唐雪陽

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

從電壓暫降說起，聊聊半導(dǎo)體廠房的電，到底難在哪

如果只看電費(fèi)單，半導(dǎo)體制造大概是工業(yè)界最"奢侈"的行業(yè)之一。

廣東增芯科技的12英寸晶圓制造項(xiàng)目，節(jié)能報(bào)告審查意見里寫著一個(gè)數(shù)字：年電力消耗量不高于55507萬千瓦時(shí)。5.5億度電，大致相當(dāng)于一座中等城市全體居民的全年用電量。

行業(yè)里更常見的口徑是，一座月產(chǎn)能5萬片的12英寸晶圓廠，一年要吃下6到8億度電，電費(fèi)能占到運(yùn)營成本的三成以上——僅次于原材料，是第二大成本項(xiàng)。

但這些錢，并不是晶圓廠最擔(dān)心的事。

電網(wǎng)"眨一下眼"，代價(jià)可能是一批晶圓

普通人對(duì)"電壓不穩(wěn)"的體感，多半是燈閃一下、路由器重啟一下。晶圓廠對(duì)這件事的容忍度，要低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

電力系統(tǒng)里有個(gè)術(shù)語叫電壓暫降：某一點(diǎn)的電壓有效值突然掉到額定值的10%~90%，持續(xù)10毫秒到1分鐘，然后又恢復(fù)正常。注意，它和"停電"不是一回事——電沒斷，只是"打了個(gè)趔趄"。

對(duì)多數(shù)用戶來說，這一趔趄無關(guān)痛癢。但對(duì)光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)這些設(shè)備，它是致命的。

光刻本質(zhì)上是在硅片上"畫電路"，線寬以納米計(jì)。設(shè)備的定位、溫控、光強(qiáng)全靠精密伺服和控制系統(tǒng)維持，電壓一旦波動(dòng)超出容忍范圍，控制系統(tǒng)會(huì)直接復(fù)位，正在加工的晶圓就廢了。

國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）為此專門制定了SEMIF47標(biāo)準(zhǔn)：半導(dǎo)體設(shè)備必須能扛住電壓跌到額定值50%、持續(xù)200毫秒的工況而不中斷生產(chǎn)。但這是"及格線"。7納米以下的先進(jìn)制程，實(shí)際要求嚴(yán)苛得多——電壓跌落5%、持續(xù)超過5毫秒，就可能導(dǎo)致光刻偏差超限；跌落超過10%，會(huì)直接觸發(fā)PLC復(fù)位、變頻器停機(jī)，整條產(chǎn)線中斷。

暫降為什么沒法全消除

很多人會(huì)想：電網(wǎng)做得更可靠一點(diǎn)不行嗎？

電網(wǎng)確實(shí)在進(jìn)步，但電壓暫降是電力系統(tǒng)的固有概率事件，原因很現(xiàn)實(shí)：

雷擊是最常見的誘因。輸電線路被雷擊中，保護(hù)裝置會(huì)在幾十毫秒內(nèi)跳閘切斷故障，然后重合閘恢復(fù)供電。整個(gè)過程對(duì)普通人來說只是"閃了一下"，但已經(jīng)足夠讓芯片廠損失一批貨。

外部破壞防不勝防。施工挖斷電纜、樹枝碰到導(dǎo)線、風(fēng)箏掛在線上、鳥獸鉆進(jìn)設(shè)備。

故障本身是概率性的。一臺(tái)變壓器、一個(gè)開關(guān)、一條電纜，可能在運(yùn)行十幾年后突然出問題。電網(wǎng)再堅(jiān)強(qiáng)，也只能把這個(gè)概率壓低，不能歸零。

其他用戶的干擾會(huì)傳導(dǎo)過來。同一條線路上的大型電機(jī)啟動(dòng)、電弧爐煉鋼、電焊機(jī)作業(yè)，產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)通過公共電網(wǎng)"傳染"給敏感用戶。

所以業(yè)內(nèi)主流的思路，不是在電網(wǎng)側(cè)追求的完，而是兩條腿走路：設(shè)備側(cè)扛得住，管理側(cè)看得見。前者靠DVR、UPS這類補(bǔ)償裝置，后者就靠電能質(zhì)量監(jiān)測——只有先把暫降事件的時(shí)間、回路、深度、持續(xù)時(shí)間、來源方向記錄下來，才談得上下一步治理。

把鏡頭拉遠(yuǎn)：半導(dǎo)體廠房配電的四道難題

電壓暫降只是其中一道。從整個(gè)廠房配電的角度看，半導(dǎo)體制造給電氣系統(tǒng)提了四個(gè)"非常規(guī)"要求。

第一，可靠性。供電可用率要求達(dá)到99.999%以上，折算下來年允許停電時(shí)間不超過5分鐘。配套要上UPS、STS、柴油發(fā)電機(jī)多級(jí)保障——瞬間斷電可能導(dǎo)致整批晶圓報(bào)廢。

第二，電能質(zhì)量。電壓暫降、諧波畸變、閃變都會(huì)直接影響光刻、刻蝕、離子注入等精密設(shè)備。而且半導(dǎo)體廠房自身的UPS、變頻器、整流器也是諧波源，電流總諧波畸變率可以到15%~30%，自然功率因數(shù)常在0.7~0.85之間，需要補(bǔ)償?shù)?.95以上。

第三，大負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。24小時(shí)不間斷，單臺(tái)工藝設(shè)備功率可達(dá)數(shù)百千瓦，全廠負(fù)荷密度遠(yuǎn)超常規(guī)工業(yè)廠房，對(duì)變壓器容量和散熱提出很高要求。從耗電結(jié)構(gòu)看，生產(chǎn)設(shè)備與工藝約占60%，暖通空調(diào)與潔凈室約占25%，照明與輔助系統(tǒng)約占15%。

第四，架構(gòu)復(fù)雜。10kV/0.4kV多級(jí)配電，I-LINE母線插接箱回路密集，UPS、STS、柴油發(fā)電機(jī)多級(jí)冗余，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且分散。從高壓進(jìn)線到末端單臺(tái)工藝設(shè)備，中間要跨過變壓器、低壓配電柜、母線槽、樓層動(dòng)力柜、末端配電箱好幾個(gè)層級(jí)。

成本與合規(guī)的雙重?cái)D壓

技術(shù)難度之外，還有兩筆賬要算。

一筆是成本賬。電費(fèi)占運(yùn)營成本30%~35%，峰谷價(jià)差還在持續(xù)擴(kuò)大。行業(yè)普遍認(rèn)為，國內(nèi)半導(dǎo)體廠房的能效管理水平與國際**領(lǐng)*相比還有約20%的差距，而通過精細(xì)化管理降低總能耗12%~18%是可行的。

另一筆是合規(guī)賬。能耗雙控正在轉(zhuǎn)向碳排放雙控，新項(xiàng)目要滿足能耗限額先進(jìn)值，存量企業(yè)限期達(dá)標(biāo)，超限額執(zhí)行懲罰性電價(jià)。綠色工廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)里，晶圓制造單位產(chǎn)品能耗須達(dá)到1級(jí)或2級(jí)，能源管理體系、可再生能源利用都是必評(píng)分項(xiàng)。ESG披露的要求也在趨嚴(yán)。

技術(shù)上有四道難題，成本上有降本壓力，政策上有一堆硬指標(biāo)——能源管理系統(tǒng)于是從"可選項(xiàng)"變成了"必選項(xiàng)"。而且這套系統(tǒng)要解決的不只是"看見"能耗，更是"管住"能耗和風(fēng)險(xiǎn)。

從高壓進(jìn)線到單臺(tái)機(jī)臺(tái)，這條鏈路誰在盯著

說到這里，可以聊聊安科瑞。

安科瑞電氣2003年成立，2012年在創(chuàng)業(yè)板上市，總部在上海嘉定，做的是企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理和用能安全的解決方案。它的思路是把半導(dǎo)體廠房配電的每一個(gè)層級(jí)都納入監(jiān)控，形成"云-邊-端"的完整體系。

具體到幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高壓側(cè)，用微機(jī)保護(hù)裝置、弧光保護(hù)裝置、智能操控裝置構(gòu)成變電站的二次保護(hù)體系?；」獗Ｗo(hù)值得一提——中壓開關(guān)柜內(nèi)的弧光故障破壞力強(qiáng)，安科瑞的裝置單判據(jù)動(dòng)作時(shí)間可以做到3.8毫秒，雙判據(jù)7.8毫秒，搶在事故擴(kuò)大之前切除故障。接點(diǎn)測溫用的是無源無線傳感器，靠CT感應(yīng)取電，不用換電池。

電能質(zhì)量監(jiān)測，APView系列是半導(dǎo)體場景里的重點(diǎn)產(chǎn)品。它不只是測諧波和各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)，更能記錄電壓暫降、暫升、短時(shí)中斷的完整波形，還帶暫降源定位功能——通過等效阻抗法判斷暫降來自線路側(cè)還是母線側(cè)。對(duì)排查責(zé)任、推動(dòng)上級(jí)電網(wǎng)治理來說，這一條尤其實(shí)用。

末端精密配電，AMC100系列精密配電監(jiān)控模塊最多支持192路出線全電量監(jiān)測，配上毫安級(jí)電流互感器，能耗數(shù)據(jù)可以追溯到具體機(jī)臺(tái)。對(duì)想搞清"哪臺(tái)設(shè)備最費(fèi)電"的廠務(wù)團(tuán)隊(duì)來說，這是精細(xì)化管理的地基。

針對(duì)性的產(chǎn)品還有兩個(gè)。一個(gè)是ANSNP中性線安防產(chǎn)品，專門治理單晶爐、多晶爐回路里晶閘管和變頻裝置產(chǎn)生的3次諧波，避免中性線電流過大、過熱。另一個(gè)是防火限流式保護(hù)器，用在充電樁等回路，短路時(shí)微秒級(jí)限流滅弧。

這些設(shè)備最終統(tǒng)一接入AcrelEMS能效管理平臺(tái)。平臺(tái)把變配電、母線槽、工藝配電箱、充電樁、智能照明、防火門、應(yīng)急照明、電氣安全等子系統(tǒng)集中起來，做數(shù)據(jù)匯總、告警聯(lián)動(dòng)和分析。

一些實(shí)際跑起來的項(xiàng)目

方案能不能落地，看項(xiàng)目。

上海某某半導(dǎo)體的300mm硅片項(xiàng)目，包含1個(gè)開閉所和3個(gè)10kV變電所，每個(gè)配電系統(tǒng)都采用兩進(jìn)線一母聯(lián)。項(xiàng)目在每個(gè)變電所的兩段進(jìn)線處安裝了電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置APView500，共8臺(tái)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，裝置多次記錄到暫降事件。比如有一次，開閉所進(jìn)線記錄到暫降深度2933V、持續(xù)時(shí)間0.579秒，幾個(gè)分變電所同時(shí)段也有對(duì)應(yīng)記錄，結(jié)合供電系統(tǒng)圖分析，判斷暫降源在開閉所上一級(jí)。這類信息在過去往往只能"事后猜測"，現(xiàn)在有了數(shù)據(jù)支撐。

此外還有中科某某天津、北京兩地的變配電無人值守項(xiàng)目，中國某院上海**研究院13棟建筑加車棚的智慧能源管理系統(tǒng)（含光伏、儲(chǔ)能、充電樁）等。

結(jié)語

芯片行業(yè)的競爭，人們習(xí)慣盯著光刻機(jī)的型號(hào)和制程的數(shù)字。但一座晶圓廠能不能穩(wěn)定出貨，很大程度上取決于另一件更"土"的事：配電室里那些開關(guān)柜、母排、接點(diǎn)，以及它們背后看不見的電壓波形。

電壓暫降不會(huì)上新聞。它只是安靜地發(fā)生，然后帶走一批晶圓。能做的，是讓它發(fā)生時(shí)被記錄、被定位、被追溯，讓下一次發(fā)生之前，已經(jīng)有人準(zhǔn)備好了應(yīng)對(duì)辦法。