芯片生产厂房供配电设计经验分享

2021公众号：机电安装砖家芯片生产简介01供电系统02低压配电系统03洁净室照明04设计要点05公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家在整个生产过程中芯片需要20-50次的光刻，耗时占到了生产环节的一半，成本能占到三分之一。如果在光刻等重要工艺加工过程出现停电事♛，芯片将会报废。公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家根据GB50809《硅集成电路芯片工厂设计规范》中对负荷分级原则，芯片生产厂房的负荷等级一般为一级负荷。产能低、用电量小的厂房可适当降低，但不应低于二级。工艺设备动力设备照明公众号：机电安装砖家芯片生产厂房有较大量的一级负荷中特别重要负荷，例如：重要的工艺设备（光刻机、刻蚀机等）；与设备安全、人身安全相关的工艺排风（酸、碱废气，有机废气，有毒废气）；用以平衡排风的新风空调；工艺冷却循环水泵；危险和有毒气体检测；化学品泄露检测；纯水循环系统；废水处理系统；设备监控系统FMCS；安防系统；数据中心……上述负荷中，有一些负荷允许中断供电时间为毫秒级，如FMCS、数据中心和重要的工艺设备等。公众号：机电安装砖家芯片生产厂房一般用电量较大，厂区内需要设置110kV或220kV变电站。对于用量较小的项目，也可由多路10kV市电供电，具体应根据项目建设地的供电条件确定。用电容量通常采用需要系数法进行计算。在达产后，全厂总需要系数约为0.45。洁净生产区（网络图片）公众号：机电安装砖家根据芯片生产厂房的负荷性质，供电电源通常采用两路电源供电，两路电源采用同时工作、互为备用的方式运行。是否要求双重电源需要根据负荷性质确定，每路电源的供电容量均应满足全厂的需要负荷。芯片生产工厂中，允许中断供电时间在15s以上的一级负荷中特别重要负荷，除两路市电供电外，多采用快速启动的柴油发电机组作为应急电源。也可采用独🖂于两路市电的第三电源实现。允许中断供电时间为毫秒级的负荷，根据其特点及容量，可采用静态UPS、动态DUPS和DC-bank等措施。公众号：机电安装砖家为满足集成电路厂房供电的可靠性，主变压器及配电变压器通常需要考虑冗余备用，一般采用N+N备用方式，每两台变压器为一组，正常运行时，每台变压器负荷率按照不超过50%考虑，当一台变压器检修时，由另一台变压器保证本组变压器所带所有负荷。也可采用N+1的接线方式，正常运行时，由N台变压器运行，当N台变压器中某台变压器因♛检修时，投入备用变压器。公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家由于很多芯片生产的核心工艺设备源于欧、美、日等外国公司，所以工艺设备的配电电压除一般的220/380V外，常用的电压等级有：120/208V、230/400V、278V/480V等。低压配电系统的接地型式一般采用TN-S系统。根据工艺及厂务动力用电设备的需求，芯片生产厂房通常会有三类供电电源：N电源：正常电源，一般由工程项目所在地的市电电网引来。E电源：应急电源，通常由工厂内设自备柴油发电机组提供。U电源：应急电源，一般由静态UPS、动态DUPS或DC-bank提供。电源种类的选择应根据生产工艺对供电可靠性要求及对人身安全、经济损失等所造成的影响程度综合考虑。公众号：机电安装砖家各类U电源的特点：静态UPS：最常用，技术成熟可靠，生产厂商众多，但需要占用较多的生产厂 房面积，有一定的发热损耗，需要设置空调，并且电池的维护工作量大。动态DUPS：不需设置在生产厂房内，占用面积较小，维护工作量小，但只有 少数国外品牌可选择，切换控制较为复杂。DC-bank：只适用于有变频器的动力设备电动机。通常情况下，变频器由正常 电源进行交流电源供电，正常电源停电后可以由DC-bank输出直流电源至变频 器的直流端口供电。优点是发热损耗小，维护工作量小，成本低于静态UPS。公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家芯片生产厂房核心生产区的工艺设备负载容量大，加之空间布局紧凑，所以一般要求采用铜母线槽。核心生产区的主干母线可能多达上百回路，根据工艺设备负载情况，主干母线容量可采用5000A、4000A和3200A等，支干母线容量可采用

1600A等。芯片生产的工艺设备有三相、单相电源的需求，通常母线槽采用4+1芯，即L1~L3,N,PE。按绝缘方式母线槽的发展已经经历了空气式插接母线槽、密集绝缘插接母线槽和高强度复合绝缘插接母线槽三代产品。目前芯片生产厂房使用的母线槽都采用高强度复合绝缘插接母线槽。和电缆对比，母线槽的优点是电流密度大，电阻小，集肤效应小，发热损耗小，无须降容使用。系统扩展可通过增加或改变若干段来完成，配套使用插接式开关箱也增加了工艺设备配电的灵活性。公众号：机电安装砖家芯片生产厂房内部各专业管路密集，各种管路交叉，母线槽设计的数量越多，占用空间越多，空间管理难度越大。另外还要考虑插接箱的箱面操作空间和更换插接箱的操作空间。空间管理示意公众号：机电安装砖家可靠性是影响主母线槽数量重要要素：以400V，2500KVA变压器为例，正常运行时变压器负载率按50%设计，考虑变压器额定运行电流、过载能力，成组的变压器若出现一台变压器♛障或计划性检修时，另一台变压器可全载投运，最大可以采用4000A母线槽配电；若考虑单台变压器负载率不超过85%计（变压器处于合理使用寿命）及工艺设备同时使用系数、负荷率较低，则可采用3200A母线槽。以208V，1600KVA变压器为例，最大可以采用5000A母线槽配电；若考虑单台变压器负载率不超过85%计（变压器处于合理使用寿命）及工艺设备同时使用系数、负荷率较低，则可采用4000A母线槽，母线槽容量降低一级，建设投资减少。数量增多容量降低配电可靠性（影响要素）公众号：机电安装砖家芯片生产厂房的洁净区域属于密闭环境，应使用无卤低烟型电缆，避免出现火情时电缆燃烧产生的烟雾和卤素毒气不易排出从而危及工作人员的安全。下图为型号举例：公众号：机电安装砖家I-LINE盘即插入式动力配电柜，I-LINE

Circuit

Breaker

Panelboards。最大的特点是出线断路器可以热插拔，适用于额定电压1000V以下的工艺配电系统。I-LINE盘内部实景图I-LINE盘内部结构原理公众号：机电安装砖家I-LINE盘具有如下优点：便利：随时增加或更换分路开关，不影响其他用电设备带电运行。前期规划无 需预先计算分路开关容量及备用开关预留，在工艺二次配时依据实际需求去安 装分路的热插拔开关即可，更加具备弹性。安全：可带电增减或更换分路开关，开关的一次侧采用特殊插脚，操作不会直 接触碰带电母排；箱体重复利用：只需重新根据需求规划分路架构，箱体可重复使用，基本无改 造成本。公众号：机电安装砖家由于芯片生产工艺在设计和施工过程中均存较大的可变性，工艺配电柜在设计、施工安装完成后，进行工艺设备二次配时，现场已施工安装的工艺配电系统往往

不能满足最终的实际需求，或者工艺生产线运行后需要在现有工艺配电系统中进行带电调整。与传统配电柜相比，热插拔式I-LINE盘很好的解决了上述问题，有效控制了实际成本，并带来更多的灵活性和可靠性。因此，在芯片生产厂房的工艺设备配电上，I-LINE盘得到广泛应用。但是，由于目前国内市场上从事I-LINE盘研发和生产的厂商相对较少，所以在初期投资方面，热插拔式I-LINE盘一次性投资成本和传统配电柜相比偏高。公众号：机电安装砖家公众号：机电安装砖家洁净室空气气流流型是对洁净环境内空气的流动形态和分布进行合理地设计，避免或减少涡流，有利于迅速有效地排除污染物，维持室内生产环境所要求的空气洁净度。一般对于空气洁净度等级要求为1~4级时，采

用垂直单向流；空气洁净度等级要求为5级时，采用垂直单向流或水平单向流；空气洁净度等级要求为6~9级时，宜采用非单向流。对应的洁净室照明设计需要考虑空气气流流型和洁净度要求采用不同的灯具型式，同时还要考虑不对AMHS自动物料传输系统的运行轨迹产生影响。AMHS系统（网络图片）公众号：机电安装砖家对于垂直单向流洁净环境，由于吊顶上部布置大量的FFU出风口，灯具安装面积小，常采用单管泪珠型灯具在吊顶龙骨下吸顶安装，光源可以选用荧光灯光源或LED光源。单管泪珠灯公众号：机电安装砖家对于水平单向流洁净环境，送、回风口布置在侧墙上，可以采用吸顶式洁净灯具。由于传统吸顶式荧光型灯具厚度较厚，也可以采用吸顶式薄型洁净灯具或嵌入式洁净灯具，以减少灯具形式对气流的影响。吸顶式洁净灯公众号：机电安装砖家对于非单向流的洁净环境，宜采用吸顶式薄型洁净灯具或嵌入式洁净灯具，可以有效防止灰尘积聚。嵌入式洁净灯公众号：机电安装砖家光刻区应选择采用波长不大于500nm的传统黄光源或LED黄光源。公众号：机电安装砖家关于光刻区黄光源的布置范围区域，在工程设计中两种不同的意见：第一种意见是要求黄光区范围比较大，把洁净室光刻区、光刻区对应的下技术夹层和上静压箱层均规划为黄光源照明区域。理由是在检修FFU时，可能出现静压箱内光源紫外光外泄，影响生产。这种情况不太多见。第二种意见是仅光刻区采用黄光源，从图

片可以看到光刻区外的走道，依然使用的日光色光源，仅生产区使用黄光源。这种意见认为下技术夹层内灯具的光源是向地面投射的，经过华夫板、高架地板后向上的散射光源几乎不能进入生产区，所以下技术夹层采用黄光源不是必须的。因特尔美国工厂（网络图片