A villamos energia minőségének javítása a magas technológiai iparban?

A teljesítményminőséggel kapcsolatos kihívások megértése a félvezetőgyártásban

A modern félvezetőgyártó üzemek (fabok) komoly teljesítményminőségi kihívásokkal néznek szembe, amelyek közvetlen hatással vannak a termelési hatékonyságra és a termék megbízhatóságára. Ezek a kihívások a litográfiai eszközök, marórendszerek és mérőberendezések extrém érzékenységéből erednek még a legkisebb elektromos zavarokra is.

Feszültséscsökkenések, -növekedések és tranziensek érzékeny gyártási környezetekben

A feszültség-ingadozások tipikus gyártósorokon havi 12–18 alkalommal fordulnak elő, és a részciklusos zavarok (<16,7 ms) teljes lemeztételek elvetését okozhatják. Egy 2024-es tanulmány szerint a tervezetlen eszközleállások 74%-a a villamosenergia-minőségi eseményekhez köthető, a hálózati kapcsolási műveletekből származó feszültségátmenetek pedig a kiesési esetek 23%-át okozzák.

A rossz minőségű villamos energia hatása a precíziós elektronikára és a termelési veszteségekre

A 8% feletti harmonikus torzítás (THD – Teljes Harmonikus Torzítás) a hibasűrűséget 4–7-szeresére növeli az 5 nm alatti chipek gyártása során. Az amerikai gyártók évente 145 milliárd dollárt veszítenek villamosenergia-minőséggel kapcsolatos károk miatt, amelyből a félvezetőgyártó üzemek a teljes összeg 18%-áért felelnek (Iparszövetségi Jelentés, 2023).

Gyakori villamosenergia-minőségi zavarok: harmonikusok, villogás és hálózati instabilitás

A kutatások szerint a gyártóüzemek teljesítményminőségi problémáinak 65–75%-ában harmonikus áramok szerepelnek, amelyek változtatható frekvenciájú hajtásokból (VFD-k) és DC tápegységekből származnak. Ez az elektromos zaj terjed az épület infrastruktúráján keresztül, növelve a csapágyhibák előfordulását 34%-kal, csökkentve az UPS-ek élettartamát 27%-kal, és növelve az energiafogyasztást 12%-kal.

A növekvő kihívás: Magasabb folyamatpontosság vs. romló hálózati minőség

Ahogy a lemezes eljárások elérkeztek az atomi skálájú pontossághoz (1 nm-es csomópont), az engedélyezett feszültségtűrés a tíz évvel ezelőtti ±5%-ról jelenleg ±0,5%-ra szűkült. Ugyanakkor a hálózati instabilitási események 57%-kal növekedtek 2020 óta (Power Quality Trends Report 2024), ellentmondó követelményeket teremtve a gyártási igények és a közmű infrastruktúra képességei között.

Aktív harmonikus korlátozó: A tiszta áramellátás alapvető technológiája a gyártóüzemekben

A modern félvezetőgyártás olyan teljesítményminőséget igényel, amely meghaladja a tipikus ipari szabványokat, ahol aktív harmonikus kompenzátorok az aktív harmonikus korlátozó jelentős védelmet nyújt a harmonikus torzítással szemben.

Hogyan szünteti meg az aktív harmonikus korrekció valós időben a harmonikus torzítást

Ezek a rendszerek adaptív algoritmusokat alkalmaznak az elektromos hálózatok figyelésére 256 mintavétellel/ciklus, amelyek felismerik a harmonikus frekvenciákat az 50. rendig. A zavar észlelését követő 1,5 milliszekundumon belül ellentétes fázisú áramot juttatva biztosítják, hogy a teljes harmonikus torzítás (THD) 5% alatt maradjon – ami elengedhetetlen az EUV litográfiai rendszerek és az atomi rétegű ülepítő eszközök védelme szempontjából.

Miért teljesítenek jobban az aktív megoldások a passzív szűrőknél dinamikus, magas technológiájú környezetekben

A passzív LC-szűrők jól működnek, de korlátozottak, mivel csak meghatározott harmonikus frekvenciákra hatnak. Az aktív kompenzátorok viszont eltérőek, mivel képesek alkalmazkodni a változó körülményekhez. Gondoljon olyan berendezésekre, amelyek gyorsan váltakoznak, például maróeszközökre, amelyek kevesebb, mint két másodperc alatt 0-ról 100%-ra növelik a terhelést. Vagy vegye figyelembe a DC-hajtások által létrehozott vegyes harmonikusokat, amelyek körülbelül 35% THDi szintet érnek el, illetve az RF-generátorok saját problémáit, amelyek körülbelül 28% THDv-t produkálnak. Még a robotrendszerek is problémákat tapasztalnak energiavisszatáplálási üzemmódban, amikor időnként a teljesítmény akár 18%-a is visszafelé folyik. A gyakorlati tesztek azt mutatták, hogy az aktív kompenzáló megoldások általában körülbelül 95%-os hatékonysággal csökkentik a harmonikusokat, szemben a hagyományos passzív módszerek 60–70%-os hatékonyságával, ahogyan azt a 2022-ben kiadott IEEE 519 szabvány legújabb frissítése is megerősíti.

Esettanulmány: THD csökkentése 18%-ról 5% alá aktív harmonikus kompenzátorral

Egy 300 mm-es lemeztömb-gyár évi 2,3 millió USD hulladékeltávolítási költséget spórolt meg aktív kockázatcsökkentés bevezetésével 34 kritikus folyamatkészüléken:

Paraméter	A torzítás csökkentése előtt	A torzítás csökkentése után	Javítás
Feszültség THD	18.7%	4.2%	77.5%
Kieső hozam	1.8%	0.3%	83.3%
Energiafogyasztás	9,8 kWh/cm²	8,1 kWh/cm²	17.3%

A megoldás az egész 18 hónapos telepítési időszak alatt betartotta a SEMI F47-0706 feszültséghullám-immunitási szabványokat.

Haladó irányítási stratégiák valós idejű teljesítménystabilizáláshoz

Valós idejű irányítórendszerek dinamikus áramminőség-javításhoz

A félvezetőgyártó üzemeknek olyan irányítórendszerekre van szükségük, amelyek csupán 1–2 milliszekundum alatt reagálhatnak az áramellátási problémákra, ha el akarják kerülni az értékes kiesések elvesztését. Az újabb adaptív hiszterézis-irányító rendszerek jelentős javulást hoztak ezen a területen, a feszültségeséseket körülbelül 40 százalékkal gyorsabban korrigálják, mint a hagyományos PI-szabályozók. Ezek a rendszerek úgy működnek, hogy válaszidejüket az adott pillanatban az elektromos hálózaton bekövetkező eseményekhez igazítják. Az extrém ultraviola litográfiai eljárásoknál különösen fontos a feszültség ±1 százalékon belüli tartása, mivel már a legkisebb feszültségingadozás is tönkretehet egész szilíciumlapkák sorozatait. A szakmai adatok szerint azok az üzemek, amelyek ezeket a fejlett irányítási rendszereket bevezették, körülbelül 70 valahány százalékos csökkenést tapasztaltak a feszültségproblémákban olyan hálózatok esetén, amelyeknél rendszeresen előfordulnak zavarok.

Párhuzamos és soros kompenzáció terheléselosztásra és feszültségtartásra

A háromfázisú feszültség-ingadozás problémája elég súlyossá válik azokban a 300 mm átmérőjű lemezeket gyártó üzemekben, és néha még 15% felett is meghaladhatja a határt, amikor a gyors hőkezelési folyamatokat futtatják. Mit tesznek ezzel kapcsolatban a mérnökök? Nos, a fejlett shunt-kompenzátorok reaktív áram beinjektálásával körülbelül 2%-os szinten tartják az egyensúlyt, mielőtt problémák lépnének fel. Eközben a soros eszközök akkor lépnek működésbe, amikor a feszültségesés 0,9 egység alá csökken, és fél ciklusnál gyorsabban reagálnak. A két módszer együttes alkalmazása megakadályozza azokat a kellemetlen láncreakciókat, amelyek során az eszközök folyamatosan újraindulnak. És valljuk be, ezek az újraindulások okozzák a félvezetőgyártó üzemekben az összes váratlan leállás 12 és akár 18 százalékát is.

Hibrid aktív teljesítményszűrők (HAPF) integrálása gyorsabb válaszért

Amikor 12-pulzusú átalakítókat párosítunk az IGBT-alapú aktív szűrőkkel, hibrid rendszereket kapunk, amelyek valójában kiesik a harmonikusokat egészen az 50. rendig a 2 és 5 kHz-es frekvenciatartományban. Néhány terepi teszt érdekes dolgot fedett fel az HAPF-rendszerekkel kapcsolatban a hagyományos passzív szűrőkhöz képest. Ezek a hibrid rendszerek körülbelül 50 százalékkal gyorsabban reagálnak a hirtelen terhelésváltozások során. Gondoljunk arra, ami az ionimplantációs berendezéseknél történik, amelyek folyamatosan váltogatnak az 5 kW-os üresjárati állapot és a hirtelen teljes teljesítményre, 150 kW-ra emelkedés között. A gyorsabb válasz jelentős különbséget jelent az ilyen drasztikus teljesítményingadozások alatt is stabil működés fenntartásában.

Kialakulófogó tendencia: AI-vezérelt prediktív szabályozás az aktív teljesítményszűrőkben

A gépi tanulási modelleket terravattórányi történelmi hálózati minőségi adatokon képzik, amelyek így már 8–12 másodperccel a mérőrendszerek észlelése előtt képesek előrejelezni a harmonikus torzítási mintákat. Egy 2024-es próbaprojekt során idegkontrollált aktív szűrők 23,6%-os javulást eredményeztek a bemenet-állapot stabilitás (Input-to-State Stability, ISS) mutatóiban szimulált hálózati zavarok alatt, jelentősen felülmúlva a hagyományos küszöb-alapú rendszereket.

A megfelelőség biztosítása és a folyamatos monitorozás modern gyártóüzemekben

Globális szabványok teljesítése: IEEE 519, EN 50160 és IEC 61000 megfelelőség

A félvezetőgyártó üzemeknek ma több fontos szabványt is követniük kell, beleértve az IEEE 519-et a harmonikus torzításra vonatkozóan, az EN 50160-at a feszültségjellemzők tekintetében, valamint az IEC 61000-at az elektromágneses kompatibilitással kapcsolatban. Ezek a szabályozások segítenek elkerülni a berendezésekkel fellépő problémákat, és védelmet nyújtanak a termelés kiesése ellen. Azok az üzemek, amelyek ténylegesen betartják ezeket a szabványokat, átlagosan 40–45%-kal kevesebb váratlan leállást tapasztalnak, mint azok, amelyek nem foglalkoznak a megfelelőséggel. Egyes fejlett technológiák lehetővé teszik, hogy az üzemek a teljes harmonikus torzítást 5% alatt tartsák, ami jobb, mint az IEEE 519 által legtöbb ipari alkalmazás esetében meghatározott 8%-os határérték. A vezető gyártók ennél is tovább mennek, és kétszintű tanúsítási megközelítést alkalmaznak: ellenőrzik az egész üzemre vonatkozó megfelelőséget, ugyanakkor részletes vizsgálatokat is végeznek különösen fontos berendezéseken, például extrém ultraibolya litográfiás gépeken, amelyek nélkülözhetetlenek a modern chipek gyártásához.

Hálózatminőségi felülvizsgálatok, harmonikus analízis és PQ értékelési protokollok

A komplex teljesítményminőségi felülvizsgálatok háromfázisú megközelítést követnek:

Felülvizsgálati fázis	Kulcsfontosságú mérőszámok	Mérőeszközök
Alapvonal	THD, Feszültségváltozások	Villamosenergia-minőség analizátorok
Terhelési terhelés	Tranzienst válasz	Nagysebességű adatrögzítők
Megfelelőség	IEEE 519/EN 50160 Megfelelőség	Megfelelőségi ellenőrző szoftver

A harmonikus analízis mostantól gépi tanulást alkalmaz a rezonanciakockázatok előrejelzéséhez összetett gyártósori elrendezésekben. A fejlett megfelelőségi kezelő rendszerek mesterséges intelligencián alapuló szabályozási platformok segítségével automatizálják a tanúsítványok nyomon követését, ami a legutóbbi bevezetések során 67%-kal csökkentette az emberi ellenőrzésből eredő hibákat.

Valós idejű monitorozás és adatrögzítés proaktív karbantartáshoz

A mai gyártóüzemek internetre csatlakoztatott figyelőberendezéseket használnak, amelyek percenként mintegy 10 000 különböző adatmérést gyűjtenek az elektromos rendszereikben. Egy 2024-es iparági összehasonlító jelentés szerint azok a gyárak, amelyek bevezették ezen valós idejű monitorozási megoldásokat, jelentős visszaesést értek el a teljesítményproblémák által okozott lemezkockázatokban. A csökkenés körülbelül 29% volt, számos tényezőnek köszönhetően, többek között a feszültségugrások gyors azonosításának kritikus marási lépések során, a harmonikus torzítási minták automatikus rögzítésének, amely segít az optimális szűrőrendszerek kialakításában, valamint a figyelmeztető jeleknek abban az esetben, ha kondenzátorokra vagy transzformátorokra szükség van. Ezek a folyamatos megfelelőségi ellenőrzések együttműködnek az aktív harmonikus szűrőkkel, hogy gyorsabban korrigálják az áramhátrányokat, mint valaha. Ennek eredményeként a félvezetőgyártók állandóan majdnem tökéletes szinten tarthatják az áramminőséget, mindössze 2%-os eltéréssel az optimális szintektől akkor is, amikor a berendezések gyorsan váltanak folyamatok között a legmodernebb gyártási környezetekben.

GYIK szekció

Mi a villamosenergia-minőség a félvezetőgyártásban?

A villamosenerbia-minőség a félvezetőgyártásban a villamosenergia-rendszer stabilitására és megbízhatóságára utal, biztosítva, hogy a berendezések hatékonyan működjenek elektromos zavarokból eredő megszakítások nélkül.

Miért jelent problémát a harmonikus torzítás a félvezetőgyárakban?

A harmonikus torzítás növelheti a hibák sűrűségét a chipek gyártása során, és berendezés-hibákat okozhat, ami jelentős selejtveszteséghez és üzemkieséshez vezethet.

Mi az az aktív harmonikus mérséklő?

Az aktív harmonikus korlátozó rendszerek adaptív algoritmusokat használnak a harmonikus torzítások valós idejű figyelésére és kijavítására, így tiszta áramot biztosítva az érzékeny gyártóberendezések számára.

Hogyan segítenek a fejlett szabályozási stratégiák a villamosenergia-minőség stabilizálásában?

A fejlett szabályozási stratégiák gyorsan reagálnak a feszültségingadozásokra, olyan technikákat alkalmazva, mint a csatolt és soros kompenzáció, fenntartva a feszültségstabilitást és megelőzve a berendezések újraindulását.

Milyen szabványoknak kell megfelelniük a félvezetőgyáraknak?

A félvezetőgyártó üzemeknek be kell tartaniuk az IEEE 519 szabványt a harmonikus torzításra, az EN 50160 szabványt a feszültségjellemzőkre, valamint az IEC 61000 szabványt az elektromágneses kompatibilitásra vonatkozóan, hogy megelőzzék a berendezések meghibásodását és a termelési veszteségeket.