוסות מוליכים-למחצה, טיפול והרכבה, כולל:

• שיקוע וצריבה
• עיבוד תרמי
• עיבוד מסכת פוטו (Reticle)
• הרכבת לוח מעגל
• בדיקה ומטרולוגיה

אחרי הכל, רובוטים מסוג SCARA מציעים מהירויות גבוהות בכל תחום הנגישות הצילינדרית של °‏360‏ שלהם, לרוב מסוגלים לבצע משימות Pick-and-Place במהירות גבוהה בהרבה (ולעתים בדיוק רב יותר) מפתרונות קרטזיים או שישה-צירים ברי-השוואה. ליתר דיוק, רובוטים SCARA מסוימים אופייניים לתעשיה מספקים עקביות בתחום ‎±20 μm‏ בדרגות חופש (DOFs) ליניאריות ו-±0.01° על הציר הזוויתי, כמו גם אפשרויות הנעה ישירה עבור הובלה חלקה של פרוסות סיליקון דקות ושבירות יחסית. בעוד מטענים ייעודיים יכולים להיות מוגבלים ל-10 ק"ג או פחות עבור רובוטים SCARA רבים, זו לעתים רחוקות מהווה בעיה ביישומי מוליכים-למחצה, אם כי בהחלט יש לקחת אותה בחשבון בתחום הקשור של ייצור לוחות סולריים.

איור 7‏: רובוטים SCARA‏ מבצעים Pick-and-Place של פרוסות סיליקון ומשימות עיבוד במהירות ובמדויק. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

רובוטים SCARA מתאימים היטב למסועים המשמשים בתחנות עיבוד מוליכים-למחצה כמו גם קרוסלות של פרוסות סיליקון (נקראות גם שולחנות סיבוביים) המתוכננות כדי לסייע להוספת רכיבים או מאפיינים ללוחות מעגל מרובים ‏בו-זמנית.

רובוטיקת שישה-צירים בייצור אלקטרוניקה

רובוטים מפרקיים בדרוג-תעשייתי כוללים מפרקים סיבוביים רבים כדי לטפל באובייקטים דרך שתיים עד עשר דרגות חופש (DOFs). תבנית הרובוט המפרקי הנפוצה ביותר היא רובוט השישה-צירים. תהליכי מוליכים-למחצה המחייבים סביבת חדר-נקי מפיקים תועלת מרובוטים שישה-צירים המדורגים בהתאם כמו גם קומפקטיים כדי שיצרכו פחות הספק ופחות מנדל"ן הפרימיום של החדר הנקי. וריאציות רבות מספקות את המהירות והדיוק הדרושים עבור טיפול בתפוקה גבוהה והרכבה. מנועי הסרוו להנעת מפרקי הרובוט דומים לאלה הנמצאים בסוגי רובוט אחרים, אך רובוטים שישה-צירים נוטים הרבה יותר לזווג מנועים אלה עם תשלובת גלגלי שיניים מסוג strain-wave או ציקלואידי.

בדומה לרובוטים SCARA, רובוטים שישה-צירים גם כן מתאימים היטב למסועים המשמשים בתחנות עיבוד מוליכים-למחצה.

איור 8‏: רובוט מפרקי שישה-צירים זה זמין בדגמי חדר-נקי ISO 5‏ (Class 100). (מקור תמונה: Denso Robotics)

החוזק העיקרי של רובוטים שישה-צירים הוא המיומנות שלהם ונפח עבודה גדול עבור גודל נתון של סט מקושר, בין אם מותקן על בסיס‏ רצפתי או במהופך מהתקרה. כדי להדגים, זרוע‏ שישה-צירים שגובהה‏ 600 מ"מ כשמקופלת יכולה להגיע‏ ל-650 מ"מ בכל הכיוונים, עם היכולת להניע כל מפרק ב-°‏120‏ עד °‏360‏ במהירות ובו-זמנית עבור תנועה זריזה של מטענים יעודיים אלקטרוניים של מספר גרמים עד מספר קילוגרמים או יותר. אנקודרים אבסולוטיים בכל מפרק ורשת מבוססת-Ethernet‏ מספקים משוב תנועה וקישוריות עבורPLC,‏ PC או בקרי רובוט ייעודיים ותוכנה אדפטיבית לפקודות כמו גם שיפור תהליכים עם הזמן. בקרים אלה כוללים את האינטגרציה של אפקטורי קצה מתוחכמים, לדוגמה, תפסניות לטיפול בטוח של רכיבים אלקטרוניים קטנים ושבירים.

רובוטים שישה-צירים מצטיינים בהובלה על ידי מכונה והאריזה של מוצרים אלקטרוניים. מעבר להרכבה של הלוחות עצמם, הרובוטים יכולים לקבע אלקטרוניקה בבתי מתכת או פלסטיק של מוצרים סופיים וגם לבצע את החיבורים החשמליים הדרושים. רובוטים שישה-צירים מסוימים יכולים גם להרכיב ערכות, לארוז בקופסאות ולערום משטחים.

רובוטיקה קרטזית בייצור אלקטרוניקה

רובוטים קארטזיים, אלה המבוססים על חבילות מודולריות של צירים ליניאריים, עוזרים לתפעול למלא את הצורך של תעשיית המוליכים-למחצה לשמור על תנאי חדר-נקי בתהליכם רבים. מדרגיות (Scalability) כמעט בלתי-מוגבלת משמעותה שהמהלך יכול לכסות הכל ממספר סנטימטרים עד יותר מ-30 מטר. ביצועים חוזרים של רובוט קרטזי יכולים להיות בתחום ‎±10 μm‏ בדרגות חופש (DOFs) ליניאריות עם ביצועים חוזרים זוויתיים דומים של אפקטורי קצה כמו גם אופציות סיבוביות-ללינאריות והנעה-ישירה עבור הובלה חלקה במיוחד של פרוסות סיליקון. מהירויות עד שישה מטר לשניה הן מקובלות.

איור 9‏: רובוטים קרטזיים מבצעים משימות ייצור מוליכים-למחצה אוטומטיות לחלוטין. שים לב למנועים הלינאריים המספקים הנעה-ישירה בדיוק-גבוה על הציר הקריטי. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

מכונה קרטזית אופיינית מבצעת משימות אוטומציה ייעודיות, מכיוון שהקינמטיקה שלה נוטה להיות פחות גמישה וניתנת להגדרה מחדש מזו של סוגי רובוט אחרים. עם זאת, דיוק הוא יוצא מן הכלל … במיוחד כשאמצעי בקרה משתמשים במשוב ומפיקים פקודות עבור היענות של מילי-שנייה. תנועה כזאת היא מפתח עבור ייצור לוחות אוטומטי; קיצוץ וליטוש משטח; ורוטינות הרכבה נרחבות.

תחנות רובוטיקה קרטזית הן גם הבחירה המועדפת עבור אלקטרוניקה בפורמט-גדול כמו צגי לוח-שטוח ולוחות סולריים.

דוגמאות יישום ספציפיות של רובוטיקה קרטזית

חשוב על רובוטיקה קרטזית בייצור והרכבה של לוח מעגל מודפס (PCB) אוטומטי במידה מקסימלית. רובוטיקה קרטזית מתמרנת אפקטורי קצה מעל הלוחות או מקבלת את הצורה של שולחנות קרטזיים המסיעים לוחות PCB במסלול הגישה של ציוד עיבוד קבוע. לדוגמה, שולחנות כאלה עשויים להניע לוחות דרך ציוד ליטוגרפיה כדי להדפיס מעגלי נחושת על מצע סיליקון לא מוליך. אחר כך, אחרי תהליך ההדפסה התחלתי של ה-PCB, נחושת שהיא אינה חלק מהמעגל המתוכנן מוסרת על ידי צריבה כימית. מסכות הלחמה לא מוליכות מבודדות פסים מוליכים ורכיבים סמוכים.

איור 10: רובוטיקה קרטזית יכולה להיות מצוידת בציוד הדמיה (כמו מצלמת הדמיה-תרמית זו) עבור תרמוגרפיה של לוחות PCB המיוצרים בטכניקות הדבקה בסיוע לייזר. (מקור תמונה: Teledyne FLIR)

בהרבה פעולות הרכבה של PCB, רובוטיקה קרטזית מקבלת תתי-רכיב אלקטרוניים על סרטי סליל או סרטי קופסה המוזנים אל תוך תא העבודה. (ראש ה-Pick-and-Place הרובוטי מתוכנן לאחוז ולמקם מגוון תתי-רכיב אלה). הרובוטיקה מאמתת את הערך והקוטביות של כל תת-רכיב ואחר כך שמה ומלחימה את תתי-הרכיב דרך חור-עובר או חיבורי טכנולוגיית הרכבה-משטחית (SMT). הדקים מוליכים של תת-רכיב להלחמה בחור-עובר מוכנסים בחורים בלוח, מקוצצים ומהודקים, ואחר כך מולחמים לצד-האחורי של הלוח עבור חוזק מכני מקסימלי (אם כי מצריכים רוטינות הרכבה מסובכות יותר). לעומת זה, תתי-רכיב SMT מקבלים רוטינות מקם-והלחם אוטומטיות במידה מקסימלית בנפח-גדול … כך שהן שולטות עכשיו על תכני לוח רבים. עם זאת, הרכבה בחור-עובר היא נפוצה ביותר עבור חיבור ללוח של קבלים גדולים, שנאים ומחברים.

איורים 11a ו-11b: מוצגים כאן ראשי כלי עבור חיבור תתי-רכיב ללוח בטכנולוגיית הרכבה-משטחית (SMT). (מקור תמונה: Dreamstime‏)

עבור‏ רכיבי SMT, משחת הלחם מיושמת מראש על לוח ה-PCB לפני הרכבת רכיב. הלחמת Reflow אחר כך משתמשת באוויר חם להתכת משחת הלחם כדי ליצור את חיבורי ה-SMT. הלחמת גל היא נפוצה יותר עבור רכיבי חור-עובר; זה כרוך בהעברת הלוח דרך גל עומד הנוצר על פני משטח של לחם מותך. מכונות כאלו הן יקרות ומתאימות במיוחד לייצור בנפחים גבוהים מאוד.

איור 12‏: משוב ראיית-מכונה מודיע בדרך כלל על תגובות המערכת הקרטזית. כוח עיבוד מסיבי על הלוח, אלגוריתמים מתקדמים ומצלמות חכמות HAWK מאופשרות FPGA (כולל הדגם המוצג כאן) משיגים הענות ערור זמן-אמת עבור קריאת קוד, אימות, בדיקה והכוונה עבור 4,000 עד 14,000 חלקים לדקה. למעשה, מצלמה זו‏ היא פתרון ביניים בין מצלמות מבוססות-PC מורכבות ומצלמות חכמות תעשייתיות בסיסיות. (מקור תמונה: Omron Automation and Safety)

מנועים ומערכות הנעה אופייניים עבור רובוטיקה קרטזית

רובוטיקה קרטזית משתמשת ברבים מאותם סוגים של מנועי סרוו, גירים מדויקים ומערכות הנעה אלקטרומכניות כמו פתרונות רובוטיקה אחרים. הסתיגות אחת היא שאין להתבלבל בין מנועי הצעד בתכנים קרטזיים מסוימים המובילים מוליכים-למחצה במהלך ייצור לבין מה שנקרא מצלמות Step-and-Repeat, הנקראות לעיתים פשוט Steppers. האחרונות הן חיוניות לתהליכי פוטו-ליטוגרפיה במהלך ייצור שבב.

כפי שרובוטים מסוג SCARA‏ ובמיוחד שישה-צירים עשו שימוש הולך וגדל במנועי מומנט הנעה-ישירה, רובוטיקה קרטזית (בתכנים המשרתים את תעשיית המוליכים-למחצה) עשתה שימוש הולך וגדל במנועים ליניאריים בשנים האחרונות. מגוון של סלילי מנוע בתקן-תעשייה וקנייניים, ממקמי קצה זעירים, מודולי כוונון מבוססי-פייזו, תת-מערכות ואקום ומדורגות חדר-נקי, מיסבים לינאריים, בקרים וחידושים אחרים משלימים מערכות הנעה ישירה אלו כדי לסייע למערכות קרטזיות להפיק תנועות אולטרה-עדינות ואולטרה-מהירות.

רובוטיקה שיתופית בייצור אלקטרוניקה

רובוטים שיתופיים (קובוטים) התפשטו במהירות בתעשיית המוליכים למחצה בעשור האחרון. לסיבות נוספות לכך ראה בלוג DigiKey.com,‏ אוטומציה קלה עם רובוטים שיתופיים Omron TM. בייצור מוליכים-למחצה, קובוטים מבית Omron ויצרנים אחרים יכולים למנוע את הזיהום היקר במיוחד של פרוסות סיליקון על ידי גישור אזורי עבודה‏ המגינים על פרוסות סיליקון ואלה המקבלים שירות מעובדי חדר-נקי. התקנות קובוט בדרוג ייצור מוליכים-למחצה גם מונעים זיהום מפליטת חלקיקים וחומרי סיכה תוך השלמת פעולות ידניות של מיקום והלחמה.

איור 13‏: קובוטים מסדרת ה-HCR-5 עומדים במפרטי חדר-נקי ISO-2. (מקור תמונה: Hanwha Corp./Momentum)

איור 14‏: רובוטים שיתופיים (קובוטים) KUKA הם ליבה לתכנון של חדר-נקי Infineon ISO3 זה לעיבוד פרוסות סיליקון. (מקור תמונה: Kuka‏)

איור 15‏: קובוטים KUKA בחדר-נקי Infineon זה עברו אינטגרציה, חוברו ברשת ותוכנתו במומחיות על ידי מומחי מכטרוניקה ואוטומציה. (מקור תמונה: Kuka‏)

קובוטים בתעשיית המוליכים-למחצה ואלקטרוניקה חייבים להיות בעלי יכולות מהירות מעל הממוצע המושלמות על ידי דינמיקה ובקרות מתקדמות כדי למנוע את הריסוק של פרוסות סיליקון דקות ולכן עדינות. אחרת, יכולים להיווצר סדקים זעירים. כמובן, שבירה היא הרבה פחות צפויה עם קובוטים מוגדרים כראוי מאשר מעבודה ידנית.

הלחמה אוטומטית באמצעות קובוטים היא מתאימה גם כן היכן שרכיבים מורכבים על לוחות דקים במיוחד והתופעות של התרחבות תרמית של סיליקון מהוות סיבה לדאגה. היכן שקובוטים מיועדים לבצע את זה ומשימות הרכבה אחרות, לרוב הגיוני לשלב תרמוגרפיה או ציוד אחר לבדיקת-לוח על ה-EoAT‏. זה מאיץ משימות גילוי שגיאות לקבלת תפוקות גבוהות יותר ואבטחת איכות … לרוב בעלות נמוכה יחסית.

סיכום

רובוטיקה תעשייתית יכולה לספק אוטומציה גמישה ובמחיר סביר של ייצור מוליכים-למחצה ואלקטרוניקה. אתגרים טכניים הם הצורך לספק דרוגי חדר-נקי, תפוקה גבוהה וטיפול זהיר בחלקים בתהליכי עיבוד יקרים באופן יוצא מן הכלל. עם זאת, חומרת רובוטים כמו גם תוכנת סימולציה של רובוטים של היום ותכנות פישטו את הגודל והבחירה של פתרונות רובוטיים לחדר-נקי.

מה שמסבך את העניינים הוא כיצד פרטים קטנים יותר ויותר על אלקטרוניקה ממוזערת יותר ויותר מחייבים תהליכי הרכבה רובוטיים שיבואו בעקבותיהם. רובוטיקה נענתה לאתגר זה עם מנועים, קישורים מכניים, בקרות ורשתות המאפשרים יכולות מתקדמות יותר ויותר. טכנולוגיות משלימות כמו ראיית-מכונה ורישות תעשייתי זמן-אמת גם הקנו יכולות חדשות ברובוטיקה עבור תפעול והרכבה של ייצור מוליכים-למחצה בנפח גדול.