Was ist ein Halbleiter?
Halbleiterchips oder auch Mikrochips sind die zentralen Elemente aller digitalen Geräte. In den winzigen Plättchen befinden sich komplexe elektrische Schaltkreise. Sie alle werden aus Halbleitern hergestellt. Einem Material mit elektrischer Leitfähigkeit, vornehmlich Silizium.
Warum brauchen wir Halbleiter?
Ohne Halbleiter gibt es keine Mikrochips. Und ohne Mikrochips gibt es kein digitales Leben. Denn in jedem nur halbwegs intelligenten Produkt ist ein Chip verbaut. Selbst eine moderne Zahnbürste hat nicht selten mehr als zwei Halbleiterchips.
Halbleitermangel – warum?
Halbleiterchips sind die Grundlage unserer modernen Welt. Sie sind deshalb von enormer Bedeutung. Seit Ende 2020 gibt es einen enormen Chipmangel.
Was sind die Gründe für die Halbleiter-Krise?
Die Welt wird täglich digitaler, weshalb der Bedarf an Chips steigt. Von den ohnehin schon wenigen marktdominierenden Herstellern gibt es darüber hinaus nur wenige, die den Bedarf von immer noch leistungsfähigeren Chips überhaupt bedienen können. Die Herstellung eines Chips ist außerdem sehr komplex, der Prozess dauert mehrere Wochen. Das alles trägt zu einem angespannten Marktumfeld bei.
Darüber hinaus führten unter anderem folgende Gründe zum seit Ende 2020 andauernden Chipmangel:
Coronakrise
Durch die Pandemie verlagerte sich das Leben noch mehr ins Digitale. Lockdowns, HomeOffice und HomeSchooling führten dazu, dass sich das Leben vor allem in den eigenen vier Wänden abspielte. Die Nachfrage nach Elektronikgeräten stieg stark an: Smartphones und Laptops wurden zur Verbindung nach draußen, Spielkonsolen zur Freizeitbeschäftigung.
Darüber hinaus waren auch Halbleiter-Hersteller von Lockdowns betroffen wodurch weniger produziert werden konnte.
Naturkatastrophen und Brände
Etwa 12 Prozent der weltweit nachgefragten Mikrochips werden in den USA hergestellt, ein großer Teil davon stammt aus Texas. Dort führten Schneestürme im Februar 2021 zu massiven Stromausfällen. Produktionen mussten heruntergefahren werden. Der Wiederanlauf dauerte Wochen.
Auch in Japan kam es zum Produktionsstopp einer Halbleiterfabrik: durch einen Brand beim drittgrößten Lieferanten für Autochips mussten Automobilhersteller ihre Produktion drosseln. In der Folge konnten rund 1,5 Mio. Autos weniger produziert werden.
Wie kann die Halbleiter-Krise überwunden werden?
Natürlich haben die Halbleiterhersteller reagiert und investieren große Summen in den Ausbau ihrer Fertigungskapazitäten. Da die Produktion von Halbleitern sehr komplex ist passiert das aber nicht von heute auf morgen.
Wie werden Mikrochips hergestellt?
Halbleiterchips bestehen vornehmlich aus Silizium, das aus Quarz-Sand gewonnen wird. Der Sand wird chemisch und thermisch gereinigt bis sogenannte Siliziumnuggets entstehen. Diese werden anschließend eingeschmolzen. Man erhält einkristalline Siliziumbarren in unterschiedlichen Durchmessern. In speziellen Sägeverfahren werden dann einzelne Scheiben herausgeschnitten und poliert. Damit ist der Grundträger eines Halbleiterchips – der Waferrohling – entstanden.
Der Waferrohling wird zuerst mit Photolack beschichtet. Im Anschluss wird er mithilfe einer Maske belichtet, geätzt und oxidiert. Je nachdem wie der spätere Mikrochip aussehen soll, erfolgen mehrere ähnliche Produktionsdurchgänge hintereinander. Je nach Größe der Waferscheibe können mehrere hundert Mikrochips aus einem einzigen Wafer gewonnen werden.
Der Halbleiterchip muss jetzt noch elektrisch auf einer Platine angeschlossen werden. Hierfür werden hauchdünne Drähtchen aufgelötet. Damit später auch nichts kaputt geht, wird noch ein Schutzgehäuse aufgesetzt. Der Mikrochip ist fertig. Er hat auf seiner Reise mehrere Wochen die Produktion durchlaufen und ist dabei mehrmals um die Welt geflogen.
Warum werden Halbleiter im Reinraum produziert?
Die Bauteile eines Mikrochips sind winzig. Aufgrund der hochfeinen Strukturen und Prozesse würde jeder Partikel die Qualität des späteren Produktes beeinflussen. Die Halbleiterhersteller versuchen daher ihr Möglichstes um die Produktionsräume so Partikelarm wie möglich zu halten. Deshalb werden sie in Reinräumen produziert. Dort können Roboter unterstützen. Diese müssen für den Einsatz im Reinraum zertifiziert sein. Auch KUKA hat mehrere Cleanroom Roboter, also „CR“ Varianten, im Portfolio.
Robotik in der Chipfertigung – Mit höherer Produktivität gegen die Halbleiter-Krise
Viele Fertigungsschritte sind in der Halbleiter-Produktion bereits automatisiert.
Denn sie macht im Reinraum in vielerlei Hinsicht Sinn:
Die Arbeitsbedingungen sind kräftezehrend. Da die Wafer vor allem in der Herstellung sehr lichtempfindlich sind, gibt es in einer Waferfabrik („Waferfab“) meist kein Tageslicht. Die Maschinen brauchen viel Energie und müssen gekühlt werden, was oftmals zu einer hohen Geräuschkulisse führt. Für die Mitarbeitenden gilt eine strikte Kleiderordnung, Rauchen vor dem Betreten des Reinraumes ist ebenso verboten wie das Tragen von Schmuck und Makeup in sensiblen Bereichen.
Die herausfordernden Arbeitsbedingungen führen deshalb mitunter dazu, dass es schwierig ist, Mitarbeitende zu finden. Aus diesen Gründen unterstützen bereits jetzt viele roboterbasierte Automatisierungslösungen in der Produktion von Mikrochips.
Lediglich der Materialtransport wird in vielen Fabs noch von Hand übernommen. Da die Chips sehr sensibel gehandhabt werden müssen birgt das manuelle Transportieren – neben einer sehr starken einseitigen Belastung für die Mitarbeitenden – auch gewisse Risiken. Denn bereits kleinste Erschütterungen, wie z. B. das Anecken an einer Kante, kann zu Defekten auf den sensiblen Bauteilen führen. Genau hier können mobile Roboter unterstützen.
Automatisierte Handhabung von Wafern: KMR iiwa CR
KUKA konzentriert sich daher auf Lösungen für das sensible FOUP Handling. FOUP steht dabei für Front Opening Unified Pod, die Waferbox, eine Kiste, in der die Wafer transportiert werden.
Mit dem KMR iiwa CR wurde die weltweit erste Lösung aus einer Hand entwickelt, die Halbleiter-Kassetten automatisiert transportieren und handhaben kann. Die Applikation besteht aus einem standardisierten Automated Guided Vehicle (AGV) und dem in der Praxis bewährten Leichtbauroboter LBR iiwa. Dazu wurde ein ausgeklügeltes Greifer-System entwickelt. Auch die Software stammt von KUKA.
Zur Person
Pascal Caprano ist Projektleiter bei KUKA und hat im Rahmen der European Robotics Week 2021 aus dem Halbleiter-Kästchen geplaudert. Als Projektleiter hat er, zusammen mit den KUKA Projektteams, bereits mehrere Automatisierungsprojekte bei Halbleiterherstellern realisiert. In einem 60-minütigen Vortrag sprach er über die Halbleiter-Krise und Möglichkeiten, diese mithilfe von Automatisierung in den Griff zu bekommen.
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