半导体晶圆厂的供电品质

半導體晶圓廠的供電品質

半導體生產製程任何中斷都會讓晶片製造商蒙受可觀的損失。在各種可能因素當中，暴風雪或

閃電等不良天候所造成的市電短暫中斷或干擾，將對晶圓廠造成廣泛的影響。這些典型的電壓

遽降事件會影響各種敏感的製程，且通常會讓設備發生故障或因此停機。 

半導體業界體認到這些事故所衍生的負面影響，於是成立SEMI Power Quality and Equipment Ride‐Through Task Force組織，負責制定多項標準來規範電力公司、半導體廠房設計者及半導

體設備製造商所應盡的責任，確保各種電壓遽降事件不會造成產品損失，或降低產品品質。 

本文的主旨在闡述電力品質對半導體製程所造成的影響，尤其是各種電壓遽降事故，並介紹多

套業界主要標準及因應指南，解說生產設備如何解決這類事故，而且解說這些標準與指南對單

個或多個關鍵系統元件的影響，包括製程所用的電源。 

介紹 

電源品質的實質定義是指在固定的連接點上，維持一定電壓和頻率的正弦波形的真實度(faithfulness)。在三相系統中，在評估電源品質時，亦須必須相位電流與電壓之間的平衡程度

[1]。電源品質問題包括諧波干擾、負載不平衡、電壓調節不良、電壓閃爍、瞬間超壓、電壓

驟升與驟降、停電、以及暫時與持續的斷電。業界目前已有許多指標與標準可用來衡量電源品

質，例如像諧波干擾的總諧波失真、以及電壓驟降的幅度與持續時間等。 

電壓驟降是指RMS電壓值下降的幅度介於額定電壓的10%至90%之間，持續時間在半個週期

到1分鐘之間，而瞬間斷電則指是RMS電壓下降到額定電壓的10%以下[3]。 

電壓驟降可能是因廠房本身或電力線路發生問題所致。我們稱這種情況導致的意外為遠端故障(remote fault)。遠端故障是電壓遽降最常見的形成原因，根據一項調查，83%的電壓遽降是由

遠端故障所造成，而有8%被列為可能由遠端故障所造成，因為我們無法確切地知道故障的時

間點[7]。造成故障狀態最可能的原因就是閃電，但也有許多時候是因強風、絕緣物的干擾、

動物或各種意外事故[5]所造成；啟動大型馬達亦可能導致電壓遽降，但因啟動馬達導致的電

壓遽降幅度並不足以讓設備產生故障[6]。 

電源品質調查 

過去十五年來，業界已進行許多大規模的電源品質調查，以描述電子與電力設備所運作環境的

狀態。調查結果發現短暫的斷電以及小幅的電壓驟降，是美國大型工業場所最常見的供電異常

事故[2]。國際半導體設備與材料(Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI)組

織針對全球各地十五家半導體廠房進行一項調查，結果與先前與美國進行的調查發現相吻合。

在調查中遭遇的電壓驟降事件記錄如圖一所示。電腦業與設備製造商協會(Computer Business and Equipment Manufacturers Association, CBEMA)在1970年代末期開始研究電腦設備對電壓驟

降應如何作出適當反應。在1996年更新的CBEMA 96曲線，也就是業界通稱的資訊技術產業

協會(Information Technology Industry Council, ITIC)曲線，亦繪於SEMI圖中供比對參考之用。 

調查結果發現15%的記錄事件其座標點落在CBEMA 96曲線以下的位置，且低於CBEMA 96曲

線的事件平均數每年每個站點為5.4。每站點每年的預估事件數量如圖二描繪的曲線。第二條由根據SEMI組織數據所繪製的曲線，遵循SEMI F47「半導體製程設備電壓驟降免疫標準」，延

伸了CBEMA 96曲線，在圖二中代表每站點每年的平均事件。CBEMA 96曲線代表單相電壓事

件。SEMI調查結果發現68%的電壓驟降是由單相電壓所觸發，其餘19%則是由雙相電壓所觸

發[7]。因此，在使用三相電源的設備中，F47標準可套用至雙相(phase‐to‐phase)以及單相(phase‐to‐neutral)電壓事件[10]。 

產業標準 

電力公司須遵循SEMI F50「半導體工廠供應電源的電壓驟降依循準則」。半導體工廠的電力服

務所涉及的因素皆列入F50的規範。其中包括連結至最高的電壓饋送線路，以及降低系統受各

種環境狀況的影響程度(閃電、樹、意外損壞)。這套規範將電力公司視為半導體工廠業主的積

極且持續合作的夥伴。 SEMI F49「半導體工廠系統電壓驟降免疫能力指南」針對工業廠房的配電系統設計做出多項建

議。由於認知到廠房設計須因地制宜的特性，因此在規範中指出「......廠房的電力系統應針對

每個不同的案例做實地分析.......」[9]。另一方面，F49亦提供全面性的設計方針，特別是電力

輸送的冗餘性以及服務可靠度方面。這套規範亦列舉了工業廠房所使用的各種設備與技術。 

其它規範各種半導體機台的標準包括SEMI F47‐「半導體製程設備電壓驟降免疫規定」。圖二顯

示SEMI F47電壓下降曲線，描繪三相系統的單相或相對相電壓驟降狀況。由於F47所規範的

電壓驟降特性不包括三相系統的斷電，因此可以推論它規範的電力系統故障和饋送至出錯設備

的電源之間沒有直接關係。這些遠端故障不是發生在幅射狀系統的不同分支處，不然就是在饋

送傳輸系統的遠端部份。這種現象引出兩項假設─第一，系統故障被及時排除不會導致工廠全

面斷電，第二，所有相位在所有時間都處在低阻抗的狀態。 

符合這項標準的半導體製程設備能在電壓驟降時繼續運作，且對製程幾乎不會造成改變，或不

會中斷製程。後者承認在電源不穩的狀態下會導致製程的產品受損，製程的供電在這方面尤其

受到重視，因為所有製程設備具有最高的單位儲存能量的電力流量。下一段我們將討論F47相

容的電源設計。 

製程電源的解決方案 

現有許多半導體製程設備能安然渡過F47型的事件，且完全不會中斷運作。然而，許多電源的

架構在這類事件中很可能會停擺。在製程中有能力克服F47事件的製程供電系統可以大幅改善

產能的損失並降低產品品質受損的幅度。要達成這項目標有兩個方法，第一，讓系統在遭遇F47的事件時，能從電源系統或儲存元件中擷取所需的電力，以提供不中斷的電源。我們可參

考不同供電系統的前端架構，進一步瞭解上述的模式。 

電路如圖三所示，顯示一套遵循規範電源傳統的前端電路。這套設計能達到相當高的輸出功率

因數(~0.95)以及注入較低的諧波。容量通常為數毫法拉的電容器可提供適當的儲存能量，允許

合理的短暫電壓驟降。不幸的是，由於系統內的電感容量通常高達數毫亨利，因此採用這種設

計的電源往往體積過大，且成本過於昂貴。 

另一方面，許多現代架構完全不採用電感，並將匯流排電容降至數微法拉。和前一代設計相比，

這種前端系統不僅體積小、成本低廉，且功率因數較低且有較高的諧波內容(harmonic content)。它沒有足夠的儲存能量，讓任何製程設備的供電電源能渡過F47規格中的低電壓區域。解決之

道就是運用一組較大的匯流排電容，容量達到數毫法拉，藉此提高儲存能量。這種設計成本較

低廉，且元件體積僅微幅增加，從製程設備的角度來看，的確能提高克服電源不穩的能力，但

卻導致前端系統效能的下降。功率因數視電容器的實際容量可低於0.7，並產生高諧波內容。

工廠需要較低的功率因數要求工廠增加AC電力傳送系統能力以支援較高的電流。 

增加電容最多只會增加數百焦耳的能量，並僅能為功率較低的設備提供渡過電壓驟降事件的能

力。若要讓功率較高的設備或整套機台能渡過電壓驟降的狀況，設備製造商與工廠設計人員可

採用適合的設備，例如像不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)，以儲存更多的能量並

維持穩定的輸出電壓。然而，能量儲存裝置有相當多的考量因素，其中包括成本、安全性及尺

吋規格。本文的目標並非詳細討論電池的規格、超導材質的能量儲存能力，或是調速輪等細部

元件，僅探討具商業化潛力的可行方案。解決方案的成本須為工廠業主認可，願意付出相對的

代價換取設備抵抗電壓驟降的能力。制定SEMI F47規格的SEMI組織指出，儘管蓄電池適用於

某些特殊狀況或特殊功能，但這套標準的原意並不是增加蓄電池的使用和容量[10]。其真正的

原意是「改進設備元件與系統設計」 [10]。 

前端元件設計範例運用標準的六脈衝二極體整流器設計，搭配各種被動元件，建構出限制電源

效能機制。先前所述的範例都無法為電源供應系統提供這麼高的抗低壓效能，它們必須在增加

能量儲存容量下才能達到數千瓦的供應電力。但若採用前置調節器，則能大幅提升系統效能。

圖四顯示運用標準的放大線路所設計的前置調節電路。 

這種設計能提升未調節的二極體整流器的電壓驟降。這類電源設計標準使功率因數與AC諧波

注入都在合理的範圍內。電感遠低於傳統電源供應器中的序列電感(如圖三所示)。但若結合其

它元件，則成本與容量的負荷就不是高品質無塵室所能承擔。這種模式在改進多項變數後，已

成功克服上述的限制[11]。 

有些工廠進一步延伸電源的要求，要求半導體設備電壓驟降的免疫能力必須超過SEMI F47曲

線，且要求設備必須能渡過為時一秒的三相電源完全中斷的事件。在排除使用外部儲存能源裝

置的前提下，其中一項可行的方法就是在發生事故時妥善地控制邏輯控制。也就是說邏輯電路

不能失去電源，並不能鎖定錯誤狀態或故障事件，以便在渡過事件後迅速回復電源。這種功能

通常可運用適當的數位邏輯設計來建構，不需增加任何儲存能量或成本。若這種設計不適用且

需要其它元件，則可將邏輯電源的饋送系統連結至獨立的安全輸入電源，而不是採用三相電源

作為主電源。 

觀察/建議

許多較新穎的三相電源的設計可讓系統順利渡過大多數SEMI F47的電壓驟降事件。對於超出SEMI F47規範領域之外的電壓驟降事件，系統應在遭遇這類事件能立即「喚醒」電源供應的邏

輯機制。這種功能讓電源供應系統能精準地報告這類事件，或甚至在電壓驟降事件持續較長的

時間後(通常在1秒之內)仍能回復正常運作，且不會損及系統的安全性。 

評估新技術亦可發掘許多潛在的利益。第一步應先根據技術與經濟上的偏好制定關鍵的目標，

之後再根據這些目標設計未來的製程環境的供電系統架構。其流程包括在高品質的無塵室廠房

中以最少的設備提供穩定的製程供電，以更低的成本為所有製程電源系統提供渡過電壓驟降的