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UPS电源在半导体集成电路制造中选型与应用分析

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  【摘 要】半导体集成电路是工业信息产业的基础,被誉为“工业粮食”,半导体集成电路制造是高度技术及资金密集的一个产业。半导体集成电路制造厂对动力电源稳定运行具有较高的要求,芯片晶圓代工制造中工艺过程非常复杂,工艺制造设备均为国外进口的精密设备,不允许有任何电能质量问题(电压闪落、供电中断、电压不稳等),尤其每次电压闪落或供电中断都将导致芯片工艺生产设备宕机或工艺运行不稳等现象,造成产品破片或良率下降,造成极大经济损失。
  【关键词】集成电路制造;稳定可靠性;UPS电源应用
  1 工频机和高频机的原理及在集成电路制造中的选型[1]
  1.1 工频机和高频机定义
  (1)工频机
  UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅(SCR)整流器,IGBT逆变器,旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。
  由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低。要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时,由于增加了隔离变压器,系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离,显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。
  (2)高频机
  高频机通常由IGBT高频整流器,电池变换器,逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动信号来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几kHz到几十kHz,甚至高达上百KHz,相对于50Hz工频,称之为高频UPS。
  1.2工频机和高频机的性能及在集成电路制造中选型
  随着电力电子技术的发展和高频功率器件的不断问世,中小功率段的UPS产品正逐步高频化,高频UPS具有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向中大功率过渡推进的过程中,高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点,并影响到UPS的安全使用和运行。
  (1)UPS输入缺零线无法正常工作
  UPS输入是三相四线(相线+零线),整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷:零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合,零线断开时,如果UPS输出端接不平衡负载,当零点参考点突然消失,将造成严重的UPS输出零偏故障,进而导致UPS后端负载设备的损坏,输出闪断等重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。
  (2)零地電压抬升和电池架带电问题。
  大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点。此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上,抬升零地电压,造成负载端零地电压抬高,很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。
  2 UPS电源在半导体集成电路制造厂的选型原则[2]
  (1)估算UPS电源的功率
  根据半导体工艺设备各控制负载及核心工艺模块负载用电功率,算出负载的总用电量。总用电量乘以安全系数,就是UPS电源的估算功率,安全系数一般取1.2-1.3为宜。在半导体集成电路制造工厂使用UPS电源的区域可分为厂务区和工艺设备区,一般厂务区为整个工厂提供电源动力,使用UPS功率较大,容量一般在200KVA至800KVA之间,而工艺设备区UPS电源多数为控制类负载等使用,功率较小,容量在1KVA至160KVA居多。
  (2)国产UPS和进口UPS电源选择
  在国产和进口UPS电源的选择中,因集成电路制造行业具有高度技术密集且一直受各国限制出口、当前国际贸易战不确定因素等,不管在厂务区还是在工艺区,一般建议选用国产高端UPS电源。近几年来,国产UPS电源在质量稳定可靠上有很大的提高,包括在军工核电、石油钻井等均有大大技术突破,打破国外垄断。选用国产高端UPS电源,一方面是对本国经济和技术发展的支持的,同时也符合集成电路制造行业设备国产化政策要求,另一方面在售后服务维修上有很大的方便,如配件比较齐全,维修能力和维修速度比较满意。
  (3)在线式和后备式UPS电源的选择
  选用在线式还是后备式UPS电源,应根据设备的需要和经济条件来定。集成电路制造工厂中使用设备以进口设备为主,设备技术精度及稳定性极高,价格也高昂,例如一台荷兰ASML的7nm光刻机价格高达1亿欧元,在集成电路制造工厂工艺端,UPS电源作为附属设备,相比工艺设备投入资金极少,基本选用在线式互动式UPS电源,集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点具有保护功能较强,逆变器输出电压波形较好。
  3 UPS电源在集成电路制造中的应用
  近几年来,全国各地集成电路制造企业迅速发展,目前各类型建成的集成电路工厂分布在全国各地近50座,集成电路制造在生产过程中使用各种高端进口工艺设备及动力设备,为了保证这些设备正常运行,UPS电源提供各类型的电力保障方面,集成电路制造企业应该更加重视。UPS电源中的工频机和高频机在性能及适应性方面上各有优缺点,在集成电路制中不同的场所,工频机和高频机的专业选型及应用显得十分重要。
  3.1 UPS电源在集成电路制造厂务端的应用
  集成电路制造厂务端是为工艺制造精密设备提供各种动力的场所,主要分为四大专业科室,机械科、电科、水科、气科,分别负责集成电路工艺制造所需要的各科的动力保障。集成电路工艺制造的精密设备不允许有电压闪落、停电等现象,否则每一次电压闪落或停电均可能造成工艺设备宕机,导致晶圆片报废,造成一定经济损失,因此,UPS电源在厂务端的应用比较重要。
  厂务端最为典型的使用UPS电源场所有中低压变电站、工艺排气系统、PCW工艺冷却系统、UPW供应系统及重要的气体供应系统。厂务端,UPS的使用容量较大,一般在200KVA以上,以确保停电后的负载正常运行。在UPS选择方案上,大部分集成电路工程一般还以工频机为主,带有隔离变压器,使其运行中稳定安全可靠。
  3.2 UPS电源在集成电路制造工艺设备端的应用
  集成电路工艺制造主要分为6个独立的生产区包括:扩散、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。每一区域对UPS电源根据工艺的重要性均有不同的使用要求,其中在擴散区UPS电源主要为炉管设备提供电力保障,能够保证在断电后,炉管设备中近百片晶圆在后备时间内,顺利降温到正常范围,避免破片或不良,UPS电源主要选用10KVA或20KVA工频机,以稳定可靠为主,同时兼顾后备时间足够,延时时间在15分钟左右。炉管设备生产商主要有日本的TEL、日立国际及国内北方华创,前两家厂商一般选用日本富士UPS工频机配套,而国内北方华创选用科华恒盛UPS工频机作为长期配套。光刻是集成电路生产中最为重要的一
  4 结束语
  随着物联网、5G技术、工业机器人、人工智能、智能穿戴等技术的快速发展,集成电路需求将越来越大,UPS不间断电源在半导体集成电路制造中应用也越来越广泛,保障集成电路制造中电力系统的不间断供电,同时提高集成电路制造整个系统的电力可靠安全性,本文就UPS电源在集成电路制造工厂中各个场所的选型及应用做了简单分析,从UPS电源工频机和高频机定义原理等方面出发,对集成电路制造厂务端和工艺端UPS电源应用做了一定阐述,并详细从集成电路制造工艺上对UPS电源选型及应用做了分析,为半导体集成电路制造厂对UPS使用提供参考。
  参考文献:
  [1] 高频机与工频机的UPS优劣分析[J].张恺.中国设备工程,2018.08,203-204.
  (作者单位:飞思卡尔半导体(中国)公司)
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