UPS电源在半导体集成电路制造中选型与应用

景培毅

摘 要：现如今，我国的国民经济在快速的发展，社会在不断的进步，伴随着新材料与工艺技术的出现，半导体集成电路线宽逐渐减少，其集成度逐渐提高，对于集成电路的工艺制造稳定可靠性要求逐渐严格，UPS电源在集成电路制造中提供电力保障应用显得越来越重要。对此，笔者根据实践研究，就半导体集成电路制造中UPS电源提供电力保障的选型及应用进行简要分析。

关键词：集成电路制造 稳定可靠性 UPS电源应用

引 言

半导体集成电路是工业信息产业的基础，被誉为“工业粮食”，半导体集成电路制造是高度技术及资金密集的一个产业。半导体集成电路制造厂对动力电源稳定运行具有较高的要求，芯片晶圆代工制造中工艺过程非常复杂，工艺制造设备均为国外进口的精密设备，不允许有任何电能质量问题（电压闪落、供电中断、电压不稳等），尤其每次电压闪落或供电中断都将导致芯片工艺生产设备宕机或工艺运行不稳等现象，造成产品破片或良率下降，造成极大经济损失。

本文主要就半导体集成电路制造中UPS工频机与高频机的选型，以及UPS电源在集成电路制造中应用做简要分析，包括工艺设备端UPS选型应用及厂务动力UPS选型应用做阐述。

1 工频机和高频机的原理及在集成电路制造中的选型[1]

1.1 工频机和高频机定义

（1）工频机

UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅（SCR）整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。

由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低。要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。

按整流SCR管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。6脉冲指以6个SCR组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个SCR分别控制，所以叫6脉冲整流。

12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个SCR整流完成，因此又称为12脉冲整流。

（2）高频机

高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动信号来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几kHz到几十kHz，甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频，称之为高频UPS。

1.2工频机和高频机的性能及在集成电路制造中选型

随着电力电子技术的发展和高频功率器件的不断问世，中小功率段的UPS产品正逐步高频化，高频UPS具有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向中大功率过渡推进的过程中，高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点，并影响到UPS的安全使用和运行。

（1）UPS输入缺零线无法正常工作

UPS输入是三相四线（相线+零线），整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合，零线断开时，如果UPS输出端接不平衡负载，当零点参考点突然消失，将造成严重的UPS输出零偏故障，进而导致UPS后端负载设备的损坏，输出闪断等重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作，在零线断开时，UPS可以保持正常供电。

（2）零地電压抬升和电池架带电问题。

大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点。此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成负载端零地电压抬高，很难满足IBM，HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。

（3）可靠性降低。

工频机通常采用SCR整流器，而高频机多采用IGBT整流器。因此，工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是集成电路制造用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑，并通过了长时间和复杂电网的实际验证。

UPS工频机和高频机各有其优缺点。在可靠性第一原则下，使用在集成电路制造重要场合的大功率UPS（厂务动力部，或工艺扩散、湿法蚀刻等重要工艺场所），仍然以工频机为首选。

2 UPS电源在半导体集成电路制造厂的选型原则[2]

（1）估算UPS电源的功率

根据半导体工艺设备各控制负载及核心工艺模块负载用电功率，算出负载的总用电量。总用电量乘以安全系数，就是UPS电源的估算功率，安全系数一般取1.2-1.3为宜。在半导体集成电路制造工厂使用UPS电源的区域可分为厂务区和工艺设备区，一般厂务区为整个工厂提供电源动力，使用UPS功率较大，容量一般在200KVA至800KVA之间，而工艺设备区UPS电源多数为控制类负载等使用，功率较小，容量在1KVA至160KVA居多。

（2）国产UPS和进口UPS电源选择

在国产和进口UPS电源的选择中，因集成电路制造行业具有高度技术密集且一直受各国限制出口、当前国际贸易战不确定因素等，不管在厂务区还是在工艺区，一般建议选用国产高端UPS电源。近几年来，国产UPS电源在质量稳定可靠上有很大的提高，包括在军工核电、石油钻井等均有大大技术突破，打破国外垄断。选用国产高端UPS电源，一方面是对本国经济和技术发展的支持的，同时也符合集成电路制造行业设备国产化政策要求，另一方面在售后服务维修上有很大的方便，如配件比较齐全，维修能力和维修速度比较满意。进口UPS电源一般质量比较好，但是由于维修技术和配件存在困难，再者集成电路制造过程中，24小时不能停机停产，一旦发生故障，往往不能及时修复，长期搁置不能使用，损失巨大。国产高端UPS电源，比如厦门科华恒盛股份有限公司的UPS在工作性能方面，是比较符合集成电路制造工厂UPS电源特性，某些型号的UPS电源输入电压范围比较宽，有稳压输出功能，适应集成电路工艺制造特点环境。

（3）在线式和后备式UPS电源的选择

选用在线式还是后备式UPS电源，应根据设备的需要和经济条件来定。集成电路制造工厂中使用设备以进口设备为主，设备技术精度及稳定性极高，价格也高昂，例如一台荷兰ASML的7nm光刻机价格高达1亿欧元，在集成电路制造工厂工艺端，UPS电源作为附属设备，相比工艺设备投入资金极少，基本选用在线式互动式UPS电源，集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点具有保护功能较强，逆变器输出电压波形较好。

（4）长时间和短时间供电UPS电源的选择

在长时间供电UPS电源和短时间供电UPS电源的选择上，主要是看各集成电路制造工艺部门的UPS经济条件和工艺使用的需要。在集成电路制造过程中，湿法蚀刻或炉管工艺过程中，一般一次性在设备中工艺制造的晶圆数量较多，要求停电后，所有晶圆均能得到好的处理保护，否则损失过大，因此可选用长时间的UPS电源，而在PVD、CVD或干法蚀刻工艺中，工艺设备一次单片制造，UPS电源主要作用是保护控制部门，对UPS电源后备时间要求不是很长，可以选短时间UPS电源备用电源。在集成电路厂务动力区，属于中央动力，为比较重要的工艺设备比如光刻机、部分蚀刻设备、特殊气体工艺设备、纯水设备等提供动力，要求UPS电源可靠稳定性非常高，因此一般选用长时间供电UPS电源，后备时间大多在15分钟以上。

（5）售后维修服务方面选择

UPS电源发生故障是正常现象，在选型时维修的便利，也是不可轻视的因素，集成电路制造不允许停机时间过长，基本24小时不间断作业，因此在集成电路制造厂，UPS电源选用时，维修便利，服务及时是非常重要的选型原则，否则会给使用中维修带来不便，可能造成巨大损失。

3 UPS电源在集成电路制造中的应用

近几年来，全国各地集成电路制造企业迅速发展，目前各类型建成的集成电路工厂分布在全国各地近50座，集成电路制造在生产过程中使用各种高端进口工艺设备及动力设备，为了保证这些设备正常运行，UPS电源提供各类型的电力保障方面，集成电路制造企业应该更加重视。UPS电源中的工频机和高频机在性能及适应性方面上各有优缺点，在集成电路制中不同的场所，工频机和高频机的专业选型及应用显得十分重要。

3.1 UPS电源在集成电路制造厂务端的应用

集成电路制造厂务端是为工艺制造精密设备提供各种动力的场所，主要分为四大专业科室，机械科、电科、水科、气科，分别负责集成电路工艺制造所需要的各科的动力保障。集成电路工艺制造的精密设备不允许有电压闪落、停电等现象，否则每一次电压闪落或停电均可能造成工艺设备宕机，导致晶圆片报废，造成一定经济损失，因此，UPS电源在厂务端的应用比较重要。

厂务端最为典型的使用UPS电源场所有中低压变电站、工艺排气系统、PCW工艺冷却系统、UPW供应系统及重要的气体供应系统。厂务端，UPS的使用容量较大，一般在200KVA以上，以确保停电后的负载正常运行。在UPS选择方案上，大部分集成电路工程一般还以工频机为主，带有隔离变压器，使其运行中稳定安全可靠。但工频机效率不如高频机，因此在节能方面，工频机还需要提高。随着UPS电源技术不断进步，高频功率器件逐渐成熟， UPS产品在厂务应用中也正逐步高频化，高频UPS具有效率高，功率密度大、体积小、重量轻的特点，目前国内多数集成电路厂使用UPS高频机时，以塔式机型为主，输出端单独加隔离变压器，确保稳定可靠。

3.2 UPS电源在集成电路制造工艺设备端的应用

集成电路工艺制造主要分为6个独立的生产区包括：扩散、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。每一区域对UPS电源根据工艺的重要性均有不同的使用要求，其中在擴散区UPS电源主要为炉管设备提供电力保障，能够保证在断电后，炉管设备中近百片晶圆在后备时间内，顺利降温到正常范围，避免破片或不良，UPS电源主要选用10KVA或20KVA工频机，以稳定可靠为主，同时兼顾后备时间足够，延时时间在15分钟左右。炉管设备生产商主要有日本的TEL、日立国际及国内北方华创，前两家厂商一般选用日本富士UPS工频机配套，而国内北方华创选用科华恒盛UPS工频机作为长期配套。光刻是集成电路生产中最为重要的一

道工艺，集成电路的沟道线宽技术很大程度取决于光刻机曝光技术，因此光刻机也是集成电路制造设备中最为昂贵的一种半导体设备，UPS电源在光刻机设备配套方面，不仅在控制部分采用小型UPS电源（多选用伊顿1KVA至3KVA UPS电源），而且在整机上全部接入厂务UPS电源系统中，保障光刻工艺顺利完成。刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀，其中湿法刻蚀工艺中，采用的强酸强碱配方药液进行刻蚀或清洗晶圆片，且一次性有50片晶圆片进入湿法刻蚀设备进行工艺作业，因此每一台设备均需要配置UPS电源提供电力保障，确保断电后，晶圆片能顺利的从药液槽中安全取出。湿法刻蚀设备根据酸槽分布配置特点不同，选用UPS电源功率不同，一般整机选用20KVA到80KVA容量不等的UPS电源工频机，后备时间在30分钟左右。干法刻蚀、薄膜、离子注入及抛光工艺设备中多为一个腔体仅一片晶圆工艺作业，因此风险并不十分突出，在UPS电源选型上多采用小型UPS工频机或高频机（1-5KVA），主要为控制部分或电脑提供电力安全保障。出于工艺稳定性方面考虑，离子注入和PVD薄膜工艺根据需要，在UPS电源选用方面，有时选用大功率UPS工频机为整机提供电能质量保障，避免电压波动引起工艺不良损失。

4 结束语

随着物联网、5G技术、工业机器人、人工智能、智能穿戴等技术的快速发展，集成电路需求将越来越大，UPS不间断电源在半导体集成电路制造中应用也越来越广泛，保障集成电路制造中电力系统的不间断供电，同时提高集成电路制造整个系统的电力可靠安全性，本文就UPS电源在集成电路制造工厂中各个场所的选型及应用做了简单分析，从UPS电源工频机和高频机定义原理等方面出发，对集成电路制造厂务端和工艺端UPS电源应用做了一定阐述，并详细从集成电路制造工艺上对UPS电源选型及应用做了分析，为半导体集成电路制造厂对UPS使用提供参考。

参考文献

[1] 高频机与工频机的UPS优劣分析[J]. 张恺.中国设备工程， 2018.08，203-204.

[2] 《半导体制造技术》，韩郑生等译.电子工业出版社，2009.187-207.