作者：Lisa Eitel

　　介紹

　　據估計，機器人技術在電子制造領域的應用現在可以與汽車行業(yè)相媲美。難怪：制造的芯片、組件和完全組裝的電子產品具有很高的價值，因此它們證明了對自動化技術的投資是合理的。使問題變得復雜的是，產量必須很高，因此吞吐量必須很高，而且產品本質上也很脆弱……某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(tǒng)和機器人進行精確處理，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的原子層沉積機中。 (圖片來源：夢想時光)

　　新興的六軸機器人、選擇性柔性裝配機械臂 (SCARA)、笛卡爾機械和協(xié)作機器人等新興類別加速了半導體制造中機器人技術的采用，這些機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。

　　這些機器人及其輔助設備必須針對潔凈室環(huán)境進行設計、評級和安裝，否則可能會導致精密晶圓受到雜質污染。 ISO 14644-1:2015 定義了要求，該標準按顆粒濃度對潔凈室空氣清潔度進行分類。因此，特別嚴重依賴：

　　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

　　用于機械部件的特種惰性和非氣體潤滑劑

　　機器人體內的真空元件可將任何顆粒引導至隔離的排氣區(qū)域

　　所有機器人關節(jié)的專業(yè)密封

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

　　圖 2：機器人技術和其他自動化技術在微電子產品生產中的應用已超出潔凈室范圍。 (圖片來源：夢想時光)

　　每種機器人類型的優(yōu)點總結

　　盡管應用領域存在大量重疊，但六軸機器人與電子設備組裝的聯(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。相比之下，笛卡爾機器人通常與半導體測試和包裝任務以及大型電子產品的加工相關。另一方面，協(xié)作機器人(cobot)用于將高度受保護的潔凈室區(qū)域與工廠人員可以穿越的潔凈室部分連接起來。協(xié)作機器人在焊接和其他任務中的使用也越來越多，這些任務一度幾乎是手動操作的專有領域。

　　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 機器人的并聯(lián)運動設計也得到了越來越多的采用，尤其是在電子產品組裝方面。無論是單獨操作、成對組合操作，還是安裝以補充工作單元中的 SCARA，半導體制造中的 Delta 機器人都能提供異?？焖?、動態(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半導體行業(yè)中 Delta 機器人的文章，了解有關這些應用的更多信息。事實上，Delta 的運動學賦予了光伏電子組件裝配的準確性和可重復性。

　　機器人技術依靠末端執(zhí)行器來提高生產力

　　先進的潔凈室級機器人臂端工具(EoAT 或末端執(zhí)行器)(例如夾具)是半導體生產的核心。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 力反饋或機器視覺通過賦予自適應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步有時可以使傳統(tǒng)解決方案中復雜的電子處理裝置變得不必要。

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

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

　　考慮一下六軸機器人所服務的靈活工作單元通常如何執(zhí)行兩項或多項任務，例如一般工件搬運、傳送帶和其他機器維護、加工、裝配和包裝。同樣，封裝、減振、屏蔽、粘合和密封材料的應用通常在一個六軸機器人工作單元內執(zhí)行。在這里，機器人末端執(zhí)行器輔以自動換刀裝置，賦予多任務處理能力，因此每個工作單元都能發(fā)揮最大作用; EoAT 轉換通常很快，可以滿足半導體行業(yè)的高吞吐量要求。例如，機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 轉換之后)它可能會涂上粘合劑并將最終產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 機器人

　　幾十年來，SCARA 一直是半導體晶圓加工、搬運和組裝任務的黃金標準，包括：

　　沉積和蝕刻

　　熱處理

　　標線加工

　　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。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 以內的重復性，在角軸上提供 ±0.01° 以內的重復性，以及用于平滑傳輸薄且相對脆弱的晶圓的直接驅動選項。雖然許多 SCARA 的有效載荷可以限制在 10 公斤或更輕，但這在半導體應用中很少成為問題，盡管對于太陽能電池板生產的相關領域來說肯定是一個考慮因素。

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

　　SCARA 與半導體加工站中使用的傳送帶以及晶圓傳送帶(也稱為旋轉臺)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器人

　　工業(yè)級多關節(jié)機器人具有多個旋轉關節(jié)，可以通過 2 到 10 個自由度操縱物體。最常見的鉸接式機器人形式是六軸機器人。需要潔凈室設置的半導體工藝受益于六軸機器人，這些機器人具有適當的額定值并且結構緊湊，可以消耗更少的功率并減少優(yōu)質潔凈室空間。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。驅動機器人關節(jié)的伺服電機與其他機器人類型中的伺服電機類似，但六軸機器人更有可能將這些電機與應變波或擺線齒輪配對。

　　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完美搭配。

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

　　六軸機器人的主要優(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到 650 毫米，能夠快速同時掃描每個關節(jié) 120° 至 360°，以便靈活移動幾克到幾公斤或更多的。每個關節(jié)處的絕對編碼器和基于以太網的網絡為 PLC、PC 或專用機器人控制和自適應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流程。這些控制包括集成復雜的末端執(zhí)行器，例如用于安全處理小型且易碎電子元件的夾具。

　　六軸機器人擅長機器維護和電子產品包裝。除了電路板本身的組裝之外，機器人還可以將電子設備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。一些六軸機器人還可以執(zhí)行電子成品的配套、裝箱和碼垛。

　　電子制造中的笛卡爾機器人

　　笛卡爾機器人——基于線性軸模塊化堆棧的機器人——幫助操作滿足半導體行業(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。笛卡爾機器人在線性自由度上的重復性可保持在 ±10 μm 范圍內，末端執(zhí)行器的角度重復性與旋轉到線性和直接驅動選項相當，可實現特別平穩(wěn)的晶圓傳輸。每秒六米的速度很常見。

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

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

　　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幅面電子產品的首選。

　　具體的笛卡爾機器人應用示例

　　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器人。笛卡爾機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 移動到固定處理設備的范圍內。例如，此類工作臺可以通過光刻設備移動電路板，以將銅電路印刷到非導電硅基板上。然后，在最初的 PCB 印刷過程之后，不屬于設計電路一部分的銅被化學蝕刻掉。非導電阻焊層隔離相鄰的走線和元件。

　　圖 10：笛卡爾機器人可以配備成像設備(例如熱成像相機)，對采用激光輔助焊接技術生產的 PCB 進行熱成像。 (圖片來源：Teledyne FLIR)

　　在許多 PCB 組裝操作中，笛卡爾機器人接受卷帶或盒帶上的電子子組件，送入工作單元。 (機器人的拾放頭設計用于抓取和放置各種子組件。)機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 (SMT) 設置和焊接子組件附件。通孔子組件引線插入板孔，進行修剪和鉚接，然后焊接到板背面以獲得最高機械強度(盡管需要更復雜的組裝程序)。相比之下，SMT 子組件接受最大程度自動化的大批量設置和焊接程序……因此它們現在在許多電路板設計中占據主導地位。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 (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。此類機器成本高昂，最適合大批量制造。

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

　　笛卡爾機器人的典型電機和驅動器

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

　　正如 SCARA，尤其是六軸機器人越來越多地使用直接驅動扭矩電機一樣，笛卡爾機器人(在服務于半導體行業(yè)的設計中)近年來也越來越多地使用線性電機。各種行業(yè)標準和專有電機線圈、微型末端定位器、基于壓電的調節(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)新技術補充了這些直接驅動器，幫助笛卡爾系統(tǒng)輸出超精細超精細快速動作。

　　電子制造中的協(xié)作機器人

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

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

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

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

　　半導體和電子行業(yè)的協(xié)作機器人必須具有高于平均水平的速度能力，并輔以先進的動力和控制，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。當然，與人工相比，適當指定的協(xié)作機器人發(fā)生破損的可能性要小得多。

　　當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)作機器人進行自動焊接也是合適的。如果協(xié)作機器人要執(zhí)行此任務和其他組裝任務，則將熱成像或其他電路板檢查設備集成到 EoAT 上通常是合乎邏輯的。這可以加快防錯任務的速度，從而提高產量和質量保證……通常成本相對較低。

　　結論

　　工業(yè)機器人可以為半導體和電子產品生產提供經濟實惠且靈活的自動化。技術挑戰(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和選擇。

　　使問題變得復雜的是，日益小型化的電子產品的細節(jié)越來越精細，因此需要隨之而來的機器人化裝配過程。機器人技術已經通過電機、機械連桿、控制和網絡來應對這一挑戰(zhàn)，從而提供更先進的功能。機器視覺和實時工業(yè)網絡等補充技術也賦予了機器人技術用于操縱、處理和組裝大批量半導體生產的新能力。