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來源：Digi-Key 作者：Lisa Eitel 據估計，機器人技術在電子制造業中的應用已與汽車工業中不相上下。這不足為奇：制造芯片、元器件和完全組裝的電子產品具有很高的價值，因此有理由投資自動化技術。更復雜的是，產量和產能必須很高，而且產品本身也很脆弱，有些應用的半導體晶圓現在只有 140 µm 厚。這些應用參數要求運動系統和機器人具有優異的伸展性、速度、力量和靈活性，能夠進行精確操作，并符合潔凈室規范。 
圖 1：一塊脆弱的晶圓被放入潔凈室內的原子層沉積機中。（圖片來源：Dreamstime） 六軸機器人、選擇順應性裝配機械手臂 (SCARA)、笛卡爾機器和協作機器人等新興產品的出現加快了機器人技術在半導體制造領域的應用，這些機器人產品具有可重新配置或模塊化硬件及統一的軟件，可大幅簡化實施過程。 這些機器人及其輔助設備的設計、等級和安裝必須符合潔凈室規范，否則有可能使脆弱的晶圓受到雜質污染。相關要求由 ISO 14644-1:2015 定義，其按顆粒濃度對潔凈室空氣潔凈度進行了分類。因此，高度依賴以下因素： · 采用嚴格的集成、包裝、交付和安裝方法，防止夾帶微粒進入潔凈室 · 采用不會剝落或降解的特殊涂層 · 盡可能采用不銹鋼外殼和其他元件 · 機械部件采用不會產生氣體的特殊惰性潤滑劑 · 機器人機身內采用真空元件，將任何微粒引導至隔離的排放區域 · 所有機器人關節采用特殊密封方法 最后一項對于高速機器人尤為重要，因為這類機器人可以滿足半導體高產量需求，但會比移動較慢的設備脫落更多顆粒。
圖 2：機器人和其他自動化技術在微電子生產中的應用已不再局限于潔凈室內。（圖片來源：Dreamstime） 每種機器人的優點總結 盡管應用領域存在很多重疊部分，但六軸機器人最常用于電子器件組裝。SCARA 可 360° 操控電子元器件，更快地執行拾放晶圓處理和加工任務，而且通常比其他類型更精準。相比之下，笛卡爾機器人通常用于半導體測試和包裝任務，以及大尺寸電子產品的加工。另一方面，協作機器人 (Cobot) 用于將高度受保護的潔凈室區域與工廠人員可穿越的潔凈室區域連接起來。協作機器人也越來越多地用于焊接和其他工作，而這些工作曾經幾乎全部由人工完成。
圖 3：芯片元器件自動焊接到 PCB 上。（圖片來源：Dreamstime） 一種稱為三角式機器人的并聯運動學設計的應用也越來越廣泛，尤其是在電子產品裝配方面，但其不在本文的討論范圍內。無論是單獨操作、成對組合操作，還是安裝在工作單元中以輔助 SCARA，半導體制造中的三角式機器人都能提供異常快速和動態的拾放和包裝能力。請閱讀 digikey.com 上關于三角式機器人在半導體行業中應用的文章三角式機器人如何優化和簡化電子制造流程，了解更多關于這些應用的信息。事實上，三角式機器人的運動學特性使其具有高精度和可重復性，適合于裝配光伏電子器件。 機器人依賴末端效應器來提高生產力 先進的潔凈室級機器人末端工具（EoAT 或末端執行器，如抓手）是半導體生產的核心。在這類應用中，EOAT 必須具有高動態性能，并且能夠精確地執行追蹤、放置和裝配等動作。在某些情況下，EoAT 力反饋或機器視覺可通過賦予自適應能力來提高工件處理精度，因此，即使工件位置存在一些變化，也能快速執行拾放程序。鑒于這種傳感器和反饋技術的進步，有時不再需要傳統解決方案中復雜的電子器件處理裝置。
圖 4：小元器件用 EGK 抓手采用 H1 潤滑脂潤滑，并通過了潔凈室認證。（圖片來源：SCHUNK Intec Inc.）
圖 5：電子產品合同制造商大量使用機器人進行電路板測試。（圖片來源：Dreamstime） 六軸機器人服務的靈活工作單元通常執行兩項或更多任務，如一般工件搬運、輸送機和其他機器的操作、機加工、裝配和包裝。同樣，封裝、減振、屏蔽、粘合和密封材料的施用應用通常在一個六軸機器人工作單元內完成。在此工作單元中，機器人末端執行器配有自動工具更換裝置，實現了多任務處理能力，從而使每個工作單元都能發揮最大作用；EoAT 更換速度通常很快，以支持半導體行業的高產能需求。例如，機器人可以使用一個 EoAT 將工件拾放到夾具中。然后（在快速 EoAT 更換之后），機器人可涂抹粘合劑并將最終產品的配接半殼壓在一起。再由第三個 EoAT 將成品裝載到輸出傳送帶上或裝入箱子中。
圖 6：機器人末端執行器可以采用烙鐵頭的形式，將子部件自動裝配到 PCB 上。（圖片來源：Dreamstime） SCARA 機器人在電子制造中的應用 幾十年來，SCARA 一直是半導體晶圓加工、處理和裝配任務的黃金標準，包括： · 沉積與蝕刻 · 熱加工 · 光罩加工 · 電路板裝配 · 測試與計量 畢竟，SCARA 可在其整個圓柱形 360° 范圍內實現高速度，通常能夠比同類六軸和笛卡爾解決方案更快地（有時也更精準）執行拾放任務。更具體地說，一些行業典型的 SCARA 可提供 ±20 μm 以內的線性自由度 (DOF) 可重復性和 ±0.01° 以內的角軸可重復性，并且還提供直接驅動選項，用于平穩輸送相對易碎的薄形晶圓。雖然許多 SCARA 的有效載荷可能限制在 10 kg 或更低，但在半導體應用中這基本不是問題，卻肯定是太陽能板生產相關領域的考慮因素。
圖 7：SCARA 機器人快速、精準地執行拾放晶圓處理和加工任務。（圖片來源：Dreamstime） SCARA 與半導體加工站中使用的輸送機以及晶圓轉盤（也稱為轉臺）搭配使用，可方便地同時在多個電路板上添加元器件或功能。 六軸機器人在電子制造中的應用 工業級關節型機器人有多個旋轉關節，可通過 2 至 10 個 DOF 操縱物體。最常見的關節型機器人是六軸機器人。對于需要潔凈室環境的半導體工藝，六軸機器人非常適合，這些機器人具有適當額定值，結構緊湊，功耗低且占用潔凈室空間小。此類機器人有許多變型，可提供高吞吐量處理和裝配所需的速度與精準性。用于驅動機器人關節的伺服電機與其他類型的機器人類似，但六軸機器人更有可能將這些電機與應變波或擺線齒輪傳動裝置配套使用。 與 SCARA 一樣，六軸機器人也可與半導體加工站中使用的傳送帶配套使用。
圖 8：這款六軸關節型機器人可用于 ISO 5（100 級）潔凈室型號。（圖片來源：Denso Robotics） 六軸機器人的主要優點是，對于給定的聯動裝置尺寸，無論是安裝在地面基座上還是倒置在天花板上，都具有靈巧性和較大的工作范圍。舉例來說，一個折疊后高 600 mm 的六軸機械臂，在各個方向上的可能延伸達到 650 mm，能夠讓每個關節快速且同步掃掠 120° 至 360°，以靈活移動幾克到幾公斤或更重的電子有效載荷。每個關節上的絕對編碼器和基于以太網的網絡可為 PLC、PC 或專用機器人控制及自適應軟件提供運動反饋和連接，以便隨時發送指令和改進過程。這些控制器包括集成的精密末端執行器，例如，用于安全處理微小易碎電子元器件的抓手。 六軸機器人在機器看管和電子產品包裝方面表現出色。除了裝配電路板外，機器人還能將電子器件固定到最終產品的金屬或塑料外殼中，并進行必要的電氣連接。有些六軸機器人還可執行電子產品成品的配套、包裝和碼垛等作業。 笛卡爾機器人在電子制造中的應用 笛卡爾機器人是指采用模塊化線性軸堆棧的機器人，有助于滿足半導體行業對許多工藝中保持潔凈室條件的需求。其可擴展性近乎無限，這意味著可覆蓋從幾厘米到 30 多米的任何范圍。笛卡爾機器人的線性 DOF 可重復性可保持在 ±10 μm 范圍內，末端執行器以及旋轉到線性和直接驅動選項可提供類似的角度可重復性，從而實現特別平穩的晶圓輸送。速度達到每秒 6 米的情況很常見。
圖 9：笛卡爾機器人執行全自動半導體制造任務。請注意，線性馬達提供關鍵軸上高精密度的直接驅動能力。（圖片來源：Dreamstime） 笛卡爾機器通常執行專門的自動化任務，因為其運動學特性往往不如其他類型的機器人靈活和可重新配置。但是，其精確度非常高，特別是當控制裝置使用反饋并生成毫秒級響應的指令時。對于自動化電路板的制造、修整和表面拋光，以及大量裝配例程而言，這種運動乃是關鍵所在。 笛卡爾機器人工作站也是平板顯示器和太陽能電池板等大型電子產品的首選。 笛卡爾機器人特定應用示例 在最大自動化印刷電路板 (PCB) 制造和裝配中，請考慮采用笛卡爾機器人。笛卡爾機器人可以在電路板上方操縱末端執行器，或者采用笛卡爾工作臺的形式，移動 PCB 通過加工設備的覆蓋范圍。例如，這種工作臺可以通過光刻設備移動電路板，在不導電的硅基板上印刷銅電路。在最初的 PCB 印刷過程之后，不屬于設計電路的銅會被化學蝕刻掉。不導電阻焊層隔離了相鄰的走線和元器件。
圖 10：笛卡爾機器人可配裝成像設備（如熱成像相機），用于對采用激光輔助粘接技術生產的 PCB 進行熱成像。（圖片來源：Teledyne FLIR） 在許多 PCB 裝配作業中，笛卡爾機器人接受卷帶或盒帶上的電子子部件送入工作單元。（機器人的拾放頭設計用于拾放各種子部件）。機器人驗證每個子部件的值和極性，然后通過通孔或表面貼裝技術 (SMT) 安裝和焊接子部件。通孔子部件引線插入電路板孔洞中，經過修剪和緊固，然后焊接到電路板背面，以獲得最佳的機械強度（但需要更復雜的裝配程序）。相比之下，SMT 子部件可接受最大程度自動化的大批量固定和焊接程序，因此它們現在在許多電路板設計中占主導地位。盡管如此，對于將大型電容器、變壓器和連接器安裝到電路板上，通孔安裝仍然是最常用的方法。
圖 11a 和 11b：圖中所示為將表面貼裝技術 (SMT) 子部件粘貼到電路板上所用的工具頭。（圖片來源：Dreamstime） 對于 SMT 元器件，在元器件裝配之前，會預先將焊膏涂在 PCB 上。然后，回流焊用熱風熔化焊膏，形成 SMT 元器件接頭。波焊更常用于通孔元器件；焊接中會將電路板穿過在熔融焊料鍋表面形成的駐波。這種機器成本高昂，最適合大規模生產。
圖 12：機器視覺反饋通常會指引笛卡爾系統做出響應。強大的板載處理能力、先進的算法和 FPGA，使 HAWK 智能相機（包括圖中顯示的型號）能夠實現讀碼、驗證、檢測和引導的實時觸發響應，每分鐘可處理 4,000 至 14,000 個零件。事實上，此款相機是介于復雜的 PC 型相機與基本型工業智能相機之間的中間解決方案。（圖片來源：Omron Automation and Safety） 笛卡爾機器人用典型電機和驅動器 笛卡爾機器人與其他機器人解決方案一樣，使用許多相同類型的伺服電機、精密傳動裝置和機電驅動器。需要注意的是，在有些笛卡爾設計中，用于在生產過程中輸送半導體的步進電機不應與所謂的步進重復相機（有時簡稱步進器）混淆。后者對于芯片制造過程中的光刻工藝至關重要。 正如 SCARA 機器人（特別是六軸機器人）越來越多地使用直驅力矩電機一樣，近年來，笛卡爾機器人（在針對半導體行業的設計中）也越來越多地使用線性電機。各種行業標準和專有電機線圈、微型末端定位器、壓電式調節模塊、真空和潔凈室級子系統、線性軸承、控制裝置和其他創新技術與這些直接驅動裝置相輔相成，幫助笛卡爾系統輸出超精細、超快速運動。 協作機器人在電子制造中的應用 在過去十年中，協作機器人 (Cobot) 在半導體行業中的應用激增。有關更多原因，請參閱 DigiKey.com 博客文章使用 Omron TM 協作機器人輕松實現自動化。在半導體制造中，Omron 和其他制造商生產的協作機器人可以在晶圓工作區與潔凈室人員工作區之間架起橋梁，從而提供保護，避免代價高昂的晶圓污染。半導體生產級協作機器人裝置還可防止微粒和潤滑油脫氣污染，同時輔助人工操作的貼裝和焊接操作。
圖 13：HCR-5 系列協作機器人符合 ISO-2 潔凈室規范。（圖片來源：Hanwha Corp./Momentum）
圖 14：KUKA 協作機器人是 Infineon ISO3 晶圓加工潔凈室的設計核心。（圖片來源：KUKA）
圖 15：Infineon 潔凈室中的 KUKA 協作機器人由機電一體化和自動化專家進行專業集成、聯網與編程。（圖片來源：KUKA） 半導體和電子行業的協作機器人必須具備高于平均水平的速度，并輔以先進的動態和控制技術，以防止對輕薄而脆弱的晶圓造成損壞。否則，會形成微小的裂縫。當然，與人工操作相比，適當規格的協作機器人造成裂縫的可能性要小得多。 當元器件被裝配到特別薄的電路板上，而硅熱膨脹的影響令人擔憂時，使用協作機器人進行自動焊接也很合適。當協作機器人要執行這種和其他裝配任務時，通常需要在 EoAT 上集成熱成像或其他電路板檢測設備。這樣可以加快防錯任務的速度，有更高的產量和質量保證，而且通常成本相對較低。 總結 工業機器人可為半導體和電子產品生產提供經濟實惠且靈活的自動化作業。在技術上面臨的挑戰包括：滿足潔凈室等級、高產能，以及小心處理極其昂貴的工件。盡管如此，當今的機器人硬件以及機器人模擬軟件和編程已經簡化了潔凈室機器人解決方案的尺寸設計和選擇。 但更為復雜的是，日益微型化的電子產品越來越精細，這就要求機器人裝配工藝也要跟上。有了可以提供更多先進功能的電機、機械連桿、控制器和網絡，機器人已經可以面對這一挑戰。機械視覺和實時工業聯網等輔助技術，也為機器人提供了全新功能，以用于半導體大批量生產中的操縱、加工和裝配等作業中。 |
