UPS電源在半導(dǎo)體集成電路制造中選型與應(yīng)用

景培毅

摘 要：現(xiàn)如今，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，伴隨著新材料與工藝技術(shù)的出現(xiàn)，半導(dǎo)體集成電路線寬逐漸減少，其集成度逐漸提高，對(duì)于集成電路的工藝制造穩(wěn)定可靠性要求逐漸嚴(yán)格，UPS電源在集成電路制造中提供電力保障應(yīng)用顯得越來(lái)越重要。對(duì)此，筆者根據(jù)實(shí)踐研究，就半導(dǎo)體集成電路制造中UPS電源提供電力保障的選型及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：集成電路制造 穩(wěn)定可靠性 UPS電源應(yīng)用

引 言

半導(dǎo)體集成電路是工業(yè)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，被譽(yù)為“工業(yè)糧食”，半導(dǎo)體集成電路制造是高度技術(shù)及資金密集的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體集成電路制造廠對(duì)動(dòng)力電源穩(wěn)定運(yùn)行具有較高的要求，芯片晶圓代工制造中工藝過(guò)程非常復(fù)雜，工藝制造設(shè)備均為國(guó)外進(jìn)口的精密設(shè)備，不允許有任何電能質(zhì)量問(wèn)題（電壓閃落、供電中斷、電壓不穩(wěn)等），尤其每次電壓閃落或供電中斷都將導(dǎo)致芯片工藝生產(chǎn)設(shè)備宕機(jī)或工藝運(yùn)行不穩(wěn)等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品破片或良率下降，造成極大經(jīng)濟(jì)損失。

本文主要就半導(dǎo)體集成電路制造中UPS工頻機(jī)與高頻機(jī)的選型，以及UPS電源在集成電路制造中應(yīng)用做簡(jiǎn)要分析，包括工藝設(shè)備端UPS選型應(yīng)用及廠務(wù)動(dòng)力UPS選型應(yīng)用做闡述。

1 工頻機(jī)和高頻機(jī)的原理及在集成電路制造中的選型[1]

1.1 工頻機(jī)和高頻機(jī)定義

（1）工頻機(jī)

UPS通常分為工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種。工頻機(jī)由可控硅（SCR）整流器，IGBT逆變器，旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz，顧名思義叫工頻UPS。

由于SCR整流器屬于降壓整流，所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低。要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓，就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時(shí)，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過(guò)變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來(lái)的干擾。

按整流SCR管數(shù)量的不同，工頻機(jī)通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個(gè)SCR組成的全橋整流，由于有6個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖對(duì)6個(gè)SCR分別控制，所以叫6脈沖整流。

12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線由12個(gè)SCR整流完成，因此又稱為12脈沖整流。

（2）高頻機(jī)

高頻機(jī)通常由IGBT高頻整流器，電池變換器，逆變器和旁路組成。IGBT可以通過(guò)控制加在其門(mén)極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾kHz到幾十kHz，甚至高達(dá)上百KHz，相對(duì)于50Hz工頻，稱之為高頻UPS。

1.2工頻機(jī)和高頻機(jī)的性能及在集成電路制造中選型

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件的不斷問(wèn)世，中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻UPS具有功率密度大、體積小、重量輕的特點(diǎn)。但在高頻UPS功率段向中大功率過(guò)渡推進(jìn)的過(guò)程中，高頻拓?fù)銾PS在使用過(guò)程中暴露出一些固有缺點(diǎn)，并影響到UPS的安全使用和運(yùn)行。

（1）UPS輸入缺零線無(wú)法正常工作

UPS輸入是三相四線（相線+零線），整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過(guò)IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時(shí)不能斷開(kāi)。當(dāng)A、B、C三相閉合，零線斷開(kāi)時(shí)，如果UPS輸出端接不平衡負(fù)載，當(dāng)零點(diǎn)參考點(diǎn)突然消失，將造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障，進(jìn)而導(dǎo)致UPS后端負(fù)載設(shè)備的損壞，輸出閃斷等重大故障。而工頻機(jī)因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開(kāi)時(shí)，UPS可以保持正常供電。

（2）零地電壓抬升和電池架帶電問(wèn)題。

大功率三相高頻機(jī)零線會(huì)引入整流器并做為正負(fù)母線的中性點(diǎn)。此種結(jié)構(gòu)不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負(fù)載端零地電壓抬高，很難滿足IBM，HP等服務(wù)器廠家對(duì)零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。

（3）可靠性降低。

工頻機(jī)通常采用SCR整流器，而高頻機(jī)多采用IGBT整流器。因此，工頻機(jī)在可靠性方面優(yōu)于高頻機(jī)。而大功率UPS可靠性是集成電路制造用戶關(guān)注的第一要素。目前市面上銷售的多款國(guó)際知名品牌工頻機(jī)產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑，并通過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜電網(wǎng)的實(shí)際驗(yàn)證。

UPS工頻機(jī)和高頻機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在可靠性第一原則下，使用在集成電路制造重要場(chǎng)合的大功率UPS（廠務(wù)動(dòng)力部，或工藝擴(kuò)散、濕法蝕刻等重要工藝場(chǎng)所），仍然以工頻機(jī)為首選。

2 UPS電源在半導(dǎo)體集成電路制造廠的選型原則[2]

（1）估算UPS電源的功率

根據(jù)半導(dǎo)體工藝設(shè)備各控制負(fù)載及核心工藝模塊負(fù)載用電功率，算出負(fù)載的總用電量?？傆秒娏砍艘园踩禂?shù)，就是UPS電源的估算功率，安全系數(shù)一般取1.2-1.3為宜。在半導(dǎo)體集成電路制造工廠使用UPS電源的區(qū)域可分為廠務(wù)區(qū)和工藝設(shè)備區(qū)，一般廠務(wù)區(qū)為整個(gè)工廠提供電源動(dòng)力，使用UPS功率較大，容量一般在200KVA至800KVA之間，而工藝設(shè)備區(qū)UPS電源多數(shù)為控制類負(fù)載等使用，功率較小，容量在1KVA至160KVA居多。

（2）國(guó)產(chǎn)UPS和進(jìn)口UPS電源選擇

在國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口UPS電源的選擇中，因集成電路制造行業(yè)具有高度技術(shù)密集且一直受各國(guó)限制出口、當(dāng)前國(guó)際貿(mào)易戰(zhàn)不確定因素等，不管在廠務(wù)區(qū)還是在工藝區(qū)，一般建議選用國(guó)產(chǎn)高端UPS電源。近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)UPS電源在質(zhì)量穩(wěn)定可靠上有很大的提高，包括在軍工核電、石油鉆井等均有大大技術(shù)突破，打破國(guó)外壟斷。選用國(guó)產(chǎn)高端UPS電源，一方面是對(duì)本國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的支持的，同時(shí)也符合集成電路制造行業(yè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化政策要求，另一方面在售后服務(wù)維修上有很大的方便，如配件比較齊全，維修能力和維修速度比較滿意。進(jìn)口UPS電源一般質(zhì)量比較好，但是由于維修技術(shù)和配件存在困難，再者集成電路制造過(guò)程中，24小時(shí)不能停機(jī)停產(chǎn)，一旦發(fā)生故障，往往不能及時(shí)修復(fù)，長(zhǎng)期擱置不能使用，損失巨大。國(guó)產(chǎn)高端UPS電源，比如廈門(mén)科華恒盛股份有限公司的UPS在工作性能方面，是比較符合集成電路制造工廠UPS電源特性，某些型號(hào)的UPS電源輸入電壓范圍比較寬，有穩(wěn)壓輸出功能，適應(yīng)集成電路工藝制造特點(diǎn)環(huán)境。

（3）在線式和后備式UPS電源的選擇

選用在線式還是后備式UPS電源，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的需要和經(jīng)濟(jì)條件來(lái)定。集成電路制造工廠中使用設(shè)備以進(jìn)口設(shè)備為主，設(shè)備技術(shù)精度及穩(wěn)定性極高，價(jià)格也高昂，例如一臺(tái)荷蘭ASML的7nm光刻機(jī)價(jià)格高達(dá)1億歐元，在集成電路制造工廠工藝端，UPS電源作為附屬設(shè)備，相比工藝設(shè)備投入資金極少，基本選用在線式互動(dòng)式UPS電源，集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)具有保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好。

（4）長(zhǎng)時(shí)間和短時(shí)間供電UPS電源的選擇

在長(zhǎng)時(shí)間供電UPS電源和短時(shí)間供電UPS電源的選擇上，主要是看各集成電路制造工藝部門(mén)的UPS經(jīng)濟(jì)條件和工藝使用的需要。在集成電路制造過(guò)程中，濕法蝕刻或爐管工藝過(guò)程中，一般一次性在設(shè)備中工藝制造的晶圓數(shù)量較多，要求停電后，所有晶圓均能得到好的處理保護(hù)，否則損失過(guò)大，因此可選用長(zhǎng)時(shí)間的UPS電源，而在PVD、CVD或干法蝕刻工藝中，工藝設(shè)備一次單片制造，UPS電源主要作用是保護(hù)控制部門(mén)，對(duì)UPS電源后備時(shí)間要求不是很長(zhǎng)，可以選短時(shí)間UPS電源備用電源。在集成電路廠務(wù)動(dòng)力區(qū)，屬于中央動(dòng)力，為比較重要的工藝設(shè)備比如光刻機(jī)、部分蝕刻設(shè)備、特殊氣體工藝設(shè)備、純水設(shè)備等提供動(dòng)力，要求UPS電源可靠穩(wěn)定性非常高，因此一般選用長(zhǎng)時(shí)間供電UPS電源，后備時(shí)間大多在15分鐘以上。

（5）售后維修服務(wù)方面選擇

UPS電源發(fā)生故障是正?，F(xiàn)象，在選型時(shí)維修的便利，也是不可輕視的因素，集成電路制造不允許停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，基本24小時(shí)不間斷作業(yè)，因此在集成電路制造廠，UPS電源選用時(shí)，維修便利，服務(wù)及時(shí)是非常重要的選型原則，否則會(huì)給使用中維修帶來(lái)不便，可能造成巨大損失。

3 UPS電源在集成電路制造中的應(yīng)用

近幾年來(lái)，全國(guó)各地集成電路制造企業(yè)迅速發(fā)展，目前各類型建成的集成電路工廠分布在全國(guó)各地近50座，集成電路制造在生產(chǎn)過(guò)程中使用各種高端進(jìn)口工藝設(shè)備及動(dòng)力設(shè)備，為了保證這些設(shè)備正常運(yùn)行，UPS電源提供各類型的電力保障方面，集成電路制造企業(yè)應(yīng)該更加重視。UPS電源中的工頻機(jī)和高頻機(jī)在性能及適應(yīng)性方面上各有優(yōu)缺點(diǎn)，在集成電路制中不同的場(chǎng)所，工頻機(jī)和高頻機(jī)的專業(yè)選型及應(yīng)用顯得十分重要。

3.1 UPS電源在集成電路制造廠務(wù)端的應(yīng)用

集成電路制造廠務(wù)端是為工藝制造精密設(shè)備提供各種動(dòng)力的場(chǎng)所，主要分為四大專業(yè)科室，機(jī)械科、電科、水科、氣科，分別負(fù)責(zé)集成電路工藝制造所需要的各科的動(dòng)力保障。集成電路工藝制造的精密設(shè)備不允許有電壓閃落、停電等現(xiàn)象，否則每一次電壓閃落或停電均可能造成工藝設(shè)備宕機(jī)，導(dǎo)致晶圓片報(bào)廢，造成一定經(jīng)濟(jì)損失，因此，UPS電源在廠務(wù)端的應(yīng)用比較重要。

廠務(wù)端最為典型的使用UPS電源場(chǎng)所有中低壓變電站、工藝排氣系統(tǒng)、PCW工藝?yán)鋮s系統(tǒng)、UPW供應(yīng)系統(tǒng)及重要的氣體供應(yīng)系統(tǒng)。廠務(wù)端，UPS的使用容量較大，一般在200KVA以上，以確保停電后的負(fù)載正常運(yùn)行。在UPS選擇方案上，大部分集成電路工程一般還以工頻機(jī)為主，帶有隔離變壓器，使其運(yùn)行中穩(wěn)定安全可靠。但工頻機(jī)效率不如高頻機(jī)，因此在節(jié)能方面，工頻機(jī)還需要提高。隨著UPS電源技術(shù)不斷進(jìn)步，高頻功率器件逐漸成熟， UPS產(chǎn)品在廠務(wù)應(yīng)用中也正逐步高頻化，高頻UPS具有效率高，功率密度大、體積小、重量輕的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)集成電路廠使用UPS高頻機(jī)時(shí)，以塔式機(jī)型為主，輸出端單獨(dú)加隔離變壓器，確保穩(wěn)定可靠。

3.2 UPS電源在集成電路制造工藝設(shè)備端的應(yīng)用

集成電路工藝制造主要分為6個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)區(qū)包括：擴(kuò)散、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入和拋光。每一區(qū)域?qū)PS電源根據(jù)工藝的重要性均有不同的使用要求，其中在擴(kuò)散區(qū)UPS電源主要為爐管設(shè)備提供電力保障，能夠保證在斷電后，爐管設(shè)備中近百片晶圓在后備時(shí)間內(nèi)，順利降溫到正常范圍，避免破片或不良，UPS電源主要選用10KVA或20KVA工頻機(jī)，以穩(wěn)定可靠為主，同時(shí)兼顧后備時(shí)間足夠，延時(shí)時(shí)間在15分鐘左右。爐管設(shè)備生產(chǎn)商主要有日本的TEL、日立國(guó)際及國(guó)內(nèi)北方華創(chuàng)，前兩家廠商一般選用日本富士UPS工頻機(jī)配套，而國(guó)內(nèi)北方華創(chuàng)選用科華恒盛UPS工頻機(jī)作為長(zhǎng)期配套。光刻是集成電路生產(chǎn)中最為重要的一

道工藝，集成電路的溝道線寬技術(shù)很大程度取決于光刻機(jī)曝光技術(shù)，因此光刻機(jī)也是集成電路制造設(shè)備中最為昂貴的一種半導(dǎo)體設(shè)備，UPS電源在光刻機(jī)設(shè)備配套方面，不僅在控制部分采用小型UPS電源（多選用伊頓1KVA至3KVA UPS電源），而且在整機(jī)上全部接入廠務(wù)UPS電源系統(tǒng)中，保障光刻工藝順利完成。刻蝕工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕，其中濕法刻蝕工藝中，采用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿配方藥液進(jìn)行刻蝕或清洗晶圓片，且一次性有50片晶圓片進(jìn)入濕法刻蝕設(shè)備進(jìn)行工藝作業(yè)，因此每一臺(tái)設(shè)備均需要配置UPS電源提供電力保障，確保斷電后，晶圓片能順利的從藥液槽中安全取出。濕法刻蝕設(shè)備根據(jù)酸槽分布配置特點(diǎn)不同，選用UPS電源功率不同，一般整機(jī)選用20KVA到80KVA容量不等的UPS電源工頻機(jī)，后備時(shí)間在30分鐘左右。干法刻蝕、薄膜、離子注入及拋光工藝設(shè)備中多為一個(gè)腔體僅一片晶圓工藝作業(yè)，因此風(fēng)險(xiǎn)并不十分突出，在UPS電源選型上多采用小型UPS工頻機(jī)或高頻機(jī)（1-5KVA），主要為控制部分或電腦提供電力安全保障。出于工藝穩(wěn)定性方面考慮，離子注入和PVD薄膜工藝根據(jù)需要，在UPS電源選用方面，有時(shí)選用大功率UPS工頻機(jī)為整機(jī)提供電能質(zhì)量保障，避免電壓波動(dòng)引起工藝不良損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、人工智能、智能穿戴等技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路需求將越來(lái)越大，UPS不間斷電源在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，保障集成電路制造中電力系統(tǒng)的不間斷供電，同時(shí)提高集成電路制造整個(gè)系統(tǒng)的電力可靠安全性，本文就UPS電源在集成電路制造工廠中各個(gè)場(chǎng)所的選型及應(yīng)用做了簡(jiǎn)單分析，從UPS電源工頻機(jī)和高頻機(jī)定義原理等方面出發(fā)，對(duì)集成電路制造廠務(wù)端和工藝端UPS電源應(yīng)用做了一定闡述，并詳細(xì)從集成電路制造工藝上對(duì)UPS電源選型及應(yīng)用做了分析，為半導(dǎo)體集成電路制造廠對(duì)UPS使用提供參考。

參考文獻(xiàn)

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