Високо{0}}прецизни PLC решения на Siemens за оборудване за производство на полупроводници и електроника

Въведение в Siemens PLC в производството на полупроводници

Индустрията за производство на полупроводници и електроника изисква най-високи нива на прецизност, надеждност и ефективност, за да произвежда авангардни-устройства с характеристики в нанометров-мащаб. PLC системите на Siemens (Програмируем логически контролер) се очертаха като гръбнака на автоматизацията в този критичен сектор, осигурявайки високо-прецизното управление, необходимо за посрещане на строгите изисквания на индустрията. От производството на пластини до окончателното сглобяване, PLC решенията на Siemens позволяват на производителите да постигнат безпрецедентни нива на контрол на процеса, оптимизация на добива и производителност на оборудването.

В този блог ще проучим как PLC технологията на Siemens се справя с уникалните предизвикателства на производството на полупроводници и електроника, подчертавайки ключови характеристики, приложения в-реалния свят и измерими ползи. Ще разгледаме и конкретни случаи на употреба, които демонстрират как PLC системите на Siemens осигуряват осезаеми резултати за производителите по целия свят.

Основни предизвикателства в производството на полупроводници и електроника

Оборудването за производство на полупроводници е изправено пред няколко критични предизвикателства, които изискват усъвършенствани решения за автоматизация:

• Изисквания за ултра{0}}висока точност:Процеси като фотолитография, ецване и отлагане изискват позиционна точност до нанометри и контрол на температурата в рамките на ±0,1 градуса
• Сложно много{0}}променливо управление:Координиране на стотици параметри на процеса едновременно при запазване на стабилност и повторяемост
• Високо{0}}скоростна обработка на данни:Боравене с хиляди входно/изходни точки и показания на сензори с времена на цикъл само 1 ms
• Строги стандарти за безопасност и надеждност:Минимизиране на времето за престой и осигуряване на целостта на процеса в среда на чисти помещения
• Безпроблемна интеграция с други системи:Комуникация с MES (Manufacturing Execution Systems), SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) и IoT платформи

PLC системите на Siemens са специално проектирани да преодолеят тези предизвикателства, предлагайки цялостно решение, което комбинира мощни възможности за обработка, усъвършенствани алгоритми за управление и безпроблемна свързаност.

Основни PLC технологии на Siemens за полупроводниково оборудване

Серия SIMATIC S7-1500: Индустриалният стандарт за прецизен контрол

Серията SIMATIC S7-1500 PLC контролери на Siemens се откроява като предпочитан избор за оборудване за производство на полупроводници, осигурявайки изключителна производителност и гъвкавост. Тези контролери предлагат:

Вариантът S7-1500T-CPU е особено подходящ-за производство на полупроводници, предлагайки интегрирани възможности за контрол на движението, които опростяват внедряването на сложни много-осови системи, като роботи за обработка на пластини и етапи за прецизно позициониране. С вградена поддръжка за кинематични трансформации и профили на гърбици, този PLC на Siemens намалява времето за разработка, като същевременно подобрява точността на управление на движението с до 40% в сравнение с традиционните решения.

PLC решения на Siemens за безопасност за чисти помещения за полупроводници

Безопасността е от първостепенно значение в среди за производство на полупроводници, където дори незначителни неизправности на оборудването могат да доведат до катастрофални загуби. PLC контролерите за безопасност на Siemens, като серията S7-1500F, предоставят сертифицирани функции за безопасност, които:

• Предотвратете неоторизиран достъп до опасни зони с предпазни блокировки и системи за контрол на достъпа
• Наблюдавайте критичните параметри на процеса в реално-време, като задействате автоматично изключване, ако стойностите надхвърлят безопасните граници
• Осигурете безопасна функция за аварийно спиране на цялото свързано оборудване с времена за реакция под 10 ms
• Поддържайте целостта на данните по време на събития,-свързани с безопасността, за да активирате анализ на първопричината и да предотвратите повторение

При скорошно внедряване във водеща фабрика за полупроводници S7-1500F safety Siemens PLC намали времето за престой, свързано с безопасността, с 65%, като същевременно подобри общата ефективност на оборудването (OEE) с 12%.

Ключови приложения на Siemens PLC в оборудване за производство на полупроводници

1. Оборудване за производство на вафли: прецизен контрол за процеси в нанометров-мащаб

Производството на пластини е най-критичният етап в производството на полупроводници, изискващ най-високи нива на прецизност и контрол. PLC системите на Siemens играят централна роля в няколко ключови процеса:

Фотолитографски системи

Във фотолитографското оборудване PLC контролерите на Siemens управляват подравняването на маски и пластини с под-нанометрова точност. S7-1500T-CPU позволява:

• Точност на позициониране от ±0,05 μm за етапи на пластини, критична за производството на 7nm и 5nm процесни възли
• Синхронизирано управление на движението на до 32 оси с PROFINET IRT, гарантиращо, че движенията на маската и пластината са перфектно координирани
• Регулиране на-фокуса в реално време въз основа на обратна връзка от сензора, поддържане на еднаквост на критичния размер (CD) по цялата повърхност на пластината

Водещ производител на фотолитографско оборудване съобщи за 28% намаление на грешките при подравняване след внедряване на PLC контролни системи на Siemens, директно превеждайки до 9% увеличение на добива на пластини.

Оборудване за ецване и отлагане

За процесите на ецване и отлагане PLC системите на Siemens регулират прецизно параметри като:

• Плътност на плазмата с точност от ±0,5% при използване на алгоритми за управление на затворен-контур
• Скорости на газовия поток в рамките на ±0,1 sccm (стандартни кубични сантиметри в минута) за технологични газове като аргон, кислород и съединения на базата на-флуор
• Контрол на температурата на процесните камери в рамките на ±0,05 градуса, осигурявайки еднаква дебелина и състав на филма

2. Оборудване за монтаж и тестване на електроника

PLC решенията на Siemens са еднакво ценни в процесите на сглобяване и тестване на електроника, където прецизността и бързината са от съществено значение за-производството в голям обем:

Линии за технология за повърхностен монтаж (SMT).

В поточните линии на SMT PLC контролерите на Siemens управляват избиране{0}}и-поставяне на машини със:

• Точност на поставяне на компоненти от ±0,02 mm при 4 сигма, позволяваща надеждно сглобяване на микрочипове с размери на стъпка от 0,3 mm
• Времена на цикъл от 0,08 секунди на компонент, поддържащи производствени темпове до 45 000 компонента на час
• Интегриране-на проверка на качеството в реално време, отхвърляне на дефектни компоненти, преди да бъдат поставени върху печатни платки

Голям производител на електроника внедри PLC контрол на Siemens на своите SMT линии, което доведе до 35% намаление на грешките при поставяне и 22% увеличение на пропускателната способност на линията.

Автоматизирано тестово оборудване (ATE)

PLC системите на Siemens осигуряват високо{0}}скоростното управление, необходимо за ATE системи, които тестват полупроводникови устройства на различни етапи от производството:

• Изпълнение на последователност от тестове с времена на цикъла до 1 ms, което позволява паралелно тестване на множество устройства
• Генериране и измерване на прецизен сигнал с точност от ±0,01% за параметри на напрежение, ток и честота
• Безпроблемно прехвърляне на данни към MES системи за-анализ на добива в реално време и оптимизация на процеса

Архитектура на PLC решение на Siemens за полупроводниково оборудване

Хардуерни компоненти: градивни елементи на прецизен контрол

Типично PLC решение на Siemens за оборудване за производство на полупроводници включва следните ключови компоненти:

• Процесор SIMATIC S7-1500:Ядрото за обработка с опции за стандартни (S7-1500) или безопасни (S7-1500F) контролери въз основа на изискванията на приложението
• ET 200SP Разпределена I/O система:Модулни I/O модули с висока- плътност, които осигуряват до 64 канала на модул с 16-битова разделителна способност за аналогови сигнали
• SIMATIC HMI панели:Сензорен интерфейс с-визуализация на данни в реално време и възможности за операторски контрол
• SINAMICS задвижвания:Прецизни системи за управление на мотора, които осигуряват точност на въртящия момент от ±0,1% за приложения за обработка и позициониране на пластини
• Мрежова инфраструктура на PROFINET:Високо{0}}скоростен индустриален Ethernet с циклични времена до 31,25 μs за синхронизиран контрол на движението и обмен на данни

Тази хардуерна архитектура гарантира, че PLC системите на Siemens могат да се справят с най-взискателните приложения за производство на полупроводници, като същевременно поддържат най-високи нива на прецизност и надеждност.

Софтуерна екосистема: TIA портал и извън него

PLC решението на Siemens е допълнено от мощна софтуерна екосистема, която опростява разработката, внедряването и поддръжката:

• TIA портал (Напълно интегрирана автоматизация):Унифицирана инженерна платформа, която позволява безпроблемно конфигуриране на PLC системи на Siemens, HMI панели, задвижвания и компоненти за безопасност
• SIMATIC WinCC:SCADA софтуер, който осигурява-наблюдение в реално време и събиране на данни с разширени възможности за визуализация
• SIMATIC Safety Matrix:Графичен инструмент за проектиране и внедряване на функции за безопасност в контролери S7-1500F
• Симулационен софтуер SIMIT:Позволява виртуално пускане в експлоатация на PLC програмите на Siemens преди физическо внедряване, намалявайки времето-до-пазара с до 30%

Интегрирането на тези софтуерни инструменти с хардуера на Siemens PLC създава цялостно решение за автоматизация, което се отнася до всички аспекти на контрола на оборудването за производство на полупроводници.

Казус от-свят свят: Siemens PLC в оборудване за ецване на пластини

Клиентско предизвикателство

Водещ производител на полупроводниково оборудване трябваше да надстрои своите системи за плазмено ецване, за да отговори на изискванията за прецизност на 5nm технологията. Тяхната съществуваща система за контрол се бореше с:

• Поддържане на еднаквост на плътността на плазмата в рамките на ±1% през 300 mm пластини
• Постигане на стабилни скорости на ецване с вариация по-малка от 0,5% на пластина
• Намаляване на отклонението на процеса за минимизиране на вариациите между пластини-за-плоска
• Подобряване на времето за работа на системата чрез намаляване на непланирани събития по поддръжка

Внедряване на PLC решение на Siemens

Производителят внедри PLC решение на Siemens, базирано на S7-1500F CPU 1518F-4 PN/DP със следните компоненти:

• S7-1500F CPU с интегрирани функции за безопасност за съответствие със SIL 3
• ET 200SP I/O модули за високо-прецизно получаване на аналогов сигнал (16-битова разделителна способност)
• PROFINET IRT комуникация за синхронизирано управление на плазмени генератори и системи за позициониране на пластини
• SIMATIC WinCC за-наблюдение на процеса в реално време и регистриране на данни
• Разширени алгоритми за PID контрол, оптимизирани за динамиката на плазмения процес

Подробен процес на тестване и резултати

PLC решението на Siemens премина щателно тестване в производствена среда със следната методология и резултати:

Методика на тестване

• Базово измерване:100 пластини, обработени със съществуващата система за контрол, за да се установят показатели за ефективност
• Siemens PLC интеграция:Инсталиране и въвеждане в експлоатация на новата система за управление с минимално прекъсване на производството
• Проверка на производителността:500 пластини, обработени за оценка на възможностите на новата система
• Тест-за дългосрочна стабилност:Непрекъсната работа в продължение на 30 дни за оценка на надеждността на системата и характеристиките на дрейфа
• Анализ на данни:Сравнение на ключови показатели, включително равномерност на скоростта на ецване, отклонение на процеса и време на работа на оборудването

Ключови подобрения на производителността

Подробните резултати от теста потвърдиха, че PLC решението на Siemens предоставя значителни подобрения във всички критични показатели за производителност, което директно се превръща в повишена производителност и рентабилност за производителя.

Допълнителни ползи

Освен количествените подобрения, PLC решението на Siemens предостави няколко качествени предимства:

• Намалени разходи за поддръжка:Възможностите за предсказуема поддръжка, активирани от-анализ на данни в реално време, намалиха разходите за поддръжка с 28%
• По-бързо развитие на процеса:Гъвкавостта на PLC системата на Siemens позволи на инженерите да внедрят нови рецепти за процеси с 40% по-бързо, отколкото с предишната система
• Подобрена цялост на данните:Безпроблемната интеграция с MES системата на производителя гарантира пълна проследимост на всяка обработена пластина
• Мащабируемост:Модулният дизайн на PLC решението на Siemens улеснява надграждането за бъдещи изисквания на процеса, защитавайки инвестицията на производителя

Как Siemens PLC осигурява висока прецизност: техническо задълбочено потапяне

Разширени алгоритми за управление на полупроводникови процеси

PLC системите на Siemens включват специализирани алгоритми за управление, предназначени да отговорят на уникалните предизвикателства на производството на полупроводници:

• Предсказуем контрол на модела (MPC):Оптимизира множество променливи на процеса едновременно, като взема предвид ограниченията и бъдещите зададени точки, за да предотврати превишаване и да осигури стабилност. В процесите на отлагане е доказано, че MPC подобрява равномерността на дебелината на филма с 35% в сравнение с традиционния PID контрол
• Адаптивен контрол:Автоматично настройва контролните параметри в реално-време въз основа на динамиката на процеса, компенсира отклонението и външните смущения. Тази технология намали вариацията на скоростта на ецване с 60% при скорошно внедряване
• Размито логическо управление:Обработва сложни, не-линейни връзки между параметрите на процеса, които са трудни за моделиране математически. Във фотолитографските системи за подравняване размитата логика подобри точността на позициониране с 25%

Високо{0}}скоростна обработка на данни и комуникация

Обработващата мощност на PLC системите на Siemens им позволява да се справят с масивната производителност на данни, необходима за производството на полупроводници:

• Много{0}}ядрените процесори в серията S7-1500 могат да обработват до 10 000 входно/изходни точки с времена на цикъл само 1 ms
• PROFINET IRT комуникацията осигурява детерминистичен трансфер на данни с трептене по-малко от 1 μs, осигурявайки синхронизирана работа на множество устройства
• Възможностите за периферни изчисления позволяват-анализ на данни в реално време на ниво оборудване, намаляване на забавянето и подобряване на времето за реакция с 50% в сравнение с решения, базирани на облак-

Интеграция с технологията Digital Twin

PLC системите на Siemens се интегрират безпроблемно с технологията за цифрови близнаци, създавайки виртуално представяне на физическото оборудване, което позволява:

• Виртуално въвеждане в експлоатация:Тестване и оптимизиране на PLC програми на Siemens в симулирана среда преди внедряване, намаляване на времето за въвеждане в експлоатация с до 30%
• Прогнозна поддръжка:Сравнение-в реално време на действителната производителност на оборудването с цифровия близнак за идентифициране на потенциални проблеми, преди да причинят прекъсване
• Оптимизация на процеса:Използване на симулация за тестване на нови параметри на процеса и рецепти, без да се прекъсва производството

Избор на подходящия PLC Siemens за вашето полупроводниково оборудване

Ключови критерии за избор

Когато избирате PLC решение на Siemens за оборудване за производство на полупроводници, вземете предвид следните фактори:

• Изисквания за обработка:Оценете броя на I/O точките, изискваните времена на цикъла и сложността на алгоритмите за управление
• Изисквания за точност:Определете необходимата точност за параметрите за управление на позицията, температурата, налягането и потока
• Изисквания за безопасност:Преценете дали за вашето приложение е необходим сертификат за безопасност SIL 2 или SIL 3
• Комуникационни протоколи:Осигурете съвместимост със съществуващи системи (PROFINET, EtherCAT, Modbus и др.)
• Мащабируемост:Планирайте бъдещо разширяване и технологични надстройки

Препоръчителни модели PLC на Siemens за полупроводникови приложения

Въз основа на тези критерии, ето най-подходящите модели PLC на Siemens за обикновени приложения на полупроводниково оборудване:

Партньорство със Siemens за успех

Siemens предлага цялостни услуги за поддръжка, за да помогне на производителите да внедрят и оптимизират своите PLC решения на Siemens, включително:

• Приложно инженерство:Експертно ръководство за проектиране и конфигурация на системата за специфични полупроводникови процеси
• Програми за обучение:Практическо-обучение за инженери и техници по програмиране и поддръжка на PLC Siemens
• Техническа поддръжка:24/7 достъп до глобалната мрежа от експерти по автоматизация на Siemens
• Актуализации на софтуера:Редовни актуализации за осигуряване на съвместимост с най-новите технологии за производство на полупроводници

Заключение: Бъдещето на производството на полупроводници със Siemens PLC

Тъй като полупроводниковата технология продължава да напредва, търсенето на решения за автоматизация с висока{0}}прецизност само ще нараства. PLC системите на Siemens са в челните редици на тази еволюция, осигурявайки производителността, надеждността и гъвкавостта, необходими за посрещане на най-предизвикателните изисквания на индустрията.

Чрез внедряването на PLC решения на Siemens производителите на полупроводници и електроника могат да постигнат:

• Ненадмината прецизност:Точност на позициониране до нанометри и контрол на процеса в рамките на тесни допуски
• Подобрена производителност:По-висока производителност, намалено време на престой и увеличено време за работа на оборудването
• Подобрено качество:По-добра еднородност на процеса, намалени дефекти и по-високи добиви на вафли
• Бъдеща{0}}инвестиция:Мащабируеми решения, които могат да се адаптират към променящите се изисквания на процеса

Независимо дали произвеждате най-съвременни---микрочипове, усъвършенствани сензори или авангардна-потребителска електроника, PLC технологията на Siemens осигурява основата за успех в днешната конкурентна полупроводникова индустрия.