SCARA、六轴和笛卡尔拾放机器人如何优化和简化电子制造流程

引言

据估计，机器人技术在电子制造业中的应用已与汽车工业中不相上下。这不足为奇：制造芯片、元器件和完全组装的电子产品具有很高的价值，因此有理由投资自动化技术。更复杂的是，产量和产能必须很高，而且产品本身也很脆弱，有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具有优异的伸展性、速度、力量和灵活性，能够进行精确操作，并符合洁净室规范。

图 1：一块脆弱的晶圆被放入洁净室内的原子层沉积机中。（图片来源：Dreamstime）

六轴机器人、选择顺应性装配机械手臂 (SCARA)、笛卡尔机器和协作机器人等新兴产品的出现加快了机器人技术在半导体制造领域的应用，这些机器人产品具有可重新配置或模块化硬件及统一的软件，可大幅简化实施过程。

这些机器人及其辅助设备的设计、等级和安装必须符合洁净室规范，否则有可能使脆弱的晶圆受到杂质污染。相关要求由 ISO 14644-1:2015 定义，其按颗粒浓度对洁净室空气洁净度进行了分类。因此，高度依赖以下因素：

• 采用严格的集成、包装、交付和安装方法，防止夹带微粒进入洁净室
• 采用不会剥落或降解的特殊涂层
• 尽可能采用不锈钢外壳和其他元件
• 机械部件采用不会产生气体的特殊惰性润滑剂
• 机器人机身内采用真空元件，将任何微粒引导至隔离的排放区域
• 所有机器人关节采用特殊密封方法

最后一项对于高速机器人尤为重要，因为这类机器人可以满足半导体高产量需求，但会比移动较慢的设备脱落更多颗粒。

图 2：机器人和其他自动化技术在微电子生产中的应用已不再局限于洁净室内。（图片来源：Dreamstime）

每种机器人的优点总结

尽管应用领域存在很多重叠部分，但六轴机器人最常用于电子器件组装。SCARA 可 360° 操控电子元器件，更快地执行拾放晶圆处理和加工任务，而且通常比其他类型更精准。相比之下，笛卡尔机器人通常用于半导体测试和包装任务，以及大尺寸电子产品的加工。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穿越的洁净室区域连接起来。协作机器人也越来越多地用于焊接和其他工作，而这些工作曾经几乎全部由人工完成。

图 3：芯片元器件自动焊接到 PCB 上。（图片来源：Dreamstime）

一种称为三角式机器人的并联运动学设计的应用也越来越广泛，尤其是在电子产品装配方面，但其不在本文的讨论范围内。无论是单独操作、成对组合操作，还是安装在工作单元中以辅助 SCARA，半导体制造中的三角式机器人都能提供异常快速和动态的拾放和包装能力。请阅读 digikey.com 上关于三角式机器人在半导体行业中应用的文章三角式机器人如何优化和简化电子制造流程，了解更多关于这些应用的信息。事实上，三角式机器人的运动学特性使其具有高精度和可重复性，适合于装配光伏电子器件。

机器人依赖末端效应器来提高生产力

先进的洁净室级机器人末端工具（EoAT 或末端执行器，如抓手）是半导体生产的核心。在这类应用中，EOAT 必须具有高动态性能，并且能够精确地执行追踪、放置和装配等动作。在某些情况下，EoAT 力反馈或机器视觉可通过赋予自适应能力来提高工件处理精度，因此，即使工件位置存在一些变化，也能快速执行拾放程序。鉴于这种传感器和反馈技术的进步，有时不再需要传统解决方案中复杂的电子器件处理装置。

图 4：小元器件用 EGK 抓手采用 H1 润滑脂润滑，并通过了洁净室认证。（图片来源：SCHUNK Intec Inc.）

图 5：电子产品合同制造商大量使用机器人进行电路板测试。（图片来源：Dreamstime）

六轴机器人服务的灵活工作单元通常执行两项或更多任务，如一般工件搬运、输送机和其他机器的操作、机加工、装配和包装。同样，封装、减振、屏蔽、粘合和密封材料的施用应用通常在一个六轴机器人工作单元内完成。在此工作单元中，机器人末端执行器配有自动工具更换装置，实现了多任务处理能力，从而使每个工作单元都能发挥最大作用；EoAT 更换速度通常很快，以支持半导体行业的高产能需求。例如，机器人可以使用一个 EoAT 将工件拾放到夹具中。然后（在快速 EoAT 更换之后），机器人可涂抹粘合剂并将最终产品的配接半壳压在一起。再由第三个 EoAT 将成品装载到输出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，将子部件自动装配到 PCB 上。（图片来源：Dreamstime）

SCARA 机器人在电子制造中的应用

几十年来，SCARA 一直是半导体晶圆加工、处理和装配任务的黄金标准，包括：

• 沉积与蚀刻
• 热加工
• 光罩加工
• 电路板装配
• 测试与计量

毕竟，SCARA 可在其整个圆柱形 360° 范围内实现高速度，通常能够比同类六轴和笛卡尔解决方案更快地（有时也更精准）执行拾放任务。更具体地说，一些行业典型的 SCARA 可提供 ±20 μm 以内的线性自由度 (DOF) 可重复性和 ±0.01° 以内的角轴可重复性，并且还提供直接驱动选项，用于平稳输送相对易碎的薄形晶圆。虽然许多 SCARA 的有效载荷可能限制在 10 kg 或更低，但在半导体应用中这基本不是问题，却肯定是太阳能板生产相关领域的考虑因素。

图 7：SCARA 机器人快速、精准地执行拾放晶圆处理和加工任务。（图片来源：Dreamstime）

SCARA 与半导体加工站中使用的输送机以及晶圆转盘（也称为转台）搭配使用，可方便地同时在多个电路板上添加元器件或功能。

六轴机器人在电子制造中的应用

工业级关节型机器人有多个旋转关节，可通过 2 至 10 个 DOF 操纵物体。最常见的关节型机器人是六轴机器人。对于需要洁净室环境的半导体工艺，六轴机器人非常适合，这些机器人具有适当额定值，结构紧凑，功耗低且占用洁净室空间小。此类机器人有许多变型，可提供高吞吐量处理和装配所需的速度与精准性。用于驱动机器人关节的伺服电机与其他类型的机器人类似，但六轴机器人更有可能将这些电机与应变波或摆线齿轮传动装置配套使用。

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配套使用。

图 8：这款六轴关节型机器人可用于 ISO 5（100 级）洁净室型号。（图片来源：Denso Robotics）

六轴机器人的主要优点是，对于给定的联动装置尺寸，无论是安装在地面基座上还是倒置在天花板上，都具有灵巧性和较大的工作范围。举例来说，一个折叠后高 600 mm 的六轴机械臂，在各个方向上的可能延伸达到 650 mm，能够让每个关节快速且同步扫掠 120° 至 360°，以灵活移动几克到几公斤或更重的电子有效载荷。每个关节上的绝对编码器和基于以太网的网络可为 PLC、PC 或专用机器人控制及自适应软件提供运动反馈和连接，以便随时发送指令和改进过程。这些控制器包括集成的精密末端执行器，例如，用于安全处理微小易碎电子元器件的抓手。

六轴机器人在机器看管和电子产品包装方面表现出色。除了装配电路板外，机器人还能将电子器件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。有些六轴机器人还可执行电子产品成品的配套、包装和码垛等作业。

笛卡尔机器人在电子制造中的应用

笛卡尔机器人是指采用模块化线性轴堆栈的机器人，有助于满足半导体行业对许多工艺中保持洁净室条件的需求。其可扩展性近乎无限，这意味着可覆盖从几厘米到 30 多米的任何范围。笛卡尔机器人的线性 DOF 可重复性可保持在 ±10 μm 范围内，末端执行器以及旋转到线性和直接驱动选项可提供类似的角度可重复性，从而实现特别平稳的晶圆输送。速度达到每秒 6 米的情况很常见。

图 9：笛卡尔机器人执行全自动半导体制造任务。请注意，线性马达提供关键轴上高精密度的直接驱动能力。（图片来源：Dreamstime）

笛卡尔机器通常执行专门的自动化任务，因为其运动学特性往往不如其他类型的机器人灵活和可重新配置。但是，其精确度非常高，特别是当控制装置使用反馈并生成毫秒级响应的指令时。对于自动化电路板的制造、修整和表面抛光，以及大量装配例程而言，这种运动乃是关键所在。

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型电子产品的首选。

笛卡尔机器人特定应用示例

在最大自动化印刷电路板 (PCB) 制造和装配中，请考虑采用笛卡尔机器人。笛卡尔机器人可以在电路板上方操纵末端执行器，或者采用笛卡尔工作台的形式，移动 PCB 通过加工设备的覆盖范围。例如，这种工作台可以通过光刻设备移动电路板，在不导电的硅基板上印刷铜电路。在最初的 PCB 印刷过程之后，不属于设计电路的铜会被化学蚀刻掉。不导电阻焊层隔离了相邻的走线和元器件。

图 10：笛卡尔机器人可配装成像设备（如热成像相机），用于对采用激光辅助粘接技术生产的 PCB 进行热成像。（图片来源：Teledyne FLIR）

在许多 PCB 装配作业中，笛卡尔机器人接受卷带或盒带上的电子子部件送入工作单元。（机器人的拾放头设计用于拾放各种子部件）。机器人验证每个子部件的值和极性，然后通过通孔或表面贴装技术 (SMT) 安装和焊接子部件。通孔子部件引线插入电路板孔洞中，经过修剪和紧固，然后焊接到电路板背面，以获得最佳的机械强度（但需要更复杂的装配程序）。相比之下，SMT 子部件可接受最大程度自动化的大批量固定和焊接程序，因此它们现在在许多电路板设计中占主导地位。尽管如此，对于将大型电容器、变压器和连接器安装到电路板上，通孔安装仍然是最常用的方法。

图 11a 和 11b：图中所示为将表面贴装技术 (SMT) 子部件粘贴到电路板上所用的工具头。（图片来源：Dreamstime）

对于 SMT 元器件，在元器件装配之前，会预先将焊膏涂在 PCB 上。然后，回流焊用热风熔化焊膏，形成 SMT 元器件接头。波焊更常用于通孔元器件；焊接中会将电路板穿过在熔融焊料锅表面形成的驻波。这种机器成本高昂，最适合大规模生产。

图 12：机器视觉反馈通常会指引笛卡尔系统做出响应。强大的板载处理能力、先进的算法和 FPGA，使 HAWK 智能相机（包括图中显示的型号）能够实现读码、验证、检测和引导的实时触发响应，每分钟可处理 4,000 至 14,000 个零件。事实上，此款相机是介于复杂的 PC 型相机与基本型工业智能相机之间的中间解决方案。（图片来源：Omron Automation and Safety）

笛卡尔机器人用典型电机和驱动器

笛卡尔机器人与其他机器人解决方案一样，使用许多相同类型的伺服电机、精密传动装置和机电驱动器。需要注意的是，在有些笛卡尔设计中，用于在生产过程中输送半导体的步进电机不应与所谓的步进重复相机（有时简称步进器）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 机器人（特别是六轴机器人）越来越多地使用直驱力矩电机一样，近年来，笛卡尔机器人（在针对半导体行业的设计中）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、压电式调节模块、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与这些直接驱动装置相辅相成，帮助笛卡尔系统输出超精细、超快速运动。

协作机器人在电子制造中的应用

在过去十年中，协作机器人 (Cobot) 在半导体行业中的应用激增。有关更多原因，请参阅 DigiKey.com 博客文章使用 Omron TM 协作机器人轻松实现自动化。在半导体制造中，Omron 和其他制造商生产的协作机器人可以在晶圆工作区与洁净室人员工作区之间架起桥梁，从而提供保护，避免代价高昂的晶圆污染。半导体生产级协作机器人装置还可防止微粒和润滑油脱气污染，同时辅助人工操作的贴装和焊接操作。

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

图 14：KUKA 协作机器人是 Infineon ISO3 晶圆加工洁净室的设计核心。（图片来源：KUKA）

图 15：Infineon 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、联网与编程。（图片来源：KUKA）

半导体和电子行业的协作机器人必须具备高于平均水平的速度，并辅以先进的动态和控制技术，以防止对轻薄而脆弱的晶圆造成损坏。否则，会形成微小的裂缝。当然，与人工操作相比，适当规格的协作机器人造成裂缝的可能性要小得多。

当元器件被装配到特别薄的电路板上，而硅热膨胀的影响令人担忧时，使用协作机器人进行自动焊接也很合适。当协作机器人要执行这种和其他装配任务时，通常需要在 EoAT 上集成热成像或其他电路板检测设备。这样可以加快防错任务的速度，有更高的产量和质量保证，而且通常成本相对较低。

总结

工业机器人可为半导体和电子产品生产提供经济实惠且灵活的自动化作业。在技术上面临的挑战包括：满足洁净室等级、高产能，以及小心处理极其昂贵的工件。尽管如此，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设计和选择。

但更为复杂的是，日益微型化的电子产品越来越精细，这就要求机器人装配工艺也要跟上。有了可以提供更多先进功能的电机、机械连杆、控制器和网络，机器人已经可以面对这一挑战。机械视觉和实时工业联网等辅助技术，也为机器人提供了全新功能，以用于半导体大批量生产中的操纵、加工和装配等作业中。