promyshlennaya-ventilyaciya

Вентиляция и кондиционирование

При проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха предусматривают технические решения, обеспечивающие нормируемые параметры воздушной среды. Конкретные требования к воздушной среде для объектов различного назначения излагаются в строительных нормах и правилах.

Классификация систем вентиляции.

Нормативной классификации СВ не существует, но на практике и в технической литературе сложились определенные терминология и классификация, которой мы будем придерживаться.

  1. В зависимости от способа, вызывающего движение воздуха, системы вентиляции подразделяются на естественные и исксственные.

  2. По назначению – на приточные, вытяжные и смешанные.

  3. По зоне обслуживания – на общеобменные и местные.

  4. По конструктивному исполнению – на канальные и бесканальные.

Воздухообмен при естественной вентиляции (аэрация) происходит за счет разности плотностей внутреннего и наружного воздуха или разности температур атмосферного воздуха и воздуха в помещении.

В помещениях с большими тепловыделениями воздух всегда теплее наружного. Более тяжелый наружный воздух, поступая в помещение, вытесняет из него менее плотный воздух. Вследствии этого в помещении возникает циркуляция воздуха, аналогичная той, которую искусственно создают вентилятором.

В системах с естественной вентиляцией, в которых перемещение воздуха создается за счет разности давлений воздушного столба, минимальный перепад по высоте между уровнем забора воздуха из помещения и его выбросом через дефлектор должен быть не менее 3 м. При этом рекомендуемая длина горизонтальных участков не должна превышать 3 м, а скорость воздуха в воздуховодах – 1 м/с.

Аэрацию применяют в цехах, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30 % от предельно допустимой в рабочей зоне. Если требуется предварительная обработка приточного воздуха, аэрацию не используют.

Иногда для организации потока воздуха в помещении используется явление ветрового давления, которое заключается в том, что на стороне здания, обращенной к ветру, образуется повышенное давление, а на противоположной – разрежение.

Системы с естественной вентиляцией просты, не требуют сложного дорогостоящего оборудования и эксплуатационных затрат. Однако зависимость эффективности этих систем от внешних факторов (температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра), а также небольшое давление не позволяют решать с их помощью все сложные и многообразные задачи в области вентиляции. Поэтому применяют системы с механическим побуждением.

В системах с механическим побуждением используется оборудование (вентиляторы), позволяющие перемещать воздух на нужные расстояния. При необходимости воздух подвергают различным видам обработки: очистке, нагреванию, охлаждению, увлажнению, осушке. Вентиляцию с механическим побуждением можно разделить на местную и общеобменную.

pritochnaya-ventilyaciya-ofis

Местной вентиляцией называется такая, которая обеспечивает подачу воздуха на определенные места (местная приточная вентиляция) и загрязненный воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция).

Местная вентиляция обеспечивает воздухообмен только в рабочей зоне, а общеобменная – во всем помещении.

К местной вентиляции относятся воздушные души (сосредоточенный приток воздуха с повышенной скоростью). Они должны подавать чистый воздух к постоянным рабочим местам, снижать в их зоне температуру воздуха и обдувать рабочих, подвергающихся тепловому облучению.

К местной приточной вентиляции относятся воздушные оазисы – участки помещений, отгороженные от остального помещения перегородками высотой 2-2,5 м, в которые нагнетается воздух с пониженной температурой. Местную приточную вентиляцию применяют также в виде воздушных завес (у ворот, входов, печей и пр.), которые создают как бы воздушные перегородки или изменяют направление потоков воздуха. Местная вентиляция требует меньших затрат, чем общеобменная. В производственных помещениях при наличии вредных выделений (газов, влаги, тепла и пр.) обычно применяют смешанную систему вентиляции: общую – для устранения вредных выделений во всем объеме помещения и местную (местные отсосы и приток) – для обслуживания рабочих мест.

Местную вытяжную вентиляцию применяют, когда места вредных выделений в помещении локализованы и нельзя допускать их распространения по всему помещению. Местная вытяжная вентиляция в производственных помещениях обеспечивает улавливание и отвод вредных выделений: газов, дыма, пыли и тепла. Для удаления вредных выделений применяют местные отсосы (укрытия в виде шкафов, зонты, ботовые отсосы и пр.).

Вредные выделения необходимо удалять от места образования в направлении их естественного движения: горячие газы и пары следует удалять вверх, а холодные тяжелые газы и пыль – вниз. При устройстве местной вытяжной вентиляции для улавливания пылевыделений удаляемый из помещения воздух перед выбросом в атмосферу должен быть очищен с помощью фильтров. Если местной вентиляцией не удается обеспечить санитарно-гигиенические или технологические требования, применяют общеобменные системы вентиляции.

pritochnaya-ventilyaciya-proizvodstvo

Общеобменные вытяжные системы равномерно удаляют воздух из всего помещения, а общеобменныеприточные – подают воздух и распределяют по всему объему вентилируемого помещения. При одновременной работе приточной и вытяжной вентиляции они должны быть сбалансированы по расходу воздуха.

Если воздух, подаваемый в помещение, образуется путем смешивания наружного воздуха и воздуха, забираемого из помещения, то такая система называется приточно-рециркуляционной.

Системы вентиляции, подающие и удаляющие воздух по каналам или воздуховодам, называют канальными, а не имеющие каналов – бесканальными.

Система, предназначенная для удаления пыли, которая образуется при технологических процессах, называется аспирационной.

Аспирационные системы подразделяются на:

  • индивидуальные, когда каждое рабочее место имеет отдельную вытяжную установку;

  • центральные, когда одна установка обслуживает группу рабочих мест.

Для перемещения легковесных материалов (древесная стружка, отходы текстильных материалов, хлопок и др.) создают вентиляционные системы, называемые пневмотранспортом.

estestvennaya-ventilyaciya

Естественная вентиляция

Воздухообмен в производственных помещениях осуществляется с помощью естественной вентиляции или механических вентиляционных установок.

Организованный воздухообмен при естественной вентиляции (аэрации) обеспечивается вследствие разности температур (плотности) воздуха, а также в результате действия ветрового напора.

Под действием тепла, выделяемого машинами и механизмами, нагретым углем (при сушке), людьми, а также нагретыми поверхностями повышается температура воздуха в производственных помкщениях и становится выше температуры наружного воздуха.

Нагретый воздух в производственных помещениях поднимается кверху и через отверстия в перекрытиях (крыше) выходит наружу.

Холодный наружный воздух поступает в помещение через открытые проемы в нижней или средних зонах. В результате создается естественный воздухообмен, называемый тепловым напором.

Значение теплового напора определяется по формуле

Н m h (ρн – ρв ) , Н/м2 , (1)

где h – высота между центрами вытяжных и приточных отверстий, м; ρн и ρв – плотность наружного и внутреннего водуха, кг/м3– ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2.

Естественная вентиляция может быть неорганизованной и организованной. При неорганизованной вентиляции неизвестные объемы воздуха поступают и удаляются из помещения, а сам воздухообмен зависит от случайных факторов (направления и силы ветра, температуры внешнего и внутреннего воздуха). Неорганизованная естественная вентиляция включает инфильтрацию  просачивание воздуха через неплотности в окнах, дверях, перекрытиях и проветривание, которое осуществляется при открывании окон и форточек.

Организованная естественная вентиляция называется аэрацией. Для аэрации в стенах здания делают отверстия для поступления внешнего воздуха, а на крыше или в верхней части здания устанавливают специальные устройства (фонари) для удаления отработанного воздуха. Для регулирования поступления и удаления воздуха предусмотрены перекрытия на необходимую величину аэрационных отверстий и фонарей. Это особенно важно в холодное время года.

pritochnaya-ventilyaciya-gostinica

Искусственная вентиляция.

Искусственная (механическая) вентиляция, в отличие от естественной, дает возможность очищать воздух перед его выбросом в атмосферу, улавливать вредные вещества непосредственно возле мест их образования, обрабатывать притекаемый воздух (очищать, подогревать, увлажнять), более целенаправленно подавать воздух в рабочую зону. Кроме того, механическая вентиляция дает возможность организовать забор воздуха в наиболее чистой зоне территории предприятия и даже за ее пределами.

Обще-обменная искусственная вентиляция.

Обще-обменная вентиляция обеспечивает создание необходимого микроклимата и чистоты воздушной среды во всем объеме рабочего помещения. Она применяется для удаления избыточного тепла при отсутствии токсичных выделений, а также в случаях, если характер технологического процесса и особенности производственного оборудования исключают возможность использования местной вытяжной вентиляции.

Различают четыре основных схемы организации воздухообмена при обще-обменной вентиляции: сверху вниз, сверху вверх, снизу вверх, снизу вниз.

Схемы сверху вниз и сверху вверх целесообразно применять в случае, если приточный воздух в холодный период года имеет температуру ниже температуры в помещении. Приточный воздух, прежде чем достичь рабочей зоны, нагревается за счет воздуха в помещении. Другие две схемы рекомендуется использовать в тех случаях, когда приточный воздух в холодный период года нагревается, и его температура выше температуры внутреннего воздуха в помещении.

Если в производственных помещениях выделяются газы и пары с плотностью, которая превышает плотность воздуха (например, пары кислот, бензина, керосина), то обще-обменная вентиляция должна обеспечить до 60% воздуха из нижней зоны помещения и 40%  из верхней.

Если плотность газов меньше плотности воздуха, то удаление загрязненного воздуха осуществляется в верхней зоне.

Приточная вентиляция. Схема приточной механической вентиляции, включает: воздухосборникфильтр для очищения воздуха; воздухонагреватель (калорифер); вентилятор; сеть воздуховодов и приточные патрубки с насадками. Если нет, необходимости подогревать приточный воздух, то его пропускают непосредственно в производственные помещения через обводный канал.

skhema-pritochnoy-ventilyacii

Схема приточной вентиляции

Воздухозаборные устройства необходимо располагать в местах, где воздух не загрязняется пылью и газами. Они должны находиться не ниже 2 м от уровня земли, а от выбросных каналов вытяжной вентиляции по вертикали ниже 6 м и по горизонтали  не более 25 м.

Приточный воздух подается в помещения, как правило, рассеянным потоком для чего используются специальные насадки.

Вытяжная и приточно-вытяжная вентиляция. Вытяжная вентиляция состоит из очистительного устройства, вентилятора, центрального и отсасывающих воздуховодов.

Воздух после очищения необходимо выбрасывать на высоте не менее чем 1 м над гребнем крыши. Запрещается делать выкидные отверстия непосредственно в окнах.

В условиях промышленного производства наиболее распространена приточно-вытяжная система вентиляции с общим притоком воздуха в рабочую зону и местной вытяжкой вредных веществ непосредственно из мест образования.

В производственных помещениях, где выделяется значительное количество вредных газов, паров и пыли вытяжка должна быть на 10% больше чем притока, чтобы вредные вещества не вытеснялись в смежные помещения с меньшей вредностью.

В системе приточно-вытяжной вентиляции возможно использование не только внешнего воздуха, но и воздух самих помещений после его очищения. Такое повторное использование воздуха помещений называется рециркуляцией и осуществляется в холодный период года для экономии тепла, израсходованного на подогревание приточного воздуха. Однако возможность рециркуляции обуславливается целым рядом санитарно-гигиенических и противопожарных требований.

Местная вентиляция.

Местная вентиляция может быть приточной и вытяжной.

Местная приточная вентиляция, при которой осуществляется концентрированное представление приточного воздуха заданных параметров (температуры, влажности, скорости движения), выполняется в виде воздушных душей, воздушных и воздушно-тепловых завес.

Воздушные души используются, для предотвращения перегревания рабочих в горячих цехах, а также для образования так называемых воздушных оазисов (участков производственной зоны, которые резко отличаются своими физико-химическими характеристиками от остальных помещений).

Воздушные и воздухо-тепловые завесы предназначены для предотвращения поступления в помещения значительных масс холодного наружного воздуха и необходимости частого открывания дверей или ворот. Воздушная завеса генерируется струей воздуха, которая подается из узкой длинной щели, Д под некоторым углом навстречу потоку холодного воздуха. Канал со щелью размещают сбоку или сверху ворот (двери).

Местная вытяжная вентиляция осуществляется с помощью местных вытяжных зонтов, всасывающих панелей, вытяжных шкафов, бортовых насосов.

ventilyaciya-restoran

Конструкция местной вытяжной вентиляции должна обеспечивать максимальное улавливание вредных веществ при минимальном количестве удаляемого воздуха. Кроме того, она не должна быть громоздкой и мешать обслуживающему персоналу работать и присматривать за технологическим процессом.

Основными факторами при выборе типа местной вытяжной вентиляции являются характеристики вредных факторов (температура, плотность газов и паров, токсичность), положение рабочего при выполнении работы, особенности технологического процесса и оборудования.

В случаях, если источник производственных помещений можно поместить внутри просторного, ограниченного стенками, местную вытяжную вентиляцию устраивают в виде вытяжных шкафов, кожухов, ветровых насосов. Если по условиям технологии или обслуживания источник происшествий нельзя изолировать, тогда устанавливают вытяжной зонт или всасывательную панель. При этом поток воздуха, который удаляется, не должен проходить через зону дыхания рабочего

Частным случаем местной вытяжной вентиляции являются бортовые насосы, которыми оборудуют ванны (гальванические, травильные) или другие емкости с токсичными жидкостями, поскольку необходимость использовать при их загрузке подъемно-транспортного оборудования делает невозможное использование вытяжных зонтов и всасывательных панелей. При ширине ванны 1 м и более необходимо устанавливать бортовой насос с обдувом, у которого с одной стороны ванны воздух отсасывается, а с другой  нагнетается. При этом подвижный воздух будто бы экранирует поверхность испарения токсичных жидких веществ.

promyshlennaya-ventilyaciya

Если в статье вы найдете неточности и разночтения, пишите, будем вам благодарны!
С Уважением Команда РЕНРУС

автоматика и полупроводники

Как автоматизировалось полупроводниковое производство

         В последнее время автоматизация и роботизация является довольно популярной темой. Появляются супермаркеты без кассиров, Маск пытается «заставить роботов выпускать достаточное количество автомобилей в неделю, Шведы запускают роботизированную линию по производству автомобилей, почта России автоматизирует доставку корреспонденции с помощью дронов. Кто-то начинает опасаться потери рабочих мест, кто-то экспериментирует с основным доходом, многие задумываются, к чему все это приведет. Однако, у нас уже есть отрасль индустрии в которой полная автоматизация произошла довольно давно – полупроводниковая промышленность. Как и почему это произошло и к чему это привело – давайте посмотрим.

С момента возникновения полупроводниковой промышленности стало ясно, что в производственном процессе человеку места нет. Во многих случаях выражение «ручная работа» является синонимом чего-то дорогого и очень качественного, но в полупроводниковом производстве это худшее, что может случиться с вашей продукцией. У человека на полупроводниковом производстве есть три основные проблемы: * Неточность и невоспроизводимость движений, как у одного оператора, так и от оператора к оператору. Оператор кладет пластину в установку каждый раз по разному, с разной силой куда-то давит, по разному что-то убирает и т.д. и т.п. Есть, конечно, умельцы с идеальной координацией движений, которые могут блоху подковать, но во-первых, на целый завод таких не хватит, во-вторых они тоже могут заболеть, уйти в отпуск, в декрет и т.д. А производство должно выдавать всегда один и тот де результат, независимо от оператора.

  • Ошибки. Errare humanum est – человеку свойственно ошибаться. Каким бы ответственным и сосредоточенным не был оператор, ошибки все равно будут. Как известно, в авиации 60% причин катастроф – ошибки пилотов, а уж там люди ответственны и сосредоточены как нигде. Что уж говорить про обычное производство. Не те пластины, не той стороной, не та операция, не тот рецепт, перепутанные данные, маршруты, маски и т.д. и т.п.
  • Загрязнения. На заре полупроводникового производства стало понятно, что частицы, присутствующие в атмосфере, при попадании на пластину уничтожают приборы и снижают выход годных практически до нуля. Для борьбы с этой проблемой производство было перенесено в чистые помещения с фильтрованным воздухом. Очистить воздух не проблема: фильтры справляются отлично, но поддерживать воздух чистым уже не так просто и главная проблема – человек, который является основным источником частиц в чистом помещении. Это хорошо видно на графике зависимости количества частиц в воздухе от времени – четко видно начало и конец рабочего дня, вне этого времени количество частиц падает практически до нуля.

Зависимость количества частиц размером 5 мкм в атмосфере чистого помещения от времени в течение двух суток при работе в одну смену (Производство МЭМС, класс чистоты ISO6).

Из всего вышесказанного понятно, что человека из полупроводникового производства нужно удалять – чем реже он там будет появляться, тем выше будет выход годных и, соответственно, тем больше будет прибыль с одной пластины. Понятно-то понятно, но как перейти от университетской установки с магнитиками на пластилине к полностью автоматической фабрике? Из истории автоматизации…

Первые установкииз истории полупроводников

Установка сухого травления Leybold F1. Источник: Технический Университет Делфта, Нидерланды.

Первые установки никакой автоматизации не имели. Оператор открывал камеру травления (круглая штука справа), клал туда пластину, откачивал камеру, выставлял потоки газов и мощность, запускал процесс. Давление регулировалось скоростью откачки, согласование генератора с плазмой – вручную по отраженной мощности, время процесса по секундомеру.

Минусы такой установки:

  • Откачка камеры травления каждый раз при смене пластины – долго, плохая воспроизводимость
  • При открытии камеры могут выделяться газы, не очень полезные для здоровья – в правом верхнем углу видно прозрачный раструб вентиляции для удаления остаточных газов
  • Размещение пластины в камере зависит от аккуратности оператора – плохая воспроизводимость
  • Ручное контролирование параметров процесса – плохая воспроизводимость

Плюсы: * Чувствуешь себя причастным к процессу – это как у аудиофилов поставить грампластинку. Только еще в патефон – и не забыть пружину завести и иголку наточить.

Такие машины в наше время практически не используются – разве что в университетах остались со стародавних пор и используются в учебных целях.

Внедрение шлюзов и рецептурного управленияавтоматизация полупроводников

Установка глубокого тавления кремния Plasma Pro Estrelas 100 фирмы Oxford Instruments. Источник: Oxford Instruments.

Следующим шагом (или даже двумя) было внедрение рецептурного управления и шлюза с манипулятором. При рецептурном управлении оператор не каждый раз задает параметры процесса и следит за ними в процессе работы а инженер-технолог пишет рецепт, в котором все параметры указаны а за соблюдением параметров следит уже сама машина. Если параметры не могут быть обеспечены, машина останавливается и выдает ошибку. Камера, в которой происходит процесс, всегда остается откачанной и открывается редко, только для обслуживания и ремонта. Для загрузки используется шлюз (на фото – левая консольная часть установки). Оператор загружает пластину в шлюз, откачивает шлюз до рабочего давления камеры и с помощью манипулятора (ручного или механизированного) перемещает пластину в камеру, возвращает манипулятор, закрывает перегородку между шлюзом и камерой, выбирает рецепт для обработки и нажимает «старт». После окончания процесса вынимает манипулятором пластину и загружает через шлюз следующую.

Плюсы:

  • Не нужно каждый раз открывать рабочую камеру – улучшается безопасность для оператора и повышается производительность и воспроизводимость
  • Использование рецептов повышает воспроизводимость

Минусы:

  • Пластину в шлюз все равно кладет оператор – источник ошибок и невоспроизводимого размещения
  • Низкая эффективность – оператор должен регулярно менять пластины, на каждую установку нужен свой оператор, а мы пытаемся избавиться от людей в чистом помещении

Такие установки широко используются и в наше время в университетах и лабораториях при изучении новых приборов, разработке принципиально новых процессов и т.д. Размер пластин не превышает 200 мм.

Внедрение загрузочных роботовавтоматика

Установка сухого травления диэлектриков Rainbow 4520 фирмы Lam Research. Источник: Semigroup.

Для устранения двух минусов предыдущего поколения загрузку пластин переложили на робота. Оператор ставит в установку кассету с пластинами (25 шт), робот берет пластину из кассеты, ориентирует по базовому срезу (или по notch – к сожалению, не знаю правильный русский термин) помещает в шлюз, и потом из шлюза в камеру пластину перемещает другой робот. Другой вариант – кассета помещается полностью в шлюзовую камеру, откачивается и робот используется только один.

Плюсы:

  • Те же что и в предыдущем поколении
  • Из-за использовании роботов при ориентации и перемещения пластины улучшается воспроизводимость размещения пластины в камере
  • Установка автоматически обрабатывает пластину за пластиной, оператор может обслуживать несколько установок – сокращается количество операторов в чистом помещении

Минусы:

  • Неэффективное использование робота. Роботы очень дорогие. Стоимость робота составляет 40%-50% от стоимости всей установки, а так как время обработки пластины существенно превышает время её загрузки, то робот в основном простаивает.
  • Возможны ошибки операторов

Подобные установки широко использовались в промышленности в 80-х и 90-х, сейчас они доживают свой век в университетах и мелких фабриках (например, МЭМС). Размер пластин обычно до 200 мм.

Внедрение кластерных установокавтоматика

Кластерная установка напыления Endura фирмы Applied Materials. В центре виден ваккумный робот с двумя пластинами, по бокам — рабочие камеры. Две камеры поменьше на заднем плане — шлюзовые. Все камеры и транспортный модуль открыты для красивой фоточки. Источник: Applied Materials.

Чтобы устранить недостаток предыдущего поколения (простаивающий дорогой робот) было предложено использовать кластерную систему: один робот (точнее связка из двух роботов, атмосферного и вакуумного) обслуживает сразу несколько камер, получается кластер – один транспортный модуль и 3–6 модулей, обрабатывающих пластины.

Плюсы:

  • Те же, что и в предыдущем поколении
  • Эффективное использование робота, обслуживая несколько камер он работает практически непрерывно

Минусы:

  • Оператор все еще может сделать ошибку, взяв не ту кассету с пластинами или выбрав не тот рецепт на установке
  • Установка с роботом и несколькими камерами получается довольно дорогой (несколько миллионов долларов) – подходит только для массового производства

Это самый современный тип установок, используется для пластин до 300 мм. Его внедрение повлекло за собой изменения в кассетах и в конструкции чистых помещений.

Внедрение закрытых боксов для кассетавтоматика

Открытая кассета и бокс для 200 мм пластин. Источник: ePak.

Первые кассеты были открытыми и просто хранились в коробках. Операторы переносили коробки с места на место, перед загрузкой в машину доставали кассету из коробки и либо ставили в машину всю кассету, либо загружали пластины по одной. Открытость коробки накладывала существенные ограничения на чистоту помещений, для производства электроники требовались помещения 1-го класса чистоты.автоматика

Чистое помещение «коридорного» типа.

Так как поддержание такого класса чистоты стоит довольно дорого, чистые помещения проектировались следующим образом: чистый коридор, где ходят операторы и находятся загрузочные модули установок и так называемые «серые» зоны, куда выходит основная часть оборудования и откуда производится его обслуживание. Так как пластины никогда не попадают в «серую» зону, её класс чистоты может быть гораздо ниже, что снижает стоимость производственных помещений. Такое расположение установок называется «through-the-wall», назовем это чистое производственное помещение «коридорного» типа.автоматика

«Серая» зона, там происходит обслуживание оборудования.

С внедрением полностью автоматических установок нововведения коснулись и боксов/кассет – они стали полностью закрытыми, для 200 мм они называются SMIF (Standard Mechanical Interface), для 300 мм FOUP (Front Open Unified Pod, произносится «фуп»). Такие боксы имеют две характерные черты:

  • Пластины полностью изолированы от атмосферы
  • Боксы предназначены для автоматического переноса роботизированными захватами — можно автоматизировать процесс переноса пастин от одной установки к другойавтоматика

SMIF — бокс и кассета для 200 мм пластин. Источник: Википедия.

FOUP — бокс и кассета для 300 мм пластин. Фронтальная крышка открывается только после пристыковки фупа к установке. Источник: RodeFinch.

Теперь обработка пластин происходит следующим образом: бокс пристыковывается к установке, внутри которой продувается чистый фильтрованный воздух, поддерживается небольшое избыточное давление и человека там нет. После герметичной стыковки, атмосферный робот берет пластину из бокса и помещает в шлюз, откуда после откачки ее забирает вакуумный робот. Таким образом, пластина никогда не видит атмосферу, в которой присутствуют люди. Это позволило снизить класс чистоты в производственном помещении. Такое помещение имеет класс чистоты 1000 и называется помещением «зального» типа (ball room). Теперь вместо большого количества параллельных коридоров чистое производственное помещение представляет собой огромное единое помещение в котором располагаются ряды установок.автоматизация процессов производства

Чистое помещение «зального» типа. Нет разделения на «чистые» и «серые» зоны. Источник: IMEC.

Внедрение автоматической транспортировки пластин

Последним шагом автоматизации стало внедрение автоматической транспортировки боксов между установками. Это делается при помощи транспортной системы, расположенной под потолком производственного помещения. В соответствии с технологическим маршрутом бокс прибывает на определенную установку, рецепт выбирается автоматически, после окончания процесса бокс переезжает на другую установку (например, метрологии), происходит измерение параметров, если все ОК, бокс едет на следующую операцию и т.д. Вмешательство операторов при этом не требуется. Минус здесь только один – стоимость, но если наше производство довольно массовое, то стоимость одного чипа небольшая и инвестиции в такой завод мы отобьём довольно быстро (главное, правильно угадать с рынком и знать, как сделать хороший чип).автоматика и автоматизация

Полностью автоматизированный полупроводниковый завод, под потолком видны рельсы транспортной системы с белыми «вагонами» для фупов. На переднем плане фупы пристыкованы к установкам. Чуть дальше справа один из фупов либо поднимается с установки, либо опускается из «вагона». Источник: Toshiba.

Автоматическая система управления технологическим процессом

Так как Geektimes — это IT-ресурс, пару слов стоит сказать об IT системе, которая управляет подобными автоматизированными заводами (MES – Manufacturing Execution System). Сразу оговорюсь, что я не являюсь специалистом в области IT, образование у меня физико-техническое, работал я в основном технологом, поэтому с MES работал только в качестве пользователя. Основная идея MES – обеспечение качества путем уменьшения вероятности человеческих ошибок. Про контроль качества я как-нибудь напишу отдельную статью, а пока остановимся на MES. Итак, MES делает (или позволяет делать) следующее:

  • Хранит технологические маршруты. На каждый продукт есть свой маршрут, со списком операций, рецептами, спецификациями (конечными и промежуточными). Изменения в маршрут или рецепт так просто не внесешь – это можно сделать только после утверждения изменений специальным органом и получив кучу согласований и утверждений. Рецепты на установках не хранятся во избежание случайного изменения – они лежат на сервере, перед обработкой пластин MES заливает рецепт из репозитория на установку, обрабатывает пластины и удаляет рецепт с установки до следующего использования.
  • Отвечает за движение лота (партии пластин в одном боксе) по маршруту. MES знает, какая операция следующая и после завершения одной операции дает команду системе роботизированой подачи на перемещения лота на следующую установку. При этом определяется, на какой именно установке будет произведена операция (их может быть несколько одинаковых, но одна занята, другая на обслуживании и т.д.). Естественно, вся история лота сохраняется – когда был обработан, на какой установке, были ли проблемы и т.д.
  • Проверяет продукцию на соответствие спецификациям. После многих технологических операций идут операции метрологии – что-то обязательно измеряется (толщина пленки, размер линий, высота ступеньки, в конце – электрические параметры и т.д.). В MES заложены пределы таких измерений. Если все попало в пределы – лот перемещается на следующую операцию, если нет – лот останавливается и информация отправляется соответствующему инженеру-технологу.
  • Собирает статистику. Сколько лотов находится на какой операции, сколько требуется времени для производства одной операции и/или всего маршрута и т.д. и т.п. Все это помогает в планировании производства. Если кого интересует тема планирования производства, могу посоветовать занимательную книжку Э. Голдратта «Цель».

Людей с производства убрали — что в итоге?

Полупроводниковое производство на сегодняшний день автоматизировано полностью – в принципе, если с одного конца фабрики вставить кассету с чистыми кремниевыми пластинами, то где-то через три месяца (если все пойдет без сбоев) с другого конца вы получите кассету с рабочими процессорами, при этом ни кассету, ни пластины руками никто не трогал.

Работа технолога, который разрабатывает процессы, превратилась из ковыряния в установке и слежения за всеми параметрами процесса в работу клерка за компьютером: доступ к установке удаленный, пишется новый рецепт и к нему инструкции, как его использовать; как только появляется окно в производстве (а оно может появится и в два часа ночи – производство-то круглосуточное) операторы (да, они все-таки есть, даже на полностью автоматизированном производстве) обрабатывают и измеряют пластину в соответствии с инструкциями и высылают отчет. Технолог читает отчет, делает новый рецепт (а если результаты получились хорошие, то вносит изменения в техпроцесс) и так до бесконечности, пока продукт не снимут с производства. За время работы на GlobalFoundries я в чистом производственном помещении появлялся раз в год, чтобы не забыть, как установки выглядят. При работе на неавтоматизированном производстве (или в научном институте, как IМEC) в чистую часть ходить приходится почти каждый день.

В реальности, конечно, даже на полностью автоматизированном производстве вмешательство человека иногда требуется – что-то идет не так, машины ломаются, исходные материалы бывают со скрытыми дефектами и т.д. Ну и, естественно, огромное количество людей необходимо, чтобы такое «безлюдное» производство функционировало – инженеры-технологи, разрабатывающие и улучшающие техпроцесс; сервисные инженеры, следящие за оборудованием (как свои, так и от компании-производителя оборудования); инженеры и техники по эксплуатации чистых помещений (обслуживание вентиляции, кондиционирования, подачи химикатов и т.д.), IT специалисты, занимающиеся поддержкой и совершенствованием MES, административный персонал и так далее и так далее… Так что, как ни парадоксально, безлюдное производство требует довольно большого количества людей для своего функционирования. Так, на GlobalFoundries в Дрездене работает более 3 000 человек.

Заключение

Автоматизация и роботизация, о которой много говорят последнее время, давно свершилась на полупроводниковом производстве. В полностью автоматическом режиме работают все современные крупные фабрики на одной из которых был сделан процессор вашего смартфона/ноутбука/компьютера. Но это совсем не привело к исчезновению людей на таких фабриках – просто они из производственных помещений переместились в офисы (и, должен сказать, часть романтики при этом ушла).

Источник: geektimes.com