UPS電源在半導體集成電路制造中選型與應用

景培毅

摘 要：現如今，我國的國民經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，伴隨著新材料與工藝技術的出現，半導體集成電路線寬逐漸減少，其集成度逐漸提高，對于集成電路的工藝制造穩定可靠性要求逐漸嚴格，UPS電源在集成電路制造中提供電力保障應用顯得越來越重要。對此，筆者根據實踐研究，就半導體集成電路制造中UPS電源提供電力保障的選型及應用進行簡要分析。

關鍵詞：集成電路制造 穩定可靠性 UPS電源應用

引 言

半導體集成電路是工業信息產業的基礎，被譽為“工業糧食”，半導體集成電路制造是高度技術及資金密集的一個產業。半導體集成電路制造廠對動力電源穩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雜，工藝制造設備均為國外進口的精密設備，不允許有任何電能質量問題（電壓閃落、供電中斷、電壓不穩等），尤其每次電壓閃落或供電中斷都將導致芯片工藝生產設備宕機或工藝運行不穩等現象，造成產品破片或良率下降，造成極大經濟損失。

本文主要就半導體集成電路制造中UPS工頻機與高頻機的選型，以及UPS電源在集成電路制造中應用做簡要分析，包括工藝設備端UPS選型應用及廠務動力UPS選型應用做闡述。

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。

按整流SCR管數量的不同，工頻機通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個SCR組成的全橋整流，由于有6個開關脈沖對6個SCR分別控制，所以叫6脈沖整流。

12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線由12個SCR整流完成，因此又稱為12脈沖整流。

（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動信號來控制IGBT的開通與關斷，IGBT整流器開關頻率通常在幾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

隨著電力電子技術的發展和高頻功率器件的不斷問世，中小功率段的UPS產品正逐步高頻化，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，進而導致UPS后端負載設備的損壞，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。此種結構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等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。

（3）可靠性降低。

工頻機通常采用SCR整流器，而高頻機多采用IGBT整流器。因此，工頻機在可靠性方面優于高頻機。而大功率UPS可靠性是集成電路制造用戶關注的第一要素。目前市面上銷售的多款國際知名品牌工頻機產品在用戶端都有很好的口碑，并通過了長時間和復雜電網的實際驗證。

UPS工頻機和高頻機各有其優缺點。在可靠性第一原則下，使用在集成電路制造重要場合的大功率UPS（廠務動力部，或工藝擴散、濕法蝕刻等重要工藝場所），仍然以工頻機為首選。

2 UPS電源在半導體集成電路制造廠的選型原則[2]

（1）估算UPS電源的功率

根據半導體工藝設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，就是UPS電源的估算功率，安全系數一般取1.2-1.3為宜。在半導體集成電路制造工廠使用UPS電源的區域可分為廠務區和工藝設備區，一般廠務區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，而工藝設備區UPS電源多數為控制類負載等使用，功率較小，容量在1KVA至160KVA居多。

（2）國產UPS和進口UPS電源選擇

在國產和進口UPS電源的選擇中，因集成電路制造行業具有高度技術密集且一直受各國限制出口、當前國際貿易戰不確定因素等，不管在廠務區還是在工藝區，一般建議選用國產高端UPS電源。近幾年來，國產UPS電源在質量穩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突破，打破國外壟斷。選用國產高端UPS電源，一方面是對本國經濟和技術發展的支持的，同時也符合集成電路制造行業設備國產化政策要求，另一方面在售后服務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。進口UPS電源一般質量比較好，但是由于維修技術和配件存在困難，再者集成電路制造過程中，24小時不能停機停產，一旦發生故障，往往不能及時修復，長期擱置不能使用，損失巨大。國產高端UPS電源，比如廈門科華恒盛股份有限公司的UPS在工作性能方面，是比較符合集成電路制造工廠UPS電源特性，某些型號的UPS電源輸入電壓范圍比較寬，有穩壓輸出功能，適應集成電路工藝制造特點環境。

（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，應根據設備的需要和經濟條件來定。集成電路制造工廠中使用設備以進口設備為主，設備技術精度及穩定性極高，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電源作為附屬設備，相比工藝設備投入資金極少，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供電質量高的優點具有保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好。

（4）長時間和短時間供電UPS電源的選擇

在長時間供電UPS電源和短時間供電UPS電源的選擇上，主要是看各集成電路制造工藝部門的UPS經濟條件和工藝使用的需要。在集成電路制造過程中，濕法蝕刻或爐管工藝過程中，一般一次性在設備中工藝制造的晶圓數量較多，要求停電后，所有晶圓均能得到好的處理保護，否則損失過大，因此可選用長時間的UPS電源，而在PVD、CVD或干法蝕刻工藝中，工藝設備一次單片制造，UPS電源主要作用是保護控制部門，對UPS電源后備時間要求不是很長，可以選短時間UPS電源備用電源。在集成電路廠務動力區，屬于中央動力，為比較重要的工藝設備比如光刻機、部分蝕刻設備、特殊氣體工藝設備、純水設備等提供動力，要求UPS電源可靠穩定性非常高，因此一般選用長時間供電UPS電源，后備時間大多在15分鐘以上。

（5）售后維修服務方面選擇

UPS電源發生故障是正?，F象，在選型時維修的便利，也是不可輕視的因素，集成電路制造不允許停機時間過長，基本24小時不間斷作業，因此在集成電路制造廠，UPS電源選用時，維修便利，服務及時是非常重要的選型原則，否則會給使用中維修帶來不便，可能造成巨大損失。

3 UPS電源在集成電路制造中的應用

近幾年來，全國各地集成電路制造企業迅速發展，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過程中使用各種高端進口工藝設備及動力設備，為了保證這些設備正常運行，UPS電源提供各類型的電力保障方面，集成電路制造企業應該更加重視。UPS電源中的工頻機和高頻機在性能及適應性方面上各有優缺點，在集成電路制中不同的場所，工頻機和高頻機的專業選型及應用顯得十分重要。

3.1 UPS電源在集成電路制造廠務端的應用

集成電路制造廠務端是為工藝制造精密設備提供各種動力的場所，主要分為四大專業科室，機械科、電科、水科、氣科，分別負責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備不允許有電壓閃落、停電等現象，否則每一次電壓閃落或停電均可能造成工藝設備宕機，導致晶圓片報廢，造成一定經濟損失，因此，UPS電源在廠務端的應用比較重要。

廠務端最為典型的使用UPS電源場所有中低壓變電站、工藝排氣系統、PCW工藝冷卻系統、UPW供應系統及重要的氣體供應系統。廠務端，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，使其運行中穩定安全可靠。但工頻機效率不如高頻機，因此在節能方面，工頻機還需要提高。隨著UPS電源技術不斷進步，高頻功率器件逐漸成熟， UPS產品在廠務應用中也正逐步高頻化，高頻UPS具有效率高，功率密度大、體積小、重量輕的特點，目前國內多數集成電路廠使用UPS高頻機時，以塔式機型為主，輸出端單獨加隔離變壓器，確保穩定可靠。

3.2 UPS電源在集成電路制造工藝設備端的應用

集成電路工藝制造主要分為6個獨立的生產區包括：擴散、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入和拋光。每一區域對UPS電源根據工藝的重要性均有不同的使用要求，其中在擴散區UPS電源主要為爐管設備提供電力保障，能夠保證在斷電后，爐管設備中近百片晶圓在后備時間內，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。爐管設備生產商主要有日本的TEL、日立國際及國內北方華創，前兩家廠商一般選用日本富士UPS工頻機配套，而國內北方華創選用科華恒盛UPS工頻機作為長期配套。光刻是集成電路生產中最為重要的一

道工藝，集成電路的溝道線寬技術很大程度取決于光刻機曝光技術，因此光刻機也是集成電路制造設備中最為昂貴的一種半導體設備，UPS電源在光刻機設備配套方面，不僅在控制部分采用小型UPS電源（多選用伊頓1KVA至3KVA UPS電源），而且在整機上全部接入廠務UPS電源系統中，保障光刻工藝順利完成?？涛g工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕，其中濕法刻蝕工藝中，采用的強酸強堿配方藥液進行刻蝕或清洗晶圓片，且一次性有50片晶圓片進入濕法刻蝕設備進行工藝作業，因此每一臺設備均需要配置UPS電源提供電力保障，確保斷電后，晶圓片能順利的從藥液槽中安全取出。濕法刻蝕設備根據酸槽分布配置特點不同，選用UPS電源功率不同，一般整機選用20KVA到80KVA容量不等的UPS電源工頻機，后備時間在30分鐘左右。干法刻蝕、薄膜、離子注入及拋光工藝設備中多為一個腔體僅一片晶圓工藝作業，因此風險并不十分突出，在UPS電源選型上多采用小型UPS工頻機或高頻機（1-5KVA），主要為控制部分或電腦提供電力安全保障。出于工藝穩定性方面考慮，離子注入和PVD薄膜工藝根據需要，在UPS電源選用方面，有時選用大功率UPS工頻機為整機提供電能質量保障，避免電壓波動引起工藝不良損失。

4 結束語

隨著物聯網、5G技術、工業機器人、人工智能、智能穿戴等技術的快速發展，集成電路需求將越來越大，UPS不間斷電源在半導體集成電路制造中應用也越來越廣泛，保障集成電路制造中電力系統的不間斷供電，同時提高集成電路制造整個系統的電力可靠安全性，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，對集成電路制造廠務端和工藝端UPS電源應用做了一定闡述，并詳細從集成電路制造工藝上對UPS電源選型及應用做了分析，為半導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優劣分析[J]. 張愷.中國設備工程， 2018.08，203-204.

[2] 《半導體制造技術》，韓鄭生等譯.電子工業出版社，2009.187-207.