石貴春

（合肥長(zhǎng)鑫集成電路有限責(zé)任公司，安徽 合肥 241000）

0 引 言

缺芯少魂一直是困擾中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全的難題。為了打破國(guó)外壟斷格局，解決中國(guó)缺芯少魂的難題，近年來(lái)各省市都在積極爭(zhēng)取該類項(xiàng)目的審批。眾所周知，這一行業(yè)對(duì)電源的供應(yīng)要求極其苛刻，生產(chǎn)中的任何電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)，都會(huì)造成大量原材料的報(bào)廢和設(shè)備的損壞，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，同時(shí)打斷該行業(yè)的正常供應(yīng)鏈，短期內(nèi)無(wú)法正?；謴?fù)生產(chǎn)。這就對(duì)芯片制造業(yè)的供電質(zhì)量提出了極高要求，而應(yīng)急電源系統(tǒng)在整個(gè)供電系統(tǒng)中更顯得尤為重要。

1 芯片制造主要工藝流程

半導(dǎo)體芯片制造是在超高潔凈度及溫濕度的環(huán)境下，并同時(shí)發(fā)生大量物理、化學(xué)反應(yīng)，工藝極其復(fù)雜，時(shí)間冗長(zhǎng)。以移動(dòng)終端中的高端動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器芯片為例，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程從硅晶圓涂膜開始到功能實(shí)現(xiàn)需要200多道工序，約60 d左右才能全部完成。

芯片制造首先將完好的硅晶圓投入生產(chǎn)線，進(jìn)行涂膜光刻膠，然后利用紫外光進(jìn)行曝光，在光刻膠層形成電路圖案，隨后將晶圓浸入刻蝕藥劑中進(jìn)行刻蝕，最后導(dǎo)入特定雜質(zhì)完成摻雜和鍍膜，并不斷反復(fù)上述工藝過(guò)程，最終在晶圓表面沉積絕緣層來(lái)保護(hù)晶體管，這便是芯片制造的大致過(guò)程[1]。

從上述的工藝流程可以看出，芯片的制造工藝技術(shù)要求苛刻、工序復(fù)雜。在整個(gè)過(guò)程中多次循環(huán)使用顯影、光照、刻蝕、薄膜沉積、離子注入、拋光等設(shè)備。以光刻機(jī)為例，為保持光刻機(jī)的精度，設(shè)備在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中也必須要保持在23 ℃的恒溫狀態(tài)下，對(duì)該設(shè)備的運(yùn)行條件要求則更為苛刻。因此為保障整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的不間斷及各關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行，還需要潔凈室系統(tǒng)、超純水系統(tǒng)、特氣系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等各子系統(tǒng)密切配合。

2 芯片制造工廠電源分類

芯片制造工廠的電源性質(zhì)通常分為Normal電、Emergency電、Uninterruptible電。

2.1 Normal電

Normal電約占芯片制造工廠總需求的70%，該類電源直接接入電網(wǎng)，中間無(wú)任何抗干擾的措施，受電網(wǎng)干擾的可能性較大，主要供應(yīng)的設(shè)備有一般空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、一般動(dòng)力系統(tǒng)、一般工藝設(shè)備等。

2.2 Emergency電

Emergency電約占芯片制造工廠總需求的10%，該類電源直接接入電網(wǎng)，受電網(wǎng)干擾的可能性較大，但在電網(wǎng)中斷電力供應(yīng)時(shí)，配備的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組會(huì)在較短時(shí)間（2 min內(nèi)）內(nèi)重新啟動(dòng)，為下游負(fù)載繼續(xù)供電，主要供應(yīng)的設(shè)備有消防系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、電梯、一般動(dòng)力系統(tǒng)等。

2.3 Uninterruptible 電

Uninterrupted電約占芯片制造工廠總需求的20%，該類電源非直接接入電網(wǎng)，在負(fù)載與電網(wǎng)之間增加了相應(yīng)的抗干擾措施，因此具有優(yōu)越的抗電網(wǎng)干擾能力，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生異常電壓波動(dòng)及電力供應(yīng)中斷時(shí)，仍可以保護(hù)負(fù)載不受干擾，繼續(xù)運(yùn)行。主要服務(wù)于與工藝生產(chǎn)密切相關(guān)的工藝設(shè)備、工藝動(dòng)力系統(tǒng)等。

3 應(yīng)急電源系統(tǒng)的分類

芯片制造工廠中的Emergency電與Uninterruptible電均稱為應(yīng)急電源系統(tǒng)，應(yīng)急電源系統(tǒng)又被分為應(yīng)急間斷電源系統(tǒng)與應(yīng)急不間斷電源系統(tǒng)。

3.1 應(yīng)急間斷電源系統(tǒng)

應(yīng)急間斷電源系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用也比較成熟，通常根據(jù)負(fù)載的容量匹配多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。它有兩種工作模式。

（1）市電模式。當(dāng)市電正常供應(yīng)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組離線，下游負(fù)載由市電供應(yīng)。

（2）發(fā)電模式。當(dāng)市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組首先判斷市電是否正常供電，確定市電供電異常時(shí)（中斷或異常電壓波動(dòng)），由系統(tǒng)發(fā)出斷開市電信號(hào)，同時(shí)向柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，并在1～2 min內(nèi)自動(dòng)完成柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)，恢復(fù)下游負(fù)載供電，但已停機(jī)設(shè)備需重新啟動(dòng)。

3.2 應(yīng)急不間斷電源系統(tǒng)

應(yīng)急不間斷電源系統(tǒng)目前主流實(shí)施方案有靜態(tài)UPS和動(dòng)態(tài)UPS兩種。

3.2.1 靜態(tài)UPS

靜態(tài)UPS主要由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、蓄電池組和控制器等組成，是將蓄電池與主機(jī)相連接，通過(guò)主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。從基本應(yīng)用原理上講，靜態(tài)UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，主要有以下幾種工作模式。

（1）正常運(yùn)行模式。電源經(jīng)過(guò)整流-充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換（AC-DC-AC）對(duì)下游負(fù)載供電，同時(shí)也對(duì)電池進(jìn)行浮充電。

（2）后備運(yùn)行模式。當(dāng)市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)時(shí)，逆變器與電池組無(wú)間斷地投入繼續(xù)為負(fù)載供電，并持續(xù)供電直至電池組放電終止。

（3）市電恢復(fù)充電模式。當(dāng)市電恢復(fù)供應(yīng)時(shí)，經(jīng)過(guò)整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換，一邊給電池組充電，一邊供應(yīng)負(fù)載。靜態(tài)UPS的工作模式如圖1所示。

圖1 靜態(tài)UPS的工作模式

3.2.2 動(dòng)態(tài)UPS

動(dòng)態(tài)UPS主要由引擎、飛輪、同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)耦合器、電抗器等組成[2]。通長(zhǎng)根據(jù)負(fù)載容量的大小，配備多臺(tái)機(jī)組共同構(gòu)成動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)技術(shù)的核心主要在飛輪儲(chǔ)能，儲(chǔ)能原理是電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，當(dāng)市電異常時(shí)，又通過(guò)同步發(fā)電機(jī)將飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供應(yīng)下游負(fù)載[3]。動(dòng)態(tài)UPS主要有以下幾種工作模式。

（1）市電模式。當(dāng)市電正常供應(yīng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子，而內(nèi)轉(zhuǎn)子（飛輪）被激勵(lì)后高速帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，使得飛輪始終在額定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，達(dá)到儲(chǔ)能的效果。同時(shí)同步發(fā)電機(jī)與電抗器結(jié)合既可以為負(fù)載提供無(wú)功補(bǔ)償，又可以作為有源濾波器，達(dá)到濾波效果，消除對(duì)電力系統(tǒng)的干擾。

（2）引擎模式。當(dāng)市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)立即做出判斷，飛輪的儲(chǔ)能也立即釋放，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電，與此同時(shí)引擎啟動(dòng)，并在極短時(shí)間內(nèi)（2 s左右）快速加速至發(fā)電機(jī)的速度，由離合器自動(dòng)完成二者的結(jié)合，此時(shí)引擎與耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)下游負(fù)載供電。在引擎與耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)一段時(shí)間后（5～10 s左右），引擎將單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為下游負(fù)載供電。同時(shí)，耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)飛輪再次加速儲(chǔ)能[4]。

（3）恢復(fù)市電模式。當(dāng)市電恢復(fù)并穩(wěn)定后，系統(tǒng)發(fā)出指令，離合器斷開，引擎減速停機(jī)，發(fā)電機(jī)重新轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。動(dòng)態(tài)UPS架構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)UPS架構(gòu)

4 應(yīng)急電源系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 靜態(tài)UPS

靜態(tài)UPS的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的不間斷供電能力。在市電輸入正常時(shí)，靜態(tài)UPS把交流電整流成直流電，然后再把直流電逆變成穩(wěn)定無(wú)雜質(zhì)的交流電，給后級(jí)負(fù)載使用 。一旦市電交流輸入異常，如欠壓了或者停電了又或者頻率異常了，那么UPS會(huì)啟用備用能源-蓄電池，靜態(tài)UPS的整流電路會(huì)關(guān)斷，相應(yīng)的，會(huì)把蓄電池的直流電逆變成穩(wěn)定無(wú)雜質(zhì)的交流電，繼續(xù)給后級(jí)負(fù)載使用。

但是靜態(tài)UPS的蓄電池對(duì)工作環(huán)境要求高，電池室需要空調(diào)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，蓄電池的使用壽命一般為3～10年。環(huán)境溫度每超過(guò)許可溫度10 ℃，電池的使用壽命將減少一半，蓄電池的老化還會(huì)造成靜態(tài)UPS容量的進(jìn)一步降低。同時(shí)，靜態(tài)UPS的不間斷供電時(shí)間不是無(wú)限的，這個(gè)時(shí)間受制于蓄電池自身儲(chǔ)存能量的大小。如果市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)，那么在靜態(tài)UPS的蓄電池供電的寶貴時(shí)間內(nèi)，需要做的就是趕緊恢復(fù)交流電，如啟用備用交流電回路、啟用備用發(fā)電機(jī)發(fā)電等。

因此，為了滿足芯片制造工廠中Uninterruptible電負(fù)載的供電需求，靜態(tài)UPS需要另行配備柴油發(fā)電機(jī)組方可實(shí)現(xiàn)，但會(huì)使得整個(gè)供電系統(tǒng)架構(gòu)極其復(fù)雜。

4.2 動(dòng)態(tài)UPS

正常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)UPS由于不需要經(jīng)過(guò)交流→直流、直流→交流的整流和逆變過(guò)程，系統(tǒng)效率更高。動(dòng)態(tài)UPS因采用飛輪儲(chǔ)能原理，供電時(shí)間不再受限制，只要油料補(bǔ)給及時(shí)動(dòng)態(tài)UPS即可源源不斷地為負(fù)載提供安全可靠的電力供應(yīng)，同時(shí)動(dòng)態(tài)UPS也具有無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理的功能。另外，根據(jù)負(fù)載的大小及特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)UPS的架構(gòu)具有一定的多樣性，可以為單機(jī)系統(tǒng)，也可以為多機(jī)并機(jī)冗余系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)UPS因不使用電池，壽命較靜態(tài)UPS要高出許多[5]。但是動(dòng)態(tài)UPS的造價(jià)成本比靜態(tài)UPS及柴油發(fā)電機(jī)組要高出約50%～70%，因此芯片制造工廠中動(dòng)態(tài)UPS主要供應(yīng)的負(fù)載為Uninterruptible電負(fù)載。

5 工程實(shí)例

某大型半導(dǎo)體芯片制造工廠為12吋生產(chǎn)線。工廠主要用電設(shè)備全部按照一級(jí)負(fù)荷考慮，新建一座220 kV變電站，并從電網(wǎng)引入兩回220 kV高壓線路，高壓母線采用雙母線單分段模式合環(huán)運(yùn)行，經(jīng)降壓至中壓20 kV，并作為工廠主配電電壓等級(jí)。

考慮到市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)，造成工藝設(shè)備停機(jī)或生產(chǎn)線中斷，會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，Emergency電選用8套2 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組（400 V）經(jīng)升壓變后接入主配電系統(tǒng)。Uninterruptible電選用22臺(tái)（兩套系統(tǒng)）2 300 kW動(dòng)態(tài)UPS機(jī)組（400 V）經(jīng)升壓變后接入主配電系統(tǒng)，另外選用若干臺(tái)小型靜態(tài)UPS保障數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器等。

（1）Emergency電。Emergency電選用8套2 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組（400 V），經(jīng)升壓變后并入主配電系統(tǒng)。當(dāng)市電電力供應(yīng)中斷，系統(tǒng)自動(dòng)斷開主配電系統(tǒng)側(cè)電源開關(guān)，8套柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)，并在EB-EPHV-01、EB-EP-HV-02母線側(cè)實(shí)現(xiàn)并機(jī)，完成并機(jī)后實(shí)現(xiàn)對(duì)EB-EP-HV-05、EB-EP-HV-06負(fù)載供電，整個(gè)過(guò)程控制在2 min內(nèi)。

（2）Uninterruptible電。Uninterruptible電 選 用22臺(tái)（兩套系統(tǒng)）2 300 kW動(dòng)態(tài)UPS機(jī)組（400 V）經(jīng)升壓變后接入主配電系統(tǒng)，每段母線上均設(shè)有手動(dòng)旁路開關(guān)和自動(dòng)旁路開關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，由市電經(jīng)動(dòng)態(tài)UPS的配電母線并通過(guò)電抗器完成對(duì)EB-UP-HV的供電，每臺(tái)動(dòng)態(tài)UPS機(jī)組電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別改善配電母線的輸出電能質(zhì)量，同時(shí)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)，使每臺(tái)動(dòng)態(tài)UPS機(jī)組的飛輪始終保持額定速度3 000 r/mim（50 Hz）運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)市電出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷或異常電壓波動(dòng)，系統(tǒng)立即做出判斷，飛輪的儲(chǔ)能也立即釋放，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電，與此同時(shí)引擎啟動(dòng)，并在極短時(shí)間內(nèi)（2 s左右）快速加速至發(fā)電機(jī)的速度1 500 r/mim（50 Hz），由離合器自動(dòng)完成二者的結(jié)合，此時(shí)引擎與耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)EB-UP-HV供電。在引擎與耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)一段時(shí)間后（5～10 s左右），引擎將單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為EB-UP-HV供電。同時(shí)，耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)飛輪再次加速儲(chǔ)能，速度保持為3 000 r/mim（50 Hz）。

6 結(jié) 論

半導(dǎo)體芯片工廠對(duì)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、生產(chǎn)原料的純凈度等方面要求嚴(yán)苛，超高精度的復(fù)雜制程工藝決定了半導(dǎo)體芯片制造行業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的極高要求。芯片制造廠在建廠階段要根據(jù)電網(wǎng)供應(yīng)能力、負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載容量等，不斷優(yōu)化調(diào)整全廠供配電方案，并將Normal電、Emergency電、Uninterruptible電的配比調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，有效解決電網(wǎng)干擾問(wèn)題。