为半导体制造设备的电源添加功能和特性

 
作者：XP Power产品营销总监Hafiz Khalid
 
多年来，越来越多的功能和特性有助于提高电源的安全性、性能和可靠性。本文着眼于电压和电流之外，讨论数字控制及其可编程性如何使半导体制造设备设计人员受益。
在人工智能和数据技术的推动下，半导体行业正处于一场重大转型的风口浪尖，用于培训和推理。这些进步对于在各个领域实现智能数据和人工智能革命至关重要。异构集成和先进封装将提高半导体的性能和效率。EUV光刻将实现更大的小型化和精度，促进更强大、更高效芯片的开发，新材料的引入将推动芯片设计的创新，进一步提高功能和性能。
 
半导体行业的可持续性和增长
根据Gartner的数据，到2030年，半导体行业的年均增长率可能在6%至8%之间，从而形成1万亿美元的市场。业界越来越一致地认为，新的晶圆厂必须更高效，优先考虑可再生能源，并遵守严格的可持续发展标准。这种向绿色制造实践的转变对于实现净零排放目标至关重要，并表明了对环境责任的承诺。半导体芯片的生产特别耗能——从最初的硅片制造到最终的测试阶段——其中大部分目前来自化石燃料。
 
晶圆厂设备制造商：主要趋势和要求
晶圆厂设备制造商要求电源制造商在工艺评估期间迅速作出回应，特别是对产品样品和修改。这种快速反应至关重要，因为它直接影响到获得新业务的能力。
此外，必须将更多的控制和监视器集成到电源单元中。这种增强不仅有助于全面记录机床运行状态的数据，还有助于快速识别和解决系统问题。机床电源故障的后果是严重的，潜在的停机时间会给最终客户带来巨大的经济损失，通常高达数百万美元。
 
与新机器构建相关的常见问题
为新机器制造选择合适的电源可能充满挑战。一个常见的问题是，许多地方的三相基础设施存在局限性，这影响了新机床的部署位置和方式。具有90-264VAC通用单相输入的电源通过提供更大的位置灵活性来解决这个问题，使机器能够在三相电源不可用的环境中高效运行。
另一个重大挑战是无法按照系统和最终应用的要求控制电源单元。设计人员通过选择允许通过图形用户界面（GUI）进行固件配置的电源，获得了应用程序设计的灵活性和量身定制的系统集成。
空间限制是高功率应用的另一个障碍，因为高功率单元往往占地面积大。由于缺乏控制和监控能力，系统集成和健康状况可见性也可能存在问题。具有内置用户定义数字控制、信号和警报的PSU可以通过提供对系统健康状况的实时洞察并允许根据需要进行即时调整，显著优化系统设计并降低维护和运营成本。
连接负载的可变性可能会导致不稳定和潜在的损坏。可以在恒流和恒压模式之间自动切换的PSU可以防止这些问题，保护PSU和最终用户系统免受负载变化造成的损坏。
为新机器构建选择电源涉及从基础设施限制到监管合规性等一系列问题。通过选择配备有旨在解决这些特定挑战的功能的电源，制造商可以在设计中实现更大的灵活性、效率和成本效益。
 
XP Power的可扩展、数字化和可配置方法
HP系列紧凑、灵活、三相和单相输入高电源是XP power可扩展、数字化和可配置方法的缩影。HP系列获得ITE安全认证，符合SEMI F47标准。该系列提供最佳的节省空间的机械格式，具有数字信号处理、多种通信协议、全用户可配置功能以及1.5kW至30kW的可扩展性。为了增加灵活性，单相和三相机组都提供24VDC至200VDC的标称输出。
2019年推出的HPT系列5kW电源具有三相三线180-528VAC输入，简化了安装，因为不需要中性连接，这在半导体制造设施中通常是不可用的。两年后，随着HPA系列单相1.5kW机组的推出，XP Power满足了对提供恒压（CV）和恒流（CC）操作以及可编程性、灵活性和用户可配置性的机组的需求。2023年，XP Power推出了HPF系列3kW电源，以满足半导体制造设备对日益复杂和功率的需求。


图1：XP Power最近推出的HPF3K0通过通用单相输入提供高达3kW的功率，可配置的单输出电压范围为24至60V
 
HP系列内的所有电源单元都有一个唯一的数字ID，因此最终用户可以在多单元系统解决方案中单独控制和监视每个电源单元。稳健的数字架构已经发展为提供旨在提高性能和安全性的复杂功能。这包括实施转换速率控制以减轻电压和电流过冲，确保系统的稳定性。
此外，统一的GUI实现了所有HP系列的通用外观，全面简化了用户体验。这些器件集成了可编程的故障检测和响应机制，并配有跟踪和分析事件的记录选项。通过输出电压、电流和温度偏差的报警和警报，用户可以随时得到通知，确保采取积极措施。
 
应用实例
在半导体制造中，再现电源的精确性能特征和操作参数是确保应用一致性、质量和可靠性的特殊要求。
干法蚀刻比湿法蚀刻具有更高的精度和各向异性，使其适用于先进的微细加工应用，特别是在半导体、微机电系统（MEMS）和集成电路（IC）的制造中。干法蚀刻涉及使用气体或等离子体蚀刻材料，这些材料具有化学稳定性，因此不能被湿法蚀刻，如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）。一个典型的干式蚀刻机系统需要一个3kW的电源，提供36VDC的电压，HPF系列可以容纳。对于通常需要6kW、48VDC的晶圆测试系统，两个HPF单元可以通过单个总线并行运行。
 

图2：在半导体制造中复制电源的确切性能和操作参数对于一致性、质量和可靠性至关重要。
 
结论
将数字控制和可编程性集成到电源中，通过提高设备的安全性、性能和可靠性，正在彻底改变半导体制造业。随着该行业的持续快速增长，在电源中采用数字功能不仅是一种趋势，而且是一种必然。XP Power的可扩展、数字化和可配置方法，特别是通过其惠普系列电源，体现了这一前瞻性战略。
这些进步使工程师在设计和开发阶段节省了大量时间，同时也最大限度地延长了现场设备的正常运行时间。实现主动预测性维护的能力确保了设备能够以更高的效率和可靠性运行，降低了代价高昂的停机风险，并促进了更可持续的制造环境。
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