Industrielle Pick-&-Place-Automatisierung
Intelligentes Wafermapping für die Fertigung von LED-Zeichengeneratoren
1) Projektkontext
Bei Océ Printing Systems in Poing wurden in industriellen Hochleistungsdruckern LED-basierte Zeichengeneratoren eingesetzt. Diese Zeichengeneratoren wurden mit LED- und IC-Chips bestückt, wobei ein sehr spezieller Pick-&-Place-Automat den Fertigungsprozess durchführte.
Das Projekt entstand aus meiner Werkstudententätigkeit bei Océ und wurde später als technische Grundlage meiner Diplomarbeit an der Fachhochschule München dokumentiert. Die Diplomarbeit beschrieb die industrielle Softwarearbeit an der Maschine: Integration neuer Chipvarianten, Unterstützung der dritten Zeichengenerator-Generation und Entwicklung eines intelligenten Wafermapping-Verfahrens.
Es handelte sich nicht um einen Laborprototypen, sondern um reale Produktionssoftware für eine industrielle Maschine im Fertigungsprozess von Hochleistungsdrucksystemen.
2) Ausgangsproblem
Der bestehende Pick-&-Place-Prozess musste erweitert werden, weil die nächste Produktgeneration neue Anforderungen stellte:
- Unterstützung neuer LED-Chipvarianten
- Unterstützung neuer IC-Chipvarianten
- Integration von Zeichengeneratoren der dritten Generation (ZG3)
- Handhabung größerer IC-Wafer
- flexiblere Chipauswahl abhängig vom eingesetzten Zeichengenerator-Typ
- bessere Nutzung der vom Hersteller gelieferten Waferdaten statt rein sequenzieller Chip-Anfahrt
Die zentrale Herausforderung: Wie erweitert man eine spezialisierte Produktionsmaschine für neue Halbleitervarianten, ohne die bestehende Steuerungssoftware in eine Sammlung von Sonderfällen zu verwandeln?
3) Frühere Grundlage: Automatisiertes Nacht-Stress-Test-Framework
Vor dem Pick-&-Place-Projekt entwickelte ich bei Océ ein wiederverwendbares Nacht-Stress-Test-Programm für Druckersysteme. Dieses Programm steuerte Motoren, Sensoren, Magnetventile und allgemeine Zustandswechsel, überprüfte deren Funktionalität und protokollierte erkannte Fehler automatisch.
Diese Arbeit legte eine frühe Grundlage für meinen späteren Engineering-Stil: wiederkehrende Tests automatisieren, direkt mit Hardwarekomponenten interagieren, reproduzierbare Protokolle erzeugen und Werkzeuge so bauen, dass sie in Produktion und Diagnose wiederverwendbar sind.
4) Architekturidee
Die Kernidee bestand darin, die Produktionssoftware um einen strukturierten Auswahlmechanismus für Waferchips zu erweitern. Statt Chips lediglich sequenziell anzufahren, sollte die Maschine die vom Chiphersteller gelieferten Waferdaten nutzen, um zu entscheiden, welcher Chip für einen bestimmten Zeichengenerator-Typ geeignet ist.
Leitgedanke: Hersteller-Waferdaten · Chipklassifikation · Koordinatentransformation · automatisierte Bestückung.
5) Intelligentes Wafermapping
Die Wafermapping-Komponente interpretierte Wafermap-Informationen und nutzte diese während der Auswahl von LED-Chips. Ein Chip wurde nicht mehr nur anhand eines einfachen Gut/Schlecht-Kriteriums bewertet; zusätzliche Status- und Qualitätsinformationen konnten abhängig vom Zeichengenerator-Typ berücksichtigt werden.
- Einlesen und Verarbeiten von Wafermap-Dateien
- Chipklassifikation anhand von Statusinformationen
- Umrechnung zwischen Wafermap-Positionen und Maschinenkoordinaten
- Auswahl brauchbarer Chips nach produktspezifischen Kriterien
- Integration der Wafermapping-Logik in den bestehenden Pick-&-Place-Prozess
6) Maschinenintegration
Die Softwareänderungen betrafen mehrere Bereiche der Maschine und des Fertigungsablaufs:
- Initialisierung und Auftragseingabe
- Auswahl und Positionierung der ZG-Aufnahme
- Positionierung des Chip-Wafers
- kamerabasierte Erkennung und Ausrichtung
- Chipaufnahme vom Wafer
- Aufsetzen des Chips auf die ZG-Oberfläche
- Qualitätssicherung und Produktionstests
7) Integration neuer Produktvarianten
Die Produktionssoftware wurde erweitert, um die dritte Generation der Océ-Zeichengeneratoren sowie neue LED- und IC-Komponenten zu unterstützen. Dazu waren sowohl Änderungen auf Prozessebene als auch maschinennahe Anpassungen erforderlich, insbesondere bei Waferhandling, Chipauswahl, Bedienabläufen und Positionierungslogik.
- Integration neuer ZG3-Typen in das Funktionsprogramm
- Anpassung der Auftragseingabe und Bedienerauswahl
- Unterstützung neuer IC- und LED-Chipvarianten
- Handhabung größerer IC-Wafer
- Erweiterung der Bildverarbeitungsmodelle für neue Bausteine
8) Engineering-Ergebnis
- Verbesserte Wafernutzung durch Vermeidung unnötiger Anfahrt unbrauchbarer Chips
- Reduzierung der Bestückungszeit durch selektive Chip-Anfahrt
- Bestückung mit ausgewählter Chipqualität ermöglicht
- Erhöhung der Fertigungsflexibilität für neue Zeichengenerator-Generationen
- Integration neuer Halbleitervarianten in eine bestehende industrielle Maschine
- Dokumentation und Validierung des vollständigen Ansatzes im Rahmen der Diplomarbeit
9) Technologien & Methoden
- C / C++
- industrielle Automatisierung
- Pick-&-Place-Maschinensteuerung
- Wafermapping
- Machine Vision / kamerabasierte Ausrichtung
- Koordinatentransformation
- hardwareorientierte Testautomatisierung
- Produktionssoftware
- GUI- und Bedienablauf-Integration
Dieses Projekt war eine meiner ersten realen Erfahrungen im industriellen Software Engineering: Analyse eines bestehenden Produktionssystems, Erweiterung für neue Hardwarevarianten, Implementierung wiederverwendbarer Automatisierungslogik und Validierung in einer Fertigungsumgebung.