Achssystem mit zwei CFK-Auslegern zum Handling von Siliziumwafern

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Der Einsatz eines Handlingsystems mit Doppel-CFK-Auslegerachse bietet im Waferhandling in der Solarindustrie entscheidende Vorteile. So führt der Bewegungsablauf ohne ruckartige Bewegungen und mit einer stetigen Beschleunigungskurve zu einer Reduktion der Bruchrate. Durch Parallelverarbeitung konnte die Durchlaufzahl auf bis zu 4800 Wafer pro Stunde gesteigert werden.

Die Autoren: Oliver Trapp ist im Bereich technische Dokumentation und Öffentlichkeitsarbeit tätig, Christian Koch ist Leiter Mechatronik- und Motorenentwicklung bei der Jenaer Antriebstechnik GmbH, Jena

Die Dopplung der Ausleger aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sowie Funktionen zur flexiblen Waferpufferung bewirken zudem eine Minimierung der Standzeiten. Ein Handlingsystem der beschriebenen Art ist auch in vielen anderen Anwendungen einsetzbar, bei denen es auf hohen Durchsatz, ruckfreie Bewegungen, minimierte Stillstandszeiten und eine bessere Wartbarkeit ankommt.
Maximaler Durchsatz von 4800 Wafern pro Stunde
Im Zuge der Errichtung neuer Produktionsanlagen eines namhaften Herstellers von Photovoltaikzellen werden für die Fertigungslinien sogenannte Wafertransfersysteme benötigt.
Das Wafertransfersystem hat die Aufgabe, die in mehreren Spuren aus der Reinigungsanlage kommenden Wafer (mit 156 mm x 156 mm Kantenlänge) vollautomatisch auf eine Spur zusammenzuführen und der nachfolgenden Inspektionsanlage zuzuführen. Gebrochene oder teilweise und/oder ganz aufeinander liegende Wafer sind möglichst schonend auszuschleusen.
Die in Photovoltaikmodulen eingesetzten Siliziumwafer stellen bezüglich ihres Handlings in einer Produktionslinie eine gewisse Herausforderung dar, denn das Material ist spröde und kann bei unsanfter Behandlung leicht brechen. In der vorliegenden Anwendung für das Waferhandling ersetzt ein Doppel-XYZ-Achssystem von Jenaer Antriebstechnik mit zwei Auslegerachsen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff eine Delta-Kinematik. Die Integration des Achssystems in die Fertigungslinie wurde durch die SIM Automatisierungssysteme GmbH, Heilbad Heiligenstadt, sowie Rex & Schley Automatisierungtechnik GmbH, Erfurt, realisiert.
Die Wafer durchlaufen zunächst kontinuierlich 5-spurig eine optische Bildauswertung, bei der die Geometrie kontrolliert wird und schadhafte Wafer, beispielsweise durch Bruch, aussortiert werden. Das Doppel-XYZ-Achssystem übernimmt den Wafertransfer von fünf Spuren auf eine Spur sowie die automatische Pufferung. Derzeitig kann ein maximaler Durchsatz von 4800 Wafern pro Stunde erreicht werden, das heißt für einen kompletten Handling-Vorgang werden im Schnitt lediglich 0,75 s benötigt.
Im Vergleich zum einzelnen Aufnehmer der Delta-Kinematik können die zwei parallel arbeitenden Aufnehmer des Doppel-XYZ-Achssystems eine stetige Beschleunigungskurve fahren und haben einen höheren Waferdurchsatz. Vorteil des Vermeidens ruckartiger Bewegungen ist die deutlich geringere Bruchrate der Wafer. Zudem wird durch die Reduktion von Vibrationen eine Beeinträchtigung der Messungen im nachgeschalteten Waferinspektionssystem vermieden.
Konsequente Vermeidung von Stillstandszeiten
Die Anlage wird im vollkontinuierlichen Schichtbetrieb 24 h pro Tag an 365 Tagen im Jahr betrieben. Eine Delta-Kinematik unterliegt im Dauerbetrieb und bei den auftretenden Belastungen einem enormen Verschleiß, sodass sich häufigere zyklische Stillstandszeiten ergeben.
Beim Doppel-XYZ-Achssystem mit Direktlinearachsen ist dagegen ein wesentlich geringerer Wartungsaufwand erforderlich. Da das System mit zwei Auslegerachsen ausgerüstet ist, ist zudem eine Redundanz gegeben, die es selbst bei Ausfall einer Achse ermöglicht, die Anlage mit einem Durchsatz von etwa 2900 Wafern pro Stunde weiterzufahren.
Ein weiteres Leistungsmerkmal des Wafertransfersystems, das zur konsequenten Vermeidung von Stillstandszeiten beiträgt, ist die Möglichkeit des flexiblen Ein- und Ausschleusens von Wafern zur Pufferung. Bei Ausfall oder Wartung des nachgeschalteten Waferinspektionssystems kommt nicht gleich die komplette Linie zum Stehen, da das Wafertransfersystem eine Möglichkeit zur Pufferung von bis zu 1200 Wafern, entsprechend 20 min, bietet. Fehlt andererseits aus der dem Wafertransfersystem vorgelagerten Reinigungsanlage der Wafernachschub, ist das Transfersystem wiederum in der Lage, Wafer aus dem Puffer in den Prozess einzuschleusen, um dies zu kompensieren.
Hohe Dynamik und Positioniergenauigkeit
Das Achssystem besteht aus einer Direktlinearachse, an der zwei Auslegerachsen, ebenfalls direktlinear, auf der Basis von Trägern aus CFK angebracht sind. In Z-Richtung wird pro Ausleger eine Zahnriemenachse mit linearem Messsystem eingesetzt. An der Waferaufnahme sind zusätzlich noch Drehachsen eingebaut, denn die Wafer können um bis zu ±7° gegenüber der Mittelachse verdreht ankommen und müssen ausgerichtet (mit maximaler Verdrehung ±0,5°) dem Inspektionssystem zugeführt werden. Die Aufnahme der Wafer erfolgt durch Ansaugen. Während des Transports werden die Wafer durch Unterdruck gehalten, zum Ablegen wird der Unterdruck abgebaut.
Durch den Einsatz von CFK-Auslegerachsen wird aufgrund der Verringerung der bewegten Massen und der Erhöhung der Struktursteifigkeit die Dynamik der Positionierung gegenüber Stahl- oder Aluminiumachsen wesentlich erhöht. Für eine genaue Positionierung wurden robuste lineare Messsysteme verwendet, die Wiederholgenauigkeit beträgt < ±10 µm. Die Waferscheiben können mit Geschwindigkeiten bis 2,7 m/s transportiert werden, bei Beschleunigungen bis zu 13 m/s2. Das Achssystem ist somit bestens geeignet für schnelle Pick-and-Place-Anwendungen wie diese.
Kombiniert mit den Servoverstärkern „Ecovario“ wird ein komplettes Mechatroniksystem einbaufertig geliefert. Als Steuerungsschnittstellen für die Sollwertvorgabe stehen Ethercat oder CANopen zur Verfügung.
Benutzeroptimierte Anlagenvisualisierung
Die übergeordnete Steuerung wird von einer High-Speed-CNC-Steuerung der Firma Eckelmann übernommen. Zur Sicherstellung eines stetigen, ruckfreien Bewegungsablaufs des Achssystems erfolgt die Bahn- und Rampengenerierung in der CNC-Steuerung mit einem Ruckfilter.
Das Wafertransfersystem ist an ein Fertigungsleitsystem angeschlossen, an das alle Waferinformationen übergeben werden. Zur Rückverfolgbarkeit ist jedem Wafer eine eindeutige Wafer-ID zugeordnet, die durch das Wafertransfersystem hindurch beibehalten wird.
Von Rex & Schley wurde eine Applikationssoftware entwickelt, die eine komfortable Bedienoberfläche für die Fertigungslinie bietet. So sind hier Funktionen zur Ansteuerung des Achssystems und zur benutzeroptimierten Anlagenvisualisierung enthalten. Umfangreiche Statistikfunktionen helfen bei der Optimierung der Linie.
Zukünftig noch höhere Waferdurchlaufzahlen möglich
Prizipiell lassen sich mit der beschriebenen Mechatronik noch höhere Waferdurchlaufzahlen erzielen. Daran wird bereits gearbeitet. Zudem bietet es sich an, ein Wafertransfersystem der beschriebenen Art auch an weiteren Stellen in der Fertigungslinie einzusetzen.
Durch die Möglichkeiten der Ein- und Ausschleusung von Wafern aus dem Prozess können Puffer angelegt werden, die zur Entkopplung der davor- und dahinterliegenden Sektionen führen. Die Stillstandszeiten werden damit minimiert und es wird eine bessere Wartbarkeit der Linie erreicht.
Jenaer Antriebstechnik; Telefon: 03641 63376-55; E-Mail: info@jat-gmbh.de
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