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來(lái)源：Digi-Key 作者：Lisa Eitel 據估計，機器人技術(shù)在電子制造業(yè)中的應用已與汽車(chē)工業(yè)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(chǎn)品具有很高的價(jià)值，因此有理由投資自動(dòng)化技術(shù)。更復雜的是，產(chǎn)量和產(chǎn)能必須很高，而且產(chǎn)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(dòng)系統和機器人具有優(yōu)異的伸展性、速度、力量和靈活性，能夠進(jìn)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(lái)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(xié)作機器人等新興產(chǎn)品的出現加快了機器人技術(shù)在半導體制造領(lǐng)域的應用，這些機器人產(chǎn)品具有可重新配置或模塊化硬件及統一的軟件，可大幅簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)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(zhì)污染。相關(guān)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(jìn)行了分類(lèi)。因此，高度依賴(lài)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(jìn)入潔凈室 · 采用不會(huì )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(huì )產(chǎn)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(guān)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(lèi)機器人可以滿(mǎn)足半導體高產(chǎn)量需求，但會(huì )比移動(dòng)較慢的設備脫落更多顆粒。
圖 2：機器人和其他自動(dòng)化技術(shù)在微電子生產(chǎn)中的應用已不再局限于潔凈室內。（圖片來(lái)源：Dreamstime） 每種機器人的優(yōu)點(diǎn)總結 盡管應用領(lǐng)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(wù)，而且通常比其他類(lèi)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(wù)，以及大尺寸電子產(chǎn)品的加工。另一方面，協(xié)作機器人 (Cobot) 用于將高度受保護的潔凈室區域與工廠(chǎng)人員可穿越的潔凈室區域連接起來(lái)。協(xié)作機器人也越來(lái)越多地用于焊接和其他工作，而這些工作曾經(jīng)幾乎全部由人工完成。
圖 3：芯片元器件自動(dòng)焊接到 PCB 上。（圖片來(lái)源：Dreamstime） 一種稱(chēng)為三角式機器人的并聯(lián)運動(dòng)學(xué)設計的應用也越來(lái)越廣泛，尤其是在電子產(chǎn)品裝配方面，但其不在本文的討論范圍內。無(wú)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�？焖俸蛣�(dòng)態(tài)的拾放和包裝能力。請閱讀 digikey.com 上關(guān)于三角式機器人在半導體行業(yè)中應用的文章三角式機器人如何優(yōu)化和簡(jiǎn)化電子制造流程，了解更多關(guān)于這些應用的信息。事實(shí)上，三角式機器人的運動(dòng)學(xué)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(lài)末端效應器來(lái)提高生產(chǎn)力 先進(jìn)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(chǎn)的核心。在這類(lèi)應用中，EOAT 必須具有高動(dòng)態(tài)性能，并且能夠精確地執行追蹤、放置和裝配等動(dòng)作。在某些情況下，EoAT 力反饋或機器視覺(jué)可通過(guò)賦予自適應能力來(lái)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(shù)的進(jìn)步，有時(shí)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(guò)了潔凈室認證。（圖片來(lái)源：SCHUNK Intec Inc.）
圖 5：電子產(chǎn)品合同制造商大量使用機器人進(jìn)行電路板測試。（圖片來(lái)源：Dreamstime） 六軸機器人服務(wù)的靈活工作單元通常執行兩項或更多任務(wù)，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(gè)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(dòng)工具更換裝置，實(shí)現了多任務(wù)處理能力，從而使每個(gè)工作單元都能發(fā)揮最大作用；EoAT 更換速度通常很快，以支持半導體行業(yè)的高產(chǎn)能需求。例如，機器人可以使用一個(gè) 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(chǎn)品的配接半殼壓在一起。再由第三個(gè) 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(dòng)裝配到 PCB 上。（圖片來(lái)源：Dreamstime） SCARA 機器人在電子制造中的應用 幾十年來(lái)，SCARA 一直是半導體晶圓加工、處理和裝配任務(wù)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(gè)圓柱形 360° 范圍內實(shí)現高速度，通常能夠比同類(lèi)六軸和笛卡爾解決方案更快地（有時(shí)也更精準）執行拾放任務(wù)。更具體地說(shuō)，一些行業(yè)典型的 SCARA 可提供 ±20 μm 以?xún)鹊木�(xiàn)性自由度 (DOF) 可重復性和 ±0.01° 以?xún)鹊慕禽S可重復性，并且還提供直接驅動(dòng)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(wèn)題，卻肯定是太陽(yáng)能板生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)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(wù)。（圖片來(lái)源：Dreamstime） SCARA 與半導體加工站中使用的輸送機以及晶圓轉盤(pán)（也稱(chēng)為轉臺）搭配使用，可方便地同時(shí)在多個(gè)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(yè)級關(guān)節型機器人有多個(gè)旋轉關(guān)節，可通過(guò) 2 至 10 個(gè) DOF 操縱物體。最常見(jiàn)的關(guān)節型機器人是六軸機器人。對于需要潔凈室環(huán)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(lèi)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(dòng)機器人關(guān)節的伺服電機與其他類(lèi)型的機器人類(lèi)似，但六軸機器人更有可能將這些電機與應變波或擺線(xiàn)齒輪傳動(dòng)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(guān)節型機器人可用于 ISO 5（100 級）潔凈室型號。（圖片來(lái)源：Denso Robotics） 六軸機器人的主要優(yōu)點(diǎn)是，對于給定的聯(lián)動(dòng)裝置尺寸，無(wú)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(lái)說(shuō)，一個(gè)折疊后高 600 mm 的六軸機械臂，在各個(gè)方向上的可能延伸達到 650 mm，能夠讓每個(gè)關(guān)節快速且同步掃掠 120° 至 360°，以靈活移動(dòng)幾克到幾公斤或更重的電子有效載荷。每個(gè)關(guān)節上的絕對編碼器和基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )可為 PLC、PC 或專(zhuān)用機器人控制及自適應軟件提供運動(dòng)反饋和連接，以便隨時(shí)發(fā)送指令和改進(jìn)過(guò)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(chǎn)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(chǎn)品的金屬或塑料外殼中，并進(jìn)行必要的電氣連接。有些六軸機器人還可執行電子產(chǎn)品成品的配套、包裝和碼垛等作業(yè)。 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(xiàn)性軸堆棧的機器人，有助于滿(mǎn)足半導體行業(yè)對許多工藝中保持潔凈室條件的需求。其可擴展性近乎無(wú)限，這意味著(zhù)可覆蓋從幾厘米到 30 多米的任何范圍。笛卡爾機器人的線(xiàn)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(xiàn)性和直接驅動(dòng)選項可提供類(lèi)似的角度可重復性，從而實(shí)現特別平穩的晶圓輸送。速度達到每秒 6 米的情況很常見(jiàn)。
圖 9：笛卡爾機器人執行全自動(dòng)半導體制造任務(wù)。請注意，線(xiàn)性馬達提供關(guān)鍵軸上高精密度的直接驅動(dòng)能力。（圖片來(lái)源：Dreamstime） 笛卡爾機器通常執行專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)化任務(wù)，因為其運動(dòng)學(xué)特性往往不如其他類(lèi)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(shí)。對于自動(dòng)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(dòng)乃是關(guān)鍵所在。 笛卡爾機器人工作站也是平板顯示器和太陽(yáng)能電池板等大型電子產(chǎn)品的首選。 笛卡爾機器人特定應用示例 在最大自動(dòng)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(dòng) PCB 通過(guò)加工設備的覆蓋范圍。例如，這種工作臺可以通過(guò)光刻設備移動(dòng)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(guò)程之后，不屬于設計電路的銅會(huì )被化學(xué)蝕刻掉。不導電阻焊層隔離了相鄰的走線(xiàn)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(shù)生產(chǎn)的 PCB 進(jìn)行熱成像。（圖片來(lái)源：Teledyne FLIR） 在許多 PCB 裝配作業(yè)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(gè)子部件的值和極性，然后通過(guò)通孔或表面貼裝技術(shù) (SMT) 安裝和焊接子部件。通孔子部件引線(xiàn)插入電路板孔洞中，經(jīng)過(guò)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(dòng)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(shù) (SMT) 子部件粘貼到電路板上所用的工具頭。（圖片來(lái)源：Dreamstime） 對于 SMT 元器件，在元器件裝配之前，會(huì )預先將焊膏涂在 PCB 上。然后，回流焊用熱風(fēng)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(huì )將電路板穿過(guò)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(chǎn)。
圖 12：機器視覺(jué)反饋通常會(huì )指引笛卡爾系統做出響應。強大的板載處理能力、先進(jìn)的算法和 FPGA，使 HAWK 智能相機（包括圖中顯示的型號）能夠實(shí)現讀碼、驗證、檢測和引導的實(shí)時(shí)觸發(fā)響應，每分鐘可處理 4,000 至 14,000 個(gè)零件。事實(shí)上，此款相機是介于復雜的 PC 型相機與基本型工業(yè)智能相機之間的中間解決方案。（圖片來(lái)源：Omron Automation and Safety） 笛卡爾機器人用典型電機和驅動(dòng)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(lèi)型的伺服電機、精密傳動(dòng)裝置和機電驅動(dòng)器。需要注意的是，在有些笛卡爾設計中，用于在生產(chǎn)過(guò)程中輸送半導體的步進(jìn)電機不應與所謂的步進(jìn)重復相機（有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)步進(jìn)器）混淆。后者對于芯片制造過(guò)程中的光刻工藝至關(guān)重要。 正如 SCARA 機器人（特別是六軸機器人）越來(lái)越多地使用直驅力矩電機一樣，近年來(lái)，笛卡爾機器人（在針對半導體行業(yè)的設計中）也越來(lái)越多地使用線(xiàn)性電機。各種行業(yè)標準和專(zhuān)有電機線(xiàn)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(xiàn)性軸承、控制裝置和其他創(chuàng )新技術(shù)與這些直接驅動(dòng)裝置相輔相成，幫助笛卡爾系統輸出超精細、超快速運動(dòng)。 協(xié)作機器人在電子制造中的應用 在過(guò)去十年中，協(xié)作機器人 (Cobot) 在半導體行業(yè)中的應用激增。有關(guān)更多原因，請參閱 DigiKey.com 博客文章使用 Omron TM 協(xié)作機器人輕松實(shí)現自動(dòng)化。在半導體制造中，Omron 和其他制造商生產(chǎn)的協(xié)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(jià)高昂的晶圓污染。半導體生產(chǎn)級協(xié)作機器人裝置還可防止微粒和潤滑油脫氣污染，同時(shí)輔助人工操作的貼裝和焊接操作。
圖 13：HCR-5 系列協(xié)作機器人符合 ISO-2 潔凈室規范。（圖片來(lái)源：Hanwha Corp./Momentum）
圖 14：KUKA 協(xié)作機器人是 Infineon ISO3 晶圓加工潔凈室的設計核心。（圖片來(lái)源：KUKA）
圖 15：Infineon 潔凈室中的 KUKA 協(xié)作機器人由機電一體化和自動(dòng)化專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)業(yè)集成、聯(lián)網(wǎng)與編程。（圖片來(lái)源：KUKA） 半導體和電子行業(yè)的協(xié)作機器人必須具備高于平均水平的速度，并輔以先進(jìn)的動(dòng)態(tài)和控制技術(shù)，以防止對輕薄而脆弱的晶圓造成損壞。否則，會(huì )形成微小的裂縫。當然，與人工操作相比，適當規格的協(xié)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(yōu)時(shí)，使用協(xié)作機器人進(jìn)行自動(dòng)焊接也很合適。當協(xié)作機器人要執行這種和其他裝配任務(wù)時(shí)，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(wù)的速度，有更高的產(chǎn)量和質(zhì)量保證，而且通常成本相對較低。 總結 工業(yè)機器人可為半導體和電子產(chǎn)品生產(chǎn)提供經(jīng)濟實(shí)惠且靈活的自動(dòng)化作業(yè)。在技術(shù)上面臨的挑戰包括：滿(mǎn)足潔凈室等級、高產(chǎn)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(jīng)簡(jiǎn)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(chǎn)品越來(lái)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(jìn)功能的電機、機械連桿、控制器和網(wǎng)絡(luò )，機器人已經(jīng)可以面對這一挑戰。機械視覺(jué)和實(shí)時(shí)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)等輔助技術(shù)，也為機器人提供了全新功能，以用于半導體大批量生產(chǎn)中的操縱、加工和裝配等作業(yè)中。 |
