SCARA, 6축, 직교 픽앤플레이스 로봇 공학이 전자 제품 제조 공정을 최적화하고 간소화하는 방법

소개

일부 발표된 추정치에 따르면 현재 전자 제품 제조에 로봇 공학을 사용하는 것은 자동차 산업에 로봇 공학을 사용하는 것에 비할 만합니다. 제조된 칩, 부품, 완전히 조립된 전자 제품은 가치가 높기 때문에 그로 인해 자동화 기술에 대한 투자가 당연히 정당화됩니다. 다만 문제는 부피와 그에 따른 처리량이 높아야 하고 현재 두께가 140µm에 불과한 일부 응용 분야의 반도체 웨이퍼를 사용하는 제품 또한 본질적으로 민감하다는 점입니다. 이러한 응용 분야 파라미터는 뛰어난 도달 범위, 속도, 힘, 민첩성뿐 아니라 클린룸 규정 준수도 갖춘 동작 시스템 및 로봇 공학을 통해 정밀하게 처리해야 합니다.

그림 1: 여기서 정교한 웨이퍼거 클린룸 내에 있는 원자층 증착 기계에 배치됩니다. (이미지 출처: Dreamstime)

반도체 제조업체에서 로봇 공학 채택을 서두르는 요인으로는 6축 로봇, 가변 조립 로봇 팔(SCARA), 직교 기계, 재구성이 가능하거나 모듈식 하드웨어가 특징인 협업 로봇, 그리고 구현 작업을 크게 간소화하는 통합 소프트웨어를 들 수 있습니다.

이러한 로봇과 보조 장비는 클린룸 설정에 맞게 설계, 평가 및 설치되어야 합니다. 그렇지 않으면 정교한 웨이퍼가 불순물로 오염될 수 있습니다. 요구 사항은 클린룸 공기 정화도를 입자 농도로 분류하는 ISO 14644-1:2015로 정의됩니다. 따라서 특히 다음에 대한 의존도가 매우 높습니다.

• 미립자가 클린룸으로 들어가지 않도록 까다로운 통합, 랩핑, 배송 및 설치 방법
• 벗겨지거나 품질이 저하되지 않는 특수 코팅
• 가능한 부분에 스테인리스강 인클로저 및 기타 요소
• 기계 부품용 특수 불활성 및 비가스 윤활제
• 모든 미립자를 분리된 배기 영역으로 보내기 위한 로봇 바디 내 진공 요소
• 모든 로봇 관절 특수 밀봉

후자는 반도체의 높은 처리량에 대한 요구를 충족하지만 느리게 움직이는 장비보다 더 많은 입자를 배출하는 고속 로봇에 특히 중요합니다.

그림 2: 마이크로 전자 제품 생산을 위한 로봇 공학 및 기타 자동화 사용은 클린룸을 넘어 확장됩니다. (이미지 출처: Dreamstime)

각 로봇 유형의 장점 요약

응용 분야가 많이 겹치지만 6축 로봇이 전자 장치 조립과 가장 밀접하게 관련되어 있습니다. SCARA는 전자 부품을 360°로 조작하여 픽앤플레이스 웨이퍼 취급 및 처리 작업을 다른 옵션보다 신속하고 종종 더 정확하게 실행합니다. 대조적으로 직교 로봇은 대형 전자 제품 처리뿐 아니라 반도체 테스트 및 포장 작업과 종종 관련되어 있습니다. 반면에 협업 로봇(코봇)은 고도로 보호되는 클린룸 구역을 공장 직원이 지나갈 수 있는 클린룸 구역과 연결하는 데 사용됩니다. 코봇은 또한 한때 거의 독점적인 수동 작업 영역이었던 납땜 및 기타 작업에서도 사용이 늘어나고 있습니다.

그림 3: PCB에 칩 부품을 자동으로 납땜하는 모습입니다. (이미지 출처: Dreamstime)

이 기사의 범위를 벗어나지만 델타 로봇으로 알려진 병렬 운동학 설계도 특히 전자 제품 조립에 더 많이 채택되고 있습니다. 반도체 제조에서 델타 로봇은 독립적으로 작동하든 쌍으로 결합되든 또는 작업셀의 SCARA를 보완하기 위해 설치되든 매우 빠르고 동적인 피킹 및 포장 기능을 제공합니다. 이러한 응용 분야에 대한 자세한 내용은 digikey.com에서 반도체 산업의 델타 로봇에 대한 기사인 델타 로봇 공학이 전자 제품 제조 공정을 최적화하고 효율화하는 방법을 참조하십시오. 사실 델타의 운동학은 광발전 전자 제품의 조립에 적합하도록 정확성과 반복성을 제공합니다.

생산성을 위해 엔드 이펙터에 의존하는 로봇 공학

그리퍼와 같은 고급 클린룸 등급의 로봇 팔 말단 공구(EoAT 또는 엔드 이펙터)는 반도체 생산의 핵심입니다. 여기서 EoAT는 높은 역학을 갖추고 까다로운 정밀도로 추적, 배치 및 조립을 실행할 수 있어야 합니다. 경우에 따라 EoAT 힘 피드백 또는 머신 비전은 적응형 기능을 제공하여 부품 처리 정확도를 높이므로, 예를 들어 작업물 위치에 약간의 변동이 있는 경우에도 픽앤플레이스 루틴이 빠르게 실행됩니다. 이러한 센서 및 피드백의 발전으로 인해 기존 솔루션의 복잡한 전자 제품 처리 픽스처가 불필요하게 되는 경우가 있을 수 있습니다.

그림 4: 소형 부품인 EGK 그리퍼는 H1 그리스를 윤활제로 사용하고 클린룸 인증을 지원합니다. (이미지 출처: SCHUNK Intec Inc.)

그림 5: 전자 제품 위탁 제조의 경우 기판 테스트를 위해 로봇 공학을 많이 사용합니다. (이미지 출처: Dreamstime)

6축 로봇이 제공하는 유연한 작업셀이 일반 작업물 처리, 컨베이어 및 기타 기계 관리, 가공, 조립, 포장 등 두 개 이상의 작업을 종종 실행하는 방법을 가정해 보겠습니다. 마찬가지로 피막 형성, 진동 댐핑, 차폐, 접착 및 밀폐 소재의 응용 분야는 종종 하나의 6축 로봇 작업셀 내에서 실행됩니다. 여기에서 자동 도구 체인저가 보완한 로봇 엔드 이펙터는 멀티태스킹 기능을 제공하므로 작업셀 모두 가장 유용합니다. 일반적으로 EoAT는 반도체 산업의 높은 처리량 요구 사항을 지원하기 위해 전환이 빠르게 이뤄집니다. 예를 들어 로봇은 하나의 EoAT를 사용하여 상품을 집어 픽스처에 배치할 수 있습니다. 그런 다음(EoAT를 빠르게 전환한 후) 접착제를 바르고 최종 제품의 결합 하우징 절반을 압착할 수 있습니다. 세 번째 EoAT는 완료된 상품을 외부로 나가는 컨베이어 위에 싣거나 케이스에 넣을 수 있습니다.

그림 6: 로봇 엔드 이펙터는 납땜인두 팁의 형태로 PCB에 하위 부품을 자동으로 조립할 수 있습니다. (이미지 출처: Dreamstime)

전자 제품 제조 분야의 SCARA 로봇 공학

SCARA는 수십 년 동안 다음과 같은 반도체 웨이퍼 처리, 취급 및 조립 작업의 최고의 표준으로 남아 있습니다.

• 증착 및 에칭
• 열 처리
• 레티클 처리
• 회로 기판 조립품
• 테스트 및 계측

결국 SCARA는 원통형 모양의 360° 도달 범위 전체에 고속을 제공하며 비교할 수 있는 6축 및 직교 솔루션보다 훨씬 빠르게(때로 더 정확하게) 픽앤플레이스 작업을 실행할 수 있는 경우가 많습니다. 보다 구체적으로 몇몇 일반적인 산업용 SCARA는 선형 자유도(DOF)에서 ±20μm 이내, 각축에서 ±0.01 이내의 반복성을 제공할 뿐 아니라 얇고 상대적으로 깨지기 쉬운 웨이퍼가 원활히 운송될 수 있도록 직접 구동 옵션을 제공합니다. 많은 SCARA의 경우 페이로드 무게가 10kg 이하로 제한될 수 있지만 반도체 응용 분야에서는 거의 문제 되지 않습니다. 하지만 태양광 패널 생산과 관련된 분야에서는 확실히 고려해야 합니다.

그림 7: SCARA 로봇은 픽앤플레이스 웨이퍼 취급과 처리 작업을 빠르고 정확하게 실행합니다. (이미지 출처: Dreamstime)

SCARA는 한 번에 여러 회로 기판에 부품이나 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 설계된 웨이퍼 캐러셀(회전 테이블이라고도 함)뿐 아니라 반도체 처리 스테이션에 사용되는 컨베이어와 잘 맞습니다.

전자 제품 제조 분야의 6축 로봇 공학

산업용 다관절 로봇은 2개 ~ 10개의 DOF를 통해 개체를 조작하기 위한 다중 회전식 관절이 장착되어 있습니다. 가장 일반적인 다관절 로봇 형식은 6축 로봇입니다. 클린룸 설정이 필요한 반도체 공정은 전력 소모가 적고 프리미엄 클린룸 공간을 더 적게 차지하도록 콤팩트하고 적절하게 등급이 매겨진 6축 로봇의 이점을 얻을 수 있습니다. 높은 처리량 취급 및 조립에 필요한 속도와 정확성을 제공하는 변형이 많습니다. 로봇의 관절을 구동하는 서보 모터는 다른 로봇 유형에서 발견되는 서보 모터와 유사하지만 6축 로봇은 이러한 모터를 스트레인 웨이브 또는 사이클로이드 기어와 결합할 가능성이 훨씬 높습니다.

6축 로봇도 SCARA와 마찬가지로 반도체 처리 스테이션에서 사용되는 컨베이어와 잘 맞습니다.

그림 8: 이 6축 다관절 로봇은 ISO 5(클래스 100) 클린룸 모델에서 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Denso Robotics)

6축 로봇은 바닥에 설치하든 천장에서 거꾸로 설치하든 주어진 연결 세트 크기에 대한 민첩성 및 큰 작업량이 주요 강점입니다. 예를 들어 접었을 때 높이가 600mm인 6축 팔은 모든 방향에서 650mm에 도달할 수 있으며 몇 그램에서 몇 킬로그램 이상의 전자 페이로드가 민첩하게 움직일 수 있도록 각 관절이 120° ~ 360° 빠르게 동시에 스위핑할 수 있습니다. 각 관절의 절대값 인코더와 이더넷 기반 네트워킹은 PLC, PC 또는 전용 로봇 제어 및 적응형 소프트웨어에 대한 동작 피드백과 연결을 제공하여 시간이 지남에 따라 공정을 명령하고 개선합니다. 이러한 제어에는 작고 부서지기 쉬운 전자 부품을 안전하게 취급하는 그리퍼와 같은 정교한 엔드 이펙터의 통합이 포함됩니다.

6축 로봇은 기계 관리 및 전자 제품의 포장에 탁월합니다. 로봇은 기판 자체의 조립 외에도 전자 제품을 최종 제품의 금속 또는 플라스틱 하우징에 고정시키고 필요한 전기 연결도 할 수 있습니다. 또한 일부 6축 로봇은 완성된 전자 제품 키팅, 케이스 포장 및 운반도 실행할 수 있습니다.

전자 제품 제조 분야의 직교 로봇 공학

선형 축의 모듈식 스택을 기반으로 하는 직교 로봇은 작업이 반도체 산업의 요구 사항을 충족하여 많은 공정에서 클린룸 조건을 유지할 수 있도록 지원합니다. 무제한에 가까운 확장성으로 인해 이동이 몇 센티미터에서 30미터 이상에 이르는 모든 것을 처리할 수 있습니다. 직교 로봇의 반복성은 선형 DOF의 ±10μm 내에서 유지되며 웨이퍼를 원활히 운송할 수 있도록 회전식-선형 및 직접 구동 옵션뿐 아니라 엔드 이펙터의 각도 반복성을 비교할 수 있습니다. 속도는 6m/s가 일반적입니다.

그림 9: 직교 로봇은 완전히 자동화된 반도체 제조 작업을 실행합니다. 선형 모터는 임계축에 고정밀 직접 구동을 제공합니다. (이미지 출처: Dreamstime)

일반적으로 직교 기계 운동학이 다른 로봇 유형의 운동학보다 유연성이 부족하고 재구성할 수 있는 경향이 있기 때문에 직교 기계는 전용 자동화 작업을 실행합니다. 그러나 정확도는 예외이며 특히 제어가 피드백을 사용하고 밀리초 응답에 대한 명령을 생성할 때 더욱 예외적입니다. 그러한 동작은 자동화된 기판 제조, 트리밍, 표면 폴리싱, 광범위한 조립 루틴의 핵심입니다.

직교 로봇 공학 스테이션은 또한 평면 패널 디스플레이와 태양광 패널과 같은 대형 전자 제품에도 가장 많이 사용됩니다.

특정 직교 로봇 공학 응용 예시

최대 자동화 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 및 조립 분야의 직교 로봇 공학을 생각해 보십시오. 직교 로봇 공학은 기판을 통해 엔드 이펙터를 조작하거나 고정 처리 장비의 도달 범위를 통해 PCB를 이동하는 직교 테이블의 형태로 제공됩니다. 예를 들어 이러한 테이블은 구리 회로를 비전도성 실리콘 기판에 인쇄하기 위해 리소그래피 장비를 통해 기판을 이동할 수 있습니다. 그런 다음 초기 PCB 인쇄 공정이 끝나면 설계 회로망의 일부가 아닌 구리가 화학적으로 에칭됩니다. 비전도성 납땜 마스크는 인접한 트레이스 및 부품을 분리합니다.

그림 10: 직교 로봇은 레이저 보조 접합 기술로 생산된 PCB의 서모그래피를 위해 영상 장비(예: 이 열화상 카메라)를 장착할 수 있습니다. (이미지 출처: Teledyne FLIR)

여러 PCB 조립 작업에서 직교 로봇은 작업셀에 공급되는 릴 테이프 또는 박스 테이프의 전자 하위 부품을 수용합니다. (로봇 공학의 픽앤플레이스 헤드는 이러한 다양한 하위 부품을 잡고 배치하도록 설계되었습니다.) 로봇 공학은 각 하위 부품 값과 극성을 확인한 다음 스루홀 또는 표면 마운트 기술(SMT) 부착을 통해 하위 부품을 설정하고 납땜합니다. 스루홀 하위 부품 리드는 기판 구멍에 삽입되고 트리밍 및 고정된 다음 기판 뒷면에 납땜하여 최고의 기계적 강도를 얻습니다(더 복잡한 조립 루틴이 필요함). 이에 반해 SMT 하위 부품은 최대로 자동화된 대용량 세트 및 납땜 루틴을 수용하므로 현재 많은 기판 설계를 지배합니다. 즉, 스루홀 실장은 기판에 대형 커패시터, 변압기 및 커넥터를 연결하는 데 여전히 가장 일반적입니다.

그림 11a 및 11b: 여기에는 표면 마운트 기술(SMT) 하위 부품을 기판에 부착하기 위한 공구 헤드가 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Dreamstime)

SMT 부품의 경우 납땜 페이스트는 부품을 조립하기 전에 PCB에 미리 도포합니다. 그런 다음 리플로 납땜은 뜨거운 공기를 사용하여 납땜 페이스트를 녹여 SMT 부품을 연결합니다. 스루홀 부품의 경우 웨이브 납땜은 더 일반적입니다. 여기에는 용융 납땜 팬의 표면에 형성된 정재파를 가로질러 기판을 통과시키는 작업이 포함됩니다. 이러한 기계는 비용이 많이 들고 대량 생산에 가장 적합합니다.

그림 12: 머신 비전 피드백은 종종 직교 시스템 응답을 알립니다. 대규모 온보드 처리 성능, 고급 알고리즘 및 FPGA를 통해 HAWK 스마트 카메라(여기 표시된 모델 포함)는 분당 4,000개 ~ 14,000개의 부품에 대한 코드 판독, 확인, 검사 및 지침을 위한 실시간 트리거 응답을 얻을 수 있습니다. 실제로 이 카메라는 복잡한 PC 기반 카메라와 기본 산업용 스마트 카메라 간의 중간 솔루션입니다. (이미지 출처: Omron Automation and Safety)

직교 로봇 공학용 일반 모터 및 드라이브

직교 로봇 공학은 다른 로봇 공학 솔루션과 마찬가지로 동일한 유형의 많은 서보 모터, 정밀 기어 및 전기 기계 드라이브를 사용합니다. 한 가지 유의할 점은 생산 중 반도체를 운송하는 일부 직교 설계에서 스테퍼 모터를 소위 스텝앤리핏 카메라(간단히 스테퍼라고도 함)와 혼동하지 말아야 한다는 점입니다. 후자는 칩 제조 시 포토리소그래피 공정에 필수적입니다.

SCARA 및 특히 6축 로봇 공학이 직접 구동 토크 모터 사용을 늘린 것처럼 직교 로봇 공학도 최근 몇 년 사이 반도체 산업을 지원하는 설계에 선형 모터 사용을 늘렸습니다. 다양한 산업 표준 및 독점 모터 코일, 소형 엔드 포지셔너, 압전 기반 조정 모듈, 진공 및 클린룸 등급 하위 시스템, 선형 베어링, 제어 및 기타 혁신 제품은 이러한 직접 구동을 보완하여 직교 시스템이 초미세 초고속 동작을 출력하도록 지원합니다.

전자 제품 제조 분야의 협업 로봇 공학

협업 로봇(코봇)은 지난 10년간 반도체 산업에서 급증했습니다. 이에 대한 자세한 이유는 DigiKey.com 블로그의 Omron TM 협동 로봇을 사용하여 간편하게 자동화 실현을 참조하십시오. 반도체 제조에서 Omron 및 기타 제조업체의 코봇은 보호 웨이퍼 작업 구역과 클린룸 직원이 제공하는 작업 구역을 연결하여 웨이퍼 오염으로 인해 비용이 매우 많이 드는 상황을 방지할 수 있습니다. 반도체 생산용 코봇 설치도 배치 및 납땜을 위해 수동 작업을 보완하는 동시에 미립자 및 윤활제 가스 방출 오염을 방지합니다.

그림 13: HCR-5 계열 코봇은 ISO-2 클린룸 사양을 충족합니다. (이미지 출처: Hanwha Corp./Momentum)

그림 14: KUKA 협업 로봇(코봇)은 이 Infineon ISO3 웨이퍼 처리 클린룸 설계의 핵심입니다. (이미지 출처: KUKA)

그림 15: 이 Infineon 클린룸의 KUKA 코봇은 기계 전자 및 자동화 전문가가 전문적으로 통합하고 네트워크화하고 프로그래밍했습니다. (이미지 출처: KUKA)

반도체 및 전자 산업의 코봇은 평균 이상의 속도 기능을 고급 역학 및 제어로 보완하여 얇고 섬세한 웨이퍼의 충돌을 방지해야 합니다. 그렇지 않으면 작은 균열이 생길 수 있습니다. 물론 코봇이 적절히 지정되면 사람의 노동으로 하는 것보다 파손이 훨씬 적게 발생할 수 있습니다.

코봇을 사용한 자동 납땜은 부품이 특히 얇은 기판에 조립되고 실리콘 열 팽창의 영향이 우려되는 경우에도 적합합니다. 코봇이 이런 작업과 기타 조립 작업을 수행해야 하는 경우 서모그래피 또는 기타 기판 검사 장비를 EoAT에 통합하는 것이 논리적인 경우가 많습니다. 이를 통해 더 높은 수율과 품질 보증을 위한 오류 방지 작업을 때로 상대적으로 적은 비용으로 가속화합니다.

결론

산업용 로봇 공학을 통해 반도체 및 전자 제품 생산을 저렴하고 유연하게 자동화할 수 있습니다. 기술적인 문제는 클린룸 등급, 높은 처리량, 매우 비싼 작업물의 신중한 취급을 만족해야 한다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 오늘날의 로봇 하드웨어뿐 아니라 로봇 시뮬레이션 소프트웨어 및 프로그래밍은 클린룸 로봇 솔루션의 크기 조정 및 선택을 간소화했습니다.

복잡한 문제는 점점 소형화되는 전자 제품에 대한 세부 정보가 점점 더 세세해지고 그에 따라 로봇 조립 공정을 필요하게 하는 방식입니다. 로봇 공학은 모터, 기계 연결, 제어, 네트워크를 통해 더욱 발전된 기능을 제공하여 이러한 문제에 대처해 왔습니다. 머신 비전 및 실시간 산업용 네트워킹과 같은 보완 기술도 대량 반도체 생산을 조작, 처리 및 조립을 위한 로봇 공학에 새로운 기능을 제공합니다.