¿Cómo exactamente la velocidad de respuesta de los dispositivos de compensación de potencia reactiva dinámica afecta la tasa de rendimiento de las líneas de producción de semiconductores?

La fabricación de semiconductores, como representante típico de la industria de precisión, tiene requisitos extremadamente estrictos para la calidad de la potencia. En la siguiente sección, Geyue Electric, desde la perspectiva profesional de un fabricante de equipos dinámicos de compensación de energía reactiva, explorará profundamente el mecanismo de correlación intrínseca entre la velocidad de respuesta deSVG (generador de var estático)y la tasa de rendimiento de la producción de semiconductores. Al analizar las características de carga especiales de los equipos de semiconductores, la sensibilidad a la caída de voltaje y los efectos de interacción entre el equipo de proceso y el sistema de energía, Geyue Electric revelará el papel crucial de la compensación dinámica a nivel de milisegundo para mejorar la tasa de rendimiento de la fabricación de chips. Al mismo tiempo, Geyue Electric también validará la efectividad de la solución técnica mediante la combinación de datos reales de casos de plantas de fabricación de obleas.

Los requisitos especiales de la fabricación de semiconductores para la calidad de la energía

La línea de producción de semiconductores es un sistema complejo compuesto por cientos de equipos de precisión. Los dispositivos clave, como las máquinas de fotolitografía e implantadores de iones, son altamente sensibles a las fluctuaciones de voltaje. El equipo de producción en las fábricas modernas de obleas generalmente utiliza alimentos en modo conmutado para la fuente de alimentación. Estas cargas no lineales generan demandas de energía reactiva que cambian rápidamente durante la operación. Cuando la red eléctrica no proporciona soporte de potencia reactiva en el tiempo, causará flacores de voltaje, distorsiones de forma de onda y otros problemas de calidad de energía eléctrica.

En procesos de fabricación avanzados por debajo de 45 nanómetros, incluso una caída de voltaje que dura solo 10 milisegundos puede hacer que el servo sistema de precisión de la máquina de litografía pierda la sincronización, lo que resulta en desviaciones de alineación de obleas. Según los datos de investigación de la Hoja de ruta de tecnología de semiconductores internacionales (ITRS), los flacores de voltaje se han convertido en el tercer factor más grande que contribuye a los defectos de los chips, lo que provoca miles de millones de dólares en pérdidas para la industria de semiconductores globales cada año. Esto requiere que los dispositivos de compensación de potencia reactiva que lo acompañan tengan capacidades de respuesta dinámica extremadamente rápidas. Los dispositivos TSC tradicionales, debido al retraso de acción inherente de los interruptores mecánicos (generalmente superiores a los 100 milisegundos), no han logrado cumplir por completo con los requisitos de las fábricas modernas de semiconductores.

Los estándares técnicos de connotación y medición de la velocidad de respuesta

La velocidad de respuesta de los dispositivos de compensación de potencia reactiva dinámica se refiere al tiempo requerido de la detección de cambios de potencia reactiva en el sistema a la salida de la corriente de compensación objetivo. Para equipos electrónicos de potencia totalmente controlados como SVG, la velocidad de respuesta depende principalmente de tres enlaces técnicos: algoritmos de detección rápida, chips de control de alta velocidad y las características de conmutación de los dispositivos de alimentación.

En la actualidad, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) define el tiempo de respuesta de los dispositivos de compensación de potencia reactiva dinámica como el intervalo de tiempo del cambio repentino del voltaje del sistema a la salida del dispositivo que alcanza el 90% del valor objetivo. Los principales fabricantes de equipos de semiconductores generalmente requieren que este indicador no sea más de 10 milisegundos, y algunos fabricantes de obleas avanzadas incluso proponen un estricto estándar de 5 milisegundos. Los datos medidos muestran que el tiempo de respuesta de los dispositivos SVG utilizando dispositivos de potencia de carburo de silicio de tercera generación (SIC) puede acortarse a menos de 2 milisegundos, principalmente debido a las características de frecuencia de conmutación de materiales SIC superiores a 100 kHz.

El mecanismo de correlación entre la velocidad de respuesta y el rendimiento del proceso

La pérdida de tasa de rendimiento en las líneas de producción de semiconductores proviene principalmente de dos tipos de problemas relacionados con la calidad de la potencia: desguace repentino y potencial de deriva de parámetros. El primero se manifiesta directamente como el desguace de las obleas, mientras que el segundo conduce a desviaciones de los parámetros de rendimiento del chip de los valores diseñados. La respuesta rápida del dispositivo de compensación de potencia reactiva dinámica puede evitar efectivamente la aparición de estos dos tipos de problemas.

Tome el proceso de grabado como ejemplo. Cuando la fuente de alimentación de plasma tiene potencia inestable debido a las fluctuaciones en el voltaje de la cuadrícula, la velocidad de grabado cambiará repentinamente. Los datos experimentales muestran que si el tiempo de recuperación de voltaje excede los 20 milisegundos, la desviación de la uniformidad de grabado excederá el 3%, lo que dará como resultado el desguace de todo el lote de obleas. Sin embargo, un sistema de suministro de energía equipado con un SVG de respuesta rápida (<5 ms) puede controlar tales fluctuaciones del proceso dentro del 0.5%. En el proceso de pulido mecánico químico (CMP), la compensación de potencia reactiva más rápida puede mantener el par motor estable y evitar rasguños a nanoescala en la superficie de la oblea causadas por fluctuaciones de presión de pulido.

Innovaciones tecnológicas clave y rutas de implementación

Los avances tecnológicos centrales para lograr una respuesta dinámica a nivel de milisegundos se encuentran principalmente en tres aspectos: en primer lugar, un algoritmo de detección mejorado basado en la teoría de la potencia reactiva instantánea acorta el tiempo de detección a 1/4 del ciclo de frecuencia de potencia a través de la transformación del sistema de coordenadas αβ; En segundo lugar, se adopta una arquitectura de procesamiento paralelo de DSP de múltiples núcleos para comprimir el ciclo de control al nivel de 50 microsegundos; Lo más importante es que la aplicación de dispositivos semiconductores de banda de banda anchos mejora la velocidad de respuesta dinámica del módulo de potencia por orden de magnitud.

Se probó un dispositivo SVG doméstico en una fábrica de obleas de 12 pulgadas. Los resultados mostraron que en comparación con el dispositivo utilizando el módulo IGBT tradicional (tiempo de respuesta de 15 ms), la versión actualizada usando el módulo SIC (tiempo de respuesta de 1.8 ms) tuvo un rendimiento promedio mensual de 92.7% para la línea de producción con la primera, mientras que alcanzó el 96.3% con el segundo. Especialmente en el proceso de litografía ultravioleta profunda (DUV), la diferencia de rendimiento fue más significativa, lo que verificó completamente el impacto crucial de la velocidad de respuesta en la precisión del proceso.

Puntos clave de la integración del sistema y la práctica de ingeniería

En la aplicación práctica de las fábricas de semiconductores, el dispositivo dinámico de compensación de potencia reactiva debe estar profundamente integrado con todo el sistema de la planta. Teniendo en cuenta la arquitectura especial de la fuente de alimentación de las fábricas de obleas, SVG generalmente adopta un esquema de diseño distribuido. Los puntos de compensación se establecen en el lado de la barra colectiva de 10 kV de cada subestación y en el lado del alimentador de 400 V del equipo de proceso importante respectivamente, formando un sistema de protección de nivel múltiple.

En el proyecto de expansión de la segunda fase de una fábrica de chips de memoria líder internacionalmente, se adoptó un enfoque innovador donde SVG (generador de voltaje de señal) se integró con el sistema de control del equipo de proceso para el intercambio de datos. Al obtener tendencias de cambio de carga en tiempo real de las máquinas de litografía y las máquinas de grabado, el sistema de compensación de potencia reactiva puede lograr una regulación predictiva, con el tiempo de entrega de respuesta controlado antes de la ventana sensible al proceso. Este modelo de colaboración inteligente ha aumentado el rendimiento general de los productos de 28 nanómetros de esta fábrica en 2.8 puntos porcentuales, y ha generado un beneficio económico adicional de más de 30 millones de dólares estadounidenses anuales.

Tendencias futuras de desarrollo tecnológico

A medida que la fabricación de semiconductores progresa a nodos de tecnología de 3 nanómetros y por debajo, los requisitos para la calidad de la potencia eléctrica se volverán aún más estrictos. La tecnología de compensación de potencia reactiva dinámica de próxima generación está evolucionando en tres direcciones: en primer lugar, hay un avance en el límite de la velocidad de respuesta, con dispositivos experimentales basados en dispositivos de nitruro de galio (GaN) que logran la respuesta de sub-milisegundos; En segundo lugar, se está siguiendo la profunda aplicación de la tecnología gemela digital, al simular toda la red de la fuente de alimentación de la fábrica en un espacio virtual para lograr la optimización temprana de las estrategias de compensación; Finalmente, se está implementando la introducción de algoritmos de predicción de IA, analizando datos de procesos masivos para predecir los patrones cambiantes de las demandas de energía reactiva para cada equipo de producción.

Existe una clara relación cuantitativa entre la velocidad de respuesta del dispositivo de compensación de potencia reactiva dinámica y la tasa de rendimiento de la producción de semiconductores. La capacidad de respuesta a nivel de milisegundo no solo suprime de manera efectiva las pérdidas directas causadas por las fluctuaciones de voltaje, sino que también mejora la consistencia general del rendimiento de los chips al mantener la estabilidad de los parámetros del proceso. Como un campo innovador en la intersección de la tecnología de electrónica de potencia y la fabricación de semiconductores, el progreso continuo de la tecnología dinámica de compensación de energía reactiva proporcionará un importante soporte de infraestructura para la continuación de la ley de Moore. Geyue Electric, como experto en compensación de energía reactiva, nuestra compañía sugiere que las fábricas de obleas incorporan el sistema de gestión de calidad de potencia en el diseño general durante la etapa de planificación y seleccionan equipos SVG con un tiempo de respuesta de menos de 5 milisegundos para construir un sistema de garantía de energía sólida para la fabricación de chips de alto nivel. Si su fábrica de obleas busca activamente una solución de compensación de potencia reactiva dinámica de respuesta rápida, no dude en contactarnos:info@gyele.com.cn.