SCARA、六軸與笛卡爾拾放機器人如何最佳化並簡化電子製造流程

介紹

一些預測數據顯示，現今的機器人在電子製造業的使用普遍性並不亞於汽車業。這不足為奇：半導體製程晶片、元件和完整組裝的電子產品全都是高價產品，所以針對它們進行自動化技術的投資很合理。但由於數量的需求導致產量必須很高，加上產品本身也很精密，因此增添複雜性，再加上部分應用使用的半導體晶圓厚度僅 140 µm。這些應用參數要求動作系統和機器人能夠執行精確處理，必須具備卓越的延伸長度、速度、力量和敏捷性，還要滿足無塵室的要求。

圖 1：將精密晶圓放入無塵室的原子層沉積設備。(圖片來源：Dreamstime)

新興的六軸機器人、選擇順應性裝配機械手臂 (SCARA)、笛卡爾機械及協作機器人推動機器人在半導體製造中的加速採用。其中，協作機器人具備可重新配置或模組化的硬體及整合軟體，可大幅簡化實作。

這些機器人及其輔助設備的設計、評等和安裝必須滿足無塵室環境要求，否則可能會導致雜質污染精密的晶圓。相關要求依據 ISO 14644-1:2015 定義，此標準按微粒濃度，對無塵室的空氣潔淨度進行分類。因此，必須特別注重：

• 採用嚴格的整合、包裝、運送和安裝方法，藉以防止微粒進入無塵室
• 使用不會剝落或因其他原因而降額的特種塗層
• 在可行情況下使用不鏽鋼外殼和其他元件
• 機械元件使用不會產生氣體的專用惰性潤滑劑
• 機器人機體內的元件經過吸塵，將任何微粒引導至隔離的排氣區域
• 所有機械人關節採用專用密封

最後一項對於高速機器人來說特別重要，因為這類機器人可以滿足半導體的高產量需求，但會比移動較慢的設備脫落更多微粒。

圖 2：在無塵室以外的環境，使用機器人和其他自動化設備生產微電子產品。(圖片來源：Dreamstime)

每種機器人類型的優點摘要

儘管各種機器人有很多相同應用，但六軸機器人最常用於電子元件組裝。SCARA 以 360° 操縱電子元件，可以更快進行晶圓拾放的處理和加工作業，而且通常也比其他選項更精確。笛卡爾機器人則是常用於半導體測試和封裝相關作業，以及大幅面電子產品的加工。另一方面，協作機器人 (cobot) 為受高度保護的無塵室區域，以及工廠人員可穿越的無塵室區段之間，擔任橋樑的角色。在焊接和其他原先幾乎只能手動操作的作業中，也越來越常使用協作機器人。

圖 3：將晶片元件自動焊接到印刷電路板上。(圖片來源：Dreamstime)

雖然不在本文討論範圍內，但一種稱為三角式機器人 (delta robot) 的平行動力學設計，也有越來越多應用採用，特別是用於電子產品組裝。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，半導體製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。如需深入瞭解這類應用，請閱讀 digikey.tw 網站中有關半導體產業使用三角式機器人的文章《三角式機器人如何最佳化與簡化電子製造流程》。事實上，三角式機器人的動力學特性提供準確度和可重複性，適合光電電子產品的組裝。

機器人依賴末端執行器來提高生產力

包括抓取器在內的先進無塵室等級機械手臂末端工具 (EoAT 或末端執行器)，是半導體生產的核心要件。在此應用中，EoAT 必須具備高動態性，並且能夠以嚴格精密度執行追蹤、置放和組裝等動作。在某些情況下，EoAT 力回授或機械視覺功能，可藉著提供自適應能力，提升零件處理的準確度，因此，即便工件位置有一些變化，也可以快速執行拾放常態作業。這類在感測器和回授上的改進，有時會使得傳統解決方案中複雜的電子處理夾具變得多餘而不必要。

圖 4：小型元件型 EGK 抓取器以 H1 油脂潤滑，並取得無塵室認證。(圖片來源：SCHUNK Intec Inc.)

圖 5：電子產品代工廠大量利用機器人進行電路板測試。(圖片來源：Dreamstime)

運用六軸機器人的工作單元通常極為靈活，可執行兩項以上作業，例如一般工件搬運、輸送帶和其他機器管理、加工、組裝和包裝。同樣的，封裝、減振、屏蔽、黏合和密封材料的施用，通常在一個六軸機器人工作單元內執行。此處，自動換刀裝置可以輔助機器人末端執行器，提供多工處理能力，因此，每個工作單元都能發揮最大作用；EoAT 轉換通常很快，可支援半導體產業高產能要求。例如，機器人可能會使用一個 EoAT 將工件拾放至夾具中。然後在快速更換 EoAT 後，機器人可為最終產品的兩個半型殼體塗抹黏合劑並壓實接合。第三個 EoAT 可能會將成品載入輸出輸送帶或箱子中。

圖 6：機器人末端執行器可以做為烙鐵頭，將子元件自動組裝到印刷電路板上。(圖片來源：Dreamstime)

SCARA 機器人在電子製造領域的應用

數十年來，SCARA 一直是半導體晶圓加工、處理和組裝作業的表率，相關作業包括：

• 沉積與蝕刻
• 熱加工
• 光罩加工
• 電路板組裝
• 測試與計量

畢竟，SCARA 可在其整個圓柱形 360° 觸及範圍內達到高速，通常比類似的六軸和笛卡爾解決方案更快 (有時也更精確) 執行拾放作業。更明確地說，一些產業典型的 SCARA 可在線性自由度 (DOF) 上提供 ±20 μm 以內的重現性，在角軸上提供 ±0.01° 的重現性，並且還具備直接驅動選項，能平穩運送相對易碎的薄形晶圓。儘管許多 SCARA 的酬載會限制在 10 kg 或更輕的重量，但這在半導體應用中不會是一個問題，卻絕對是太陽能板生產相關領域的考量因素。

圖 7：SCARA 機器人可快速且精確地執行晶圓拾放的處理和加工作業。(圖片來源：Dreamstime)

SCARA 完美搭配半導體加工站的輸送帶及晶圓轉盤 (也稱為迴轉工作台)，能加速為多個電路板逐一添加元件或功能。

六軸機器人在電子製造領域的應用

工業級關節型機器人具有多個旋轉關節，能以 2 至 10 個自由度操縱物體。最常見的關節型機器人是六軸機器人。對於需要無塵室環境的半導體製程，六軸機器人可以提供一些優勢，這些機器人具有適當等級且體積小巧，能耗更低，而且佔用較少寶貴的無塵室面積。具備多種變款，可提供高產能處理和組裝所需的速度和準確度。驅動機器人關節使用的伺服馬達與其他類型的機器人相似，但六軸機器人更能讓這些馬達搭配波動齒輪或擺線齒輪使用。

如同 SCARA，六軸機器人也能與半導體加工站中的輸送帶良好搭配。

圖 8：此款六軸關節型機器人提供 ISO 5 (100 類) 無塵室型號。(圖片來源：Denso Robotics)

無論是安裝在樓板地基上，還是從天花板上倒轉安裝，六軸機器人的主要優點為其敏捷性，以及特定連桿組尺寸所具有的廣大工作範圍。舉例來說，摺疊時高 600 mm 的六軸機械臂，在所有方向上可能可以延伸至 650 mm，並且能夠讓每個關節快速且同步掃過 120° 到 360°，使幾克到幾公斤或更重的電子酬載都能夠靈活移動。每個關節的絕對編碼器和乙太網路式網路連線，可為 PLC、PC 或專用機器人控制器和自適應軟體提供動作回授和連接，以便隨時對製程發出命令並加以改善。這些控制器包括整合的精密末端執行器，例如，可以安全處理小型易碎電子元件的抓取器。

在機器管理和電子產品封裝方面，六軸機器人有出色的表現。除了組裝電路板外，機器人還能將電子元件固定到終端產品的金屬或塑膠外罩中，進行必要的電氣連接。一些六軸機器人也可以執行電子元件成品的配套、裝箱和堆垛等作業。

笛卡爾機器人在電子製造的應用

笛卡爾機器人是指採用線性軸模組化堆疊的機器人，這類機器人有助於滿足許多流程中需維持半導體產業對無塵室條件的需求。其可擴充性幾乎沒有任何限制，表示移動距離可從幾公分延伸到 30 公尺以上。在線性自由度上，笛卡爾機器人的重現性可以保持在 ±10 μm 範圍內，具有相當的末端執行器角度重現性，以及「旋轉轉換為線性」和直接驅動式選項，達到極平穩地輸送晶圓。常可達到每秒 6 公尺的速度。

圖 9：笛卡爾機器人執行全自動化半導體製造作業。請注意，線性馬達在關鍵軸上提供高精密度的直接驅動能力。(圖片來源：Dreamstime)

笛卡爾機械通常執行專屬自動化作業，因為其動力學往往比其他類型的機器人更不靈活，且可重新配置性較低。但是，其準確度卻相當出色，特別是當控制器使用回授並產生命令時，可達到毫秒級的響應。對自動化電路板的製造、修整和表面拋光，以及大量組裝常態作業而言，這種動作乃是關鍵所在。

笛卡爾機器人工作站也是大幅面電子產品 (如平面顯示器和太陽能板) 的首選。

笛卡爾機器人特定應用範例

若要最大化自動化印刷電路板 (PCB) 製造和組裝，可考慮使用笛卡爾機器人。笛卡爾機器人可於電路板上方操縱末端執行器，或使用笛卡爾式桌台，讓印刷電路板通過固定加工設備的作業範圍。例如，此類桌台可能移動電路板通過微影設備，將銅電路印在非導電性矽基板上。然後 PCB 在初次列印後，由化學蝕刻移除不屬於電路設計的銅。非導電性防焊膜可隔離相鄰的走線和元件。

圖 10：笛卡爾機器人可以裝配造影設備 (如這部熱成像攝影機)，以針對雷射輔助結合技術生產之印刷電路板產生熱像圖。(圖片來源：Teledyne FLIR)

在許多印刷電路板組裝作業中，笛卡爾機器人可接受採用捲式載帶或盒式載帶的電子子元件，饋入工作單元中。(機器人拾放頭的設計可用來抓住並放置各式子元件)。機器人會確認每個子元件的值和極性，然後透過通孔或表面黏著 (SMT) 方式，固定並焊接子元件。通孔式子元件引線插入電路板的孔洞中，經過修剪和釘牢，然後焊接到電路板背面，取得最高機械強度 (儘管需要更複雜的組裝常態作業)。相比之下，表面黏著子元件可接受最大自動化的大量固定和焊接常態作業，因此，目前是許多電路板設計的主流。話雖如此，通孔式黏著仍然是將大型電容、變壓器和連接器附著至電路板上最常見的技術。

圖 11a 和 11b：將表面黏著 (SMT) 子元件附著至電路板的工具頭。(圖片來源：Dreamstime)

表面黏著元件會在元件組裝前，將焊膏預塗至印刷電路板上。迴流焊接時會使用熱風熔化焊膏以形成表面黏著元件的連接。波峰焊接更常用於通孔式元件；這種焊接將電路板穿過在一鍋熔融焊料表面上所形成的駐波。這類技術的機器價格昂貴，比較適合超大量生產。

圖 12：常採用機械視覺回授指引笛卡爾系統回應。HAWK 智慧型攝影機具備 (包括此處顯示的型號) 強大的板載處理能力、先進的演算法和 FPGA，因此能夠在讀取程式碼、驗證、檢查和引導時即時觸發響應，而且每分鐘可處理 4,000 至 14,000 個零件。事實上，這款攝影機是一種介於複雜型 PC 攝影機和基本型工業智慧型攝影機的解決方案。(圖片來源：Omron Automation and Safety)

笛卡爾機器人使用的典型馬達和驅動器

笛卡爾機器人使用的許多伺服馬達、精密齒輪和機電驅動器類型，與其他機器人解決方案相同。值得注意的是，在某些笛卡爾設計中，於生產期間輸送半導體的步進馬達，不應與所謂的步進式曝光機 (step-and-repeat camera) 混淆，這類產品有時也簡稱為步進器 (stepper)。後者對於晶片製造過程中的微影製程非常重要。

SCARA 與六軸機器人，特別是六軸機器人，越常使用直驅式扭矩馬達；笛卡爾機器人近年來也越常使用線性馬達於半導體產業的設計。各種產業標準型和自行研發馬達線圈、小型終點定位器、壓電式調整模組、真空和無塵室等級子系統、線性軸承、控制器和其他創新產品，全都可以輔助這些直接驅動器，有助於笛卡爾系統輸出超精細、超快速的動作。

協作機器人在電子製造領域的應用

在過去十年間，協作機器人 (cobot) 在半導體產業中蓬勃發展。如需瞭解其中的緣由，請參閱 DigiKey.tw 部落格文章：《利用 Omron 的 TM 協作機器人輕鬆達到自動化》。在半導體製造中，Omron 和其他製造商的協作機器人，可藉由橋接晶圓工作區和無塵室人員的工作區，提供保護，避免發生代價高昂的晶圓污染。安裝半導體生產等級的協作機器人，還可以防止微粒和潤滑劑逸出而污染氣體，同時輔助置放和焊接的手動操作。

圖 13：HCR-5 系列協作機器人滿足 ISO-2 無塵室規格。(圖片來源：Hanwha Corp./Momentum)

圖 14：KUKA 協作機器人 (cobot) 是 Infineon ISO3 晶圓加工無塵室設計的核心。(圖片來源：KUKA)

圖 15：此 Infineon 無塵室中的 KUKA 協作機器人，乃經過專業的整合、網路連線，並由機電與自動化專家進行編程。(圖片來源：KUKA)

半導體和電子產業的協作機器人必須具有高於平均的速度，並輔以先進的動態和控制功能，以防止抖動輕薄且精密的晶圓，否則，會形成微小的裂縫。當然，使用適當規格的協作機器人時，造成破裂的可能性，遠低於人工作業。

協作機器人適合進行自動焊接，將元件組裝到非常薄的電路板，此類作業會有矽晶熱膨脹效應的問題。若預定使用協作機器人執行此類組裝作業時，常會將將熱成像或其他電路板檢查設備整合至 EoAT。這樣可以加快防錯作業的速度，進而提升良率和品質保證，而且成本通常相對較低。

結論

工業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作業。在技術上面臨的挑戰包含滿足無塵室等級、高產能和小心處理極昂貴工件。即使如此，現今的機器人硬體以及機器人模擬軟體和編程，全都簡化了無塵室機器人解決方案的尺寸制訂和選擇工作。

越來越小的電子產品需注意的細節變得越來越精細，如何讓符合標準的機器人執行組裝流程，使得問題變得更加複雜。有了可以提供更多先進功能的馬達、機械連桿、控制器和網路，機器人已經可以面對這一挑戰。機械視覺和即時工業網路等輔助技術，也為機器人提供全新功能，可用於半導體大量生產中的操縱、加工和組裝等作業。