集成电路行业特殊电压设备的不间断电源解决方案

张鹏飞,刘章波

摘要：在集成电路行业晶圆制造中有大量进口半导体工艺设备，各国的电压标注不一致导致了半导体工厂电力系统存在多种电压等级。同时晶圆制造非常精密，在整个制造过程中各种半导体设备对电力品质的要求非常苛刻，因此会使用到大量的不间断电源装置供电。文章通过对集成电路行业特殊电压的生产设备、特殊电压的不间断电源装置分析，提出集成电路行业晶圆厂不间断电源解决方案。

关键词：集成电路，半导体设备，208V电压，480V电压，电能质量，UPS

1引言

随着信息技术的飞速发展，芯片已经成为现代科技领域中不可或缺的构成部分。从2004年中芯国际建立了国内第一家12英寸晶圆厂，截止2022年中国大陆共有29座12英寸晶圆厂正在投入生产，制造工艺也从90纳米发展到了14纳米。成熟制程的12寸月产1万片常规的存储芯片所需的主要半导体设备数量约为300台，并花费一个月以上的时间，经过800多道工序完成。其中主要生产过程在有洁净度要求的封闭空间中进行，并需要各种辅助系统的支持。其中任何一道工艺步骤出错都会直接、间接影响产品的良品率，导致芯片的报废。而电力系统作为能源供应核心，电力品质的稳定将直接影响芯片生产。

本文通过对集成电路行业晶圆制造半导体工艺设备产业、电压等级的分析，以及晶圆厂设备对电能质量的要求。并对特殊电压制式的UPS产品进行调研，对比分析特殊电压等级的不间断电源解决方案。

2集成电路工艺设备分析

2.1 工艺设备产业分析

集成电路行业晶圆制造中涉及到大量半导体设备，这些设备主要分八大类，包括：光刻、薄膜沉积、刻蚀、扩散、离子注入、化学机械平整、湿法工艺、金属化等[1]。半导体设备处于集成电路行业晶圆制造产业的上游，是一个对技术门槛有较高要求的行业，目前整个半导体设备行业几乎被美国、荷兰和日本的少数企业高度垄断。《中国制造2025》对于半导体设备国产化虽然提出了明确要求，并处于局部有所突破阶段，但整体较为落后的状态。未来几年，在全球半导体设备市场份额当中所占比例最多不过5％，而且以中低端设备为主[2]。根据CINNO Research 2022年数据统计，全球十大半导体设备厂商排名如下表1-1所示。

表1-1 全球十大半导体设备厂商排名

排名	公司名称	主要产品领域
1	应用材料(AMAT)	刻蚀、离子注入、CMP、沉积设备等
2	阿麦斯(ASML)	光刻设备
3	泛林半导体(LAM)	刻蚀、沉积、清洗设备等
4	东电电子(TEL)	刻蚀、沉积、涂胶显影设备等
5	科磊(KLA)	硅片检测、测量设备等
6	迪恩士(Scerrn)	刻蚀、清洗设备等
7	爱德万(Advantest)	测试、测量设备等
8	ASM国际(ASMI)	沉积、扩散设备
9	日立高新(HHT)	刻蚀、沉积、检测、封装设备等
10	泰瑞达(Teradyne)	测试、封装设备等

2.2 工艺设备电压等级分析

按IEC标准，美国、日本及欧洲进口工艺设备供电制式为三相208V、三相200V或三相480V。分析国内多个12寸集成电路晶圆厂工艺设备电压等级，208V设备功率占总功率65%以上，380V、480V设备功率占总功率不到35%。208V为集成电路工艺设备主要电压等级。具体数据如下表1-2所示。

表1-2  集成电路晶圆厂工艺设备电压等级分析

项目代号	208V占比	380V占比	480V占比
A	64.2%	13.7%	22.1%
B	78.3%	8.5%	13.2%
C	72.1%	3.9%	24.0%
D	66.3%	26.5	7.2%
E	65.6%	25.2%	9.2%

3晶圆厂对电能质量的要求

集成电路晶圆制造业的发展基于可编程控制器(PLC)、精密机械、变频器及计算机设备和电子设备在电力系统中大量配合使用，它们对电能质量的敏感性比一般机电设备更强[3]。对于电压变化敏感的设备来说，当发生电压暂降等电能质量问题时都会造成设备运行的稳定性出现问题，如下表2-1所示[4]。从而会导致设备宕机、芯片生产停止、数据丢失、芯片报废等。

表2-1 电压暂降对敏感设备的影响

设备	电压	持续时间	设备运行问题
可编程控制器(PLC)	低于80%	--	停机
精密机械工具	低于90%	超过40~60ms	停机
变频器	低于80%	超过60~120ms	停机
芯片测试仪	低于85%	--	停机
计算机	低于60%	超过240ms	数据丢失
接触器	低于50%	超过20ms	脱扣

根据上海捷实科技自2004年，在国内各地多家先进制造业统计的2267个电压事件，如图2-2所示[5]，电压骤降、短时停电出现的频率非常高所以电压骤降、短时停电己上升为影响集成电路晶圆制造业最为重要的电力品质问题，决定了工厂产品的良率与产量。因此对于重要的工艺设备均需配置UPS即不间断电源设备，用于保证电力系统的稳定性。

图2-2 中国先进制造业电压暂降记录

4特殊电压等级的UPS解决方案

集成电路晶圆厂工艺设备UPS不间断电源设备主要为208V、380V、480V持续供电，其中208V的UPS占比超过65%为主要供电电压。例如集成电路晶圆厂最核心的工艺设备：ASML的EUV光刻机，它的的配套电压为三相208伏，UPS不仅要在停电的时候为设备提供电能，保证缓冲的时间进行一个正常的关机流程，还要在工作的时候还要为光刻机提供稳定的电压。国内主流UPS的输入/输出电压等级为380V，因此208V、480V设备的不间断电源需要增加变压器，使得最终的输出电压为208V、480V。供电拓扑图如下图3-1所示。此方案虽然虽然增加了调压隔离变，但是隔离变压器是主要电力元件，也起到了以下作用：（1）电气隔离，使变压器两侧的电气系统完全独立；（2）避免污染电网，Dy接线组三次谐波电流不会流出；（3）降低短路电流，隔离变压器增加了回路阻抗；（4）隔离直流分量，避免电压峰值突然变高[6]。同时采用380V输入/输出的UPS提高了输入端的电压等级降低了投资成本，详见后续对比分析。

图3-1 380V UPS输入，208V、480V输出带输出变压器方案

随着近几年国内电气设备行业的发展，208V、480V输入/输出的UPS出现，将打破传统的特殊电压等级不间断电源需求的解决方案。208V、480V不间断电源需求可以直接使用208V、480V电压制式的UPS供电，或者采用480V UPS输入，208V输出带输出变压器方案。集成电路行业特殊电压设备的不间断电源解决方案将不在单一化。

目前拥有480V电压制式的UPS的厂家及产品主要有以下：1、华为5000-H系列(400~800kVA)；2、伊顿PowerXpert9395系列(200~1200kVA)；3、施耐德Galaxy VX系列(250~1500kVA)；4、雷乐士Master HP UL系列(65~500kVA)；5、台达Ultron DPM系列(450~1375kVA);6、维谛在美国市场拥有480V电压制式产品；7、科华KR系列(10~1200kVA)。

目前拥有208V电压制式的UPS的厂家及产品主要有以下：1、华为5000-H 系列(20~300kVA)；2、伊顿93E系列(20~60kVA)；3、施耐德Galaxy VS系列(10~75kVA)；4、雷乐士Master FC系列(30~125kVA)；5、台达、维谛在美国市场拥有208V电压制式产品，且均为小功率机组。

从上述厂家情况不难发现，只要有海外业务的UPS厂家，均具有208V、480V电压制式的UPS产品，只是以前在国内推广较少。其中480V的UPS单机容量和380V一样，有单台大容量的产品，但208V的UPS受电压、电流影响，各厂家均未生产大容量产品。因此解决集成电路晶圆厂大容量208V工艺设备UPS不间断电源方案还是需要采用高电压UPS输出带输出变压器的方案。380V、480V输入/输出UPS电源供电方案如图3-2所示。

 

(a)380V UPS供电方案 (b)480V UPS供电方案

图3-2UPS电源供电方案拓扑图

对于上述，380V、480V UPS输入，208V输出带输出变压器方案的经济性进一步分析比较。假设某集成电路晶圆厂208V工艺设备不间断电源需求5500kVA，UPS采用单台容量500kVA（假设208V的UPS有500kVA容量），UPS限制负载率不超过80%，变压器限制负载率不超过60%。对比各种电压等级UPS电源解决208V工艺设备不间断电源需求方案，设备配置如下表3-1所示。

表3-1 UPS电源的解决方案设备配置

方案	电压等级(V)	需求(kVA)	UPS				变压器
			选型方案	单台功率(kVA)	负载率	数量	电压(kV)	容量(kVA)	负载率	数量
1	208V	5500	208V	500	73%	15	10/0.218	1600	57.3%	6
2	208V	5500	380V+隔离变	500	73%	15	10/0.4	2500	58.5%	4
3	208V	5500	480V+隔离变	500	73%	15	10/0.504	2500	58.5%	4

根据图3-2方案及表3-1配置，咨询相关设备厂家，分别对比：高压柜、变压器（含调压隔离变压器）、低压柜、UPS、主电缆的规格、数量及价差。为简化电缆的方案对比，仅统计变压器至UPS的主电缆规格及长度，并假设变压器至UPS的主电缆长度为40m。以方案1为比较基点，对比分析3种方案的造价成本如表3-2所示。

表3-2 UPS电源的解决方案造价对比

方案	UPS			变压器			高压柜		低压柜		主电缆			价差总计 (万)
	规格	数量 (台)	价差 (万)	规格 (kV)	数量 (台)	价差 (万)	数量(台)	价差(万)	数量(台)	价差(万)	规格	长度(米)	价差(万)
1	208V 500kVA	15	0	10/0.218 1600kVA	6	0	6	0	60	0	4[4(1x240)] +1x(1x240)]	1200	0	0
2	380V 500kVA	15	-202	10/0.4 2500kVA	4	93	4	-16	71	-23	2[4x(1x300)] +1x(1x240)	1200	-150	-298
				0.38/0.208 500kVA	15
3	480V 500kVA	15	-202	10/0.504 2500kVA	4	105	4	-16	61	-113	2[4x(1x240)] +1x(1x240)	1200	-190	-417
				0.48/0.208 500kVA

从表3-2对比可以看出，解决大容量的208V不间断电源需求，采用电压等级越高的UPS总体造价越低。详细分析如下：1、208V电压制式的UPS虽然节省了调压隔离变压器，但是UPS本身成本也更高；低压柜及电缆因为电压等级低，所以电流更高，参数及规格均比380V、480V高。2、480V电压制式的UPS在UPS价格、变压器价格、高压柜价格方面几乎与380V一致；因为480V电压等级更高，所以电流更低，低压柜价格、电缆价格比208V、380V低。3、变压器至UPS的主电缆长度越长，480V的价格优势更明显，如果将U

PS电源设备放置在工艺设备末端，那电缆的成本差异将成为主要因素。

5结束语

目前集成电路行业半导体工艺设备被欧美、日本少数国家垄断的情况在短时间内无法改变，供电系统中电压等级的多样性也会一直存在。由于半导体制程设备对电力品质要求非常严格，电网的供电品质远没有达到半导体工厂的制造要求，所以需要设置不间断电源UPS来保护重要的半导体工艺设备，保证生产的连续性、芯片的良品率、重要的工艺设备不受损坏。针对不同电压等级、不同容量的UPS需求，设计师需要选择合理电压制式的的UPS。也希望半导体设备早日实现国产化，保障中国半导体产业链的安全性。

参考文献

[1]周哲,付丙磊,董天波,芦刚.半导体工艺与制造装备技术发展趋势[J].电子工业专用设备,2022,51(04):1-7+11.

[2]张倩.关于我国集成电路装备国产化问题的研究[J].电子测量技术,2019,42(02):28-32.

[3]黄磊. 半导体制造厂电压骤降问题及治理[D].复旦大学,2011.

[4]陈佳琳,袁程强.芯片厂房设计中电压暂降及治理方案[J].建筑电气,2021,40(07):25-28.

[5]王俊,付毓敏,杨艳丽.电压暂降对先进制造业的影响及解决方案[J].供用电,2014(02):35-39.

[6]杨磊.工业UPS系统中的隔离变压器[J].电气时代,2015(08):81-85.

作者简介

张鹏飞，男，1991年出生，汉族，宁夏银川人，本科，中级工程师，主要从事供配电系统设计工作。