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精密线马平台显垂直整合关键
半导体设备需求水涨船高

【作者: 陳念舜】2022年06月24日 星期五

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因应近年来疫情及国际地缘政治因素,各国纷纷盘点关键产业及原材料以降低对外依赖,将有可能影响台湾於全球供应链地位。如半导体、智慧机械等关键产业亦须顺应情势,利用台湾半导体产业聚落优势,积极促进国内外业者投资半导体先进制程,在最近一段时间国际专业展会大出风头的精密线性马达模组平台,便凸显了业界垂直整合成效。


回顾过去因为2000年两兆双星年代,促使台湾在半导体、面板产业大量引进线性传动元件,包括滑轨、螺杆等,直到升级为更为高速且精密的线性马达模组,甚至由工研院主导自行开发投入放电加工机。却始终受制於负载、推力有限和散热不易,未能真正普及。如今,则随着地缘政治、後疫时期促成各国分散布局,促成半导体产业蓬勃发展,造就护国群山需求,亟须透过设备自主研发,大幅提升在国际市场竞争力。


根据经济部最新统计2021年机械出囗前三大品项为生产半导体等机械、工具机、滚珠轴承及传动轴,各占机械总出囗17.4%、10.0%、9.1%,其中生产半导体等机械自2013年起连续9年创新高,且於2019年挤下工具机成为主要机械出囗品项。加上後疫时代促使高效能运算、云端服务、物联网等需求增加,推升相关晶片需求劲扬,带动台湾生产半导体等机械出囗持续攀升,连续9年正成长,直到2021年达到48.3亿美元,年增37.2%,超越中国大陆、德国,排名上升至第6。


进而带动2022年Q1台湾制造业固定资产增购(不含土地)金额已达到4,830亿元,创历年同季新高,季减17.9%、年增17.8%;按固定资产型态分,以机械及杂项设备增购占84.6%最多,年增18.3%。同期制造业营业收入8兆3,612亿元,为历年同季新高,季减9.6%、年增15.3%,主因则受惠於5G、高效能运算及车用电子等新兴科技应用持续拓展,以及云端建置需求热络,推动资讯电子产业营收攀升;加上国际原物料价格高档盘旋,半导体业扩厂需求,带动石化、钢铁、机械等各主要传统产业营收均呈两位数正成长。



图1 : 台湾生产半导体等机械自2013年起连续9年创新高,且於2019年挤下工具机成为主要机械出囗品项,直到2021年排名上升至第6。(source:经济部统计处)
图1 : 台湾生产半导体等机械自2013年起连续9年创新高,且於2019年挤下工具机成为主要机械出囗品项,直到2021年排名上升至第6。(source:经济部统计处)

东佑达成立新创公司 深耕奈米级线马模组平台市场

东佑达自动化公司(Toyo)不仅多年来持续代理台日系工业6轴/协作型机器人及无人搬运车导引车(AGV),并锁定滑台模组、单轴机械手、电动夹爪、线性马达模组、桌上型/X-Y轴直交型机器人、无人搬运车关键模组,成为两岸最大铝挤型传动元件/模组大厂。


另因应市场对於精密定位、高速移载与微米、奈米之控制需求不断提升,东佑达更在2021年,成立「东佑达奈米系统公司」,投入研发制造与销售奈米与微米级定位系统。藉此运用该公司超过15年以上的丰富生产经验、规模生产能量,以日本技术品质结合台湾优势制造及价格,掌握从选定高自制率的完整定/转子直驱模组元件,到成套系统的高阶运动整合设计能力,实现超高6自由度精度。


同时透过全球服务据点,全方位配合OEM/ODM等弹性合作模式,以提供产业链所需奈米级高精度线性马达、空气轴承定位平台、客制化设备专用机等最隹自动化解决方案,支援半导体、印刷电路板、Micro/Mini LED等先进制造应用领域。


其中被东佑达视为明日之星的铝挤型「线性马达模组」系列产品,便强调采取先设计外型的特色,有别於坊间先设计定/转子模式,所以在相同推力下的体积最小,推出完整系列产品线,包括:有铁芯式轨道内??型LGW/LGF模组,系采取平板型永久磁铁定子,以矽钢片堆叠动子线圈,具有体积小的优点,又分为LAF铝、LSF铁不同材质。


东佑达甫获得2022年台湾精品奖的「LGW系列轨道内嵌式线性马达机械手」,便采用该公司高精度内嵌式滚珠滑轨,搭配自制线性马达的模组化设计,而大幅缩小本体高度至64~75mm,为同级商品中最低、体积减少40%以上,相对减省设备所需安装空间、时间和人工成本。


另有为了小型化而设计的LAU无铁芯式模组,采取U型磁石定子,内以树脂/环氧胶(E-POXY)固定动子线圈;与采用圆棒式磁石定子的LMR轴心式线性马达模组。两者皆通过电流而产生推力,并搭配线性滑轨支撑重量,以及读头、光学/磁性尺来决定精度。


经利用雷射干涉仪测试两者在移动速度500mm/s之下的差异,可发现有铁芯式(标准)LGF系列线马模组的速度变化量(速度涟波)顿动较大达1.5%,搭配高阶控制器的奈米系统,可达0.1%;在加速性上因为具有磁铁、矽钢片吸引力,滑块重且反应较慢;磁通密度高,推力较大;磁铁用量少,成本较低。无铁芯式LAU系列线马模组速度变化量约0.51%,几??无顿动;无吸引力,使之滑块轻,在加速性的反应较快;但因为有2排磁铁的用量多,成本较高。


然而,无论是一般无盖型LTF2、密闭防尘型LNF2,或者在1000mm/sec下测试,可达到class1等级的无尘型LCF2模组,标准型与无尘型皆可共用孔位、本体,且具备在滑座两侧设计外拉注油孔的专利设计,注油进入滑块润滑;推力范围约14~740N,成为同级最小模组;可搭配各家驱动器、霍尔及温度感知器,来提高精度。


东佑达进一步指出,现今使用者面临的问题还有该选择整合型线马模组,或者自行购入马达动/定子、滑轨、光学尺、本机机构等零组件组装。前者如一次购入整套线马模组,则可以缩短重新制图设计、组装、品检的工时。Toyo还提供2D/3D图档,方便课户选用适当规格,实现体积/性能最隹化,缩短交期;於出厂前调适完成驱动器、模组,藉以保证精度、安装简易,且系统稳定性高,价格又低。


此外,相较於市面上螺杆+线轨模组差异,东佑达线马模组可利用定子串接,使之行程长达10m;实现3G高加减速,且能高速移动3.5/sec,优於螺杆1.5m/sec;仰赖光学/磁性尺,使之定位精度约±1μm;支援多滑座型式,搭配THK低发尘轨道的安静度约57dB、视速度有别的高荷重可达250kg。


同时可以搭配东佑达自制LC100驱控器,选择Pulse、EtherCAT等通讯模式,或者是Servotronix、三菱、松下、台达、士林等各品牌驱动器。也获客户导入取放半导体被动元件制程,得以解决传统皮带在长行程运行时,容易造成张力松驰问题;在使用环境较隹的半导体、面板领域,可以搭配光学尺或Toyo自制较平价的磁性尺。


值得一提的是,由於东佑达奈米级线性马达平台系采取线性马达及滑轨的结构设计,除了精度比起一般螺杆更高,以1μm精度与自家线性马达模组市场区隔,不致於因为传统滚珠滑轨结构面对面接触、磨擦而生热或噪音,缩短使用寿命。


进而搭配热膨胀系数低,刚性与稳定度俱隹的天然花岗岩基座、空气轴承的专利「共面式结构」设计,共用同一基准面,克服在平面、正交垂直面上的直线X-Y轴上下堆叠设计,容易累积误差问题;并通过包括水平度、垂直度、Pitch、Roll、轴线性位移、Yaw等超高6D自由度精度验证,分别达到<1μm、1marc sec,使用速度可达到1m/sec、重覆精度+/-1μm~0.3μm。


此亦归功於东佑达利用自家厂内加工的优势,将节流元件直接??入花岗岩基座再经过研磨,让空气通过而形成pad浮起台面。有别於国内外同业在机台四角以螺丝锁固节流元件方式,难以精准控制空气流量,一旦未调整好角度时,就会受到移动过程中震动而偏移、撞机,导致节流元件变形,未能使台面完全浮起,恐让结构长期摩擦受损。


反观东佑达奈米级空气轴承平台,即使撞机也不会失效,也会透过感测器监控气压是否足够,不足时停机以防止磨擦而失去精度。且因为经过不同角度通过的空气维持结构面零接触,甚至可实现高刚性与高承载能力,承受10G加减速度冲击。「以此推算,倘若一般滑轨大约以1kg力道就能推动10kg物件,空气轴承便相当於可以相同力道推动100kg物件,降低所需马达规格、功率,既省钱又节能。」


目前已成功售出数十部空气轴承单轴双动子/直交、龙门双驱、XYZ跳水台式、XYZθ龙门双驱平台机种,再让客户自行选配雷射、视觉模组,分别应用於半导体封测产业的高速移载取放料、微钻孔/雷射精密加工、光罩AOI检查、印刷电路板DI曝光机等应用领域。



图2 : 东佑达在2021年成立「东佑达奈米系统公司」,以日本技术品质结合台湾优势制造及价格,掌握从选定高自制率的完整定/转子元件,到成套系统的高阶运动整合设计能力,投入研制与销售奈米定位系统。(摄影:陈念舜)
图2 : 东佑达在2021年成立「东佑达奈米系统公司」,以日本技术品质结合台湾优势制造及价格,掌握从选定高自制率的完整定/转子元件,到成套系统的高阶运动整合设计能力,投入研制与销售奈米定位系统。(摄影:陈念舜)

海德汉发表ETEL抑震平台 结合数控实现精准定位

德系数控系统大厂海德汉公司(HEIDENHAIN),向来不遗馀力协助台厂跨足半导体领域,并持续发表最新运动控制解决方案,其实旗下早已有多家运动控制系统品牌,包括:ETEL、RSF等产品普及於电子设备业应用,也协助如Micro/Mini LED产业,满足对於巨量转移的高精度运动控制要求,甚至是ASML曝光机达到奈米级精准定位。


相较於目前台湾半导体设备业还有很大努力空间去达到精密定位,即除了改善马达本体材质、转子绕线外,若能搭配外商光学尺等关键零组件,就有机会提升精密等级。近年来海德汉也持续发表众多轴向/旋转运动控制(Motion Control)的产品,并搭配上位控制器、驱动器,构成完整闭??路(Close Loop)系统,以实现精准定位。


其中ETEL最新上市抑震平台,便强调可用来补正6个自由度,当机台执行3~4G加速度动作後,仅须不到0.1sec就能完成重新整定回复,同时降低成本、提高产能和加快上市时间。例如可协助12寸晶圆模拟检测平台,采取有别於传统X-Y轴交叉型式,而是加入减缩占用空间的旋转轴堆叠架构,除了可用来量测晶圆厚薄、平整度外,还能充分纳入晶圆两端对角边缘范围,以对应半导体业对於晶圆精准定位需求,现已实际供货国内外半导体设备业者。


进而利用海德汉反??及控制系统来提升精度,并搭配主动式抑震平台、轻量化机架,将光学尺杂讯降至1nm以下,不致造成控制器整定困难;以及新增HSP1.0晶片,一旦开启後的讯差比约5~10倍之间,即使遭受掉落杂物、粉尘、油污,皆不致影响机台回授讯号的稳定效果,提升机台可靠度及寿命,得以在170ms内兼顾100nm、Z轴1nm精度,又不影响输出产能。


迎合现今国际净零碳排趋势,设备业者利用海德汉数控系统在通讯介面上单一电缆(one cable)回授动力和资讯串连多轴,将更有助於节能;搭配ETEL线性/扭矩马达等完整数控系统解决方案,具备高推力密度和动态特性,并将材质与绕线都纳入考量,以改善马达效率。



图3 : 海德汉公司旗下ETEL最新上市抑震平台,便强调可用来补正6个自由度,可供业者导入12寸晶圆模拟检测平台,除了可用来量测晶圆厚薄、平整度外,还能充分纳入晶圆两端对角边缘范围,以对应半导体业对於晶圆精准定位需求。(摄影:陈念舜)
图3 : 海德汉公司旗下ETEL最新上市抑震平台,便强调可用来补正6个自由度,可供业者导入12寸晶圆模拟检测平台,除了可用来量测晶圆厚薄、平整度外,还能充分纳入晶圆两端对角边缘范围,以对应半导体业对於晶圆精准定位需求。(摄影:陈念舜)

结语

回顾台湾因为拥有优质的人力、技术跟法规环境,经过数十年发展以来,已建构创新、韧性、高效率的产业链,足以快速因应市场变化,提供优质创新的高科技产品,成为国际大厂长期可信赖的合作夥伴,於全球供应链有独特性与不可取代性。


惟在近期一连串全球重大事件,如美中贸易、科技争端、COVID-19疫情及俄乌战争,全球供应链走向区域化、产业链进行重组之际,各国基於强化产业韧性与国家安全考量,纷纷盘点关键产业及原材料,并积极推动产业自主以降低对外依赖,将有可能减弱过往的合作关系,甚至带来新的竞争,进一步影响台湾於全球供应链地位。


如半导体、5G等关键产业亦须顺应新竞合情势,利用台湾半导体产业聚落优势以及庞大的未来需求,积极促进业者投资半导体先进制程,内外垂直整合设备与关键零组件,始能提升竞争力。包含协助设备及材料外商在台扩大投资建置在地供应链,以持续完善半导体供应链生态系;并辅导引进台湾设备零组件及材料业者提升制造技术,打造最高品质规格产品,逐步提升半导体设备及材料自主性,以强化台厂在全球供应链的竞争优势,成为世界上不可或缺的角色。


**刊头图(source:img.directindustry.com)


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