PC-based Control für das Präzisionsmikroschneiden von Halbleiterprodukten

Der Bedarf an elektronischen Bauelementen nimmt weltweit stetig zu. Um sich in diesem dynamischen Marktumfeld behaupten zu können, müssen Unternehmen hohe Qualität zu wettbewerbsfähigen Preisen liefern. Genau dieser Spagat gelang Leddo Technology aus China bei der Implementierung seiner automatischen Trennsägen mit der universellen PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff.

Wuxi Autowell Technology Co, Ltd. (ATW) wurde im Jahr 2010 gegründet und ist ein bekannter Hersteller von intelligenten Anlagen für die PV-, Li-Ionen-Batterie- und Halbleiterindustrie mit derzeit mehr als 4.000 Mitarbeitern. Als eine hundertprozentige Tochtergesellschaft ist Leddo Technology spezialisiert auf Forschung, Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Halbleiter-Sägemaschinen. Bei der Bereitstellung von Präzisionsschneidetechnik für Halbleitermaterialien folgt Leddo Technology der Unternehmenslosung: „Professionalität, Einigkeit und kontinuierliche Weiterentwicklung“.

Zuletzt hat das Unternehmen erfolgreich die hochpräzisen Trennsägen der Serien LAD5100 und LFD7100 entwickelt und eingeführt. Diese Lösungen können eine Vielzahl von Produktmaßen verarbeiten, einschließlich 6-Zoll-, 8-Zoll- und 12-Zoll-Wafern. Die Systeme von Leddo Technology werden in erster Linie für das vollautomatische Dicing und die Verarbeitung von Wafern oder anderen Halbleiterprodukten eingesetzt, wie z. B. integrierte Schaltkreise, Leistungselektronik, Verbindungshalbleiterchips, optische Kommunikationsgeräte und LEDs. Dabei eignen sich die vielseitigen Trennsägen zum Schneiden verschiedener Materialien und Produkte, darunter Silizium, Lithiumniobat, Keramik, Glas, Quarz, Aluminiumoxid sowie Leiterplatten. Ergänzt werden sie durch ein umfassendes Angebot an Wafer-Reinigungsanlagen, den nötigen Verbrauchsmaterialien und maßgeschneiderten Lösungen für den Trennprozess.

Als ein führender Anbieter von Halbleiterausrüstungen in China nutzt Leddo Technology nach eigener Aussage modernste Produkte und Technologien sowie umfassendes Branchenwissen, um seinen Kunden stets praxisorientierte und effiziente Lösungen zu bieten.

Die PC-basierte Steuerungstechnik

Bei der Automatisierung der einachsigen halbautomatischen Trennsäge LAD5100 und der zweiachsigen vollautomatischen Trennsäge LFD7100 setzt Leddo Technology auf die universelle PC- und EtherCAT-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff. Als Maschinensteuerung kommt der nur 132 x 133 x 76 mm großen Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 zum Einsatz. Trotz seiner kompakten Abmessungen bietet der mit einem Prozessor Intel^® Core™ i5 9500E ausgestattete Controller eine außergewöhnliche Rechenleistung und ermöglicht damit minimale Taskzykluszeiten von 50 μs. Darüber hinaus bietet der Industrie-PC für den Schaltschrankeinbau vier unabhängige Gigabit-Ethernet-Ports, welche die Anforderungen der EtherCAT-Echtzeit-Steuerung erfüllen und zugleich die Protokolle Modbus TCP und TCP/IP unterstützen. Die PC-basierte Steuerung läuft unter dem Betriebssystem Windows 10 IoT Enterprise, wobei die HMI-Schnittstelle in C# entwickelt wurde. Dieser Ansatz der PC-basierten Steuerungstechnik reduziert nicht nur die Gerätekosten, sondern verbessert auch die Kommunikationsfähigkeiten und die Systemstabilität.

Der offene Feldbus EtherCAT und seine Vorteile

EtherCAT ist nicht nur bei Weitem die schnellste Industrial-Ethernet-Technologie, sondern synchronisiert zudem mit Nanosekunden-Genauigkeit. Die schnellen Reaktionszeiten tragen dazu bei, die Wartezeiten bei den Übergängen zwischen einzelnen Prozessschritten zu reduzieren, was die Gesamteffizienz der Anwendung deutlich verbessert. EtherCAT bietet nahezu grenzenlose Freiheit bei der Netzwerktopologie. Linien-, Baum-, Sterntopologien und beliebige Kombinationen daraus sind mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Teilnehmern möglich. Die Erfahrung mit Kundenanlagen hat zudem gezeigt, dass die Diagnosemöglichkeiten eine große Rolle für die Verfügbarkeit und Inbetriebnahmezeit einer Maschine spielen. Neben der Fehlererkennung ist dabei die schnelle Fehlerlokalisierung von entscheidender Bedeutung. Leddo Technology setzt hierfür die Bibliothek TcEtherCAT.lib ein, um den Kommunikationsstatus von Slave-Knoten zu erfassen und so die Anlageneffizienz zu erhöhen.

Die Anlage setzt komplett auf EtherCAT-I/O-Lösungen von Beckhoff, einschließlich digitalen, analogen und Kommunikationsmodulen aus dem umfangreichen Portfolio der EtherCAT-Klemmen. Dazu zählt auch die analoge Eingangsklemme EL3702 mit Oversampling-Funktion, welche die Kundenanforderungen an eine besonders hochauflösende Abtastung des Messbereichs erfüllt.

Optimal auf die Anwendung abgestimmte Automatisierung mit TwinCAT

Die Software TwinCAT 3 hat aus Sicht von Leddo Technology das wohlbekannte Feld der Automatisierungstechnik neu definiert. TwinCAT 3 integriert alle Steuerungsfunktionen, so z. B. auch TwinCAT PLC und TwinCAT NC, in einer durchgängigen Plattform mit einer Entwicklungs- und einer Laufzeitumgebung. Auf diese Weise lassen sich mit TwinCAT mehrere Taskzyklen für die Anlage einrichten, wobei unterschiedliche Tasks verschiedenen CPU-Kernen zugewiesen werden. Dabei ermöglicht die Software eine flexible Task-Priorisierung für die Multitasking-Verarbeitung in Echtzeit.

Für die Genauigkeit der Trennsägen essenziell ist die gut aufeinander abgestimmte und präzise Bewegungssteuerung der Schneidachsen der Trennscheibe und des Spindelantriebs.

• Die NC-Steuerungszykluszeit der Anlage erreicht 200 μs und erfüllt auf dieser Basis eine Einzelpositioniergenauigkeit von bis zu 0,002/5 mm für die Y-Achse, eine Vollbereichspositioniergenauigkeit von 0,003/310 mm, eine Verfahrauflösung von 0,00005 mm für die Z-Achse der Trennscheibe, eine Wiederholpositioniergenauigkeit von 0,001 mm, eine maximale Spindeldrehzahl von 60.000 U/min und einen Rundlauffehler von weniger als 0,1 μm.
• Der TwinCAT 3 Eventlogger verwaltet Zielereignisse und zeichnet kundenspezifische Alarminformationen auf, was eine unkomplizierte Wartung der Anlagen ermöglicht.
• Der TwinCAT 3 Scope Server sammelt und speichert automatisch Echtzeitdaten und ermöglicht so eine mühelose Datenanalyse.
• TwinCAT 3 Condition Monitoring analysiert Schwingungsmessdaten, um die Anlagenstabilität zu verbessern und so Beeinträchtigungen der Schnittqualität zu vermeiden.

Fazit

Die Genauigkeit der Trennsägen von ±1,5 μm übertrifft bereits die der Ausrüstung der meisten kleinen und mittleren Maschinenhersteller aus China und erreicht nach Informationen von Leddo Technology sogar die Genauigkeit der Maschinen einiger führender internationaler Anbieter. Die Ausbeute bei der Verarbeitung der wertvollen Halbleitermaterialien und -produkte kann 99,9 % übersteigen, was der Wettbewerbsfähigkeit der Endkunden zugutekommt. Diverse TwinCAT Functions und die Diagnosefunktionen von EtherCAT vereinfachen aus Sicht von Leddo Technology die Wartung und Inbetriebnahme und ermöglichen eine weitere Optimierung der Anwendung im Betrieb sowie eine hohe Verfügbarkeit der Anlage. Die Steuerungstechnik von Beckhoff spare zudem Platz im Schaltschrank und helfe, wertvolle Stellfläche in Reinräumen zu sparen.