Das Arbeiten von zuhause, das Wachstum Künstlicher Intelligenz und die steigende Nachfrage nach Elektroautos führen dazu, dass die Nachfrage nach Halbleitern weiter stark anzieht. Laut der Unternehmensberatung McKinsey & Company wuchs die Branche allein im Jahr 2021 um 20 Prozent. Die Berater prognostizieren, dass die weltweite Halbleiterindustrie jährlich um sechs bis acht Prozent wachsen und bis 2030 zu einer Billionen-Dollar-Branche werden wird.
Um den riesigen Bedarf an leistungsfähigen Prozessoren zu decken, investieren Chiphersteller in neue Produktionsstandorte. Für eine moderne Chipfabrik sind Investitionskosten von mehreren Milliarden Dollar keine Seltenheit. Entsprechend hoch sind die Erwartungen an die Zuverlässigkeit und Effizienz der Smart Factories.
Fehlerrisiken beim Wafer-Transport
Bis aus einem Roh-Wafer ein Mikrochip wird, sind oft mehrere tausend Arbeitsschritte in einer aufwendig gesicherten Reinraumumgebung erforderlich. Je nach Bauteil vergehen so rund drei Monate, bis der Wafer die 24/7-getaktete Produktion verlässt. Daher spielen die Transportsysteme und die Steuerung der Anlage und der Prozesse eine entscheidende Rolle für den Erfolg von solchen Megafabriken.
Einzelne Schritte der Produktion sind bereits sehr gut und auf hohem Qualitätsniveau automatisiert. Eine Ausnahme bildete bislang der Transport der Halbleitersubstrate von einer Arbeitsstation zur nächsten. Besonders in älteren Produktionsstätten werden die Wafer überwiegend manuell von einem Mitarbeiter in sogenannten Wafer-Kassetten aus einer Bearbeitungsmaschine entnommen und mit einem Wagen zum nächsten Prozessschritt gebracht. Dabei ist der Prozess fehleranfällig: Fällt einem Mitarbeiter ein bruchempfindlicher Wafer herunter oder legt er aus Versehen die falsche Kassette in eine Bearbeitungsmaschine, sind schnell fünfstellige Beträge verloren.
Eine Automatisierung der Handling- und Transportprozesse mit mobilen Manipulatorrobotern verringert das Schadensrisiko auf ein Minimum. Mit dem KMR iiwa CR hat Kuka einen mobilen Cobot für die sichere Handhabung von empfindlichen Bauteilen wie Wafern im Portfolio, der aufgrund seiner induktiven Ladetechnologie auch höchste Reinheitsanforderungen erfüllt.
Mobiler Cobot für den Reinraum
Der KMR iiwa CR ist eine Kombination aus einem Reinraum-Cobot und einer mobilen Plattform. Der patentierte Greifer des Roboters ist speziell für Handling-Applikationen in Reinraumumgebungen konzipiert. Mittels seiner Navigationssoftware operiert der KMR iiwa CR autonom im Raum, be- und entlädt die Wafer-Kassetten selbstständig und bringt sie zur nächsten Arbeitsstation. Die mobilen Systeme sind dafür ausgelegt, in ISO-3-Reinraumbedingungen ihre Arbeit und ihre mechanischen Bewegungen zuverlässig zu verrichten.
Zur Einhaltung der ISO-Klasse 3 ist unter anderem die Energieversorgung des Roboters ein zentrales Feature. „Für eine anspruchsvolle Reinraumumgebung sind herkömmliche Batterieladesysteme mit Schleifkontakten nicht geeignet“, sagt Jakob Brandl, Portfolio Manager Mobility bei Kuka. „Bei jedem Ladevorgang entsteht Kupferabrieb. Die Partikel verteilen sich in der Produktionsumgebung und können im Extremfall die wertvollen Wafer beschädigen.“ Kuka verwendet daher das induktive Batterieladesystem EtaLink 3000 von Wiferion. Die Energieübertragung erfolgt berührungslos. Damit ist ein Ladeprozess mit minimalster Partikelgenerierung gewährleistet.
Darüber hinaus ermöglicht die Technologie, die Produktion ohne Unterbrechungen für das Laden der Batterie aufrechtzuerhalten. „Wir laden unseren Cobot via ‚In-Process-Charging‘. Dabei fährt der Roboter während des Pick-&-Place-Prozesses über eine Ladestation und wird im Prozess geladen – ohne jeglichen Zeitverlust“, erklärt Pascal Caprano, Head of Industry Management Concept Engineering bei Kuka. Die Ladepunkte lassen sich beispielsweise vor den Bearbeitungsmaschinen anbringen. Die Energieversorgung startet dann automatisch, wenn der KMR iiwa CR die Wafer-Kassetten einlegt und entnimmt.
Auch in puncto Sicherheit soll der Cobot durch seine induktive Stromübertragung Maßstäbe setzen. Während herkömmliche Kontaktladeplatten mehrere Zentimeter auf dem Boden aufbauen, damit die Energieversorgung trotz Bodenfreiheit eines Roboters funktioniert, sind die Ladeplatten von Wiferion sehr flach und lassen sich ebenerdig im Boden versenken. „Wir eliminieren damit Stolperfallen für die Mitarbeiter im Reinraum“, sagt Brandl. Zudem entfällt die Wartung aufgrund von abgebrochenen oder verunreinigten Kontakten. „Im Ergebnis steigern wir damit die Prozesssicherheit der gesamten Produktion.“
Bei der Wahl des induktiven Ladesystems war für Kuka auch die Leistungsfähigkeit entscheidend. „Unser Roboter steht nur wenige Minuten, um eine Handling-Aufgabe durchzuführen. Für uns ist es immens wichtig, dass wir in dieser kurzen Zeit hohe Ladeströme abrufen können“, erklärt Caprano. Das EtaLink-System überträgt den Strom mit 3 kW und bis zu 60 V Ladespannung. „Damit bietet uns Wiferion die ideale Lösung für einen effizienten 24/7-Betrieb des Systems.“
Fazit
Die Anforderungen an eine intelligente Automatisierung im Reinraum sind hoch. Mit dem KMR iiwa CR bietet Kuka eine sichere und produktivitätssteigernde Automatisierungslösung für Handling- und Transportprozesse. Die integrierte induktive Ladetechnologie von Wiferion erhöht die Prozesssicherheit und ermöglicht einen 24/7-Betrieb des Systems. Aus diesem Grund will Kuka die Ladetechnologie auch bei Nachfolgemodellen serienmäßig integrieren.
