Yüksek Teknoloji Üretiminde Güç Kalitesini İyileştirmek mi?

Yarı İletken Üretiminde Güç Kalitesi Sorunlarını Anlamak

Modern yarı iletken üretim tesisleri (fabrikalar), üretim verimliliği ve ürün güvenilirliği üzerinde doğrudan etkisi olan ciddi güç kalitesi sorunlarıyla karşı karşıyadır. Bu sorunlar, litografi ekipmanları, aşındırma sistemleri ve ölçüm cihazlarının en küçük elektriksel bozulmalara bile son derece duyarlı olmasından kaynaklanmaktadır.

Hassas Üretim Ortamlarında Gerilim Çökmeleri, Dalgalanmaları ve Geçici Olaylar

Tipik fabrikalarda ayda 12-18 kez voltaj düzensizlikleri meydana gelir ve bu kısa süreli bozulmalar (<16,7 ms) tüm wafer partilerinin hurdaya çıkarılmasına neden olabilir. 2024 yılında yapılan bir çalışmaya göre, planlanmamış teçhizat durmalarının %74'ü güç kalitesi olaylarına bağlıdır ve şebeke anahtarlama işlemleri sonucu oluşan voltaj geçişleri verim kaybı olaylarının %23'ünü oluşturur.

Kötü Güç Kalitesinin Hassas Elektronikler ve Verim Kaybı Üzerindeki Etkisi

Toplam Harmonik Bozulma (THD) oranının %8'in üzerine çıkması, 5 nm altı çip üretiminde hata yoğunluğunu 4-7 kat artırır. ABD üreticileri, güç kalitesine bağlı kayıplar nedeniyle yılda 145 milyar dolar kaybeder ve bunun %18'ini yarı iletken fabrikaları oluşturur (Sektör Raporu 2023).

Yaygın Güç Kalitesi Bozulmaları: Harmonikler, Flicker ve Şebeke Kararsızlığı

Araştırma, üretim tesislerindeki güç kalitesi sorunlarının %65-75'inin değişken frekans sürücülerinden (VFD) ve DC güç kaynaklarından kaynaklanan harmonik akımlarla ilgili olduğunu gösteriyor. Bu elektriksel gürültü, tesis altyapısı boyunca yayılır ve rulman arızalarını %34 artırır, UPS ömrünü %27 azaltır ve enerji tüketimini %12 artırır.

Artan Zorluk: Daha Yüksek Proses Hassasiyeti vs. Kötüleşen Şebeke Kalitesi

İşlemciler atomik ölçekli hassasiyete ulaştıkça (1nm düğüm noktası), izin verilen voltaj toleransı bir önceki on yıla kıyasla ±%5'ten bugün ±%0.5'e kadar daralmıştır. Aynı zamanda, şebeke kararsızlığı olayları 2020'den bu yana %57 artmıştır (Güç Kalitesi Trendleri Raporu 2024), üretim ihtiyaçları ile şebeke altyapısı kapasiteleri arasında çelişkili gereksinimler ortaya çıkmıştır.

Aktif Harmonik Azaltıcı: Fabrikalarda Temiz Güç için Temel Teknoloji

Modern yarı iletken üretimi, tipik endüstriyel standartların ötesinde güç kalitesi gerektirir ve aktif Harmonik Azaltıcılar harmonik bozulmaya karşı kritik koruma olarak öne çıkmaktadır.

Aktif Harmonik Azaltıcı, Gerçek Zamanlı Olarak Harmonik Bozulmaları Nasıl Ortadan Kaldırır

Bu sistemler, elektrik şebekelerini çevrim başına 256 örneklem ile izlemek üzere uyarlanabilir algoritmalar kullanır ve 50. dereceye kadar harmonik frekansları tespit eder. Bozulma tespit edildikten sonraki 1,5 milisaniye içinde ters faz akımları enjekte ederek toplam harmonik bozulmayı (THD) %5'in altında tutar—bu, EUV litografi sistemleri ve atomik tabaka biriktirme cihazlarının korunması açısından hayati öneme sahiptir.

Neden Aktif Çözümler Dinamik Yüksek Teknoloji Ortamlarında Pasif Filtrelere Göre Daha Başarılıdır

Pasif LC filtreler iyi çalışır ancak yalnızca belirli harmonik frekanslara hedef alabildikleri için sınırlıdır. Aktif azaltıcılar ise değişen koşullara gerçekten adapte edilebildikleri için farklıdır. İki saniyeden kısa sürede %0'dan %100'e yüklenen aşındırma cihazları gibi hızla döngü yapan ekipmanları düşünün. Ya da yaklaşık %35 THDi seviyesinde karışık harmonikler üreten DC sürücülerden veya yaklaşık %28 THDv ile kendi sorunlarını ekleyen RF jeneratörlerinden bahsedelim. Robotik sistemler enerji geri kazanım modunda çalışırken bazen güç akışının %18'ine kadar ters yönde aktığı durumlarda bile sorun yaşar. Gerçek dünya testleri, 2022 yılında yayımlanan IEEE 519 standardının son güncellemelerine göre, aktif azaltma çözümlerinin geleneksel pasif yaklaşımların yalnızca %60 ila %70 etkinliğine kıyasla tipik olarak harmonikleri yaklaşık %95 verimle bastırdığını göstermiştir.

Vaka Çalışması: Aktif Harmonik Azaltıcı ile THD'nin %18'den %5'in altına düşürülmesi

300 mm'lik bir wafer fabrikası, 34 kritik süreç aracında aktif önleme uygulayarak yılda 2,3 milyon dolarlık hurda maliyetini ortadan kaldırdı:

Parametre	Azaltma Öncesi	Azaltma Sonrası	Geliştirme
Gerilim THD	18.7%	4.2%	77.5%
Verim Kaybı	1.8%	0.3%	83.3%
Enerji Tüketimi	9,8 kWh/cm²	8,1 kWh/cm²	17.3%

Çözüm, 18 aylık kurulum süresince SEMI F47-0706 gerilim düşmesi dayanıklılık standartlarına uyumunu korudu.

Gerçek Zamanlı Güç Stabilizasyonu için İleri Kontrol Stratejileri

Dinamik Güç Kalitesi Düzeltmesi için Gerçek Zamanlı Kontrol Sistemleri

Yarı iletken üretim tesisleri, değerli ürün kayıplarından kaçınmak istiyorsa, yalnızca 1 ila 2 milisaniye içinde elektrik sorunlarına tepki verebilecek kontrol sistemlerine ihtiyaç duyar. Yeni uyarlamalı histerезis kontrol sistemleri bu alanda büyük gelişmeler sağlıyor ve eski tip PI denetleyicilere kıyasla gerilim düşmelerini yaklaşık %40 daha hızlı düzeltiyor. Bu sistemler, herhangi bir anda elektrik şebekesinde olanlara bağlı olarak tepki hızlarını değiştirerek çalışır. Aşırı ultraviyole litografi süreçleri için, gerilimin artı eksi yüzde 1 aralığında tutulması çok önemlidir çünkü küçük güç dalgalanmaları bile silikon wafer partilerinin tamamını bozabilir. Sektör verileri, düzenli olarak şebeke bozulmaları yaşayan bölgelerde bu gelişmiş kontrol sistemlerini uygulayan tesislerin gerilim sorunlarında yaklaşık %70'lik bir düşüş yaşadığını gösteriyor.

Yük Dengelleme ve Gerilim Kararlılığı için Şönt ve Seri Kompanzasyon

Üç faz dengesizliği problemi, hızlı termal işlem adımları çalıştırıldığında bazen %15'in üzerine çıkarak 300 mm'lik wafer üretim tesislerinde oldukça kötü hale gelir. Mühendisler bununla ilgili ne yapar? Gelişmiş şönt kompanzatörler, sorunlar ortaya çıkmadan reaktif akım enjekte ederek durumu yaklaşık %2 seviyesinde dengede tutar. Bu sırada, seri cihazlar 0,9 per unit seviyesinin altına düşen gerilim düşüşlerini yarım çevrimden daha hızlı bir şekilde düzelterek devreye girer. Bu iki yöntemin bir araya getirilmesi, ekipmanların sürekli kendini sıfırlamasına neden olan kötü etkileri durdurur. Ve kabul edelim ki, bu sıfırlamalar yarı iletken üretim tesislerinde tüm beklenmedik duruşların %12'sinden hatta belki de %18'ine kadar sebep olur.

Daha Hızlı Tepki İçin Hibrit Aktif Güç Filtreleri (HAPF) ile Entegrasyon

12 darbeli dönüştürücüler ile IGBT tabanlı aktif filtreleri bir araya getirdiğimizde, 2 ila 5 kHz frekans aralığında 50. mertebe harmoniğe kadar olan bozulmaları gerçekten ortadan kaldıran hibrit sistemler elde ederiz. Alan testlerinden bazıları, HAPF yapılandırmalarının geleneksel pasif filtrelere kıyasla ilginç yönlerini ortaya çıkarmıştır. Bu hibrit sistemler, ani yük değişimleri sırasında yaklaşık %50 daha hızlı tepki verir. İyon implantasyon ekipmanlarında sürekli olarak sadece 5 kW'da beklerken aniden 150 kW'ta tam güce çıkması durumunu düşünün. Daha hızlı tepki, bu tür dramatik güç dalgalanmaları sırasında istikrarlı çalışmayı sürdürmede büyük fark yaratır.

Yeni Gelişen Eğilim: Aktif Güç Filtrelerinde Yapay Zeka Destekli Tahmini Kontrol

Tarihsel güç kalitesi verilerinin teravat-saat cinsinden eğitilen makine öğrenimi modelleri, ölçüm sistemlerinin tespit etmesinden 8-12 saniye önce harmonik bozulma desenlerini tahmin edebiliyor. Sinir ağı kontrollü aktif filtrelerin kullanıldığı 2024 yılına ait bir pilot proje, simülasyonla oluşturulan şebeke bozuklukları sırasında Girdiden Duruma Kararlılık (ISS) metriklerinde %23,6'lık bir iyileşme gösterdi ve geleneksel eşik tabanlı sistemlerin önemli ölçüde önüne geçti.

Modern Fabrikalarda Uygunluğun Sağlanması ve Sürekli İzlemenin Devamı

Küresel standartlara uyum: IEEE 519, EN 50160 ve IEC 61000 uygunluğu

Günümüzde yarı iletken üretim tesislerinin, harmonik bozulma için IEEE 519, gerilim karakteristikleri için EN 50160 ve elektromanyetik uyumluluk için IEC 61000 gibi birkaç önemli standardı karşılaması gerekmektedir. Bu düzenlemeler, ekipmanlarda ortaya çıkabilecek sorunları önlemeye ve üretim kayıplarına karşı koruma sağlamaya yardımcı olur. Bu standartlara gerçekten uyan tesisler, uyum sağlamaya özen göstermeyenlere kıyasla yaklaşık %40-45 daha az beklenmedik duruş yaşar. Bazı gelişmiş teknolojiler artık tesislerin toplam harmonik bozulmayı %5'in altına çekmesine olanak tanımaktadır ve bu değer, çoğu endüstriyel uygulama için IEEE 519 tarafından belirlenen %8 sınırının altındadır. Önde gelen üreticiler, hem tüm tesiste hem de özellikle modern çip üretiminde hayati öneme sahip aşırı morötesi litografi makineleri gibi belirli ekipmanlarda ayrıntılı testler yaparak iki kademeli bir sertifikasyon yaklaşımı uygulayarak daha da ileri gitmektedir.

Güç kalitesi denetimleri, harmonik analiz ve PQ değerlendirme protokolleri

Kapsamlı güç kalitesi denetimleri üç aşamalı bir yaklaşımla gerçekleştirilir:

Denetim Aşaması	Ana metrikler	Ölçüm Aletleri
Başlangıç	THD, Gerilim Değişimleri	Güç kalitesi analizörleri
Yük Stresi	Geçiş Yanıtı	Yüksek Hızlı Veri Kaydediciler
Uyumluluk	IEEE 519/EN 50160 Uyumu	Uyum doğrulama yazılımı

Harmonik analiz artık karmaşık fabrika yerleşimlerinde rezonans risklerini tahmin etmek için makine öğrenimini içerir. İleri düzey uyum yönetim sistemleri, yapay zeka destekli düzenleyici platformlar aracılığıyla sertifika takibini otomatikleştirerek son uygulamalarda manuel doğrulama hatalarını %67 oranında azaltmıştır.

Proaktif bakım için gerçek zamanlı izleme ve veri kaydı

Günümüzün imalathaneleri, elektrik sistemleri boyunca her dakika yaklaşık 10.000 farklı veri okuması toplayan internete bağlı izleme ekipmanlarını kullanmaktadır. 2024 yılına ait son bir sektör kıyaslama raporuna göre, bu gerçek zamanlı izleme çözümlerini uygulayan fabrikalar, güç kaynaklı sorunlardan dolayı oluşan wafer hatalarında önemli bir düşüş yaşamıştır. Bu düşüş yaklaşık olarak %29 düzeyindedir ve kritik aşındırma adımları sırasında gerilim sıçramalarının hızlı tespiti, filtreleme sistemlerinin optimize edilmesine yardımcı olan harmonik bozulma desenlerinin otomatik olarak kaydedilmesi ve kapasitörlerin veya transformatörlerin bakım gerektirdiğinde erken uyarı sinyallerinin verilmesi gibi birkaç faktöre dayanmaktadır. Bu sürekli uyumluluk kontrolleri, akım dengesizliklerini daha önce olduğundan çok daha hızlı düzeltmek için aktif harmonik filtrelerle birlikte çalışmaktadır. Sonuç olarak yarı iletken üreticileri, en gelişmiş üretim ortamlarında araçlar süreçler arasında hızla geçiş yaparken bile, güç kalitesini optimal standartlardan yalnızca %2 sapma ile neredeyse mükemmel seviyelerde tutabilmektedir.

SSS Bölümü

Yarı iletken üretiminde güç kalitesi nedir?

Yarı iletken üretiminde güç kalitesi, elektriksel güç sisteminin kararlılığını ve güvenilirliğini ifade eder ve ekipmanların elektriksel bozulmalardan kaynaklanan kesintiler olmadan verimli bir şekilde çalışmasını sağlar.

Harmonik bozulma, yarı iletken fabrikalarında neden endişe kaynağıdır?

Harmonik bozulma, çip üretiminde hata yoğunluğunu artırabilir ve ekipman arızalarına yol açarak önemli ölçüde verim kaybına ve işletme durmalarına neden olabilir.

Aktif Harmonik Sınırlandırıcılar nedir?

Aktif harmonik azaltıcılar, uyarlanabilir algoritmalar kullanarak harmonik bozulmaları gerçek zamanlı olarak izleyen ve düzeltme yapan sistemlerdir ve hassas üretim ekipmanları için temiz güç sağlar.

Gelişmiş kontrol stratejileri güç kalitesinin dengelenmesinde nasıl yardımcı olur?

Gelişmiş kontrol stratejileri, güç dalgalanmalarına hızlı tepki verir ve gerilim stabilitesini korumak ve ekipman sıfırlamalarını önlemek için şönt ve seri kompanzasyon gibi teknikleri kullanır.

Yarı iletken fabrikalarının uyum sağlaması gereken standartlar nelerdir?

Yarı iletken fabrikaları, ekipman arızalarını ve üretim kayıplarını önlemek için harmonik bozulma açısından IEEE 519, gerilim karakteristikleri açısından EN 50160 ve elektromanyetik uyumluluk açısından IEC 61000 gibi standartlara uymak zorundadır.