„Neben der Durchsatzerhöhung von 20.000 auf 30.000 Chips pro Stunde, einer vereinfachten Maschineneinrichtung und -bedienung sowie dem verbesserten Wafer-Handling konnten wir auch die Kosten im Vergleich zur Vorgängermaschine um 20 % senken.“ Mit diesen Ergebnissen ist Martin Dimpfl, Leiter Electronic Engineering im Unternehmensbereich Automation beim Sondermaschinenbauer Mühlbauer, äußerst zufrieden. Möglich gemacht hat diese Produktionssteigerung beim Spezialisten für Chipkarten- und Passherstellung zum einen die Einführung eines neuen Sorting-Systems für Dies (also ungehäuste Mikrochips). Aber auch die Standardisierung der I/O-Ebene mit den Ethercat-Steckmodulen von Beckhoff habe laut Dimpfl dazu beigetragen. Denn die Steckmodule des Verler Automatisierers ermöglichen eine zeit- und fehlerminimierte Produktion, geringere Herstellungskosten sowie verkürzte Lieferzeiten.
Aufwand für Teach-in durch den Maschinenbediener entfällt
Das Sorting-System kann Mikrochips bis zu einer Größe von 0,2 x 0,4 mm2 und einer Dicke von 80 µm mit höchster Präzision und Geschwindigkeit verarbeiten. Dazu wird der jeweilige Wafer vermessen und die Platzierung der einzelnen Chips erfasst. Anschließend korrigiert die Maschine automatisch die Übergabe der Halbleiter-Bausteine an die einzelnen Pick-and-Place-Einheiten. „Bislang musste all das vom Maschinenbediener selbst per Teach-in umgesetzt werden. Dieser Aufwand entfällt nun komplett“, freut sich Dimpfl.
Die Maschine ist in verschiedene Funktionsmodule aufgeteilt: Der automatische Wafer-Wechsler transportiert zunächst den Wafer auf den Wafer-Tisch und die abgearbeiteten Halbleiterscheiben zurück in die Wafer-Kassette. Der Tisch expandiert, rotiert und bewegt den Wafer während der Produktion. Und er positioniert diesen so, dass die folgende Chip-Entnahmeeinheit (Die-Ejector) die einzelnen Mikrochips auf das obere von zwei Inspektionsrädern übergeben kann. Dort wird die Wafer-Folie mittels Vakuum rund um die Die-Ejector-Nadel in Position gehalten. An den beiden Inspektionsrädern werden alle sechs Mikrochip-Seiten vollständig geprüft. Anschließend positioniert, transportiert und verschließt ein Zählmodul das Gurtband mit den darin abgelegten Chips mit dem Abdeckband und führt abschließende Inspektionen durch. Nach Erreichen der gewünschten Stückzahl wird das Gurtband abgeschnitten.
Vier Signal-Boards mit Ethercat-Steckmodulen reduzieren Verdrahtungsaufwand
Der komplexe Maschinenablauf wurde hoch modular und kompakt aufgebaut, erläutert Dimpfl. In der Maschine sind vier unterschiedliche Signal-Distribution-Boards mit den Ethercat-Steckmodulen im Einsatz. Diese vier Boards sind genau auf die Anforderungen der Maschine abgestimmt. „Neben den EJ-Modulen sind auch Ethercat-Servoverstärker für Keramik- und Piezomotoren, Blitzlicht-Controller und Logik für die Vision-Anwendungen sowie die komplette 24/48-V-Spannungsverteilung enthalten“, führt der Leiter Electronic Engineering weiter aus.
Ziel war es, eine minimale Verdrahtung innerhalb der Maschine zu realisieren und das Signal-Distribution-Board so nah wie möglich an den jeweiligen Baugruppen platzieren zu können. „So entsteht eine äußerst kompakte Bauweise und es lassen sich schon in der Baugruppen-Vormontage die komplette Verdrahtung und die Prüfung der Einheit vornehmen. Somit sind die Zeiten für Test, Fertigung und Inbetriebnahme durchgehend optimiert“, erklärt Dimpfl.
Des Weiteren lassen sich die Ethercat-Steckmodule aufgrund der durchgängigen Ethercat-Kommunikation problemlos auch mit den in einem sehr breiten Spektrum verfügbaren Ethercat-Klemmen kombinieren, zählt der Leiter der Elektronikfertigung als Vorteil auf. Dadurch erhöhe sich die Flexibilität in der Produktion, da sich so ausgehend von der Basis-Maschine zusätzliche Kundenanforderungen – beispielsweise spezielle Sensorik oder besondere Testsysteme – schnell und ohne großen Aufwand umsetzen lassen. Zudem kann das Signal-Distribution-Board entweder selbst oder als Dienstleistung von Beckhoff oder einem Drittunternehmen konzipiert und gefertigt werden.
„Steckmodulsystem rechnet sich bereits bei Kleinserien ab zehn Maschinen“
Für Mühlbauer ist im Bereich des Sondermaschinenbaus ein modulares System unabdingbar. Denn nur so sei die notwendige Standardisierung möglich, um Grundbaugruppen effizient in verschiedenen Maschinentypen einsetzen und auf eine komplette Neukonstruktion bei jeder Maschine verzichten zu können.
„Nach unserer Kalkulation rechnet sich der Einsatz der Ethercat-Steckmodule, inklusive der Entwicklung des Signal-Distribution-Boards, bereits für eine Kleinserie von rund zehn Maschinen pro Jahr. Da die Boards vorab vollständig auf ihre Funktion hin getestet werden, erreichen wir eine enorme Fehlerreduzierung in der Montage sowie eine reibungslose Inbetriebnahme. Dies hat eine hohe Zeitersparnis zur Folge – beispielsweise bei Sorting-Maschine von knapp 100 Stunden Montagezeit plus der bislang angefallenen Zeiten für Fehlersuche und -beseitigung“, erläutert Dimpfl.
Der Sondermaschinenbauer will daher zukünftig sukzessive alle Maschinentypen seines mehr als 200 Anlagen umfassenden Portfolios mit einer Stückzahl ab zehn pro Jahr auf das Ethercat-Steckmodulsystem von Beckhoff umstellen.
