Подобряване на качеството на електроенергията в производството с висока технологичност?

Разбиране на предизвикателствата за качеството на електроенергията в полупроводниковото производство

Съвременните фабрики за производство на полупроводници (фабрики) са изправени пред сериозни предизвикателства относно качеството на електроенергията, които директно влияят на производителността и надеждността на продуктите. Те произтичат от крайната чувствителност на литографските инструменти, системите за травяне и измервателната апаратура към дори най-малки електрически смущения.

Напрежение спадове, вълнения и преходни процеси в чувствителни производствени среди

Напрежението се колебае 12–18 пъти месечно в типичните фабрики, като смущения с продължителност под един цикъл (<16,7 ms) могат да унищожат цели партиди пластини. Според проучване от 2024 г. 74% от неплановите простои на оборудване са свързани с проблеми в качеството на електроенергията, като напрежението, предизвикано от превключвания в мрежата, причинява 23% от инцидентите с намалена добивност.

Въздействие на ниското качество на електроенергията върху прецизната електроника и загуба на добивност

Хармоничните изкривявания, надвишаващи 8% КХИ (обща хармонична изобилност), увеличават плътността на дефектите 4–7 пъти при производството на чипове под 5 nm. Производителите в САЩ губят 145 милиарда щатски долара годишно поради загуби, свързани с качеството на електроенергията, като полупроводниковите фабрики допринасят за 18% от тази сума (индустриален доклад 2023 г.).

Чести нарушения в качеството на електроенергията: хармоници, трептене и нестабилност в мрежата

Проучванията показват, че 65–75% от проблемите с качеството на електроенергията във фабриките са свързани с хармонични токове от променливи честотни задвижвания (VFDs) и DC захранвания. Този електрически шум се разпространява през инфраструктурата на обекта, увеличавайки повредите на лагери с 34%, намалявайки продължителността на живот на ИБП с 27% и повишавайки консумацията на енергия с 12%.

Растящото предизвикателство: по-висока прецизност на процеса срещу влошаващо се качество на мрежата

Докато процесите с вложки достигат атомна прецизност (1nm възел), допустимото напрежение се е стеснило до ±0,5% в сравнение с ±5% преди десетилетие. Едновременно с това инцидентите с нестабилност на мрежата са нараснали с 57% от 2020 г. насам (Доклад за тенденциите в качеството на електроенергията 2024), което създава противоречиви изисквания между производствените нужди и възможностите на комуналната инфраструктура.

Активен уред за овладяване на хармониците: основна технология за чиста енергия във фабриките

Съвременното производство на полупроводници изисква качество на електроенергията, което надхвърля типичните промишлени стандарти, като активни хармонични компенсатори се превръща в ключовата защита срещу хармонично изкривяване.

Как активният хармоничен компенсатор елиминира хармоничните изкривявания в реално време

Тези системи използват адаптивни алгоритми за наблюдение на електрическите мрежи с 256 проби/циклус, като засичат хармонични честоти до 50-ти ред. Като инжектират токове с обратна фаза в рамките на 1,5 милисекунди след засичане на смущението, те поддържат общото хармонично изкривяване (THD) под 5% — което е от решаващо значение за защита на системи за EUV литография и инструменти за атомнослоево нанасяне.

Защо активните решения надминават пасивните филтри в динамични високотехнологични среди

Пасивните LC филтри работят добре, но са ограничени, тъй като целенасочено действат само срещу определени хармонични честоти. Активните компенсатори се различават, защото могат реално да се адаптират към променящи се условия. Помислете за оборудване, което бързо циклира, например траверси, които достигат товар от 0 до 100% за по-малко от две секунди. Или вземете предвид DC задвижвания, създаващи смесени хармоници с около 35% ниво на THDi и RF генератори, добавящи собствени проблеми с около 28% THDv. Дори роботизирани системи имат затруднения при работа в режим на регенерация на енергия, когато понякога до 18% от мощността се връща обратно. Реални изпитвания доказаха, че активните решения за компенация обикновено потискат хармониците с около 95% ефективност, спрямо едва 60 до 70% ефективност при традиционните пасивни методи, както е показано в последните актуализации на стандарта IEEE 519 от 2022 година.

Кейс Стъди: Намаляване на THD от 18% до под 5% с активен компенсатор на хармоници

Фабрика за 300 мм флаши постигна намаление на разходите за скрап с 2,3 милиона долара годишно чрез внедряване на активни мерки за смекчаване на последствията в 34 критични технологични инструмента:

Параметър	Преди компенсиране	След компенсиране	Подобряване
Напрежение THD	18.7%	4.2%	77.5%
Загуба на добив	1.8%	0.3%	83.3%
Консумация на енергия	9,8 kWh/cm²	8,1 kWh/cm²	17.3%

Решението осигури съответствие със стандарта SEMI F47-0706 за устойчивост към проваления на напрежението през целия период от 18 месеца на внедряване.

Напреднали стратегии за управление на реално време за стабилизиране на електрозахранването

Системи за управление в реално време за динамично коригиране на качеството на електроенергията

Полупроводниковите производствени линии се нуждаят от системи за управление, които могат да реагират на проблеми с електрозахранването за само 1 до 2 милисекунди, ако искат да избегнат загуба на ценни продукти. Новите адаптивни системи за хистерезисно управление постигат значителни подобрения тук, като коригират спадовете на напрежението около 40 процента по-бързо в сравнение с традиционните PI регулатори. Тези системи работят, като променят скоростта си на реакция в зависимост от това какво се случва с електрическата мрежа в даден момент. При процесите за литография с екстремен ултравиолетов светлинен лъч, поддържането на напрежението в рамките на плюс или минус 1 процента е от голямо значение, тъй като дори малки колебания в енергията могат да повредят цели партиди силициеви кристали. Данни от индустрията показват, че обектите, приложили тези напреднали системи за управление, отчитат намаление от около 70 и няколко процента в проблемите с напрежението, когато работят с мрежи, склонни към редовни смущения.

Шунтово и сериено компенсиране за балансиране на натоварването и стабилност на напрежението

Проблемът с неуравновесението на трите фази става доста сериозен в тези фабрики за производство на 300 мм кръгчета, понякога надхвърляйки 15%, когато се изпълняват бързите термични процесни стъпки. Какво правят инженерите по въпроса? Ами, напреднали шунтови компенсатори поддържат баланса около 2%, като инжектират реактивен ток преди да възникнат проблеми. Междувременно серийните устройства се активират, за да коригират тези падания на напрежението под ниво 0,9 на единица, като реагират по-бързо от половин цикъл. Комбинирането на тези два метода спира онези неприятни верижни реакции, при които оборудването постоянно се рестартира. И нека да сме честни, тези рестартирания причиняват от 12 до може би дори 18 процента от всички неочаквани спирания в полупроводниковите производствени съоръжения.

Интеграция с хибридни активни филтри за захранване (HAPF) за по-бърза реакция

Когато комбинираме 12-импулсни преобразуватели с тези активни филтри въз основа на IGBT, получаваме хибридни системи, които всъщност неутрализират хармониците до 50-ия ред в честотния диапазон от 2 до 5 kHz. Някои полеви тестове разкриха нещо интересно за конфигурациите на HAPF в сравнение с обикновените пасивни филтри. Тези хибридни системи реагират около 50 процента по-бързо при внезапните промени в натоварването. Помислете какво се случва с оборудване за йонно имплантиране, което постоянно превключва между положение на покой при 5 kW и изведнъж достигане до пълна мощност от 150 kW. По-бързата реакция прави голяма разлика за поддържането на стабилна работа при тези драстични колебания на мощността.

Възникваща тенденция: Управление с предиктивен анализ, задвижвано от изкуствен интелект, в активни силови филтри

Модели за машинно обучение, обучени на тераватчасове с исторически данни за качеството на електроенергията, вече предсказват моделите на хармонични изкривявания с 8–12 секунди преди измервателните системи да ги засекат. През 2024 г. пилотен проект, използващ активни филтри с контрол чрез невронна мрежа, постигна подобрение от 23,6% по показателите за устойчивост вход-състояние (Input-to-State Stability, ISS) по време на симулирани смущения в мрежата, като значително надминава традиционните прагови системи.

Осигуряване на съответствие и непрекъснат мониторинг в съвременните фабрики

Спазване на глобални стандарти: съответствие с IEEE 519, EN 50160 и IEC 61000

Днес полупроводниковите фабрики трябва да следват няколко важни стандарта, включително IEEE 519 за хармонични изкривявания, EN 50160 относно характеристиките на напрежението и IEC 61000 за електромагнитна съвместимост. Тези правила помагат да се избегнат проблеми с оборудването и да се предпази производството от загуби. Фабриките, които всъщност спазват тези стандарти, обикновено имат около 40-45% по-малко неочаквани спирания в сравнение с тези, които не се интересуват от съответствието. Някои напреднали технологии вече позволяват на обектите да поддържат общото хармонично изкривяване под 5%, което е по-добре от лимита от 8%, установен от IEEE 519 за повечето промишлени приложения. Водещите производители вървят още по-далеч, като внедряват двуниво подход за сертифициране. Те проверяват както съответствието на целия обект, така и провеждат детайлен анализ на отделни устройства, като машини за литография с екстремен ултравиолетов спектър, които са от решаващо значение за съвременното производство на чипове.

Одити на качеството на електроенергията, хармоничен анализ и протоколи за оценка на качеството на енергията

Комплексните ревизии на качеството на електроенергията следват триетапен подход:

Етап на ревизия	Ключови показатели	Инструменти за измерване
Базова линия	THD, Напрежението Варира	Анализатори за качество на електроенергията
Натоварване под напрежение	Транзиентна реакция	Високоскоростни регистратори на данни
Съответствие	Съответствие с IEEE 519/EN 50160	Софтуер за проверка на съответствието

Анализът на хармониците сега включва машинно обучение, за да предвижда рисковете от резонанс в сложни фабрични разположения. Усъвършенстваните системи за управление на съответствието автоматизират проследяването на сертифицирането чрез платформи за регулиране, задвижвани от изкуствен интелект, като намаляват грешките при ръчна проверка с 67% при последните внедрявания.

Наблюдение в реално време и запис на данни за превантивно поддържане

Съвременните производствени съоръжения използват мониторингово оборудване, свързано с интернет, което събира около 10 000 различни показания за данни всяка минута в рамките на електрическите си системи. Според последен отраслев доклад от 2024 г., фабриките, приложили тези решения за мониторинг в реално време, отбелязват значително намаляване на дефектите по пластинките, причинени от проблеми с електрозахранването. Намалението е приблизително 29%, благодарение на няколко фактора, включително бързо идентифициране на скокове в напрежението по време на критични етапи на травлене, автоматично записване на моделите на хармонични изкривявания, което помага за оптимизиране на филтриращите системи, и предупредителни сигнали при нужда от внимание към кондензатори или трансформатори. Тези постоянни проверки за съответствие работят в синхрон с активни хармонични филтри, за да коригират дисбаланса в тока по-бързо от всякога. В резултат на това производителите на полупроводници могат да поддържат качеството на захранването си постоянно близо до перфектно ниво, оставайки в рамките на само 2% отклонение от оптималните стандарти, дори когато инструментите бързо превключват между процеси в напреднали производствени среди.

Часто задавани въпроси

Какво е качеството на електроенергията в производството на полупроводници?

Качеството на електроенергията в производството на полупроводници се отнася до стабилността и надеждността на електрическата енергийна система, като осигурява ефективната работа на оборудването без прекъсвания, причинени от електрически смущения.

Защо изкривяването на хармониците е проблем във фабриките за полупроводници?

Изкривяването на хармониците може да увеличи плътността на дефектите при производството на чипове и да причини повреди на оборудването, което води до значителни загуби в добива и простои в експлоатацията.

Какво са активните хармонични смекчители?

Активните компенсатори на хармоници са системи, които използват адаптивни алгоритми за наблюдение и коригиране на хармоничните изкривявания в реално време, осигурявайки чиста енергия, необходима за чувствителното производствено оборудване.

Как напредналите стратегии за управление помагат за стабилизиране на качеството на електроенергията?

Напредналите стратегии за управление осигуряват бърз отговор на колебанията на енергията, като използват техники като паралелно и последователно компенсиране, за да поддържат стабилност на напрежението и да предотвратят рестартиране на оборудването.

На какви стандарти трябва да отговарят фабриките за полупроводници?

Полупроводниковите фабрики трябва да спазват стандарти като IEEE 519 за хармонично изкривяване, EN 50160 за напрежение и IEC 61000 за електромагнитна съвместимост, за да предотвратят повреди на оборудването и загуби в производството.