某半導(dǎo)體廠房能耗分析

某半導(dǎo)體廠房能耗分析摘要：集成電路廠房是高能耗產(chǎn)業(yè)，其電費(fèi)支出通常是非常高的。晶圓制造過(guò)程中涉及多個(gè)復(fù)雜的步驟和設(shè)備，這些都需要大量的電力支持。此外，晶圓廠還需要維持廠房的潔凈環(huán)境，只要廠房運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)論產(chǎn)量多少，都必須維持廠房的運(yùn)轉(zhuǎn)，這也會(huì)增加電費(fèi)支出。關(guān)鍵詞：集成電路廠房；高能耗；電力支持1項(xiàng)目背景集成電路(IntegratedCircuit，IC)是指通過(guò)一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻器、電容器等無(wú)源元件，按照一定的電路互連“集成”在半導(dǎo)體(如硅或砷化鎵等化合物)晶片上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定功能的電路或系統(tǒng)。集成電路自發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)60年代和70年代的發(fā)展，逐步形成了集成電路產(chǎn)業(yè)。集成電路應(yīng)用從最初的軍事領(lǐng)域，逐步擴(kuò)大到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、政務(wù)、安全、辦公、通信、教育、傳媒、娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。碳化硅（SiC）是寬禁帶（WideBandGap）半導(dǎo)體材料的典型代表，具有高禁帶寬度、高硬度與耐磨性、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、功率密度大、耐高溫、低熱膨脹系數(shù)、電子飽和速率高及抗輻射能力高等優(yōu)良特性，是制作高溫、高頻和大功率電力電子器件的理想半導(dǎo)體材料。本項(xiàng)目為南方某地區(qū)6英寸碳化硅功率芯片制造項(xiàng)目，典型工藝流程如下：硅片→清洗→勻膠、烘干→光刻→顯影、烘干→濕法刻蝕→化學(xué)氣相沉積→研磨→金屬化→干法刻蝕→清洗→成品。2電子廠房的配電特點(diǎn)（1）容量巨大：電子廠房的供電一般來(lái)自兩個(gè)不同的市電變電站，中大型電子廠房配電多采用110kV/220kV。（2）中低壓配電覆蓋廣：工廠配電分三級(jí)，第一級(jí)總降壓站主變中壓側(cè)母線；第二級(jí)CUB中壓配電，本級(jí)與應(yīng)急電源切換；第三級(jí)車(chē)間變電站。（3）供電連續(xù)性要求極高：全年365天工作，不考慮停電檢修時(shí)間,中低壓模式為兩進(jìn)線一母聯(lián)，負(fù)載率一般不高于50%，整個(gè)廠房的需要系數(shù)為0.45~0.5。（4）負(fù)載類(lèi)型復(fù)雜：主要工藝設(shè)備進(jìn)口，所以低壓電壓等級(jí)多樣，一般為208V/380V/440V(480V)/6kV/10kV。（5）設(shè)計(jì)方案豐富：工藝設(shè)備需要采用保護(hù)，主要作用是調(diào)整電壓質(zhì)量，防止電壓陡降造成宕機(jī);除末端線路外，各級(jí)供電線路不應(yīng)出現(xiàn)單一回路情況，以避免線路故障停產(chǎn)。（6）可靠性與經(jīng)濟(jì)性兼顧：供配電系統(tǒng)中要考慮設(shè)備的備用和供電線路的備用，合理控制設(shè)備備用和供電線路備用的程度，力求達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)型的平衡。3建筑概況主要建筑物包括：生產(chǎn)廠房、綜合動(dòng)力站、甲類(lèi)倉(cāng)庫(kù)、門(mén)衛(wèi)、宿舍等。生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)主要布置生產(chǎn)線的工藝設(shè)備以及測(cè)試、實(shí)驗(yàn)等設(shè)備儀器，同時(shí)還布置新風(fēng)機(jī)房、排風(fēng)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、超純水系統(tǒng)以及化學(xué)品和特種氣體系統(tǒng)等。建筑平面和空間布局應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定。設(shè)計(jì)建筑面積約為44000m2;層數(shù)為3層，局部為5層。動(dòng)力廠房主要布置冷卻塔系統(tǒng)、冷/熱水機(jī)組、超純水制備系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)等。辦公樓主要布置為生產(chǎn)線配套的研發(fā)、生產(chǎn)管理、行政、人事、環(huán)境安全等部門(mén)。原材料倉(cāng)庫(kù)主要儲(chǔ)存生產(chǎn)過(guò)程中所使用乙類(lèi)或丙類(lèi)材料等。4用電統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目工藝裝機(jī)容量9500kW，其中380V大約4600kW，208V大約4900kW，生產(chǎn)廠房（FAB）廠務(wù)用電裝機(jī)容量4500kW，動(dòng)力站（CUB）廠務(wù)用電5000kW。5供電電源、電壓供電電壓：10kV市政電源：上級(jí)市政不同的變電站引兩回路10kV電源。采用單母線分段接線方式。分別取自市政2路不同的10kV電源。10kV電源引至動(dòng)力站變電所后分配為多個(gè)回路，以放射式電纜線路向生產(chǎn)廠房分變電所供電。柴發(fā)電源：2號(hào)建筑動(dòng)力站3層設(shè)置設(shè)10kV柴油發(fā)電機(jī)組，以放射式電纜線路向各變電所供電。UPS電源：生產(chǎn)廠房設(shè)置UPS電源為廠房提供不間斷電源，備電時(shí)間15min.6配變電所本工程主要電氣站房設(shè)置如下：名稱位置設(shè)備電源性質(zhì)、范圍總變電站CUB三層2x2000kVA10/0.4kV變壓器N電，CUB提供電源分變電站FAB一層4x2000kVA10/0.4kV變壓器2x1250kVA10/0.208kV變壓器N電，F(xiàn)AB、辦公等提供電源柴發(fā)機(jī)房CUB三層10kV2000kW柴油發(fā)電機(jī)，E電，全廠應(yīng)急電源設(shè)備UPS間FAB一層3x500kVAUPS，0.4/0.208kV250kVA變壓器U電，工藝和輔助配套動(dòng)力設(shè)備7供配電系統(tǒng)10kV配電系統(tǒng)：采用單母線分段接線方式。低壓220/380V、208V配電系統(tǒng)：相同電壓等級(jí)、容量的每?jī)膳_(tái)變壓器構(gòu)成一組，中間設(shè)母聯(lián)斷路器，兩臺(tái)變壓器互為備用。低壓配電系統(tǒng)采用三相四線制、TN-S系統(tǒng)。應(yīng)急自啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：采用10kV電壓等級(jí)，設(shè)備啟動(dòng)后以放射式電纜線路向CUB、FAB的變電所提供10kV應(yīng)急電源，該母線段市電和應(yīng)急電通過(guò)中壓ATS切換。不間斷電源（UPS）系統(tǒng)：采用0.4kV電壓等級(jí)，單機(jī)運(yùn)行。由UPS直接向用電負(fù)荷供電；UPS設(shè)置靜態(tài)旁路及維修旁路。低壓配電系統(tǒng)采用三相四線制、TN-S系統(tǒng)。8運(yùn)行方式及聯(lián)鎖關(guān)系本項(xiàng)目市政供電采用兩回進(jìn)線同時(shí)工作，互為備用。普通電源10kV系統(tǒng)運(yùn)行方式及聯(lián)鎖關(guān)系：正常情況下10kV兩路電源同時(shí)工作，每路電源可提供100%的供電能力。兩路進(jìn)線不設(shè)母聯(lián)。低壓220/380V、208V配電系統(tǒng)運(yùn)行方式及聯(lián)鎖關(guān)系：相同電壓等級(jí)、相同容量的每?jī)膳_(tái)變壓器為一組互為部分備用。正常運(yùn)行時(shí)，同組的兩臺(tái)變壓器同時(shí)工作，每臺(tái)變壓器單獨(dú)向一段低壓母線供電，母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)運(yùn)行。

當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí)，若兩段母線用電負(fù)荷未超過(guò)一臺(tái)變壓器供電能力，手動(dòng)斷開(kāi)故障或檢修側(cè)低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)，閉合母聯(lián)開(kāi)關(guān)，該臺(tái)變壓器負(fù)載由另一臺(tái)變壓器供電。若兩段母線用電負(fù)荷超過(guò)一臺(tái)變壓器供電能力，值班人員手動(dòng)切除非重要負(fù)荷后，確定變壓器不過(guò)載后，按上述順序操作母聯(lián)斷路器。低壓雙路進(jìn)線與母聯(lián)開(kāi)關(guān)只能手動(dòng)操作，不設(shè)自投自復(fù)功能。同組的兩個(gè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)和母聯(lián)開(kāi)關(guān)間設(shè)電氣連鎖，三臺(tái)開(kāi)關(guān)只能有兩臺(tái)開(kāi)關(guān)處于合閘狀態(tài)。柴油發(fā)電機(jī)單機(jī)孤島運(yùn)行，不與市電并網(wǎng)。柴油發(fā)電機(jī)向CUB、FAB配變電所內(nèi)10kV應(yīng)急母線供電：(1)柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行模式。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)到市電停電后，延時(shí)5S啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)時(shí)間不大于10S。ATS檢測(cè)到柴發(fā)電源，供電穩(wěn)定后自動(dòng)切換至柴油發(fā)電機(jī)電源供電。

(2)市電恢復(fù)后，人工確認(rèn)后手動(dòng)停機(jī)。

(3)柴油發(fā)電機(jī)自啟、停信號(hào)由CUB、FAB配變電所內(nèi)雙電源應(yīng)急切換ATS提供信號(hào)，任何一路電源失壓（非故障跳閘）給發(fā)電機(jī)提供自啟動(dòng)信號(hào)。

(4)上述所有延時(shí)時(shí)限均應(yīng)在0~60S現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)，延時(shí)時(shí)限以供電公司實(shí)際送電的給定時(shí)限為準(zhǔn)。如與市電電源保護(hù)動(dòng)作時(shí)限不沖突，可按本方案設(shè)定。不間斷電源（UPS）系統(tǒng)運(yùn)行方式及聯(lián)鎖關(guān)系：正常情況下，由主回路電源供電，UPS單獨(dú)向一段低壓母線供電。當(dāng)主回路電源失電，自動(dòng)轉(zhuǎn)到靜態(tài)旁路供電。當(dāng)主回路與旁路電源均失電，自動(dòng)轉(zhuǎn)到電池供電模式。在UPS檢修維護(hù)時(shí)，由維修旁路供電。9能耗分析半導(dǎo)體廠房因其生產(chǎn)過(guò)程的高度精密性及對(duì)環(huán)境的嚴(yán)格要求，通常具有較高的能耗特點(diǎn)，其主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：1）特殊環(huán)境需求：集成電路生產(chǎn)需要在高度潔凈的環(huán)境中進(jìn)行，以避免雜質(zhì)對(duì)芯片的污染。因此，維持潔凈室的空氣過(guò)濾、溫濕度控制和正壓環(huán)境需要大量能源，尤其是空調(diào)系統(tǒng)和空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行，這些都是能耗的主要來(lái)源。2）生產(chǎn)設(shè)備能耗：特別是先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備，如光刻機(jī)，其能源轉(zhuǎn)換效率低，據(jù)之前的信息顯示，ASML的EUV光刻機(jī)能源轉(zhuǎn)換效率僅為約0.02%，且每次極紫外光的反射都會(huì)造成能量損失。這類(lèi)高端設(shè)備的運(yùn)行能耗極高，每日可能消耗數(shù)萬(wàn)度電。3）工藝步驟能耗：集成電路制造涉及多個(gè)復(fù)雜工藝步驟，包括但不限于單晶硅的提純、晶圓加工、光刻、蝕刻、沉積、封裝等，每一步驟都可能消耗大量能源。4）動(dòng)力系統(tǒng)與輔助設(shè)施：除了直接生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備外，支持和輔助設(shè)備的廠房系統(tǒng):如照明系統(tǒng)、HVAC（空調(diào)系統(tǒng)）、動(dòng)力系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、廢氣排放系統(tǒng)以及化學(xué)品、特氣系統(tǒng)等，也都是能耗的一部分。鑒于高能耗的問(wèn)題，集成電路廠房在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中會(huì)采取一系列節(jié)能措施，比如采用高效的HVAC（暖通空調(diào)）機(jī)組、LED照明、余熱回收系統(tǒng)、智能能源管理系統(tǒng)等，以優(yōu)化能源使用并減少浪費(fèi)。綜上所述，集成電路廠房的能耗分析是一個(gè)綜合考量生產(chǎn)流程、設(shè)備效率、環(huán)境控制以及能源管理策略的復(fù)雜過(guò)程。隨著技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展需求的增加，探索和實(shí)施更為高效的節(jié)能措施將是本行業(yè)持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)工廠和項(xiàng)目的特點(diǎn)，生產(chǎn)線采用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)制生產(chǎn)。生產(chǎn)線設(shè)備年運(yùn)行355天，設(shè)備年工作時(shí)間7670小時(shí)。本項(xiàng)目各種用電設(shè)備的年電能消耗分析：動(dòng)力站內(nèi)0.38kV設(shè)備計(jì)算容量為2557kW，10kV設(shè)備計(jì)算容量為1588kW，年電能消耗量Wy=αav*Pc*7670=0.8*（2557+1588）*7670=25433720kWh=2543.372萬(wàn)度電；生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)0.38kV設(shè)備計(jì)算容量為5181kW，0.208kV設(shè)備計(jì)算容量為1768kW，年電能消耗量Wy=αav*Pc*7670=0.8*（5181+1768）*7670=42639064kWh=4263.9064萬(wàn)度電。共計(jì)6807.2784萬(wàn)度電。電網(wǎng)上的損耗計(jì)算：電力線路的功率損耗，因本項(xiàng)目的電纜回路數(shù)量較多，固選擇其中一臺(tái)1#變壓器進(jìn)行分析；變壓器進(jìn)線10kV電纜電阻R為ρ*L/S=0.0193*180/95=0.036568Ω，電流I=2000*0.67/√3/10=73.68A，△P=3I2R=3*73.682*0.036568=595.6W=0.5956kW；用同樣的方法對(duì)低壓出線回路進(jìn)行計(jì)算，得出△P=31.7kW，線路上的損耗約占此臺(tái)變壓器所帶負(fù)載損耗的2.6%。電力變壓器的功率損耗可按0.01Sc進(jìn)行估算，本項(xiàng)目變壓器裝機(jī)容量為17450kVA，變壓器損耗共計(jì)147.5kWUPS損耗按照裝機(jī)容量的4%進(jìn)行估算，本項(xiàng)目變壓器裝機(jī)容量為1500kVA，變壓器損耗共計(jì)15Kw電網(wǎng)上的損耗△P=9506*0.026+147.5+15=409.656kW，年消耗量Wr=409.656*7670=3142061.52kWh=314.2萬(wàn)度電。由此可見(jiàn)，本項(xiàng)目電能的消耗巨大，主要體現(xiàn)在各種用電設(shè)備以及電網(wǎng)上的損耗。10結(jié)語(yǔ)鑒于高能耗的問(wèn)題，集成電路廠房在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中會(huì)采取一系列節(jié)能措施，比如采用高效的HVAC（暖通空調(diào)）系統(tǒng)、LED照明、余熱回收系統(tǒng)、智能能源管理系統(tǒng)等，