天車系統VS移動機器人-半導體工廠自動化物流系統
發布時間: 2022-11-24 10:11:39 來源:新戰略
核心提示： 移動機器人前景可期！
半導體行業自動化物流運輸系統的發展隨著信息產業的迅猛發展，半導體的需求量快速增長。如果利用人工搬運，不僅不符合工程的要求，也會降低產品的質量。因此，一個功能強大且性能穩定的自動化物料搬運系統AHMS應運而生。AMHS系統能夠有效利用有限的潔凈室生產空間，提高生產設備的利用率，減少制品量，縮短周期時間等。因此，如何優化AMHS系統運行效率，對于提升半導體制造企業的競爭力有著重要影響。 一般而言，半導體晶圓制造廠的AMHS分為兩大子系統: 一個是interbay搬運系統，主要負責加工中心間的搬運任務；另一個是intrabay搬運系統，主要負責加工中心內的搬運任務。 2000年前后，半導體產業開始從8寸的晶圓制造，跨越到12寸的晶圓制造。制造產線的大幅升級不僅對制造專機提出挑戰，對晶圓制造傳輸系統的自動化要求更是前所未有的。因為在12寸晶圓及之前的生產，人工搬運并不會對生產效率和產品良率產生足夠明顯的影響。但是12寸晶圓的所受應力、形變導致的不良率、相關聯設備空轉等因素深刻影響了生產線的運轉，而且密封性更高的晶圓盒總重量超過10kg，人工長距離搬運開始變得不實際。 在8寸工廠中，用于運輸晶圓的AMHS僅限于在存儲設備之間移動晶圓載具，即Interbay物料運輸系統，以及有限的Interabay系統的實施，如用于將晶圓載具從自動倉儲系統移動到設備裝載口，反之亦然。因此，從啟發式的角度來看，業界對如何在工廠中以自動化的方式移動晶圓有一定的了解，但基礎有限。 12寸晶圓廠的戰略是擁有完全自動化的物料運輸、Interbay和Intrabay能力，包括運輸工具到工具，又稱: 混合Interbay和Intrabay統一系統，要解決的主要問題是每小時數千次(mph)的持續物料移動，而生產人員不必做這項工作，從而避免整個晶圓廠數百人所需的人體工程學問題和難以管理的mph。 為了協助工業界過渡到12寸的晶圓制造，SEMATECH（半導體制造技術協會）成立了12寸組織（I300I），提出并建立了一套半導體自動化生產的標準模型，通過天車（OHT）、AGV、RGV和PGV的協作努力，提升整條產線的生產效率。在這個模型中，生產設備是中央區域（Interbay）延伸出的許多區塊（Intrabay）。每一個區塊對應著一個用于該區塊存儲的存儲棧（Stocker，又名晶圓庫）和屬于自己區域的走道。 只是在實際的發展中，OHT的速度和成熟度遠高于混合模型的其它部分，在此前，OHT幾乎壟斷了半導體晶圓制造的全部AMHS系統。 “OHT”是Overhead Hoist Transport的簡稱，是指能夠在空中軌道上行駛，并能夠通過皮帶傳動起重機構“直接”進入保管設備或工藝設備的裝卸口，應用于工序區內部運輸，也應用于工序區間或工廠間運輸。
相對于其它專機的投入，如ASML的EUV光刻機賣出1.5億歐元的高價，OHT的成本投入是可以被業界接受的。在十年前和更早的研究中，主要聚焦在AMHS的軟件控制層面，針對點對點的運動方式、實時響應、路徑優化、配給優化等方面做了大量的研究。從AMHS實現點對點開始，FAB工廠的自動化生產系統已經非常接近當前的智能制造了；OHT在越過Stocker（倉儲）進行不同工藝的直接送料時，已經將各個工作臺的生產信息匯集到一個中央調度系統。相關研究很快到達了瓶頸，FAB工廠也基本實現了現有設備最大可利用效率的90%或者更高，因此，OHT系統也被廣泛認定為12寸FAB及下一代FAB的主力搬送系統。
OHT系統&移動機器人 但FAB工廠的晶圓制造AMHS要進一步提升產能和效率，僅依靠OHT工作效率的提升是不現實的。OHT受制于軌道鋪設、單維運動等因素，在未覆蓋區域的人工干預是必要的。而要實現全廠OHT覆蓋，AMHS系統的成本會非常高，而柔性極強的移動機器人可以打通這些節點，連通FAB工廠凈室和非凈室的物料交互，實現了整個FAB工廠的智能制造。 因此，當前在半導體制造廠(fab)的運輸系統中，使用AGV/AMR車隊是一個越來越受歡迎的選擇，AGV/AMR可以作為現有運輸系統的補充，也可以作為實現運輸自動化的第一步。 從物流的角度來看，半導體的制造是一個非常復雜的過程。為了在一片晶圓上制造電路，需要在不同的設備(工具)上進行多達500個工藝加工步驟。整個制造過程可能需要幾個月的時間。根據所需的產出，特定晶圓通過的工具的數量和順序可以有很大的不同。由于在一個FBA工廠中可能有多達數百個工具，整個生產可以被視為一個巨大的工作車間問題。 在8寸和12寸晶圓廠中，運輸系統負責運送和回收晶圓載具和光罩。在12寸晶圓廠中，目前最受歡迎的是OHT系統。OHT系統可以由幾公里長的軌道、數百輛車組成，并為多達數千個工具裝載口和緩沖區提供服務。由于布局和結構的原因，目前少有8寸晶圓廠應用OHT系統。因此，在許多8寸晶圓廠中，運輸主要由人工完成，或部分由傳送系統完成。 在12寸晶圓廠，AGV/AMR不能取代現有的OHT系統，而應被看作是一種補充。AGV/AMR特別適用于那些沒有達到經濟上合理的OHT系統操作條件的子領域。這可能是由于特殊的運輸貨物、空間限制，甚至是由于較低的產量。OHT天車負責空中軌道高速傳輸作業，地面上由AMR來實現高彈性效率作業，實現由STOCKER、OHT、AMR、EQ間 無死角無盲區對接，真正實現FAB車間無人化自動生產。 在8寸晶圓廠，AGV/AMR可以幫助提高自動化程度，從而有助于提高工藝的可靠性，因為它可以替代容易出錯的人工處理和運輸活動。
半導體領域主要應用移動機器人類型
在半導體領域，目前主要應用的移動機器人類型有復合移動機器人、潛伏頂升式AGV、輥筒對接AGV、叉車AGV等類型產品，同時還有一些企業針對半導體某些場景的需求打造的定制化行業專機。但整體而言，當前，在半導體領域應用的多種AGV/AMR中，復合移動機器人是應用最多的產品，也是技術難度最高的。 復合移動機器人系統（基礎硬件平臺）中，機械臂位于移動機器人上，可隨機器人靈活移動，便于進行機械臂與AGV/AMR相互定位、通訊、配合等功能，配合視覺系統、末端工具等可實現對特定物體的識別、巡檢、抓取等功能。在半導體行業，復合移動機器人主要用于晶圓盒、彈夾上下料。 值得注意的是，半導體由于嚴苛的生產要求也對上游設備廠商設置了一定的“準入門檻”。首先是移動機器人運行平穩性的要求，由于要搬運晶圓等精密元件，機器人要防震、防抖動；其次是安全性要求，這是半導體封測廠對導入AGV/AMR一個非常大的考量點，工廠內昂貴的半導體設備經不起任何碰撞；第三則是設備的潔凈度要求。
從長遠來看，導入移動機器人是半導體行業提高工廠自動化與信息化的關鍵舉措，伴隨著半導體自動化升級的進一步深入以及移動機器人技術的更加成熟，相信移動機器人在半導體領域的落地速度將不斷加快！ 為了解析當前移動機器人在半導體領域的解決方案與市場應用現狀，12月15日，由中國移動機器人（AGV/AMR）產業聯盟主編，捷螺智能設備（蘇州）有限公司冠名，深圳優艾智合機器人科技有限公司、蘇州海豚之星智能科技有限公司、杭州藍芯科技有限公司、斯坦德機器人（深圳）有限公司、浙江欣奕華智能科技有限公司、優傲機器人貿易(上海)有限公司聯合參編的《半導體行業用移動機器人（AGV/AMR）解決方案藍皮書（2022版）》將在“中國移動機器人（AGV/AMR）產業發展年會”上正式發布，參會人員現場可免費獲得藍皮書紙質版一份，敬請期待！
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