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Predictive Maintenance für Chipfertigung

Industrie-4.0-System für IC-Fab in nur drei Monaten

11. März 2021, 09:09 Uhr   |  Heinz Arnold

Industrie-4.0-System für IC-Fab in nur drei Monaten
© Silicon Saxony

Innerhalb von nur drei Monaten konnte ein interdisziplinäres Team ein Pilotsystem zur vorausschauenden Wartung von Ventilen für die Reinstwasserversorgung in einer IC-Fab realisieren.

Vorausschauende Wartung ist in der Halbleiterproduktion schon längst nichts Neues mehr. Doch tat sich bei Globalfoundries noch eine Lücke auf: »Um die Wafer, auf denen die Chips gefertigt werden, von Chemikalienresten zu befreien, werden sie in speziellen Becken mit Reinstwasser gesäubert«, erläutert Michael Wotzka, Facilities-Ingenieur bei Globalfoundries Dresden. Die Zu- und Ablaufventile zu diesen Becken wurden bisher von erfahrenen Mitarbeitern regelmäßig persönlich durch Sichtprüfung und ein ausgeklügeltes, dreistufiges Analyseverfahren vor Ort überwacht. Dennoch waren Ausfälle durch Defekte schwer vorhersagbar.   

Integration von neuen Technologien beschleunigen

Hier kam nun die Digital Product Factory im Smart Systems Hub ins Spiel, dessen Gesellschafter Silicon Saxony e.V. ist. Im Rahmen des Projekts Digital Product Factory Batch#2, einem auf drei Monate angelegten, moderierten Co-Innovationsformat in einem geschützten Raum, ist es gelungen, innerhalb des kurzen Zeitraums mit „Smart Maintenance MVP“ ein komplettes Predictive-Maintenance-System zu erstellen – von der Sensorik über die Datenvorverarbeitung in einer Edge-Computing-Hardware bis hin zur Darstellung in Cloud-Dashboards. Besonders freut Michael Kaiser, CEO im Smart Systems Hub, dass die Projektpartner – Globalfoundries Dresden, Infineon Dresden, Sensry, Coderitter und T-Systems Multimedia Solutions – auch nach Projektabschluss ganz konkret mit dem „Smart Maintenance-MVP“ weiterarbeiten.

Wie „Smart Maintenance MVP“ funktioniert
 
Um eine digitale Zustandsüberwachung der Reinstwasserventile zu ermöglichen, wurden im Rahmen der Digital Product Factory durch ein agiles Projektteam geeignete Sensoren ausgewählt, KI-Algorithmen zur Früherkennung von Schäden entwickelt und mittels einer flexiblen Cloud-Plattform realisiert, die den Zustand der Ventile übersichtlich darstellt und bewertet. Ziel war es, dass notwendige Wartungen zukünftig rechtzeitig und ohne Produktionsausfall erfolgen können.

Ein Bestandteil der vorausschauenden Wartung ist die hochintegrierte Edge-Hardware des Sensorikspezialisten Sensry. Damit werden Audio- und Vibrationsdaten in Echtzeit erfasst. »Das Besondere an dieser Plattform ist«, so Wotzka, »dass sie auf unserer 22FDX-Technologie basiert und in unserer Dresdner Fab 1 gefertigt wird.« Die damit gewonnenen Daten werden durch KI-Algorithmen direkt am Entstehungsort vorverarbeitet, die gemeinsam mit den Coderitter, einem Dresdner IoT-Startup, entwickelt wurden.
 
Dabei wurde erstmalig in der Digital Product Factory der konkrete Anwendungsfall in der Hardware-Umgebung basierend auf der Universal Sensor Plattform „Ganymed“ von Sensry umgesetzt. Die besondere Herausforderung dabei war die im Vergleich zur Cloud eher geringe Rechenpower der Edge-Hardware. In Zusammenarbeit mit Sensry, bekamen die Teams ein tiefes Verständnis für ein Zusammenspiel von Hard- und Software auf der untersten Ebene.
 
Dies ermöglichte die Entwicklung und Implementierung eines sehr schlank programmierten Algorithmus, der in der Lage ist, Muster in den erfassten Sensordaten zu erkennen. Die Übertragung der Daten in die Cloud und die übersichtliche Darstellung in Dashboards erfolgt dann mit der Plattform „Cloud Shopfloor Intelligence“ von T-Systems MMS. Damit sind die Daten zum Zustand der Anlagen in Echtzeit und remote abrufbar und können in weitere Prozessschritte integriert werden.
»Eine weitere Herausforderung war die Entscheidung über die geeignete Sensorik«, sagt Wotzka. Doch auch dafür fanden sich im Silicon Saxony auf kurzem Wege Partner: Das Team konnte auf einen Mikrofon-Sensor von Infineon zurückzugreifen. »Er erfasst akustische Daten, die sich in unserem Kontext auswerten ließen«, so Wotzka. »Ein zusätzlicher Beschleunigungssensor des Fraunhofer Instituts für Elektronische Nanosysteme (ENAS) erfasst Vibrationen. Mit allen diesen Daten wurde der KI-Algorithmus entsprechend trainiert. Es handelt sich also um echte Teamarbeit.«
KI verhindert Stillstände

Auf Basis des skalierbaren Edge-Computing- und Cloud-Systems werden die gewonnenen Daten aus den hochkomplexen Prozessen ausgewertet und aufbereitet. Eine in das Edge Device eingebettete KI ermöglicht nun die Überwachung der Ventile rund um die Uhr. Ausfälle können so verhindert werden. »Durch die Darstellung der gewonnenen Daten über ein Dashboard arbeiten sowohl die Komponentenhersteller und Anlagenbauer als auch unsere internen Teams mit identischen Informationen«, freut sich Wotzka. »Einer der größten Vorteile ist, dass die Analyse herstellerunabhängig funktioniert. Die Digital Product Factory – mit einem branchenübergreifenden Expertenteam und dem Versprechen, nach nur drei Monaten ein Minimum Viable Product (MVP) in der Hand zu haben – war für uns der perfekte Weg zu einer schnellen Lösung.« Alexander Kirstan, Facilities Manager bei Globalfoundries ergänzt: »Wir sehen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten zur Produktionsüberwachung an unserem Standort. Auch an unseren anderen Standorten in den USA und Singapur stößt da Projekt auf großes Interesse, so dass wir auch einen globalen Einsatz im Auge haben.«  

Silicon Saxony sieht großes Potenzial für Co-Innovation im industriellen Hightech-Umfeld. Ziel ist es, die Mitglieder miteinander zu vernetzen, damit sie zum gegenseitigen Vorteil gemeinsame Projekte starten und neue Produkte und Dienstleistungen entwickeln. »Das Interesse an IoT nimmt stetig zu. Gleichzeitig schauen unsere Mitglieder, wie sie mit neuen Ansätzen ihre Produktionsprozesse weiter digitalisieren und optimieren können. Über die Co-Innovation-Formate des Smart Systems Hub können wir Angebot und Nachfrage zielgerichtet zusammenbringen«, sagt Frank Bösenberg, Geschäftsführer von Silicon Saxony e.V. »Als Nächstes werden wir gezielt Partner aus den europäischen Hightech-Clustern einbinden, mit deinen wir seit Jahren sehr gute Partnerschaften pflegen«, sagt Bösenberg.

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