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精密線馬平台顯垂直整合關鍵
半導體設備需求水漲船高

【作者: 陳念舜】   2022年06月24日 星期五

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因應近年來疫情及國際地緣政治因素,各國紛紛盤點關鍵產業及原材料以降低對外依賴,將有可能影響台灣於全球供應鏈地位。如半導體、智慧機械等關鍵產業亦須順應情勢,利用台灣半導體產業聚落優勢,積極促進國內外業者投資半導體先進製程,在最近一段時間國際專業展會大出風頭的精密線性馬達模組平台,便凸顯了業界垂直整合成效。


回顧過去因為2000年兩兆雙星年代,促使台灣在半導體、面板產業大量引進線性傳動元件,包括滑軌、螺桿等,直到升級為更為高速且精密的線性馬達模組,甚至由工研院主導自行開發投入放電加工機。卻始終受制於負載、推力有限和散熱不易,未能真正普及。如今,則隨著地緣政治、後疫時期促成各國分散佈局,促成半導體產業蓬勃發展,造就護國群山需求,亟須透過設備自主研發,大幅提升在國際市場競爭力。


根據經濟部最新統計2021年機械出口前三大品項為生產半導體等機械、工具機、滾珠軸承及傳動軸,各占機械總出口17.4%、10.0%、9.1%,其中生產半導體等機械自2013年起連續9年創新高,且於2019年擠下工具機成為主要機械出口品項。加上後疫時代促使高效能運算、雲端服務、物聯網等需求增加,推升相關晶片需求勁揚,帶動台灣生產半導體等機械出口持續攀升,連續9年正成長,直到2021年達到48.3億美元,年增37.2%,超越中國大陸、德國,排名上升至第6。


進而帶動2022年Q1台灣製造業固定資產增購(不含土地)金額已達到4,830億元,創歷年同季新高,季減17.9%、年增17.8%;按固定資產型態分,以機械及雜項設備增購占84.6%最多,年增18.3%。同期製造業營業收入8兆3,612億元,為歷年同季新高,季減9.6%、年增15.3%,主因則受惠於5G、高效能運算及車用電子等新興科技應用持續拓展,以及雲端建置需求熱絡,推動資訊電子產業營收攀升;加上國際原物料價格高檔盤旋,半導體業擴廠需求,帶動石化、鋼鐵、機械等各主要傳統產業營收均呈兩位數正成長。



圖1 : 台灣生產半導體等機械自2013年起連續9年創新高,且於2019年擠下工具機成為主要機械出口品項,直到2021年排名上升至第6。(source:經濟部統計處)
圖1 : 台灣生產半導體等機械自2013年起連續9年創新高,且於2019年擠下工具機成為主要機械出口品項,直到2021年排名上升至第6。(source:經濟部統計處)

東佑達成立新創公司 深耕奈米級線馬模組平台市場

東佑達自動化公司(Toyo)不僅多年來持續代理台日系工業6軸/協作型機器人及無人搬運車導引車(AGV),並鎖定滑台模組、單軸機械手、電動夾爪、線性馬達模組、桌上型/X-Y軸直交型機器人、無人搬運車關鍵模組,成為兩岸最大鋁擠型傳動元件/模組大廠。


另因應市場對於精密定位、高速移載與微米、奈米之控制需求不斷提升,東佑達更在2021年,成立「東佑達奈米系統公司」,投入研發製造與銷售奈米與微米級定位系統。藉此運用該公司超過15年以上的豐富生產經驗、規模生產能量,以日本技術品質結合台灣優勢製造及價格,掌握從選定高自製率的完整定/轉子直驅模組元件,到成套系統的高階運動整合設計能力,實現超高6自由度精度。


同時透過全球服務據點,全方位配合OEM/ODM等彈性合作模式,以提供產業鏈所需奈米級高精度線性馬達、空氣軸承定位平台、客製化設備專用機等最佳自動化解決方案,支援半導體、印刷電路板、Micro/Mini LED等先進製造應用領域。


其中被東佑達視為明日之星的鋁擠型「線性馬達模組」系列產品,便強調採取先設計外型的特色,有別於坊間先設計定/轉子模式,所以在相同推力下的體積最小,推出完整系列產品線,包括:有鐵芯式軌道內崁型LGW/LGF模組,係採取平板型永久磁鐵定子,以矽鋼片堆疊動子線圈,具有體積小的優點,又分為LAF鋁、LSF鐵不同材質。


東佑達甫獲得2022年台灣精品獎的「LGW系列軌道內嵌式線性馬達機械手」,便採用該公司高精度內嵌式滾珠滑軌,搭配自製線性馬達的模組化設計,而大幅縮小本體高度至64~75mm,為同級商品中最低、體積減少40%以上,相對減省設備所需安裝空間、時間和人工成本。


另有為了小型化而設計的LAU無鐵芯式模組,採取U型磁石定子,內以樹脂/環氧膠(E-POXY)固定動子線圈;與採用圓棒式磁石定子的LMR軸心式線性馬達模組。兩者皆通過電流而產生推力,並搭配線性滑軌支撐重量,以及讀頭、光學/磁性尺來決定精度。


經利用雷射干涉儀測試兩者在移動速度500mm/s之下的差異,可發現有鐵芯式(標準)LGF系列線馬模組的速度變化量(速度漣波)頓動較大達1.5%,搭配高階控制器的奈米系統,可達0.1%;在加速性上因為具有磁鐵、矽鋼片吸引力,滑塊重且反應較慢;磁通密度高,推力較大;磁鐵用量少,成本較低。無鐵芯式LAU系列線馬模組速度變化量約0.51%,幾乎無頓動;無吸引力,使之滑塊輕,在加速性的反應較快;但因為有2排磁鐵的用量多,成本較高。


然而,無論是一般無蓋型LTF2、密閉防塵型LNF2,或者在1000mm/sec下測試,可達到class1等級的無塵型LCF2模組,標準型與無塵型皆可共用孔位、本體,且具備在滑座兩側設計外拉注油孔的專利設計,注油進入滑塊潤滑;推力範圍約14~740N,成為同級最小模組;可搭配各家驅動器、霍爾及溫度感知器,來提高精度。


東佑達進一步指出,現今使用者面臨的問題還有該選擇整合型線馬模組,或者自行購入馬達動/定子、滑軌、光學尺、本機機構等零組件組裝。前者如一次購入整套線馬模組,則可以縮短重新製圖設計、組裝、品檢的工時。Toyo還提供2D/3D圖檔,方便課戶選用適當規格,實現體積/性能最佳化,縮短交期;於出廠前調適完成驅動器、模組,藉以保證精度、安裝簡易,且系統穩定性高,價格又低。


此外,相較於市面上螺桿+線軌模組差異,東佑達線馬模組可利用定子串接,使之行程長達10m;實現3G高加減速,且能高速移動3.5/sec,優於螺桿1.5m/sec;仰賴光學/磁性尺,使之定位精度約±1μm;支援多滑座型式,搭配THK低發塵軌道的安靜度約57dB、視速度有別的高荷重可達250kg。


同時可以搭配東佑達自製LC100驅控器,選擇Pulse、EtherCAT等通訊模式,或者是Servotronix、三菱、松下、台達、士林等各品牌驅動器。也獲客戶導入取放半導體被動元件製程,得以解決傳統皮帶在長行程運行時,容易造成張力鬆馳問題;在使用環境較佳的半導體、面板領域,可以搭配光學尺或Toyo自製較平價的磁性尺。


值得一提的是,由於東佑達奈米級線性馬達平台係採取線性馬達及滑軌的結構設計,除了精度比起一般螺桿更高,以1μm精度與自家線性馬達模組市場區隔,不致於因為傳統滾珠滑軌結構面對面接觸、磨擦而生熱或噪音,縮短使用壽命。


進而搭配熱膨脹係數低,剛性與穩定度俱佳的天然花崗岩基座、空氣軸承的專利「共面式結構」設計,共用同一基準面,克服在平面、正交垂直面上的直線X-Y軸上下堆疊設計,容易累積誤差問題;並通過包括水平度、垂直度、Pitch、Roll、軸線性位移、Yaw等超高6D自由度精度驗證,分別達到<1μm、1marc sec,使用速度可達到1m/sec、重覆精度+/-1μm~0.3μm。


此亦歸功於東佑達利用自家廠內加工的優勢,將節流元件直接崁入花崗岩基座再經過研磨,讓空氣通過而形成pad浮起檯面。有別於國內外同業在機台四角以螺絲鎖固節流元件方式,難以精準控制空氣流量,一旦未調整好角度時,就會受到移動過程中震動而偏移、撞機,導致節流元件變形,未能使檯面完全浮起,恐讓結構長期摩擦受損。


反觀東佑達奈米級空氣軸承平台,即使撞機也不會失效,也會透過感測器監控氣壓是否足夠,不足時停機以防止磨擦而失去精度。且因為經過不同角度通過的空氣維持結構面零接觸,甚至可實現高剛性與高承載能力,承受10G加減速度衝擊。「以此推算,倘若一般滑軌大約以1kg力道就能推動10kg物件,空氣軸承便相當於可以相同力道推動100kg物件,降低所需馬達規格、功率,既省錢又節能。」


目前已成功售出數十部空氣軸承單軸雙動子/直交、龍門雙驅、XYZ跳水台式、XYZθ龍門雙驅平台機種,再讓客戶自行選配雷射、視覺模組,分別應用於半導體封測產業的高速移載取放料、微鑽孔/雷射精密加工、光罩AOI檢查、印刷電路板DI曝光機等應用領域。



圖2 : 東佑達在2021年成立「東佑達奈米系統公司」,以日本技術品質結合台灣優勢製造及價格,掌握從選定高自製率的完整定/轉子元件,到成套系統的高階運動整合設計能力,投入研製與銷售奈米定位系統。(攝影:陳念舜)
圖2 : 東佑達在2021年成立「東佑達奈米系統公司」,以日本技術品質結合台灣優勢製造及價格,掌握從選定高自製率的完整定/轉子元件,到成套系統的高階運動整合設計能力,投入研製與銷售奈米定位系統。(攝影:陳念舜)

海德漢發表ETEL抑震平台 結合數控實現精準定位

德系數控系統大廠海德漢公司(HEIDENHAIN),向來不遺餘力協助台廠跨足半導體領域,並持續發表最新運動控制解決方案,其實旗下早已有多家運動控制系統品牌,包括:ETEL、RSF等產品普及於電子設備業應用,也協助如Micro/Mini LED產業,滿足對於巨量轉移的高精度運動控制要求,甚至是ASML曝光機達到奈米級精準定位。


相較於目前台灣半導體設備業還有很大努力空間去達到精密定位,即除了改善馬達本體材質、轉子繞線外,若能搭配外商光學尺等關鍵零組件,就有機會提升精密等級。近年來海德漢也持續發表眾多軸向/旋轉運動控制(Motion Control)的產品,並搭配上位控制器、驅動器,構成完整閉迴路(Close Loop)系統,以實現精準定位。


其中ETEL最新上市抑震平台,便強調可用來補正6個自由度,當機台執行3~4G加速度動作後,僅須不到0.1sec就能完成重新整定回復,同時降低成本、提高產能和加快上市時間。例如可協助12吋晶圓模擬檢測平台,採取有別於傳統X-Y軸交叉型式,而是加入減縮占用空間的旋轉軸堆疊架構,除了可用來量測晶圓厚薄、平整度外,還能充分納入晶圓兩端對角邊緣範圍,以對應半導體業對於晶圓精準定位需求,現已實際供貨國內外半導體設備業者。


進而利用海德漢反饋及控制系統來提升精度,並搭配主動式抑震平台、輕量化機架,將光學尺雜訊降至1nm以下,不致造成控制器整定困難;以及新增HSP1.0晶片,一旦開啟後的訊差比約5~10倍之間,即使遭受掉落雜物、粉塵、油污,皆不致影響機台回授訊號的穩定效果,提升機台可靠度及壽命,得以在170ms內兼顧100nm、Z軸1nm精度,又不影響輸出產能。


迎合現今國際淨零碳排趨勢,設備業者利用海德漢數控系統在通訊介面上單一電纜(one cable)回授動力和資訊串連多軸,將更有助於節能;搭配ETEL線性/扭矩馬達等完整數控系統解決方案,具備高推力密度和動態特性,並將材質與繞線都納入考量,以改善馬達效率。



圖3 : 海德漢公司旗下ETEL最新上市抑震平台,便強調可用來補正6個自由度,可供業者導入12吋晶圓模擬檢測平台,除了可用來量測晶圓厚薄、平整度外,還能充分納入晶圓兩端對角邊緣範圍,以對應半導體業對於晶圓精準定位需求。(攝影:陳念舜)
圖3 : 海德漢公司旗下ETEL最新上市抑震平台,便強調可用來補正6個自由度,可供業者導入12吋晶圓模擬檢測平台,除了可用來量測晶圓厚薄、平整度外,還能充分納入晶圓兩端對角邊緣範圍,以對應半導體業對於晶圓精準定位需求。(攝影:陳念舜)

結語

回顧台灣因為擁有優質的人力、技術跟法規環境,經過數十年發展以來,已建構創新、韌性、高效率的產業鏈,足以快速因應市場變化,提供優質創新的高科技產品,成為國際大廠長期可信賴的合作夥伴,於全球供應鏈有獨特性與不可取代性。


惟在近期一連串全球重大事件,如美中貿易、科技爭端、COVID-19疫情及俄烏戰爭,全球供應鏈走向區域化、產業鏈進行重組之際,各國基於強化產業韌性與國家安全考量,紛紛盤點關鍵產業及原材料,並積極推動產業自主以降低對外依賴,將有可能減弱過往的合作關係,甚至帶來新的競爭,進一步影響台灣於全球供應鏈地位。


如半導體、5G等關鍵產業亦須順應新競合情勢,利用台灣半導體產業聚落優勢以及龐大的未來需求,積極促進業者投資半導體先進製程,內外垂直整合設備與關鍵零組件,始能提升競爭力。包含協助設備及材料外商在台擴大投資建置在地供應鏈,以持續完善半導體供應鏈生態系;並輔導引進台灣設備零組件及材料業者提升製造技術,打造最高品質規格產品,逐步提升半導體設備及材料自主性,以強化台廠在全球供應鏈的競爭優勢,成為世界上不可或缺的角色。


**刊頭圖(source:img.directindustry.com)


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