UPS電源在半導(dǎo)體集成電路制造中選型與應(yīng)用分析

邢莉

【摘 要】半導(dǎo)體集成電路是工業(yè)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，被譽為“工業(yè)糧食”，半導(dǎo)體集成電路制造是高度技術(shù)及資金密集的一個產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體集成電路制造廠對動力電源穩(wěn)定運行具有較高的要求，芯片晶圓代工制造中工藝過程非常復(fù)雜，工藝制造設(shè)備均為國外進口的精密設(shè)備，不允許有任何電能質(zhì)量問題（電壓閃落、供電中斷、電壓不穩(wěn)等），尤其每次電壓閃落或供電中斷都將導(dǎo)致芯片工藝生產(chǎn)設(shè)備宕機或工藝運行不穩(wěn)等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品破片或良率下降，造成極大經(jīng)濟損失。

【關(guān)鍵詞】集成電路制造；穩(wěn)定可靠性；UPS電源應(yīng)用

1 工頻機和高頻機的原理及在集成電路制造中的選型[1]

1.1 工頻機和高頻機定義

（1）工頻機

UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由可控硅（SCR）整流器，IGBT逆變器，旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz，顧名思義叫工頻UPS。

由于SCR整流器屬于降壓整流，所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低。要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓，就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。

（2）高頻機

高頻機通常由IGBT高頻整流器，電池變換器，逆變器和旁路組成。IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動信號來控制IGBT的開通與關(guān)斷，IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾kHz到幾十kHz，甚至高達上百KHz，相對于50Hz工頻，稱之為高頻UPS。

1.2工頻機和高頻機的性能及在集成電路制造中選型

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件的不斷問世，中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻UPS具有功率密度大、體積小、重量輕的特點。但在高頻UPS功率段向中大功率過渡推進的過程中，高頻拓撲UPS在使用過程中暴露出一些固有缺點，并影響到UPS的安全使用和運行。

（1）UPS輸入缺零線無法正常工作

UPS輸入是三相四線（相線+零線），整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時不能斷開。當(dāng)A、B、C三相閉合，零線斷開時，如果UPS輸出端接不平衡負載，當(dāng)零點參考點突然消失，將造成嚴重的UPS輸出零偏故障，進而導(dǎo)致UPS后端負載設(shè)備的損壞，輸出閃斷等重大故障。而工頻機因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開時，UPS可以保持正常供電。

（2）零地電壓抬升和電池架帶電問題。

大功率三相高頻機零線會引入整流器并做為正負母線的中性點。此種結(jié)構(gòu)不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負載端零地電壓抬高，很難滿足IBM，HP等服務(wù)器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。

2 UPS電源在半導(dǎo)體集成電路制造廠的選型原則[2]

（1）估算UPS電源的功率

根據(jù)半導(dǎo)體工藝設(shè)備各控制負載及核心工藝模塊負載用電功率，算出負載的總用電量。總用電量乘以安全系數(shù)，就是UPS電源的估算功率，安全系數(shù)一般取1.2-1.3為宜。在半導(dǎo)體集成電路制造工廠使用UPS電源的區(qū)域可分為廠務(wù)區(qū)和工藝設(shè)備區(qū)，一般廠務(wù)區(qū)為整個工廠提供電源動力，使用UPS功率較大，容量一般在200KVA至800KVA之間，而工藝設(shè)備區(qū)UPS電源多數(shù)為控制類負載等使用，功率較小，容量在1KVA至160KVA居多。

（2）國產(chǎn)UPS和進口UPS電源選擇

在國產(chǎn)和進口UPS電源的選擇中，因集成電路制造行業(yè)具有高度技術(shù)密集且一直受各國限制出口、當(dāng)前國際貿(mào)易戰(zhàn)不確定因素等，不管在廠務(wù)區(qū)還是在工藝區(qū)，一般建議選用國產(chǎn)高端UPS電源。近幾年來，國產(chǎn)UPS電源在質(zhì)量穩(wěn)定可靠上有很大的提高，包括在軍工核電、石油鉆井等均有大大技術(shù)突破，打破國外壟斷。選用國產(chǎn)高端UPS電源，一方面是對本國經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的支持的，同時也符合集成電路制造行業(yè)設(shè)備國產(chǎn)化政策要求，另一方面在售后服務(wù)維修上有很大的方便，如配件比較齊全，維修能力和維修速度比較滿意。

（3）在線式和后備式UPS電源的選擇

選用在線式還是后備式UPS電源，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的需要和經(jīng)濟條件來定。集成電路制造工廠中使用設(shè)備以進口設(shè)備為主，設(shè)備技術(shù)精度及穩(wěn)定性極高，價格也高昂，例如一臺荷蘭ASML的7nm光刻機價格高達1億歐元，在集成電路制造工廠工藝端，UPS電源作為附屬設(shè)備，相比工藝設(shè)備投入資金極少，基本選用在線式互動式UPS電源，集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點具有保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好。

3 UPS電源在集成電路制造中的應(yīng)用

近幾年來，全國各地集成電路制造企業(yè)迅速發(fā)展，目前各類型建成的集成電路工廠分布在全國各地近50座，集成電路制造在生產(chǎn)過程中使用各種高端進口工藝設(shè)備及動力設(shè)備，為了保證這些設(shè)備正常運行，UPS電源提供各類型的電力保障方面，集成電路制造企業(yè)應(yīng)該更加重視。UPS電源中的工頻機和高頻機在性能及適應(yīng)性方面上各有優(yōu)缺點，在集成電路制中不同的場所，工頻機和高頻機的專業(yè)選型及應(yīng)用顯得十分重要。

3.1 UPS電源在集成電路制造廠務(wù)端的應(yīng)用

集成電路制造廠務(wù)端是為工藝制造精密設(shè)備提供各種動力的場所，主要分為四大專業(yè)科室，機械科、電科、水科、氣科，分別負責(zé)集成電路工藝制造所需要的各科的動力保障。集成電路工藝制造的精密設(shè)備不允許有電壓閃落、停電等現(xiàn)象，否則每一次電壓閃落或停電均可能造成工藝設(shè)備宕機，導(dǎo)致晶圓片報廢，造成一定經(jīng)濟損失，因此，UPS電源在廠務(wù)端的應(yīng)用比較重要。

廠務(wù)端最為典型的使用UPS電源場所有中低壓變電站、工藝排氣系統(tǒng)、PCW工藝冷卻系統(tǒng)、UPW供應(yīng)系統(tǒng)及重要的氣體供應(yīng)系統(tǒng)。廠務(wù)端，UPS的使用容量較大，一般在200KVA以上，以確保停電后的負載正常運行。在UPS選擇方案上，大部分集成電路工程一般還以工頻機為主，帶有隔離變壓器，使其運行中穩(wěn)定安全可靠。

3.2 UPS電源在集成電路制造工藝設(shè)備端的應(yīng)用

集成電路工藝制造主要分為6個獨立的生產(chǎn)區(qū)包括：擴散、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入和拋光。每一區(qū)域?qū)PS電源根據(jù)工藝的重要性均有不同的使用要求，其中在擴散區(qū)UPS電源主要為爐管設(shè)備提供電力保障，能夠保證在斷電后，爐管設(shè)備中近百片晶圓在后備時間內(nèi)，順利降溫到正常范圍，避免破片或不良，UPS電源主要選用10KVA或20KVA工頻機，以穩(wěn)定可靠為主，同時兼顧后備時間足夠，延時時間在15分鐘左右。爐管設(shè)備生產(chǎn)商主要有日本的TEL、日立國際及國內(nèi)北方華創(chuàng)，前兩家廠商一般選用日本富士UPS工頻機配套，而國內(nèi)北方華創(chuàng)選用科華恒盛UPS工頻機作為長期配套。光刻是集成電路生產(chǎn)中最為重要的一

4 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、工業(yè)機器人、人工智能、智能穿戴等技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路需求將越來越大，UPS不間斷電源在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用也越來越廣泛，保障集成電路制造中電力系統(tǒng)的不間斷供電，同時提高集成電路制造整個系統(tǒng)的電力可靠安全性，本文就UPS電源在集成電路制造工廠中各個場所的選型及應(yīng)用做了簡單分析，從UPS電源工頻機和高頻機定義原理等方面出發(fā)，對集成電路制造廠務(wù)端和工藝端UPS電源應(yīng)用做了一定闡述，并詳細從集成電路制造工藝上對UPS電源選型及應(yīng)用做了分析，為半導(dǎo)體集成電路制造廠對UPS使用提供參考。

參考文獻：

[1] 高頻機與工頻機的UPS優(yōu)劣分析[J].張愷.中國設(shè)備工程，2018.08，203-204.

（作者單位：飛思卡爾半導(dǎo)體（中國）公司）