การปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าในอุตสาหกรรมการผลิตขั้นสูง?

การทำความเข้าใจกับปัญหาคุณภาพไฟฟ้าในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

โรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ (fab) ในปัจจุบันเผชิญกับปัญหาคุณภาพไฟฟ้าที่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพการผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ ปัญหานี้เกิดจากความไวต่อสภาวะรบกวนทางไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยของเครื่องมือลิโธกราฟี ระบบกัดกร่อน และอุปกรณ์วัดค่าต่างๆ

แรงดันตก แรงดันเกิน และสัญญาณผันผวนในสภาพแวดล้อมการผลิตที่ต้องการความแม่นยำสูง

ความผิดปกติของแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น 12–18 ครั้งต่อเดือนในโรงงานผลิตชิปทั่วไป โดยความรบกวนที่มีระยะเวลาสั้นกว่าหนึ่งรอบ (<16.7 มิลลิวินาที) สามารถทำให้ต้องทิ้งเวเฟอร์ทั้งชุดได้ การศึกษาในปี 2024 พบว่า 74% ของการหยุดทำงานของเครื่องจักรโดยไม่ได้วางแผนไว้ เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์คุณภาพไฟฟ้า และความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าจากกระบวนการสลับระบบกริดก่อให้เกิดเหตุการณ์สูญเสียผลผลิต 23%

ผลกระทบของคุณภาพไฟฟ้าต่ำต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความแม่นยำสูงและการสูญเสียผลผลิต

ความเพี้ยนฮาร์มอนิกที่เกิน 8% THD (Total Harmonic Distortion) เพิ่มความหนาแน่นของข้อบกพร่อง 4–7 เท่า ในกระบวนการผลิตชิปขนาดต่ำกว่า 5 นาโนเมตร ผู้ผลิตในสหรัฐฯ สูญเสียเงินจำนวน 145 พันล้านดอลลาร์ต่อปีจากความสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพไฟฟ้า โดยโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์คิดเป็น 18% ของยอดรวมนี้ (รายงานอุตสาหกรรม 2023)

ความผิดปกติทั่วไปของคุณภาพไฟฟ้า: ฮาร์มอนิก, แฟลกเกอร์ และความไม่มั่นคงของกริด

การวิจัยแสดงให้เห็นว่า ปัญหาคุณภาพไฟฟ้าในโรงงานผลิตชิป (fab) ร้อยละ 65–75 เกี่ยวข้องกับกระแสฮาร์โมนิกจากไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFDs) และแหล่งจ่ายไฟแบบ DC ซึ่งสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้านี้จะแพร่กระจายผ่านโครงสร้างพื้นฐานของสถานที่ ทำให้แบริ่งเสียหายเพิ่มขึ้นร้อยละ 34 อายุการใช้งานของระบบ UPS ลดลงร้อยละ 27 และทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นร้อยละ 12

ความท้าทายที่เพิ่มขึ้น: ความแม่นยำของกระบวนการที่สูงขึ้น เทียบกับคุณภาพกริดที่แย่ลง

เมื่อกระบวนการผลิตเวเฟอร์เข้าสู่ระดับความแม่นยำในระดับอะตอม (โหนด 1 นาโนเมตร) ค่าทนต่อแรงดันที่ยอมรับได้ได้แคบลงเหลือ ±0.5% เมื่อเทียบกับ ±5% เมื่อสิบปีก่อน ในขณะเดียวกัน เหตุการณ์ความไม่มั่นคงของกริดเพิ่มขึ้นร้อยละ 57 ตั้งแต่ปี 2020 (รายงานแนวโน้มคุณภาพไฟฟ้า 2024) ทำให้เกิดความต้องการที่ขัดแย้งกันระหว่างความต้องการในการผลิตกับศักยภาพของโครงสร้างพื้นฐานสาธารณูปโภค

ตัวลดฮาร์โมนิกแบบแอคทีฟ: เทคโนโลยีหลักสำหรับไฟฟ้าสะอาดในโรงงานผลิตชิป

การผลิตเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ต้องการคุณภาพไฟฟ้าที่สูงกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรมทั่วไป โดย active Harmonic Mitigators กลายเป็นเกราะป้องกันสำคัญต่อการบิดเบือนฮาร์โมนิก

ตัวกรองฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟกำจัดการบิดเบือนของฮาร์มอนิกแบบเรียลไทม์ได้อย่างไร

ระบบนี้ใช้อัลกอริธึมแบบปรับตัวเพื่อตรวจสอบเครือข่ายไฟฟ้าที่ 256 ตัวอย่างต่อรอบ โดยสามารถตรวจจับความถี่ของฮาร์มอนิกได้สูงสุดถึงลำดับที่ 50 เมื่อตรวจพบการรบกวนจะฉีดกระแสไฟฟ้าในเฟสตรงข้ามภายในเวลา 1.5 มิลลิวินาที ทำให้ระดับการบิดเบือนฮาร์มอนิกโดยรวม (THD) ต่ำกว่า 5% ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการปกป้องระบบลิเทอรีกราฟี EUV และเครื่องมือการสะสมชั้นบางแบบอะตอม

เหตุใดโซลูชันแบบแอคทีฟจึงให้ประสิทธิภาพเหนือกว่าตัวกรองแบบพาสซีฟในสภาพแวดล้อมเทคโนโลยีสูงที่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

ตัวกรองพาสซีฟ LC ทำงานได้ดี แต่มีข้อจำกัดเนื่องจากสามารถกำจัดได้เฉพาะความถี่ฮาร์มอนิกที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น ในขณะที่ตัวลดฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟนั้นมีความแตกต่าง เนื่องจากสามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพการทำงานที่เปลี่ยนแปลงได้จริง ลองพิจารณาอุปกรณ์ที่ทำงานเป็นรอบๆ อย่างเครื่องมือกัดกิน (etch tools) ที่โหลดเพิ่มขึ้นจาก 0 ถึง 100% ภายในเวลาไม่ถึงสองวินาที หรือพิจารณาไดรฟ์กระแสตรง (DC drives) ที่สร้างฮาร์มอนิกผสมในระดับ THDi ประมาณ 35% และเครื่องกำเนิดคลื่นวิทยุ (RF generators) ที่ก่อปัญหาเพิ่มเติมด้วยระดับ THDv ประมาณ 28% แม้แต่ระบบหุ่นยนต์ก็ยังมีปัญหาเมื่อทำงานในโหมดการฟื้นฟูพลังงาน (energy regeneration mode) ซึ่งบางครั้งพลังงานอาจไหลย้อนกลับได้สูงถึง 18% การทดสอบในสภาพจริงแสดงให้เห็นว่า โซลูชันการลดฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟโดยทั่วไปสามารถลดฮาร์มอนิกได้อย่างมีประสิทธิภาพประมาณ 95% เมื่อเทียบกับวิธีการพาสซีฟแบบดั้งเดิมที่มีประสิทธิภาพเพียง 60 ถึง 70% ตามรายงานปรับปรุงล่าสุดของมาตรฐาน IEEE 519 ที่เผยแพร่ในปี 2022

กรณีศึกษา: การลดระดับ THD จาก 18% ลงเหลือน้อยกว่า 5% โดยใช้ตัวลดฮาร์มอนิกแบบแอคทีฟ

โรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาด 300 มม. สามารถลดต้นทุนของเสียได้ 2.3 ล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี โดยการนำวิธีการบรรเทาเชิงรุกมาใช้ในเครื่องจักรกระบวนการสำคัญจำนวน 34 เครื่อง:

พารามิเตอร์	ก่อนการกำจัดฮาร์มอนิก	หลังการกำจัดฮาร์มอนิก	การปรับปรุง
THD ของแรงดันไฟฟ้า	18.7%	4.2%	77.5%
การสูญเสียผลผลิต	1.8%	0.3%	83.3%
การใช้พลังงาน	9.8 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อตารางเซนติเมตร	8.1 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อตารางเซนติเมตร	17.3%

โซลูชันดังกล่าวรักษามาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนด SEMI F47-0706 สำหรับความทนทานต่อแรงดันตกต่ำตลอดระยะเวลากำหนดติดตั้ง 18 เดือน

กลยุทธ์ควบคุมขั้นสูงสำหรับการปรับเสถียรภาพพลังงานแบบเรียลไทม์

ระบบควบคุมแบบเรียลไทม์สำหรับการแก้ไขคุณภาพไฟฟ้าแบบไดนามิก

โรงงานผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ต้องการระบบควบคุมที่สามารถตอบสนองต่อปัญหาไฟฟ้าภายใน 1 ถึง 2 มิลลิวินาที หากต้องการหลีกเลี่ยงการสูญเสียผลผลิตที่มีค่า ระบบควบคุมแบบฮิสเตอรีซิสเชิงปรับตัวรุ่นใหม่กำลังสร้างความก้าวหน้าอย่างมากในด้านนี้ โดยแก้ไขปัญหาแรงดันตกได้เร็วกว่าตัวควบคุม PI แบบเดิมประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ระบบเหล่านี้ทำงานโดยการปรับเปลี่ยนความเร็วในการตอบสนองตามสภาพของระบบไฟฟ้าในแต่ละช่วงเวลา สำหรับกระบวนการลิเทอรีกราฟีด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตขั้นสูง การรักษาระดับแรงดันให้อยู่ในช่วงบวกหรือลบ 1 เปอร์เซ็นต์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะแม้เพียงการผันผวนของไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนทั้งชุดเสียหายได้ ข้อมูลจากอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า สถานประกอบการที่นำระบบควบคุมขั้นสูงเหล่านี้ไปใช้ จะพบว่าปัญหาแรงดันลดลงประมาณ 70 กว่าเปอร์เซ็นต์ เมื่อต้องจัดการกับระบบกริดที่มีแนวโน้มเกิดการรบกวนอย่างสม่ำเสมอ

การชดเชยแบบชันต์และแบบอนุกรมเพื่อการสมดุลโหลดและความมั่นคงของแรงดัน

ปัญหาการไม่สมดุลของกระแสไฟฟ้าสามเฟสจะรุนแรงมากในโรงงานผลิตเวเฟอร์ขนาด 300 มม. บางครั้งอาจเกิน 15% เมื่อทำงานประมวลผลความร้อนแบบเร็ว วิศวกรจัดการปัญหานี้อย่างไร? อุปกรณ์ชดเชยแบบชันต์ขั้นสูงจะช่วยรักษาความสมดุลไว้ที่ประมาณ 2% โดยการฉีดกระแสเหนี่ยวนำเข้าไปก่อนที่จะเกิดปัญหา ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์แบบอนุกรมจะเข้ามาแก้ไขปัญหาแรงดันตกที่ลดลงต่ำกว่าระดับ 0.9 ต่อหน่วย โดยตอบสนองได้เร็วกว่าครึ่งรอบ การรวมวิธีทั้งสองนี้เข้าด้วยกันจะช่วยหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ทำให้อุปกรณ์รีเซ็ตตัวเองอยู่ตลอดเวลา และพูดตามตรง การรีเซ็ตเหล่านี้เป็นสาเหตุให้เกิดการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดได้ตั้งแต่ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ในโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

การรวมเข้ากับตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟไฮบริด (HAPF) เพื่อการตอบสนองที่รวดเร็วขึ้น

เมื่อเราจับคู่เครื่องแปลงไฟแบบ 12 พัลส์กับตัวกรองแอคทีฟที่ใช้ IGBT เหล่านี้ เราก็จะได้ระบบไฮบริดที่สามารถกำจัดคลื่นฮาร์มอนิกได้จริงๆ จนถึงลำดับที่ 50 ในช่วงความถี่ 2 ถึง 5 กิโลเฮิรตซ์ ผลการทดสอบในสนามจริงบางอย่างเปิดเผยว่า การติดตั้ง HAPF นั้นมีความน่าสนใจเมื่อเทียบกับตัวกรองแบบพาสซีฟทั่วไป โดยระบบที่เป็นไฮบริดเหล่านี้มีความเร็วในการตอบสนองเร็วกว่าประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ในช่วงที่เกิดการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน ลองนึกภาพอุปกรณ์ฉีดไอออนที่สลับไปมาระหว่างโหมดรอที่ 5 กิโลวัตต์ และโหมดเต็มกำลังที่ 150 กิโลวัตต์อย่างกะทันหัน ความเร็วในการตอบสนองที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้แตกต่างอย่างมากในการรักษาเสถียรภาพของการทำงานตลอดช่วงการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าที่รุนแรง

แนวโน้มใหม่: การควบคุมเชิงคาดการณ์ด้วยปัญญาประดิษฐ์ในตัวกรองกำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟ

โมเดลการเรียนรู้ของเครื่องที่ได้รับการฝึกด้วยข้อมูลคุณภาพไฟฟ้าในอดีตที่มีปริมาณหลายเทระวัตต์-ชั่วโมง สามารถทำนายรูปแบบการบิดเบือนฮาร์มอนิกได้ก่อนที่ระบบวัดจะตรวจจับได้ 8–12 วินาที โครงการนำร่องในปี 2024 ที่ใช้ตัวกรองเชิงรุกซึ่งควบคุมด้วยเครือข่ายประสาทเทียม แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพด้าน Input-to-State Stability (ISS) ถึง 23.6% ในระหว่างการจำลองเหตุการณ์รบกวนของระบบกริด เมื่อเปรียบเทียบกับระบบแบบเก่าที่ใช้เกณฑ์ขั้นต่ำ

การรับรองความสอดคล้องและการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องในโรงงานผลิตสมัยใหม่

การปฏิบัติตามมาตรฐานสากล: การสอดคล้องตาม IEEE 519, EN 50160 และ IEC 61000

โรงงานผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันจำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐานสำคัญหลายประการ ได้แก่ IEEE 519 สำหรับการบิดเบือนฮาร์โมนิก, EN 50160 เกี่ยวกับลักษณะแรงดันไฟฟ้า และ IEC 61000 ที่ครอบคลุมความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า มาตรฐานเหล่านี้ช่วยป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับอุปกรณ์และลดความสูญเสียในการผลิต โรงงานที่ปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้อย่างเคร่งครัด มักพบว่ามีการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดลดลงประมาณ 40-45% เมื่อเทียบกับโรงงานที่ไม่ให้ความสำคัญกับการปฏิบัติตามข้อกำหนด ขณะนี้เทคโนโลยีขั้นสูงบางประเภทสามารถควบคุมระดับการบิดเบือนฮาร์โมนิกรวม (Total Harmonic Distortion) ให้อยู่ต่ำกว่า 5% ซึ่งดีกว่าขีดจำกัด 8% ตามที่กำหนดไว้ใน IEEE 519 สำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ ผู้ผลิตชั้นนำบางรายยังดำเนินการไกลไปกว่านั้น โดยใช้แนวทางการรับรองแบบสองระดับ ทั้งตรวจสอบความสอดคล้องของโรงงานโดยรวม พร้อมทั้งทำการทดสอบอย่างละเอียดกับอุปกรณ์เฉพาะเจาะจง เช่น เครื่องลิเทอรีกรีเอ็มทแอลตราไวโอเลต (extreme ultraviolet lithography machines) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตชิปในยุคปัจจุบัน

การตรวจสอบคุณภาพไฟฟ้า การวิเคราะห์ฮาร์โมนิก และโปรโตคอลการประเมินคุณภาพไฟฟ้า

การตรวจสอบคุณภาพพลังงานอย่างครอบคลุมจะดำเนินตามแนวทางสามระยะ:

ขั้นตอนการตรวจสอบ	ตัวชี้วัดสำคัญ	เครื่องมือวัด
เส้นฐาน	THD, การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า	เครื่องวิเคราะห์คุณภาพไฟฟ้า
ความเครียดของโหลด	การตอบสนองแบบทรานเซียนต์	เครื่องบันทึกข้อมูลความเร็วสูง
การปฏิบัติตามมาตรฐาน	การสอดคล้องกับมาตรฐาน IEEE 519/EN 50160	ซอฟต์แวร์ตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนด

การวิเคราะห์ฮาร์โมนิกในปัจจุบันใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อทำนายความเสี่ยงของการเกิดเรโซแนนซ์ในผังโรงงานที่ซับซ้อน ระบบบริหารการปฏิบัติตามข้อกำหนดขั้นสูงช่วยทำให้การติดตามใบรับรองเป็นไปโดยอัตโนมัติผ่านแพลตฟอร์มกฎระเบียบที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญาประดิษฐ์ ซึ่งลดข้อผิดพลาดจากการตรวจสอบด้วยตนเองลง 67% ในการใช้งานล่าสุด

การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการบันทึกข้อมูลเพื่อการบำรุงรักษาเชิงรุก

โรงงานผลิตในปัจจุบันใช้อุปกรณ์ตรวจสอบที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต ซึ่งรวบรวมข้อมูลการวัดค่าต่าง ๆ กว่า 10,000 รายการทุกหนึ่งนาทีตลอดทั้งระบบไฟฟ้า ตามรายงานอ้างอิงอุตสาหกรรมล่าสุดจากปี 2024 โรงงานที่นำโซลูชันการตรวจสอบแบบเรียลไทม์เหล่านี้ไปใช้ พบว่าจำนวนเวเฟอร์ที่มีข้อบกพร่องซึ่งเกิดจากปัญหาด้านพลังงานลดลงอย่างมาก โดยลดลงประมาณ 29% ซึ่งเป็นผลมาจากหลายปัจจัย เช่น การตรวจจับแรงดันไฟฟ้ากระชากได้อย่างรวดเร็วในขั้นตอนการกัดกร่อนที่สำคัญ การบันทึกโดยอัตโนมัติของรูปแบบการบิดเบือนฮาร์โมนิก ซึ่งช่วยในการปรับแต่งระบบกรองให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น และสัญญาณเตือนล่วงหน้าเมื่อตัวเก็บประจุหรือหม้อแปลงไฟฟ้าต้องการการดูแล กระบวนการตรวจสอบความสอดคล้องอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ทำงานร่วมกับตัวกรองฮาร์โมนิกแบบแอคทีฟ เพื่อแก้ไขภาวะกระแสไฟฟ้าไม่สมดุลได้เร็วกว่าที่เคย มีผลทำให้ผู้ผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์สามารถรักษาระดับคุณภาพไฟฟ้าให้คงที่และใกล้เคียงกับระดับสมบูรณ์แบบอยู่เสมอ โดยเบี่ยงเบนจากมาตรฐานที่เหมาะสมเพียงแค่ 2% เท่านั้น แม้ในขณะที่เครื่องมือกำลังสลับกระบวนการทำงานอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมการผลิตขั้นสูง

ส่วน FAQ

คุณภาพไฟฟ้าในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร

คุณภาพไฟฟ้าในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ หมายถึง ความมั่นคงและความเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้า ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ต่างๆ จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่มีการหยุดชะงักจากสิ่งรบกวนทางไฟฟ้า

ทำไมการบิดเบือนฮาร์โมนิกจึงเป็นข้อกังวลในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การบิดเบือนฮาร์โมนิกสามารถเพิ่มความหนาแน่นของข้อบกพร่องในการผลิตชิป และก่อให้เกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์ ส่งผลให้ผลผลิตลดลงอย่างมากและเกิดการหยุดดำเนินงาน

เครื่องลดความรุนแรงของฮาร์มอนิกส์เป็นอะไร

ตัวชดเชยฮาร์โมนิกแบบแอคทีฟคือระบบที่ใช้อัลกอริธึมปรับตัวในการตรวจสอบและแก้ไขการบิดเบือนฮาร์โมนิกแบบเรียลไทม์ เพื่อให้มั่นใจว่าไฟฟ้าที่จ่ายมีความสะอาด ซึ่งจำเป็นต่ออุปกรณ์การผลิตที่ไวต่อสิ่งรบกวน

กลยุทธ์ควบคุมขั้นสูงช่วยอย่างไรในการทำให้คุณภาพไฟฟ้ามีเสถียรภาพ

กลยุทธ์ควบคุมขั้นสูงสามารถตอบสนองต่อการผันผวนของไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การชดเชยแบบชันต์และแบบซีรีส์ เพื่อรักษาน้ำหนักดันให้มีเสถียรภาพและป้องกันไม่ให้อุปกรณ์รีเซ็ตเอง

โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องปฏิบัติตามมาตรฐานใดบ้าง

โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐาน เช่น IEEE 519 สำหรับการบิดเบือนฮาร์โมนิก, EN 50160 สำหรับลักษณะแรงดันไฟฟ้า และ IEC 61000 สำหรับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อป้องกันความล้มเหลวของอุปกรณ์และการสูญเสียในการผลิต