基于过程免疫时间的半导体企业电压暂降经济损失预评估方法

张旭彬， 张 逸， 张孔林， 李为明， 郭庆波， 李俭华

(1. 福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350108；2. 国网福建检修公司， 福建 福州 350013；3. 上海合凯电气科技有限公司， 安徽 合肥 231131)

1 引言

对于快速发展的高端制造业，一方面其是带动国民经济发展的关键，另一方面也意味着其生产对电能质量的要求越来越高。高端制造业的各种工业过程存在着大量电压敏感性负荷，如交流接触器、变频器等，使电压暂降成为了最严重的电能质量问题[1-4]。欧美的统计数据表明，高达80%以上的关于电能质量问题的用户投诉起因是电压暂降[5]。电压暂降给电力用户带来了极大的经济损失，欧盟莱昂纳多电能质量工作组2005～2006年的调查结果表明，欧盟25个成员国因电压暂降和供电中断引起的年经济损失高达930亿欧元[6]。对电压暂降造成的损失进行有效、准确的评估是用户解决电压暂降问题的重要依据，具有重要的理论价值和工程意义，已成为电能质量行业研究的热点问题之一。

国内外已有科研团队对电压暂降的损失评估进行了研究。早期国外文献[7，8]在负荷耐受度的基础上，考虑了电压暂降在不确定性区域的概率问题，提出一种二元概率分布函数的经济损失评估方法。文献[9]结合敏感负荷暂降耐受度的不确定性区域，提出了利用负荷故障率矩阵、电压暂降频次矩阵和电压暂降经济损失矩阵来进行评估，但未考虑实际生产过程中设备的连接方式。国家标准[10]规范了电能质量问题引起的电力用户经济损失及治理的经济性评估方法，然而该评估方法适用于电压暂降影响已经发生，用户已经收集到大量原始数据的情况，对新投建生产线的预评估并不适用。传统的评估方法一般利用电压暂降标准曲线(如SEMI F47、CBEMA)来确定设备的耐受度，利用电压暂降特征量来估算生产过程故障率，但实际生产过程中，工业电力用户更关注设备的过程参数(温度、压力、速度等)是否符合工艺要求[11]。CIGRE/CIRED/UIE C4.110工作组于2010年提出了过程免疫时间(Process Immunity Time，PIT)的概念[12]，通过PIT，可以建立生产过程中电压暂降与过程参数之间的联系，并掌握各类设备的临界耐受度。文献[13]将PIT应用于光学精密器件温控过程受电压暂降影响的经济损失评估中，结合设备耐受度的不确定性提出参数越限严重性指标来进行经济损失评估。

半导体产业是高端制造业中十分重要的分支，一方面，由于生产设备和工艺流程的特殊性，半导体的生产过程对电压暂降极度敏感，目前还未有针对其生产过程的评估方法；另一方面，半导体产业发展迅速，越来越多的新企业新厂区运营投建，对于新的生产线，一种便捷、实用的电压暂降经济损失预评估方法尤为重要，这是企业制定生产计划、选择治理方案、确定投资比例的重要依据。目前国内外对半导体企业电压暂降经济损失预评估的研究还较少。本文将PIT应用于半导体生产过程中，通过分析半导体生产过程关键设备的逻辑连接关系和测试设备过程免疫时间找出薄弱环节，结合历史电压暂降监测数据来对新建生产线的电压暂降经济损失进行预评估。最后，实例验证该方法结果有效，符合工程实际。

2 基于PIT的电压暂降经济损失预评估方法

半导体生产过程包括大量的敏感负荷及连锁工艺，具有多物理参数和多关联性的特点，单一地从电压暂降幅值、持续时间、相位跳变等电气特性出发难以刻画生产过程的电压暂降综合耐受度。PIT从过程参数的角度，综合考虑了单一负荷电压暂降耐受度和负荷之间的逻辑连接关系，可以直观地体现电压暂降事件对于生产过程的影响程度及其耐受度。因此，本文采用PIT对半导体企业进行电压暂降经济损失预评估，其流程如图1所示。步骤如下：①分析半导体生产过程中各工艺流程之间的顺序和厂务系统的作用，确定关键设备的逻辑连接方式，生成生产过程故障树模型；②通过实测获得关键设备的PIT并结合故障树推算生产过程的综合PIT，绘制其综合PIT曲线；③由供电公司监测系统或用户调研获得上一年度电压暂降数据，在电网结构等外部条件变化较小的背景下，可将该数据近似作为新建用户未来一年可能遭遇的电压暂降事件，结合综合PIT曲线和历史电压暂降监测数据预测生产过程中断(Production Process Trips，PPT)次数；④得到单次生产中断损失成本；⑤根据PPT和单次生产中断经济损失预估用户的总经济损失额。

图1 电压暂降经济损失预评估流程图Fig.1 Flow chart of economic losses assessment due to voltage sags

3 半导体生产过程分解

3.1 工艺流程

半导体制造产业主要有显示面板制造、集成电路、芯片制造、光电子等。薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)凭借其对比度高、响应快速、层次感强等优势，被广泛应用于移动终端、车载显示、工业仪表、办公显示等行业，在液晶屏市场中占有非常大的空间。本文分析TFT-LCD生产中容易受电压暂降影响的主要生产步骤和关键敏感设备，并提出其经济损失评估方法。

TFT-LCD的生产过程设备精密、工序繁多，主要可概括为四个子工艺：薄膜晶体管阵列工艺(Array)、彩膜工艺(Color Filter，CF)、成盒工艺(Cell)和模组工艺(Module)，如图2所示。其中，Array工艺负责将上玻璃基板制成控制液晶显示的TFT基板，敏感设备主要有物理和化学气相沉积系统(Physical & Chemical Vapor Deposition，PVD & CVD)、准分子激光退火设备(Excimer Laser Annealing，ELA)、离子注入&快速热退火设备(Ion Implantation Doping & Rapid Thermal Anneal，IMP & RTA)、刻蚀机(Dry & Wet ETching，DET & WET)；CF工艺负责将下玻璃基板制成彩色滤光膜层，形成彩色和灰阶，敏感设备主要有曝光机(Exposure Machine，EM)、显影机(Developer Machine，DM)；Cell工艺将TFT基板与CF基板贴合，灌入液晶，形成液晶盒，生成液晶屏的主要部分，敏感设备有液晶滴下注入装置；而Module工艺是将液晶屏贴上集成芯片和外围工件，并组装上背光源，形成LCD屏幕模块[14]。

3.2 厂务系统

与一般的机械加工不同，TFT-LCD工艺流程对物理环境要求极为严格，所有设备或者生产工序、子工艺都对物理环境(如气压、温度、水的纯净度等)有较高要求，比如TFT基板的制作，其设备都必须要安置于洁净度达到一定等级的洁净室中，这些物理环境参数均由厂务系统保证。厂务系统主要包括水系统和气体系统，其中水系统包括工艺冷却水(Process Cooling Water，PCW)、超纯水(Ultra-Pure Water，UPW)、回收水(Recovered Water，RW)等，气体系统包括压缩空气(Compressed Dry Air，CDA)、一般氮气(General Nitrogen，GN2)、真空系统等。

经过调研分析发现，相当一部分事故起因是厂务系统受到电压暂降影响宕机所致，且其造成的后果往往比工艺设备直接受到电压暂降影响更严重。比如，排气系统的排气泵由变频器拖动，当发生电压暂降，变频器跳闸，随即排气风机停机，洁净室气体指标发生变化，导致半导体工艺连锁跳车，TFT制作过程中断，生产线产品报废，造成巨大经济损失。

3.3 生产过程中断故障树

本文采用故障树分析法[15]来表征TFT-LCD生产中各关键设备及子过程的逻辑关系。故障树分析法利用与或逻辑图确定子过程之间的连接关系，各生产过程中设备及子过程典型的连接方式有与和或两种关系，“与门”关系下的子过程相互备用，只有全部子过程都中断，上一级过程才会中断；而“或门”关系下的子过程相互独立，任何一个子过程中断都会导致上一级过程的中断，如图3所示。

图3 与或关系Fig.3 And/or logic

结合3.1节、3.2节分析和调研结果可确定TFT-LCD生产过程的中断故障树，如图4所示。其中Array和CF工艺下的设备属于3级或门，各个设备相互独立，如EM或者DM任一设备的宕机都会导致CF工艺的中断，Array工艺同理；而Array工艺、CF工艺及液晶滴下注入装置位于Cell工艺下的2级或门；Cell工艺和PCW、CDA、GN2厂务系统同属1级或门，四个子过程故障与否都直接影响TFT-LCD生产过程的中断情况。

图4 TFT-LCD生产过程故障树分析Fig.4 Fault tree model of TFT-LCD process

由图4可知，TFT-LCD生产的三级连接关系均为或门，任一设备或子过程的故障都会导致上一级工艺的中断。而且某些敏感设备一旦宕机，由于其过程参数恢复缓慢和废料处理、重启检查以及设备调试等原因，需要3～4天的时间才能回到正常工作的状态，这也正是TFT-LCD生产极易受电压暂降影响且损失严重的原因。

4 生产过程综合PIT

4.1 过程免疫时间

过程免疫时间的定义为：生产过程在经受一定程度的电压暂降后，其过程参数超过允许限制值的时间[12]，如图5所示。过程参数指受生产过程中各子过程设备影响整个过程状态的物理指标，包括温度、压力、速度等。图5中，Pnom为过程参数额定值；Plimit为过程参数临界值；t1、Δt和t2分别为电压暂降发生时刻、过程参数响应延时以及超过临界值的时刻。PIT的定义为：

PIT=t2-t1

(1)

图5 过程免疫时间曲线Fig.5 Curve of PIT

对于给定的生产过程，可以确定其过程参数的额定值及临界值。当暂降时间t<Δt，生产过程正常；当ΔtPIT，生产过程中断。PIT越大，生产过程抵抗电压暂降的能力越强，免疫力越强。

通过调研和实测，确定某TFT-LCD生产过程在残余电压为0.7pu时的关键设备及PIT值，如表1所示。

表1 某TFT-LCD生产过程关键设备及其PIT值Tab.1 Key equipments and PITs of TFT-LCD production process

4.2 综合PIT

由设备的逻辑关系及各自PIT可知，某一生产子过程所包含设备的连接方式为“与”时，其综合PIT可由式(2)得到：

PITP=max(PIT1,PIT2,…，PITm)

(2)

式中，PITp为综合PIT；PITk(k=1,2,…,m)为各设备的过程免疫时间。

当设备通过“或”相连，其综合PIT为：

PITP=min(PIT1,PIT2,…，PITn)

(3)

则对于任意具有m个与关系和n个或关系的生产过程，其综合PIT可由式(4)得到：

PIT总=min[PIT1,…，PITn,max(PIT1,…，PITm)]

(4)

通过对TFT-LCD生产过程的分解和关键设备PIT的测量，可找出其生产过程中薄弱的环节，为电压暂降的治理提供依据。

由式(4)可得，表1实例的PIT总=83ms。

通过实测，可得到不同暂降深度下关键设备的PIT，进一步可确定不同暂降深度的综合PIT值，绘制其散点图，即获得生产过程综合PIT曲线。

5 生产中断次数与单次中断经济损失

5.1 生产中断次数

获得生产过程综合PIT曲线后，可认为发生在综合PIT曲线下方的暂降不会引起生产中断，而发生在曲线上方的暂降则会导致生产中断。本文方法利用新建生产线所接电网前一年度电压暂降监测数据进行预测，假设随后年度电压暂降发生情况与其相同，将此数据与综合PIT曲线进行对比，统计其在曲线上方的次数，得到生产中断次数预测值。

5.2 单次生产中断损失成本

电压暂降会造成严重的经济损失，但不同行业、不同工艺所承受的损失构成和计算部分不同。结合国家标准[10]和现场调研情况可知，半导体行业电压暂降造成的经济损失主要包括两部分：直接经济损失和间接经济损失。对于现有企业扩建的生产线，其单次生产中断损失成本可结合现有生产线实际统计获得；对于新企业投建的生产线可参考本文方法结合其生产计划估算得到。

5.2.1 直接经济损失

直接经济损失是因电压暂降对生产活动造成的人员、设备、财产的损失以及产出为废品的成本支出，包括以下几种损失：

(1)废品损失C1：由于电压暂降而造成产品质量不符合规定的技术标准而报废的损失。

(2)停工损失C2：电压暂降造成生产过程中断后引起从事生产活动的人员停工损失。

(3)重启动成本C3：生产过程遭受电压暂降而中断，为达到重新启动生产的条件，需要额外投入的时间、人力和物力。

(4)设备成本C4：设备遭受电压暂降停止运行或非正常运行而对其本身造成的损失。

所以，电压暂降直接经济损失Cd为：

Cd=C1+C2+C3+C4

(5)

5.2.2 间接经济损失

间接经济损失统计因电压暂降问题使得按生产计划本应生产出来的产品数量减少或产生次品，从而造成的利润减少，包括两部分：

(1)减产的利润损失C5为：

C5=(减产数量-次品数量)×单个产品利润

(6)

(2)次品造成的损失C6为：

C6=次品数量×(合格品单位利润-

次品单位利润)

(7)

所以，电压暂降间接经济损失Ci为：

Ci=C5+C6

(8)

5.3 电压暂降经济总损失

由式(5)、式(8)可得，单次电压暂降导致生产过程中断的损失C可表示为：

C=Cd+Ci

(9)

综上，用户受电压暂降影响的总损失C总为：

C总=NC

(10)

式中，N为统计时段(例如一年)内PPT的预测值。

6 实例分析

为了验证所提方法的可行性，将其应用于某大型TFT-LCD制造企业(最高电压等级：110kV，主变压器容量：2×63MV·A，日用电量：2.5×106kW·h)生产过程电压暂降经济损失评估中，并将评估结果与企业实测统计结果(如表2所示)进行对比分析。

评估过程如下：

(1)分析得到生产过程中断故障树，如图4所示。

(2)经调研实测得到不同电压暂降深度下关键设备的PIT，结合图4，得到生产过程的综合PIT，如表3所示。然后，绘制综合PIT曲线图，如图6所示。

(3)预测PPT。供电公司提供的上一年度电压暂降监测数据如表2所示，统计此组数据在图6综合PIT曲线上下方的次数，如图7所示。

(4)结合调研情况，根据式(5)～式(9)估算单次生产中断损失值大约为546万元，具体如表4所示。

表2 实际生产中断次数及损失值Tab.2 Actual PPT and economic losses

表3 某TFT-LCD生产过程综合PIT值Tab.3 Comprehensive PITs of TFT-LCD production process

图6 某TFT-LCD生产过程综合PIT曲线Fig.6 Curve of comprehensive PIT of TFT-LCD production process

图7 某TFT-LCD生产中断次数预测值Fig.7 PPT prediction of TFT-LCD production process

表4 单次生产中断损失成本Tab.4 Economic losses for single process trip

(5)由图7可得，发生在综合PIT曲线上方的电压暂降有9次(上一年度发生电压暂降共16次)，即N=9，由式(10)预估总经济损失值为：9×546=4914万元。

将评估结果与实际生产中断次数和经济损失进行对比分析可知：

(1)该方法预测共有9次电压暂降会导致生产过程中断，7次不会导致生产过程中断，与企业实际统计对比发现，在综合PIT曲线边缘处有2次理论预测和实际结果不一致，即PPT误差次数为2，误差来自PIT测试时系统误差、随机误差等因素。

(2)经济损失预测比实际大16.14%，这是由于本文方法为预评估方法，因此在进行PIT测试时将设备完全中断的最严重情况作为考虑情景。

以上结果说明该方法的误差在工程上可以接受，具有可行性。

7 结论

本文以TFT-LCD生产为例，分析得到的故障树模型适用于目前主流液晶屏的生产过程，某大型企业实测数据验证了该方法的可行性。本文方法可为企业设计生产流程、制定供电方案、选择暂降治理方案提供有效指导意见；同时，本文方法原理清晰，计算简便，易于掌握，具备工程实用价值。

本文侧重分析了TFT-LCD生产过程中关键设备和厂务系统的逻辑连接关系，而芯片制造、光电子等其他半导体行业的工艺流程和厂务系统各不相同，未来需要确定不同生产过程的故障树，有针对性地进行经济损失评估和电压暂降治理。

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