بهبود کیفیت توان در تولید فناوری پیشرفته؟

درک چالش‌های کیفیت برق در تولید نیمه‌هادی

تجهیزات تولید مدرن نیمه‌هادی (کارخانه‌ها) با چالش‌های حیاتی کیفیت برق مواجه هستند که مستقیماً بر کارایی تولید و قابلیت اطمینان محصول تأثیر می‌گذارند. این چالش‌ها ناشی از حساسیت شدید ابزارهای لیتوگرافی، سیستم‌های خراش و تجهیزات مترولوژی به حتی کوچکترین اختلالات الکتریکی است.

افت ولتاژ، افزایش ولتاژ و اغتشاشات گذرا در محیط‌های تولید حساس

ناهماهنگی‌های ولتاژ معمولاً ۱۲ تا ۱۸ بار در ماه در فابریکیشن‌های معمولی رخ می‌دهد، که نوسانات زیرچرخه‌ای (<۱۶٫۷ میلی‌ثانیه) قادر به از بین بردن کل دسته‌های ویفر هستند. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۴ نشان داد که ۷۴٪ از توقف‌های غیر برنامه‌ریزی‌شده ابزارها به رویدادهای کیفیت برق مربوط می‌شود، که نوسانات ولتاژ ناشی از عملیات سوئیچینگ شبکه، عامل ۲۳٪ از حوادث کاهش بازده تولید هستند.

تأثیر کیفیت پایین برق بر الکترونیک دقیق و کاهش بازده تولید

توان هارمونیک که از ۸٪ THD (فهرست تحریف هارمونیک کل) فراتر رود، باعث افزایش چگالی نقص‌ها به میزان ۴ تا ۷ برابر در تولید تراشه‌های زیر ۵ نانومتر می‌شود. تولیدکنندگان آمریکایی سالانه ۱۴۵ میلیارد دلار به دلیل مشکلات کیفیت برق ضرر می‌کنند که از این مقدار، ۱۸ درصد مربوط به خطوط تولید نیمهرسانا است (گزارش صنعتی ۲۰۲۳).

اختلالات رایج کیفیت برق: هارمونیک‌ها، فلیکر و ناپایداری شبکه

تحقیقات نشان می‌دهد که ۶۵ تا ۷۵ درصد از مشکلات کیفیت برق در فابریکه‌ها به دلیل جریان‌های هارمونیک ناشی از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و منابع تغذیه DC است. این نویز الکتریکی در زیرساخت تأسیسات گسترش می‌یابد و باعث افزایش ۳۴ درصدی خرابی یاتاقان‌ها، کاهش عمر UPS به میزان ۲۷ درصد و افزایش ۱۲ درصدی مصرف انرژی می‌شود.

چالش رو به رشد: دقت بالاتر در فرآیندها در مقابل کیفیت رو به کاهش شبکه

همان‌طور که فرآیندهای ویفر به دقت مقیاس اتمی (گره ۱ نانومتری) می‌رسند، تحمل ولتاژ مجاز به ±۰٫۵ درصد کاهش یافته است، در حالی که این مقدار ده سال پیش ±۵ درصد بود. همزمان، رویدادهای ناپایداری شبکه از سال ۲۰۲۰ تاکنون ۵۷ درصد افزایش یافته است (گزارش روندهای کیفیت برق ۲۰۲۴)، که الزامات متناقضی بین نیازهای تولید و قابلیت‌های زیرساخت شبکه ایجاد شده است.

میتیگیتور فعال هارمونیک: فناوری هسته‌ای برای تأمین برق پاک در فابریکه‌ها

تولید مدرن نیمه‌هادی‌ها نیازمند کیفیت برقی بالاتر از استانداردهای صنعتی معمول است، که در آن میتیگیتورهای هارمونیک فعال به عنوان دفاع حیاتی در برابر اعوجاج هارمونیک ظهور کرده است.

چگونه میانبر هارمونیک فعال، اعوجاج هارمونیک را به‌صورت زمان واقعی حذف می‌کند

این سیستم‌ها از الگوریتم‌های تطبیقی برای نظارت بر شبکه‌های الکتریکی با نرخ 256 نمونه در هر سیکل استفاده می‌کنند و فرکانس‌های هارمونیکی تا مرتبه 50 را تشخیص می‌دهند. با تزریق جریان‌های عکس‌الطور در عرض 1.5 میلی‌ثانیه پس از تشخیص اختلال، این سیستم‌ها اعوجاج کلی هارمونیک (THD) را کمتر از 5٪ نگه می‌دارند—عاملی حیاتی برای محافظت از سیستم‌های لیتوگرافی EUV و ابزارهای رسوب‌گذاری لایه اتمی.

چرا راهکارهای فعال در محیط‌های پیشرفته و پویا عملکرد بهتری نسبت به فیلترهای غیرفعال دارند

فیلترهای LC غیرفعال عملکرد خوبی دارند، اما محدودیت‌هایی دارند زیرا تنها فرکانس‌های هارمونیک خاصی را هدف قرار می‌دهند. در مقابل، جبران‌کننده‌های فعال تفاوت دارند، زیرا می‌توانند واقعاً با شرایط متغیر سازگار شوند. به تجهیزاتی فکر کنید که به سرعت چرخه‌بندی می‌شوند، مانند ابزارهای حکاکی که در کمتر از دو ثانیه از 0 به 100 درصد بار می‌رسند. یا درایوهای DC را در نظر بگیرید که هارمونیک‌های ترکیبی با سطح حدوداً 35 درصد THDi ایجاد می‌کنند و ژنراتورهای RF نیز مشکلات خود را با حدود 28 درصد THDv اضافه می‌کنند. حتی سیستم‌های رباتیک هم هنگام کار در حالت بازیابی انرژی با مشکلاتی مواجه می‌شوند که گاهی تا 18 درصد از توان به صورت معکوس جریان می‌یابد. آزمایش‌های واقعی نشان داده‌اند که راه‌حل‌های جبران‌کننده فعال معمولاً هارمونیک‌ها را با بازدهی حدود 95 درصد کاهش می‌دهند، در مقایسه با تنها 60 تا 70 درصد اثربخشی رویکردهای سنتی غیرفعال، مطابق با به‌روزرسانی‌های اخیر استاندارد IEEE 519 که در سال 2022 منتشر شد.

مطالعه موردی: کاهش THD از 18٪ به کمتر از 5٪ با استفاده از جبران‌کننده فعال هارمونیک

یک کارخانه تولید ویفر 300 میلی‌متری با اجرای راهکارهای فعال کاهش خطر در 34 دستگاه فرآیندی حیاتی، هزینه‌های ضایعات را به میزان 2.3 میلیون دلار در سال حذف کرد:

پارامتر	قبل از کاهش هارمونیک	پس از کاهش هارمونیک	بهبود
THD ولتاژ	18.7%	4.2%	77.5%
تلفات بازده	1.8%	0.3%	83.3%
مصرف انرژی	9.8 کیلووات‌ساعت بر سانتی‌متر مربع	8.1 کیلووات‌ساعت بر سانتی‌متر مربع	17.3%

این راهکار در طول فاز اجرای 18 ماهه، انطباق با استانداردهای تحمل سقوط ولتاژ SEMI F47-0706 را حفظ کرد.

راهبردهای پیشرفته کنترل برای تثبیت لحظه‌ای توان

سیستم‌های کنترل لحظه‌ای برای اصلاح پویای کیفیت توان

کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی به سیستم‌های کنترلی نیاز دارند که بتوانند در عرض تنها ۱ تا ۲ میلی‌ثانیه به مشکلات برق واکنش نشان دهند، در غیر این صورت ممکن است بازده ارزشمندی از دست برود. سیستم‌های جدید کنترل هیسترزیس تطبیقی بهبودهای قابل توجهی در این زمینه ایجاد کرده‌اند و افت ولتاژ را حدود ۴۰ درصد سریع‌تر از کنترلرهای قدیمی PI اصلاح می‌کنند. این سیستم‌ها با تغییر سرعت پاسخ خود بسته به شرایط لحظه‌ای شبکه الکتریکی عمل می‌کنند. در فرآیندهای لیتوگرافی امواج فرابنفش فوق العاده، حفظ ولتاژ در محدوده مثبت و منفی ۱ درصد اهمیت زیادی دارد، زیرا حتی نوسانات کوچک برق می‌تواند دسته‌های کاملی از ویفرهای سیلیکونی را خراب کند. داده‌های صنعتی نشان می‌دهد که تأسیساتی که از این سیستم‌های پیشرفته کنترل استفاده می‌کنند، حدود ۷۰ درصد کاهشی در مشکلات ولتاژ تجربه می‌کنند، هنگامی که با شبکه‌هایی سروکار دارند که تمایل به اختلالات منظم دارند.

جبران شنتی و سری برای تعادل بار و پایداری ولتاژ

مشکل عدم تعادل سه فاز در کارخانه‌های تولید ویفر ۳۰۰ میلی‌متری بسیار جدی می‌شود و گاهی هنگام انجام مراحل پردازش حرارتی سریع، از ۱۵٪ نیز فراتر می‌رود. مهندسان چه می‌کنند؟ خُب، جبران‌کننده‌های شنت پیشرفته با تزریق جریان راکتیو قبل از وقوع مشکلات، وضعیت را در حدود ۲٪ متعادل نگه می‌دارند. در همین حال، دستگاه‌های سری برای رفع افت ولتاژهایی که زیر سطح ۰٫۹ به ازای واحد می‌افتد، فعال می‌شوند و سریع‌تر از نیم سیکل واکنش نشان می‌دهند. ترکیب این دو روش از واکنش‌های زنجیره‌ای مخرب جلوگیری می‌کند که در آن تجهیزات به طور مداوم خود را ریست می‌کنند. و بیایید صادق باشیم، این ریست‌ها عامل بین ۱۲ تا شاید حتی ۱۸ درصد از تمام توقف‌های غیرمنتظره در واحدهای تولید نیمه‌هادی هستند.

ادغام با فیلترهای فعال ترکیبی توان (HAPF) برای پاسخ سریع‌تر

وقتی ما مبدل‌های ۱۲ پالس را با فیلترهای فعال مبتنی بر IGBT ترکیب می‌کنیم، سیستم‌های ترکیبی حاصل می‌شوند که در واقع هارمونیک‌ها را تا مرتبه ۵۰ام در محدوده فرکانسی ۲ تا ۵ کیلوهرتز حذف می‌کنند. آزمایش‌های میدانی نشان داده‌اند که در مورد پیکربندی‌های HAPF در مقایسه با فیلترهای غیرفعال معمولی چیز جالبی وجود دارد. این سیستم‌های ترکیبی در برابر تغییرات ناگهانی بار حدود ۵۰ درصد سریع‌تر پاسخ می‌دهند. به این فکر کنید که چه اتفاقی برای تجهیزات نفوذ یونی رخ می‌دهد که دائماً بین حالت خاموشی با توان ۵ کیلووات و افزایش ناگهانی تا توان کامل ۱۵۰ کیلووات سوئیچ می‌کنند. پاسخ سریع‌تر تفاوت بزرگی در حفظ عملکرد پایدار در طول این نوسانات شدید توان ایجاد می‌کند.

روند نوظهور: کنترل پیش‌بینی‌محور مبتنی بر هوش مصنوعی در فیلترهای فعال توان

مدلهای یادگیری ماشین که با استفاده از تراوات‌ها ساعت داده‌های تاریخی کیفیت برق آموزش دیده‌اند، اکنون قادرند الگوهای اعوجاج هارمونیک را ۸ تا ۱۲ ثانیه قبل از تشخیص توسط سیستم‌های اندازه‌گیری پیش‌بینی کنند. یک پروژه آزمایشی در سال ۲۰۲۴ که از فیلترهای فعال کنترل‌شده توسط شبکه عصبی استفاده می‌کرد، بهبود ۲۳٫۶ درصدی در شاخص‌های پایداری ورودی-به-حالت (ISS) را در حین اختلالات شبیه‌سازی‌شده شبکه نشان داد که عملکردی به‌مراتب بهتر از سیستم‌های متداول مبتنی بر آستانه داشت.

تضمین انطباق و نظارت مستمر در فابریکیتورهای مدرن

برآوردن استانداردهای جهانی: انطباق با IEEE 519، EN 50160 و IEC 61000

امروزه کارخانه‌های تولید نیمه‌هادی باید از چندین استاندارد مهم پیروی کنند، از جمله IEEE 519 برای اعوجاج هارمونیکی، EN 50160 در مورد مشخصات ولتاژ و IEC 61000 که سازگاری الکترومغناطیسی را پوشش می‌دهد. این مقررات به جلوگیری از مشکلات تجهیزات و حفاظت در برابر خسارات تولید کمک می‌کنند. کارخانه‌هایی که واقعاً با این استانداردها سازگار هستند، معمولاً حدود ۴۰ تا ۴۵ درصد کاهش در خاموشی‌های غیرمنتظره نسبت به کارخانه‌هایی که به انطباق توجهی نمی‌کنند، تجربه می‌کنند. برخی فناوری‌های پیشرفته امکان آن را فراهم کرده‌اند که تأسیسات بتوانند اعوجاج هارمونیک کلی را زیر ۵ درصد نگه دارند، که از حد مجاز ۸ درصد تعیین‌شده توسط IEEE 519 برای بیشتر کاربردهای صنعتی بهتر است. تولیدکنندگان پیشرو حتی فراتر می‌روند و رویکرد گواهی‌نامه‌های دو سطحی را اجرا می‌کنند. آنها هم انطباق کلی کارخانه را بررسی می‌کنند و هم آزمون‌های دقیقی را روی تجهیزات خاصی مانند دستگاه‌های لیتوگرافی امواج فرابنفش شدید که برای تولید تراشه‌های مدرن حیاتی هستند، انجام می‌دهند.

بازرسی‌های کیفیت برق، تحلیل هارمونیک و پروتکل‌های ارزیابی PQ

مطالعات جامع کیفیت برق از یک رویکرد سه‌مرحله‌ای پیروی می‌کنند:

فاز مطالعه	شاخص‌های کلیدی	ابزارهای اندازه‌گیری
خط پایه	THD، تغییرات ولتاژ	دستگاه‌های تحلیل کیفیت برق
تنش بار	پاسخ تراز	ربج‌نگارهای پرسرعت
انطباق	هماهنگی با IEEE 519/EN 50160	نرم‌افزار تأیید انطباق

تحلیل هارمونیک اکنون از یادگیری ماشین به‌منظور پیش‌بینی خطرات تشدید در چیدمان‌های پیچیده فابریکیشن استفاده می‌کند. سیستم‌های پیشرفته مدیریت انطباق، پیگیری گواهی‌ها را از طریق پلتفرم‌های نظارتی مبتنی بر هوش مصنوعی خودکار می‌کنند و در پیاده‌سازی‌های اخیر خطاهای تأیید دستی را تا ۶۷٪ کاهش داده‌اند.

پایش لحظه‌ای و ثبت داده برای نگهداری پیشگیرانه

امروزه مراکز تولید از تجهیزات نظارتی متصل به اینترنت استفاده می‌کنند که در هر دقیقه حدود ۱۰٬۰۰۰ خواندن داده مختلف را در سراسر سیستم‌های الکتریکی جمع‌آوری می‌کنند. بر اساس گزارش معیار صنعتی اخیر سال ۲۰۲۴، کارخانه‌هایی که این راه‌حل‌های نظارت لحظه‌ای را پیاده‌سازی کرده‌اند، کاهش قابل توجهی در عیوب ویفرهای ناشی از مشکلات برق داشته‌اند. این کاهش حدود ۲۹ درصد بوده است که به عوامل متعددی از جمله شناسایی سریع افزایش ولتاژ در طی مراحل حیاتی خراشیدن، ثبت خودکار الگوهای اعوجاج هارمونیک که به بهینه‌سازی سیستم‌های فیلتراسیون کمک می‌کند، و سیگنال‌های هشدار زودهنگام هنگامی که خازن‌ها یا ترانسفورماتورها نیاز به توجه دارند، برمی‌گردد. این بررسی‌های مداوم انطباق به صورت هماهنگ با فیلترهای هارمونیک فعال عمل می‌کنند تا نابرابری جریان را سریع‌تر از هر زمان دیگری اصلاح کنند. در نتیجه، تولیدکنندگان نیمه‌هادی می‌توانند کیفیت برق خود را به طور مداوم در سطحی نزدیک به کمال حفظ کنند و حتی در محیط‌های تولید پیشرفته که ابزارها به سرعت بین فرآیندها سوئیچ می‌کنند، تنها در حد ۲ درصد از استانداردهای بهینه انحراف داشته باشند.

بخش سوالات متداول

کیفیت برق در تولید نیمههادیها چیست؟

کیفیت برق در تولید نیمههادیها به معنای پایداری و قابلیت اطمینان سیستم برقی است که اطمینان حاصل میشود تجهیزات بدون وقفه ناشی از اختلالات الکتریکی، به‌صورت کارآمد عمل میکنند.

چرا اعوجاج هارمونیک در کارخانجات نیمههادی مورد توجه است؟

اعوجاج هارمونیک میتواند باعث افزایش چگالی نقص در تولید تراشه شود و خرابی تجهیزات را به دنبال داشته باشد که منجر به کاهش شدید بازده و توقف عملیاتی میگردد.

کاهش دهنده های هارمونیک فعال چیست؟

کاهندههای فعال هارمونیک سیستمهایی هستند که از الگوریتمهای تطبیقی برای نظارت و اصلاح اعوجاجهای هارمونیکی در زمان واقعی استفاده میکنند و برق تمیز لازم برای تجهیزات حساس تولید را تضمین میکنند.

راهبردهای کنترل پیشرفته چگونه در تثبیت کیفیت برق کمک میکنند؟

راهبردهای کنترل پیشرفته پاسخ سریعی به نوسانات برق ارائه میدهند و از تکنیکهایی مانند جبرانسازی موازی و سری برای حفظ پایداری ولتاژ و جلوگیری از ریست شدن تجهیزات استفاده میکنند.

کارخانجات نیمههادی باید با چه استانداردهایی سازگار باشند؟

کارخانه‌های ساخت نیمه‌هادی باید از استانداردهایی مانند IEEE 519 برای تشوه هارمونیکی، EN 50160 برای مشخصات ولتاژ و IEC 61000 برای سازگاری الکترومغناطیسی پیروی کنند تا از خرابی تجهیزات و اتلاف تولید جلوگیری شود.