Fab厂电压变化有什么影响？[转]

在半导体制造领域，电力供应的稳定性是保证生产连续性和产品良率的基石。然而，一种被称为”压降”的现象却时刻威胁着晶圆厂的正常运营。

无论是外部供电电压的瞬间降低，还是半导体设备内部的power supply电压损耗，都可能给动辄投资数十亿美元的半导体制造厂带来巨大损失。

1 Fab厂压降的基本概念

1.1 供电系统压降：电力质量的致命威胁

供电系统压降指的是从电网输送到半导体制造厂的交流电压骤然降低，通常持续时间极短，可能在几毫秒到几秒之间。

这种电压的瞬间降低不同于完全停电，而是电压幅值的突然下跌，可降至正常值的80%甚至更低。

对于晶圆厂这种电力敏感型产业，即使电压在百分之一秒内恢复到正常水平，也足以导致生产线上的精密设备监测到电压异常并启动保护性停机。

值得注意的是，晶圆厂通常配备了双回路供电系统，能够有效防范完全停电事故，但对于这种瞬间电压降低，传统的双回路设计却难以提供有效保护，使得”压降”成为晶圆厂电力供应中最常见且最具破坏性的问题。

2 压降对半导体厂的多维度影响

压降对半导体制造厂的影响贯穿整个生产流程，从设备运行到工艺制程，从厂务系统到产品品质，形成一个多维度的破坏链。了解这些影响是制定有效防护策略的前提。

2.1 生产设备的直接冲击

半导体制造设备对供电质量的要求极为苛刻，电压的微小波动都可能导致设备异常。

当压降发生时，敏感设备会检测到电压超出正常工作范围，触发内置的保护机制，立即停止运行。这种突然停机对设备本身和生产连续性造成双重打击：

· 精密部件损伤：设备在正常运行中突然停机，可能导致正在移动的晶圆传送机器人定位错误，高温工艺腔室骤冷产生热应力，等离子体反应异常终止等。这些非正常停机不仅需要大量时间重新校准，还可能对设备精密部件造成累积性损伤，降低设备寿命。
· 校准数据丢失：半导体设备在长时间运行中积累的工艺参数和校准数据可能因突然断电而丢失，恢复这些数据需要专业技术人员进行大量调试工作，进一步延长了设备恢复生产的时间。

根据业界报道，台积电南科厂区曾因邻近工程挖断管线造成跳电，虽然厂内柴油不断电系统（DUPS）即时运作，但短暂的停电及压降仍导致部分设备异常当机。依据半导体工厂跳电事件的经验判断，此类事件普遍需要2-7天进行设备重新校正，这充分说明了压降对生产设备的严重影响。

2.2 晶圆工艺的间接影响

压降对晶圆工艺的影响既直接又深远，正在加工的晶圆可能因压降导致的各种异常而成为废品。在半导体制造中，尤其是纳米级工艺，对工艺条件的稳定性要求极高，任何微小波动都可能导致产品性能不达标。

· 工艺参数偏移：当压降发生时，工艺设备中的加热系统、气体流量控制系统、射频电源系统等关键模块可能短暂偏离设定工艺参数。即使设备没有完全停机，这种微小的参数偏移也足以导致当前批次晶圆不符合规格。例如，热退火工艺中的温度波动会影响掺杂分布的激活率，化学气相沉积中的功率变化会影响薄膜厚度和均匀性。
· 污染风险增加：压降可能导致设备内部的正压环境短暂破坏，使未经过滤的外部空气进入洁净环境，带来微粒污染。同样，真空中断可能导致晶圆表面氧化或吸附杂质。这些污染会降低产品良率，甚至导致整批晶圆报废。
· 工艺一致性破坏：在先进制程中，不同工艺模块可能对压降有不同的响应特性，导致原本精确同步的工艺步骤出现时序偏差。这种偏差会破坏工艺一致性，使得芯片不同区域的特性出现差异，影响最终产品的性能和可靠性。

2.3 厂务系统的连锁反应

半导体厂务系统是一个复杂的综合体，包括纯水系统、超纯气系统、真空系统、温湿度控制系统等。这些系统共同维持着晶圆生产所需的洁净稳定环境。压降会在厂务系统中引发连锁反应，放大对生产的影响：

· 环境控制系统失调：压降可能导致厂务系统中的风机过滤器机组（FFU）转速变化，破坏洁净室的层流状态，影响颗粒物控制效果。同样，温湿度控制系统波动会改变生产环境，导致光刻胶特性变化、静电积累等问题。
· 水气系统压力波动：超纯水系统中的泵浦可能因压降而减速，导致供水压力下降，影响晶圆清洗效果。特气系统中的控制阀门可能因电压波动而产生异常动作，改变工艺气体配比，影响沉积或刻蚀工艺。
· 支持系统中断：压降可能导致废气处理系统工作异常，使有毒有害气体不能得到有效处理，既带来安全风险，也可能因系统保护性停机而导致生产线中断。

3 压降导致的巨大经济损失

压降给半导体制造厂带来的经济损失远超一般制造业，这是由于半导体制造具有设备昂贵、工艺复杂、生产周期长等特点。这些损失主要体现在直接产出损失、设备损伤与恢复成本、以及品牌与市场机会损失等多个方面。

3.1 晶圆报废与生产损失

晶圆报废是压降最直接的后果，也是经济损失中最明显的部分。在半导体制造中，一片晶圆的价值随着工艺步骤推进而不断增加，在接近完工时报废的晶圆损失最大。根据TrendForce的调查评估，台积电南科厂区跳电事件中，可能报废的晶圆损失金额约1,000-2,500万美元。这一数字仅考虑了晶圆本身的直接价值，还未计入生产这些晶圆所需的能源、材料和管理成本。

除了直接报废的晶圆外，生产进度延误带来的损失同样巨大。半导体制造是一个高度计划性的过程，生产线上的每一片晶圆都有精确的生产排程。当压降导致生产中断时，不仅当前在制晶圆受影响，整个生产排程都需要重新调整。这种打乱生产计划带来的效率损失常常超过直接报废损失，因为生产线需要时间重新达到最优运行状态，设备利用率在恢复期间大幅降低。

3.2 设备损伤与恢复成本

压降后的设备恢复是一项既耗时又费力的工作，涉及多专业团队的协作。设备工程师需要逐一检查每台受影响设备的状态，恢复工艺参数，进行必要的校准和测试。工艺工程师则需要验证工艺稳定性，确保恢复生产后的产品仍能满足规格要求。

设备恢复成本主要包括：

· 设备检查与校准成本：需要设备厂商和厂内工程师共同进行系统检查，更换可能受损的部件，重新校准传感器和执行器。
· 工艺重新验证成本：通过试运行和测试晶圆验证工艺稳定性，这期间消耗的物料和工时构成显著成本。
· 产能损失成本：设备在恢复期间无法投入正常生产，造成产能空转，这对于投资回报率极高的半导体设备来说是巨大的损失。

根据业界经验，一次全厂范围的压降事件可能导致产线停产数小时至数天不等，而关键设备的恢复可能需要更长时间。在恢复期间，企业不仅需要承担固定运营成本，还面临着延迟交付的违约金和客户信任损失。

3.3 品牌声誉与市场机会损失

除了上述直接经济损失外，压降还会对半导体制造商的无形资产造成损害。在当今全球芯片供应紧张的环境下，供应链可靠性成为客户选择供应商的重要考量因素。频繁的压降事件会损害企业的品牌声誉，让客户担忧其供应稳定性，这可能导致订单流失，特别是来自长期合作伙伴的大额订单。

另一方面，半导体市场具有明显的周期性特征，市场机会窗口极为重要。因压降导致的生产中断可能使企业错过最佳市场窗口，损失潜在市场份额。例如，在台积电的跳电事件中，受影响的产品包括45/40nm制程下的车用MCU及CIS logic，这些正是当时市场最为紧缺的芯片品类。生产中断不仅影响了台积电自身的营收，还进一步加剧了全球汽车芯片短缺，对下游产业造成连锁冲击。

4 压降问题的根源分析

要有效防治Fab厂压降问题，必须深入理解其产生根源。压降的原因既可能来自外部供电系统，也可能源于内部电网结构，甚至与特定设备的运行特性相关。系统性地分析这些原因，是制定有效防护策略的基础。

4.1 外部供电系统因素

半导体制造厂通常被归类为关键电力负荷，对供电质量有极高要求。然而，外部供电系统中的多种因素都可能导致电压瞬间降低：

· 电网故障：输电线路遭受雷击、设备绝缘老化、变电站开关操作等都可能引起电网电压波动。即使半导体厂配备了双回路供电，当上级变电站发生故障时，仍可能影响到厂区进线电压。电网故障导致的压降通常持续时间短但幅度大，是最具破坏性的压降类型之一。
· 自然灾害影响：台风、暴雨、冰雹等极端天气条件可能破坏电力设施，引起电压波动。例如，在宝岛某封测大厂，台风来临曾在短短12小时内导致连续十几次的压降。虽然台风不一定造成完全停电，但频繁的电压波动对生产工艺的连续性构成严重威胁。
· 区域负荷突变：半导体厂区通常位于工业园区，相邻大型企业的大容量设备启停可能引起电网电压瞬间降低。例如，大型电机启动时的冲击电流可能达到额定电流的5-7倍，这种电流突变在电网阻抗上产生电压降，波及同一供电区域内的其他用户。

4.2 内部电网与设备因素

半导体厂内部的电网结构和设备运行特性也是压降的重要成因。这些内部因素往往更具隐蔽性，需要详细的电力质量分析才能发现：

· 厂内大容量设备启停：晶圆厂内的大功率设备如扩散炉、刻蚀机、离子注入机等在启动和关闭时会产生巨大的冲击电流。特别是在多台设备同时启动的情况下，总冲击电流可能在厂内配电网路上产生显著压降，影响其他敏感设备的正常运行。
· 无功功率波动：半导体制造设备中大量使用电力电子装置，这些非线性负载会产生谐波电流并导致无功功率波动。无功功率的急剧变化会引起电压波动，特别是在厂内无功补偿装置响应速度不足的情况下，这种电压波动可能达到影响设备正常运行的程度。
· 配电系统设计缺陷：不合理的配电系统设计，如变压器容量不足、电缆截面过小、保护装置协调不当等，都可能加剧压降的影响。良好的配电设计应考虑到电压稳定性与可靠性，为敏感设备提供独立的供电回路，并合理分配负荷以避免局部电压过低。

4.3 后备电源系统局限性

为应对电力中断风险，半导体厂通常配备后备电源系统，包括不间断电源系统（UPS）和柴油发电机。然而，这些系统的特性和局限性本身也可能成为压降问题的间接原因：

· 传统铅酸电池响应滞后：早期的后备电源系统多采用铅酸电池，但其”基因”缺陷导致在压降发生的瞬间无法快速释放足够能量。这种响应滞后可能导致在电源切换过程中出现电压跌落，足以使敏感设备检测到电压异常而停机。
· 系统切换瞬态过程：当主电源发生故障，需要切换到备用电源时，在切换的瞬间可能出现短暂的供电中断或电压降低。即使采用静态开关（STS）等快速切换设备，仍难以完全避免纳秒级的电力中断，而这对于某些高度敏感的设备已经足够触发保护机制。
· 后备电源容量不足：随着晶圆厂产能扩张，用电负荷可能超出最初设计的后备电源容量。在这种情况下，当压降发生时，后备电源可能无法同时为所有关键负载提供充足电力，导致部分设备仍需停机。

5 综合防治策略与技术展望

应对Fab厂压降问题需要采取系统性的综合防治策略，从事前预防、事中应对到事后恢复，建立多层次、全方位的防护体系。随着技术进步，新的解决方案不断涌现，为压降防治提供了更多可能性。

5.1 多层次电力防护方案

构建完善的电力防护体系是应对压降的第一道防线，这个体系应该覆盖从外部供电到设备终端的全过程：

· 铁锂电池系统：与传统铅酸电池相比，高性能铁锂电池具有高倍率放电特性、快速响应能力和长循环寿命，能更有效应对频繁压降。铁锂电池的解决方案，无论从性能上还是成本上都极好地满足客户需求。一个典型案例是，某封测大厂在采用铁锂解决方案后，即使在台风季节经历十几次压降，系统仍能保全机台正常运转。这也促使晶圆代工大厂纷纷启动”铁锂电池替换铅酸电池”的计划，如台积电在2018年宣布5年内完成所有铅酸电池的替换，规模共计60亿人民币。
· 架构优化与设备分级：不是所有生产设备对电力质量的要求都相同。通过科学的设备分级，可以为不同敏感度的设备提供不同级别的电力保护。关键设备如光刻机、电子束检测设备等应连接至最高级别的电力保护系统，而辅助设备则可适当降低保护标准。这种分级策略可以在控制总投资的前提下，最大限度地保护核心生产工艺不受压降影响。
· 实时电力质量监测：建立全厂范围的电力质量监测系统，实时追踪电压、电流、频率、谐波等关键参数，记录压降事件的发生时间、持续时间和影响范围。这些数据不仅是分析压降原因的基础，也能为预防未来事件提供参考。先进的监测系统还可以与设备运行状态联动，当检测到压降时自动触发保护动作，减少设备损伤。

5.2 厂务系统韧性设计

提高厂务系统对压降的抵抗能力和恢复能力是减小生产影响的关键。通过系统性设计和新技术应用，可以显著降低压降对厂务系统的冲击：

· 动力系统稳定性提升：为厂务关键设备如风机、泵浦、冷冻机等配置独立的后备电源或缓启动装置，防止这些设备在压降发生时突然停机，同时在电压恢复后能够有序重启。特别是洁净室的风机系统，一旦停转可能导致洁净度下降，需要数小时才能恢复，因此必须保证其在压降情况下持续运行。
· 控制系统不间断供电：现代厂务系统依赖大量PLC、DCS等控制系统进行自动化运行。这些控制系统的电源应设计为双重化供电，确保在压降发生时不会因控制器失电而导致整个系统瘫痪。同时，关键传感器和执行机构也应考虑备用电源，保持系统在压降期间的基本监控和控制能力。
· 工艺介质供应保障：对于超纯水、特气、化学品等工艺介质供应系统，应采用重力流设计、高位槽储备等措施，保证在短暂压降期间仍能维持工艺设备的基本需求。

特别是刻蚀、扩散等区域的特气供应，即使短暂中断也可能导致整批晶圆报废，必须配备多层次的供应保障机制。

5.3 设备级与工艺级防护措施

除了厂级防护措施外，在设备和工艺层面也可以采取针对性的防护策略，进一步提高对压降的抵抗能力：

· 设备电压耐受度提升：与设备供应商合作，优化设备的电压耐受范围，或加装设备级的电力调节装置。

一些新型半导体设备已经考虑了电力波动问题，设计了更宽的电压工作范围和更智能的电压暂降应对策略。在设备选型阶段，应将电力质量适应能力作为重要评价指标。
· 工艺容错设计：在工艺设计阶段考虑可能的异常情况，包括压降事件，通过合理的工艺容错设计减小损失。例如，在关键工艺步骤设置检查点，避免在压降高风险时期进行不可中断的工艺操作；或者优化工艺配方，使其对短暂的参数波动不敏感。
· 智能恢复策略：建立压降后的智能恢复流程，通过信息化系统记录设备在压降前的状态，指导压降后的快速恢复。

例如，对于批量处理设备，可以自动保存工艺配方和参数；对于单晶圆处理设备，可以自动识别受影响晶圆并将其移出流程。这些策略能显著缩短恢复时间，减少损失扩大。

Fab厂压降问题是一个复杂而严峻的挑战，涉及外部供电、内部电网、设备特性等多个层面。

随着半导体工艺进步至纳米级别，芯片对供电质量的要求愈发苛刻，使得压降防治成为晶圆厂运营管理的关键任务。

从根本上说，应对Fab厂压降问题需要采取系统思维，从事前预防、事中控制到事后恢复建立全流程防护体系。