Bosch, Industrie 4.0

Mikro­skopische Inspektion in der 200-mm-Halbleiterfertigung bei Bosch im Halbleiterwerk Reutlingen. - Bild: Bosch

„Wir sind glücklich und stolz, dass wir diesen Award erhalten haben. Vor allem, weil sich der Preis nicht auf einen kleinen Abschnitt unserer Produktion bezieht, sondern es ist ein Preis für das gesamte Werk. Denn wir haben alles integriert und diese große Lösung funktioniert nur durch das Zusammenspiel von allem“, freut sich Abteilungsleiter IT & Automatisierung Peter Buseck über die vernetzte Produktion.

Bosch bezieht die Wafer als spiegelglatte Siliziumplatte in Scheibenform von 150 beziehungsweise 200 mm Durchmesser und circa einem halben Millimeter Dicke. „Diese Wafer prozessieren wir dann, sodass aus dem reinen Silizium mikroelektronische Schaltungen werden. Dabei umfasst das Prozessieren der Wafer bis zu 600 verschiedene Arbeitsschritte. Das ist Teil 1 unserer Fertigung“, erklärt Buseck. Im zweiten Abschnitt der Fertigung werden die Wafer vereinzelt, in einer Anzahl von weniger als 1 000 bis zu über 10 000 Chips pro Wafer. Diese Chips werden dann in eher klassischen Fertigungsabschnitten weiterbearbeitet und assembliert, das heißt gebonded, gemolded und getestet.

Halbleiter auch für den Consumerbereich

Buseck berichtet von dem Trend, dass die Stückzahlen dramatisch ansteigen. „Das ist locker formuliert der Preis für unseren Erfolg. Im Automotive-Bereich sind es zum einen Rechner – kleine ASICs, also anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, und zum anderen Sensoren. Diese sorgen dafür, dass der Airbag auslöst und das ESP eingreift.“ Darüberhinaus ist Bosch auch in den Bereich der Sensoren für Konsumgüter eingestiegen. Dazu Buseck: „Durch den Erfolg dieser Produkte kommen die Kunden mit weiteren Aufträgen zurück. Gerade im Consumerbereich sind die Zyklen so, dass wir auch agil sein müssen. Da müssen wir schnell reagieren. Insgesamt ist es ein sehr starker Anstieg, aber auch mit einer Volatilität.“

Bosch, Wafer, Industrie 4.0 Award
Eine Mitarbeiterin überprüft die Prozessergebnisse an der Anlage und entscheidet über weiteres Vorgehen. Bild: Bosch

Ein Grund für den Umstieg auf I 4.0 war laut Buseck die Notwendigkeit für eine hohe Transparenz sowohl in beiden Abschnitten der Fertigung als auch im Automotive- und Consumer-Bereich. „Zudem sehen wir im Bereich unserer Produkte, dass es immer wichtiger wird, einzelne Teile des Wertstroms nicht nur singulär zu betrachten. Denn es gibt Wechselwirkungen und die können wir ausschließlich mit großen Datenmengen und mit wirklich intelligenten Schleifen und Analysen richtig optimieren.

Halbleiter effizienter prozessieren

Dazu mussten die Fertigungsanlagen mit Schnittstellen ausgestattet werden, wie Buseck erklärt. „In dem ersten Teil der Fertigung gibt es sehr viele standardisierte Lösungen, weil diese Industrie generell einen sehr hohen Reifegrad bezüglich IT und Automatisierung hat. In der klassischen Fertigung gibt es eher den Inselansatz, sodass viele Anlagen entweder keine standardisierte Schnittstelle haben oder teilweise auch gar keine. Zum Teil haben wir die nicht definierten Schnittstellen auf einen definierten Standard verändert.“

Gab es gar keine Schnittstelle, mussten andere Lösungen her, um an die notwendigen Daten zu gelangen. „Das ging dann beispielsweise über eine Direktanbindung der Fertigungsrechner, also der Steuerungsrechner für diese Produktionsanlagen. Der Schlüssel dazu ist, eine klare Strategie zu haben, welche Datenstrukturen denn benötigt werden. Man muss dabei auch die Anzahl der Daten auf das notwendige Minimum reduzieren, um das machbar zu machen – also die Daten zu definieren, die wirklich nötig sind. Dann findet man immer eine Lösung, diese Daten zu bekommen“, verdeutlicht Buseck.

"Wir sind glücklich und stolz, dass wir diesen Award erhalten haben. Vor allem, weil es ein Preis für das gesamte Werk ist", sagt Peter Buseck Abteilungsleiter IT & Automatisierung, Halbleiterwerk Reutlingen, Bosch.

Projekt über Unternehmensgrenzen

In das ganze System eingebunden sind auch Lieferanten und Partner von Bosch. „Als Lieferanten kann man externe Waferfabriken bezeichnen. Sie prozessieren zum Teil wie wir die Wafer. Diese bekommen wir nach Abschluss der Prozessierung teilweise bereits vorgemessen zugeliefert. Bevor die Wafer vereinzelt werden, wird jeder einzelne Chip auf dem Wafer noch einmal getestet – das machen die Lieferanten übrigens auch“, so Buseck weiter. Dabei wird jeder einzelne Chip mehreren Tests unterzogen, das sind 100 oder gar noch mehr verschiedene Tests.

„Das ist im Automotive- und Consumer-Bereich aus Funktions- und Qualitätsgründen notwendig. All diese Messdaten und Ergebnisse benötigen wir von den Lieferanten. Denkt man das konsequent zu Ende, sind auch die Daten ein Teil der Ware. Dazu gibt es internationale Standards wie das STDF-Format. So können die extern gefertigten Wafer mit unseren zusammengeführt werden“, erläutert der Abteilungsleiter.

Digitalisierung der Maschinen

Bosch, Wafer, Industrie 4.0 Award
Eine Charge mit 25 Prozess-Wafern in einem Transportcarrier. - Bild: Bosch

Doch wie sieht die vernetzte Fertigung genau aus? Dazu erklärt Buseck, dass „unsere Produkte insgesamt bis zu 1 000 Arbeitsschritte durchlaufen. Die Fertigungsanlagen haben wir in dem MES abgebildet – mit allen relevanten Informationen. Das bezeichne ich gerne als das magische Dreieck aus Prozess – das ist die Fertigungsabfolge –, Produkt – das hat bestimmte Anforderungen, einen Zweck oder bestimmte Kunden – und Anlage – die Geräte, auf denen prozessiert wird.“

Dieses virtuelle Abbild müsse sich immer in Echtzeit aktualisieren, wenn sich auch die reale Produktion ändere. „Hierfür haben wir die sogenannte Equipment-Integration mit verschiedenen Systemen im Einsatz. Die Funktion ist die, dass die Produktionsanlagen an unsere Datenhaltung – wir nennen das smartCloud – angebunden sind und sich damit jede Veränderung der realen Welt in der virtuellen Welt nachzieht“, berichtet Buseck. Das ganze bezieht sich hauptsächlich auf das Fertigungsequipment. Auf die Produkte bezogen, gibt es laut Buseck andere Technologien, mit denen die Echtzeitaktualisierung funktioniert: Das kann ein Barcode sein, der gescannt wird und damit die Information der realen in die virtu­elle Welt überträgt, oder per RFID.

Mehr Effizienz im Unternehmen

Bosch, Wafer, Industrie 4.0 Award
Beladung einer Diffusionsanlage mit 25 Wafern in einem Transportcarrier. - Bild: Bosch

„Der Trick ist nun, dass die Abbildung der verschiedenen Produktionsanlagen und Produkte in der virtuellen Welt nach gleichen miteinander verknüpfbaren Datenstandards und Datenstrukturen erfolgt. Dann können wir in der smartCloud verschiedene Applikationen laufen lassen, die über den Wertstrom hinweg Daten miteinander in Beziehung setzen. Da sind alle anderen Werke und die Daten der Lieferanten und Partner mit eingebunden“, betont Buseck.

Inwieweit Effizienzsteigerungen durch Big Data-Anwendungen möglich sind, erklärt Buseck an einem Beispiel aus der Halbleiterei: „Bei der Qualitätskontrolle gibt es auch Defektinspektionen der Wafer über automatisierte Mikroskope, diese entdecken kleinste Partikel, die auf dem Wafer liegen. In einem zweiten Teil des Wertstroms nutzen wir eine Signaturanalyse, bei der wir die gefundenen Defekte analysieren und erkennen, dass es sich um Kratzer handelt. Die Signaturanalyse bildet den Kratzer virtuell nach und in einem dritten Teil des Wertstroms werden die Bauteile mit den gefundenen Defekten erst ausgeinkt und dann aussortiert.“

Bosch, Wafer, Industrie 4.0 Award
Mikro- und makroskopische Inspektion in der 200 mm Halbleiterfertigung am Standort Reutlingen. - Bild: Bosch

Für die I 4.0-Umsetzung wurde auch weiter automatisiert, wobei Bosch laut Buseck zwischen Software- und Hardware-Automatisierung unterscheidet: „Die Software-Automatisierung haben wir flächendeckend, das ist die Equipment-Integration. Das heißt also, dass beispielsweise eine Charge bei einer Anlage aufgesetzt wird und dann erfolgt automatisiert die Anmeldung dieser Charge in dem MES. Dort wird noch einmal kontrolliert, ob die Charge auch bei der richtigen Anlage ist – es wird also die Historie der Charge überprüft.

Herstellung verbessert

Erst wenn alles stimmt, wird die Charge automatisch gestartet. Der Nutzen dieser Softwareautomatisierung ist es, zu vermeiden, Chargen zu verwechseln, fehlerhaft zu prozessieren, eine falsche Temperatur oder eine falsche Belichtungszeit zu verwenden.“ Bei der Hardware geht es um die Automatisierung von Transport- und Handlingvorgängen. Da entnehmen Roboter Chargen aus dem Transportsystem und bringen diese zu der richtigen Anlage, wo die Chargen prozessiert werden sollen.

Buseck fasst die realisierten Vorteile durch I 4.0 zusammen: „Wir liefern eine höhere Qualität ab, weil wir über die Erfassung der Datenmengen Fehler finden. Intern vermeiden wir Fehlprozesssierungen und somit Ausschuss. Wir sind in den Durchlaufzeiten schneller und können somit mehr produzieren.“

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