集成電路裝備的智能裝配平臺研究

齊芊楓

( 上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司， 上海 201203)

集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，長期以來我國大量的集成電路及相關(guān)裝備依賴進(jìn)口。每年我國集成電路進(jìn)口量遠(yuǎn)超石油進(jìn)口量，嚴(yán)重制約了我國高科技企業(yè)的發(fā)展和競爭力的提升[1]。

提高集成電路產(chǎn)業(yè)自給率是當(dāng)前“中國智造”的重中之重。光刻機是集成電路等芯片制造的核心設(shè)備，被譽為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠[2]。隨著近幾年的技術(shù)攻關(guān)，我國光刻機制造能力已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，但是光刻機的制造過程還是依靠生產(chǎn)人員的經(jīng)驗和技能，生產(chǎn)采用比較傳統(tǒng)的方式。

精密運動臺作為光刻機核心分系統(tǒng)之一，對集成電路的套刻精度和生產(chǎn)效率有著決定性的影響。精密運動臺使用的零部件大多具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、批量小的特點，裝配過程中涉及光、機、電等多學(xué)科的協(xié)作配合，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，裝其配質(zhì)量對運動臺整體性能和可靠性有直接影響。目前精密運動臺主要依賴人工裝配，對裝配人員整體素質(zhì)和經(jīng)驗有著極高要求。但人工裝配存在準(zhǔn)確度受環(huán)境、狀態(tài)、疲勞強度等因素的影響，疏忽大意在所難免[3]，甚至存在“錯裝”、“漏裝”等問題，進(jìn)而引起生產(chǎn)計劃與機臺質(zhì)量一致性的波動。這些問題直接影響光刻機的整體性能和可靠性，相同的問題也一直困擾著國內(nèi)其他集成電路等復(fù)雜裝備的生產(chǎn)商。

本文針對精密運動臺零件種類多、批量小、零件結(jié)構(gòu)和裝配工藝復(fù)雜、裝配精度要求高等特點，開發(fā)了一套基于工業(yè)機器人和人工輔助的柔性化智能裝配平臺，平臺通過各種不同功能島的組合提高了裝配適應(yīng)范圍，實現(xiàn)了閉環(huán)裝配與數(shù)字化裝配，提升了裝配質(zhì)量與效率。

1 平臺布局

通過對零部件裝配過程進(jìn)行分析，邏輯上將柔性智能裝配平臺主要分為三區(qū)域，分別是智能裝配區(qū)、智能測量區(qū)和自動物流倉儲區(qū)。其中智能裝配區(qū)以裝配工藝為指導(dǎo)，主要負(fù)責(zé)零部件組裝，記錄裝配信息，為數(shù)字化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。智能測量區(qū)以質(zhì)檢指標(biāo)為指導(dǎo)，負(fù)責(zé)裝配質(zhì)量檢查與判定，并記錄檢查數(shù)據(jù)。自動物流倉儲以裝配任務(wù)與零部件清單為指導(dǎo)，負(fù)責(zé)所有零部件及工裝夾具等實體物料的流轉(zhuǎn)。具體來說，智能裝配區(qū)由自動裝配島和人工輔助島組成，智能測量區(qū)由自動測量島組成，自動物流區(qū)由AGV 小車、車站、搬運工裝、智能倉庫組成，如圖1 所示。

圖1 柔性智能裝配平臺

1.1 功能島

功能島是為實現(xiàn)某種裝配功能設(shè)計的最小獨立可執(zhí)行單元。各功能島具備獨立運作的能力，也可以通過將幾個相同或不同的功能島進(jìn)行組合的方式來實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。針對精密運動臺零部件裝配的柔性智能裝配平臺主要由自動裝配島、人工輔助島、測量島、物流系統(tǒng)組成。

1.1.1 自動裝配島

具有裝配數(shù)據(jù)全記錄功能的自動裝配島是實現(xiàn)數(shù)字裝配的核心。自動裝配島分為裝配平臺、物料庫、螺釘庫、夾爪庫、擰緊模組庫、抓取機械臂、擰緊機械臂、搬運機械臂八個部分。裝配平臺是自動裝配島的基礎(chǔ)，其它部分與裝配平臺相連。物料庫用于存放待裝配的物料，螺釘庫用于存放裝配所需的螺釘，物料庫和螺釘庫均通過標(biāo)準(zhǔn)“零位工裝”與裝配平臺相連，可通過搬運機械臂實現(xiàn)快速更換。夾爪庫用于存放不同規(guī)格、形狀的夾爪，可以與抓取機械臂配合實現(xiàn)不同物料的抓?。粖A爪與機械臂通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接，具有快速更換的功能。擰緊模組庫用于存放不同尺寸的擰緊模組，與擰緊機械臂組合后可實現(xiàn)不同尺寸螺釘?shù)臄Q緊、拆卸，并具有快速更換的功能。搬運機械臂負(fù)責(zé)物料庫、螺釘庫在裝配平臺與AGV 車站之間的搬運。自動裝配島結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自動裝配島

1.1.2 人工輔助島

具有裝配流程糾錯機制與數(shù)據(jù)采集的人工輔助島充分結(jié)合人工裝配與系統(tǒng)流程控制的優(yōu)勢，解決了微小零件自動裝配難實現(xiàn)的問題，提高了裝配適應(yīng)范圍并實現(xiàn)人工裝配的數(shù)字化。人工輔助島如圖3 所示，有人工輔助平臺、裝配輔助系統(tǒng)、操作臺三個部分。人工輔助臺配備有CCD，可用于預(yù)裝物料的裝配、檢測。裝配輔助系統(tǒng)基于圖像識別與流程控制技術(shù)[3-5]，用于提供人工預(yù)裝時的裝配提示、檢查、判定等輔助措施，可提高人工裝配效率，降低對裝配人員的要求。操作臺用于對整個柔性化智能裝配平臺的監(jiān)測與控制。

圖3 人工輔助島

1.1.3 測量島

全自動的測量島是實現(xiàn)閉環(huán)裝配的重要一環(huán)，它使測量不僅是質(zhì)量檢測的手段，更融入產(chǎn)品制造的各個環(huán)節(jié)，形成產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)控制[6]。測量島分為三坐標(biāo)和搬運機械臂兩個部分；三坐標(biāo)用于裝配結(jié)果的檢測，搬運機械臂負(fù)責(zé)裝配組件的搬運。為提高測量島的利用率，裝配島和人工輔助島可共享一個測量島，如圖4 所示。

圖4 測量島

1.1.4 物流系統(tǒng)

物流系統(tǒng)是實現(xiàn)裝配平臺閉環(huán)運行的核心，用于實現(xiàn)物料在整個裝配平臺的運輸，如圖5 所示。物流系統(tǒng)分為AGV 車站、AGV 載板、托板、AGV 小車和智能倉庫五個部分。AGV 車站用于AGV 小車的停靠，AGV 載板的交接。AGV 載板可以放置于AGV 車站上，托板放置于AGV 載板上；托板上方可以通過轉(zhuǎn)接件放置物料，AGV 小車與AGV 載板相配合，可以在任意AGV 車站?？?。智能倉庫用于裝配物料、半成品、成品的儲存。為提高智能倉庫的利用率，整個智能裝配平臺共享一個智能倉庫。

圖5 物料系統(tǒng)

1.2 虛擬裝配

柔性化智能裝配平臺的自動裝配島使用雙機械臂配合來實現(xiàn)自動裝配。傳統(tǒng)人工操作機械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃路徑設(shè)置程序操作機械臂的方式效率較低，對新產(chǎn)品裝配響應(yīng)慢[7]，不能滿足精密運動臺零部件多品種、小批量的快速裝配要求，特別在自動裝配島存在已有裝配任務(wù)的情況下，無法空出時間給人工操作。通過使用仿真平臺進(jìn)行虛擬裝配，完成物理空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)映射，可在沒有實物的前提下完成機械臂裝配路徑的干涉檢查與路徑優(yōu)化[7，8]，并生成機械臂驅(qū)動代碼。在考慮零件制造誤差與工裝定位誤差等誤差后，利用虛擬與現(xiàn)實之間誤差標(biāo)定技術(shù)與工業(yè)視覺引導(dǎo)技術(shù)[9-10]可快速完成新產(chǎn)品試裝，節(jié)省平臺占用時間，實現(xiàn)快速切換的柔性化生產(chǎn)，如圖6 所示。

圖6 虛擬與現(xiàn)實裝配

2 控制架構(gòu)

柔性化智能裝配平臺控制架構(gòu)如圖7、圖8所示，采用以太網(wǎng)架構(gòu)，主機選用PC，接口多，可擴(kuò)展性強。柔性化智能裝配平臺上層可與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）相連，實現(xiàn)全流程的智能裝配[11]。

圖7 控制架構(gòu)示意圖

圖8 控制架構(gòu)示意圖

每個功能島都通過獨立的PC 來完成各個設(shè)備的調(diào)用，完成特定的工作，具有獨立性。智能平臺主控系統(tǒng)可以控制多個功能島的協(xié)作，來完成復(fù)雜零件的裝配，具有系統(tǒng)性?；诰W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與各功能島的獨立性和物流系統(tǒng)，柔性化智能裝配平臺可以擺脫傳統(tǒng)流水線空間占用連續(xù)性的限制，可將各個功能島分開布置，提高場地占用率。在本項目實施過程中，根據(jù)不同功能島的利用效率以及生產(chǎn)的節(jié)拍，配置了一個人工島，一個檢測島配置兩個自動裝配島的方案。在不同項目可以根據(jù)生產(chǎn)的情況進(jìn)行自由組合，也可以在不同的樓層進(jìn)行。也可以在不同的生產(chǎn)工況，將幾個自動島進(jìn)行功能配置，每個自動島進(jìn)行幾個獨立的功能，然后組合出復(fù)雜的生產(chǎn)工況。

2.1 生產(chǎn)流程

柔性化智能裝配平臺標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)模式分為有人和無人兩種。無人模式主要針對結(jié)構(gòu)簡單、小批量的零組件裝配，有人模式主要針對結(jié)構(gòu)和裝配工藝復(fù)雜、裝配精度要求高的零組件裝配，二者的運行流程如圖9 所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)裝配流程

2.2 任務(wù)與數(shù)據(jù)管理

柔性化智能裝配平臺具有對整個裝配過程數(shù)據(jù)的采集、整合、分析、優(yōu)化的功能，所有裝配數(shù)據(jù)具有可追溯性，貫穿裝配過程的全部環(huán)節(jié)。平臺可根據(jù)裝配任務(wù)，從智能倉庫中自動選取待裝配物料，將裝配任務(wù)分解至各個功能島，同時完成裝配過程中各功能島數(shù)據(jù)的匯總與整合，裝配平臺與功能島運行流程分別如圖10、圖11 所示。若存在缺料等情況無法完成預(yù)定裝配時，將進(jìn)行任務(wù)失敗報錯，并將失敗原因上傳至上層制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），同時在線下顯示屏進(jìn)行實時顯示。在實施裝配前，平臺可依托零件檢驗時關(guān)鍵尺寸的實際尺寸信息，按尺寸鏈要求進(jìn)行智能組合，實現(xiàn)裝配優(yōu)化。在整個裝配過程中，每個零件對應(yīng)的托盤上均具有RFID 與二維碼，依靠分布在各個功能島機械臂上的讀取設(shè)備與CCD，可對裝配過程中物料的流轉(zhuǎn)進(jìn)行識別抓取、防錯與記錄。針對同種組件的多次裝配時，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與對比，發(fā)現(xiàn)異常后將報警，并引入人工分析，保證裝配一致性與裝配數(shù)據(jù)的可追溯性。

圖10 裝配平臺任務(wù)流程

圖11 功能島任務(wù)流程

3 平臺驗證

適用精密運動臺的智能裝配驗證平臺如圖12 所示。平臺針對5 種結(jié)構(gòu)的典型組件進(jìn)行實際裝配驗證，并根據(jù)裝配難度按簡單到困難進(jìn)行排序，設(shè)裝配難度最大值為1，如表1 所示。根據(jù)實測結(jié)果與傳統(tǒng)人工裝配進(jìn)行對比分析，驗證平臺的裝配性能。

表1 平臺測試數(shù)據(jù)

圖12 柔性化智能裝配平臺

針對簡單組件（組件1、2）平臺具有較高的裝配一致性。實測中因機械臂速度受到安全等原因的限制，同時因零件沒有針對機械臂抓取進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用了大量專用工裝，各種工裝夾具的自動切換占用了部分時間，導(dǎo)致人工手動裝配速度優(yōu)于平臺。但平臺在扭矩指標(biāo)的控制上有更優(yōu)的一致性，實測扭矩誤差不超過3%。若考慮后續(xù)人工記錄數(shù)據(jù)錄入質(zhì)量管理系統(tǒng)，則平臺占據(jù)時間優(yōu)勢。在測試中發(fā)現(xiàn)，因6 軸機械臂末端剛性較差，裝配組件自由裝配位置誤差大于機械臂無負(fù)載時定位誤差，誤差隨負(fù)載的增加而增大[7]，本次實測中裝配完成的零件絕對位置誤差為0.2～0.3 mm，機械臂無負(fù)載定位誤差為0.1 mm。在需要高精度裝配場合需引入機械定位進(jìn)行輔助[12]。

針對復(fù)雜零件（組件3、4），平臺具有較高的防錯性。精密運動臺的復(fù)雜零件對裝配順序與裝配精度有著嚴(yán)格要求，平臺通過自動裝配與人工輔助裝配的整合，確保了裝配精度，并實現(xiàn)了裝配順序的嚴(yán)格執(zhí)行。在人工輔助島，若裝配不按工藝順序執(zhí)行，輔助系統(tǒng)將在顯示器報錯，并鎖定擰緊槍，裝配將無法進(jìn)行；同時組件在自動裝配島、人工輔助裝配島、測量島、裝配完成后所有數(shù)據(jù)記錄與上傳，實現(xiàn)閉環(huán)裝配，數(shù)據(jù)具有可追溯性。根據(jù)實測，針對復(fù)雜零件，人機結(jié)合的平臺裝配時間優(yōu)于純?nèi)斯ぱb配時間。

4 結(jié)束語

基于工業(yè)機器人和人工輔助的柔性化智能裝配平臺對精密運動臺零部件的裝配具有較高的實用性，可顯著提高裝配質(zhì)量與效率。在本平臺開發(fā)過程中，開發(fā)了一些適應(yīng)范圍廣的擰緊和測量模塊，可以覆蓋光刻機中大部分模塊的生產(chǎn)。這對批量小、復(fù)雜性高的集成電路裝備來說，由于每個裝配數(shù)據(jù)實時記錄和反饋，可以實現(xiàn)“零”缺陷生產(chǎn)。同時，本平臺具有人機實時對話功能，降低了對人的技能和經(jīng)驗的要求，是生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)的一個方向。