מערכת שיכוך אקטיבי עבור מערכות מתקדמות לשוק הסמיקונדוקטור

מוני ברק | מנהל טכנולוגיות במדיטל קומוטק

רעידות (Vibrations) המכונות גם "רעש" (Noise) מלוות אותנו בכל מקום וברוב המכריע של המקרים הן אינן רצויות. רעידות יכולות להגיע מהסביבה (Ground-born) כלומר תוצר לוואי של הסובב לנו, כלי תחבורה, מנועים, מכונות כלים, מדחסים, גנרטורים וכו. בנוסף, רעידות יכולות להגיע גם מכיוון המערכת עצמה (Stage-born) כלומר כתוצאה מהקינמטיקה של המערכת, כאשר הגורם המשמעותי ביותר הוא השפעת ערכי התאוצה על מרכז הכובד של המערכת. על אף שהרעש יכול להגיע ממגוון רחב של מקורות בעלי מאפיינים שונים, המהות של מערכות שיכוך הרעידות היא זהה. ניתן להגדיר שתי מערכות לשיכוך הרעידות, מערכת שיכוך פאסיבית ומערכת שיכוך אקטיבית. מערכת שיכוך פאסיבית כוללת לרוב קפיץ ורכיב משכך, כאשר תפקיד הקפיץ הוא לרסן את הרעידות ותפקיד המשכך, הוא לבטל את התנודות שנוצרות במערכת. מערכת שיכוך אקטיבית משתמשת בנוסף לרכיבי המערכת הפאסיבית, גם בחיישנים המודדים את תאוצת המערכת ובבקרי תנועה, המאפשרים שיכוך רעידות של תדרים גבוהים יותר.

כאשר רוצים להסביר בצורה פשוטה ונוחה כיצד עובדת מערכת שיכוך פאסיבית ניתן לקחת לדוגמא את מערכת המתלים של המכונית. מערכת המתלים בנויה מחלקים קשיחים משולבים עם חלקים אלסטיים, כגון הקפיצים. בפעולתם המשולבת הם מרסנים הלמים המגיעים לרכב מכיוון הקרקע כלומר תוואי השטח. אלמנט חשוב שנמצא במכלול המתלים הינו בולם הזעזועים, שתפקידו לא רק להסב לנהג נסיעה חלקה ונעימה יותר, אלא גם לשמור על מכלולי הרכב המשמשים ליצירת המגע בין גלגל המכונית לכביש. כאשר מערכת המתלים קשה מדי הדבר יכול לגרום להקפצת הרכב בצורה קשיחה על הכביש, העלול לגרום לחלקים בתוך הרכב להיסדק או אף להישבר. מאידך, אם מערכת המתלים תהיה רכה מידי הרכב יתחיל להתנדנד, דבר שיגרום לאיבוד אחיזה טובה בין גלגלי הרכב והכביש.

על מערכות השיכוך להיות בעלות מאפיינים שונים ובלתי קשורים וזאת על מנת לרסן מקורות רעש שונים באופיים מהכביש. מערכת השיכוך צריכה להיות במקביל גם רכה וגם קשה בכדי להתגבר על מהמורות הדרך. מצד אחד המערכת צריכה להיות רכה, על מנת להבטיח את חווית המשתמש של הנוסע ומצד שני להיות קשה, כדי לרסן בזמן הקצר ביותר את תוצר המהמורות. ברכבים מסוגים שונים, קרי רכב עירוני ורכב שטח, משתמשים במתלים שונים וזאת על מנת להתאים את הרכב לתוואי השטח בו הוא צפוי לנסוע. ברכב עירוני יש מתלים "רכים" והוא מיועד לכבישים סלולים נוחים, בעוד שברכבי שטח יש מתלים "קשים", המתאימים לתנאי שטח קשים הכוללים דרכים לא סלולות, בורות ומהמורות.

בתמונה 1 ניתן לראות עקום היענות של מערכת שיכוך רעידות פאסיבית עבור שלושה מקדמי ריסון שונים: מקדם ריסון נמוך (קו צהוב), מקדם ריסון בינוני (קו ורוד) ומקדם ריסון גבוה (קו כחול).

תמונה 1. עקומת היענות לתדר במערכת שיכוך פאסיבית עם תדר טבעי של 1Hz

ניתן לראות כי כאשר ערך מקדם הריסון הוא גבוה, מאפיינים בידוד הרעידות של המערכת כמעט נעלמו ואילו כאשר ערך מקדם הריסון הוא נמוך, נצפית משרעת תהודה ניכרת. הערך האופטימאלי של הריסון תואם למקרה בו המשרעת התנודה (אמפליטודה) עולה בצורה חסרת משמעות (<3 dB) בסמוך לתדר התהודה של המערכת.

באפליקציות קצה בתעשיית הסמיקונדוקטור, בה התהליכים כיום דורשים רזולוציות של ננומטר, נדרשים ביצועים מתקדמים בכל הקשור ליציבות במיקום, ריטוט אנכי, זמני תנועה והתכנסות, שגיאת עקיבה ועוד. מערכת הינע מורכבת מחוברת בצורה כזו או אחרת לשולחן גרניט שהופך להיות חלק אינטגרלי מפלטפורמת ההינע. ככזו, כל רעד שקיים ברמת שולחן הגרניט מתורגם במיישרין לאי דיוקים או זמני התכנסות ארוכים יותר ברמת התהליך של המכונה. מכונות המצריכות ביטול של הפרעות "רעש" אלו מצריכות פתרונות מתקדמים שיעזרו לבטל את הרעידות הללו בצורה היעילה ביותר.

מערכת שיכוך אקטיבית

במכונות עם מערכות שיכוך אקטיביות יש בדר"כ בנוסף לקפיצים גם רכיב משוב, המכיל מספר מדי האצה מסוג פיאזואלקטרי, מערכת בקרה אנלוגית ומתמר אלקטרומגנטי (לדוגמא מנוע). הקפיץ תומך במשקל החלק העליון של השולחן והמערכת שמונחת עליו. התנועה של החלק העליון של השולחן נמדדת באמצעות מדי האצה מסוג פיאזואלקטרים. מדי ההאצה מייצרים אות אנלוגי המעביר כמשוב את התזוזה שאובחנה, לתוך בקרי תנועה. בקרי התנועה מייצרים תנועה נגדית למנועים היושבים מתחת לחלק העליון של השולחן ולמעשה מייצרים תנועה נגדית המבטלת את התנועה המקורית. כתוצאה ממערכת המשוב הזו מרסנים את הרעידות, לעומת מערכת שיכוך פאסיבית.

תמונה 2 מציגה את עקומות ההיענות לתדר של מערכת אקטיבית לעומת מערכת פאסיבית. שני הקווים המקוטעים מייצגים את ההיענות לתדר במקרה של מערכת השיכוך פאסיבית. ניתן לראות בקירוב את שני שיאי התהודה בציר האופקי בתדר 2Hz ובתדר 5Hz ובציר האנכי בתדר 4.5Hz. הקווים הרציפים מציגים את עקומות ההיענות לתדר במערכת שיכוך אקטיבית. במקרה הזה רואים בבירור, הן בציר האופקי והן בציר האנכי, שאין הגבר תדרים, פרמטר חשוב מאוד במרבית היישומים המעשיים בהם נדרש לבודד את האובייקט הנבדק, מכל המקורות השונים של הרעידות.

תמונה 2. עקומת היענות לתדר של שיכוך פאסיבי מול אקטיבי

מערכת שיכוך אקטיבית חדשה מתוצרת ETEL

חברת ETEL שוויץ, השיקה כבר בשנת 2015 את המוצר QuiET שהוא למעשה מערכת בידוד אקטיבית המבטלת 99% מהרעידות שנוצרות ממקור חיצוני ומהרעידות שמגיעות מהמערכת עצמה (כתוצאה מהקינמטיקה), לאורך 6 דרגות חופש, ובכך מונעים מעבר של ההפרעות לתהליך המתבצע על גבי פלטפורמת ההינע. במרבית המקרים, אפליקציות קצה (High-end) בתעשיית הסמיקונדקטור משלבות ציוד מורכב, שבצורה זו או אחרת, מחובר לשולחן הגרניט של פלטפורמת ההינע. בתור שכזה, כל הרעדה בדרגה של שולחן הגרניט מתורגמת לכדי אי דיוקים וזמני התכנסות ארוכים יותר בתהליך המתבצע, במערכת היושבת על שולחן הגרניט. הפתרון של חברת ETEL מאפשר ניטרול הרעידות בצורה היעילה ביותר אי פעם!

לאפשר יותר ומעבר

חברת ETEL הינה הבלעדית בעולם המסוגלת לספק את כל מרכיבי פלטפורמת ההינע. תודות לגלאי מיוחד הנמצא בשימוש בלעדי ב- ETEL ביחד עם ארכיטקטורת בקרת הינע המבוססת על קצבי תעבורה של 1Gb, ETEL מצליחה להקטין את זמני ההתכנסות ביישומיי תנועה והתכנסות לערכים חסרי תקדים. באמצעות קידום תאוצות, הדיוק המושג הינו יותר מ 99%, כאשר פחות מאחוז אחד מהאנרגיה הנוצרת ע"י בימת ההינע נשאר בשולחן הגרניט, עובדה זו מאפשר להקטין ככל שניתן את מסת שולחן הגרניט, וע"י כך גם להקטין את הנדל"ן והמסה של המכונה, בעוד ששאר מרכיבי המכונה נהנים מסביבה שקטה יותר.

מערכת ה- QuiET תוכננה כך שתהיה מודולרית וברת התאמה למגוון רחב של מכונות. בעת תכנונה נלקחו בחשבון רכיבים רבים אקטיביים ופאסיביים, ו- ETEL יכולה לספק פתרון אופטימאלי, המותאם לצרכים המשתנים של הלקוח. אקטואטורי לורנץ וסנסורים ייעודיים משולבים בארכיטקטורה בעלת גובה נמוך, שתוכננה בצורה אופטימאלית כדי למלא דרישות מערכת שונות ובמקביל לאפשר שירותיות קלה בשטח. בקרי ההינע של מערכת ה- QuiET הם למעשה אותם בקרים של מערכת ההינע עצמה והם כולם שייכים למשפחת ה- AccurET וממוקמים יחד באותה קופסת בקרה.

קומפקטי, מודולרי וניתן להתאימו אישית        

מערכת ה- QuiET הביאה את אסטרטגיית האינטגרציה הכוללת של ETEL לשלב הבא אך הייתה מוגבלת לגודל ומשקל מסוים. כעת חברת ETEL מעשירה את המשפחה עם מוצר נוסף ה- QuiET POD שמגדיל את היכולות ומאפשרת בנוסף לתת מענה למערכות גדולות וכבדות יותר. ארכיטקטורת ה-POD החדשה הוגדרה בשתי גרסאות- קטנה וגדולה והיא יכולה להתאים סידורים שונים של מנועים, מבודדים ובקרים, כך שיוכלו לשרת אפליקציות מגוונות בתחום הסמיקונדוקטור גם ב-Front-end וב-Back-end.

תמונה 3. מערכת QuiET PODs של חברת ETEL

כלים יעודיים לצורך הטמעה קלה, יעילה ומהירה        

ה-QUIET POD מגיע עם כלי תוכנה ספציפי וידידותי למשתמש (QCT) העוזר למשתמש באינטגרציה, הפעלה וכיוונון של המוצר ומאפשר כיול אוטומטי של ערכי הקידום (Feedforward), ביצוע זיהוי (Identification) של המערכת ויכולות פילוס (Leveling) מובנות.

תמונה 4. כלים ייעודיים מתקדמים עבור מערכת ה- QuiET

חברת ETEL שחגגה השנה חמישים שנה להיווסדה, בנתה לעצמה מוניטין מעולה בתחום בו היא מספקת ללקוחותיה מוצרים מתקדמים ביותר, בעלי אמינות גבוהה ביותר ומוצרים ייעודיים ייחודיים לבקרת הינע.

חברת ETEL  הינה ספקית של מערכות הינע מתקדמות והיא שייכת לקבוצתHEIDENHAIN . ככזו היא נהנית מהאפשרות לשילוב בלעדי של מוצרי מטרולוגיה חדשניים ומתקדמים ביותר, פרי פיתוח של קבוצת HEIDENHAIN.

כבר למעלה מ 50 שנה חברת  ETEL מתמקדת בתכנון, פיתוח, בדיקה וייצור סדרתי של פתרונות ייעודיים ליישומים של בקרת תהליך בתעשיית המוליכים למחצה לדוגמא: Lithography, Overlay, Critical Dimensions, Thin Film, Laser Annealing, Wafer scribing & Dicing.

כתבה זה הוכנה באדיבות חברת מדיטל קומוטק ע"י מוני ברק מנהל טכנולוגיות. חברת מדיטל קומוטק הינה מובילה במתן פתרונות טכנולוגיים ובהספקת מערכות ורכיבי איכות לתעשיית ההיי-טק בישראל והינה נציגת בלעדית של חברת  ETEL בישראל.