作者：Lisa Eitel

　　介绍

　　据估计，机器人技术在电子制造领域的应用现在可以与汽车行业相媲美。难怪：制造的芯片、组件和完全组装的电子产品具有很高的价值，因此它们证明了对自动化技术的投资是合理的。使问题变得复杂的是，产量必须很高，因此吞吐量必须很高，而且产品本质上也很脆弱……某些应用的半导体晶圆现在只有 140 µm 厚。这些应用参数要求运动系统和机器人进行精确处理，具有卓越的范围、速度、力量和灵活性以及洁净室合规性。

　　图 1：此处，一块精致的晶圆被放入位于洁净室内的原子层沉积机中。 (图片来源：梦想时光)

　　新兴的六轴机器人、选择性柔性装配机械臂 (SCARA)、笛卡尔机械和协作机器人等新兴类别加速了半导体制造中机器人技术的采用，这些机器人具有可重新配置或模块化硬件以及统一软件，可大大简化实施。

　　这些机器人及其辅助设备必须针对洁净室环境进行设计、评级和安装，否则可能会导致精密晶圆受到杂质污染。 ISO 14644-1:2015 定义了要求，该标准按颗粒浓度对洁净室空气清洁度进行分类。因此，特别严重依赖：

　　精确的集成、包装、运输和安装方法，防止颗粒物搭便车进入洁净室

　　不会剥落或以其他方式降解的特种涂层

　　不锈钢外壳和其他可行的元件

　　用于机械部件的特种惰性和非气体润滑剂

　　机器人体内的真空元件可将任何颗粒引导至隔离的排气区域

　　所有机器人关节的专业密封

　　后者对于满足高半导体吞吐量需求但比移动速度较慢的设备脱落更多颗粒的高速机器人尤其重要。

　　图 2：机器人技术和其他自动化技术在微电子产品生产中的应用已超出洁净室范围。 (图片来源：梦想时光)

　　每种机器人类型的优点总结

　　尽管应用领域存在大量重叠，但六轴机器人与电子设备组装的联系最为密切。 SCARA 可以 360° 操纵电子元件，比其他选项更快、更精确地执行拾取和放置晶圆处理和处理任务。相比之下，笛卡尔机器人通常与半导体测试和包装任务以及大型电子产品的加工相关。另一方面，协作机器人(cobot)用于将高度受保护的洁净室区域与工厂人员可以穿越的洁净室部分连接起来。协作机器人在焊接和其他任务中的使用也越来越多，这些任务一度几乎是手动操作的专有领域。

　　图 3：此处显示的是芯片元件自动焊接到 PCB 上的情况。 (图片来源：梦想时光)

　　尽管超出了本文的范围，但被称为 Delta 机器人的并联运动设计也得到了越来越多的采用，尤其是在电子产品组装方面。无论是单独操作、成对组合操作，还是安装以补充工作单元中的 SCARA，半导体制造中的 Delta 机器人都能提供异常快速、动态的拾取和包装能力。请阅读 digikey.com Delta Robotics 如何优化和简化电子制造流程有关半导体行业中 Delta 机器人的文章，了解有关这些应用的更多信息。事实上，Delta 的运动学赋予了光伏电子组件装配的准确性和可重复性。

　　机器人技术依靠末端执行器来提高生产力

　　先进的洁净室级机器人臂端工具(EoAT 或末端执行器)(例如夹具)是半导体生产的核心。在这里，EOAT 必须具有高动态性以及精确执行追踪、放置和组装的能力。在某些情况下，EoAT 力反馈或机器视觉通过赋予自适应功能来提高零件处理精度，因此即使工件位置存在一些变化，也可以快速执行拾放例程。这种传感器和反馈的进步有时可以使传统解决方案中复杂的电子处理装置变得不必要。

　　图 4：小部件EGK 夹具采用 H1 润滑脂进行润滑，并获得运动洁净室认证。 (图片来源：SCHUNK Intec Inc.)

　　图 5：电子合同制造大量使用机器人技术进行电路板测试。 (图片来源：梦想时光)

　　考虑一下六轴机器人所服务的灵活工作单元通常如何执行两项或多项任务，例如一般工件搬运、传送带和其他机器维护、加工、装配和包装。同样，封装、减振、屏蔽、粘合和密封材料的应用通常在一个六轴机器人工作单元内执行。在这里，机器人末端执行器辅以自动换刀装置，赋予多任务处理能力，因此每个工作单元都能发挥最大作用; EoAT 转换通常很快，可以满足半导体行业的高吞吐量要求。例如，机器人可能会使用一个 EoAT 来拾取物品并将其放置到固定装置中。然后(在快速 EoAT 转换之后)它可能会涂上粘合剂并将最终产品的两半外壳压在一起。第三个 EoAT 可能会将成品装载到出站传送带上或装入箱子中。

　　图 6：机器人末端执行器可以采用烙铁头的形式，将子组件自动组装到 PCB 上。 (图片来源：梦想时光)

　　电子制造中的 SCARA 机器人

　　几十年来，SCARA 一直是半导体晶圆加工、搬运和组装任务的黄金标准，包括：

　　沉积和蚀刻

　　热处理

　　标线加工

　　电路板组装

　　测试和计量

　　毕竟，SCARA 在其圆柱形 360° 范围内提供高速 - 通常能够比同类六轴和笛卡尔解决方案更快(有时更精确)地执行拾取和放置任务。更具体地说，一些行业典型的 SCARA 在线性自由度 (DOF) 上提供 ±20 μm 以内的重复性，在角轴上提供 ±0.01° 以内的重复性，以及用于平滑传输薄且相对脆弱的晶圆的直接驱动选项。虽然许多 SCARA 的有效载荷可以限制在 10 公斤或更轻，但这在半导体应用中很少成为问题，尽管对于太阳能电池板生产的相关领域来说肯定是一个考虑因素。

　　图 7：SCARA 机器人快速准确地执行拾放晶圆搬运和加工任务。 (图片来源：梦想时光)

　　SCARA 与半导体加工站中使用的传送带以及晶圆传送带(也称为旋转台)完美搭配，旨在方便一次向多个电路板添加组件或功能。

　　电子制造中的六轴机器人

　　工业级多关节机器人具有多个旋转关节，可以通过 2 到 10 个自由度操纵物体。最常见的铰接式机器人形式是六轴机器人。需要洁净室设置的半导体工艺受益于六轴机器人，这些机器人具有适当的额定值并且结构紧凑，可以消耗更少的功率并减少优质洁净室空间。为了提供高吞吐量处理和组装所需的速度和精度，有很多变化。驱动机器人关节的伺服电机与其他机器人类型中的伺服电机类似，但六轴机器人更有可能将这些电机与应变波或摆线齿轮配对。

　　与 SCARA 一样，六轴机器人也可与半导体加工站中使用的传送带完美搭配。

　　图 8：这款六轴关节型机器人提供 ISO 5(100 级)洁净室型号。 (图片来源：电装机器人)

　　六轴机器人的主要优势在于其灵巧性和给定连杆组尺寸的大工作量——无论是安装在地板底座上还是从天花板倒置安装。举例来说，折叠时高 600 毫米的六轴臂在所有方向上可能达到 650 毫米，能够快速同时扫描每个关节 120° 至 360°，以便灵活移动几克到几公斤或更多的。每个关节处的绝对编码器和基于以太网的网络为 PLC、PC 或专用机器人控制和自适应软件提供运动反馈和连接，以便随着时间的推移指挥和改进流程。这些控制包括集成复杂的末端执行器，例如用于安全处理小型且易碎电子元件的夹具。

　　六轴机器人擅长机器维护和电子产品包装。除了电路板本身的组装之外，机器人还可以将电子设备固定到最终产品的金属或塑料外壳中，并进行必要的电气连接。一些六轴机器人还可以执行电子成品的配套、装箱和码垛。

　　电子制造中的笛卡尔机器人

　　笛卡尔机器人——基于线性轴模块化堆栈的机器人——帮助操作满足半导体行业对许多工艺维持洁净室条件的需求。近乎无限的可扩展性意味着旅行可以覆盖从几厘米到超过 30 米的任何距离。笛卡尔机器人在线性自由度上的重复性可保持在 ±10 μm 范围内，末端执行器的角度重复性与旋转到线性和直接驱动选项相当，可实现特别平稳的晶圆传输。每秒六米的速度很常见。

　　图 9：笛卡尔机器人执行全自动半导体制造任务。请注意在关键轴上提供高精度直接驱动的线性电机。 (图片来源：梦想时光)

　　笛卡尔机械通常执行专用的自动化任务，因为其运动学往往不如其他机器人类型灵活和可重新配置。然而，准确性非常出色……尤其是当控件使用反馈并生成毫秒响应命令时。这种运动是自动化电路板制造的关键。修整和表面抛光;和广泛的装配例程。

　　笛卡尔机器人工作站也是平板显示器和太阳能电池板等大幅面电子产品的首选。

　　具体的笛卡尔机器人应用示例

　　考虑在最自动化的印刷电路板 (PCB) 制造和组装中使用笛卡尔机器人。笛卡尔机器人要么在电路板上操纵末端执行器，要么采用笛卡尔工作台的形式，将 PCB 移动到固定处理设备的范围内。例如，此类工作台可以通过光刻设备移动电路板，以将铜电路印刷到非导电硅基板上。然后，在最初的 PCB 印刷过程之后，不属于设计电路一部分的铜被化学蚀刻掉。非导电阻焊层隔离相邻的走线和元件。

　　图 10：笛卡尔机器人可以配备成像设备(例如热成像相机)，对采用激光辅助焊接技术生产的 PCB 进行热成像。 (图片来源：Teledyne FLIR)

　　在许多 PCB 组装操作中，笛卡尔机器人接受卷带或盒带上的电子子组件，送入工作单元。 (机器人的拾放头设计用于抓取和放置各种子组件。)机器人验证每个子组件的值和极性，然后通过通孔或表面贴装技术 (SMT) 设置和焊接子组件附件。通孔子组件引线插入板孔，进行修剪和铆接，然后焊接到板背面以获得最高机械强度(尽管需要更复杂的组装程序)。相比之下，SMT 子组件接受最大程度自动化的大批量设置和焊接程序……因此它们现在在许多电路板设计中占据主导地位。也就是说，通孔安装仍然是连接大型电容器、变压器、和连接器到板。

　　图 11a 和 11b：此处显示的是用于将表面贴装技术 (SMT) 子组件固定到电路板上的工具头。 (图片来源：梦想时光)

　　对于 SMT 元件，在元件组装之前将焊膏预先涂敷到 PCB 上。然后回流焊接使用热空气熔化焊膏以形成 SMT 元件连接。波峰焊对于通孔元件更为常见;这涉及到使电路板穿过熔化焊料盘表面上形成的驻波。此类机器成本高昂，最适合大批量制造。

　　图 12：机器视觉反馈通常会影响笛卡尔系统响应。强大的板载处理能力、先进的算法和 FPGA 让 HAWK 智能相机(包括此处所示的型号)实现了每分钟 4,000 至 14,000 个零件的代码读取、验证、检查和引导的实时触发响应。事实上，这款相机是复杂的基于 PC 的相机和基本工业智能相机之间的中间解决方案。 (图片来源：欧姆龙自动化与安全)

　　笛卡尔机器人的典型电机和驱动器

　　笛卡尔机器人使用许多与其他机器人解决方案相同类型的伺服电机、精密齿轮和机电驱动器。需要注意的是，一些在生产过程中传输半导体的笛卡尔设计中的步进电机不应与所谓的步进重复相机(有时简称为步进电机)相混淆。后者对于芯片制造过程中的光刻工艺至关重要。

　　正如 SCARA，尤其是六轴机器人越来越多地使用直接驱动扭矩电机一样，笛卡尔机器人(在服务于半导体行业的设计中)近年来也越来越多地使用线性电机。各种行业标准和专有电机线圈、微型末端定位器、基于压电的调节模块、真空和洁净室级子系统、线性轴承、控制装置和其他创新技术补充了这些直接驱动器，帮助笛卡尔系统输出超精细超精细快速动作。

　　电子制造中的协作机器人

　　过去十年来，协作机器人 (cobot) 在半导体行业激增。有关此问题的更多原因，请参阅 DigiKey.com 博客，使用 Omron TM 协作机器人轻松实现自动化。在半导体制造中，欧姆龙和其他制造商的协作机器人可以通过桥接保护晶圆工作区和洁净室人员服务的区域来防止代价高昂的晶圆污染。半导体生产级协作机器人安装还可防止颗粒和润滑剂排气污染，同时补充放置和焊接的手动操作。

　　图 13：HCR-5 系列协作机器人符合 ISO-2 洁净室规范。 (图片来源：韩华公司/Momentum)

　　图 14：KUKA 协作机器人 (cobots) 是英飞凌 ISO3 晶圆加工洁净室设计的核心。 (图片来源：库卡)

　　图 15：英飞凌洁净室中的KUKA协作机器人由机电一体化和自动化专家进行专业集成、联网和编程。 (图片来源：库卡)

　　半导体和电子行业的协作机器人必须具有高于平均水平的速度能力，并辅以先进的动力和控制，以防止薄且脆弱的晶圆发生振动。否则，可能会形成微小的裂纹。当然，与人工相比，适当指定的协作机器人发生破损的可能性要小得多。

　　当组件被组装到特别薄的板上并且硅热膨胀的影响是一个问题时，使用协作机器人进行自动焊接也是合适的。如果协作机器人要执行此任务和其他组装任务，则将热成像或其他电路板检查设备集成到 EoAT 上通常是合乎逻辑的。这可以加快防错任务的速度，从而提高产量和质量保证……通常成本相对较低。

　　结论

　　工业机器人可以为半导体和电子产品生产提供经济实惠且灵活的自动化。技术挑战是需要满足洁净室等级、高吞吐量以及小心处理极其昂贵的工件。即便如此，当今的机器人硬件以及机器人模拟软件和编程已经简化了洁净室机器人解决方案的尺寸和选择。

　　使问题变得复杂的是，日益小型化的电子产品的细节越来越精细，因此需要随之而来的机器人化装配过程。机器人技术已经通过电机、机械连杆、控制和网络来应对这一挑战，从而提供更先进的功能。机器视觉和实时工业网络等补充技术也赋予了机器人技术用于操纵、处理和组装大批量半导体生产的新能力。