Normes d'automatisation des usines : Conformité SECS/GEM et solutions de modernisation

Résumé

• Contexte du marché : Le marché des semi-conducteurs devrait atteindre près de 1 000 milliards de dollars d'ici 2030, ce qui rend l'automatisation essentielle pour répondre à la demande (McKinsey, 2023).
• Le projet : La présence de parcs d'équipements modernes et anciens crée des silos de communication, entravant la collecte de données et le contrôle des processus.
• La solution: L'adoption de normes d'automatisation de salles blanches telles que SECS/GEM et GEM300 garantit une communication transparente entre l'équipement et l'hôte.
• Rénovations existantes : Einnosys fournit des solutions matérielles et logicielles pour rendre intelligents les outils « stupides » non conformes, sans remplacement coûteux.
• Avantages clés : Gestion optimisée des rendements, réduction des rebuts et voie claire vers la conformité à l'Industrie 4.0.

Introduction

L'industrie des semi-conducteurs est en pleine expansion. Selon McKinsey (2023), le marché mondial des semi-conducteurs devrait atteindre 1 000 milliards de dollars d'ici 2030. Pour répondre à cette demande insatiable, les fabricants ne peuvent plus se contenter de la saisie manuelle de données ni d'un fonctionnement cloisonné. L'efficacité est désormais le seul critère déterminant.

Pourtant, un nombre surprenant d'ateliers de production rencontrent encore des difficultés avec des équipements qui refusent de communiquer avec le système de gestion centralisé. Ce dysfonctionnement résulte souvent d'un non-respect des normes d'automatisation des usines . Lorsque les machines ne peuvent pas transmettre leur état, leurs alarmes ou leurs données de processus au système MES (Manufacturing Execution System), la production ralentit. Les erreurs se multiplient. Les rendements chutent.

Pour toute installation, qu'il s'agisse d'une usine de fabrication de plaquettes de 300 mm à la pointe de la technologie ou d'une usine spécialisée dans la production de LED, l'établissement d'un langage universel pour les équipements est indispensable. Ce langage est défini par les normes SEMI, et plus précisément par SECS/GEM. Cet article détaille ces protocoles et explique comment les solutions Einnosys permettent de faire le lien entre les machines traditionnelles et l'usine intelligente entièrement connectée.

Décryptage du jargon informatique : qu’est-ce que SECS/GEM ?

Si vous avez déjà essayé de faire communiquer un PC Windows avec une imprimante du début des années 2000 sans le pilote adéquat, vous comprenez les difficultés d'intégration des équipements. Dans une salle blanche, les enjeux sont bien plus importants qu'un simple bac à papier bloqué.

Les normes d'automatisation des usines de fabrication sont des protocoles convenus qui permettent à différentes machines de différents fournisseurs de communiquer avec un ordinateur hôte. La plus répandue est SECS/GEM.

Les deux parties de l'équation

• SECS (Norme de communication des équipements semi-conducteurs) : Cela gère le transport de données. Il définit comment les messages sont envoyés via une connexion (généralement RS-232 ou TCP/IP). Il se divise en SECS-I (série) et HSMS (High-Speed ​​SECS Message Services for Ethernet).
• GEM (Modèle générique pour la communication et le contrôle des équipements de fabrication) : Cela gère le comportementIl définit ce que les machines doivent répondre. GEM garantit que lorsque l'hôte demande une « variable d'état », chaque machine répond de manière prévisible.

Sans GEM, un graveur pourrait indiquer la température en degrés Celsius tandis qu'un outil de dépôt l'indiquerait en kelvins, et aucun des deux ne préciserait la fin du traitement d'un lot. Les normes d'automatisation des usines de fabrication SECS/GEM permettent de résoudre ce problème.

Pourquoi ce protocole est-il le plus important ?

Pourquoi utilisons-nous encore une norme élaborée il y a des décennies ? Pour des raisons de fiabilité.

SECS/GEM est robuste. Il permet :

1. Contrôle à distance: Démarrage et arrêt des traitements de données depuis une salle de contrôle.
2. Gestion des alarmes : Notification instantanée en cas de dépassement des spécifications d'une variable de processus.
3. Collecte des données : Collecte de données métrologiques critiques pour l'analyse du rendement.
4. Gestion des recettes : Télécharger directement la recette de processus correcte dans l'outil afin d'éviter les erreurs humaines.

Votre grille-pain a-t-il besoin d'un tel niveau de contrôle ? Probablement pas. Mais pour l'automatisation des usines de semi-conducteurs, où une simple erreur peut ruiner des plaquettes de silicium valant des milliers de dollars, c'est indispensable.

Passage à l'échelle supérieure : GEM300 et Interface A

Avec le passage des plaquettes de 200 mm à celles de 300 mm, la logistique est devenue trop complexe pour les systèmes GEM classiques. Le déplacement d'une cassette de 25 plaquettes (FOUP) a été confié à des systèmes de manutention automatisés (AMHS), et non plus à des opérateurs humains.

La suite standard GEM300

Pour gérer l'automatisation complète des usines de fabrication, les normes GEM300 ont été introduites. Celles-ci comprennent :

• E39 (Services d'objets) : traiter les données comme des objets.
• E40 (Gestion des tâches de traitement) : suivi du traitement de plaquettes spécifiques.
• E87 (Gestion des opérateurs) : gérer le déplacement des FOUP (Front Opening Unified Pods) vers et depuis les ports de chargement.
• E90 (Suivi du substrat) : surveiller chaque plaquette individuellement à l'intérieur du support.

Pour une usine de fabrication de semi-conducteurs moderne de 300 mm, le respect de ces normes fait la différence entre un ballet synchronisé de robots et un désastre sujet aux collisions.

Interface A (EDA)

Bien que SECS/GEM soit idéal pour le contrôle, il peut se saturer si vous tentez d'extraire des volumes massifs de données pour une analyse à haute fréquence. C'est là qu'intervient l'interface A (acquisition de données d'équipement).

L'interface A fonctionne en parallèle de SECS/GEM, mais est exclusivement dédiée à la collecte de données. Elle permet aux équipes d'automatisation de la production d'extraire des données à haute vitesse pour la détection des pannes sans ralentir les opérations de contrôle de l'outil.

Le défi des équipements hérités

Voici la réalité pour de nombreuses usines : vous ne construisez pas une usine neuve à partir de rien. Vous disposez probablement d’un mélange d’outils flambant neufs et de machines robustes et fiables qui fonctionnent depuis la fin des années 90.

D'après un rapport de la Fondation SEMI (2022), une part importante de la capacité mondiale de production de plaquettes de 200 mm repose sur des équipements anciens. Ces machines découpent parfaitement le silicium, mais leurs ordinateurs sont obsolètes. Certains fonctionnent sous Windows 98, d'autres sont dépourvus de ports Ethernet, et d'autres encore ne disposent pas du logiciel compatible SECS/GEM.

Le problème de la machine « stupide »

Lorsqu'une machine ne peut pas se connecter au MES, cela crée un « trou noir » dans vos données.

• Les opérateurs doivent saisir manuellement les numéros de lot (risque de fautes de frappe).
• Les ingénieurs ne peuvent pas visualiser les performances en temps réel.
• La sélection des recettes est manuelle, ce qui conduit au redoutable scénario de «mauvaise recette» à jeter.

Pour les chaînes d'assemblage automatisées des usines de fabrication de LED ou de cellules photovoltaïques, remplacer ces outils coûteux uniquement pour assurer la connectivité serait un suicide financier. Le retour sur investissement est généralement inexistant.

Alors, comment moderniser son logement sans acheter de neuf ?

Solutions Einnosys : Combler le fossé

C’est là qu’Einnosys intervient. Nous sommes spécialisés dans la réalisation des connexions les plus complexes. Nous savons que le respect des normes d’automatisation des usines ne doit pas impliquer la mise au rebut d’équipements fonctionnels.

EIGEM – Le pilote SECS/GEM

Pour les fabricants d'équipements (OEM) qui conçoivent de nouveaux outils, écrire le code SECS/GEM de zéro représente un véritable casse-tête. Cela détourne les développeurs de la technologie de processus de base.

EIGEM est notre solution de bibliothèque/pilote. Ce composant logiciel prêt à l'emploi permet aux équipementiers de l'intégrer à leur logiciel de contrôle. Il rend instantanément la machine conforme aux normes d'automatisation SECS/GEM et GEM300. Compatible avec C#, C++, Java et Python, il garantit une intégration fluide quelle que soit l'architecture sous-jacente.

Rénovation avec adaptateurs matériels

Pour les usines qui utilisent encore ces équipements anciens, le logiciel seul ne suffit souvent pas. Si le contrôleur de la machine est un système propriétaire opaque ou un automate programmable ancien, un intermédiaire est nécessaire.

Einnosys fournit des adaptateurs matériels intelligents (E-Box) qui font office de traducteur.

1. Connexion: Nous nous connectons aux signaux internes de l'outil (via des E/S analogiques/numériques, des registres PLC ou des fichiers journaux).
2. Traduction: Le boîtier électronique interprète ces signaux : « Le chauffage est allumé », « La porte est ouverte ».
3. La communication: L'adaptateur convertit ces états en messages SECS/GEM standard et les envoie à l'hôte d'usine.

Pour le MES, la machine de pulvérisation cathodique vieille de 30 ans ressemble désormais à un outil flambant neuf et compatible avec les technologies intelligentes, et fonctionne comme tel.

Principaux avantages de la normalisation

Pourquoi se donner tant de mal ? Pourquoi investir dans la rénovation ou la mise à niveau pour répondre à ces normes ?

Rendement et contrôle de la qualité

L'automatisation de la sélection des recettes via SECS/GEM élimine les risques d'erreur de saisie. Un opérateur ne peut plus sélectionner accidentellement la recette « Haute température » ​​pour un lot « Basse température » ​​si l'ordinateur hôte l'en empêche.

De plus, grâce à la collecte automatisée de données, les ingénieurs de procédés peuvent repérer les dérives de température ou de pression avant qu'elles ne compromettent le lot.

Efficacité opérationnelle (OEE)

On ne peut améliorer ce qu'on ne mesure pas. En alignant tous les équipements sur les normes d'automatisation de la salle blanche, vous obtenez une visibilité sur :

• Temps d'inactivité: La machine attend-elle un opérateur précis ?
• Temps d'arrêt : À quelle fréquence la pompe à vide tombe-t-elle en panne ?
• Débit: Atteignons-nous les objectifs horaires ?

Ces données alimentent directement les calculs du TRS (Taux de Rendement Synthétique), permettant ainsi à la direction d'identifier les points de blocage.

Préparer l'avenir de l'Industrie 4.0

L’expression à la mode « Industrie 4.0 » est souvent employée, mais elle signifie essentiellement utiliser les données pour prendre des décisions éclairées. Les modèles d’IA et d’apprentissage automatique ont besoin de données propres et structurées.

Si vos données proviennent de feuilles Excel manipulées manuellement, vos modèles d'IA seront inefficaces. Les normes d'automatisation Fab garantissent que les données alimentant vos analyses avancées sont exactes, à jour et standardisées.

Mise en œuvre : Comment démarrer

Transformer une usine de fabrication en usine intelligente ne se fait pas du jour au lendemain. Cela nécessite une approche stratégique.

Évaluation et audit

Commencez par auditer votre étage.

• Quelles machines sont déjà conformes à la norme GEM ?
• Quelles machines disposent de GEM mais nécessitent son activation ?
• Quelles machines sont « stupides » et nécessitent un boîtier de mise à niveau ?

Partenariat pour le succès

N'essayez pas de développer un pilote SECS/GEM en interne, sauf si vous disposez d'une équipe de développeurs entièrement dédiée à ce projet. Il s'agit d'un protocole complexe comportant des centaines de cas particuliers.

En collaborant avec des experts comme Einnosys, vos équipes internes peuvent se concentrer sur l'ingénierie des procédés tandis que nous prenons en charge la connectivité. Que vous soyez un fabricant d'équipement d'origine (OEM) ayant besoin d'une bibliothèque pour une nouvelle machine de câblage ou un responsable de production cherchant à connecter un parc de fours existants, nous disposons des outils spécifiques nécessaires.

Conclusion

Le secteur des semi-conducteurs est impitoyable. Avec la miniaturisation des composants et l'augmentation des volumes de production, la marge d'erreur devient inexistante. Le respect des normes d'automatisation des usines n'est plus un luxe réservé aux usines de pointe spécialisées dans la technologie 300 mm ; c'est une nécessité vitale pour chaque unité de production de la chaîne d'approvisionnement.

De la communication de base avec SECS/GEM à la gestion logistique complexe avec GEM300, ces protocoles constituent le système nerveux de l'usine moderne. Et pour les équipements obsolètes, Einnosys propose la solution pour les moderniser.