Die Leistungsfähigkeit von Halbleitern gibt den Takt der Innovationen an. Das gilt für die industrielle Automatisierung ebenso wie für die Kommunikation über Handy, Laptop und Co, für die smarte Gebäudetechnik und für die Automobilindustrie. Und der Markt wächst weiter. 2018 erzielte die internationale Halbleiterindustrie einen Umsatz von 481 Mrd. US-Dollar, 2022 sollen es laut einer Studie von PwC schon 525 Mrd. US-Dollar sein.

Von dieser Entwicklung profitiert auch die Roboterindustrie, weil zum Beispiel die neuesten Generationen von Steuerungen und Controllern zusätzliche Funktionen bieten. Umgekehrt beschleunigt die Innovationskraft der Roboterhersteller auch die Effizienz und Produktivität der Mikroprozessor-Hersteller.

Ein Beispiel: Kuka bietet ein breites Programm an extrem flexiblen Robotern, die sich an vielseitige Handling-Anforderungen schnell anpassen lassen – schließlich ist der Lebenszyklus von Halbleitern kurz und der Markt entsprechend volatil.

Mobiles Handlingsystem für den Reinraum

Einzelne Schritte der Produktion lassen sich auf diese Weise sehr gut und auf hohem Qualitätsniveau automatisieren. Eine Ausnahme bildete bislang der Transport der Halbleiter-Substrate (Wafer) von einer Arbeitsstation zur nächsten. Dabei ist eine vollständige Automation hier schon deshalb gefragt, weil die Reinraumbedingungen in der ‚mannlosen Fertigung‘ viel besser zu gewährleisten sind. Bislang stand dem aber die mangelnde Präzision entgegen, mit der mobile Roboter verfahren und greifen.

Nun hat Kuka die nach eigenen Angaben weltweit erste Lösung aus einer Hand entwickelt, die Halbleiter-Kassetten automatisiert transportieren und handhaben kann: die ‚Semi Mobility Solution‘. Dazu ist ein Leichtbauroboter der ‚LBR iiwa‘-Serie auf einem autonomen Fahrerlosen Transportfahrzeug (FTF) vom Typ ‚KMR 200 CR‘ montiert. Das FTF kann auf engstem Raum manövrieren - und für die Handhabung wurde ein spezielles Greifersystem entwickelt.
 

Beim mobilen Roboter wird der Greifvorgang selbst durch eine Bildverarbeitung geführt.

© Kuka

Die ‚Semi Mobility Solution‘ fährt zu einem Übergabepunkt, an dem sich Transportboxen für Wafer befinden. Wenn das FTF sein Ziel erreicht hat, ist der Roboterarm in der Lage, mit Hilfe eines integrierten Bildverarbeitungssensors seine Position exakt zu bestimmen und eine Feinkalibrierung vorzunehmen. Dies versetzt den Roboter in die Lage, die Transportbox mit hoher Genauigkeit zu greifen und die sensiblen Wafer erschütterungsfrei in einer Ablage auf der FTF-Plattform abzusetzen. Dabei können Boxen in zwei Größen für Wafer mit 200 oder 300 mm Durchmesser gehandhabt und transportiert werden. Am Ziel angekommen, legt der Roboter die Transportboxen an der jeweiligen Bearbeitungsanlage ab.
Im Raum verfährt die ‚Semi Mobility Solution‘ auf der Basis hinterlegter Ziele, wählt die Route dorthin aber selbst. Möglich wird dies durch die Navigierfähigkeit der ‚LBR iiwa‘-Plattform, die sensitiv und sicher autonom unterwegs ist. Laserscanner unterstützen das Umgebungstracking, indem sie die Umgebung in Echtzeit wahrnehmen und so Kollisionen vermeiden.

Die sicherheitsgerichtete Umfeld-Erkennung schafft auch die Voraussetzung dafür, dass die Plattform als Cobot ohne Schutzzaun, in unmittelbarer Nähe des Bedienpersonals, einsetzbar ist. Der Greifvorgang selbst wird per Bildverarbeitung geführt.

Bildverarbeitungssensor führt den Greifvorgang

Bei der Auswahl des Bildverarbeitungssystems entschieden sich die Kuka-Entwickler für Sensoren vom Typ ‚In-Sight 2000‘ von Cognex. Diese Sensoren verbinden die Leistung von Bildverarbeitungssystemen mit der Einfachheit und den günstigen Kosten eines Industriesensors. Zudem bieten sie hohe Flexibilität bei der Montage auf kleinstem Raum – eine wesentliche Eigenschaft, da der Bildverarbeitungssensor auf dem Roboterarm mitfährt. Auch der minimierte Verkabelungsaufwand des Sensors - dank seiner Integration via Ethernet und PoE – ist ein Grund für die getroffene Entscheidung. Zudem ist die Logik beim ‚In-Sight 2000‘ ins Gerät integriert, und die Bildverarbeitung lässt sich ganz einfach ‚teachen‘.

Eine Bildverarbeitung von Typ In-Sight 2000 von Cognex übernimmt die Referenzierung und das millimetergenaue Positionieren des Greifers. Dabei sorgt ein integriertes LED-Ringlicht für eine gleichmäßige Beleuchtung auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen.

© Cognex

Das integrierte LED-Ringlicht des BV-Sensors sorgt für eine gleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Bild, unabhängig von der aktuellen Lichtsituation. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen wichtig, da nicht überall die gleiche Beleuchtung herrscht und auch Tages- und Jahreszeiten die Bildqualität beeinflussen.

Im Praxisbetrieb der ‚Semi Mobility Solution‘ fährt der Robotergreifer zunächst an die Transportbox heran. Dann wird die Bildverarbeitung aktiv: Sie erkennt den Offset zum in der Steuerung hinterlegten Zielpunkt und referenziert auf dieser Basis die Position des Greifers, der daraufhin mit der erforderlichen Präzision im Millimeterbereich die jeweilige Transportbox greifen kann. Eine integrierte Kalibrierfunktion sorgt für dauerhaft präzises Positionieren.

Kuka hat die ersten ‚Semi Mobility Solutions' bereits an internationale Halbleiter-Hersteller ausgeliefert. Die mobilen Roboter arbeiten unter Reinraumbedingungen und sind hier nach ISO Klasse 3 (IPA), UL 1740 und UL 1998 zertifiziert. Sie können auch im Flottenverbund eingesetzt werden.

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