作者：Lisa Eitel

　　介紹

　　據(jù)估計，機(jī)器人技術(shù)在電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)在可以與汽車行業(yè)相媲美。難怪：制造的芯片、組件和完全組裝的電子產(chǎn)品具有很高的價值，因此它們證明了對自動化技術(shù)的投資是合理的。使問題變得復(fù)雜的是，產(chǎn)量必須很高，因此吞吐量必須很高，而且產(chǎn)品本質(zhì)上也很脆弱……某些應(yīng)用的半導(dǎo)體晶圓現(xiàn)在只有 140 μm 厚。這些應(yīng)用參數(shù)要求運動系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行精確處理，具有卓越的范圍、速度、力量和靈活性以及潔凈室合規(guī)性。

　　圖 1：此處，一塊精致的晶圓被放入位于潔凈室內(nèi)的原子層沉積機(jī)中。 (圖片來源：夢想時光)

　　新興的六軸機(jī)器人、選擇性柔性裝配機(jī)械臂 (SCARA)、笛卡爾機(jī)械和協(xié)作機(jī)器人等新興類別加速了半導(dǎo)體制造中機(jī)器人技術(shù)的采用，這些機(jī)器人具有可重新配置或模塊化硬件以及統(tǒng)一軟件，可大大簡化實施。

　　這些機(jī)器人及其輔助設(shè)備必須針對潔凈室環(huán)境進(jìn)行設(shè)計、評級和安裝，否則可能會導(dǎo)致精密晶圓受到雜質(zhì)污染。 ISO 14644-1:2015 定義了要求，該標(biāo)準(zhǔn)按顆粒濃度對潔凈室空氣清潔度進(jìn)行分類。因此，特別嚴(yán)重依賴：

　　精確的集成、包裝、運輸和安裝方法，防止顆粒物搭便車進(jìn)入潔凈室

　　不會剝落或以其他方式降解的特種涂層

　　不銹鋼外殼和其他可行的元件

　　用于機(jī)械部件的特種惰性和非氣體潤滑劑

　　機(jī)器人體內(nèi)的真空元件可將任何顆粒引導(dǎo)至隔離的排氣區(qū)域

　　所有機(jī)器人關(guān)節(jié)的專業(yè)密封

　　后者對于滿足高半導(dǎo)體吞吐量需求但比移動速度較慢的設(shè)備脫落更多顆粒的高速機(jī)器人尤其重要。

　　圖 2：機(jī)器人技術(shù)和其他自動化技術(shù)在微電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用已超出潔凈室范圍。 (圖片來源：夢想時光)

　　每種機(jī)器人類型的優(yōu)點總結(jié)

　　盡管應(yīng)用領(lǐng)域存在大量重疊，但六軸機(jī)器人與電子設(shè)備組裝的聯(lián)系最為密切。 SCARA 可以 360° 操縱電子元件，比其他選項更快、更精確地執(zhí)行拾取和放置晶圓處理和處理任務(wù)。相比之下，笛卡爾機(jī)器人通常與半導(dǎo)體測試和包裝任務(wù)以及大型電子產(chǎn)品的加工相關(guān)。另一方面，協(xié)作機(jī)器人(cobot)用于將高度受保護(hù)的潔凈室區(qū)域與工廠人員可以穿越的潔凈室部分連接起來。協(xié)作機(jī)器人在焊接和其他任務(wù)中的使用也越來越多，這些任務(wù)一度幾乎是手動操作的專有領(lǐng)域。

　　圖 3：此處顯示的是芯片元件自動焊接到 PCB 上的情況。 (圖片來源：夢想時光)

　　盡管超出了本文的范圍，但被稱為 Delta 機(jī)器人的并聯(lián)運動設(shè)計也得到了越來越多的采用，尤其是在電子產(chǎn)品組裝方面。無論是單獨操作、成對組合操作，還是安裝以補(bǔ)充工作單元中的 SCARA，半導(dǎo)體制造中的 Delta 機(jī)器人都能提供異?？焖佟討B(tài)的拾取和包裝能力。請閱讀 digikey.com Delta Robotics 如何優(yōu)化和簡化電子制造流程有關(guān)半導(dǎo)體行業(yè)中 Delta 機(jī)器人的文章，了解有關(guān)這些應(yīng)用的更多信息。事實上，Delta 的運動學(xué)賦予了光伏電子組件裝配的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

　　機(jī)器人技術(shù)依靠末端執(zhí)行器來提高生產(chǎn)力

　　先進(jìn)的潔凈室級機(jī)器人臂端工具(EoAT 或末端執(zhí)行器)(例如夾具)是半導(dǎo)體生產(chǎn)的核心。在這里，EOAT 必須具有高動態(tài)性以及精確執(zhí)行追蹤、放置和組裝的能力。在某些情況下，EoAT 力反饋或機(jī)器視覺通過賦予自適應(yīng)功能來提高零件處理精度，因此即使工件位置存在一些變化，也可以快速執(zhí)行拾放例程。這種傳感器和反饋的進(jìn)步有時可以使傳統(tǒng)解決方案中復(fù)雜的電子處理裝置變得不必要。

　　圖 4：小部件EGK 夾具采用 H1 潤滑脂進(jìn)行潤滑，并獲得運動潔凈室認(rèn)證。 (圖片來源：SCHUNK Intec Inc.)

　　圖 5：電子合同制造大量使用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行電路板測試。 (圖片來源：夢想時光)

　　考慮一下六軸機(jī)器人所服務(wù)的靈活工作單元通常如何執(zhí)行兩項或多項任務(wù)，例如一般工件搬運、傳送帶和其他機(jī)器維護(hù)、加工、裝配和包裝。同樣，封裝、減振、屏蔽、粘合和密封材料的應(yīng)用通常在一個六軸機(jī)器人工作單元內(nèi)執(zhí)行。在這里，機(jī)器人末端執(zhí)行器輔以自動換刀裝置，賦予多任務(wù)處理能力，因此每個工作單元都能發(fā)揮最大作用; EoAT 轉(zhuǎn)換通常很快，可以滿足半導(dǎo)體行業(yè)的高吞吐量要求。例如，機(jī)器人可能會使用一個 EoAT 來拾取物品并將其放置到固定裝置中。然后(在快速 EoAT 轉(zhuǎn)換之后)它可能會涂上粘合劑并將最終產(chǎn)品的兩半外殼壓在一起。第三個 EoAT 可能會將成品裝載到出站傳送帶上或裝入箱子中。

　　圖 6：機(jī)器人末端執(zhí)行器可以采用烙鐵頭的形式，將子組件自動組裝到 PCB 上。 (圖片來源：夢想時光)

　　電子制造中的 SCARA 機(jī)器人

　　幾十年來，SCARA 一直是半導(dǎo)體晶圓加工、搬運和組裝任務(wù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，包括：

　　沉積和蝕刻

　　熱處理

　　標(biāo)線加工

　　電路板組裝

　　測試和計量

　　畢竟，SCARA 在其圓柱形 360° 范圍內(nèi)提供高速 - 通常能夠比同類六軸和笛卡爾解決方案更快(有時更精確)地執(zhí)行拾取和放置任務(wù)。更具體地說，一些行業(yè)典型的 SCARA 在線性自由度 (DOF) 上提供 ±20 μm 以內(nèi)的重復(fù)性，在角軸上提供 ±0.01° 以內(nèi)的重復(fù)性，以及用于平滑傳輸薄且相對脆弱的晶圓的直接驅(qū)動選項。雖然許多 SCARA 的有效載荷可以限制在 10 公斤或更輕，但這在半導(dǎo)體應(yīng)用中很少成為問題，盡管對于太陽能電池板生產(chǎn)的相關(guān)領(lǐng)域來說肯定是一個考慮因素。

　　圖 7：SCARA 機(jī)器人快速準(zhǔn)確地執(zhí)行拾放晶圓搬運和加工任務(wù)。 (圖片來源：夢想時光)

　　SCARA 與半導(dǎo)體加工站中使用的傳送帶以及晶圓傳送帶(也稱為旋轉(zhuǎn)臺)完美搭配，旨在方便一次向多個電路板添加組件或功能。

　　電子制造中的六軸機(jī)器人

　　工業(yè)級多關(guān)節(jié)機(jī)器人具有多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以通過 2 到 10 個自由度操縱物體。最常見的鉸接式機(jī)器人形式是六軸機(jī)器人。需要潔凈室設(shè)置的半導(dǎo)體工藝受益于六軸機(jī)器人，這些機(jī)器人具有適當(dāng)?shù)念~定值并且結(jié)構(gòu)緊湊，可以消耗更少的功率并減少優(yōu)質(zhì)潔凈室空間。為了提供高吞吐量處理和組裝所需的速度和精度，有很多變化。驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)與其他機(jī)器人類型中的伺服電機(jī)類似，但六軸機(jī)器人更有可能將這些電機(jī)與應(yīng)變波或擺線齒輪配對。

　　與 SCARA 一樣，六軸機(jī)器人也可與半導(dǎo)體加工站中使用的傳送帶完美搭配。

　　圖 8：這款六軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人提供 ISO 5(100 級)潔凈室型號。 (圖片來源：電裝機(jī)器人)

　　六軸機(jī)器人的主要優(yōu)勢在于其靈巧性和給定連桿組尺寸的大工作量——無論是安裝在地板底座上還是從天花板倒置安裝。舉例來說，折疊時高 600 毫米的六軸臂在所有方向上可能達(dá)到 650 毫米，能夠快速同時掃描每個關(guān)節(jié) 120° 至 360°，以便靈活移動幾克到幾公斤或更多的。每個關(guān)節(jié)處的絕對編碼器和基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)為 PLC、PC 或?qū)Ｓ脵C(jī)器人控制和自適應(yīng)軟件提供運動反饋和連接，以便隨著時間的推移指揮和改進(jìn)流程。這些控制包括集成復(fù)雜的末端執(zhí)行器，例如用于安全處理小型且易碎電子元件的夾具。

　　六軸機(jī)器人擅長機(jī)器維護(hù)和電子產(chǎn)品包裝。除了電路板本身的組裝之外，機(jī)器人還可以將電子設(shè)備固定到最終產(chǎn)品的金屬或塑料外殼中，并進(jìn)行必要的電氣連接。一些六軸機(jī)器人還可以執(zhí)行電子成品的配套、裝箱和碼垛。

　　電子制造中的笛卡爾機(jī)器人

　　笛卡爾機(jī)器人——基于線性軸模塊化堆棧的機(jī)器人——幫助操作滿足半導(dǎo)體行業(yè)對許多工藝維持潔凈室條件的需求。近乎無限的可擴(kuò)展性意味著旅行可以覆蓋從幾厘米到超過 30 米的任何距離。笛卡爾機(jī)器人在線性自由度上的重復(fù)性可保持在 ±10 μm 范圍內(nèi)，末端執(zhí)行器的角度重復(fù)性與旋轉(zhuǎn)到線性和直接驅(qū)動選項相當(dāng)，可實現(xiàn)特別平穩(wěn)的晶圓傳輸。每秒六米的速度很常見。

　　圖 9：笛卡爾機(jī)器人執(zhí)行全自動半導(dǎo)體制造任務(wù)。請注意在關(guān)鍵軸上提供高精度直接驅(qū)動的線性電機(jī)。 (圖片來源：夢想時光)

　　笛卡爾機(jī)械通常執(zhí)行專用的自動化任務(wù)，因為其運動學(xué)往往不如其他機(jī)器人類型靈活和可重新配置。然而，準(zhǔn)確性非常出色……尤其是當(dāng)控件使用反饋并生成毫秒響應(yīng)命令時。這種運動是自動化電路板制造的關(guān)鍵。修整和表面拋光;和廣泛的裝配例程。

　　笛卡爾機(jī)器人工作站也是平板顯示器和太陽能電池板等大幅面電子產(chǎn)品的首選。

　　具體的笛卡爾機(jī)器人應(yīng)用示例

　　考慮在最自動化的印刷電路板 (PCB) 制造和組裝中使用笛卡爾機(jī)器人。笛卡爾機(jī)器人要么在電路板上操縱末端執(zhí)行器，要么采用笛卡爾工作臺的形式，將 PCB 移動到固定處理設(shè)備的范圍內(nèi)。例如，此類工作臺可以通過光刻設(shè)備移動電路板，以將銅電路印刷到非導(dǎo)電硅基板上。然后，在最初的 PCB 印刷過程之后，不屬于設(shè)計電路一部分的銅被化學(xué)蝕刻掉。非導(dǎo)電阻焊層隔離相鄰的走線和元件。

　　圖 10：笛卡爾機(jī)器人可以配備成像設(shè)備(例如熱成像相機(jī))，對采用激光輔助焊接技術(shù)生產(chǎn)的 PCB 進(jìn)行熱成像。 (圖片來源：Teledyne FLIR)

　　在許多 PCB 組裝操作中，笛卡爾機(jī)器人接受卷帶或盒帶上的電子子組件，送入工作單元。 (機(jī)器人的拾放頭設(shè)計用于抓取和放置各種子組件。)機(jī)器人驗證每個子組件的值和極性，然后通過通孔或表面貼裝技術(shù) (SMT) 設(shè)置和焊接子組件附件。通孔子組件引線插入板孔，進(jìn)行修剪和鉚接，然后焊接到板背面以獲得最高機(jī)械強(qiáng)度(盡管需要更復(fù)雜的組裝程序)。相比之下，SMT 子組件接受最大程度自動化的大批量設(shè)置和焊接程序……因此它們現(xiàn)在在許多電路板設(shè)計中占據(jù)主導(dǎo)地位。也就是說，通孔安裝仍然是連接大型電容器、變壓器、和連接器到板。

　　圖 11a 和 11b：此處顯示的是用于將表面貼裝技術(shù) (SMT) 子組件固定到電路板上的工具頭。 (圖片來源：夢想時光)

　　對于 SMT 元件，在元件組裝之前將焊膏預(yù)先涂敷到 PCB 上。然后回流焊接使用熱空氣熔化焊膏以形成 SMT 元件連接。波峰焊對于通孔元件更為常見;這涉及到使電路板穿過熔化焊料盤表面上形成的駐波。此類機(jī)器成本高昂，最適合大批量制造。

　　圖 12：機(jī)器視覺反饋通常會影響笛卡爾系統(tǒng)響應(yīng)。強(qiáng)大的板載處理能力、先進(jìn)的算法和 FPGA 讓 HAWK 智能相機(jī)(包括此處所示的型號)實現(xiàn)了每分鐘 4,000 至 14,000 個零件的代碼讀取、驗證、檢查和引導(dǎo)的實時觸發(fā)響應(yīng)。事實上，這款相機(jī)是復(fù)雜的基于 PC 的相機(jī)和基本工業(yè)智能相機(jī)之間的中間解決方案。 (圖片來源：歐姆龍自動化與安全)

　　笛卡爾機(jī)器人的典型電機(jī)和驅(qū)動器

　　笛卡爾機(jī)器人使用許多與其他機(jī)器人解決方案相同類型的伺服電機(jī)、精密齒輪和機(jī)電驅(qū)動器。需要注意的是，一些在生產(chǎn)過程中傳輸半導(dǎo)體的笛卡爾設(shè)計中的步進(jìn)電機(jī)不應(yīng)與所謂的步進(jìn)重復(fù)相機(jī)(有時簡稱為步進(jìn)電機(jī))相混淆。后者對于芯片制造過程中的光刻工藝至關(guān)重要。

　　正如 SCARA，尤其是六軸機(jī)器人越來越多地使用直接驅(qū)動扭矩電機(jī)一樣，笛卡爾機(jī)器人(在服務(wù)于半導(dǎo)體行業(yè)的設(shè)計中)近年來也越來越多地使用線性電機(jī)。各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專有電機(jī)線圈、微型末端定位器、基于壓電的調(diào)節(jié)模塊、真空和潔凈室級子系統(tǒng)、線性軸承、控制裝置和其他創(chuàng)新技術(shù)補(bǔ)充了這些直接驅(qū)動器，幫助笛卡爾系統(tǒng)輸出超精細(xì)超精細(xì)快速動作。

　　電子制造中的協(xié)作機(jī)器人

　　過去十年來，協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 在半導(dǎo)體行業(yè)激增。有關(guān)此問題的更多原因，請參閱 DigiKey.com 博客，使用 Omron TM 協(xié)作機(jī)器人輕松實現(xiàn)自動化。在半導(dǎo)體制造中，歐姆龍和其他制造商的協(xié)作機(jī)器人可以通過橋接保護(hù)晶圓工作區(qū)和潔凈室人員服務(wù)的區(qū)域來防止代價高昂的晶圓污染。半導(dǎo)體生產(chǎn)級協(xié)作機(jī)器人安裝還可防止顆粒和潤滑劑排氣污染，同時補(bǔ)充放置和焊接的手動操作。

　　圖 13：HCR-5 系列協(xié)作機(jī)器人符合 ISO-2 潔凈室規(guī)范。 (圖片來源：韓華公司/Momentum)

　　圖 14：KUKA 協(xié)作機(jī)器人 (cobots) 是英飛凌 ISO3 晶圓加工潔凈室設(shè)計的核心。 (圖片來源：庫卡)

　　圖 15：英飛凌潔凈室中的KUKA協(xié)作機(jī)器人由機(jī)電一體化和自動化專家進(jìn)行專業(yè)集成、聯(lián)網(wǎng)和編程。 (圖片來源：庫卡)

　　半導(dǎo)體和電子行業(yè)的協(xié)作機(jī)器人必須具有高于平均水平的速度能力，并輔以先進(jìn)的動力和控制，以防止薄且脆弱的晶圓發(fā)生振動。否則，可能會形成微小的裂紋。當(dāng)然，與人工相比，適當(dāng)指定的協(xié)作機(jī)器人發(fā)生破損的可能性要小得多。

　　當(dāng)組件被組裝到特別薄的板上并且硅熱膨脹的影響是一個問題時，使用協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行自動焊接也是合適的。如果協(xié)作機(jī)器人要執(zhí)行此任務(wù)和其他組裝任務(wù)，則將熱成像或其他電路板檢查設(shè)備集成到 EoAT 上通常是合乎邏輯的。這可以加快防錯任務(wù)的速度，從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量保證……通常成本相對較低。

　　結(jié)論

　　工業(yè)機(jī)器人可以為半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品生產(chǎn)提供經(jīng)濟(jì)實惠且靈活的自動化。技術(shù)挑戰(zhàn)是需要滿足潔凈室等級、高吞吐量以及小心處理極其昂貴的工件。即便如此，當(dāng)今的機(jī)器人硬件以及機(jī)器人模擬軟件和編程已經(jīng)簡化了潔凈室機(jī)器人解決方案的尺寸和選擇。

　　使問題變得復(fù)雜的是，日益小型化的電子產(chǎn)品的細(xì)節(jié)越來越精細(xì)，因此需要隨之而來的機(jī)器人化裝配過程。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)通過電機(jī)、機(jī)械連桿、控制和網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，從而提供更先進(jìn)的功能。機(jī)器視覺和實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等補(bǔ)充技術(shù)也賦予了機(jī)器人技術(shù)用于操縱、處理和組裝大批量半導(dǎo)體生產(chǎn)的新能力。